傳感器原理及應(yīng)用習(xí)習(xí)題及答案.

1、習(xí)題集及答案第1章 概述 什么是傳感器按照國(guó)標(biāo)定義，“傳感器”應(yīng)該如何說(shuō)明含義 傳感器由哪幾部分組成試述它們的作用及相互關(guān)系。傳感器如何分類按傳感器檢測(cè)的范疇可分為哪幾種答案答：從廣義的角度來(lái)說(shuō)，感知信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理部分總稱為傳感器。我們對(duì)傳感器定義是：一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置。從狹義角度對(duì)傳感器定義是：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB766587）對(duì)傳感器（Sensor/transducer）的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置”。定義表明傳感器有這樣三層含義：它

2、是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的一種檢測(cè)裝置；能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關(guān)系。按使用的場(chǎng)合不同傳感器又稱為變換器、換能器、探測(cè)器。答：組成由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路組成；關(guān)系，作用傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)試系統(tǒng)的接口位置，即檢測(cè)與控制之首。傳感器是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息都要通過(guò)傳感器獲取并通過(guò)它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理的電信號(hào)，其作用與地位特別重要。答：（略）答：按照我國(guó)制定的傳感器分類體系表，傳感器分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器以及生物量傳感器三大類，含12個(gè)小類。按傳感器的檢測(cè)對(duì)象可分為：力學(xué)量、熱學(xué)量、流

3、體量、光學(xué)量、電量、磁學(xué)量、聲學(xué)量、化學(xué)量、生物量、機(jī)器人等等。第3章 電阻應(yīng)變式傳感器 何為電阻應(yīng)變效應(yīng)怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片 圖3-31為一直流電橋，負(fù)載電阻RL趨于無(wú)窮。圖中E=4V，R1=R2=R3=R4=120，試求： R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)R1的增量為R1=時(shí)，電橋輸出電壓U0= R1、R2為金屬應(yīng)變片，感應(yīng)應(yīng)變大小變化相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓U0= R1、R2為金屬應(yīng)變片，如果感應(yīng)應(yīng)變大小相反，且R1=R2 =，電橋輸出電壓U0=答案 答：導(dǎo)體在受到拉力或壓力的外界力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，同時(shí)機(jī)械變形會(huì)引起導(dǎo)體阻值的變化，這種導(dǎo)體材料因變形而使其電阻

4、值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。當(dāng)外力作用時(shí)，導(dǎo)體的電阻率、長(zhǎng)度、截面積都會(huì)發(fā)生變化，從而引起電阻值的變化，通過(guò)測(cè)量電阻值的變化，檢測(cè)出外界作用力的大小。解:第4章 電容式傳感器 如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性 差動(dòng)式變極距型電容傳感器，若初始容量，初始距離，當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了時(shí)，試計(jì)算其非線性誤差。若改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大 已知：圓盤形電容極板直徑，間距，在電極間置一塊厚的云母片（），空氣（）。求：無(wú)云母片及有云母片兩種情況下電容值及是多少當(dāng)間距變化時(shí)，電容相對(duì)變化量及是多少答案答：非線性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對(duì)位移的大小；

5、起始極距與靈敏度、線性度相矛盾，所以變極距式電容傳感器只適合小位移測(cè)量；為提高傳感器的靈敏度和改善非線性關(guān)系，變極距式電容傳感器一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。解：若初始容量，初始距離，當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了時(shí)，非線性誤差為：改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差為：解：1） 2）令，則 第5章 電感式傳感器 何謂電感式傳感器電感式傳感器分為哪幾類各有何特點(diǎn) 說(shuō)明單線圈和差動(dòng)變間隙式電感傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性。 概述差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用范圍，并說(shuō)明用差動(dòng)變壓器式傳感器檢測(cè)振動(dòng)的基本原理。 什么叫電渦流效應(yīng)說(shuō)明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。電渦流式傳感器的基本特性有哪些它是基于何種

6、模型得到的 電渦流式傳感器可以進(jìn)行哪些物理量的檢測(cè)能否可以測(cè)量非金屬物體，為什么答案答：電感式傳感器是一種機(jī)-電轉(zhuǎn)換裝置，電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置，傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。它可以用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、密度等參數(shù)。電感式傳感器種類：自感式、渦流式、差動(dòng)式、變壓式、壓磁式、感應(yīng)同步器。工作原理：自感、互感、渦流、壓磁。（略）（略）答：1）塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。2）形成渦流必須具備兩個(gè)條件：第一存在交變

7、磁場(chǎng)；第二導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中。電渦流式傳感器通電后線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬導(dǎo)體置于線圈附近。當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流同樣產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)的反作用使線圈的等效電感和等效阻抗發(fā)生變化，使流過(guò)線圈的電流大小、相位都發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)與阻抗有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行非電量檢測(cè)。3）因?yàn)榻饘俅嬖谮吥w效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)，實(shí)際上渦流的分布是不均勻的。渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同，存在徑向分布和軸向分布。所以電渦流傳感器的檢測(cè)范圍與傳感器的尺寸（線圈直徑）有關(guān)。4）回路方程的建立是把金屬上渦流所在范圍近似看成一個(gè)單匝短路線圈作為等效模型。答：1）凡是能引起變

8、化的物理量，均可以引起傳感器線圈 的變化，可以進(jìn)行非電量檢測(cè)；如被測(cè)體（金屬）的電阻率，導(dǎo)磁率，厚度，線圈與被測(cè)體之間的距離，激勵(lì)線圈的角頻率等都可通過(guò)渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗發(fā)生關(guān)系，使變化；若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，便可使阻抗成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。2）電渦流傳感器不可以直接測(cè)量非金屬物體，這是由于傳感器本身特性決定的。第6章 磁電式傳感器 試述磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式。 什么是霍爾效應(yīng) 霍爾元件常用材料有哪些為什么不用金屬做霍爾元件材料 某一霍爾元件尺寸為，,，沿方向通以電流，在垂直于和的方向加有均勻磁場(chǎng)，靈敏度為，試求輸出霍爾電勢(shì)及載流子濃度?；魻栐`敏度

9、，控制電流，將它置于線性變化的磁場(chǎng)中，它輸出的霍爾電勢(shì)范圍有多大答案（略）答：通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場(chǎng)中，電流與磁場(chǎng)垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。答：1）任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是都可以制造霍爾元件。只有半導(dǎo)體材料適于制作霍爾元件。又因一般電子遷移率大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體制造。2）金屬材料電子濃度雖然很高，但電阻率很小很小，使霍爾電勢(shì)很小，因此不適于做霍爾元件材料。解：解：第8章 光電效應(yīng)及器件什么是內(nèi)光電效應(yīng)什么是外光電效應(yīng)說(shuō)明其工作原理并指出相應(yīng)的典型光電器件。普通光電器件有哪幾種類型各有何特點(diǎn)利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光

10、電器件有哪些用光生伏特效應(yīng)制成的光電器件有哪些普通光電器件都有哪些主要特性和參數(shù)什么是光敏電阻的亮電阻和暗電阻暗電阻電阻值通常在什么范圍試述光敏電阻、光敏二極管和光電池的工作原理。如何正確選用這些器件舉例說(shuō)明。光敏二極管由哪幾部分組成，它與普通二極管在使用時(shí)有什么不同請(qǐng)說(shuō)明原理。光電池的結(jié)構(gòu)特征是什么它如何工作的采用波長(zhǎng)為的紅外光源時(shí)，宜采用哪種材料的光電器件做檢測(cè)元件為什么答案：答：當(dāng)用光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。1）當(dāng)光線照在物體上,使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化

11、，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)，典型的光電器件有光敏電阻；光照時(shí)物體中能產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)，光電池、光敏晶體管。2）在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，典型的光電器件有光電管、光電倍增管。答：（略）答：光照特性；光譜特性；伏安特性；溫度特性；頻率特性等答：暗電阻，無(wú)光照時(shí)的電阻為暗電阻，暗電阻電阻值范圍一般為200M；亮電阻、受光照時(shí)的電阻稱亮電阻，亮電阻的阻值一般為20K。答：（略）答：（略）答：（略）答：1）采用波長(zhǎng)為的紅外光源時(shí)，宜采硅光電池

12、或硅光敏管，其光譜響應(yīng)峰值在附近，波長(zhǎng)范圍在。2）其中硅光電池適于接受紅外光，可以在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)應(yīng)用。第11章 波與射線式傳感器 什么是超聲波其頻率范圍是多少 超聲波在通過(guò)兩種介質(zhì)界面時(shí)，將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象 超聲波傳感器的發(fā)射與接收分別利用什么效應(yīng)，檢測(cè)原理是什么常用的超聲波傳感器（探頭）有哪幾種形式簡(jiǎn)述超聲波測(cè)距原理。 利用超聲波測(cè)厚的基本方法是什么已知超聲波在工件中的聲速為5640m/s，測(cè)得的時(shí)間間隔t為22，試求工件厚度紅外輻射探測(cè)器分為哪兩種類型這兩種探測(cè)器有哪些不同試比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。敘述熱釋電效應(yīng)，熱釋電元件如何將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出熱釋電探測(cè)器為什么只能探測(cè)調(diào)制輻射 什么是

13、放射性同位素輻射強(qiáng)度與什么有關(guān)系試用核輻射測(cè)量方法設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)厚儀器系統(tǒng)，請(qǐng)畫出測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖，試說(shuō)明射線測(cè)量物厚的原理。 放射性探測(cè)器有哪幾種結(jié)構(gòu)如何，各有什么特征答案答：1）超聲波是人耳無(wú)法聽到的聲波。人耳聽見的聲波稱機(jī)械波，頻率在16Hz20kHz，一般說(shuō)話的頻率范圍在100Hz8kHz之間，低于20Hz頻率的波稱為次聲波，高于20kHz頻率的波稱超聲波，頻率在300MHz300GHz之間的波稱為微波。2）超聲波頻率范圍在幾十千赫茲到幾十兆赫茲，答：當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。答：1）超聲波傳感器主要利用壓電材料（晶體、陶瓷）的壓電效應(yīng)

14、，其中超聲波發(fā)射器利用逆壓電效應(yīng)制成發(fā)射元件，將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波；超聲波接收器利用正壓電效應(yīng)制成接收元件，將超聲波機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2)按工作形式簡(jiǎn)單超聲波傳感器有專用型和兼用型兩種形式，兼用型傳感器是將發(fā)射（TX）和接收（RX）元件制作在一起，器件可同時(shí)完成超聲波的發(fā)射與接收；專用型傳感器的發(fā)送（TX）和接收（RX）器件各自獨(dú)立。按結(jié)構(gòu)形式有密封性和開放型，超聲波傳感器上一般標(biāo)有中心頻率（23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz），表示傳感器工作頻率。3)（略)1）通過(guò)測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t和超聲波在介質(zhì)中傳播速度，便可以求得待測(cè)的

15、厚度或物位。2）解：答：1）紅外探測(cè)器主要有兩大類型：熱探測(cè)器（熱電型），包括熱釋電、熱敏電阻、熱電偶；光子探測(cè)器（量子型），利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下產(chǎn)生光電子效應(yīng)，使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，其中有光敏電阻、光敏晶體管、光電池等。2）紅外探測(cè)器是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的熱電或光電器件，當(dāng)器件吸收輻射能時(shí)溫度上升，溫升引起材料各種有賴于溫度的參數(shù)變化，檢測(cè)其中一種性能的變化，既可探知輻射的存在和強(qiáng)弱。光量子型紅外探測(cè)器是能將紅外輻射的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的光敏器件。3）光子探測(cè)器與熱釋電傳感器區(qū)別是，光量子型光電探測(cè)器探測(cè)的波長(zhǎng)較窄，而熱探測(cè)器幾乎可以探測(cè)整個(gè)紅外波長(zhǎng)范圍。答：1）熱

16、釋電效應(yīng)首先利用器件溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這一過(guò)程包括了光熱電的兩次信息變換過(guò)程，而對(duì)波長(zhǎng)頻率沒(méi)有選擇。光熱電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，光熱階段，物質(zhì)吸收光能，溫度升高；熱電階段，利用某種效應(yīng)將熱轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面時(shí)，薄片溫度升高使極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，釋放部分電荷，所以稱熱釋電。2）溫度一定時(shí)因極化產(chǎn)生的電荷被附集在外表面的自由電荷慢慢中和掉不顯電性，要讓熱釋電材料顯現(xiàn)出電特性，必需用光調(diào)制器使溫度變化，并且調(diào)制器的入射光頻率必須大于電荷中和時(shí)間的頻率。答：1）具有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子核稱做核素，凡是原子序數(shù)相同，原子質(zhì)量不同的元素，在元素周期表

17、中占同一位置，稱同位素。2）放射性的強(qiáng)弱稱為放射性強(qiáng)度，一般用單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的次數(shù)來(lái)表示，也稱核輻射強(qiáng)度。（略)略)第12章 熱電式傳感器 什么是熱電效應(yīng)熱電偶測(cè)溫回路的熱電動(dòng)勢(shì)由哪兩部分組成由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢(shì)嗎 為什么熱電偶的參比端在實(shí)際應(yīng)用中很重要對(duì)參比端溫度處理有哪些方法 解釋下列有關(guān)熱電偶的名詞：熱電效應(yīng)、熱電勢(shì)、接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)、熱電極、測(cè)量端、參比端、分度表。 某熱電偶靈敏度為，把它放在溫度為1200處的溫度場(chǎng)，若指示表（冷端）處溫度為50，試求熱電勢(shì)的大小 某熱電偶的熱電勢(shì)在E(600,0)時(shí)，輸出E= mV，若冷端溫度為0時(shí)，測(cè)某爐溫輸出熱電勢(shì)E= mV。試求該加熱爐實(shí)際溫度是多少答案答：1）兩種不同類型的金屬導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)有溫差時(shí)，導(dǎo)體回路里有電流流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。2）熱電偶測(cè)溫回路中熱電勢(shì)主要是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成。3）熱電偶兩個(gè)電極材料相同時(shí)，無(wú)論兩端點(diǎn)溫度如何變化無(wú)熱電勢(shì)產(chǎn)生。答：1）實(shí)際測(cè)量時(shí)利用這一性質(zhì)，可對(duì)參考端溫度不為零度時(shí)的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。2）因?yàn)闊犭娕嫉姆侄缺砭且詤⒖级薚 =0為標(biāo)準(zhǔn)的，而實(shí)際應(yīng)用的熱電偶參考端往往T0，一般高于零度的某個(gè)數(shù)值，此