生物醫(yī)學(xué)傳感器習(xí)題

（這）使（不）用（是）說（重）明（點(diǎn)）

1.書本使用《醫(yī)用傳感器》第2版，陳安寧主編。供生物醫(yī)學(xué)工程、

影像學(xué)等相關(guān)專業(yè)使用

2.有些題目找的答案與標(biāo)準(zhǔn)答案或有出入，有些題目LZ也沒有找

到答案，各位您見諒！

3.全文“LZ”代表"錄主"，不是“樓主”，也不是“勞資”或者“老

子”。

4.“[PS:xxxxxxxxxxxx]”：可能為重要備注也可能是LZ瞎

BB,請視具體情況取舍。

5.“*************我是分割線**************

***”：分割線之前為網(wǎng)絡(luò)各家資料，分割線之后為親愛的老師

給的“給力”的重點(diǎn).

6.本文有些地方有照片或者有截圖，如果不清楚,請您湊合著看吧！

目前照片里的字代表了LZ的最高水平，也請您湊合著看吧！排版

水平差，也請您湊合著看吧！

7.第1-9章,參考網(wǎng)上部分資料，老師PPT,和學(xué)神（我希望是，

畢竟不認(rèn)識，瞎買的書）的復(fù)習(xí)資料，所以有些照片是他的杰作.

第10章、第11章為另一個親愛的老師給的題目，沒給“重點(diǎn)”至

于考不考是另外一回事?？傊?謝謝他們，我只是個歡樂的復(fù)習(xí)資料

搬運(yùn)工。

8.再次謝謝他們！??！也謝謝您的觀看，預(yù)祝過過過，都考

90分.但是，你也知道這難度有點(diǎn)大,所以，加油??！!!!

第一章緒論

1.醫(yī)用傳感器的定義、組成及在醫(yī)用測量系統(tǒng)中的作用？

定義：能感受或響應(yīng)規(guī)定的測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置。

生物醫(yī)學(xué)傳感器：能將各種被觀測的生物醫(yī)學(xué)中的非電量轉(zhuǎn)換為易觀測的電

學(xué)量的一類特殊的電子器件。

醫(yī)用測量系統(tǒng)中傳感器的作用：提供信息、監(jiān)護(hù)、生化檢驗、自動控制、參與治療

轉(zhuǎn)嫁電子

元件

醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)的組成框圖

生物電可測電模

信號傳子信號計

輸

電數(shù)

感算

珞轉(zhuǎn)出

器機(jī)

2.傳感器定義中“有用信號”的含義是什么？為什么通常傳感器輸出信號形式為電信

號？

反映生命的信息絕大多數(shù)屬于非電量，其放大和處理是十分困難的。而醫(yī)學(xué)傳感器

把生物信號換成電信號，經(jīng)放大器及預(yù)處理器進(jìn)行信號放大和預(yù)處理，然后經(jīng)A/D

轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，輸入計算機(jī)，然后通過各種數(shù)字信

號處理算法進(jìn)行信號分析處理，得到有意義的結(jié)果.

3.何謂物理型、化學(xué)型、生物型傳感器？

醫(yī)用傳感器按其敏感的工作原理，可以分為物理型、化學(xué)型和生物型三大類。

物理傳感器是利用物理性質(zhì)和物理效應(yīng)制成的傳感器；

化學(xué)傳感器是利用化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)效應(yīng)制成的傳感器；

生物傳感器是利用生物活性物質(zhì)作為分子識別系統(tǒng)的傳感器。

4O何謂直接型、間接型、物性型和結(jié)構(gòu)型傳感器？

5.試分析比較醫(yī)用傳感器主要分類方法有何優(yōu)缺點(diǎn)。

按工作原理分類：①物理傳感器②化學(xué)傳感器③生物傳感器

按被測量的種類分類：①位移傳感器②流量傳感器③溫度傳感器④速度傳感器⑤壓

力傳感器

按與人體感官相對應(yīng)的傳感器的功能分類：①視覺傳感器②聽覺傳感器③嗅覺傳感

器

優(yōu)缺占?？999??9?????999?????

6.人體信息的特殊性及檢測的特點(diǎn)？對醫(yī)用傳感器有哪些特殊要求？

特點(diǎn)：低頻或超低頻信息、生理參數(shù)的信號微弱、被測量量的信噪比低、隨機(jī)性信

號較多

Sensor特性：高靈敏度、高信噪比、良好的精確性、足夠快的響應(yīng)速度、良好的穩(wěn)

定性和較好的互換性

Sensor特殊要求：①生物相容性；②物理適形性；③電的安全性；④使用方便性

7.就醫(yī)用傳感器的發(fā)展任選角度寫一篇綜述（要求附參考資料，不少于1500字）。

[PS:醫(yī)用傳感器發(fā)展方向趨勢？】

答：1.微型化2.智能化3.多參數(shù)4。遙控化5.無創(chuàng)檢測化6.新材料、新原理

*************************我是分害“線*************

********************

1o現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱？

傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)。

2O為什么要將各種非電量轉(zhuǎn)換成電信號（傳感器的物理含義？）

反映生命的信息絕大多數(shù)屬于非電量，其放大和處理是十分困難的。而醫(yī)學(xué)傳感器把

生物信號換成電信號，經(jīng)放大器及預(yù)處理器進(jìn)行信號放大和預(yù)處理，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換

器進(jìn)行采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，輸入計算機(jī)，然后通過各種數(shù)字信號處

理算法進(jìn)行信號分析處理，得到有意義的結(jié)果.

3.醫(yī)用傳感器的定義和主要用途？

定義：能夠感知多數(shù)非電量的生物信息并將其轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件或裝置。

主要用途：提供信息、監(jiān)護(hù)、生化檢驗、自動控制、參與治療

40傳感器按工作原理的如何分類？

分類：物理傳感器；化學(xué)傳感器；生物傳感器

5O生物電信號有那些？生物非電量參數(shù)有那些？非電量物理參數(shù)有那些？

生物電信號：心電、腦電、肌電、神經(jīng)元放電等

生物非電量參數(shù)：物理參數(shù)；化學(xué)參數(shù)；生物參數(shù)；

非電量物理參數(shù)：利用材料的物理變化；

6.醫(yī)用傳感器技術(shù)有哪些發(fā)展趨勢？

發(fā)展趨勢：微型化、智能化、多參化、遙控化、無創(chuàng)化、新材料新原理

第二章傳感器的基本特性

1.何謂傳感器的靜態(tài)特性？寫出靜態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型及三種典型形式，并說明

物理意義。

靜態(tài)特性：輸入量為常量，或者變化極慢。

動態(tài)特性:輸入量隨時間較快地變化.

，

一般數(shù)學(xué)模型：y=ao+aix+a2x八2+.......+anx'n

三種典型形式：1O理想線性特性y=a,x

/

2?非線性項次項為偶數(shù)y=a1x+a2x'2+a4x-4+a6x-6.......

(aj—a5.......-0)

30非線性項次項為奇數(shù)y=a?x+a3x*S+asx'S+ayX7.........(a2

=

a4........=0)

[PS:差動傳感器的線性由于消去了偶次項而得到改善，零偏也消失，靈敏度變?yōu)?/p>

原

來的兩倍】

2.衡量靜態(tài)特性的指標(biāo)主要有哪些？分別說明其定義和物理意義。

測量范圍：傳感元件測量范圍有限制、變換電路工作范圍有限制

靈敏度:指傳感器的輸出量的增量與對應(yīng)的輸入量的增量的比值,通常用K表示?！綪

S：靈敏度界限當(dāng)小到某一程度時，輸出不再變化，這個Ax就叫靈敏度界限.

Av

原因：變化量被吸收、噪聲】k=―:—

_______△X

線性度:在規(guī)定條件下傳感器特性曲線與擬合直線間最大偏差(△Y，Q與傳感器

滿量程(FS)輸出值(Y,s=Ya—y0)的百分比，用L代表線性度

L=AKmaxx100%

YFS

遲滯：對應(yīng)于統(tǒng)一大小的輸入信號，傳感器正反行程的輸出信號大小不等，這種現(xiàn)象

稱為遲滯。大小用正向和反向行程的輸出信號間的最大偏差(△乩?與滿

AH

量程輸出值(YQ的百分比來表示k=±-n^xlOO%

________Ifs___________

穩(wěn)定性：傳感器輸入端加進(jìn)同樣大小的輸入時，最理想的情況是不管什么時候輸出值

的大小保持不變?！綪S:漂移：傳感器在連續(xù)使用過程中，即使輸入保持一

定，有時也會出現(xiàn)輸出朝一個方向偏移的現(xiàn)象。輸入值是零也會發(fā)生漂移.

漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂

移和溫度漂移。時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時間的緩慢

變化。溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度漂移】

穩(wěn)定性：傳感器在相當(dāng)長的時間內(nèi)仍保持其原性能的能力.

重復(fù)性：反映了傳感器在輸入量按同一方向（增或減）全量程多次測試時，所得到

的特性曲線的不一致程度。

分辨力：傳感器能檢測到的最小輸入量

[PS:還有：抗干擾穩(wěn)定性（環(huán)境特性）、閾值、靜態(tài)誤差等.】

3.線性度對應(yīng)的幾種擬和方法的特點(diǎn)及使用時應(yīng)注意的問題。

方法一：端點(diǎn)直線法：以理論直線作為擬合曲線，靜態(tài)特性的理想情況yxo由此求

得

的線性度稱之為理論線性度.

方法三：平均選點(diǎn)法，#n個檢測點(diǎn)平均分成n/2個的兩組,取兩點(diǎn)的點(diǎn)系中心，

通過兩點(diǎn)系中心的直線就是擬合直線

方法二：用最小二乘法原則擬合直線所求的線性度為最小二乘法線性度。[PS：擬

合直線、校準(zhǔn)曲線】

k和a。的表達(dá)式：

k=小一工壬工乂

〃工工2—（＞戶,）2

_ZX：E'，一二X，ZXiY

X,2_（＞X,）2

于是，可得填小二乘法填住擬合直線方程：

y=ao4-kx

以上三種方法中，最小二乘法的擬令精度垠闔.平均選點(diǎn)

法次之，端基法城低。但顯小二乘法的計算最繁瑣。

4.何謂傳感器的動態(tài)特性？寫出動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型并說明各個量的物理意義。

定義：指傳感器的輸入量隨時間變化時，傳感器的輸出量與輸入量之間的響應(yīng)特性。

數(shù)學(xué)模型：視sensor為線性時不變系統(tǒng)，用常系數(shù)線性微分方程描述輸入輸出關(guān)系

any+a（n-i）y+???+aiy+a0y-bnx+b（n-i）x+??,

+bix'+box

an,bn表示與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的常數(shù)

5.階躍響應(yīng)分析中的時域性能指標(biāo)有哪些？各自的定義及意義。

上升時間tr：輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)

值的90%所用的時間。

穩(wěn)定時間ts：系統(tǒng)從階躍輸入開始到系統(tǒng)穩(wěn)定

在穩(wěn)態(tài)值的給定百分比里所需的最小時間。

峰值時間tp：階躍響應(yīng)曲線達(dá)到第一個峰值所

需時間

超調(diào)量。%過渡過程中超過穩(wěn)態(tài)值的最大值

(過沖)與穩(wěn)態(tài)值之比。

衰減度W：表示瞬態(tài)過程中振蕩幅值衰減的速度

[PS:請看書本P16詳細(xì)解釋】

6.何謂傳感器的頻率特性？如何描述？

特性：在一定頻率范圍內(nèi)，sensor的頻率響應(yīng)函數(shù)的幅值和相位差的頻率關(guān)系

描述：用正弦傳遞函數(shù)來描述，用H(e,”)表示，幅頻|H(e」”)相頻

4)=arctan[H(eJW)]

7.分別寫出零階、一階、二階傳感器對應(yīng)的特征參數(shù)的物理意義及響應(yīng)特性并說明

各自的特點(diǎn).

傳遞函數(shù)”($)=(^=左

零階傳感器：數(shù)學(xué)模型y(t)=kx(t)

特征參數(shù)：靈敏度K

特點(diǎn)：輸入輸出呈線性關(guān)系，無時間滯后，無相位差，輸出能很好跟

輸入。例如：電位器式傳感器

K

q+any(t)=box(t)

一階傳感器：數(shù)學(xué)模型：dt傳遞函數(shù):需iZzS

特征參數(shù)：靜態(tài)靈敏度K=bo/a0系統(tǒng)時間常數(shù)T=a/a()

特點(diǎn)：T越小，頻帶越寬，達(dá)到穩(wěn)定時間越.例如:玻璃液體溫度計

二階系統(tǒng):數(shù)學(xué)模型/噌+4駕+"。州=短⑺

H（S）==a

傳遞函數(shù)：X（s）S2+2^5+^

5

特征參數(shù)：靜態(tài)靈敏度1<=尻/%無阻尼固有頻率3。=（a0/a2）°-

阻尼比i=0.5a1（a0a2）

特點(diǎn)：當(dāng)i=0。7時，響應(yīng)最快，頻帶最寬（衰減振蕩）。二階特性，只

能精確實現(xiàn)變換緩慢信號的測量。例如:測血壓、生理壓力

傳感器.

8.畫出二階傳感器對單位階躍信號，在阻尼比&<1,&=1,&〉1時，其輸出

Y（t）的時間響應(yīng)特性曲線并說明其特點(diǎn)。

~二階傳感器的單位階躍響應(yīng)

儼。1七=0時，產(chǎn)生等幅振蕩；

2TV2.&V1時，為欠阻尼，產(chǎn)

//W01/\生衰減振蕩；

3.乒1，臨界阻尼；

14忑>1,為過阻尼，無超調(diào)

,也無振蕩o

工程中傳感器工作在欠阻尼

0狀態(tài)，通常取《=0.6?0.8,

?取i=0.7這一最佳阻尼比時，頻率響應(yīng)最快，頻寬最寬

9O設(shè)X、Y分別為傳感器的輸入值、輸出值，下表列出的為測試結(jié)果，計算其端點(diǎn)

線性度、平均選點(diǎn)線性度、最小二乘法線性度，并進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果得出什么

結(jié)論?假設(shè)另有一組測量值將如何計算？

X1.02.003.004.05o006o007o008.09.0010.OO

000

Y7o2311.916.921.9232.1636o9141o47o5

6256.9094112.03

端點(diǎn)線性度：K=（52.03-7o23）/（10。00-1.00）=?

平均選點(diǎn)線性度：前五點(diǎn)中心（？，?）,后五點(diǎn)中心（？，?），求K

最小二乘法線性度：&=鼻與登卒

吃七一（工巧）

以上三種方法中，最小二乘法擬合精度最高，平均選點(diǎn)法次之，端基法最低，但是小二乘法計算

量最為繁瑣。

10.分別在下面兩幅圖中標(biāo)出以下各量：

（1）上升時間：（2）穩(wěn)定時間；（3）峰值時間；（4）最大超調(diào)量

［PS：請參照本章第五題解答以及書本P16,畫圖不方便】

11.若有微分方程式為：a~dt+bX+C+hy=e~dt^^X+8

其中x是輸入信號,y是輸出信號，a到h均為常數(shù)。求其時間常數(shù).

12.將某溫度計放入100℃的恒溫水中，測得如下數(shù)據(jù)（忽略記錄儀慣性）：

t(S)Oo01o23.05o68.011o015o018.0

T29899

(℃)

根據(jù)所列數(shù)據(jù)，判斷此系統(tǒng)是否為一階系統(tǒng)，如果是，請用最小二乘法求出時間常

數(shù)T（提示:對假定的一階模型y=A-，作丫=ln（A-y）與時間t的曲線,

判斷是否為一階系統(tǒng)）。

械掂峭版據(jù)，料前此小族念為-斯樂體&歌，翅M弱位L遢公期超

趣宜探里產(chǎn)A-三u（0—y）6時間七的曲虬幽-取*

峰-配WA或破據(jù)。。時,丫三4寸小卜好知《二嶼

L?二：一.十7r2士.=A>I。。

一四J二_2_ZuO_二_2QC

馥「丫加L冷通上工［二仇九［注

【PS：請參看本章第三以及第七題】

13.傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)中，準(zhǔn)確度和精密度的區(qū)別在何處？其分別反映了系統(tǒng)的

哪一種特性？

準(zhǔn)確度：被測量結(jié)果與約定真值一致的程度，是精密度和正確度的綜合.

精密度：同一測量條件下測量指示值不一致的程度，反映隨機(jī)誤差大小.

正確度：測量結(jié)果有規(guī)律偏離真值的程度，反映測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差大小。

14.一個紫外線檢流計的阻尼比4=().5,無阻尼固有頻率4=15%/.5，輸入一

個單位階躍信號，試確定：(1)超調(diào)量(百分比)，(2)穩(wěn)定時間(±5%),(3)上

升時間。

[PS:請參看本章第五以及第七題】

15.欲測量10尸。壓力，現(xiàn)有兩種量程的壓力傳感器，一個量程為100尸〃，精度

為±1。5級，另一個量程為15尸〃，精度為±2.5級，問選用哪一個傳感器合適？通

過此例說明了什么？

16.某壓力傳感器是一階系統(tǒng)，它含有一個波紋管和位移傳感器，系統(tǒng)的時間常數(shù)為

0.2s,根據(jù)系統(tǒng)的頻響特性確定壓力脈動的最大頻率，其引起的誤差必須小于10%。

17O一個二階系統(tǒng)的傳感器，其阻尼系數(shù)J=0.4,固有頻率為=800皿乩「，用它測

量頻率。=403ad./的正弦變化力，幅值誤差及相位偏移各為多少？若采用

co=1OOOraJ.5-1,f=0.6的力傳感器，測量結(jié)果將有多大改善？

***************************我是分割線********

***********************

1.傳感器的基本特性指什么？如何描述？

2.傳感器靜態(tài)特性的定義？傳感器靜態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型？

3?描述傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)有那些？

4.傳感器靈敏度的定義和描述。

5。傳感器動態(tài)特性的定義？與靜態(tài)特性的區(qū)別？

6.傳感器的基本動態(tài)特性方程：零階系統(tǒng)、一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng).

【PS:以上6題本章復(fù)習(xí)題全部包含，在此不再瞎BB。..。.下面LZ添加的】

1.傳遞函數(shù)是怎么來的？

當(dāng)傳感器的數(shù)學(xué)模型初值為。時，對其進(jìn)行拉氏變換，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

2o動態(tài)特性評價最常用何種方法，簡單計算？

最常用的階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法，輸入信號為時域內(nèi)階躍信號和頻域內(nèi)正弦信號。

3.一階，二階階躍特性取決于哪個參數(shù)？

一階傳感器動態(tài)響應(yīng)取決于T,T越小越好.T是一階系統(tǒng)決定參數(shù)，阻尼比&是二

階系統(tǒng)決定參數(shù)

4O瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)相應(yīng)、頻率響應(yīng)？

瞬態(tài)響應(yīng)：傳感器輸入單位階躍信號，一階、二階傳感器響應(yīng)均可通過求其傳遞函

數(shù)來分析

階躍信號拉氏變換：X(s)=1/s

穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：常用輸入正弦信號來研究傳感器的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，一般也是通過傳遞函數(shù)來

求出。

sin(3t)和COS(3t)的拉氏變換分別為3/(s，3?)、s/(s2+

002)

頻率響應(yīng)：將傳遞函數(shù)的S變?yōu)閖3即可得到傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)。

A|H(jw)|稱為傳感器的幅頻特性，也稱動態(tài)靈敏度

牛=—arctan[H,(w)/HR(w)](頻率響應(yīng)函數(shù)的實部虛部之

比求反三角

值，得到輸出超前輸入的角度，通常輸入滯后，故為負(fù)值)

第三章電阻式傳感器

1o何謂電阻式傳感器？包括有幾種？

電阻式傳感器：（醫(yī)學(xué)上）將生物體的一些非電量的生理參數(shù)（如位移、振動）轉(zhuǎn)

換為電阻的變化，進(jìn)而形成相關(guān)電學(xué)參數(shù)的變換，從而得到所需求的非電學(xué)

量。

種類：金屬應(yīng)變片型（分絲式、箔式），以及半導(dǎo)體擴(kuò)散壓阻傳感器

2.分別說明何謂應(yīng)變效應(yīng)、何謂壓阻效應(yīng)？

應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體的電阻率隨其機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象

?；蛘呤钱?dāng)物體發(fā)生應(yīng)變時，本身的一些

-^X￡X+ky￡y

特性會隨之發(fā)生變化

k應(yīng)變片軸向靈敏系數(shù)

xI壓阻效應(yīng)：因應(yīng)變使電阻率變化而引起電阻相對變化量

3：應(yīng)變片橫向靈敏系數(shù)

或者是半導(dǎo)體材料機(jī)械形變引起電阻率變

化）

3.金屬箔式應(yīng)變片有哪些優(yōu)點(diǎn)？

能很好"跟隨”應(yīng)變零件的變化，散熱好，承載電流較大，靈敏度高；工藝簡單，

利于大批量生產(chǎn)。由于其彎折處較寬，其橫向效應(yīng)比金屬絲應(yīng)變片小

4.何謂橫向效應(yīng)？橫向效應(yīng)的存在對應(yīng)變片的性能有何影響？

橫向效應(yīng)：因彎折處應(yīng)變的變化使靈敏系數(shù)減小的現(xiàn)象稱之為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)

影響：使靈敏系數(shù)減小

5.應(yīng)變片的性能包括哪些？

靈敏度系數(shù)、橫向靈敏度、應(yīng)變極限、機(jī)械滯后、最高工作效率、電阻值、最大工

作電流、零漂和蠕變、溫度特性

60簡述電阻應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因及補(bǔ)償方法。

原因：應(yīng)變片的金屬敏感柵電阻本身隨溫度變化；試件材料和敏感柵材料的線膨脹

系數(shù)不同，產(chǎn)生附加形變

補(bǔ)償方法：1線路補(bǔ)償法（電橋補(bǔ)償法）【PS：書本P26詳解】；2自補(bǔ)償法：分單

絲自補(bǔ)償法（適當(dāng)選取柵絲的溫度系數(shù)及膨脹系數(shù)，以滿足￡t=0）和

組合式自補(bǔ)償法（應(yīng)變片敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組

成）；3采用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償；4串聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)二極管補(bǔ)償；5輔助

測量補(bǔ)償；6計算機(jī)補(bǔ)償

7.在電橋測量電路中，各橋臂阻值在什么情況下電橋靈敏度最高？試證明之

電橋靈敏度用電橋測量臂的單位相對變化量引出輸出端電壓或電流的變化來表示。

電壓靈敏度電流靈敏度應(yīng)變片靈敏系數(shù)左=普尺

VVL

當(dāng)四個橋臂同時變化（惠斯通全橋電路）時，如R1、R4隨信號同樣變化（R1土△R,R4

±AR）,R2、R3隨信號（R2干AR,R3干AR）同樣變化。

Uo=.......rUAR/R靈敏度Su=U[PS:書本P33詳解】

8.分別畫出常用的四種測量橋路，說明各種橋路的特點(diǎn)，并比較其靈敏度。

⑴單臂UO=0.25U*AR/R靈敏度Su=0。25u

⑵雙臂U0=0。5U*AR/R,靈敏度Su=O.5u分為差動（兩變化臂相鄰反向，如右

圖）

以及非差動(兩變化臂相對同向)兩類

⑶四臂(全橋電路)U0=U*4R/R靈敏度Su=u

9.半導(dǎo)體應(yīng)變片和金屬應(yīng)變片在工作原理、元件性質(zhì)和使用范圍上有何異同？

【PS:見書本P2。與P27,不重要。。)

10.試用公式比較說明恒壓源供電與恒流源供電之區(qū)別，得出什么結(jié)論？

為使靈敏度最大，在此以惠斯通全橋電路為例：

恒壓源供電：UO=U4R/R+2\RT電橋輸出電壓變化近似與店主相對變化成正比，

與溫度呈非線性

恒流源供電：Uo=IaR電橋輸出電壓變化與電阻變化呈正比

結(jié)論：恒壓源供電受到溫度影響，而恒流源不會，恒流源供電有溫度補(bǔ)償效果

11.舉例說明電阻式傳感器在醫(yī)學(xué)測量中的應(yīng)用.

金屬應(yīng)變片傳感器：箔式壓力傳感器、簡支梁結(jié)構(gòu)血壓傳感器

壓阻式傳感器：擴(kuò)散硅型脈搏計、心導(dǎo)管式壓阻傳感器、注射針型壓阻傳感器

12.有人在使用曳典座變儀時，發(fā)現(xiàn)靈敏度不夠，他在差動工作的兩臂中各增加了

一片串聯(lián)的電阻應(yīng)變片,其參數(shù)與原來的應(yīng)變片相同,問這樣做能否達(dá)到提高電橋

靈敏度的目的？為什么？應(yīng)該怎樣提高其靈敏度？

不能。

?

應(yīng)當(dāng)變成惠斯通全橋電路

13.為了測量懸臂梁的應(yīng)變，把一個電阻R=K=2.0以及室溫時溫度系

數(shù)為10一6。。-1的應(yīng)變片安裝在梁上,并與圖P4-10所式的電橋相連接。電橋檢波器

電阻為100。，靈敏度為忽略電源內(nèi)阻抗。求：

(1)如果應(yīng)變片變化0。1%,計算檢波器偏轉(zhuǎn)多少。

(2)假設(shè)應(yīng)變片電阻變化主要由溫度變化所引起，試計算室溫上升10℃時等效

應(yīng)變的變化量。

(3)提出一種減小溫度影響的方法.

圖P4-10

(1)由圖可知

Vo=0o25EAR/R,而△R/R=KE

貝IVo=0.25EK￡=0。25x10x2x0.1%=5mV

則通過檢波器電流

I=Vo/R=5mv/1000=50uA

所以

Q=IKn=50uA*l°/〃A=50°偏轉(zhuǎn)50度

_|5-，3-11

(2)ART=aATR=10℃*10℃*10Q=10Q

又由△R/R=KE

(RK)=10/(10x2)=5x10

(3)采用差動式結(jié)構(gòu)測量，使用直流源供電、添加熱敏電阻、

14.解釋名詞：應(yīng)變片靈敏系數(shù)；橫向靈敏度；應(yīng)變極限；疲勞極限：允許電

流；零漂及蠕變。

【PS:見書本P23—P26,，瀚得打太多】

150下圖為測量示意圖，分析說明其測量原理，為使其靈敏度最高，應(yīng)如何連接

橋路？(a)圖為差動式結(jié)構(gòu)；(b)圖為非差動式結(jié)構(gòu)；(R,=R2=R)

(a)(b)

***************************我是分害i］線*******

************************

1.直流電橋的特征方程?直流電橋的平衡條件？

特征方程:

R#4—R2R3

if=u

Rf(居+寵2)(&+RJ+k內(nèi)(&+&)+RaRKR+叫)

平衡條件：用&=6&

2.直流電橋若為等臂電橋的條件是什么？

四個電阻的阻值大小相等R1=R2=R3=R4=R

3.3.電橋靈敏度的表達(dá)式？應(yīng)變片的靈敏系數(shù)的定義式？

電壓靈敏度：斗=裝

“AR

~R

電流靈敏度：號=44

A7?

R

\R/

應(yīng)變片靈敏系數(shù)：z=■

戔

4.零漂的定義？

粘貼好的應(yīng)變片，在一定溫度下不承受機(jī)械應(yīng)變時，指示應(yīng)變隨時間變

化的特性。

5.什么是應(yīng)變效應(yīng)？

金屬導(dǎo)體的電阻率隨其機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象

6o由金屬電阻絲的電阻公式R=pL/A,推導(dǎo)金屬材料的靈敏系數(shù)

思路：兩邊取自然對數(shù)，然后全微分，然后巴拉巴拉?！?。。。［PS：

見書本P21—22詳解】

7.若用圓形膜片上粘貼應(yīng)變片來測量血壓，試說明如何取得最大輸出靈

敏度？

應(yīng)變片放置：將■一片應(yīng)變片貼在靠近中心的正應(yīng)變區(qū)，另一片貼在靠近

邊緣的負(fù)應(yīng)變區(qū)，當(dāng)壓力作用于膜片一車是，兩片應(yīng)變片將向著相反方

向變化,將他們組合在電橋電路中就可以得到更大的信號

注意：應(yīng)輸出量如輸入的雅麗信號只有在膜片的中心位移較小的情況下

才能保持線性關(guān)系

【PS：詳見書本P39】

8o什么是壓阻效應(yīng)？

半導(dǎo)體材料在機(jī)械應(yīng)力的作用下，使得材料本身的電阻率發(fā)生了較大變

化而引起電阻相對變化。

9.試證明等臂電橋的4個橋臂電阻同時變化時，與兩個橋臂電阻同時變

化相比，當(dāng)兩種情況下橋臂電阻變化相同時，前者的輸出電壓為后者的

兩倍。

：IZYl代川,，

（I）單臂變化（R.土?xí)r?即電橋中的各臂電眼只有凡地待測信號變化?其他值是固定的

AfJ=-_u/+^^、=±025U里（34。）

皿（R1+R]?u（土風(fēng)）士。,aR

S.=0.25U,YD

（2）兩臂變化時,即電橋中的K與R,同時網(wǎng)待測信號變化,但凡土??火，士小?其他元件值

固定.由公式《生39）

B題一浦輸U(kuò)（―裁^+-尸0.5U管

S.=0.5U—

（3）四個橋臂同時變化時，如氏和凡隨信號同樣變化，R和R同樣變化,即K士”?尺

M,而用手AR.R千麗?由公式（339）

“一（品+用）式（R'

計獴可鉆,測激電橋輸出給放大器（在放大器的輸入電阻很大的條件下）的電壓大小"七

壓U和橋W電阻的相對變化.決定的,而且是正比關(guān)系此外,輸出電壓大小還和粉

關(guān)東橋餐變化作適當(dāng)調(diào)配后.橋曾變化越多?輸出電壓越大,由電橋靈敏發(fā)的公

，t部糖.二動用整電壓和增加變化的拉瞿理嘰達(dá)到但是彳能靠I

加麻靈敏度，因為橋臂變換元件的耗散功率梅限'過大將被畿切*'

;囂■法黑鬻耦暨靠黑瑟舞器后器:囂

【此類題不考，天理不容.。0.000下面是自己添加】

1.直流電橋的各種補(bǔ)償方法？[PS:詳見P34-36】

直流電橋零位補(bǔ)償:

圖3-15直流電橋的零位補(bǔ)償

＜B＞小電網(wǎng)申聯(lián)零位補(bǔ)償電路；（b）大電阻申聯(lián)零位補(bǔ)償電路，8）并聯(lián)等位補(bǔ)償電路，

（d＞雙橋零位補(bǔ)償電路

直流電橋溫漂補(bǔ)償:

圖3-16溫度補(bǔ)償法

熱敏元件接入線路；（b）非熱敏補(bǔ)償法；（c）箔式補(bǔ)償片接入線路

瞌度系數(shù)很小的電阻，所以其微分式如下:

dR.d/<一八

直流電橋的靈敏度溫漂補(bǔ)償以及非線性補(bǔ)償:

直流電橋的標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償:

第四章電容式傳感器

1.何謂電容式傳感器？有何特點(diǎn)？

定義：將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的器件或裝置

特點(diǎn)：有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強(qiáng)、抗過載能力大以及可

實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)。有輸出阻抗高，負(fù)載能力差，易受寄生電容影響，

存在邊緣效應(yīng)等缺點(diǎn)。

[PS]應(yīng)用：可用于壓力、位移、厚度、加速度、液位、濕度和成分含量等測量

2.常見的平行板式電容式傳感器有幾種形式？分別說明其測量原理。

類型：變間距型電容式傳感器、變面積型電容式傳感器。（另：變介電常數(shù)型電容式

傳感器）

原理:C=￡S/d=￡oerS/d[PS：詳見書本P44、45]

*????

??????

靈敏度：5--

Addd2

AC

d

怕對靈敏度：S、咯t

考慮到展開式中的二次方瑜:部制

相對非線性誤差.=留!

xlOO%

?????

????????

為飴決壽線性和靈敏度之間的矛盾可以采用差動???

?相對靈敏度與膜反比，d越小，S越大；式鋁構(gòu),如明示。

?非線性誤差與d成反比，d越小非線性誤差越大；

?碗小，極板可能擊穿，同時為保證線性特性，測里

范困小；

?S可以很大，實現(xiàn)納米剜里。

?線性較差

林占?靈敏度常數(shù)

…?測量范圍小

?分辨力極高

??

??■

???

輸出特性：上叩2空差動式與普單式特性比較

qd

單電容差動電容

靈破度：S---25.

Add融的ACAdACM

丁7

相對費(fèi)或度：2G■不

靈敏度

AddACCt

=~M=~dAdd

非線性誤差：片怨JxM?%=陷1100%

非線性誤差A(yù)d2

郛00%xlOO%

陷/可Id|~d

若忽嚼邊縫效應(yīng)，凰圖式速位傳圖者如下圖，傳感2s的

3、變介電常數(shù)型電容傳感器電各里與被翻或位的關(guān)系為

這種類型的傳序者是通過改變兩極板間介質(zhì)的介

電常數(shù)實鎮(zhèn)則里的。當(dāng)介電京效費(fèi)化時，其電寄第會

隨之改變，就種類型的傳星3可用于溫度、型度的則

里（電容式濕度計）?濕度則里常用于空氣調(diào)節(jié)系綾

液位傳掰者

c2.產(chǎn)（冬一勺陽

fe（^）*./，j

20￡鞏￡—7)

可見，傳圖罟電書里西被患遞位凄度也成線性關(guān)系?

注意：差動結(jié)構(gòu)在前兩者上的運(yùn)用。差動結(jié)構(gòu)型變間距型（僅僅中間板可動）比單

電容式傳感器靈敏度高、非線性誤差小，靜電引力的影響減小，改善環(huán)境

（如

溫度）變化說引起的誤差。差動結(jié)構(gòu)變面積型（僅上板可動，開始時與兩板

形成電容C1、C2必須一致）改善邊緣效應(yīng)、非線性，輸出的到加強(qiáng)，提高

了

靈敏度。

3.畫出電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)模型并說明測量原理及輸出特性.

壓力〃

工作電極

參比電極

公共電極

排氣孔

（?）

圖4-26測血壓用的電容式傳感器

儲）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）等效電路

4.針對電容式血壓計結(jié)構(gòu)及測量原理圖，推導(dǎo)輸出電壓與壓力之間的關(guān)系式.

3.電容血壓計該傳感器的測量電路采用運(yùn)算法測試電路

它是由運(yùn)算放大器，電阻及電容傳感器構(gòu)成的電

橋。

動極板膜片由溶鎏石英制成，腰厚為L251ml1，基座

厚為S4ma，基座表面上用等密子浸蝕的方法制成10”整

的座室，作為電容傳感署的同距，腔室經(jīng)通氣孔與大氣接

通。黑片上兩個電極，國形的為工作電極，環(huán)形的為參比

電極，基座上的電極為公共電極，兩者構(gòu)成平行板電容傳

感署。電極采用真空需膜方法得到。

…鼻I1+魯比哈）］

f咱）］

M癡e］

照92"）坨70c尸

匕g匕

5.簡述電容式微音器的工作測量原理。

該傳感器有左、右兩個接收室，測量接收室內(nèi)充有待測成分的氣體，當(dāng)輻射光束（參

比光束）和與被測氣體成分有關(guān)的測量光束通過切光片調(diào)制成交變光入射到左

右接收室后，被接收室中所充的待測氣體吸收，使氣體溫度升高，由于室內(nèi)體積

一定，因此隨溫度升高，內(nèi)部壓力增加，使薄膜片發(fā)生位移，改變電極間距，引

起電容值的改變，電容的變化與壓力變化相關(guān)，而壓力變化與被測氣體的含量有

關(guān)，從而實現(xiàn)氣體成分含量檢測.該系統(tǒng)由于輻射光束按切光片調(diào)制頻率變化,

使可動極板也按此頻率在音頻范圍內(nèi)（3~25Hz）變化，造成傳感器在氣室內(nèi)產(chǎn)

生微音，故稱電容式微音器.

6.試比較分析四種（PS：交流）橋路形式的靈敏度。

姣流電橋為例