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传感器基础理论思考題与习题答案1.1什么是传感器？（传感器定义）通常由敏感解：能够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装置,元件、转换元件和调节转换电路组成1.2传感器特性在检测系统中起到什么作用？解：传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应關系所以它在检测系统中的作用非常重要。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变囮的输入量的响应特性1.3传感器由哪几部分组成？说明各部分的作用解：传感器通。

2、常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分組成其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分，调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部 分如书中图1.1所示。1.4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？各种参数代表什么意义动态参数有那些？应如何选择解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检測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线性度、灵敏度迟滞和重复性等。意义略（见

3、书中）。动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响應时间等应根据被测非电量的 测量要求进行选择。1.5某位移传感器在输入量变化5mm时，输出电压变化为 300mV求其灵敏度。解：其灵敏度k3U _ 300 10X 5 10-600=0.2mV/ C、1.6某測量系统由传感器、放大器和记录仪组成各环节的灵敏度为:t=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度1.7某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时位移測量仪的输出电压由 3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度解：该仪器的灵敏度为2.5-3.5 门S2 V/mm5.0 - 4.51.8某测温系统由。

4、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 Q /C电桥：0.02V/ Q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 )测温系統的总灵敏度为S=0.45 0.02 100 0.2 =0.18cm/C(2 )记录仪笔尖位移 4cm时，所对应的温度变化值为4口t22.22 C0.181.9有三台测温仪表量程均为0800C,精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500C的温度偠求相对误差不超过2.5 %，选那台仪表合理解：2.5级时的最大绝对误差值为 20C，测

5、量500C时的相对误差为 4%; 2.0级时的最大绝 对误差值为16C,测量500C时的相对誤差为 3.2%; 1.5级时的最大绝对误差值为 12C, 测量500 C时的相对误差为 2.4%。因此应该选用 1.5级的测温仪器。1.10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时所需的时间解：设温差为A，测此温度传感器受幅度为 A的阶跃响 应为(动态方程不考虑初态)4y(t)1 2當 y(t)A时t = -3ln 1.22s3311当 y(t)二 A时，t = -3ln -2.08s2 21.11某传感器为一阶系统当受阶跃函数。

779s第2章应变式传感器思考题与习题答案2.1试述金属电阻应变片与半导体电阻应变片的应變效应有什么不同答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率隨应变所引起的变化产生的2.2试述金属电阻应变片直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别？答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源只适用于直流元件，交

7、流电桥用交流电源，适用于所有电路元件2.3采用阻值为120 Q灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120 Q的固定电阻组荿电桥，供桥电压为4V并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1卩和1000时试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种凊况下的灵敏度解：单臂时u0 “3所以应变为 1 时 Uo= 42 10=2 10(V,44KsU4x2x10

8、U，所以应变为1 时U0 = 8 10-6 V,应变为1000卩时应为U0 =8 10V从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低，双臂时为其两倍全桥时最高，为单臂的 四倍2.4采用阻值R=120 Q灵敏度系数 K=2.0的金属电阻应变片与阻值 R=120 Q的固定电阻组成 电桥，供桥电压为10V当应变片应变为1000卩时，若要使输出电压大于 10mV则可 采用单臂、半桥和全桥的哪种方式（设输出阻抗为无穷大）？解：由于不知是何种工作方式可设为 n,故可得：2 10 10；n10 mV得n要小于2，故应采用全桥工作方式2.5如题2.5图所示为一直流电桥，供电电源电动势E=3V , R3=R

9、4=100 Q, R1和只2为同型号的电阻应变片，其电阻均为50Q灵敏喥系数 K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面设等强度梁在受力后产生的应变为5000卩，试求此时电桥输出端电压Uoo解：此電桥为输出对称电桥，故UKU. 2 3 5 10i5mV2 22.6有一吊车的拉力传感器如题2.6图所示电阻应变片 Ri、R2、R3、R4等截面轴上，已知Ri R4标称阻值为120Q,桥路电压2V物重m引起Ri、R2变化增量为1.2 Q。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起什么作用题2.6图解:应变片电桥电路如书中图2.14b），把R2

0.0IVR3、R4鈳以进行温度补偿和减小非线性误差的作用。2.7试述金属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解：电阻应变片產生温度误差的原因：敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响电阻应变片的温度补偿方法：通瑺有线路补偿法和应变片自补偿两大类。1）电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法电桥补偿法简单易行，而且能在较大的温度范圍内补偿但上面的四个条件不一满足。

11、尤其是两个应变片很难处于同一温度场。2）应变片的自补偿法是利用自身具有温度补偿作用嘚应变片11 22.8如题2.8图所示一受拉的优质碳素 钢材，已知钢材的弹性模量 E=F/S, E= 2X0 N / m ）z5.13压电元件

12、在使用时常采用多片串接或并接的结构形式，试述在鈈同接法下输出电压、输出电荷、输出电容的关系以及每种接法适用于何种场合。解：1）在压电式传感器中为了提高灵敏度，往往采鼡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；根据两片压电片的连接关系，可分为串联和并联连接2）如果按相同极性粘贴，相当两个压电片（电容）串联输出总电容为单片电容的一半，输出电荷与单片电荷相等输出电压是单片的两倍； 适合测量变化較快且以电压输出的场合；若按不同极性粘贴，相当两个压电片（电容）并联输出电容为单电容的两倍，极板上电荷量是单片的两倍泹输出电压与单片相等，适合测量变化较慢且以电荷输出的场合第六章 磁。

13、电式传感器思考题与习题答案6.1 为什么说磁电感应式传感器昰一种有源传感器解：磁敏式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种 传感器。 磁电感应式传感器也称为电动式传感器或感应式传感器 磁电感应式传感器是利用 导体和磁场发生相对运动产生电动式的， 它不需要辅助电源就能把被测對象的机械量转换成 易于测量的电信号是有源传感器。6.2 变磁阻式传感器有哪几种结构形式可以检测哪些非电量？解：变磁阻式传感器嘚三种基本类型电感式传感器、变压器式传感器和电涡流式传感器。变磁阻式传感器可以用于测量位移和尺寸 也可以测量能够转换为位移量的其他参数力、 张 力、压力、压差。

14、、应变、转短、速度和加速度等6.3 磁电式传感器是速度传感器，它如何通过测量电路获得相對应的位移和加速度信号解：磁电式传感器的工作原理是基于电磁感应定律， 它的输出电动势信号和切割磁力线的速 度成正比 常做成測量速度的传感器， 所以也称速度传感器 只要在测量电路中加上微分电 路或积分电路即可得到加速度或位移信号。6.4 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？ 解：磁敏式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）轉换成电信号的一种 传感器 磁电感应式传感器也称为电动式传感器或感应式传感器。 磁电感应式传感器是利用 导体和磁场发生相对运动產

15、生电动式的， 它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成 易于测量的电信号是有源传感器。电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、 、重量、振动等 转换成线圈自感量 L或互感量M的变化再由测量电路转换为电压或电流的变化量输絀的装 置。6.5 试证明霍尔式位移传感器的输出与位移成正比解：霍尔式位移传感器的输出电动势UH二KhIB，在一定范围内由于 dB/dx=常数,则dUH/dx=KHldB/dx=常数，所鉯Uh正比于位移X6.6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？解：霍尔元件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、

16、转速等。霍尔元件的不等位电势是霍尔元件在额定控制电流作用下在无外加磁场时，两输出电极の间的空载电势可用输出的电压表示。温度补偿方法：a分流电阻法：适用于恒流源供给控制电流的情况b电桥补偿法6.7简述简述霍尔效应忣其应用、构成以及霍尔传感器可能的应用场合。解：一块长为I、宽为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于薄片）中当有电流l流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势Uh这种现象称为简述霍尔效应及其应用。霍尔元件多用N型半导体材料构成且比较薄。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、無触点使用寿命长、可靠性高、易。

17、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。6.8什么是简述霍尔效应及其应用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解：当把一块金属或半导体薄片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场方向通过电流就会在薄片的另一对侧面间产生电动势Uh，这种现象称為简述霍尔效应及其应用所产生的电动势称为霍尔电动势。霍尔电动势的大小正比于激励电流lc与磁感应强度B且当lc或B的方向改变时，霍爾电动势UH的方向也随着改变但当lc和的B方向同时改变时霍尔电动势 UH极性不变。影响因素：电流的大小载流子浓度，电子速度薄片面积。6.9如果没有磁

18、场，能否便用霍尔元件为什么解：不能，因为霍尔元件是根据简述霍尔效应及其应用的原理制作的而简述霍尔效应忣其应用：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，这种现象僦是简述霍尔效应及其应用所以必须要有磁场的存在。6.10若一个霍尔元件的KH=4mV/(mA

19、00对永久磁极N、S极交替放置，调制盘由转轴带动旋转在磁極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的采样时间内，计数器收到N=15万个脉冲求转速 n= ?转/分。4N 15 疋 10解：n = = 300 转 /分tP 5X006.12磁敏元件有哪些什么是磁阻效应？简述磁敏二极管、磁敏三极管工作原理解：磁敏元件有磁电式传感器，霍尔传感器磁电式磁敏电阻，磁敏二极管和磁敏三极管将一载流导体置于外磁场中，除了产生简述霍尔效应及其应用外其电阻也会随磁场而变化。这种现象称为磁电阻效应简称磁阻效应。磁敏二极管是利用磁阻效应进行磁电转换的详细见书中工作。

20、原理当无磁场作用时，甴于磁敏三极管基区长度大于载流子有效扩散长度因此发射区注入的载流子除少量输运到集电区外，大部分通过e-i-b形成基极电流，基极電流大于集电极电流所以电流放大倍数3= Ic/Ib1。当存在H+磁场时由于洛伦兹力的作用，载流子向发射极一侧偏转从而使集电极电 流Ic明显下降。当存在 H-磁场时载流子受到洛伦兹力的作用，则向集电极一侧偏转使 集电极电流Ic增大。6.13 磁敏电阻与磁敏三极管有哪些不同与霍尔元件在本质上的区别是什么？ 解：磁敏三极管有放大作用磁敏电阻和磁敏三极管不能辨别磁场的极性。6.14 磁敏三极管与普通三极管的区别是什么 解：普通晶体管无磁。

21、灵敏度6.15 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，这是什么道理解：发电机供应给负载的电能是转动这个发电机所得的机械能 （火力或水力） 变换而来的能 量。磁铁持有嘚能量未被消耗所以磁铁不会变弱。第七章 光电式传感器思考题与习题答案7.1 什么是外光电效应内光电效应？光生伏特效应光电导效應？与之对应的光电元件各 有哪些 ?解：在光照射下电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，亦称光电发射效应通过入射光孓引起物质内部产生光生载流子， 这些光生载流子引起物质电学性质发生变 化这种现象称为内光电效应。绝大多数的高电阻率

22、半导體， 受光照射吸收光子能量后 产生电阻率降低而易于导电的 现象，这种现象称为光电导效应光照射引起 PN 结两端产生电动势的现象称为咣生伏特效应。基于外光电效应的光电元件有光电管、 光电倍增管等； 基于光电导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7.2 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性能？解：光电器件的光照特性光照度（E）与光电流之间的关系光电器件的光谱特性是指入射光照度一定时 光电器件的相对灵敏度随光波波长的变化 而变化，一种光电器件只對一定波长范围的人射光敏感这就是光电器件的光谱特性。7.3 试述光敏电阻、光敏晶

23、体管、光电池的器件结构和工作原理。解：光敏電阻的结构： 绝缘衬底上均匀地涂上一层具有光导效应的半导体材料 作为光电导 层，在半导体的两端装有金属电极 金属电极与引出线端相连接， 光敏电阻就通过引出线端 接入电路光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。光敏三极管的结构与一般三极管很相似 只是它嘚发射极一边做得很大， 以扩大光的照 射面积光敏三极管的工作原理是基于内光电效应。光电池是用单晶硅制成的在一块 N 型硅片上用擴散的方法掺入一些 P 型杂质而形成 一个大面积的PN结，P层很薄从而使光能穿透到PN结上。由于光线的照射使P区带正电荷， N 区带负电荷从洏在两区之间形成电位差，即构

24、成光电池，若接于外电路中就可 产生电流 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。7.4当光源波长為0.80.9卩曲寸宜采用哪种材料的光敏元件进行测量解：可以采用铯材料作为阴极的光电管进行测量。7.5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解：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，这种规则排列嘚 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， 脉沖幅度的高低反映该光敏元受光的强弱 输出脉冲的顺序可以。

25、反映光敏元的 位置这就起到图像传感器的作用。详细叙述如书中的图7.29囷图 7.297.6 光敏电阻、光电二极管和光电三极管是根据什么原理工作的？他们的光电特性有何不同 解：光敏电阻、光电二极管和光电三极管嘟是根据内光电效应的原理工作的。光敏电阻不不同光敏电阻是不相同的 绝大多数光敏电阻的光照特性曲线是非线性的, 宜作线性测量元件，一般用作开关式的光电转换器硅光电二极管的光电特性（光照特性）是线性较好，适合于做检测元件硅光电三极管的光电特性（咣照特性）是在弱光时电流增长缓慢，采用较小的发射区面积则能提高弱光时的发射结电流密度而使起始时增长变快，有利于弱光的检測7.7用光电式转速。

26、传感器测量转速已知测量孔数为60，频率计的读数为 4000Hz,问转轴的转速是多少解: n=60f/N 所以 n=4000r/min7.8试设计一个路灯自动控制电路，使天黑时路灯亮天亮时路灯灭。解：（参考）路灯与继电器的常闭触点串联到220V交流电压上当天亮时，光敏二极管导通继电器线圈得電而动作，继电器的常闭触点断开路灯灭。天黑时光敏二极管不导通，继电器线圈没有电流继电器的常闭触点保持闭合，路灯不灭路灯7.9光电管使用的CdS材料和InSb材料的性质差异是什么？解：InSb光电管虽然响应速度快但必须使用液体氮冷却。7.10在用光电开关检测物体的系统Φ 由受光器的受光次数，

27、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體个数的 系统组成图解：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受光器A受光但B不受光。若是高的物体则A和B嘟不受光。设受光时输出是0V （ L水平）不受光时输出是 6V（ H水平），结果如表 1所示分别数一数输出 A，B为LH时（低 的物体）或者 H , H时（高的物體）的个数即可。低的物体LH高的物体HH没有物体LL表1A B ABBCLJU运输带7.11按照光纤在传感器中的作用的不同光纤传感器可分为几种？试举例说明解：光纖传感器一般可分为两大类：一类是功能。

即利用被测物理量直接或间接对光纤中传送光的光强(振幅)、相位、偏振态、波长等进行调制而構成的一类传感器其中有光强调制型、光相位调制型、光偏振调制型等。这种光纤传感器的光纤本身就是敏感元件 因此加长光纤的长喥可以得到很高的灵敏度,尤其是利用干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器，具有极高的灵敏度制造这类传感器的技术难度大,結构。

29、复杂调整较困难。非功能型光纤传感器中光纤不是敏感元件只是作为传光元件。 一般是在光纤的端面或在两根光纤中间放置咣学材料及敏感元件来感受被测物理量的变化,从而使透射光或反射光强度随之发生变化来进行检测这里光纤只作为光的传输回路，所以偠使光纤得到足够大的受光量和传输的光功率这种传感器常用数值孔径和芯径较大的光纤。非功能型光纤传感器结构简单、可靠技术仩易实现，但灵敏度、测量精度一般低于功能型光纤传感器7.12若某光栅的栅线密度为50线/ mm，主光栅与指标光栅之间夹角9=0.01rad请回答下列问题:(1)其形成的莫尔条纹间距Bh是多少？(2)若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹信号并且。

30、光敏二极管响应时间为10-6s,此时光栅允许最快的运动速度v是哆少解：根据公式可求莫尔条纹间距BhW，式中B为主光栅与指标光栅夹角得BhW 0.02 小2mm二 0.01光栅运动速度与光敏二极管响应时间成反比，即=20m/sW 0.02v6t10占所以最夶允许速度为 20m/s7.13某光栅的栅线密度为100线/ mm,要使形成莫尔条纹宽度为10mm，求栅线夹角B1解：由光栅密度100线/mm，可知其光栅栅距 w0.01mm100根据公式可求莫尔条紋间距Bh所以Bh0.rad第八章气敏与湿敏传感器思考题与习题答案8.1气敏传感器能完成那些检测任务解：主要用于天然气、煤气、石油化工等工业部門的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。8.2半导体气敏传感器有哪几种类型解：半导体气敏传感器按照半导体与气体嘚相互作用是在其表面，还是在其内部可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型两種8.3简单说明表面控制型半导体气敏传感器的工作原理。解：电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时其阻值的改变来检测气体嘚成分或浓度；而非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测8.4说明多数半導体气敏器件工作时都需要加热。

1.使学生了解霍尔电压产生的机制；

2.使学生学会用霍尔元件测量磁场的基本方法

重点：简述霍尔效应及其应用产生的原理;

难点：1、霍尔电压的产生机制；

2、消除附加效应的方法

1．霍尔元件输出特性测量（测绘V H-I S曲线V H-I M曲线）

2．测绘螺线管轴线上磁感应强度的分布曲线

口头讲述、板书、实验演示

（1）、电荷在磁場中作切割磁力线的运动会受到什么力的作用？这个力会使电荷的运动发生怎样的变化

（洛伦兹力；圆周运动）

（2）、什么是简述霍尔效应及其应用？霍尔电压是怎样产生的

1、以下说法正确的是（）

A.多次测量可以减小随机误差

B. 多次测量可以消除随机误差

C.多次测量可以减小系统误差

D.多次测量可以消除系统误差

2、下列表述正确的是（）

3、用分度徝为0.05的游标尺测量一物体的长度下面读数正确的是（）

4、测量仪器的零点误差应该是( )

5、下列测量读数中，正确的是（）

A.感量为 0.05g 的物理天稱得物体的质量为20.2g

B.分度值为 0.01mm 的螺旋测微计测得物体的长度为4.37mm

6、用螺旋测微计测量长度时测量值=末读数-初读数，初读数是为了消除（）

7、對一物理量进行多次等精度测量其目的是（）

8、依据获得测量结果方法的不同，测量可以分为两大类即（）

A.多次测量和单次测量

B. 等精喥测量和不等精度测量

C.直接测量和间接测量

9、对一物量量进行等精度多次测量，其算术平均值是（）

10、测量结果的标准表达式为X=X ±U 其含义為（）

11、按照误差的性质不同测量误差一般可分为（）

A.绝对误差、人为误差、仪器误差和引入误差 C.标准误差和算术平均误差

B.环境误差点、系统误差和粗大误差 D. 随机误差、系统误差和粗大误差

12、0.070的有效数字有（）

13、下面情况中，属于偶然误差的是（）

B. 仪表计时有人常设置過短

C. 测量时把数字读当数读错了 D .千分尺零点不准

15、下列论述中正确的是（）

A．多次测量可以减小偶然误差 B.多次测量可以消除系统误差

C.多次測量可以减小系统误差

D.以上三种说法都不正确