传感器技术答案 2.docx
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传感器技术答案2
《传感器技术及其应用》第2版答案
第1章
1.答：
能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
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适于传输或测量的电信号的部分。
2.答：
传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种：
一种是按被测输入量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。
前者的优点是便于使用者根据用途选用，后者的优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。
3.答：
传感器测量静态量时表现的输入、输出量的对应关系为静态特性，常用的静态特性技术指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、漂移等。
4.答：
传感器的灵敏度
5.答：
产生误差的原因有：
测量方法的近似、仪表本身的精度限制、测量人员的习惯、外界环境因素影响等多种原因，有的是有规律可循，有的是随机产生的，因此测量误差也可分为系统误差、随机误差和粗大误差。
6.答：
绝对误差
相对误差
7.相对误差
答：
因为
所以测量范围为0~800℃的仪表精度高
8.相对误差
答：
可见2.0级与1.5级都能满足测量误差要求，考虑性价比建议选择2.0级，若只需考虑测量精度则选择1.5级。
（注：
根据国家标准规定，我国电工仪表精度等级与自动化仪表精度等级有不同划分，因此此处假设有一个2.0级仪表可供选择）
第2章
1.答：
将两种不同成分的导体或半导体A和B组合成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中时（设T＞T0），回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关，这种现象叫做热电效应。
热电偶就是基于的热电效应工作的，其两个热电极就是由两种不同材料的金属制成，热电极的两个接点分别被称为热端和冷端，热端用来感温，冷端通常恒温，以便产生与被测温度相关的热电动势。
2.答：
标准电极定律和中间导体定律均提到了三种金属材料的导体，前者阐述的是两两配对构成回路后产生电势的关系，后者则阐述了三种导体构成一个回路后电势的变化情况；标准电极定律为热电偶的选配提供了理论依据。
3.答：
热电偶的冷端处理主要有：
（1）补偿导线法（采用配套的廉价金属替代热电极，将热电偶冷端延远至温度较为恒定的环境中，其基本原理是利用了中间温度定律）；
（2）计算修正法（利用中间温度定律，根据冷端温度，计算修正电势以得到实际温度）；
（3）仪表机械调零法（将仪表机械零值调整到冷端温度处）；
（4）冷端恒温法（采用物理方法保持冷端恒温，如：
实验室采用的冰浴法）；
（5）冷端补偿器法（在热电偶冷端接入冷端补偿器，利用电桥的不平衡电势抵消因冷端温度变化引起的热电动势变化）。
4.答：
查表EAB（20℃，0℃）=0.113mv
℃）=
℃）+
（20℃，0℃）=11.710+0.113=11.823（mV）
再查分度表得
约为1190℃。
精确值可通过插值计算获得：
5.根据中间温度定律：
EAB（t，t0）=EAB（t，tn）+EAB（tn，t0）
查表可得：
EAB（800℃，30℃）=EAB（800℃，0℃）-EAB（30℃，0℃）
=33.277-1.203=32.074mv
答：
实际总电动势为32.074mv
6.答：
不对，未调零时仪表指示为320℃，则说明其实际电动势EAB（t，30℃）=16.030mv
则EAB（t，0℃）=EAB（t，30℃）+EAB（30℃，0℃）=16.030+1.196=17.226mv
通过插值计算可得：
t=340.15℃
7.答：
查表得Rt1=60.25Ω,Rt2=329.51Ω
8.答：
由于工业用热电阻安装在生产现场，离控制室较远，因此热电阻的引线对测量结果有较大影响。
为此，工业上常采用三线制接法，使导线电阻分别加在电桥相邻的两个桥臂上，可一定程度上克服导线电阻的变化对测量结果的影响。
在环境温度为0℃~+50℃内使用时，这种接法可将温度附加误差控制在0.5％以内，基本可满足工程要求。
若导线连接到控制室后才分三线接入仪表将不能起到减小引线误差的作用。
9.答：
热敏电阻可分为正温度系数（PTC）热敏电阻、负温度系数（NTC）热敏电阻和临界温度热敏电阻（CTR）。
NTC热敏电阻主要用于温度测量和补偿。
PTC突变型热敏电阻主要用作温度开关，PTC缓变型热敏电阻主要用于在较宽的温度范围内进行温度补偿或温度测量。
CTR热敏电阻主要用作温度开关。
10.答：
11.答：
热电偶、热电阻、热敏电阻都是接触测温，热电偶线性好、响应快、测温范围最广、可以测点温，但需要考虑冷端恒温，往往需要采用补偿导线，且需要配套仪表；热电阻线性也较好、测量范围Pt电阻比Cu电阻广，热电阻往往采用三线制电桥，测温线路需要恒流源或稳压源供电；热敏电阻响应快、体积小，但通常线性较差，测温范围小。
12.答：
集成温度传感器有温敏元件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在一个芯片上组成。
一般响应快、线性好、测量电路简单、使用较方便，但测温范围通常只有-50~150℃，使用时需要接触测量。
13.答：
集成温度传感器根据输出信号不同可分为模拟输出型和数字输出型，其中模拟输出型又分为电流输出型和电压输出型，电流输出型的优点是输出阻抗高，可配合双绞线进行数百米的远距离测量，便于实施多点测量。
电压输出型的优点是直接输出电压，且输出阻抗低，易于读取或与控制电路接口。
数字输出型集成温度传感器除与电流输出型类似的优点外，还具有抗干扰能力强、可直接与计算机测控系统接口的独特优点。
14.U=EAB（400℃，60℃）-EAB（300℃，60℃）=EAB（100℃，0℃）
答：
仪表示值应为100℃.
15.I=I0+Kt298.2=I0+KtI0=298.2-1х25=273.2μA
I1=I0+Kt=273.2+1х（-30）=243.2μAU1=243.2х10-6х1.5х103=0.3648V
I2=I0+Kt=273.2+1х120=393.2μAU2=393.2х10-6х1.5х103=0.5898V
答：
电压表的读数分别为0.3648V和0.5898V。
16.答：
PN结温度传感器是一种利用PN结中电流/电压的温度特性制造的集成温度传感器。
其具有体积小、反应快、线性好、价格低廉等优点。
第3章
1.答：
所谓弹性敏感元件，是一种在力的作用下产生变形，当力消失后能够恢复原来状态的元件。
弹性敏感元件是—种非常重要的传感器部件，其作用是将力或压力转换为应变或位移。
弹性敏感元件在形式上可分为两大类：
变换力的弹性敏感元件和变换压力的弹性敏感元件。
变换力的弹性敏感元件常用的有悬臂梁、实心轴、空心轴、等截面圆环、变形的圆环、扭转轴；变换压力的弹性敏感元件常用的有弹簧管、波纹管、等截面薄板、膜盒、薄壁圆筒、）薄壁半球等。
2.答：
金属丝式应变片和半导体式应变片都由敏感栅、基底、覆盖层和引线组成，不同的是敏感栅的材料分别是用金属或半导体材料制成，且半导体式应变片的灵敏度远高于金属丝式，半导体式应变片受温度影响更大。
3.单臂：
=5mv
双臂：
=10mv
四臂：
=20mv
答：
采用四臂全桥可使输出电压大于10mv。
4.
答：
此时电桥的输出电压为15mv。
5.答：
石英晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失。
力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现象称作压电效应。
压电效应是可逆的，即当晶体带电或处于电场中时，晶体的体积将产生伸长或缩短的变化，这种现象称作电致伸缩效应或逆压电效应。
超声波传感器就是利用这种效应制作的。
6.答：
压电传感器的测量电路通常采用电荷放大器，其主要是起到放大信号和阻抗变换的作用，同时还可将电荷量的变化转换为电压输出变化。
7.
答：
笔试记录仪记录的偏移量为
。
8.K=9.13×103/（1×100×1）=91.3mv/g
标定系统的框图如下：
9．V=4m/（50ms*2）=40m/s=144.00Km/h
L=v*t=40m/s*（50ms*6）=12m
答：
车速为144.00Km/h，轮胎距离为12m。
第4章
1.答：
用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hγ的光子所轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。
通常把光电效应分为三类：
外光电效应，内光电效应和光生伏特效应。
根据外光电效应制成的器件有：
光电管、光电倍增管，根据内光电效应制成的器件有：
光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管，根据光生伏特效应制成的器件有：
光电池等。
其中光敏三极管、光电倍增管灵敏度较高，光敏二极管响应较快、光敏电阻响应较慢、线性较差。
其详细特性比较见表4-4。
2.答：
光电式传感器根据其检测原理可分为：
（1）光源本身是被测物。
如：
高温比色温度计和照度计。
（2）透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部分被吸收后，透射光投射到光电元件上，因此又称之为吸收式；如：
液体浊度计
（3）漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；如：
反射式光电转速表
（4）遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。
如：
带材跑偏检测
3.答：
（1）当照在光敏二极管的光变强，CD40105输入端1点电位升高到超过3V，2点输出由高电平变为低电平，VT1截止，继电器线圈K失去电流，继电器释放；反之，当光照变弱，CD40105输入端1点电位降低到小于2V，2点输出由低电平变为高电平，VT1导通，继电器线圈K得电，继电器吸合。
（2）光敏二极管VD1用于感光；RP用于调节光电开关电路的光照开关灵敏度，将RP的值调大可使本开关电路在更弱的光照时发生动作；CD40106可将连续变化的电压变为高低电平的变化，且可以有效防止继电器在临界光照变化时的误动作；VD2在VT1截止时，为继电器线圈的电流提供了释放回路，起到保护器件的作用。
（3）当光照从小到大变化，继电器K由吸合变为释放；反之，当光照有大变小时，继电器线圈由释放变为吸合。
4.答：
5.
6.
7.答：
光电保护装置是由垂直安装在冲床工作区前面的光发射器和光接收器形成的，光发射器和光接收器通过安检控制器来启动对冲床用光电保护装置进行自检并输出检测结果信息，当导物或者操作者的身体误入正在工作的冲床用光电保护装置进行自检并输出检测结果信息，当导物或者操作者的身体误入正在工作的冲床的工作区域时，光发射器和光接收器之间形成的光电保护装置能够检测到此误入操作并使冲床停止工作。
使用时，信号发射接收装置发射信号，信号通过冲压滑块与工作台之间的冲压区域，到达对面的信号反射装置经过反射，再返回原来的信号发射接收装置接收，如果在冲压滑块与工作台之间的冲压区域内有物体遮挡住信号，信号发射接收装置不能接受到反射的信号，信号发射接收装置会将警报信号传输给外置式控制箱，控制箱会快速及时控制冲床停止工作，能够有效的避免事故的发生。
第5章
1．选择题：
1）A2）C3）D4）A5）A6）C7）C8）D9）B10）B11）A12）C
2．
在某个系统的检测单元安装了电感式、电容式和光电式传感器各一个，目的是识别工件的颜色和材质。
现有银色（金属）、黑色（塑料）和红色（塑料）三种工件，试分析说明如何识别这三种工件并将检测结果填表。
（表格中填“+”表示有信号，“-”表示无信号）
电感式
电容式
光电式
银色（金属）
+
+
+
黑色（塑料）
-
+
-
红色（塑料）
-
+
+
答案：
电感式传感器只对金属材质敏感，所以可以识别银色工件；光电式传感器对光敏感，可以识别非黑色工件；电容式传感器可以识别有无工件。
检测结果如表。
第6章习题答案
5．1）0.01mm
2）0.01mm（无细分）
3）0.0314rad
4）0.318mm
6．1）50圈，又90度
2）6030r/min
3）100.5mm
4）0.201m/s
5）0.35度
7.
位移传感器采用光栅传感器，另加数显装置。
车床主轴需要安装编码器（分辨率满足1°的要求），计数器累计到设定的脉冲数时，发出控制信号。
左右限位采用行程开关，溜板运动到行程极限位置处即触发，发出控制信号。
第7章
1.答：
2.答：
3.
4.
5.
6.
7.答：
汽车自动雨刮就是感应雨刷，基本原理是通过感应器控制汽车雨刮器。
目前应用较广的两种主流传感器分别是光学式传感器和电容式传感器。
（1）.光学式传感器。
是根据光的折射原理工作的。
在光学式传感器中有一个发光二极管，它发出一束锥形光线，这束光穿过前挡风玻璃。
当挡风玻璃上没有雨水、处于干燥状态的时候，几乎所有的光都会反射到一个光学传感器上；
当下雨的时候，挡风玻璃上会存有雨水，一部分光线就会偏离，这就造成了传感器接收到光的总量的变化，从而检测到了雨水的存在。
光学式传感器能够接收反射光的面积越大，得到的信息就越详尽。
光学式传感器十分精确，甚至有可能准确地判断出落在被感应区域上的雨点数目。
（2）.电容式传感器。
电容式传感器主要是利用水和玻璃的介电常数的巨大差异设计的，其中水的介电常数为80，玻璃的介电常数为2。
通常的做法是，把两条呈平行状态的指状金属极板放入挡风玻璃的内、外层之间，一组指状金属极板相交错，但是并不触及其他的指状金属极板。
当挡风玻璃处于干燥状态的时候，挡风玻璃外表面和每组指状金属极板之间就形成了电介质。
当挡风玻璃变湿的时候，根据与挡风玻璃接触的水量的不同，挡风玻璃的介电常数发生不同的变化。
如果把传感器安装在挡风玻璃的表面上或者紧贴在挡风玻璃的下表面，这对传感器的工作是有利的，因为这样的安装能使传感器发挥其最佳灵敏度。
不利的是，把电容式传感器安装在挡风玻璃的外表面上会产生与阻力传感器同样的问题，其金属镀层在雨刷的长期工作下会很快被从挡风玻璃上刮掉。
8.答：
超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。
因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。
超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，就像一个渡船的船夫在横渡一条河。
当气体或液体不流动时，声脉冲以相同的速度（声速，C）在两个方向上传播。
如果管道中的气体或液体有一定流速V（该流速不等于零），则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。
这样，顺流传输时间tD会短些，而逆流传输时间tU会长些。
这里所说的长些或短些都是与气体或液体不流动时的传输时间相比而言；根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。
起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种。
根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法（包括：
直接时差法、时差法、相位差法、频差法）波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。
9.答：
超声波探伤是无损探伤技术中的一种主要检测手段。
它主要用于检测板材、管材、锻件和焊缝等材料中的缺陷（如裂缝、气孔、夹渣等）、测定材料的厚度、检测材料的晶粒、配合断裂力学对材料使用寿命进行评价等。
超声波探伤因具有检测灵敏度高、速度快、成本低等优点，因而得到人们普遍的重视，并在生产实践中得到广泛的应用。
除超声波探伤外还有X光射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤、γ射线探伤等方法。
第8章
1.答：
目前常用的生物传感器有：
酶传感器、葡萄糖传感器、微生物传感器、免疫传感器、半导体生物传感器等。
2.答：
3.答：
4.答：
“机器狗”能听到声音并分辨语音与击掌，应该是在耳朵或其他部位装有声敏传感器（如一个小话筒）
对头部的抚摸有反应，应该在头部装有应变片或近距离接近开关，
能看到小球并抱住，可能是在腹部装有一个小的摄像头，以便进行简单的图像分析，
另外能向目标前进，应当在前方左右两侧，装有超声波传感器等以帮助蔽障。
利用图像传感器还可以结合语音播报开发导盲功能以帮助残疾人了解周围环境。
第9章略
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