仪表技术及传感器 原创 传感器及仪器仪表技术发展和标准化现状

原创 传感器及仪器仪表技术发展和标准化现状

作者 | 王春喜，柳晓菁

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所

摘要：本文梳理了传感器及仪器仪表行业发展现状及存在问题，总结了在智能制造、工业互联网、人工智能等新形势下，传感器及仪器仪表行业标准化需求及进展，提出了行业未来技术发展方向和措施建议。

关键词：传感器；仪器仪表；智能传感器；智能制造；工业互联网；人工智能

1 传感器及仪器仪表行业发展现状

1.1　相关定义及行业分类

传感器（sensor）是指能感受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（sensing element）和转换元件（transducing element）组成。其中，敏感元件指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。转换元件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部分。当输出为规定的标准信号时，传感器也被称为变送器（transmitter）。

仪器仪表（instrument或instrumentation）是指用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。温度变送器、压力变送器、流量变送器、分析仪表、实验室仪表、工控机、控制系统、可编程序控制器（PLC）、分散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）、执行系统、工业通信系统等均属于仪器仪表。过程领域中，仪表系统典型地由传感器（如压力、流量、温度变送器）、逻辑解算器或控制系统（如PLC、DCS、FCS）和最终元件（如控制阀）组成。

按国民经济行业分类，仪器仪表大类包括9个中类、20个小类，具体如下：通用仪器仪表（工业自动控制系统装置、电工仪器仪表、绘图/计算及测量仪器、实验分析仪器、试验机、供应用仪器仪表、其他通用仪器）、专用仪器仪表（环境监测专用仪器仪表、运输设备及生产用计数仪表、导航/测绘/气象及海洋专用仪器、农林牧渔专用仪器仪表、地质勘探和地震专用仪器、教学专用仪器、核子及核辐射测量仪器、电子测量仪器、其他专用仪器）、钟表与计时仪器、光学仪器、衡器、其他仪器仪表。

1.2　重要作用

随着第四次工业革命的到来，世界开始进入数字化和智能化时代。在智能化的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的数据和信息，而传感器及仪器仪表是获取自然和生产领域中数据和信息的主要途径与手段。许多科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。因此，传感器及仪器仪表技术是现代科技的前沿技术。著名科学家王大珩院士指出，“机器是改造世界的工具，仪器仪表是认识世界的工具”。仪器仪表是工业生产的“倍增器”，是科学研究的“先行官”，是军事上的“战斗力”，是现代社会活动的“物化法官”。不言而喻，仪器仪表在当今时代推动科学技术和国民经济的发展具有非常重要的地位。

传感器及仪器仪表技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术，乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术。其研究、制造和应用技术水平是衡量一个国家综合国力、科技水平、创新能力的重要指标。

我国工业正面临转型升级、提质增效的关键阶段。新一代信息技术与工业融合实现了一种全新的生产方法，实现了工厂和企业之间业务流程上的纵向网络集成，企业上下游之间的横向集成，以及产品全生命周期的价值链集成。其中智能传感器及仪器仪表是信息产业的源头和组成部分，对促进工业转型升级和高质量发展、推动现代国防建设、保障和提高人民生活水平发挥着重要作用。

1.3　国家政策支持

鉴于传感器及仪器仪表行业在国民经济发展中的重要作用，国家近年来推出了一系列相关政策大力支持行业技术研究和产业发展。

2013年，国务院办公厅印发了《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》，其中着重提出“加强低成本、低功耗、高精度、高可靠、智能化传感器的研发与产业化，着力突破物联网核心芯片、软件、仪器仪表等基础共性技术，加快传感器网络、智能终端、大数据处理、智能分析、服务集成等关键技术研发创新”。同年，工信部、科技部、财政部、国标委组织联合印发了《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》，并先后在工业领域、文物保护装备领域开展了产业化及应用专项行动，取得很好的带动效应。此外，发改委、工信部等14个部门联合印发10个物联网发展专项行动计划，其中对传感器的发展提出了明确的目标和要求。

2015年，国务院印发了《中国制造2025》，其中提出要“突破新型传感器、智能测量仪表、工业控制系统、伺服电机及驱动器和减速器等智能核心装置”。

2016年，国务院印发了《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，其中把传感器及仪器仪表产业作为“推动智能制造关键技术装备迈上新台阶”、“超前布局战略性产业，培育未来发展新优势”等工作的重要内容。同年，工信部、发改委、中国工程院联合印发了《发展服务型制造专项行动指南》，促进制造业由生产型制造向服务型制造转变。其中提出，引导制造业企业实施产品全生命周期管理（PLM），重点支持企业通过设备跟踪系统和网络服务平台进行远程监测、故障诊断、远程维修、趋势预测等在线支持服务。而这些服务都需要在生产制造和产品运维的全过程部署大量智能传感器，实时提供数字化服务。

2017年，工信部印发了《智能传感器产业三年行动指南 （2017-2019年）》，指出智能传感器及仪器仪表市场应用正呈现爆发式增长态势，已成为决定未来信息技术产业发展的核心与基础之一，已成为发达国家和跨国企业布局的战略高地。产业总体目标要求：到2019年，我国智能传感器产业取得明显突破，产业生态较为完善，涌现出一批创新能力较强的国际先进企业，技术水平稳步提升，产品结构不断优化，供给能力有效提高。

除了以上提到的政策文件以外，早在1998年，国家自然科学基金委就设立了科学仪器基础研究专项。2011年，“国家重大科研仪器设备研制专项”和“国家重大科学仪器设备开发专项”设立，分别由国家自然科学基金委和科技部管理，一个负责原创性的仪器研究，一个负责工程化和产业化。在这些科研计划的支持下，我国仪器技术研究与产品开发已初见成效。以科技部“重大科学仪器设备开发重点专项”为例，“十二五”科学仪器专项共安排项目208个，目前已全面进入验收阶段，有些成果已具备批量生产能力，得到了推广应用。“十三五”期间，科学仪器专项共安排项目142个，目前正处于关键技术攻关和工程化样机研制阶段。

1.4　行业发展现状及存在问题

传感器将是未来万物互联的核心基础。当前，全球信息技术发展正处于跨界融合、加速创新、深度调整的历史时期，呈现万物互联、万物智能的新特征。智能制造、工业互联网、人工智能等新技术和新生态的兴起，推动全球生产方式和消费模式的重大改变，市场应用呈现爆发式增长态势。从第三方数据显示2018年中国传感器市场规模在2400亿元，同比增长11.6%，2019年将持续保持增长态势进行提升。

发达工业国家都把传感器及仪器仪表技术列为国家发展战略。美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。世界技术发达国家对开发传感器技术都十分重视。美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一。正是由于世界各国普遍重视和投入开发，世界传感器技术和应用发展十分迅速。

传感器及仪器仪表产品门类和品种规格繁多，据不完全统计有12大类，42小类，6000多品种，20000多种规格。这也导致我国产业发展呈现两大趋势：一是创新驱动发展，实现了高灵敏度、高适应性、高可靠性，并向嵌入式、微型化、模块化、智能化、集成化、网络化方向发展；二是企业形态呈集团化垄断和精细化分工的有机结合，一方面大公司通过兼并重组，逐步形成垄断地位，另一方面小企业则向“小（中）而精、精而专、专而强”方向发展。

目前，我国传感器及仪器仪表行业已形成门类品种比较齐全、布局比较合理、具有一定技术基础和生产规模的产业体系，是发展中国家规模最大、产品品种最齐全、综合实力最强的传感器及仪器仪表生产国，在国际仪器仪表市场中具有一定的地位。经过近几年国家政策支持，我国一批企业具备了一定的规模和技术实力。自主研发能力提升，设计、制造、封装等环节产生了一批创新成果，部分技术领域打破了国际垄断，初步形成了比较完整的产业体系和技术创新体系。

我国传感器及仪器仪表产业虽然得到了快速发展，但与国外的差距仍然较大，主要体现在：

（1）科技创新及其产业化进展缓慢；

（2）关键核心技术匮乏，低水平重复异常突出；

（3）行业发展不平衡不充分，低端产品面临更加激烈竞争，中高端产品整体发展不平衡，高端产品被国外长期垄断；

（4）产品稳定性和可靠性长期得不到根本性解决；

（5）大量进口对产业发展造成较大不利影响等。

2 行业标准化需求和进展

2.1　新时期行业标准化需求

标准化工作一直在技术与开发、科研与生产、市场与需求、供应与采办、政府与企业之间，发挥着“桥梁”和“纽带”的作用，是促进传感器和仪器仪表技术进步和产业发展的重要基础。随着智能制造、工业互联网、人工智能技术的不断发展，工信部和国标委印发了《国家智能制造标准体系建设指南》（“BA智能装备”下的“识别与传感”，如图1所示）和《工业互联网综合标准化体系建设指南》（“平台”下的“数据采集”，如图2所示），正在制定《国家新一代人工智能标准体系建设指南》（“B平台/支撑”下的“智能感知与互联”，如图3所示），其中都将制定传感器及仪器仪表技术标准作为其核心的基础共性标准。

图1 智能制造标准体系结构图

图2 工业互联网参考架构

图3 人工智能标准体系结构图

2.2　行业标准化现状分析

目前，我国传感器及仪器仪表行业与传感器相关的技术标准共有约540余项。主要包括：

（1）敏感元件层面：热(温)敏、光敏、压敏、湿敏、气敏、磁敏、力敏、离子敏、生物敏、放射线敏、纤维光学敏感器等十多类80余项器件标准；

（2）产品层面：温度、流量、压力、物位、机械量、分析、显示、记录、调节、执行、变送、电单、气单等二十多类360余项产品通用技术条件标准；

（3）系统层面：系统评估、功能安全、通信安全、物理安全、环境测试五类40余项方法标准；

（4）集成层面：物理层规范、接口、功能块、设备行规等十多类30余项基础标准。

上述标准涉及的标委会主要包括： SAC/TC78（半导体器件）、SAC/TC103（光学和光学仪器）、SAC/TC104（电工仪器仪表）、SAC/TC124（工业过程测量控制和自动化）、SAC/TC159（工业自动化系统与集成）、SAC/TC284（光辐射安全和激光设备）、SAC/TC338（测量控制和实验室电器设备安全）、SAC/TC419（仪表功能材料）、SAC/TC526（实验室仪器及设备）、机械工业仪器仪表元器件标准化技术委员会等等十几个标委会和行业归口单位。

面向新时期智能制造、工业互联网、人工智能等对传感器及仪器仪表标准化工作的迫切需求，近年来，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所和全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（TC124）组织行业专家初步构建了智能传感器标准体系（如图4所示）。从基础标准、方法标准和产品标准三个层面进行了标准规划，已制定物联网和智能传感器相关标准近20项（如表1所示），很好地促进了传感器及仪器仪表领域标准化的发展。

图4 智能传感器标准体系

表1 物联网和智能传感器相关标准

3 未来技术发展方向和建议

3.1　未来技术发展方向

目前，国外传感器产品技术发展趋势是应用微机械和微电子相结合的MEMS工艺、新材料、高精度补偿技术和高可靠性设计技术，使传感器产品逐步向集成化、智能化、微型化、可移动、多样化方向发展。

（1）集成化：一种是同类型多个传感器的集成，即同一功能的多个传感元件用集成工艺在同一平面上排列，组成线性传感器。另一种是多功能一体化，如几种不同的敏感元器件制作在同一硅片上，制成集成化多功能传感器，集成度高、体积小，容易实现补偿和校正，是当前传感器集成化发展的主要方向。

（2）智能化：智能传感器这一概念是由国外引进的，通常定义为：带有微处理器，具有信息处理和通信功能的传感器。处理功能包括：自标定、自采集、自补偿、自检验、自处理、自存贮、自决策、自优化等功能；通信功能包括双向通信、标准化数字输出或符号输出功能，即其输出不再是单一的模拟信号，而是经过微处理器后的数字信号。

（3）微型化：随着各应用领域发展的需要，要求传感器本身的体积越小越好。传感器的微型化是指敏感元件的特征尺寸为mm→μm→nm类传感器。这类传感器具有尺寸上的微型性和性能上的优越性，要素上的集成性和用途上的多样性，功能上的系统性和结构上的复合性。其制备工艺涉及等。传感器将MEMS技术、IC技术、激光技术、精密超细加工技术引入传感器的生产制造，实现了规模化生产，并为传感器微型化发展提供了重要的技术支撑。

（4）可移动：进入21世纪后，由于MEMS技术、低功耗的模拟和数字电路技术、低功耗的无线射频（RF）和无线传感网技术的发展，克服了节点资源限制，并满足了传感器网络扩展性、容错性等要求，使得开发小体积、低成本、低功耗的无线微传感器成为可能。无线通信及组网技术的发展，可使大量传感器通过网络构成智能化、协同工作的信息感知系统，从而提高了传感器的分布式、大面积信息探测能力，使传感网的实现成为可能。

（5）多样化：新材料技术的突破加快了多种新型传感器的涌现。新型敏感材料是传感器的技术基础，材料技术研发是提升性能、降低成本和技术升级的重要手段。除了传统的半导体材料、光导纤维等，有机敏感材料、陶瓷材料、超导、纳米和生物材料等成为研发热点，生物传感器、光纤传感器、气敏传感器、数字传感器等新型传感器加快涌现。

3.2　行业发展措施建议

根据《智能传感器产业三年行动指南 （2017-2019年）》的总体目标要求，针对行业现存的自主核心技术薄弱、高端产品缺乏、产品可靠性差、科技创新及其产业化进展缓慢等问题，提出传感器及仪器仪表行业下一步重点发展措施建议如下：

（1）完善传感器及仪器仪表公共服务平台建设，推动科技创新和产业相结合。进一步完善技术研发、标准、知识产权、检测及公共服务能力，借鉴文物装备、医疗仪器等专项组织模式，主配牵手、产需对接，助力产业持续发展。

（2） 建设传感器及仪器仪表创新中心，助力行业高质量发展。建设创新中心，攻克可靠性、稳定性、高精度、封测工艺、批量化校准等共性技术难题，形成一批具有知识产权和核心竞争力的关键技术成果，研发适用于消费电子、工业、农业、交通、生物医疗等行业的量大面广智能传感器以及面向航天航空、深海探测等特殊应用的智能传感器产品，培养一批复合型创新人才骨干，设计与制造技术达到国际水平。2018年7月国家智能传感器创新中心在上海启动，专注传感器设计集成技术、先进制造及封测工艺等技术创新。

（3）培育传感器及仪器仪表龙头企业，提升解决方案供给能力和水平。龙头企业拥有强大的生产、市场和技术能力，在产业链中充当着核心企业或系统集成商的角色，是产业生态成长的关键力量。以龙头企业牵引，面向消费电子、汽车电子、工业控制、健康医疗、文物保护、节能环保等重点行业领域，开展智能传感器及仪器仪表应用示范。

4 总结

下一步传感器及仪器仪表行业将根据两化融合的发展需求，以及技术发展趋势和产业存在的主要问题，统筹规划传感器及智能化仪器仪表产业发展，整合现有资源，突出重点，标准引领，通过政策和资金的支持，充分发挥企业的主体地位和作用，着力增强自主创新能力，攻克基础共性和高端核心技术，实现整个产业的高质量发展。

作者简介

王春喜 （1974- ），男，博士，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所副总工，标准与检测中心主任，全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC124）秘书长，教授级高级工程师。主要研究方向为智能制造、测量控制与自动化、预测性维护、数据字典、标准化研究等。

传感器与检测技术试卷及答案

1． 属于传感器动态特性指标的是（D ）

A 重复性 B 线性度 C 灵敏度 D 固有频率

2 误差分类，下列不属于的是（B ）

A 系统误差 B 绝对误差 C 随机误差 D粗大误差

3、非线性度是表示校准（B ）的程度。

A、接近真值 B、偏离拟合直线 C、正反行程不重合 D、重复性

4、传感器的组成成分中，直接感受被侧物理量的是（B ）

A、转换元件 B、敏感元件 C、转换电路 D、放大电路

5、传感器的灵敏度高，表示该传感器（C）

A 工作频率宽 B 线性范围宽 C 单位输入量引起的输出量大 D 允许输入量大

6 下列不属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是（B）

A 应变式传感器 B 化学型传感器 C 压电式传感器 D热电式传感器

7 传感器主要完成两个方面的功能：检测和（D）

A 测量 B感知 C 信号调节 D 转换

8 回程误差表明的是在（C）期间输出输入特性曲线不重合的程度

A 多次测量 B 同次测量 C 正反行程 D 不同测量

9、仪表的精度等级是用仪表的（C）来表示的。

A 相对误差 B 绝对误差 C 引用误差 D粗大误差

二、判断

1.在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值和符号保持不变，或在改变条件时，按

一定规律变化的误差称为系统误差。（√）

2 系统误差可消除，那么随机误差也可消除。 （×）

3 对于具体的测量，精密度高的准确度不一定高，准确度高的精密度不一定高，所以精确度高的准确度不一定高 （×）

4 平均值就是真值。（×）

5 在n次等精度测量中，算术平均值的标准差为单次测量的1/n。（×）

6.线性度就是非线性误差.（×）

7.传感器由被测量，敏感元件，转换元件，信号调理转换电路，输出电源组成.（√）

8.传感器的被测量一定就是非电量（×）

9.测量不确定度是随机误差与系统误差的综合。（√）

10传感器（或测试仪表）在第一次使用前和长时间使用后需要进行标定工作，是为了确定传感器静态特性指标和动态特性参数（√）

二 、简答题：（50分）

1、什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么频域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性？

答：传感器的动态特性是指当输入量随时间变化时传感器的输入—输出特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入—输出特性。在时域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在频域条件下一般要研究传感器的动态特性。

2、绘图并说明在使用传感器进行测量时，相对真值、测量值、测量误差、传感器输入、输出特性的概念以及它们之间的关系。

答：框图如下：

测量值是通过直接或间接通过仪表测量出来的数值。

测量误差是指测量结果的测量值与被测量的真实值之间的差值。

当测量误差很小时，可以忽略，此时测量值可称为相对真值。

3、从传感器的静态特性和动态特性考虑，详述如何选用传感器。

答：考虑传感器的静态特性的主要指标，选用线性度大、迟滞小、重复性好、分辨力强、稳定性高、抗干扰稳定性高的传感器。考虑动态特性，所选的传感器应能很好的追随输入量的快速变化，即具有很短的暂态响应时间或者应具有很宽的频率响应特性。

4、什么是系统误差？系统误差产生的原因是什么？如何减小系统误差？

答：当我们对同一物理量进行多次重复测量时，如果误差按照一定的规律性出现，则把这种误差称为系统误差。

系统误差出现的原因有：

①工具误差：指由于测量仪表或仪表组成组件本身不完善所引起的误差。

②方法误差：指由于对测量方法研究不够而引起的误差。

③定义误差：是由于对被测量的定义不够明确而形成的误差。

④理论误差：是由于测量理论本身不够完善而只能进行近似的测量所引起的误差。

⑤环境误差：是由于测量仪表工作的环境（温度、气压、湿度等）不是仪表校验时的标准状态，而是随时间在变化，从而引起的误差。

⑥安装误差：是由于测量仪表的安装或放置不正确所引起的误差。

⑦个人误差：是指由于测量者本人不良习惯或操作不熟练所引起的误差。

三．计算

一、测得某检测装置的一组输入输出数据如下：

X

0.9

2.5

3.3

4.5

5.7

6.7

y

1.1

1.6

2.6

3.2

4.0

5.0

试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度(15分)

答：

带入数据得：

，

拟合直线灵敏度 0.68,线性度 ±7%

2、设6次测量某物体的长度，其测量的结果分别为：9.8 10.0 10.1 9.9 10.2 15厘米，若忽略粗大误差和系统误差，试求在99.73%的置信概率下，对被测物体长度的最小估计区间。

解：

分别为-0.2 0 0.1 -0.1 0.2

3、 等精度测量某电阻10次，得到的测量如下：

R1—167.95Ω R2—167.45Ω R3—167.60Ω R4—167.60Ω R5—167.87Ω

R6—167.88Ω R7—168.00Ω R8—167.85Ω R9—167.82Ω R10—167.61Ω

求：10次测量的算术平均值，测量的标准误差和算术平均值的标准误差

解：

=

=167.76Ω σ=

=0.18

=

=0.06

1、电阻式传感器是将被测量的变化转换成（D）变化的传感器。

　　A.电子　　　　B.电压　 　C.电感　　　　D.电阻

2、电桥测量电路的作用是把传感器的参数变化为（ C ）的输出。

A．电阻 B．电容 C．电压 D．电荷

3、半导体应变片具有（ A ）等优点。

A．灵敏度高 B．温度稳定性好 C．参数一致性高 D．接口电路简单

4、当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称（ B ）

A.光电效应 B.压阻效应 C.压电效应 D.霍尔效应

5、导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生相应变化的现象，称（ A ） A. 应变效应 B.光电效应 C.压电效应 D.霍尔效应

6、温度误差的线路补偿法是利用电桥( B )实现的。

A.相邻桥臂同变输入电压相加 B.相邻桥臂差变输入电压相减

C.相对桥臂同变输入电压相加 D.相对桥臂差变输入电压相加

7、利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小(C )

A.两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片 B.两个桥臂都应当用两个工作应变片串联　　C.两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片　　D.两个桥臂应当分别用应变量变化相同的工作应变片

8、按输出信号的性质分类，应变式位移传感器是一种（A）

A．模拟量传感器 B 计数型传感器 C 代码型传感器 D 开关型传感器

9、下列传感器，不适合于静态位移测量的是（D）

A 压阻式位移传感器 B电感式位移传感器

C电涡流式位移传感器 D压电式位移传感器

10、半导体热敏电阻率随着温度上升，电阻率( B )

A.上升 B.迅速下降 C.保持不变 D.归零

二 判断题

1、采用几个热电偶串联的方法测量多点的平均温度，当有一只热电偶烧断时，不能够很快地觉察出来。（×）

2、在固态压阻传感器测量电路中恒压源和恒流源供电均与电流大小、精度及温度有关。（×）

3、热回路的热电动势的大小不仅与热端温度有关，而且与冷端温度有关。（√）

4、在典型噪声干扰抑制方法中，差分放大器的作用是抑制共模噪声。(√ )

5、将电阻应变片贴在弹性元件上，就可以分别做成测力、位移、加速度等参数的传感器。(√ ) 6、在电阻应变片公式，dR/R=(1+2μ)ε+λEε中，λ代表电阻率。（× ）

7、结构型传感器是依靠传感器材料物理特性的变化实现信号变换的。（×）

8、信号传输过程中，产生干扰的原因是.干扰的耦合通道 (√ )

9 、常用于测量大位移的传感器有应变电阻式。( × )

10、差动电桥由环境温度变化引起的误差为0。(√ )

三 简答题

1.简述应变片在弹性元件上的布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用。

答 原则有：(1)贴在应变最敏感部位，使其灵敏度最佳；

(2)在复合载荷下测量，能消除相互干扰； (3)考虑温度补偿作用；

单臂电桥无温度补偿作用，差动和全桥方式具有温度补偿作用。

2．什么是金属导体的电阻－应变效应和热电阻效应？

答：金属电阻的应变电阻效应——当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化。

3.为什么要对应变片式电阻传感器进行温度补偿，分析说明该类型传感器温度误差补偿方法。 答：①在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数

及栅丝与试件膨胀系数（

）之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。

②方法：自补偿法 线路补偿法

四 计算题

1、如图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路，图中R2=R3=R是固定电阻，R1与R4是电阻应变片，工作时R1受拉，R4受压，ΔR=0，桥路处于平衡状态，当应变片受力发生应变时，桥路失去平衡，这时，就用桥路输出电压Ucd表示应变片变后电阻值的变化量。试证明：Ucd=-（E/2）(ΔR/R)。

证明：

略去

的二次项,即可得

2、图为一直流应变电桥，E = 4V，R1=R2=R3=R4=350Ω，求：①R1为应变片其余为外接电阻，R1增量为△R1=3.5Ω时输出U0=?。 ②R1、R2是应变片，感受应变极性大小相同

其余为电阻，电压输出U0=?。 ③R1、R2感受应变极性相反,输出U0=?。

④R1、R2、R3、R4都是应变片,对臂同性， 邻臂异性，电压输出U0=?。

解：①

②

③

④

一、判断（20分）

1.差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式自感传感器的4倍。 （×）

2.差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化。 （√）

3.改变电感传感器的引线电缆后，不必对整个仪器重新调零。 （×）

4.电涡流式传感器可以用来测量各种形式的位移量。 （√）

5.自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电容量的变化。 （×）

6.边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降低，而且会产生非线性。 （√）

7.电容传感器不能承受很大的温度变化。 （×）

8.差动变压器式传感器可以测量与位移有关的任何机械量。 （√）

9.电涡流式传感器可以无接触地测量各种振动的幅值 （√）

10.电涡流式传感器常用于测量压力、加速度、微小位移、液位等。 （×）

二．单选题 （20分）

1.由两块平行板组成一个电容器，若忽略其边缘效应，其电容量为（ A ）。

A. C=εS/d B.C=εd/S C. C=ε/Sd D.C=Sd/ε

2.在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中 ( B ) 。

A.电容和电感均为变量 B.电容是变量，电感保持不变

C.电感是变量，电容保持不变 D.电容和电感均保持不变

3.不能用涡流式传感器进行测量的是 ( D ) 。A.位移 B.材质鉴别 C.探伤 D.非金属材料

4.在实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度和减少外界干扰的影响，电容传感器常做成 （ B ）。

A.自感形式 B.差动形式 C.电涡流形式 D.电容形式

5.以下哪种途径不能提高差动变压器的灵敏度 （ C ）。

A.增大铁芯直径 B.选择较高的激磁电压频率

C.降低线圈的Q值 D.提高激磁电源电压

6.为了使传感器具有较好的线性度，一般取测量量范围为线圈骨架长度的（ D ）。

A.1/8～1/4 B.1/10～1/2 C.1/4～1/2 D.1/10～1/4

7.以下哪种传感器可以用来检测金属的表面裂纹和焊接部位的探伤（ C ）。

A.自感式传感器 B.差动变压器 C.电涡流式传感器 D.电容式传感器

8.测量范围大的电容式位移传感器类型为（ D ）。

A.变极板面积型 B.变极距型 C.变介质型 D.容栅型

9. 在非电量测量中，应用最多的差动变压器是哪种结构形式（ A ）。

A.螺线管式 B.变隙式 C.变面积式 D.变体积式

10.变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（ A ）。

A.增大 B.不变 C.减少 D.变为零

三．简答题（30分）

1.试比较自感式传感器与差动变压器式传感器的异同？

答：自感式传感器与差动变压器式传感器相同点：工作原理都是建立在电磁感应的基础上，都可以分为变气隙式、变面积式和螺旋式等。不同点：结构上，自感式传感器是将被测量的变化转化为电感线圈的电感值变化。差动变压器式电感式传感器是把被测量的变化转换为传感器互感的变化，传感器本身是互感系数可变的变压器。

2.自感式传感器测量电路的主要任务是什么？变压器式电桥和带相敏检波的交流电桥，哪个能更好地完成这一任务？为什么？

主要任务：把被测量变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或者电流输出。

带相敏检波的交流电桥能更好的完成这一任务。使用相敏整流电路，输出电压不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除了零点残余电压的影响。

3. 以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高其灵敏度的原理。

答：单极式自感传感器的灵敏度为：

差动式传感器的灵敏度为：

由此可见，与单极式比较其灵敏度提高一倍，非线性大大减小。

四． 计算题

1. 分析下图所示自感传感器当动铁心左右移动（x1,x2发生变化时自感L变化情况。已知空气隙的长度为x1和x2，空气隙的面积为S，磁导率为μ，线圈匝数W不变）。

解：

，

又

空气隙的长度x1和x2各自变，而其和不变，另其他变量都不变故L不变

2．下图为变极距型平板电容传感器的一种测量电路，其中CX为传感器电容，C为固定电容，假设运放增益A=∞，输入阻抗Z=∞；试推导输出电压U0与极板间距的关系，并分析其工作特点。

解：

式中负号表示输出电压

的相位与电源电压反相。上式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。但要求Zi及放大倍数K足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压

的幅值和固定电容C值稳定。

一．选择题。

1.将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的（C）

A应变效应B电涡流效应C压电效应D逆压电效应

2 . 在光线作用下，半导体电导率增加的现象（B）

A外光电效应B内光电效应C光电发射D都不是

3.使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测（C）

A人体体重B车道的压紧力C车刀在切削时感受的切削力的变化量D自来水管压力

4.光纤传感器的工作原理是基于（ B ）。

A、入射光的频谱与光电流的关系； B、光的折射定律；

C、光的衍射； D、光的强度与光电流的关系

5 . 在下述位移传感器中，既适宜于测量大的线位移，又适宜于测量大的角位移的是（C）

A．电容式传感器 B．电感式传感器 C光栅式传感器 D电阻式传感器

6.对石英晶体，下列说法正确的是( A)。

A、沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生

B、沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生

C、沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有电荷产

D沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生

7.人造卫星的光电池板利用（A）

A光电效应 B光化学效应 C光热效应 D感光效应

8.光电池属于（C)

A外光电效应 B内光电效应 C光生伏特效应 D不知道

9.固体半导体摄像元件CCD是一种（C ）

A．PN结光电二极管电路 B．PNP型晶体管集成电路

C．MOS型晶体管开关集成电路 D．NPN型晶体管集成电路

10.减小霍尔元件的输出不等位电势的办法是( C )

A、减小激励电流 B、减小磁感应强度 C、使用电桥调零电位器

一．判断题。

1.磁电式传感器不需要辅助电源,就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号,是一种 无源传感器.（错）

2.编码器以其高精度高分辨率和高可靠性而被广泛应用于各种位移的测量.（对）

3..在光纤传感器中，数值孔径NA其实就是临界角，反映光纤接受光亮的多少.。（对）

4.在光电式传感器中，光电流和亮电流都有很多，但暗电流只有一个；.暗电流大，光电流小的光敏电阻灵敏度越高。（错）

5.压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应,是一种典型的无源传感器（对）

6.压电式传感器适用于动态测量和静态测量（错）

7.光电效应可分为内光电效应，外光电效应和光生伏特效应三种类型。（对）

8.根据光受被测对象的调制形式，将光纤传感器分为强度调制型，偏振调制型，频率调制型，相位调制型。（对）

9.光敏二极管在测光电路中应处于反向偏置状态。 （对）

10.磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端产生感应电势的。而霍尔式传感器为霍尔元件在磁场中有电磁效应（霍尔效应）而输出电势的。霍尔式传感器可用来测量电流，磁场，位移，压力。（对）

1请解释何为莫尔条纹？

答：把两块光栅距相等的光栅面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙。并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角Q，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。

2.何为光电效应？

答：通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。

四．应用题。

1.压电传感器应用最多的是测力，凡是能转换成力的机械量，如位移，压力速度等，都可以用压电传感器测量，尤其是振动加速度的测量，下面请分析压电式加速度传感器在现实中的应用。

压缩式压电加速度传感器的结构原理图

1.答：压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使其变形时，内部就产生极化现象，同时再它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应.反过来，当在电介质的极化方向上外加电场时，它就会产生变形，这种现象称为逆压电效应.压电加速度计是利用正压电效应工作的.

如图，在测量时传感器底座与试件刚性固定，当感受振动时，质量块惯性很小，因此质量块与传感器基座同样振动，由于产生压电效应压电片产生电荷，当振动频率远小于传感器固有频率时，传感器输出电荷与作用力成正比，即与试件的加速度成正比，然后经放大器接测试仪器检测试件加速度。

2.某一转速测量装置由—个霍尔传感器和一个带齿圆盘组成。其输出信号经放大器放大后由记录仪记录，记录纸记录 的信号如图所示。

（1）简述霍尔效应

（2）当带齿圆盘的齿数为z=12，求被测转速为每分钟多少转?

（3）带齿回盘的材料采用铜材是否可行?为什么?

答：（1）置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上 平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。

（2）由图可知：标线之间脉冲数15个，则f=150HZ n=60f/Z=750(n/min)

（3）不可以用铜材做带齿圆盘，铜为非导磁金属

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