问题与思考参考答案模块一传感器技术基础学习单元一问题与思考问题1传感器的定义是什么，它由哪几部分组成？在自动测控系统中起什么作用？答：传感器的定义是：能感受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，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分：转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量掌握以及预期效果控制所从事的一系列的技术措施。直动测控系统是完成这一系列技术措施的装置之一，它是检测控制器与研究对象的总和，通常可分为开环与闭环两种。二个完整的自动测控系统，二般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。问题2为什么称传感器为电五官？谈谈传感器在信息社会中的地位？答：人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。学习单元二问题与思考问题传感器分类主要有哪种？各有什么优点和缺点？答：根据某种原理设计的传感器可以同时测量多种非电物理量，而有时一种非电物理量又可以用几种不同传感器测量。因此传感器有许多分类方法，但常见的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分：另一种是按照传感器的工作原理来分。根据被测量的性质进行分类，如：温度传感器、力传感器、光敏传感器、位移传感器、加速度传感器、湿度传感器、声音传感器、磁场传感器、色彩传感器、红外传感器、流量传感器、液位传感器等。这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量两类。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力、力矩等派生被测量。当需
问题与思考参考答案 模块一 传感器技术基础 学习单元一 问题与思考 问题 1 传感器的定义是什么，它由哪几部分组成？在自动测控系统中起什么作用？ 答：传感器的定义是：能感受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，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测 量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量 的电信号的部分。 自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量掌握以及预期效果 控制所从事的一系列的技术措施。自动测控系统是完成这一系列技术措施的装置之一，它是 检测控制器与研究对象的总和，通常可分为开环与闭环两种。一个完整的自动测控系统，一 般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。 问题 2 为什么称传感器为电五官？谈谈传感器在信息社会中的地位？ 答：人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在 研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传 感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是 要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的 各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没 有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 学习单元二 问题与思考 问题 传感器分类主要有哪几种？各有什么优点和缺点？ 答：根据某种原理设计的传感器可以同时测量多种非电物理量，而有时一种非电物理量 又可以用几种不同传感器测量。因此传感器有许多分类方法，但常见的分类方法有两种，一 种是按被测物理量来分；另一种是按照传感器的工作原理来分。 根据被测量的性质进行分类，如：温度传感器、力传感器、光敏传感器、位移传感器、 加速度传感器、湿度传感器、声音传感器、磁场传感器、色彩传感器、红外传感器、流量传 感器、液位传感器等。 这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量两 类。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力、力矩等派生被测量。当需
要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。了解基本被测量和派生被测量的关系，对选用传感器类型很有帮助。根据被测量的性质进行分类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：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，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。传感器按照工作原理可分为电阻式、电容式、电感式、热电式、光电式、磁电式、压电式等。通常同一机理的传感器可以测量多种物理量，而同一被测物理量又可以采用多种不同类型的传感器来测量。这种分类方法的优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析：缺点是不便于使用者根据用途选用。学习单元四问题与思考问题1什么是传感器的静态特性？它由哪些技术指标描述？答：静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，如热电阻的阻值随温度变化特性，它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量（如温度）作横坐标，把与其对应的输出量（如阻值）作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、重复性、迟滞和分辨力等。下面介绍几种传感器的静态特性指标。问题2什么是传感器的动态特性？其分析方法有哪几种？答：传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。由于传感器存在惯性滞后，当被测量随时间变化时，传感器的输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过渡过程之中，所以传感器的输出量表征为时间函数关系。在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。研究传感器的动态特性时，通常从时域和频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。由于传感器及系统的动态特性取决于传感器及系统本身及输入信号的形式，因此工程上常用单位阶跃函数和正弦函数作为“标准”输入信号，对传感器及系统的动态特性进行分析，据此确立传感器及检测系统动态特性的指标。最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。学习单元五问题与思考问题1传感器的标定和校准是如何定义的？为什么要进行标定和校准？答：传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确定传感器输出量和输入量之间的对应关系。同时也确定不同使用条件下的误差关系。传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可继续使用，如能继续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正。对传感器在使用中或储存后进行的性能复测，确保传感器的测量精确度的过程，称之为传感器的校准
要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。了解基本被测量和派生被测量的关系， 对选用传感器类型很有帮助。根据被测量的性质进行分类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；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，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。 传感器按照工作原理可分为电阻式、电容式、电感式、热电式、光电式、磁电式、压电 式等。通常同一机理的传感器可以测量多种物理量，而同一被测物理量又可以采用多种不同 类型的传感器来测量。这种分类方法的优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利 于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析；缺点是不便于使用者根据用途选用。 学习单元四 问题与思考 问题1 什么是传感器的静态特性？它由哪些技术指标描述? 答：静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。 因为这时输入量和输出量都和时间无关，如热电阻的阻值随温度变化特性，它们之间的关系， 即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量（如温度）作横坐标， 把与其对应的输出量（如阻值）作纵坐标而画出的特性曲线来描述。 表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、重复性、迟滞和分辨力等。下面 介绍几种传感器的静态特性指标。 问题 2 什么是传感器的动态特性？其分析方法有哪几种？ 答：传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。由于传感器存在惯 性滞后，当被测量随时间变化时，传感器的输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过渡过 程之中，所以传感器的输出量表征为时间函数关系。在动态（快速变化）的输入信号情况下， 要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特 性。研究传感器的动态特性时，通常从时域和频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分 析。由于传感器及系统的动态特性取决于传感器及系统本身及输入信号的形式，因此工程上 常用单位阶跃函数和正弦函数作为“标准”输入信号，对传感器及系统的动态特性进行分析， 据此确立传感器及检测系统动态特性的指标。最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例 如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。 学习单元五 问题与思考 问题1 传感器的标定和校准是如何定义的？为什么要进行标定和校准？ 答：传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确定传 感器输出量和输入量之间的对应关系。同时也确定不同使用条件下的误差关系。 传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可继续使用，如能继续使用，则应对其有 变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正。对传感器在使用中或储存后进行的性能复测， 确保传感器的测量精确度的过程，称之为传感器的校准
任何一种传感器在装配完后都必须按设计指标进行全面严格的性能鉴定。使用一段时间后（中国计量法规定一般为一年）或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验，以便确保传感器的主要性能指标达到要求。学习单元六问题与思考问题1改善传感器性能的主要技术途径有哪些？答：传感器的性能指标包括很多方面，要使某一传感器各项指标都优良，不仅设计制造困难，且在实用上也没有必要。因此应根据实际要求与可能，在保证主要性能指标的前提下，应放宽对次要性能指标的要求，以提高性能价格比。在设计、使用传感器时还有一些技术措施可改善传感器性能：1、稳定性技术：2、抗扰技术：3、补偿校正技术：4、合理选择传感器材料、结构与参数。学寸单元七问题与思考问题1传感器的发展趋势是什么？答：传感器技术是一项与现代技术密切相关的尖端技术，近年来发展很快，主要特点及发展趋势表现在以下几个方面。1.发现利用新现象、新效应：2.开发新材料：3.采用高新技术：4.拓展应用领域：5.提高传感器的性能：6.传感器的微型化与低功耗：7.传感器的集成化与多功能化：8.传感器的智能化与数字化：9.传感器的网络化。模块二温度传感器学习单元一问题与思考问题1求Pt100铂电阻在温度为50℃时的电阻值？并用查分度表的方法验证。答：Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，50℃时其温度/阻值对应关系为：Rt = 100(1+At+Bt2), A= 3.96847*10-3/℃,B=5.847+10-7/C。带入上式求得电阻值为119.4欧姆，通过Pt100铂电阻分度表验证正确。问题2常见的热敏电阻有几种?主要应用是什么？答：热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC)。其典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC)在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC)在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。PTC热敏电阻在工业上可用作温度的测量与控制，也用于汽车某部位的温度检测与调节，还大量用于民用设备，如控制瞬间开水器的水温、空调器与冷库的温度，利用本身加热作气体分析和风速机等方面。以及用于对加热器、马达、变压器、大功率晶体管等电器的加热和
任何一种传感器在装配完后都必须按设计指标进行全面严格的性能鉴定。使用一段时间 后（中国计量法规定一般为一年）或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验，以便 确保传感器的主要性能指标达到要求。 学习单元六 问题与思考 问题 1 改善传感器性能的主要技术途径有哪些？ 答：传感器的性能指标包括很多方面，要使某一传感器各项指标都优良，不仅设计制造 困难，且在实用上也没有必要。因此应根据实际要求与可能，在保证主要性能指标的前提下， 应放宽对次要性能指标的要求，以提高性能价格比。在设计、使用传感器时还有一些技术措 施可改善传感器性能：1、稳定性技术；2、 抗干扰技术；3、 补偿校正技术；4、 合理选 择传感器材料、结构与参数。 学习单元七 问题与思考 问题 1 传感器的发展趋势是什么? 答：传感器技术是一项与现代技术密切相关的尖端技术，近年来发展很快，主要特点及 发展趋势表现在以下几个方面。1. 发现利用新现象、新效应；2. 开发新材料；3. 采用高 新技术；4. 拓展应用领域；5. 提高传感器的性能；6. 传感器的微型化与低功耗；7. 传感 器的集成化与多功能化；8. 传感器的智能化与数字化；9. 传感器的网络化。 模块二 温度传感器 学习单元一 问题与思考 问题 1 求 Pt100 铂电阻在温度为 50℃时的电阻值？并用查分度表的方法验证。 答：Pt100 传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来 进行测温，50℃时其温度/阻值对应关系为： Rt = 100(1 + At + Bt 2 )， A = 3.96847 ∗ 10−3/℃ , 。 带入上式求得电阻值为 119.4 欧姆，通过 Pt100 铂电阻分度表验证正确。 问题 2 常见的热敏电阻有几种?主要应用是什么? 答：热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC） 和负温度系数热敏电阻器（NTC）。其典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电 阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC） 在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。 PTC热敏电阻在工业上可用作温度的测量与控制，也用于汽车某部位的温度检测与调节， 还大量用于民用设备，如控制瞬间开水器的水温、空调器与冷库的温度，利用本身加热作气 体分析和风速机等方面。以及用于对加热器、马达、变压器、大功率晶体管等电器的加热和
过热保护方面的应用。PTC热敏电阻除用作加热元件外，同时还能起到“开关”的作用，兼有敏感元件、加热器和开关三种功能，称之为“热敏开关”。利用这种阻温特性做成加热源，作为加热元件应用的有暖风器、电烙铁、烘衣柜、空调等，还可对电器起到过热保护作用。高分子PTC热敏电阻用于过流保护，高分子PTC热敏电阻又经常被人们称为自恢复保险丝，由于具有独特的正温度系数电阻特性，因而极为适合用作过流保护器件。NTC（NegativeTemperatureCoeffiCient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1℃，感温时间可至10s以下。它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。临界温度热敏电阻CTR（CritiCalTemperatureResistor）具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数。CTR能够作为控温报警等应用。热敏电阻也可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制，构成RC振荡器稳幅电路，延退电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性，制成专用的检测元件。PTC热敏电阻主要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面。学习单元二问题与思考问题1用K型热电偶测量炉温，冷端20℃，仪表测得当时热电动势为40.557mV，请问炉温多少？答：参考端（自由端）温度t0=20℃，由分度表可查得E20℃,0℃）=1.103mV，若测得热电势E（t，20℃)=40.557mV，则可得E(t,0℃)=E(t.20℃) +E(20℃.0℃)=40.557+1.103=41.66mv再查分度表，可知炉温t=1010℃。学习单元四问题与思考问题1列举你做知道的温度传感器有哪些？并比较它们的异同。答：由学生根据所学知识自主完成。模块三力敏传感器
过热保护方面的应用。 PTC热敏电阻除用作加热元件外，同时还能起到“开关”的作用，兼有敏感元件、加热 器和开关三种功能，称之为“热敏开关”。利用这种阻温特性做成加热源，作为加热元件应 用的有暖风器、电烙铁、烘衣柜、空调等，还可对电器起到过热保护作用。 高分子PTC热敏电阻用于过流保护，高分子PTC热敏电阻又经常被人们称为自恢复保险丝， 由于具有独特的正温度系数电阻特性，因而极为适合用作过流保护器件。 NTC（Negative Temperature CoeffiCient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具 有负温度系数的热敏电阻现象和材料。热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1℃，感温时间 可至10s以下。它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、 海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。 临界温度热敏电阻CTR（CritiCal Temperature Resistor）具有负电阻突变特性，在某 一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数。CTR能够作为控温报警 等应用。 热敏电阻也可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利 用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制，构成RC振荡器稳幅电路，延迟电路和保护 电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、 气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性，制成专用的检测元件。PTC热敏电阻主 要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、 彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面。 学习单元二 问题与思考 问题1 用K型热电偶测量炉温，冷端20℃，仪表测得当时热电动势为40.557mV，请问炉 温多少？ 答： 参考端（自由端）温度t0=20℃，由分度表可查得 E(20℃,0℃)=1.103mv，若测 得热电势E(t,20℃)=40.557mv，则可得 E(t,0℃)=E(t,20℃）+E(20℃,0℃)=40.557+1.103=41.66 mv 再查分度表，可知炉温t=1010℃。 学习单元四 问题与思考 问题1 列举你做知道的温度传感器有哪些？并比较它们的异同。 答：由学生根据所学知识自主完成。 模块三 力敏传感器
学习单元1电阻应变式传感器问题1电阻应变式传感器常用的转换电路有哪些，各有什么优缺点？答：单臂电桥电路、半桥电路、全桥电路。全桥电路无非线性误差，电压灵敏度是单臂工作时的4 倍。问题2电阻应变式传感器常用什么方法进行温度补偿？答：（1）自补偿法，其中包括单丝自补偿法和双丝组合式自补偿应变片补偿法。（2）电路补偿学习单元2压阻式传感器问题：压阻式传感器与电阻应变式传感器有什么区别？答：半导体单晶硅材料在受到外力作用，产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫压阻效应。利用压阻效应开发的传感器谓之压阻式传感器。电阻式传感器，主要是金属丝受力产生变形，从而导致电阻产生变化。学习单元3压电式传感器问题1什么是压电效应，什么是压电效应的可逆性？答案：当晶体受到某固定方向拉力或者压力的作用时会发生变形，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷：当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态：当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变：晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫正压电效应。反之，当对某些物质在极化方向上施加一定电场时，材料将产生机械形变，当外电场撤销时，形变也消失，这叫逆压电效应，也叫电致伸缩。问题2什么是压电陶瓷的压电效应？答案：如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。学习单元4电容式传感器问题1电容式传感器的等效电路是什么样的？
学习单元1 电阻应变式传感器 问题1 电阻应变式传感器常用的转换电路有哪些，各有什么优缺点？ 答：单臂电桥电路、半桥电路、全桥电路。全桥电路无非线性误差，电压灵敏度是单臂 工作时的 4 倍。 问题2 电阻应变式传感器常用什么方法进行温度补偿? 答：（1）自补偿法，其中包括单丝自补偿法和双丝组合式自补偿应变片补偿法。 （2）电路补偿 学习单元 2 压阻式传感器 问题：压阻式传感器与电阻应变式传感器有什么区别？ 答：半导体单晶硅材料在受到外力作用，产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时，其原 子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由其材料制成的电阻 也就出现极大变化，这种物理效应叫压阻效应。利用压阻效应开发的传感器谓之压阻式传感 器。 电阻式传感器，主要是金属丝受力产生变形，从而导致电阻产生变化。 学习单元 3 压电式传感器 问题1 什么是压电效应，什么是压电效应的可逆性？ 答案：当晶体受到某固定方向拉力或者压力的作用时,会发生变形，内部就产生电极化 现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状 态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大 小成正比。这种现象叫正压电效应。 反之，当对某些物质在极化方向上施加一定电场时，材料将产生机械形变，当外电场撤 销时，形变也消失，这叫逆压电效应，也叫电致伸缩。 问题2 什么是压电陶瓷的压电效应? 答案：如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内 的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷， 有一部分被释放而呈现放电现象。当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又 吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械 能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。 学习单元 4 电容式传感器 问题1 电容式传感器的等效电路是什么样的？