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《传感器技术及应用》考试试题总结（含答案）

06-07(A)

(1)传感器作用是获取信息（测量），核心是敏感元件。从传感器用于自动化系统的角度考虑，要求传感器输出是标

准的电信号，例如电压信号1～5V或电流信号4～20mA。近年来，由于微电子技术与微机械技术的发展，传感器

技术的集成化与智能化发展很快，但在智能化传感器技术中，尽管微处理器具有重要的作用，但智能化传感器的关

键是基础(本)传感器。

(2)弹性敏感元件在阶跃载荷作用下，所产生的变形(形变)并不能立刻完成，需要经过一段时间间隔才能完成。这个

过程称为弹性元件的弹性后效，它是引起某些传感器测量过程重复性（随机）误差的主要原因之一。当外力保持恒

值时，弹性元件在一个较长时间范围内仍然继续缓慢变形的现象称蠕变，它是影响某些传感器测量过程稳定性的主

要原因之一。

二、说明应变式扭矩传感器的设计要点，并讨论可能的测量误差。（15分）

原理：敏感元件可以是圆柱杆，关键参数为直径，由于扭矩作用于圆柱杆端面，在沿杆轴线的

45度与135度方向上引起的正应变最大，且一个方向为正，另一方向为负。因此须在上述方向

上各设置两个应变元件。

可能的误差为：应变元件方向误差、四个应变元件的一致性误差、构成检测电路时电源稳定性

误差、温度误差等

测量电路：因为采用四个应变片分别受拉压作用，则后续电路设计成差动电路，能有效抑制非

线性误差和温度误差

三、利用悬臂梁的应力特性测量加速度时，悬臂梁的几何结构参数应当如何设计？（15分）

回答要点：

1.画出悬臂梁的结构示意图，包括敏感质量(3分)。

2.画出应力敏感原件(应为4个压阻元件或若干个压电元件)在悬臂梁上的政确位置(3分)。

3.指出悬臂梁敏感结构参数为：长度、宽度和厚度，且基本上满足100：10：1的关系(3分)。

4.设计结构参数时，主要考虑传感器的测量范围、动态响应特性等；依敏感质量块和加速度的范围可知在悬臂梁端

部所受集中力的范围(3分)。

5.利用悬臂梁根部所受最大应力、应变的要求确定悬臂梁的几何结构参数(3分)。

四、电容式压力传感器如何实现差动测量，试给出原理结构示意图，并对其工作原理和优点进行必要的说明。（15分）

电容式传感器拓扑图如（1），等效成（2），上下两极板固定，而中间极板可上下运动，假定初始时活动极板与上下

两极板间距均X，当有△P时，极板移动△X，与上极板距离X-△X，与下极板距离X+△X，

电容式压力传感器工作原理：由于压差引起动极板的移动，从而和两个固定极板形成差动电路，经电桥变成信号U，

再经放大器输出。

优点：差动输出能有效抑制温度误差和非线性误差，而且稳定性较好,

可以消除共模干扰，如温度、横向随机振动等干扰因素的影响。

五、讨论谐振式传感器闭环自激系统在时域和复频域的实现条件（要

求结合图进行讨论），并说明它们在实际应用中的特点。（15分）

左图为谐振式传感器闭环自激的图示。激励器给写真子U2，使其在

谐振频率处产生振动，其中U0Sin(wt+)为起振电压，在复数域中

Q=Wr/(W2-W1)，如果所给激励较好则选频效果也较好。

实际应用中首先必须要保证闭环自激电路的形成，且激励器提供的激

励要尽可能使谐振子工作在谐振频率处，这样选频效果较好，如果激

励器所给的激励较大超出一定范围，效果也不会很好。在谐振式压力

1

膜传感器中激励与膜片非接触且置于最大法向位移处，在谐振式压力筒传感器中激励器和拾振器是相互垂直的。

六、图示为一个结构新颖的传感器，请说明其测量原理、主要应用特点；若提高其测量灵敏度应采取什么措施（定

性说明即可）。（20分）

此图为硅谐振式微机械压力传感器，

测量原理：由于真空罩内为真空状态，有压力作用时，引起谐振子

1,2的变形，并且使其刚度发生变化，从而产生差动输出，实现了对

压力的测量。

主要应用特点：此微敏感结构的材料为单晶硅，其结构巧妙，便于

集成化，微型化，应用在测量压力的场合，其体积小、质量小、功

耗低、灵敏度高，稳定性也好。其次，产生的差动输出有效抑制了

半导体材料温度特性差的缺点，同时也减小了非线性误差，提高了

测量精确度。

最后，其结合了传统传感器的差动输出思想，巧妙设计了敏感结构，并且融合了微机械技术，是传感器“测-敏-电”

和微型化的很好结合，体现了传感器发展趋势。

提高灵敏度：减小膜片厚度H、适当增加环形膜片半径（R2－R1）

2006-2007（B