傳感器原理與應用作業(yè)參考答案

《傳感器原理與應用》作業(yè)參考答案

作業(yè)一

1傳感器有哪些組成部分？在檢測過程中各起什么作用？

笞：傳感器通常由敏感元件、傳感元件及測量轉換電路三部分組成。

各部分在檢測過程中所起作用是：敏感元件是在傳感器中直接感受被測量，并輸出與被測量成一

定聯(lián)系的另一物理量的元件，如電阻式專感器中的彈性敏感元件可將力轉換為位移e傳感元件是能將

敏感元件的輸出量轉換為適于傳輸和測量的電參量的元件，如應變片可將應變轉換為電阻量°測量轉

換電路可將傳感元件輸出的電參量轉換成易于處理的電量信號。

2傳感器有哪些分類方法？各有哪些傳感器？

答：按工作原理分有參量傳感器、發(fā)電傳感器、數(shù)字傳感器和特殊傳感器；按被測量性質(zhì)分有機

械量傳感器、熱工量傳感器、成分量傳感器、狀態(tài)量傳感器、探傷傳感器等；按輸出量形類分有模擬

式、數(shù)字式和開關式；按傳感器的結構分有直接式傳感器、差分式傳感器和補償式傳感器。

3測量誤差是如何分類的？

答：按表示方法分有絕對誤差和相對誤差；按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分有系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤

差按誤差來源分有工具誤差和方法誤差衣被測量隨時間變化的速度分有靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差按使用條

件分有基本誤差和附加誤差按誤差與被測量的關系分有定值誤差和積累誤差。

4彈性敏感元件在傳感器中起什么作用？

答：彈性敏感元件在傳感器技術中占有很重要的地位，是檢測系統(tǒng)的基本元件，它能直接感受被

測物理量（如力、位移、速度、壓力等）的變化，進而將其轉化為本身的應變或位移，然后再由各種

不同形式的傳感元件將這些量變換成電量。

5.彈性敏感元件有哪幾種基本形式？各有什么用途和特點？

答：彈性敏感元件形式上基本分成兩大類，即將力變換成應變成位移的變換力的彈性敏感元件和

將壓力變換成應變或位移的變換壓力的彈性敏感元件。

變換力的彈性敏感元件通常有等截面軸、環(huán)狀彈性敏感元件、懸臂尖和扭轉軸等。實心等截面軸

在力的作用下其位移很小，因此常用它的應變作為輸出量。它的主要優(yōu)點是結構簡單、加工方便、測

量范圍寬、可承受極大的載荷、缺點是靈敏度低。空心圓柱體的靈敏度相對實心軸要高許多，在同樣

的截面積下，軸的直徑可加大數(shù)倍，這洋可提高軸的抗彎能力，但其過教能力相對弱，載荷較大時會

產(chǎn)生較明顯的桶形形變，使輸出應變復雜而影響精度。環(huán)狀敏感元件T殳為等截面圓環(huán)結構，圓環(huán)受

力后容易變形,所以它的靈敏度較高，多用于測量較小的力，缺點是圓環(huán)加工困難，環(huán)的各個部位的

應變及應力都不相等。懸臂梁的特點是結構簡單,易于加工，輸出位移（或應變）大，靈敏度高，所以

常用于較小力的測量。扭轉軸式彈性敏感元件用于測量力矩和轉矩。

變換壓力的彈性敏感元件通常有彈簧管、波紋管、等截面薄板、波紋膜片和膜盒、薄壁圓筒和薄

壁半球等.彈簧管可以把壓力變換成位移，且彈簧管的自由端的位移量、中心角的變化量與壓力p成

正比，其剛度較大，靈敏度較小，但過載能力強,常用于測量較大壓力。波紋管的線性特性易被破壞,

因此它主要用于測量較小壓力或壓差測量中。

作業(yè)二

1何謂電阻式傳感器？它主要分成哪幾種？

答：電阻式傳感器是將被測量轉換成電阻值,再經(jīng)相應測量電路處理后,在顯示器記錄儀上顯示

或記錄被測量的變化狀態(tài)的一種傳感器。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏電阻、氣敏電阻

及濕敏電阻等電阻式傳感器。

2.什么是電阻應變效應?

答：導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生機械變形（拉伸或壓縮）時，其電阻值也隨之發(fā)生相應

的變化，這種現(xiàn)象即為電阻應變效應。

3試比較金屬絲電阻應變片與半導體應變片的特點。

答：金屬絲式應變片的蠕變較大，金屬絲易脫膠，但其價格便宜,多用于應變、應力的一次性試

轉體應變片是用得體材料作敏感柵而制成的。當它受力時，電阻率隨應力的變化而變化它

的主要優(yōu)點是靈敏度高（靈敏度比絲式、箔式大幾十倍）,橫向效應小。主要缺點是靈敏度的熱穩(wěn)定性

差、電阻與應變間非線性嚴重。在使用時,需采用溫度補償及非線性補償?shù)却胧?/p>

4熱電阻傳感器有哪幾種？各有何特點及用途？

答：熱電阻可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩類。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。以熱

電阻或熱敏電阻為主要器件制成的傳感器稱為熱電阻傳感器或熱敏電阻傳感器。

熱電阻傳感器主要是利用電阻隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度的。其主要優(yōu)點是：測量精

度高；有較大的測量范圍，尤其在低溫方面；易于使用在自動測量和遠距離測量中6熱電阻傳感器之

所以有較高的測量精度，主要是一些材科的電阻溫度特性穩(wěn)定，復現(xiàn)性好。

熱敏電阻按其對溫度的不同反應可分為負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）

和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）三類,CTRT殳也是負溫度系數(shù)，但與NTC不同的是，在某一溫度

范圍內(nèi)，電阻值會發(fā)生急劇變化e這三類熱敏電阻的電阻率p與溫度t之間的相互關系均為非線性.

NTC熱敏電阻主要用于溫度測量和補償,測溫范圍一般為-50~350℃,也可用于低溫測量（口30℃

~0℃1中溫測量（150℃~750℃）,甚至更高溫度，測量溫度范圍根據(jù)制造時的材料不同而不同。

PTC熱敏電阻既可作為溫度敏感元件,又可在電子線路中起限流、保護作用。CTR熱敏電阻主要用作

溫度開關。

5?簡要說明氣敏、濕敏電阻傳感器的工作原理，并舉例說明其用途。

答：氣敏傳感器,是利用半導體氣敏元件同被測氣體接觸后，造成半導體性質(zhì)的變化，以此來檢

測待定氣體的成分或濃度的傳感器的總部。實際測量時，可用氣敏傳感器把各種氣體的成分或濃度等

參數(shù)轉換成電阻、電壓或電流的變化量，并通過相應測量電路在終端儀器上顯示。它的傳感元件是氣

敏電阻,這是一種用金屬氧化物（如氧化錫SnO,氧化鋅ZnO或F303等）的粉末材料并添加小量

催化劑及添加劑，按一定配比燒結而成的半導體器件。氣敏傳感器可測量還原性氣體和測量氧氣濃度

的兩大類，例如石油蒸汽、酒精蒸汽、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。

濕敏電阻傳感器是利用材料的電氣性能或機械性能隨濕度而變化的原理制成的。它能把濕度的變

化轉化成電阻的變化,它的傳感元件是濕敏電阻。濕敏電阻傳感器的應月很廣，例如，大規(guī)模集成電

路生產(chǎn)車間,當其相對濕度低于30%RH時，容易產(chǎn)生靜電而影響生產(chǎn)；一些粉塵大的車間，當濕度

小而產(chǎn)生靜電時，容易產(chǎn)生爆炸；許多儲物倉庫（如存放煙草、茶葉和中藥材等）在濕度超過某一程度

時,物品易發(fā)生變質(zhì)或霉變現(xiàn)象；居室的濕度希望適中；而紡織廠要求車間的濕度保持在

60%RH~75%RH;在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室育苗、食用菌培養(yǎng)、水果保鮮等都需要對濕度進行檢測和控

制6

作業(yè)三

L電感式傳感器的工作原理是什么？能夠測量哪些物理量？

答：電感式傳感器是利用電磁感應原理，將被測非電量的變化轉換成線圈的電感（或互感）變化

的一種機電轉換裝置。利用電感式傳感器可以把連續(xù)變化的線位移或角位移轉換成線圈的自感或互感

的連續(xù)變化，經(jīng)過一定的轉換電路再變成電壓或電流信號以供顯示。它除了可以對直線位移或角位移

進行直接測量外，還可以通過一定的感受機構對一些能夠轉換成位移量的其他非電量，如振動、壓力、

應變、流量等進行檢測。

2.變氣隙式傳感器主要由哪幾部分組成？有什么特點？

答：變氣隙式自感式傳感器由鐵心線圈、銜鐵、測桿及彈簧等組成。變氣隙式傳感器的線性度差、

示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量6

3.概述電渦流式傳感器的基本結構與工作原理。

笞：成塊的金屬物體置于變化著的磁場中，或者在磁場中運動時，在金屬導體中會感應出一圈圈

自相閉合的電流，稱為電渦流。電渦流式傳感器是一個繞在骨架上的導線所構成的空心繞組，它與正

弦交流電源接通，通過繞組的電流會在繞組周圍空間產(chǎn)生交變磁場。當導電的金屬靠近這個繞組時，

金屬導體中便會產(chǎn)生電渦流。渦流的大小與金屬導體的電阻率、磁導率、厚度、繞組與金屬導體的距

離，以及繞組勵磁電流的角頻率等參數(shù)有關。如果固定其中某些參數(shù)不變，就能由電渦流的大小測量

出另夕1些參數(shù)。由電渦流所造成的能量損耗將使繞組電阻有功分量增加，由電渦流產(chǎn)生反磁場的去

磁作用將使繞組電感量減小，從而引起繞組等效阻抗Z及等效品質(zhì)因數(shù)Q值的變化.所以凡是能引起

電渦流變化的非電量，例如金屬的電導率、磁導率、幾何形狀、繞組與導體的距離等，均可通過測量

繞組的等效電阻R、等效電感L等效阻抗Z及等效品質(zhì)因數(shù)Q來測量。這便是電渦流式傳感器的工

作原理。電渦流式傳感器的結構比較簡單，主要是一個繞制在框架上的繞組,目前使用比較普遍的是

矩形截面的扁平繞組。

作業(yè)四

1.電容式傳感器有什么主要特點？可用于哪些方面的檢測？(P55)

答：電容式傳感器具有以下特點：力率小，阻抗高，由于電容式傳感器中帶電極板之間的靜電引

力很小，因此，在信號檢測過程中，只需要施加較小的作用力，就可以獲得較大的電容變化量及高阻

抗的輸出；動態(tài)特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動態(tài)響應特性；本身的發(fā)熱對傳感器的影響

實際上可以不加考慮；可獲取比較大的用對變化量；能在比較惡劣的環(huán)境條件下工作；可進行非接觸

測量；結構簡單、易于制造；輸出阻盤交高，負載能力較差；寄生電容影響較大；輸出為非轆。

電容式傳感器可用于直線位移、角位移、尺寸、液體液位、材料厚度的測量。

2根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？各自用途是什么？

答：根據(jù)電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器有三種基本類型，即變極距(d)型(又稱變間隙

型\變面積(A)型和變介電常數(shù)⑻型。變間隙型可測量位移,變面積型可測量直線位移、角位移、尺

寸，變介電常數(shù)型可測量液體液位、材料厚度。

作業(yè)五

1.什么叫順壓電效應?什么叫逆壓電效應?常用壓電材料有那幾種?（P66-67）

答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時,內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表

面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。這種機械能轉化

成電能的現(xiàn)象，稱為”順壓電效應”。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產(chǎn)生機

械變形，當去掉外加電場時，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為"逆壓電效應〃。應用于壓電式傳

感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，它是單晶體，如石英晶體、酒石酸鉀鈉等；另一類

是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，它是人工合成的多晶體，如鈦酸鋼等；第三類是有機壓電材料，是新型

的壓電材料，如聚偏二氟乙烯等。

作業(yè)六

1試分析霍爾效應產(chǎn)生的原因。霍爾電動勢的大小、方向與哪些因素有關？

答：金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流通過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動

勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。如將N型半導體薄片，垂直置于磁場中。在薄片左右兩端通以電流,

這時半導體中的截流子（電子）將沿著與電流相反的方向運動。由于外磁場的作用，電子將受到磁場

力（洛侖茲力）的作用而發(fā)生偏轉,結果在半導體的后端面上積累了電子而帶負電，前端面則因缺少

電子而帶正電,從而在前后端面間形成電場。該電場產(chǎn)生的電場力也將作用于半導體中的載流子，電

場力方向和磁場力方向正好相反，當與大小相等時，電子積累達到動態(tài)平衡。這時，在半導體前后兩

端面之間建立的電動勢就稱為霍爾電動勢。

霍爾電動勢的大小正比于激勵電流，與磁感應強度8,且當/或8的方向改變時，霍爾電動勢的方

向也隨著改變，但當/和B的方向同時改變時霍爾電動勢極性不變。

作業(yè)七

1.什么是金屬導體的熱電效應？試說明熱電偶的測溫原理.

答：將兩種不同的導體連成閉合回路,當兩個接點處的溫度不同時,回路中將產(chǎn)生熱電勢，這種

現(xiàn)象為熱電效應。

兩種不同材料構成的熱電變換元件掰為熱電偶，導體稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個端點固

定焊接，用于對被測介質(zhì)進行溫度測量，這一接點稱為測量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極另一接

點處通常保持為某一恒定溫度或室溫,相令端Q熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢由溫差電勢和接觸電

勢兩種電勢組成。熱電偶接觸電勢是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，在熱電極

接點接觸面處產(chǎn)生自由電子的擴散現(xiàn)象；擴散的結果,接觸面上逐漸形成靜電場。該靜電場具有阻礙

原擴散繼續(xù)進行的作用,當達到動態(tài)平衡時,在熱電極接點處便產(chǎn)生一個穩(wěn)定電勢差，稱為接觸電勢。

其數(shù)值取決于熱電偶兩熱電極的材料和接觸點的溫度，接點溫度越高，接觸電勢越大。

作業(yè)八

1洸電效應有哪幾種類型？與之對應的光電元件各有哪些F簡述各光電元件的優(yōu)缺點。

苔：光電效應根據(jù)產(chǎn)生結果的不同,通?？煞譃橥夤怆娦?、內(nèi)光電效應和光生伏特效應三種類

型。

光電管和光電流倍增管是屬于外光電效應的典型光電元件。光電倍增管的優(yōu)點是靈敏度高，比光

電管高出幾萬倍以上，輸出線性度好，頻率特性好；缺點是體積大、易破碎，工作電壓高達上千伏,

使用不方便。因此它一般用于微光測量和要求反應速度很快的場合6

基于內(nèi)光電效應的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管。光敏電阻具有

很高的靈敏度，光譜響應的范圍可以從紫外線區(qū)域到紅外線區(qū)域，而且體積小，性能穩(wěn)定，價格較低,

所以被廣泛應用在自動監(jiān)測系統(tǒng)中。在使用光敏電阻時，光電流并不是隨光強改變而立刻做出相應的

變化，而是具有一定的滯后，這也是光敏電阻的缺點之一6光敏三極管的靈敏度比二極管高，但頻率

特性較差，暗電流較大。光敏晶閘管輸出功率比它們都大，主要用于光控開關電路及光耦合器中。

基于光生伏特效應的光電元件主要是光電池。應用最廣泛的是硅光電池，它具有性能穩(wěn)定,光譜

范圍寬，頻率特性好，傳遞效率高、能耐高溫輻射等優(yōu)點。

2,光電傳感器有哪幾種類型?

答：因光源對光電元件作用方式不同而確定的光學裝置是多種多樣的，按其輸出量信號可分為開

關型和模擬型。模擬型光電式傳感器被測物、光源、光電元件三者的關系，可以分為四種類型。

(1)光源本身是被測物，被測物發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些

物理參數(shù)。

(2)恒光源發(fā)射的光通量穿過被測物，部分被吸收后到達光電元件上，吸收量決定于被測物的某

些參數(shù)

(3)恒光源發(fā)出的光通量投射到被測物上，然后被反射到光電元件上，光電元件的輸出反映了被

測物的某些參數(shù)。

(4)恒光源發(fā)出的光通量在到達光電元件的途中遇到被測物，被遮擋了一部分，光電元件的輸出

反映了被測物的尺寸6開關型光電式傳感器把被測量轉換成斷續(xù)變化的光電流，而輸出為開關量或數(shù)

字的電信號，這一類型主要用于轉速測量、模擬開關、位置開關等e

作業(yè)九

1光柵的莫爾條紋有哪幾個特性？莫爾條紋是怎么產(chǎn)生的？

答：莫爾條紋具有以下特性：

(1)放大作用，莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，光柵柵距很小,肉眼看不清楚,而莫爾條

紋卻清晰可見。

(2)對應關系，兩塊光柵沿柵線垂直方向作相對移動時，莫爾條紋通過光柵外狹縫板S到固定

點(光電元件安裝點)的數(shù)量正好和光柵所移動的柵線數(shù)量相等。光柵作反向移動時，莫爾條紋移動

方向也隨之改變。

(3)平均效應，通過莫爾條紋所獲得的精度可以比光柵本身刻線的刻劃精度還要高。

把兩塊柵距相同的光柵刻線面相對重合在一起,中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成

一個很小的夾角，然后將這對光柵放置在光路中，在兩塊光柵的柵線重合處，因有光從縫隙透過形成

亮帶，在兩光柵柵線彼此錯開處，由于光線被遮擋而形成暗帶，這種比光柵柵距寬得多的由亮帶和暗

帶形成的明、暗相間的條紋稱為莫爾條紋。

2感應同步器有哪幾種?直線感應同步器主要由哪幾部分組成？

答：感應同步器按其用途不同，可分為測量直線位移的直線感應同步器和測量角位移的圓感應同

步器兩大類6直線感應同步器由定尺與滑尺組成。在定尺和滑尺上制作有印刷電路繞組，定尺上是連

續(xù)繞組,節(jié)距（周期）W為2mm;滑尺上的繞組分兩組，在空間差90。相角（即1/4節(jié)距），分別稱正

弦和余弦繞組，兩組節(jié)距相等，W1為1.5mm。定尺一般安裝在設備的固定部件上（如機床床身），滑

尺則安裝在移動部件上。

作業(yè)十

L分析超聲波汽車倒車防撞裝置的工作原理°

答:把約40kHz的超聲波脈沖從汽車后面發(fā)射出去，根據(jù)超聲波碰到障礙物后的返回時間換算成

距離,便可檢測障礙物的位置，通過指示燈或蜂鳴器告知駕駛員。

作業(yè)十一

1抑制干擾有哪些基本措施？

答：第一，消除或抑制干擾源。消除干擾源是積極主動的措施，繼電器、接觸器和斷路器等的電

觸點,在通斷電時的電火花是較強的干擾源，可以采取觸點消弧電容等。接插件接觸不良,電路接頭

松脫、虛焊等也是造成干擾的原因，對于這類可以消除的干擾源要盡可能消除。對難于消除或不能消

除的干擾源，例如，某些自然現(xiàn)象的干擾、鄰近工廠的用電設備的干擾等，就必須采取防護措施來抑

制干擾源。

第二，破壞干擾途徑Q

（1）對于以"路〃的形式侵入的干擾，可以采取提高絕緣性能的辦法來抑制漏電流干擾；采用隔

離變壓器、光電耦合器等切斷地環(huán)路干擾途徑，引用濾波器、扼流圈等技術,將干擾信號除去；改變

接地形式以消除共阻抗耦合干擾等；對于數(shù)字信號可采用整形、限幅等信號處理方法切斷干擾途徑6

(2)對于以"場"的形式侵入的干擾，一般采取各種屏蔽措施。

第三，削弱接收電路對干擾信號的敏感性.從前面分析知，高輸入阻抗電路比彳酷俞入阻抗電路易

受干擾；布局松散的電子裝置比結構緊湊的電子裝置更易受外來干擾；模擬電路比數(shù)字電路的抗干

擾能