《傳感器與自動檢測技術》課后習題解答

《傳感器與自動檢測技術》習題解答

第1章傳感器的基本知識

1.簡述傳感器的概念、作用及組成。

答：傳感器的泄義是：“能感受（或響應）規(guī)泄的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件

或裝置”。

作用：將被測量轉換成與其有一定關系的易于處理的電量。

組成：敏感元器件、轉換元器件、轉換電路及輔助電源。

2.傳感器的分類有哪幾種各有什么優(yōu)缺點

答：傳感器常用的分類方法有兩種，一種是按被測輸入量來分，另一種是按傳感器的工作原理來分。

按被測輸入量來分：這種分類方法的優(yōu)點是比較明確地表達了傳感器的用途，便于使用者根據其用途選

用。其缺點是沒有區(qū)分每種傳感器在轉換機理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。

按傳感器的工作原理來分：這種分類的優(yōu)點是對傳感器的工作原理表達的比較清楚，而且類別少，有利

于傳感器專業(yè)工作者對傳感器進行深入的研究分析。苴缺點是不便于使用者根據用途選用。

3.傳感器是如何命名的苴代號包括哪幾部分在各種文件中如何應用

答：一種傳感器產品的名稱，應由主題詞及4級修飾語構成。

（1）主題詞一一傳感器。

（2）第1級修飾語一一被測量，包括修飾被測量的泄語。

（3）第2級修飾語一一轉換原理，一般可后續(xù)以“式”字。

（4）第3級修飾語一一特征描述，指必須強調的傳感器結構、性能、材料特征、敏感元件及其他必須

的性能特征，一般可后續(xù)以"型"字。

（5）第4級修飾語一一主要技術指標（疑程、精確度、靈敏度等）。

本命名法在有關傳感器的統(tǒng)訃表格、圖書索引、檢索以及訃算機漢字處理等特殊場合使用。

例1:傳感器，絕對壓力，應變式，放大型7?3500kPa；

例2：傳感器，加速度，壓電式，±20g。

在技術文件、產品樣書、學術論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產品需稱應采用與上述相反的順

序。

例3：1~3500kPa放大型應變式絕對壓力傳感器:

例4：±20g壓電式加速度傳感器。

在側重傳感器科學研究的文獻、報告及有關教材中，為方便對傳感器進行原理及其分類

的研究，允許只采用第2級修飾語，省略英他各級修飾語。

傳感器代號的標記方法：一般規(guī)左用大寫漢字拼音字母和阿拉伯數(shù)字構成傳感器完整代號。傳感器完

整代號應包括以下4個部分：（1）主稱（傳感器）：（2）被測量：（3）轉換原理；（4）序號。4部分

代號格式為：

（4）序號

（3）轉換原理

（2）被測量

（1）主稱

在被測量'轉換原理、序號3部分代號之間有連字符“-”連接。

例5：應變式位移傳感器，代號為：CWY-"-10；

例6：光纖壓力傳感器，代號為：CY-GQ-1；

例7：溫度傳感器,代號為：CW-01A；

例8：電容式加速度傳感器，代號為：CA-DR-2。

有少數(shù)代號用其英文的第一個字母表示，如加速度用“A”表示。

4.傳感器的靜態(tài)性能指標有哪些苴含義是什么

答：傳感器的靜態(tài)特性主要由線性度、靈敏度、重復性、遲滯、分辨力和閾值、穩(wěn)左性、漂移及量程范

羽等幾種性能指標來描述。

含義：線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離理論擬合直線的程度，又稱非線性誤

差。通常用相對誤差表示其大?。?/p>

靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下，輸出增量與輸入增量的比值。對于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特

性曲線的斜率，對于非線性傳感器，其靈敏度是一個隨工作點而變的變量，它是特性曲線上某一點切線的斜

率。

重復性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度。

遲滯是傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減?。┢陂g，輸出一輸入特性曲線不一致的

程度。

傳感器的分辯力是在規(guī)定測量范偉?內所能檢測的輸入量的最小變化MAmin。有時也用該值相對滿量程輸

入值的百分數(shù)表示，稱為分辨率。閾值通常又稱為死區(qū)、失靈區(qū)、靈敏限、靈敏閾'鈍感區(qū)，是輸入量由零變

化到使輸出量開始發(fā)生可觀變化的輸入量的值。

穩(wěn)左性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長期穩(wěn)左性表示，它是指在室溫條件下，經過相當長

的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標泄時的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來表

征其輸出的穩(wěn)左度。

傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關的不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏

度漂移。零點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，零點或靈敏度

隨時間而緩慢變化的情況：溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的變化。

傳感器所能測屋的最大被測量（輸入疑）的數(shù)值稱為測屋上限，最小被測量稱為測量下限，上限與下限之

間的區(qū)間，則稱為測量范圍。測量范國可能是單向的（只有正向與負向）、也可能是雙向的、或雙向不對稱的

和無零值的等。測戢上限與下限的代數(shù)和稱為量程。

5.傳感器的動態(tài)特性主要從哪兩方而來描述采用什么樣的激勵信號其含義是什么

答：傳感器的動態(tài)特性主要從時域和頻域兩方而來描述，采用瞬態(tài)響應法和頻率響應法來分析。通常采用

階躍信號和正弦信號作為激勵信號。以階躍信號作為系統(tǒng)的輸入，研究系統(tǒng)輸出波形的方法稱為瞬態(tài)響應法（時

域）；以正弦信號作為系統(tǒng)的輸入，研究系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應的方法稱為頻率響應法（頻域）。

第2章力、壓力傳感器

1.力傳感器的組成是什么

答：力傳感器主要由力敏感元件、轉換元件和測量電路組成。

2.彈性敏感元件的作用是什么英分類有幾種各有何特點

答：作用：彈性敏感元件把力或壓力轉換成了應變或位移。

分類：變換力的彈性敏感元件和變換壓力的彈性敏感元件。

常用的變換力的彈性敏感元件有圓柱式、圓環(huán)式、懸臂梁、扭轉軸等。

其特點：（1）圓柱式彈性敏感元件，根據截而形狀可分為實心圓柱及空心圓柱等。結構簡單，可承受較

大的載荷，便于加工，實心圓柱形可測量大于10kN的力，空心圓柱形可測量1?10kN的力，應力變化均勻。

（2）圓環(huán)式彈性敏感元件比圓柱式輸出的位移量大，因而具有較高的靈敏度，適用于測量較小的力。但

它的工藝性較差，加工時不易得到較高的精度。

（3）懸臂梁式彈性敏感元件。它的一端固泄，一端自由，結構簡單，加工方便，應變和位移較大，適用

于測量1?5kN的力。等截面懸臂梁，梁上各處的變形大小不同，不便于粘貼應變片。變截而懸臂梁

（也稱等強度懸臂梁），梁上各處的截面不等，但沿整個長度方向上各處的應變相等，便于粘貼應變片。

（4）扭轉軸彈性敏感元件主要用來制作扭矩傳感器，它利用扭轉軸彈性體把扭矩變換為角位移，再把

角位移變換為電信號輸出。

3.電阻應變式傳感器的工作原理是什么它是如何測量試件的應變的

答：電阻應變片式傳感器是利用了金屬和半導體材料的“應變效應”的原理來工作的。即金屬和半導體材

料的電阻值隨它承受的機械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象。

測試時，將應變片用粘接劑牢固的粘貼在被測試件的表而上，隨著試件受力變形，應變片的敏感柵也獲得

同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻的變化是與試件應變成比例的，因此如果通過一定的測量

線路將這種電阻的變化轉換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就能知道被測試件

應變量的大小。其原理圖如圖2-7所示。

應變電阻電壓或電流

試件電阻應變片*顯示記錄儀

圖2-7電阻應變片測試與原理圖

4.電阻應變式傳感器的測量電路有哪些齊有何特點

答：電阻應變片傳感器輸出電阻的變化較小，一?般為5X1O/?10一0,要精確的測量出這些微小電阻的變化，

常采用橋式測量電路。根據電橋電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋，可采用恒壓源或恒流源供電。

由于直流電橋比較簡單，交流電橋原理與它相似，所以我們只分析直流電橋的工作原理。

其特點是，當被測疑無變化時，電橋平衡，輸出為零。當被測量發(fā)生變化時，電橋平衡被打破，有電壓輸

出，輸出的電壓與被測量的變化成比例。

根據電橋工作橋臂的不同，分為單臂電橋、差動雙臂電橋（半橋）、差動全橋三種類型。

雙臂電橋輸出靈敏度是單骨電橋的兩倍，全橋輸出是雙臂電橋的兩倍。并且采用雙骨和全橋測量，可以補

償由于溫度變化引起的測量誤差。

5.電阻應變片為什么要進行溫度補償補償方法有哪些

答：電阻應變片傳感器是靠電阻值來度量應變的，所以希望它的電阻只隨應變而變，不受任何其他因素影

響。但實際上，雖然用作電阻線材料的銅、康銅溫度系數(shù)很小（大約在二?X/。。），但與所測應變電阻的變化比

較，仍屬同一量級。如不補償，會引起很大測疑誤差。

應變片的溫度補償方法通常有兩種，即線路補償和應變片自補償。

6.應變片的粘貼、固化和檢查工藝有哪些

答：應變片的粘貼工藝如下：

（1）試件表面的處理粘貼之前，應先將試件表面清理干凈，用細砂紙將試件表而打磨平整，再用丙

酮、四氯化碳或佛利昂徹底清洗試件表面的灰塵、汕漬，清理而積約為應變片的3?5倍。

（2）確定貼片位亶根據實驗要求在試件上劃線，以確左貼片的位置。

（3）粘貼在清理的試件表而上均勻涂刷一薄層粘接劑作為底層，待其干燥固化后，再在此底層及應變

片基地的地而上均勻涂刷一薄層粘接劑，等粘接劑稍V,即將應變片貼在畫線位宜，用手指滾壓，把氣泡和多余

的粘接劑擠出。注意，應變片的底而也要清理。

（4）固化粘貼好的應變片按規(guī)定壓力、升降溫度速率及保溫時間等進行固化處理。

（5）穩(wěn)左處理粘接劑在固化過程中會膨脹和收縮，致使應變片產生殘余應力。為使應變片的工作性能

良好，還應進行一次穩(wěn)左處理，稱為后固化處理，即將應變片加溫至比最高工作溫度高10—20。（：,但不用加壓。

（6）檢查經固化和穩(wěn)左處理后，測量應變片的阻值，以檢查貼片過程中敏感柵和引線是否損壞。另外還

應測量引線和試件之間的絕緣電阻，一般情況下，絕緣電阻為50兆歐即可，對于高精度測量，則需在2000兆

歐以上。

7）引線的焊接與防護應變片引線最好采用中間連接片應出，引線要適當固定，為了保證應變片工

作的長期穩(wěn)定性.應采取防潮.防水等描施，如在應變片及其引線上涂以石蠟、石蠟松香混合劑、環(huán)氧樹脂、有

機硅、清漆等保護層，或在試件上焊上金屬箔，將應變片全部覆蓋。

7.圖2-88為一直流應變電橋。=5V,/?,=R，=R.=R,=1200，試求：

（1）&為金屬應變片,其余為外接電阻，當&變化量為△也=1?2。時，電橋輸出電壓17。=?

（2）&、忌都是應變片，且批號相同，感受應變的極性和大小都相同，英余為外接電阻，電橋的輸

（3）題（2）中.如果尺、鳥感受應變的極性相反，且

|八|=匕|=電橋的輸出電壓匕=?

（4）由題（1）?（3）能得出什么結論與推論

答：（1）當&為金屬應變片，其余為外接電阻時，電橋為

單臂工作電橋，當心變化量為△盡=1?2G時，電橋輸出電壓：

圖2-88直流應變電橋

￡/=!—{/.=1X—X5=0.0125（V）=12.5mV

°4/?74120

（2）當尺、尼都是應變片，且批號相同，感受應變的極性和大小都相同，其余為外接電阻時，根據

可知，此時△&=A/?2=A/?,

A/?2A/?3A/?4壬（蘭-竺+2-2卜0

電橋的輸出:241120120120120J

R：&

電橋的輸出總公式

（3）題（2）中，如果心凡感受應變的極性相反，且I△盡l=l△劃=1.20也就是"="==1.20,此時電

橋為差動雙臂電橋（半橋），

電橋輸出電壓：N，=1—A=1x—x5=0.025（V）=25（mV）此時電橋。

°2/?12120

<4）由題（1）?（3）可知雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，電橋的相鄰兩個橋臂為應變片

工作橋臂時，感受的應變必須是一個受拉，一個受壓，電橋才有輸出。

8.壓電式傳感器的工作原理是什么壓電材料有哪些

答：壓電式傳感器的工作原理是壓電效應，即某些晶體受一左方向外力作用而發(fā)生機械變形時，相應地

在一左的晶體表而產生符號相反的電荷，外力去掉后，電荷消失。力的方向改變時，電荷的符號也隨之改

變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。

用于傳感器的壓電材料或元件可分三類：一類是單晶壓電晶體：另一類是極化的多晶壓電陶瓷：第三類是

高分子壓電材料。

9.試用石英晶體為例說明壓電效應產生的過程。

答：石英晶體是一種應用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，圖2-24是天然石英晶體的外形圖，它為

規(guī)則的正六角棱柱體。在正常情況下，石英晶體的每一個晶體單元中，有三個硅離子和六個氧離子，正負離子

分布在正六邊形的頂角上，當無外力作用時，正、負電荷中心重合，對外不顯電性。當在X軸向施加壓力時，

如圖2-25(a)所示，務晶格上的帶電粒子均產生相對位移，氧離子擠入兩個硅離子之間，而硅離子也擠入兩個氧

離子之間，正電荷中心向B而移動，負電荷中心向A而移動，因而B而呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負電荷。當在X

釉向施加拉力時，如圖2-25(b)所示，各晶格上的帶電粒子均沿X釉向外產生位移，因而A面呈現(xiàn)正電荷，B而

呈現(xiàn)負電荷。在丫方向施加EE力時，如圖2-25⑹所示，晶格沿v軸被向內壓縮,A面呈現(xiàn)正電荷，B而呈現(xiàn)

負電荷。在Y方向施加拉力時，如圖2-25(d＞所示，晶格在v向被拉長，X向縮短，B而呈現(xiàn)正電荷，A而呈

現(xiàn)負電荷。若沿Z軸方向施加力的作用時，由于硅^子和氧離子是對稱的平移，故在表而沒有電荷出現(xiàn)，因而

不產生壓電效應。這就是石英晶體壓電效應產生的過程。

10.壓電陶瓷有何特點

答：壓電陶瓷是人工制造的一種多晶壓電體，它有無數(shù)的單晶組成，各單晶的自發(fā)極化方向是任意排列的。

因此，雖然每個單晶具有強的壓電性質，但組成多晶后，各單晶的壓電效應卻互相抵消了，所以，原始的壓電

陶瓷是一個非壓電體，不具有壓電效應。為了使壓電陶瓷具有壓電效應，就必須進行極化理。即在一左的溫度

條件下，對壓電陶瓷施加強電場，使極性軸轉動到接近電場方向，規(guī)則排列，這時壓電陶瓷就具有了壓電性，

在極化電場去除后，留下了很強的剩余極化強度。當壓電陶瓷受到力的作用時，極化強度就發(fā)生變化，在垂直

于極化方向上的平而上就會出現(xiàn)電荷。壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)比石英晶體的壓電系數(shù)大得多，所以采用壓電

陶瓷制作的壓電式傳感器靈敏度較高。

11.壓電傳感器的測量電路是什么各有何特點為什么壓電傳感器不能測量靜態(tài)的力

答：根據壓電傳感器的工作原理和等效電路，壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，這時可以把傳感器看作

電壓發(fā)生器：也可以是電荷信號，這時可以把傳感器看作電荷發(fā)生器。因此前苣放大器也有兩種形式：電電壓放

大器壓放大器和電荷放大器。

dXF

特點：由電壓放大器的輸U?n=—出可以看出，放大器輸入電壓與電纜的電容U有關系，

Cj+C'+C。

當改變連接傳感器與前苣放大器的電纜長度時，?將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化。在設

計時，通常把電纜長度宦為常數(shù)，使用時如要改變電纜長度，則必須重新校正電壓靈敏度值。

電荷放大器輸出電壓〃=/，可以看出電荷放大器輸出電壓與電纜電容無關。因此電纜可以很長，可長達

數(shù)百米，甚至上千米，靈敏度卻無明顯損失。這是電荷放大器的一個突出優(yōu)點。因此在測量時，不必考慮傳

感器與放大器配套的問題，放大器與傳感器可以任意互換。

為什么壓電傳感器不能測量靜態(tài)的力由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄露的情況下才能

保存，即需要測疑回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的。因為在實際測量時，放大器的輸入電阻

&和傳感器的泄漏電阻心不可能為無窮大，因此電荷就會通過放大器的輸入電阻&和傳感器的泄漏電阻心漏掉＞

所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷得到補充，可以供給測量電

路以一左的電流，故只適用于動態(tài)測量。

12.如圖2-32b所示電荷放大器等效電路。壓電元件為壓電陶瓷.壓電陶瓷的壓電系數(shù)

6/〃=5xlO」℃/7V,反饋電容/所，若輸出電壓U＜）=0.4V,求壓電傳感器所受力的大

小

答：根據電荷放大器的輸出匕=-%可知，壓電陶瓷

上產生的電荷

1clm=0.4X0.01X1O6=4X1O-9

根據0嚴壓電傳感器所受的力

《=丁=7_5x10"。2-32電荷放大器等效迫路

a..

13.石英晶體的縱向壓電系數(shù)〃xx=2WxlCTC/N,晶體的長度是的寬2倍，是厚的3倍，求八1）當

沿電軸方向施加3x104”的力時，用反饋電容為C,=0-01"F的電荷放大器測量的輸出電壓是多少

（2）當沿機械軸施加力巴?時，用同樣的電荷放大器測出的輸出電壓為3V,人為多少

解答：（1）電荷放大器的輸出

%dxx?Fxx2?3xior3x10”

=-I

C--0.01x10"

⑵根據題意，參考石英晶體的切片圖，可以看出（匚3

方當沿機械軸施加力巴時，產生的由0“=彳耳

根據式J-得0=即Q=QXY=-d、*jR=U..xC

求出Fr=VoxC..x-x—=3x0.01xlO-6xAx——!—a4348(N)a302.3x10"

14.用壓電式傳感器測量一正弦變化的作用力，采用電荷放大器，壓電元件用兩片壓電陶瓷并聯(lián)，壓電系

數(shù)么=19OX1O“2C/N,放大器為理想運放，反饋電容G=38OO/;F,實際測得放大器輸出電壓

為t/o=1Osin"(V),試求此時的作用力F=?

解答：根據題意壓電元件是兩片壓電陶瓷并聯(lián)，所以總電荷是單個壓電元件電荷的兩倍，即0=20^,

根據電荷放大器的輸出Uo、得

CF

Q=-(JoxCz=-10sinarx3800x10"12=-3.8xlOAsinA,

Qxx4力?3Q,得壓電傳感器受到的作用力

3.8X10JI

=------------------sincot=-100sincot(N)

2x190x10"

15.電容式傳感器的工作原理是什么可分成幾種類型各有個特點

答：根據平行極板的電容器，如果不考慮其邊緣效應，則電容器的電容量為

c=必_￡。￡/

-~iT~

由上式可知，電容C是A、d、E的函數(shù)，即C=/(￡,，，，A)。當A、〃、￡改變時，電容量C也隨之

改變。若保持其中兩個參數(shù)不變，通過被測疑的變化改變其中的一個參數(shù)，就可把被測量的變化轉換為電容

量的變化。這就是電容傳感器的基本工作原理。

分類：電容式傳感器根據工作原理不同，可分為變間隙式、變面枳式'變介電常數(shù)式三種：按極板形狀不

同有平板形和圓柱形兩種。

特點：變間隙式電容傳感器：只能測量微小位移(微米級)；

變而積式電容傳感器：可以測量較大位移的變化，常為厘米級位移量。

變介電常數(shù)式電容式傳感器。可用來測量物位或液位，也可測量位移，可以測量較大位移的變化。

16.試說明差動式電容傳感器結構是如何提高測量靈敏度，減小非線性誤差的

答：以變間隙式電容傳感器為例來分析。當d變化時，電容量的相對變化約為

△uy

.....土...........

()

(2-35)

為了提高測量的靈敏度，減小非線性誤差，實際應用時常采用差動式結構。如圖2-44所示，兩

個左極板對稱安裝，中間極板為動極板。當中間極板不受外力作用時，由于山=心=么，所以C\=J

當中間極板向上移動X時，G增加，C?減小，總電容的變化MAC為

XN\定極板\X\

AC=G-=_口11Co

"(>動極

圖2-44差動式電容器結構

式(2-37)與式(2-35)相比，輸出靈敏度提高了一倍。

17.電容式傳感器的測量轉換電路主要有哪些

答：常見的電容式傳感器測量轉換電路有橋式電路、調頻電路、充放電脈沖電路、運算放大器電路等。

18.有一個以空氣為介質的變而積型平板電容傳感器，如圖

2-45a所示，其中a=Smm.b=A2mm，兩極板間距為d=\nun

□當動極板在原始位It上平移了后，求傳感

器電容量的變化及電容相對變化MAC/C(>o(空氣的相對介電

常數(shù)￡=1尸功，真空的介電常數(shù)

=8.854x10"尸/力口)c平板形線位移

圖2-45變而枳式電容傳感器結構原理

答：根據變面積型平板式電容傳感器的電容表達式：

△cY

日、【/—LJTZ.yE/Z-dSS[_TT7HOPC..X14-.LU以日7\—_C/../??r~H出,/f+QD-X*/I^.-4-,

“士葉八一x"wwbxlx8.854xl0-12x8xl25...

傳感器電容量的變化IG—C。x_=x_=-----------------------------------------x一心一531?24〃

F

ada18

19.電感傳感器的基本原理是什么可分成幾種類型

答：電感傳感器的基本原理是電磁感應原理。利用電磁感應將被測非電量(如壓力、位移等)轉換成電

感量雌檐O的黃綣刷跚陶酬轉陋娜量播題雕斛酈檄的漏觸和任聯(lián)解遂量電測的。

20.電感傳感器的常用的測量電路有哪些

答：自感式傳感器常用的測量轉換電路有橋式測量電路、調幅、調頻、調相電路，在自感式傳感器中，用

得較多的是橋式測量電路和調幅電路。

差動變壓器輸出電壓可直接用交流電壓表接在反相串聯(lián)的兩個二次繞組上測量，此時空載輸出電壓為U

（）=國-員，，也可采用電橋電路來測量。

21.電渦流傳感器的工作原理是什么形成電渦流的兩個必備條件是什么

答：電渦流傳感器的工作原理是電渦流效應。即塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中做切割磁

力線運動時，導體內將產生感應電流，這種電流的流線在金屬體內自行閉合，類似于水中的漩渦，所以稱為

電渦流。電渦流的存在必然要消耗一部分磁場的能量，從而使激勵線圈的阻抗發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電渦

流效應。根據電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流傳感器。

要形成電渦流必須具備兩個條件：（1）存在交變磁場：（2）導體處于交變磁場中。

22.壓阻式壓力傳感器的工作原理是什么主要應用是什么

答：壓阻式壓力傳感器的工作原理是基于壓阻效應工作的。所謂壓阻效應就是指半導體材料的受外力或應

力作用時，北電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。

主要應用是：用于壓力、加速度、重量、應變'拉力、流量等參數(shù)的測量。

第3章溫度傳感器

1.溫度的測量方法有幾種各有何特點

答：按照感溫元件是否與被測溫對象相接處，溫度測量可以分為接觸式和非接觸式測溫兩種。

接觸式測溫：感溫元件與被測對象接觸，彼此進行熱量交換，使感溫元件與被測對象處于同一環(huán)境溫度下，

感溫元件感受到的冷熱變化即是被測對象的溫度。這類傳感器的優(yōu)點是：結構簡單、工作可靠'測量精度高、

價格便宜、可測得被測對象的真實溫度及物體內部某一點的溫度；缺點是：有較大的滯后現(xiàn)象（由于與被測物

熱交換需要一左的時間），不適于測量小的物體、腐蝕性強的物體及運動物體的溫度，并且由于感溫元件與被

測對象接觸，從而影響被測環(huán)境溫度的變化，測溫范用也受到感溫元件材料特性的限制等。

非接觸式測溫：利用物體表面的熱輻射強度與溫度的關系來測量溫度的。通過測量一定距離處被測物體發(fā)

出的熱輻射強度來確左被測物的溫度。這類溫度傳感器的優(yōu)點是：可以測量高溫及腐蝕性、有毒物體的溫度。

測溫速度快，不存在滯后現(xiàn)象，測溫范用不受限制，可以測量運動物體、導熱性差、微小目標、熱容量小的物

體、固體、液體表面的溫度，不影響被測物環(huán)境溫度。缺點是：易受被測物體與儀表間距離、煙塵、水氣及被

測物熱輻射率的影響，測量精度較低等。

2.膨脹式溫度計有幾種其工作原理是什么各有何特點

答：膨脹式溫度計可分為液體膨脹式溫度計、固體膨脹式溫度計、氣體膨脹式溫度汁3種類型。

液體膨脹式溫度計：利用玻璃感溫泡內的液體受熱體積膨脹與玻璃體積膨脹之差來測量溫度的。一般用于

低溫和中溫溫度測量。特點：不僅比較簡單直觀，而且還可以避免外部遠傳溫度訃的誤差。但易破碎，刻度微細

不便讀取，不適于有振動和容易受到沖擊的場合。

固體膨脹式溫度汁：利用膨脹系數(shù)不同的兩種金屬材料牢固地粘貼在一起制成的。當溫度變化時，由于兩

種金屬線膨脹系數(shù)不同而產生彎曲，彎曲的程度與溫度的高低成比例的原理工作的。

特點：現(xiàn)場顯示溫度，直觀方便，抗震性能好，結構簡單，牢固可靠，使用壽命長，但精度不高。

氣體膨脹式溫度汁：是基于密封在容器中的氣體或液體受熱后體積膨脹，壓力隨溫度變化而變化的原理測

溫的。

特點：主要用于遠距離設備的氣體'液體'蒸汽的溫度測量，也能用于溫度控制和有爆炸危險場所的溫度

測量。

3.電阻式溫度傳感器的工作原理是什么有幾種類型

答：電阻式溫度傳感器是利用導體或半導體材料的電阻值隨溫度變化而變化的原理來測雖:溫度

的，即材料的電阻率隨溫度的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為熱電阻效應。

類型：按制造材料來分，一般把由金屬導體鉗、銅、等制成的測溫元件稱為金屬熱電阻，簡稱熱電阻傳

感器：把由半導體材料制成的測溫元件稱為熱敏電阻。

4.金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有哪幾種％有何特點熱電阻傳感器的測量電路有哪些說明每種測量電

路的特點。

答：金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有鉗和銅。

特點：鉗金屬熱電阻：鉗易于提純、復制性好，在氧化性介質中，甚至高溫下，其物理化學性質極英穩(wěn)N，

主要用于高精度溫度測量和標準測溫裝置，測溫范用為-200?850P。

銅金屬熱電阻：銅易于提純，價格低廉，電阻一溫度特性線性較好。但電阻率僅為鉗的幾分之一。因此，

銅電阻所用阻幺幺?細而且長，機械強度較差，熱慣性較大，在溫度高于100℃以上或腐蝕性介質中使用時，

易氧化，穩(wěn)立性較差。因此，只能用于低溫及無腐蝕性的介質中。

熱電阻傳感器的測量電路常用電橋電路。外界引線如果較長時，引線電阻的變化會使測量結果有較大誤差，

為減小誤差，可采用三線制電橋連接法測量電路或四線制恒流源測量電路。

特點：三線制電橋連接法測量電路，導線電阻r對測戢亳無影響。

四線制恒流源測量電路，四根導線的電阻r對測量都沒影響但要因為電流流過導體時導體存在發(fā)熱現(xiàn)象，

所以供電電流不宜過大，一般在以下。精確測量時，通電電流為。

5.熱電偶溫度傳感器的工作原理是什么熱電勢的組成有幾種說明熱電勢產生的過程，并寫出熱電偶回路中總

熱電勢的表達式。

答：熱電偶溫度傳感器的工作原理是熱電效應。即兩種不同材料的導體A和B組成一個閉和回路，若兩接

點的溫度不同，則在該回路中將會產生電動勢，兩個接點的溫差越大，所產生的電動勢也越大。組成回路的導

體材料不同，所產生的電動勢也不一樣，這種現(xiàn)象稱為熱電效應。

熱電勢的組成：由兩種導體的接觸電勢和單一導體的溫差電勢組成。

熱電勢產生的過程：

（1）兩種導體的接觸電勢

接觸電勢是由于兩種不同導體的自由電子濃度不同而在接觸而形成的電勢。假設兩種金屬A、B的自由電

子濃度分別為皿和心，且皿〉山。當兩種金屬相接時，將產生自由電子的擴散現(xiàn)象。在同一瞬間，由A擴散到

B中去的電子比由B擴散到A中去的多，從而使金屬A失去電子帶正電：金屬B得到電子帶負電，在接觸而形

成電場。此電場阻止電子進一步擴散，當達到動態(tài)平衡時，在接觸面的兩側就形成了穩(wěn)左的電位差，即接觸電

勢E,如圖3-22所示。接觸電勢的數(shù)值取決于兩種導體的性質和接觸點的溫度，而與導體的形狀及尺寸無關。

溫度越高，接觸電勢也越大。接觸電勢的方向由兩導體材料決泄。

(2)單一導體的溫差電勢

對于單一導體，如果兩端溫度分別為t、to,如圖3-23所示，則導體中的自由電子，在高溫端具有較大的

動能，因而向低溫端擴散：高溫端因失去電子帶正電，低溫端獲得電子帶負電，即在導體兩端產生了電勢，這

個電勢稱為單一導體的溫差電勢。

NA>Nd

圖3-22兩種導體的接觸電勢

—|L療ZEQ

%(◎辛t”1m豐

十3巾(5)

圖3-24熱電偶回路總熱電勢

由圖3-24可知，熱電偶回路中產生的總熱電勢為

ERB(')=eAB(')+CB(Co)_"/WCo)(匚A))(彳一5)

式中，為熱電偶電路的總熱電勢：%(t)為熱端接觸電勢；為B導體的溫差電勢：

e./；(to)為冷端接觸電勢：以(t,to)為A導體的溫差電勢。

在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示為

EAB(())=1ABC,)—%do)(3-6)

6.熱電偶的基本立律有哪些其含義是什么每種定律的意義何在并證明每種左律。

答：熱電偶的基本左律有：中間導體泄律、中間溫度泄律、參考電極律。

含義：中間導體泄律一在熱電偶電路中接入第三種導體，只要保持該導體兩接入點的溫度相等，回路中總

的熱電勢不變，即第三種導體的引入對熱電偶回路的總熱電勢沒有影響。

中間導體定律的意義：根據這個泄律，我們可采取任何方式焊接導線，可以將熱電勢通過導線接至測量儀

表進行測量，且不影響測量精度?？刹捎瞄_路熱電偶對液態(tài)金屬和金屬壁而進行溫度測量，只要保證兩熱電極插

入地方的溫度相同即可。

中間溫度左律含義：在熱電偶測量電路中，測量端溫度為t,自由端為中間溫度為己，則E(t、

to)的熱電勢等于E(t.己)與E(己to)熱電勢代數(shù)和。即

EAB(7Mo)

中間溫度定律的意義舟利用該立律，可對參考端溫度不為（TC的熱電勢進行修正。另外，可以選用廉價

的熱電偶N、B代替t'到t。段的熱電偶A、B.只要在t'、t。溫度范圍內今、B，與A、B熱電偶具有相近的熱電

勢特性，便可將熱電偶冷端延長到溫度恒左的地方再進行測量，使測量距離加長，還可以降低測量成本，而且

不受原熱電偶自由端溫度己的影響。這就是在實際測量中，對冷端溫度進行修正，運用補償導線延長測溫距離，

消除熱電偶自由端溫度變化影響的道理。

參考電極左律含義：已知熱電極A,B與參考電極C組成的熱電偶在接點溫度為（t,t。）時的熱電勢分

別為耳4心）、￡次（心,則相同溫度下，由A,B兩種熱電極配對后的熱電勢耳曲心）可按下式計算為：

E/IB（/,）=EAc（r,G）-Epc（『，5）

參考電極左律的意義：參考電極左律大大簡化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關電極與參考電極配

對的熱電勢，那么任何兩種電極配對后的熱電勢均可利用該泄理計算，而不需要逐個進行測立。由于純鉗絲的

物理化學性能穩(wěn)左，熔點較高，易提純，所以目前常用純鉗線作為標準電極。

7.熱電偶的性質有哪些

答：（1）當兩熱電極材料相同時，不論接點溫度相同與否，回路總熱電勢均為零。

（2）當熱電偶兩個接點溫度相同時，不論電極材料相同與否，回路總熱電勢均為零。

（3）只有當電極材料不同，兩接點溫度不同時，熱電偶回路才有熱電勢。當電極材料選左后，兩接點的

溫差越大，熱電勢也就越大。

（4）回路中熱電勢的方向取決于熱端的接觸電勢方向或回路電流流過冷端的方向。

8.為什么要對熱電偶進行冷端溫度補償常用的補償方法有幾種補償導線的作用是什么連接補償導線要注意

什么

答：由于熱電偶的分度表是在冷端溫度為?！鏁r測得的，如果冷端溫度不為零，測得的熱電勢就不能直接

去查相應的分度表。另外，根據熱電偶的測溫原理，熱電偶回路的熱電勢只與冷端和熱端的溫度有關，當冷端溫

度保持不變時，熱電勢才與測量端溫度成單值對應關系。但在實際測量時，冷端溫度常隨環(huán)境溫度變化而變化，

G不能保持恒龍，因而會產生測量誤差。為了消除測量誤差，要對熱電偶進行冷端溫度補償。

常采補償方法：0℃冷端恒溫法、冷端恒溫法、補償導線法（延引電極法人電橋補償法。

補償導線的作用：補償導線僅起延長熱電極的作用，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不

起任何溫度補償作用。但由于補償導線比熱電偶便宜，巧約了測量經費。

連接補償導線必須注意兩個問題：①兩根補償導線與熱電偶相連的接點溫度必須相同：②不同的熱電偶

要與其型號相應的補償導線配套使用，且必須在規(guī)左的溫度范用內使用，極性不能接反。

9.熱電偶測溫線路有幾種試畫出每種測溫電路原理圖，并寫出熱電勢表達式。

答：測溫某一點溫度、測量兩點間溫差電路、測量多點溫度之和電路、測量幾點的平均溫度'多點溫度

測量線路。

0Ar

B'

圖3-37熱電偶測雖某一點溫度

測溫電路原理圖:

圖3-11—臺儀表分別測址多點溫度

10.如圖3-53所示，用人型銘《泉硅）熱電偶測量煉鋼爐熔融金屬某一點溫度，A'.B「為補償導線,

Cu為銅導線。已知t,=40℃,t2=0°C,t.<=20℃0

（1）當儀表指示為時，計算被測點溫度t二

（2）如果將A,、B，換成銅導線，此時儀表指示為，再求被測點溫度t=

（3）將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來測量此點的溫度，是利用了熱電偶的什么定律如果被測液體

不是金屬，還能用此方法測量嗎為什么

答：（1）當才、B,為補償導線，Cu為銅導線時。熱電偶的冷端溫度為，此時儀表的指示即為

熱端溫度t相對于。C熱電勢，即E=E他（『，0）

=39.314加V，查分度表可得被測點溫度t*

950℃。

（2）如果將A，、換成銅導線，此時熱電偶

的冷端溫度即變?yōu)閠x=4（rc,此時儀表的指示為E=

￡肋（/,40）=37.702/HV，根據中間溫度左律即

可求得測量端相對于?！娴臒犭妱荩簣D3-53熱電偶測址煉鋼爐熔融金屈某一點溫度

E”（z\O）=EAH（r.40）+EAH（40,0）=37.702+1-611=39.313A?IV查分度表可得被測點溫度t

950℃o

（3）將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來測量此點的溫度，是利用了熱電偶的中間導體立律，如

果被測液體不是金屬，就不能用此方法來測量因為不滿足熱電偶的基本宦律要求。

11用兩只K型熱電偶測量兩點溫差，如圖3-38所示。已知心=980。6/2=510。（2,t=2（TC,試求

ZP『2兩點的溫差。

答：根據熱電偶測量兩點溫差的電路可知儀表的指示為:

E=E/\B（A,『0）—EAB（『2,『0）=%?（『1）

"2）

=40.488-21.066=19.422（/HV）

查分度表可知/日2A471?4。0

12.試分析圖3-47所示集成溫度傳感器AD590用于熱電偶參考端溫度補償電路的工作原理。

答：由圖3-47所示，AD590與熱電偶參考端處于同一溫度下。AD580是一個三端穩(wěn)壓器，其輸出電壓

Uo=。電路工作時，調整電阻R：使得L=toxlOAmA,這樣在電阻R,上便產生一個隨參考端溫度t。變化的補

償電壓U'二:L*R：。若熱電偶參考端溫度為to,工作

時應使UX任AD（to,0。0。這樣就能自動

補償由于冷端溫度變化帶來的測量誤差。不同分度

號的熱電偶，R'的阻值亦不同。這種補償電路靈敏、

準確、可靠、調整方便。

13.輻射式溫度傳感器的工作原理是什么有何特點

答：輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能

化。與接觸式溫度傳感器相比，具有以下特點：

1）傳感器與被測對象不接觸，不會干擾被測對

圖熱電偶參考端的補償電路

象的溫度場，故可測量運動物體的溫度，且可進行遙3-47

隨溫度變化的原理制成的。是一種非接觸式測溫方法,只要將傳感器與被測對象對準即可測量其溫度的變

測。

2）由于傳感器與被測對象不在同一環(huán)境中，不會受到被測介質性質的影響，所以可以測量腐蝕

性、有毒物體、帶電體的溫度，測溫范圉廣，理論上無測溫上限限制。

3）在檢測時傳感器不必和被測對象進行熱量交換，所以測疑速度快，響應時間短，適于快速測溫。

4）由于是非接觸測量，測量精度不高.測溫誤差大。

第4章位移、物位傳感器

1.莫爾條紋的含義是什么英主要特性有哪些試畫圖分析。

答：莫爾條紋含義:如果把兩塊柵距w相等的光柵而平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角（），

這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，如圖4-10所示。

莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，圖4-10中d-d線區(qū)所

示。f-f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應形成的。

莫爾條紋有兩個重要的特性：

（1）位移的方向性：當指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示光柵的方向上下移

動，查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確左主光柵左右移動方向。

（2）放大作用：莫爾條紋有位移的放大作用。當主光柵沿著與刻線垂直的方向移動一個柵距W時，莫

爾條紋移動一個條紋間距B。當兩個等距光柵的柵間夾角0較小時，主光柵移動一個柵距叭莫爾條紋移動KW

距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)，可由下式確左，即