第一章 传感器技术基础
典型习题1：什么是传感器？它由哪几部分组成？并画出其组成框图。
【答案】
（图片来源网络，侵删）
传感器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。
传感器通常由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。
组成框图如下：
+-----------------+
| 被测量 (X) |
+--------+--------+
|
v
+-------------+-------------+
| 敏感元件 |
| (Sensing Element) |
| - 作用：感受被测量X， |
| 并按一定关系输出物理量Y |
+-------------+-------------+
|
v
+-------------+-------------+
| 转换元件 |
| (Transduction Element) |
| - 作用：将物理量Y转换成 |
| 电量Z (如电阻、电容等) |
+-------------+-------------+
|
v
+-------------+-------------+
| 转换电路 |
|(Signal Conditioning Circuit)|
| - 作用：将电量Z转换成 |
| 标准化的电压/电流/频率 |
| 等便于处理的输出信号Uo |
+-------------+-------------+
|
v
+-----------------+
| 输出信号 (Uo) |
+-----------------+【解析】
（图片来源网络，侵删）
- 被测量：这是传感器需要测量的物理、化学或生物量，如温度、压力、位移、湿度等。
- 敏感元件：它是传感器的“五官”，直接与被测量接触，热电偶中的测温接点（感受温度）、应变片中的电阻丝（感受形变）。
- 转换元件：它是传感器的“转换器”，将敏感元件输出的非电量（通常是物理量）转换成电量，热电偶将温差转换成电势（热电动势），应变片将形变转换成电阻值的变化。
- 转换电路：它是传感器的“信号处理器”，转换元件输出的电信号通常很微弱、非线性或含有噪声，转换电路（如电桥电路、放大器、滤波器）对其进行处理，最终得到一个标准、稳定、可用的输出信号（如0-5V电压或4-20mA电流）。
第二章 传感器的特性
典型习题2：解释传感器的静态特性和动态特性，并列举至少3个静态指标。
【答案】
静态特性
静态特性是指当被测量处于稳定状态或变化极其缓慢时，传感器的输出与输入之间的关系，它主要表征传感器测量静态量时的性能优劣。
动态特性
（图片来源网络，侵删）
动态特性是指当被测量随时间快速变化时，传感器的输出能够真实、迅速地反映输入量特性的能力，它表征了传感器对随时间变化的输入量的响应速度，与传感器的固有因素（如质量、阻尼）和输入信号的频率有关。
静态特性指标（列举3个）：
- 线性度：指传感器输出-输入校准曲线与理论拟合直线之间的偏离程度，通常用非线性误差表示，计算公式为：
e_L = (Δ_max / y_FS) * 100%Δ_max是校准曲线与拟合曲线之间的最大偏差，y_FS是满量程输出值，线性度越高，测量越准确。 - 灵敏度：指传感器稳态输出变化量
Δy与引起此变化的输入变化量Δx之比，即S = Δy / Δx，它是传感器对输入量变化的“反应能力”，对于线性传感器，灵敏度是常数；对于非线性传感器，灵敏度是随输入量变化的变量。 - 重复性：指在相同工作条件下，对同一输入量进行多次测量，其输出值之间的不一致程度，重复性反映了传感器随机误差的大小，数值越小，重复性越好。
- 迟滞：指在输入量由小到大和由大到小变化期间，其输出-输入特性曲线不重合的现象，这主要由传感器内存在弹性元件、磁性元件等的滞后效应引起，迟滞误差用正反行程间最大偏差的一半与满量程输出值的百分比表示。
第三章 常用传感器工作原理与应用
典型习题3：简述热电偶的测温原理（热电效应），并写出其基本热电动势公式。
【答案】
测温原理
热电偶的测温原理基于热电效应（塞贝克效应），该效应指出：将两种不同成分的导体（或半导体）A和B连接成一个闭合回路，如果两个连接点（称为测量端或热端和参考端或冷端）的温度不同（T ≠ T₀），则在该回路中就会产生电动势，这个电动势称为热电动势或塞贝克电动势。
基本热电动势公式
热电动势的大小与两种导体的材料特性以及两连接点的温度有关,其基本公式为：
E_AB(T, T₀) = e_AB(T) - e_AB(T₀)
E_AB(T, T₀)是热电偶回路产生的总热电动势。T是测量端温度。T₀是参考端温度。e_AB(T)是接触电动势（或称帕尔贴电动势），由导体A和B在温度T处接触形成。e_AB(T₀)是接触电动势，由导体A和B在温度T₀处接触形成。
【解析】
- 热电动势的构成：热电动势主要由两部分组成：接触电动势和温差电动势，在总热电动势公式中，
e_AB(T)和e_AB(T₀)主要反映了接触电动势的贡献。 - 应用关键：在实际测温中，我们希望热电动势仅与测量端温度
T有关，必须保持参考端温度 T₀ 恒定（通常为0℃或室温），这样e_AB(T₀)就是一个常数，总热电动势E_AB(T, T₀)就只与测量端温度T成单值函数关系，通过测量E就可以知道T。 - 分度表：为了方便使用，对于每一种标准热电偶（如K型、J型、T型等），国家都提供了其分度表，该表列出了在参考端温度为0℃时，不同测量端温度所对应的热电动势值，我们只需测量出热电动势，再查分度表即可得到对应的温度。
第四章 信号调理电路
典型习题4：为什么传感器输出信号通常需要调理电路？列举并简述至少3种常用的信号调理电路。
【答案】
为什么需要信号调理电路？
传感器输出的原始信号通常存在幅值小、信噪比低、输出阻抗高、非线性等问题，无法直接被后续的A/D转换器、微控制器或显示设备直接使用，信号调理电路的作用就是对这些原始信号进行放大、滤波、线性化、隔离、阻抗匹配等处理，将其转换成后续处理系统所要求的标准、高质量的电信号。
三种常用的信号调理电路：
-
放大电路
- 作用：将传感器微弱的电压或电流信号放大到合适的幅值范围（如0-5V或0-10V），以满足A/D转换器的输入要求，提高信噪比。
- 典型电路：测量放大器（或仪表放大器），它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声和低漂移的特点，非常适合放大叠加在较大共模电压上的微弱差分信号（如来自电桥的信号）。
-
滤波电路
- 作用：去除信号中的噪声和不需要的频率成分，提高信号质量，噪声可能来自电源、环境电磁场或传感器自身。
- 典型电路：低通滤波器，许多传感器的有用信号是低频或直流信号，而噪声通常频率较高，低通滤波器允许低频信号通过，同时衰减高频噪声。
-
电桥电路
- 作用：将传感器（如应变片、热电阻、热敏电阻）的电阻变化量
ΔR转换成电压或电流信号ΔV或ΔI，这是电阻式
- 作用：将传感器（如应变片、热电阻、热敏电阻）的电阻变化量
