1、1第 1 章 传感器与检测技术基础思考题答案l.检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。下图给出了检测系统的组成框图。 被 测 量 传 感 器 测 量电 路电 源 指 示 仪记 录 仪数 据 处理 仪 器检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信
2、息并且不易消除传感器所引入的误差。测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工2作。显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。2什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？解：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成
3、确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。3传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？解：（1）开发新的敏感、传感材料：在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体硅材料的性能改变，从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。（2）开发研制新型传感器及组成新型测试系统 MEMS 技术要求研制微型传感器。如用于微型侦察机的 CCD 传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。 研制仿生传感器 研制海洋探测用传感器 研制成分分析用传感器 研制微弱信号检测传感器（3）
4、研究新一代的智能化传感器及测试系统：如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。它们的特点是传感器与微型计算机有机结合，构成智能传感器。系统功能最大程度地用软件实现。（4）传感器发展集成化：固体功能材料的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景。（5）多功能与多参数传感器的研究：如同时检测压力、温度和液位的传感器已逐步走向市场。4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？解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出输入特性。衡量静态特性的重要指标是
5、线性度、 灵敏度，迟滞和重复性等。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。3解：其灵敏度30165UkX6.某线性位移测量仪，当被测位移由 4.5mm 变到 5.0mm 时，位移测量仪的输出电压由 3.5V 减至 2.5V，求该仪器的灵敏度。解：该仪器的灵敏度为mV/mm25.403S7.某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器： 0.45/ 电桥： 0.02V/放大器： 100(放大倍数)笔式记录仪： 0.2cm/V求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移 4cm 时，所对应的温度变化值。 解：（1）测温系统的总
6、灵敏度为cm/18.020.45S（2）记录仪笔尖位移 4cm 时，所对应的温度变化值为.218.0t48.有三台测温仪表，量程均为 0800，精度等级分别为 2.5 级、2.0 级和 1.5 级，现要测量 500的温度，要求相对误差不超过2.5，选那台仪表合理?解：2.5 级时的最大绝对误差值为 20，测量 500时的相对误差为 4；2.0 级时的最大绝对误差值为 16，测量 500时的相对误差为 3.2；1.5 级时的最大绝对误差值为 12，测量500时的相对误差为 2.4。因此，应该选用 1.5 级的测温仪器。9.什么是系统误差和随机误差?正确度和精密度的含义是什么? 它们各反映何种误差
7、?答：系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。随机误差则是指在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化的误差。正确度是指测量结果与理论真值的一致程度，它反映了系统误差的大小，精密度是指测量结果的分散程度，它反映了随机误差的大小。10.试分析电压输出型直流电桥的输入与输出关系。答：如图所示，电桥各臂的电阻分别为 R1、 R2、R 3、R 4。U5为电桥的直流电源电压。当四臂电阻 R1=R2=R3=R4=R 时，称为等臂电桥；当 R1=R2=R,R3=R4=R(RR )时，称为输出对称电桥；当 R1=R4=
8、R，R 2=R3 =R(RR)时，称为电源对称电桥。R 1 R 2R 3R 4U 0UABCD直流电桥电路 当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为(1)URUo)(4321设电桥为单臂工作状态，即 R1为应变片，其余桥臂均为固定电阻。当 R1感受被测量产生电阻增量 R1时，由初始平衡条件 R1R3=R2R4 得 ，代入式（1） ，则电桥由于 R1 产生不342平衡引起的输出电压为 (2)URURU)()( 1211210 对于输出对称电桥，此时 R1=R2=R,R3=R4=R
9、，当 R1 臂的电阻产生变化 R1=R，根据（2）可得到输出电压为(3)()(20对于电源对称电桥，R 1=R4=R,R2=R3=R。当 R1臂产生电阻增量 R1=R 时，由式（ 2）得 (4)(0U对于等臂电桥 R1=R2=R3=R4=R，当 R1 的电阻增量 R1=R 时，由式（2）可得输出电压为6(5)(4)(20 RURU由上面三种结果可以看出，当桥臂应变片的电阻发生变化时，电桥的输出电压也随着变化。当 R t 0)。在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从
10、热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。3简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。答：一是匀质导体定律：如果热电偶回路中的两个热电极材料21相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同，也可以检查热电极材料的均匀性。二是中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量
11、。三是标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算出来。四是中间温度定律：热电偶在两接点温度 t、t 0 时的热电动势等于该热电偶在接点温度为 t、t n 和 tn、t 0 时的相应热电动势的代数和。中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。4试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理。答：热电偶冷端温度补偿的方法主要有：一是冷端恒温法。这种方法将热电偶的冷端放在恒温场合，有 0恒温器和其他恒温器两种；二是
12、补偿导线法。将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室 )，其实质是相当于将热电极延长。根据中间温22度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的；三是计算修正法。修正公式为：；四是电桥补偿法。利用不平衡电桥产)t,(E)t(,)t(,E01AB1B0AB生的电动势补偿热电偶因冷端波动引起的热电动势的变化。5用镍铬-镍硅(K)热电偶测量温度，已知冷端温度为 40，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为 29.188mV，求被测点的温度。解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出 E(40，0)=1.638mV ，根据式(5-2-1)计算出 30.826mV1.6)(29.8Et
13、,0)再通过分度表查出其对应的实际温度为9.7412.975.3)-(7t6已知铂铑 10-铂(S)热电偶的冷端温度 t025，现测得热电动势 E(t， t0)11.712mV，求热端温度是多少度?解：由铂铑 10-铂热电偶分度表查出 E(25，0)=0.161mV ，根据式(5-2-1)计算出 1.873mV0.6)(1.72Et,0)再通过分度表查出其对应的实际温度为.26851.9.13)-(t237已知镍铬-镍硅(K)热电偶的热端温度 t800，冷端温度t0 25，求 E(t，to)是多少毫伏?解：由镍铬-镍硅热电偶分度表可查得 E(800，0)=33.275mV，E(25 ，0)=1
14、.024 mV，故可得E(800，5)=33.275-1.024=32.251mV8现用一支镍铬-康铜(E) 热电偶测温。其冷端温度为 30，动圈显示仪表(机械零位在 0) 指示值为 400，则认为热端实际温度为 430，对不对?为什么?正确值是多少?解：不对，因为仪表的机械零位在 0，正确值为 400。9如图 5.14 所示之测温回路，热电偶的分度号为 K，毫伏表的示值应为多少度?答：毫伏表的示值应为(t 1-t2-60)。10用镍铬-镍硅(K)热电偶测量某炉温的测量系统如图 5.15 所示，已知：冷端温度固定在 0，t 030，仪表指示温度为210，后来发现由于工作上的疏忽把补偿导线 ，相
15、互接BA和错了，问：炉温的实际温度 t 为多少度?解：实际温度应为 270，因为接反后不但没有补偿到，还抵24消了 30，故应该加上 60。t1ABBA+AB+t2Am V6 0 CCABA+B0 m Vt0图 5.14 图 5.1511. 试比较热电阻与热敏电阻的异同。解：热电阻将温度转换为电阻值大小的热电式传感器,热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器的测量精度高；有较大的测量范围，它可测量200500的温度；易于使用在自动测量和远距离测量中。热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。其结构形式可根据实际使用制作成各种形状。热敏电阻是由一些金属氧化物，
16、如钴、锰、镍等的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状。热敏电阻具有以下优点：电阻温度系数大，灵敏度高；结构简单；电阻率高，热惯性小；但它阻值与温度变化呈非线性，且稳定性和互换性较差。第 6 章 压电传感器习题答案1为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量?答：因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量，25可等效成一定的电容，如被测量为静态时，很难将电荷转换成一定的电压信号输出，故只能用于动态测量。2压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题?答：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电
17、荷转换为电压信号输出，其核心是要解决微弱信号的转换与放大，得到足够强的输出信号。3一压电式传感器的灵敏度 K110pCMPa ，连接灵敏度K2=0.008VpC 的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度K3=25mmV，当压力变化 p=8MPa 时，记录笔在记录纸上的偏移为多少?解：记录笔在记录纸上的偏移为S=100.008258=16/mm4某加速度计的校准振动台，它能作 50Hz 和 1g 的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度 K100mVg，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为 1，电压放大器放大倍数为 100，标定时晶体管毫伏表上指示
18、为 9.13V，试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。26解：此加速度计的灵敏度为mV/g3.910K标定系统框图如下：电压放大器阻抗变换器加速度计晶体管毫伏表5. 简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。解：电压放大器的应用具有一定的应用限制，压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。优点：微型电压放大电路可以和传感器做成一体，这样这一问题就可以得到克服，使它具有广泛的应用前景。缺点：电缆长，电缆电容 Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。不过由于固态电子器件和集成电路的迅速发展， 电荷放大器的优点：输出电压 Uo与电缆电容 Cc无关，且与 Q 成正比，这
19、是电荷放大器的最大特点。但电荷放大器的缺点：价格比电压放大器高，电路较复杂，调整也较困难。要注意的是，在实际应用中，电压放大器和电荷放大器都应加过载放大保护电路，否则在传感器过载时，会产生过高的输出电压。6. 简述正、逆压电效应。解：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。27第 7 章 光电式传感
20、器1光电效应有哪几种?与之对应的光电元件各有哪些?答：光电效应有外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等；基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等；基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。2常用的半导体光电元件有哪些?它们的电路符号如何?答：常用的半导体光电元件有光敏二极管、光敏三极管和光电池三种。它们的电路符号如下图所示：光敏二极管 光敏三极管 光电池3对每种半导体光电元件，画出一种测量电路。答：光敏二极管、三极管及光电池的测量电路如下图所示。28a ) 光敏二极管 测量电 路 b ) 光敏三极管 测量电 路UU 0VUU 0c ）光电池
21、测量电路4什么是光电元件的光谱特性?答：光电元件的光谱特性是指入射光照度一定时，光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光电元件只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光电元件的光谱特性。5光电传感器由哪些部分组成?被测量可以影响光电传感器的哪些部分?答：光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图所示。图中 1是光源发出的光信号， 2是光电器件接受的光信号，被测量可以是 x1 或者 x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号 I。光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用。29Ix1x2 x312光源 光学通路 光电元件6模
22、拟式光电传感器有哪几种常见形式?答：模拟式光电传感器主要有四种。一是光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，如图 a 所示。这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计；二是恒定光源发射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，吸收量取决于被测物的某些参数。如图 b 所示。可用于测量透明度、混浊度；三是恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面反射后再投射到光电元件上，如图 c 所示。反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等；四是从恒定光源发射出的光通量在到达光电元件的途
23、中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。如图 d 所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。30c )d )122133a ) 被测量是光源 b ) 被测量吸收光通量 c ) 被测量是有反射能力的表面 d ) 被测量遮蔽光通量1 - 被测物 2 - 光电元件 3 - 恒光源a )b )221137. 光纤传感器常用的调制原理有哪些？解：1）强度调制原理 2）相位调制原理 3）频率调制原理 4）偏振调制原理8. 红外线的最大特点是什么？什么是红外传感器？解：红外线的最大特点是具有光热效应，可以辐射热量，它是光谱中的最大光热效应区。能将红外辐射量的变化转换为电量变化的装置称为红外探测器或红外传感器。红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。第 8 章 霍尔传感器习题答案1. 什么是霍尔效应？答：在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文霍尔在1879年发现的。产生的电势差称为霍尔电压。2. 为什么导体材料和绝缘体材料均不宜做成霍尔元件？答：因为导体材料的 虽然很大，但 很小，故不宜做成元
