《传感器与自动检测技术》习题解答

第1章 传感器的基本知识

1. 简述传感器的概念、作用及组成。

答：传感器的定义是：“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。

作用：将被测量转换成与其有一定关系的易于处理的电量。 组成：敏感元器件、转换元器件、转换电路及辅助电源。 2. 传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？

答：传感器常用的分类方法有两种，一种是按被测输入量来分，另一种是按传感器的工作原理来分。

按被测输入量来分：这种分类方法的优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。其缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。

按传感器的工作原理来分：这种分类的优点是对传感器的工作原理表达的比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入的研究分析。其缺点是不便于使用者根据用途选用。 3. 传感器是如何命名的？其代号包括哪几部分？在各种文件中如何应用？

答：一种传感器产品的名称，应由主题词及4级修饰语构成。 （1） 主题词——传感器。

（2）第1级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语。 （3）第2级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字。

（4）第3级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必须的性能特征，一般可后续以“型”字。

（5）第4级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。

本命名法在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合使用。 例1： 传感器，绝对压力，应变式，放大型，1～3500kPa； 例2： 传感器，加速度，压电式，±20g。

在技术文件、产品样书、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序。

例3： 1～3500kPa放大型应变式绝对压力传感器；

例4： ±20g压电式加速度传感器。

在侧重传感器科学研究的文献、报告及有关教材中，为方便对传感器进行原理及其分类 的研究，允许只采用第2级修饰语，省略其他各级修饰语。

传感器代号的标记方法：一般规定用大写汉字拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完整代号。传感器完整代号应包括以下4个部分：（1）主称（传感器）；（2）被测量；（3）转换原理；（4）序号。4部分代号格式为：

（4）序号（3）转换原理（2）被测量（1）主称在被测量、转换原理、序号3部分代号之间有连字符“-”连接。 例5：应变式位移传感器，代号为：CWY-YB-10； 例6：光纤压力传感器，代号为：CY-GQ-1； 例7：温度传感器，代号为：CW-01A；

例8：电容式加速度传感器，代号为：CA-DR-2。

有少数代号用其英文的第一个字母表示，如加速度用“A”表示。 4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？

答：传感器的静态特性主要由线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨力和阈值、稳定性、漂移及量程范围等几种性能指标来描述。

含义：线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离理论拟合直线的程度，又称非线性误差。通常用相对误差表示其大小；

灵敏度是指传感器在稳态下，输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性曲线的斜率，对于非线性传感器，其灵敏度是一个随工作点而变的变量，它是特性曲线上某一点切线的斜率。

重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。 迟滞是传感器在正向行程(输入量增大)和反向行程(输入量减小)期间，输出—输入特性曲线不一致的程度。

传感器的分辩力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量?min。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示，称为分辨率。阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、钝感区，是输入量由零变化到使输出量开始发生可观变化的输入量的值。

稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性表示，它是指在室温条件下,

经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征其输出的稳定度。

传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间而缓慢变化的情况；温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。

传感器所能测量的最大被测量（输入量）的数值称为测量上限，最小被测量称为测量下限，上限与下限之间的区间，则称为测量范围。测量范围可能是单向的（只有正向与负向）、也可能是双向的、或双向不对称的和无零值的等。测量上限与下限的代数和称为量程。

5. 传感器的动态特性主要从哪两方面来描述？采用什么样的激励信号？其含义是什么？

答：传感器的动态特性主要从时域和频域两方面来描述，采用瞬态响应法和频率响应法来分析。通常采用阶跃信号和正弦信号作为激励信号。以阶跃信号作为系统的输入，研究系统输出波形的方法称为瞬态响应法（时域）；以正弦信号作为系统的输入，研究系统稳态响应的方法称为频率响应法（频域）。

第2章 力、压力传感器

1. 力传感器的组成是什么？

答：力传感器主要由力敏感元件、转换元件和测量电路组成。 2. 弹性敏感元件的作用是什么？其分类有几种？各有何特点？

答：作用：弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移。 分类：变换力的弹性敏感元件和变换压力的弹性敏感元件。

常用的变换力的弹性敏感元件有圆柱式、圆环式、悬臂梁、扭转轴等。

其特点：（1）圆柱式弹性敏感元件，根据截面形状可分为实心圆柱及空心圆柱等。结构简单，可承受较大的载荷，便于加工，实心圆柱形可测量大于10kN的力，空心圆柱形可测量1～10kN的力，应力变化均匀。

（2） 圆环式弹性敏感元件比圆柱式输出的位移量大，因而具有较高的灵敏度，适用于测量较小的力。但它的工艺性较差，加工时不易得到较高的精度。

（3）悬臂梁式弹性敏感元件。它的一端固定，一端自由，结构简单，加工方便，应变和位移较大，适用于测量1～5kN的力。等截面悬臂梁，梁上各处的变形大小不同，不便于粘贴应变片。变截面悬臂梁（也称等强度悬臂梁），梁上各处的截面不等，但沿整个长度方向上各处的应变相等，便于

粘贴应变片。

（4）扭转轴弹性敏感元件主要用来制作扭矩传感器，它利用扭转轴弹性体把扭矩变换为角位移，再把角位移变换为电信号输出。

3. 电阻应变式传感器的工作原理是什么？它是如何测量试件的应变的？

答：电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的“应变效应”的原理来工作的。即金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象。

测试时，将应变片用粘接剂牢固的粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻的变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定的测量线路将这种电阻的变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。其原理图如图2-7所示。

力应变试件电阻应变片电阻电压或电流测量电路显示记录仪图2-7 电阻应变片测试与原理图

4. 电阻应变式传感器的测量电路有哪些？各有何特点？

答：电阻应变片传感器输出电阻的变化较小，一般为5?10～10?，要精确的测量出这些微小电阻的变化，常采用桥式测量电路。根据电桥电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥，可采用恒压源或恒流源供电。由于直流电桥比较简单，交流电桥原理与它相似，所以我们只分析直流电桥的工作原理。

其特点是，当被测量无变化时，电桥平衡，输出为零。当被测量发生变化时，电桥平衡被打破，有电压输出，输出的电压与被测量的变化成比例。

根据电桥工作桥臂的不同，分为单臂电桥、差动双臂电桥（半桥）、差动全桥三种类型。 双臂电桥输出灵敏度是单臂电桥的两倍，全桥输出是双臂电桥的两倍。并且采用双臂和全桥测量，可以补偿由于温度变化引起的测量误差。

5. 电阻应变片为什么要进行温度补偿？补偿方法有哪些？

答：电阻应变片传感器是靠电阻值来度量应变的，所以希望它的电阻只随应变而变，不受任何其他因素影响。但实际上，虽然用作电阻丝材料的铜、康铜温度系数很小(大约在?=～×10/℃)， 但与所测应变电阻的变化比较，仍属同一量级。如不补偿，会引起很大测量误差。

应变片的温度补偿方法通常有两种，即线路补偿和应变片自补偿。 6. 应变片的粘贴、固化和检查工艺有哪些？

?5?4?1答：应变片的粘贴工艺如下：

（1）试件表面的处理 粘贴之前，应先将试件表面清理干净，用细砂纸将试件表面打磨平整，再用丙酮、四氯化碳或佛利昂彻底清洗试件表面的灰尘、油渍，清理面积约为应变片的3～5倍。

（2）确定贴片位置 根据实验要求在试件上划线，以确定贴片的位置。

（3）粘贴 在清理的试件表面上均匀涂刷一薄层粘接剂作为底层，待其干燥固化后，再在此底层及应变片基地的地面上均匀涂刷一薄层粘接剂，等粘接剂稍干，即将应变片贴在画线位置，用手指滚压，把气泡和多余的粘接剂挤出。注意，应变片的底面也要清理。

（4）固化 粘贴好的应变片按规定压力、升降温度速率及保温时间等进行固化处理。 （5）稳定处理 粘接剂在固化过程中会膨胀和收缩，致使应变片产生残余应力。为使应变片的工作性能良好，还应进行一次稳定处理，称为后固化处理，即将应变片加温至比最高工作温度高10～20℃，但不用加压。

（6）检查 经固化和稳定处理后，测量应变片的阻值，以检查贴片过程中敏感栅和引线是否损坏。另外还应测量引线和试件之间的绝缘电阻，一般情况下，绝缘电阻为50兆欧即可，对于高精度测量，则需在2000兆欧以上。

7）引线的焊接与防护 应变片引线最好采用中间连接片应出，引线要适当固定，为了保证应变片工作的长期稳定性，应采取防潮、防水等措施，如在应变片及其引线上涂以石蜡、石蜡松香混合剂、环氧树脂、有机硅、清漆等保护层，或在试件上焊上金属箔，将应变片全部覆盖。 7. 图2-88为一直流应变电桥。Ui?5V,R1?R2?R3?R4?120?，试求：

（1） R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1变化量为?R1?1.2?时，电桥输出电压Uo?? （2）R1、R2都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥的输出电压Uo??

（3） 题（2）中，如果R1、R2感受应变的极性相反，且

?R1??R2?1.2?，电桥的输出电压Uo??

（4） 由题（1）～（3）能得出什么结论与推论？ 答：（1）当R1为金属应变片，其余为外接电阻时，电桥为单臂工作电桥，当R1变化量为?R1?1.2?时，电桥输出电压：

图 2-88 直流应变电桥