《传感器原理及工程应用》课后答案.pdf

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1、第第 1 1 章传感器概述章传感器概述1什么是传感器？（传感器定义）2传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？3.传感器特性在检测系统中起到什么作用？4解释下列名词术语：1)敏感元件;2)传感器;3)信号调理器;4)变送器。第第 1 1 章传感器答案：章传感器答案：3答：传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。4答：敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。传感器：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或

2、装置,通常由敏感元件和转换元件组成。信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的装置。变送器：能输出标准信号的传感器第第 2 2 章章 传感器特性传感器特性1传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？2某传感器精度为 2%FS，满度值 50mv，求出现的最大误差。当传感器使用在满刻度值1/2 和 1/8 时计算可能产生的百分误差，并说出结论。3一只传感器作二阶振荡系统处理，固有频率 f0=800Hz，阻尼比 =0.14，用它测量频率为 400 的正弦外力，幅植比=0.7 时，又为多少？，相角各为多少？4某二阶传感器固有频率 f0=10

3、KHz，阻尼比 =0.1 若幅度误差小于 3%，试求：决定此传感器的工作频率。5.某位移传感器，在输入量变化 5 mm 时，输出电压变化为 300 mV,求其灵敏度。6.某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。7测得某检测装置的一组输入输出数据如下：a)试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度；b)用 C 语言编制程序在微机上实现。8某温度传感器为时间常数 T=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的 1/3 和 1/2 所需的时间。9某传感器为一阶系统，当受阶跃函

4、数作用时，在t=0 时，输出为 10mV;t时，输出为100mV;在 t=5s 时，输出为 50mV,试求该传感器的时间常数。10 某一阶压力传感器的时间常数为 0.5s,若阶跃压力从 25MPa,试求二倍时间常数的压力和2s 后的压力。11某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为 1000Hz,阻尼比为临界值的 50%,当 500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。12。已知某压力传感器的测定范围为 010000Pa，输入特性表示为：y=10(x-0.00007x2+2000)请问这种传感器能使用吗？13。某 CO2 气体传感器在 20。C，浓度范围为 0100ppm 时的输入特性

5、表示为 Rx=x+250(k),用差动法回答以下问题（其中 R1=10M,E=2V）:利用最简单的电阻-电压变换电路，绘出 X，V0 的关系图。利用电桥进行电阻-电压变换电路，绘出 20。C 时 X，V0 的关系图。另外，当 30。C 时，Rx=x+500(k)，在同一张图上再加上 X，V0 的关系图，然后进行比较。采用两个差动法的传感器电路绘出 20。C，30。C 时 X，V0 的关系，然后与（2）中的图形进行比较。14。设阻抗 Rs 为 1 k 俄信号源与 100V 的动力线有 50m 的并行走线距离，静电感应所产生的噪声电压为多少？分布电容设为 10pF/m。第第 2 2 章章 传感器特

6、性传感器特性答案：答案：1.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。5解：6。解：7 解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度 7%。，8解：设温差为 R,测此温度传感器受幅度为 R 的阶跃响应为(动态方程不考虑初态)9解：此题与炉温实验的测试曲线类似:10解：11解：所求幅值误差为 1.109,相位滞后 33042,所求幅值误差为 1.109,相位滞后 33042,12答：dy/dx

7、=1-0.00014x。微分值在 x7143Pa 时为负，故不能使用。13答：20。C 时，0100ppm 对应得电阻变化为 250350 k。V0 在 48.7867.63mV 之间变化。如果 R2=10 M，R3=250 k，20。C 时，V0 在 018.85mV 之间变化。30。C 时 V0 在46.46mV（0ppm）64.43mV（100ppm）之间变化。20。C 时，V0 为 018.85mV，30。C 时 V0 为 017.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低 4.9%。但相对（2）得情况来说有很大的改善。14答：感应电压=2 fCRSVN,以 f=50/60Hz,RS

8、=1k,VN=100 代入，并保证单位一致，得：感应电压=2*60*500*10-12*1000*100V=1.8*10-2V第第 3 3 章应变式传感器章应变式传感器1什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。2有一吊车的拉力传感器如图所示，电阻应变片 R1、R2、R3、R4 等截面轴上，已知 R1R4标称阻值为 120，桥路电压 2V，物重 m 引起 R1、R2 变化增量为 1.2。请画出应变片电桥电路，计算出测得的输出电压和电桥输出灵敏度，R3、R4 起什么作用？3在传感器测量电路中，直流电桥与交流电桥有什么不同，如何考虑应用场合？用

9、电阻应变片组成的半桥、全桥电路与单桥相比有哪些改善？4。相敏检波电路与普通检波电路有什么不同？请叙述相敏检波电路工作原理。5。电桥如图所示：试推导电桥平衡条件 V0（R1,R2,R3,R4）=0V。6。电桥预调平衡电路如图，初始不平蘅值：R1=348，R2=350，R3=120，R4=120，R5=1K，R6=20K，E=24V 求：调节滑片，平衡时 R7，R8 的值。平衡后 R1/R2=R3/R4，对吗？7.在用直流电桥测量电阻的时候，若标准电阻 Rn=10.0004 的电桥已经平衡（则被测电阻Rx=10.0004），但是由于检流计指针偏转在0.3mm以内时，人眼就很难观测出来，因此Rn 的

10、值也可能不是 10.0004 ,而是 Rn=10.0004 Rn。若已知电桥的相对灵敏度Sr=1mm/0.01%，求对应检流计指针偏转0.3mm 时，Rn？8.说明电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？9.一个量程为 10kN 的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm,内径 18mm,在其表面粘贴八各应变片，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为 120,灵敏度为2.0,波松比为 0.3,材料弹性模量 E=2.11011Pa。要求：绘出弹性元件贴片位置及全桥电路；计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化；当桥路的供电电压为 10V 时，计算传感器的输出电压。10

11、.应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？11.今有一悬臂梁，如图所示，在其中上部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，该梁在其悬臂梁一端受一向下力 F=0.5N,试求此时这四个应变片的电阻值。已知：应变片灵敏系数K=2.1;应变片空载电阻 R0=120。12.如图所示一受拉的 10#优质碳素钢杆。试用允许通过的最大电流为 30mA 的康铜丝应变片组成一单臂受感电桥。试求出此电桥空载时的最大可能的输出电压（应变片的电阻为120）。13钢材上粘贴的应变片的电阻变化率为 0.1%，钢材的应力为 10kg/mm2。求钢材的应变。钢材的应变为 300*10-6 时，粘贴的应变片的电阻变

12、化率为多少?14截面积为 1mm2、长度为 100m 铜线的电阻为多少？具有和它相同电阻的 100m 铝线的截面积为多大？比较此时的铝线重量和铜线重量。15试推导惠斯顿电桥输入输出之间的关系。16参考有关书籍中的地震式加速度传感器的工作原理并推导出公式：17。给出力平衡测量系统得一个应用实例，并给出系统的信号流方框图。第第 3 3 章应变式传感器答案章应变式传感器答案7.解：8.答：金属电阻应变片由四部分组成：敏感栅、基底、盖层、粘结剂、引线。分为金属丝式和箔式。其主要特性参数：灵敏系数、横向效应、机械滞后、零漂及蠕变、温度效应、应变极限、疲劳寿命、绝缘电阻、最大工作电流、动态响应特性。9.答

13、：(1).全桥电路如右图所示(2).圆桶截面积应变片 1、2、3、4 感受纵向应变；应变片 5、6、7、8 感受纵向应变；满量程时：（3）10答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。11解：12解：13解：是 R/R=2（l/l）。因为电阻变化率是 R/R=0.001，所以 l/l（应变）=0.0005=5*10-4。因 l/l=300*10-6，所以，R/R=2*300*10-6=6*10-4。14答：R=(l/S)中，(镍)是（95104）*10-8 m，（铜）是 1.72*10-8 m，所以 R（镍）/R（铜）=（镍）/（铜）=（95104）/1.72=5

14、5.260.5。15答：假定输入输出端没有电流流过，流过阻抗 Z4 和 Z1 的电流为 i4，流过阻抗 Z3 和 Z2的电流为 i3，由基尔霍夫电压定律得以下关系式：（Z4+Z1）i4=(Z3+Z2)i3=Vi(1)i4Z4=i3 Z3+Vi(2)由（1）式得（3）（4）将（3）和（4）代入（2）求得 V0 为：V0=i4Z4-i3 Z3=（）Vi=Vi16答：由等效力学模型得，当有位移输入 u(t)时，盛物器的相对位移 x 的运动方向为：（6）因此，如果物体以振动频率 f（角频率 =2 f）、振幅 U0 作正弦振动u(t)=U0sin t则上述微分方程为：其中（7）因此，（7）的特解，求得如

15、下：x（t）=X0sin(t+)(8)X0,用 =/p 表示，则有（9）（10）如果 1，则由（9）得(11)即p2X0=2U0,=2 f(12)17答：方框图如下：第第 4 4 章电感式传感器章电感式传感器1.叙述变磁阻式传感器的工作原理。2.说明差动变压器（螺线管式）传感器的结构形式与输出特性。3.什么是零点残余电压，有哪些方法可以进行残余电压补偿？4.用差动变压器进行位移测量时采用那种电路形式可以直接由输出电压区别位移的大小和方向？5.什么是电涡流效应？电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量？分别利用哪些物理量进行检测，由哪个电参量转换进行电量输出的？6差动电感结构有什么优点，采用什么电

16、路可有线形输出？7电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理是什么？8试分析差动变压器相敏检测电路的工作原理。9分析电感传感器出现非线性的原因，并说明如何改善？10图所示一简单电感式传感器。尺寸已示于图中。磁路取为中心磁路，不记漏磁，设铁心及衔铁的相对磁导率为 104，空气的相对磁导率为 1，真空的磁导率为 410-7Hm-1,试计算气隙长度为零及为 2mm 时的电感量。图中所注尺寸单位均为 mm.11简述电涡流效应及构成电涡流传感器的可能的应用场合。电感：12问振幅是 5V，频率是 1000Hz 的正弦波交流的有效值为多少？周期为多少？13。在膜厚传感器上，厚度 l 越大，线圈的自感系数是变大还

17、是变小？第第 4 4 章电感式传感器答章电感式传感器答7答：种类：自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步器。原理：自感、互感、涡流、压磁。8答：相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。9答：原因是改变了空气隙长度改善方法是让初始空气隙距离尽量小，同时灵敏度的非线性也将增加，最好使用差动式传感器，其灵敏度增加非线性减少。10解：空气气隙为零时：空气气隙为 2mm 时：11答：应用场合有

18、低频透射涡流测厚仪，探伤，描述转轴运动轨迹轨迹仪。12答：有效值（p.73）=3.54V。周期（p.71）=1/1000=10-3s=1ms。13答：变大。第第 5 5 章电容式传感器章电容式传感器1.电容传感器有哪些类型？2.叙述电容传感器的工作原理，输出特性。3.为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式，差动结构形式的特点是什么？4.电容传感器的测量电路有哪些？叙述二极管双 T 型交流电桥工作原理。5.说明 P100 图 5-17 差动式电容压力传感器结构和工作原理。6.P90 图 5-6，已知变面积型电容传感器的两极板间距离为 d=10mm;=50 F/m;两极板几何尺寸一样为 3

19、0mm*20mm*5mm（长*宽*厚）;在外力作用下动极板在原位置向外移动 10mm（宽）；试求 C=？。7差动式电容测厚传感器系统的工作原理？8 如图：电容传感器的双 T 电桥测量电路，已知 R1=R2=R=40K，RL=20K，E=10V，f=1MHz，C1=10pF，C1=1 Pf。求 UL 的表达试，带入参数求 UL 的值。9推导差动式电容传感器的灵敏度，并与单极式电容传感器相比较。10根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？11有一个直径为 2m、高 5m 的铁桶，往桶内连续注水，当注水数量达到桶容量的 80%时就应当停止，试分析用应变片式或电容式传感器

20、系统来解决该问题的途径和方法。12总结电容式传感器的优缺点，主要应用场合以及使用中应注意的问题。13试推导图 F1-8 所示变电介质电容式位移传感器的特性方程 C=f(x)。设真空的介电系数为 0,2 1，以及极板宽度为 W。其他参数如图 F1-8 所示。14.在上题中，设 =d=1mm，极板为正方形（边长50mm）。1=1,2=4 试在 x=0 到 50mm范围内，输出磁位移传感器的特性曲线，并给以适当说明。15.简述电容式传感器用差动脉冲调宽电路的工作原理及特点。第第 5 5 章电容式传感器章电容式传感器答案答案9答：差动式电容传感器的灵敏度比单极式提高一倍，而且非线性也大为减小。10答：

21、原理：由物理学知，两个平行金属极板组成的电容器。如果不考虑其边缘效应，其电容为C=S/D 式中 为两个极板间介质的介电常数，S 为两个极板对有效面积，D 为两个极板间的距离。由此式知，改变电容 C 的方法有三：其一为改变介质的介电常数；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变各极板间的距离；而得到的电参数的输出为电容值的增量这就组成了电容式传感器。类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器、变介电常数型电容传感器。电容传感器的应用：可用来测量直线位移、角位移、振动振幅。尤其适合测温、高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属

22、材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。11答：可选用差分式电容压力传感器，通过测量筒内水的重力，来控制注水数量。或者选用应变片式液径传感器。12答：优点：a 温度稳定性好b 结构简单、适应性强c 动响应好缺点：a 可以实现非接触测量，具有平均效应b 输出阻抗高、负载能力差c 寄生电容影响大输出特性非线性：电容传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。使用时要注意保护绝缘材料的的绝缘性能；消除和减小边缘效应；消除和减小寄生电容的影响；防止和减小外界的干扰。13解：15答：工作原理：假设

23、传感器处于初始状态，即 Cx1=Cx2=C0,且 A 点为高电平，即 Ua=U;而 B点为低电平，即 Ub=0 差分脉冲调宽型电路的特点就在于它的线性变换特性。第第 6 6 章电压式传感器章电压式传感器1.什么是正压电效应？什么是逆压电效应？压电效应有哪些种类？压电传感器的结构和应用特点是什么？能否用压电传感器测量静态压力？2.石英晶体 X、Y、Z 轴的名称是什么？有哪些特征？3.简述压电陶瓷特性，作为压电元件比较他与石英晶体有哪些特点？4.说明电压放大器与电荷放大器的优缺点，各自要解决什么问题？5.用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器振动，已知，加速度计灵敏度为 5pc/g;电荷放大器灵敏

24、度为 50mv/p，最大加速度时输出幅值 2v，试求机器振动加速度。6超声波传感器利用压电材料制成发射器和接收器，说明它们各利用哪种压电效应？7电荷放大器所要解决的核心问题是什么？试推导其输入输出关系。8简述电压试加速传感器的工作原理？9.为什么压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量？10.设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么？为什么？11.画出(111)晶面和晶向。并计算(111)晶面内，晶向的纵向压阻系数和横向压阻系数第第 6 6 章电压式传感器答案章电压式传感器答案1.答：某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉

25、后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。压电材料有：石英晶体、一系列单晶硅、多晶陶瓷、有机高分子聚合材料结构和应用特点：在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和并联连接，常用的是并联连接，可以增大输出电荷，提高灵敏度。使用时，两片压电芯片上必须有一定的预紧力，以保证压电组件在工作中始终受到压力作用，同时可消除两片

26、压电芯片因接触不良而引起的非线性误差，保证输出信号与输入作用力间的线性关系,因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的，所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，并给测量电路一定的电流。故压电传感器只能作动态测量。2.答：石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电陶瓷是一种多晶铁电体。原始的压电陶瓷材料并不具有压电性，必须在一定温度下做极化处理，才能使其呈现出压电性。所谓极化，就是以强电场使“电畴”规则排列，而电畴在极化电场除去后基本保持不变，留下了很强的剩余极化。当极化后的铁

27、电体受到外力作用时，其剩余极化强度将随之发生变化，从而使一定表面分别产生正负电荷。在极化方向上压电效应最明显。铁电体的参数也会随时间发生变化老化，铁电体老化将使压电效应减弱。9.答：如作用在压电组件上的力是静态力，则电荷会泄露，无法进行测量。所以压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量。10.答：基本考虑点是如何更好的改变传感器的频率特性，以使传感器能用于更广泛的领域。第第 7 7 章磁电式传感器章磁电式传感器1.为什么说磁电感应式传感器是一种有源传感器？2.变磁阻式传感器有哪几种结构形式？可以检测哪些非电量？3.磁电式传感器是速度传感器，它如何通过测量电路获得相对应的位移和加速度信号？4.什么

28、是霍尔效应？霍尔电势的大小与方向和哪些因素有关？影响霍尔电势的因素有哪些？5.集成霍尔器件有哪几种类型？试画出其输出特性曲线。6.有一测量转速装置，调制盘上有 100 对永久磁极，N、S 极交替放置，调制盘由转轴带动旋转，在磁极上方固定一个霍尔元件，每通过一对磁极霍尔元件产生一个方脉冲送到计数器。假定 t=5min 采样时间内，计数器收到 N=15 万个脉冲，求转速 n=？转/分。7.磁敏元件有哪些？（磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏晶体管）什么是磁阻效应？简述磁敏二极管、晶体管工作原理。8.磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同？与霍尔元件在本质上的区别是什么？9.磁敏晶体管与普通晶体管的区别是什么？10

29、试证明霍尔式位移传感器的输出与位移成正比。11 磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同？磁电式传感器主要用于测量哪些物理参数？12.霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？13.简述霍尔效应及构成以及霍尔传感器可能的应用场合。14.发电机是利用导线在永久磁铁的磁场中作旋转运动而发电的。无论负载怎样消耗这个电能，永久磁铁不会变弱，这是什么道理？第第 7 7 章磁电式传感器答案章磁电式传感器答案11。答：a.磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换为电信号的一种传感器。电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来测量的一种装置。b.磁电式传感器具有频响宽、动

30、态范围大的特点。而电感式传感器存在交流零位信号，不宜于高频动态信号检测；其响应速度较慢，也不宜做快速动态测量。c.磁电式传感器测量的物理参数有：磁场、电流、位移、压力、振动、转速。12 答：a.霍尔元件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。b.霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电极之间的空载电势，可用输出的电压表示。c.温度补偿方法：分流电阻法：适用于恒流源供给控制电流的情况。电桥补偿法13.答：一块长为 l、宽为 d 的半导体薄片置于磁感应强度为磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流 I 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 Uh。这种

31、现象称为霍尔效应。霍尔组件多用 N 型半导体材料，且比较薄。霍尔式传感器转换效率较低，受温度影响大，但其结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围（输出电势变化）大、无触点，使用寿命长、可靠性高、易微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动控制、电磁测量、计算装置以及现代军事技术等领域中得到广泛应用。14答：发电机供应给负载的电能是，为转动这个发电机所供应得机械能（火力或水力）变换而来的能量。磁铁持有的能量未被消耗，所以磁铁不会变弱。第第 8 8 章光电式传感器章光电式传感器1.什么是外光电效应？内光电效应？光生伏特效应？光电导效应？2.光电器件中的光照特性、光谱特性分别描述的是光电器件的什么

32、性能？3.试述光敏电阻、光敏晶体管、光电池的器件结构和工作原理。4.当光源波长为 0.80.9 m 时宜采用哪种材料的光敏元件进行测量？5.叙述电荷耦合器件（CCD）的结构和存储电荷与转移电荷的工作过程。6.光电传感器应用电路分析 P144 图 829；P145 图 831。7.光纤传感器在位移测量中有哪些特点？反射光的光强弱对测量有哪些影响？8.求光纤 n1=1.46，n2=1.45 的 NA 值；外部 n0=1 时，求最大入射角 =？。9.功能型光纤传感器与非功能型光纤传感器有什么区别？各有哪些功能？10使用光电耦合器组成下面的逻辑运算电路：A=B+C，A=B C11求光纤n1=1.46n

33、2=1.45 的值。如光纤外部介质的 n0=1，求最大入射角=？12.光纤损耗是如何产生的？它对光纤传感器有哪些影响？13.光导纤维为什么能够导光？光导纤维有哪些优点？光纤式传感器中光纤的主要优点有哪些？14。作为光波 5m 红外线的传感器材料有哪些？15。作光电管的 CdS 材料和 InSb 晶体的性质差异是什么？16。在用光开关检测物体的系统中，指出输出电压的时间波形。17.在用光开关检测物体的系统中，由受光器的受光次数，可计算通过输送带上物体的个数，那么，用输送带搬运两种高度的物体时，画出能分别计算两种高度的物体个数的系统组成图。18.由光电二极管二维阵列组成面型传感器进行图像检测，对图

34、像的分辨率由光电二极管的个数决定，试说明理由。第第 8 8 章光电式传感器章光电式传感器答案答案4.答：当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现象称为光电效应。5.答：CCD 是一种半导体器件，在 N 型或 P 型硅衬底上生长一层很薄的 SiO2，再在 SiO2 薄层上依次序沉积金属电极，这种规则排列的 MOS 电容数组再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD 芯片,CCD 可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输

35、出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到图像传感器的作用。12.答：吸收性损耗：吸收损耗与组成光纤的材料的中子受激和分子共振有关，当光的频率与分子的振动频率接近或相等时，会发生共振，并大量吸收光能量，引起能量损耗。散射性损耗：是由于材料密度的微观变化、成分起伏，以及在制造过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起。一部分光就会散射到各个方向去，不能传输到终点，从而造成散射性损耗。辐射性损耗：当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射磁粒。a 弯曲半径比光纤直径大很多的弯曲b 微弯曲：当把光纤组合成光缆时，可能使光纤的轴线产生随机性的微曲。13.答：光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的

36、光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。优点：a 具有优良的传旋光性能，传导损耗小b 频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好c 能在恶劣的环境下工作，能进行远距离信号的传送功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的波导，而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。14答：有 InSb,Hg0.8Cd0.2Te 等材料。15答：InSb 光电管虽然响应速度快，但必须使用液体氮冷却。16答：光进入受光器输出电压为 0V，光不进入时，输出 6V

37、，所以右图为所示波形。17答：在运输带两边分别设置发光器 A 和 B，受光器 A和 B。高度低的物体通过时，（下图（a），受光器 A受光但 B不受光（表 1 中分别用符号 和表示）。若是高低物体，则 A和 B都不受光（表 1 中分别用和表示）。因此可得 b 图的体统组成图。受光时（符号 ）输出是 0V（L 水平），不受光（符号）时输出是 6V（H 水平）。因此，表 1 变成表 2。结果，分别数一数输出 a,b 为 L，H 时（低的物体）或者H，H 时（高的物体）即可。这是用逻辑电路和计数电路完成的。18.答：面型传感器由许多的单元构成二维平面，其中每一个小单元都是一个光电二极管，称为像素。用面

38、型传感器测量物体的形状所得的图像的分辨率最高只能是一个像素。如果所测得图像长为 l，对应 N 个像素，分辨率为 l/N。假设 N 为 200，则分辨率最高只能使 1/200。第九章第九章半导体式传感器半导体式传感器1.气敏传感器有哪几种类型？其工作原理有什么不同？2.为什么多数气敏传感器要加加热器工作？加热器有哪些作用。3.分析讲义 P166 图 923 酒精测试仪电路工作原理。参考实验讲义 P44。4.湿敏电阻有哪些类型？说明其特点。5.设计一个用湿敏电阻进行土壤湿度测量的电路，并说明原理。6.色敏传感器利用什么原理进行颜色识别？7.试举坑内甲烷气体量传感器的例子。8.试举工厂排水污浊监视用

39、传感器的例子。9.试举汽车排气成分调整用传感器的例子。第九章第九章半导体式传感器答案半导体式传感器答案：2答：加热电极，可加速还原反应提高气敏传感器灵敏度；烧掉金属网罩上的灰尘和油滋，提高响应速度。3解：气敏传感器；加热电极，可加速还原反应提高气敏传感器灵敏度；调节测量系统的测量范围和满度值。7答：接触燃烧式气体传感器。8答：氧气传感器。9答：氧气气体传感器 10 10 章章波和射线式传感器波和射线式传感器1.超声波在介质中传播有那些特性？2.超声波物位测量有几种方式，各有什么特点？3.超声波传感器的吸收块的作用是什么？4.简述超声波测量流量的工作原理。5.什么是核辐射传感器？6简述核辐射传感

40、器的功能及优缺点。7核辐射传感器能用于哪些非电量的测量？试举例说明之。8如何防护放射性辐射？高温加热的钢板为红色，当温度继续升高时变为白色，试说明原因。9高温加热的钢板为红色，当温度继续升高时变为白色，试说明原因。10（1）采用超声波或光脉冲信号，由从对象反射回来的脉冲的时间进行距离检测，空气中的音速为 340m/s，软钢中纵波的因素为 5900 m/s，光的速度为 3*108 m/s，求这三种情况下 1 ms 的往复时间对应得距离。根据计算结果，比较采用光脉冲所需要系统得信号处理速度要比采用超声波脉冲时的系统速度快几倍？（2）根据（1）的结果，讨论利用脉冲往复时间测距，采用超声波和光波各有什

41、么特点。10 10 章章波和射线式传感器答案波和射线式传感器答案1.答：超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体能穿透几十米；当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换；由于超声波的这些特性，使它在检测技术中获得广泛应用。如：超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像等等。超声波为直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越强，但反射能力越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器。超声波在空气中传播速度较慢，为 340m/s，这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减

42、。4答：与电磁流速计一样，超声波流速计是一种没有阻碍流动的障碍物的流体测量法。若流动方向与声波一致，传给流体的声波速度增加；相反，声波速度减小，这称为多普勒效应。5 答：核辐射传感器是基于射线通过物质时产生的电离作用，或利用射线能使某些物质产生荧光，再配以光电组件，将光信号转变为电信号的传感器。6.答：核辐射传感器可以实现气体成分、材料厚度、物质密度、物位、材料内伤等的测量。但是要注意放射性辐射的防护。7.答：可用来检测厚度、液位、物位、转速、材料密度、重量、气体压力、流速、温度及湿度等参数。8.答：尽量减小辐射强度，也要考虑辐射类型和性质。在实际工作中要采取多种方式来减少射线的照射强度和照射

43、时间，如采用屏蔽层，利用辅助工具，或是增加与辐射源的距离等各种措施。9.答：与温度相对应，物体放射出具有一定波长分布的光，高温时，所有波长的能量增大，波长分布的峰值向短波长方向移动。对应于黑体的波长分布可由普朗克分布规则求得。1000。C 的钢板，波长分布的峰值在近红外区域，发出的光波长在 0.6 m 以上，属于可视光的红光区域，因此看到的光呈现红色。温度升高使得波长分布的峰值向短波方向移动。可视光的短波成分增加，可视光所有波长成分混合使钢板颜色接近白色。10答：（1）1ms 的时间内超声波在空气和软钢中的传播距离分别为 0.17m 和 3.0m，而光的传播距离为 1.5*105 m，故要求有

44、 105 倍高的处理速度。（2）采用光时，1 m 的处理速度只能测量 100m 以上的距离，不能进行近距离测量。如果要求分辨力为 1m，则要求 10ns 的处理速度。所以光脉冲法用于远距离分辨率要求不高的场合，而超声波用于近距离测量。第第 1111 章章热电式传感器热电式传感器1热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响？为消除冷端温度影响可采用哪些措施？半导体热敏电阻的主要优缺点是什么？在电路中是怎样克服的？2PN 结为什么可以用来作为温敏元件？3集成温度传感器的测温原理，有何特点？4如果需要测量 1000和 20温度时，分别宜采用哪种类型的温度传感器？5采用一只温度传感器能否实现绝对温度、摄

45、氏温度、华氏温度的测量？怎样做？6热电阻传感器主要分为几种类型？它们应用在什么不同场合？7 什么叫热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作定律的应用。分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法。8试述热电偶测温的基本原理和基本定理。9试比较电阻温度计与热电偶温度计的异同点。10试解释负电阻温度系数热敏电阻的伏安特性并说明其用途。11有一串联的热敏电阻测温电路，如图所示。试设计其最佳线性工作特性，并计算其线性度，最后，用坐标纸每 5一点绘出电路图中 u=f(t)的曲线。12。铂线电阻在 20。C 时为 10。求 50。C 时的电阻。图 1图 213下图 1 所示的铂测温电

46、阻元件，当温度由 0。C 上升到 100。C 时，电阻变化率 R/R0为多少?下图 2 所示的热敏电阻（R0=28k），其 R/R0 为多少?14。上图 1 所示的铂测温电阻元件，在 0200。C 范围内的电阻温度系数为多少？15要测 1000。C 左右的高温，用什么类型的热电偶好？要测 1500。C 左右的高温呢？16使用 k 型热电偶，基准接点为 0。C、测量接点为 30。C 和 900。C 时，温差电动势分别为 1.203mV 和 37.326mV。当基准接点为 30。C，测温接点为 900。C 时的温差电动势为多少？17。0。C 时铂金热电阻的阻值为 100。按下图所示进行温度测量。R

47、1=100,R2=200,R3=300 时桥路达到平衡。此时温度为多少？假设铂金电阻的温度系数为 0.003851。C-1，电阻与温度成线性关系，另外导线的电阻可忽略不计。180。C 时的电阻为 100 的铂金热电阻。300。C 时的阻值按下面两种方法计算，其结果之差换算成温度差是多少？电阻用温度的一次方程表示，RT=R0（1+At+Bt2）式中 B=0，A=0.003851。C-1。（此时 100。C 时的电阻值为 138.51）电阻值与温度为二次函数关系。用一次方程近似时，温度误差为多少？19某热敏电阻 0。C 时电阻为 30k,若用来测量 100。C 物体的温度，其电阻为多少？设热敏电阻

48、的系数 B 为 3450K。20和人体体温（36。C）相同的黑体，其热辐射的分光辐射辉度为最大时波长为多少？第第 1111 章章热电式传感器答案：热电式传感器答案：6答：热电阻传感器分为以下几种类型：铂电阻传感器：特点是精度高、稳定性好、性能可靠。主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。此外，还被广泛地应用于温度的基准、标准的传递，是目前测温复现性最好的一种。铜电阻传感器：价钱较铂金属便宜。在测温范围比较小的情况下，有很好的稳定性。温度系数比较大，电阻值与温度之间接近线性关系。材料容易提纯，价格便宜。不足之处是测量精度较铂电阻稍低、电阻率小。铁电阻和镍电阻：铁和镍两种金属的电阻温度系

49、数较高、电阻率较大，故可作成体积小、灵敏度高的电阻温度计，其缺点是容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关系差。目前应用不多7答：热电动势：两种不同材料的导体（或半导体）A、B 串接成一个闭合回路，并使两个结点处于不同的温度下，那么回路中就会存在热电势。有电流产生相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。接触电动势：接触电势是由两种不同导体的自由电子，其密度不同而在接触处形成的热电势。它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度，而与导体的形状和尺寸无关。温差电动势：是在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一种电势。热电偶测温原理：热电偶的测温原理基于物理的热

50、电效应。所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。两点间的温差越大，产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。热电偶三定律：a 中间导体定律：热电偶测温时，若在回路中插入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，则对热电偶回路总的热电势不产生影响。在用热电偶测温时，连接导线及显示一起等均可看成中间导体。b 中间温度定律：任何两种均匀材料组成的热电偶，热端为 T，冷端为 T 时的热电势等于该热电偶热端为 T 冷端为 Tn 时的热电势与同一热电偶热端为 Tn，冷端为 T0 时热电势的代数和。应用：对热