1、三、簡答題 （每題 10 分）301、試述傳感器的定義、共性及組成。301 答：傳感器的定義：能感受被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置；傳感器的共性：利用物理定律和物質的物理、化學或生物特性，將非電量 (如位移、速度、加速度、力等 )轉換為電量 (電壓、電流、電容、電阻等 )；傳感器的組成：傳感器主要由敏感元件和轉換元件組成。302、什么是傳感器動態特性和靜態特性?簡述在什么條件下只研究靜態特性就能夠滿足通常的需要。302 答：傳感器的動態特性是指傳感器對動態激勵(輸入 )的響應 (輸出 )特性，即其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。傳感器的靜態特性是指它在穩態(靜態或準靜態

2、 )信號作用下的輸入輸出關系。靜態特性所描述的傳感器的輸入、輸出關系式中不含有時間變量。當輸入量為常量或變化極慢時只研究靜態特性就能夠滿足通常的需要。303、簡述在什么條件下需要研究傳感器的動態特性?實現不失真測量的條件是什么 ?303 答：當輸入量隨時間變化時一般要研究傳感器的動態特性。實現不失真測量的條件是幅頻特性 : A() = |H(j ) | =A(常數 )相頻特性 :( ) =- to (線性 )304、什么叫應變效應？利用應變效應解釋金屬電阻應變片的工作原理。304 答：材料的電阻變化是由尺寸變化引起的，稱為應變效應。應變式傳感器的基本工作原理： 當被測物理量作用在彈性元件上，

3、彈性元件在力、力矩或壓力等作用下發生形變， 變換成相應的應變或位移， 然后傳遞給與之相連的應變片，將引起應變敏感元件的電阻值發生變化， 通過轉換電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映了被測物理量的大小。305、試簡要說明使電阻應變式傳感器產生溫度誤差的原因，并說明有哪幾種補償方法。305 答：溫度誤差產生原因包括兩方面：1溫度變化引起應變片敏感柵電阻變化而產生附加應變，試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數不同，使應變片產生附加應變。溫度補償方法基本上分為橋路補償和應變片自補償兩大類。311、根據電容式傳感器工作原理， 可將其分為幾種類型 ?每種類型各有什么特點 ?各適用于什么場合 ?311、答：根據

4、電容式傳感器的工作原理，可將其分為3 種：變極板間距的變極距型、變極板覆蓋面積的變面積型和變介質介電常數的變介質型。變極板間距型電容式傳感器的特點是電容量與極板間距成反比，適合測量位移量。變極板覆蓋面積型電容傳感器的特點是電容量與面積改變量成正比，適合測量線位移和角位移。變介質型電容傳感器的特點是利用不同介質的介電常數各不相同，通過改變介質的介電常數實現對被測量的檢測，并通過電容式傳感器的電容量的變化反映出來。適合于介質的介電常數發生改變的場合。313、試說明什么電容電場的邊緣效應？如何消除？313 答：理想條件下，平行板電容器的電場均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡化電容量計算的一種假定

5、。當考慮電場的邊緣效應時，情況要復雜得多，邊緣效應的影響相當于傳感器并聯一個附加電容， 引起了傳感器的靈敏度下降和非線性增加。為了克服邊緣效應，首先應增大初始電容量 Co。即增大極板面積，減小極板間距。此外，加裝等位環是消除邊緣效應的有效方法。315、電渦流式傳感器有何特點？315答：特點：渦流式傳感器測量范圍大，靈敏度高，結構簡單，抗干擾能力強以及可以非接觸測量等特點；316、何謂電渦流效應 ?怎樣利用電渦流效應進行位移測量?316、答： :電渦流效應指的是這樣一種現象：根據法拉第電磁感應定律，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，通過導體的磁通將發生變化，產生感應電動勢

6、，該電動勢在導體內產生電流，并形成閉合曲線，狀似水中的渦流，通常稱為電渦流。利用電渦流效應測量位移時，可使被測物的電阻率、 磁導率、線圈與被測物的尺2寸因子、線圈中激磁電流的頻率保持不變，而只改變線圈與導體間的距離，這樣測出的傳感器線圈的阻抗變化，可以反應被測物位移的變化。317、試比較自感式傳感器與差動變壓器式傳感器的異同。317、答：(1)不同點：1 )自感式傳感器把被測非電量的變化轉換成自感系數的變化；2)差動變壓器式傳感器把被測非電量的變化轉換成互感系數的變化。(2)相同點：兩者都屬于電感式傳感器，都可以分為氣隙型、氣隙截面型和螺管型。318、簡述電感式傳感器的基本工作原理和主要類型。

7、318、答：電感式傳感器是建立在電磁感應基礎上的，它將輸入的物理量 (如位移、振動、壓力、流量、比重等 )轉換為線圈的自感系數L 或互感系數 M 的變化，再通過測量電路將L 或 M 的變化轉換為電壓或電流的變化，從而將非電量轉換成電信號輸出，實現對非電量的測量。根據工作原理的不同，電感式傳感器可分為變磁阻式(自感式 )、變壓器式和渦流式(互感式 )等種類。323、什么是正壓電效應?什么是逆壓電效應 ?什么是縱向壓電效應?什么是橫向壓電效應 ?323 答：正壓電效應就是對某些電介質沿一定方向施以外力使其變形時，其內部將產生極化現象而使其出現電荷集聚的現象。當在片狀壓電材料的兩個電極面上加上交流電

8、壓， 那么壓電片將產生機械振動，即壓電片在電極方向上產生伸縮變形， 壓電材料的這種現象稱為電致伸縮效應，也稱為逆壓電 效應。沿石英晶體的 x 軸 (電軸 )方向受力產生的壓電效應稱為 "縱向壓電效應 "。沿石英晶體的 y 軸(機械軸 )方向受力產生的壓電效應稱為 " 橫向壓電效應 "。324、壓電元件在使用時常采用n 片串聯或并聯的結構形式。試述在不同聯接下輸出電壓、電荷、電容的關系，它們分別適用于何種應用場合?324 答：并聯接法在外力作用下正負電極上的電荷量增加了n 倍，電容量也增加了 n 倍， 輸出電壓與單片時相同。適宜測量慢變信號且以電荷作為輸出

9、量的場合。3串聯接法上、下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片時的1/n，輸出電壓增大了 n 倍。適宜以電壓作輸出信號且測量電路輸入阻抗很高的場合。325、簡述壓電式傳感器分別與電壓放大器和電荷放大器相連時各自的特點。325 答:傳感器與電壓放大器連接的電路， 其輸出電壓與壓電元件的輸出電壓成正比，但容易受電纜電容的影響。傳感器與電荷放大器連接的電路，其輸出電壓與壓電元件的輸出的電荷成正比，電纜電容的影響小。328、試從材料特性、靈敏度、穩定性等角度比較石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應。328 答：石英晶體是單晶結構，且不同晶向具有各異的物理特性。石英晶體受外力作用而變形時，產生壓電效應。壓電

10、陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，原始的壓電陶瓷材料并不具有壓電性，必須在一定溫度下做極化處理，才能使其呈現出壓電性。壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體大得多 (即壓電效應更明顯 ) ，因此用它做成的壓電式 感器的靈敏度較高。但其穩定性、機械強度等不如石英晶體。329：如果地面下一均勻的自來水直管道某處O 發生漏水，則在管道上A、B 兩點放兩只壓電傳感器，應能檢測到漏水處的位置。試說明其工作原理。329 答：如果地面下一均勻的自來水直管道某處O 發生漏水，水漏引起的振動從O 點向管道兩端傳播，在管道上A 、B 兩點放兩只壓電傳感器，由從兩個傳感器接收到的由 O 點傳來的 t0 時刻發出的振動信號所用時

11、間差可計算出L A 或 LB。兩者時間差為t= tA tB=（L A L B） /v又 L=L A +LB ，所以Lt vLA2Lt vLB2330、試說明壓電傳感器電荷放大器中所說的“密勒效應 ”是什么意思？330 答： “密勒效應 ”是說，將壓電傳感器電荷放大器中反饋電容與反饋電阻CF、4RF 等效到 A 0 的輸入端時，電容CF 將增大（ 1 A 0）倍。電導 1/RF 也增大了（ 1A0）倍。331、簡述熱電偶的幾個重要定律，并分別說明其實用價值。331 答： 1、中間導體定律； 2、標準電極定律； 3、 連接導體定律與中間溫度定律332、熱電偶測溫時，為什么要進行冷端溫度補償？常用的

12、補償方法有哪些？332 答（1）因為熱電偶的熱電勢只有當冷端的溫度恒定時才是溫度的單值函數，而熱電偶的標定時是在冷端溫度特定的溫度下進行的， 為了使熱電勢能反映所測量的真實溫度，所以要進行冷端補償。（ 2） A：補償導線法 B：冷端溫度計算校正法 C：冰浴法 D：補償電橋法。335、熱電阻傳感器主要分為哪兩種類型?它們分別應用在什么場合?335 答: (l) 鉑電阻傳感器：特點是精度高、穩定性好、性能可靠。主要作為標準電阻溫度計使用，也常被用在工業測量中。 此外，還被廣泛地應用于溫度的基準、標準的傳遞，是目前測溫復現性最好的一種。(2)銅電阻傳感器：價錢較鉛金屬便宜。在測溫范圍比較小的情況下，

13、有很好的穩定性。溫度系數比較大，電阻值與溫度之間接近線性關系。材料容易提純，價格便宜。不足之處是測量精度較鉛電阻稍低、電阻率小。336、要用熱電偶來測量兩點的平均溫度，若分別用并聯和串聯的方式，請簡述其原理，指出這兩種方式各自的優缺點是什么?336 答：在并聯方式中，伏特表得到的電動勢為2 個熱電偶的熱電動勢的平均電動勢，即它已經自動得到了2 個熱電動勢的平均值， 查表即可得到兩點的平均溫度。該方法的優點：快速、高效、自動，誤差小，精度高。缺點：當其中有一個熱電偶損壞后，不易立即發現，且測得的熱電動勢實際上只是某一個熱電偶的。在串聯方式中， 伏特表得到的電動勢為環路中2 個熱電偶的總熱電動勢，

14、 還要經過算術運算求平均值，再查表得到兩點的平均溫度。該方法的優點:當其中有一個熱電偶損壞后，可以立即發現；可獲得較大的熱電動勢并提高靈敏度。缺點：過程較復雜，時效性低，在計算中，易引入誤差，精度不高。337、請簡單闡述一下熱電偶與熱電阻的異同。337 答：熱電偶與熱電阻均屬于溫度測量中的接觸式測溫，作用相同，都是測量物體的溫度、精度及性能都與傳感器材料特性有關。 但是他們的原理與特點卻不相同。熱電偶是將溫度變化轉換為熱電動勢的測溫元件， 熱電阻是將溫度變化轉5換為電阻值變化的測溫元件。 熱電偶的測溫原理基于熱電效應。 將兩種不同的導體或半導體連接成閉合回路，當兩個接點 處的溫度不同時，回路中

15、將產生熱電動勢，這種現象稱為熱電效應， 又稱為塞貝克效應。 閉合回路中產生的熱電動勢由兩種電動勢組成： 溫差電動勢和接觸電動勢。 溫差電動勢是指同一導體的兩端因溫度不同而產生的電動勢， 不同的導體具有不同的電子密度， 所以他們產生的電動勢也不相同， 而接觸電動勢是指兩種不同的導體相接觸時， 因為他們的電子密度不同而產生的一定的電子擴散，當它們達到一定的平衡后所形成的電動勢。接觸電動勢的大小取決于兩種不同導體的材料性質以及它們接觸點的溫度。另外，熱電偶的電信號需要一種特殊的導線來進行傳遞，這種導線稱為補償導線。熱電阻的測溫原理是基于導體或半導體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性。其優點有很多：可

16、以遠傳電信號，靈敏度高，穩定性強，互換性以及準確性都比較好。但是其需要電源激勵， 不能夠瞬時測量溫度的變化。 熱電阻不需要補償導線，而且比熱電偶便宜。338、采用熱電阻測量溫度時，常用的引線方式主要有哪幾種 ?試述這幾種引線方式各自的特點及適用場合。338 答：熱電阻常用的引線方式主要有：兩線制、三線制和四線制。兩線制的特點是結構簡單、 費用低，但是引線電阻及其變化會帶來附加誤差。主要適用于引線不長、測溫精度要求較低的場合。三線制的特點是可較好地減小引線電阻的影響， 主要適用于大多數工業測量場合。四線制的特點是精度高， 能完全消除引線電阻對測量的影響， 主要適用于實驗室等高精度測量場合。339

17、、什么是光電效應和光電器件?常用的光電器件有哪幾大類?339 答：所謂光電效應，是指物體吸收了具有一定能量的光子后所產生的電效應。根據光電效應原理工作的光電轉換器件稱為光電器件。常用的光電器件主要有外光電效應器件和內光電效應器件兩大類。340、試解釋外光電效應器件和內光電效應器件各自的工作基礎并舉例。340 答：外光電效應器件的工作基礎基于外光電效應。所謂外光電效應，是指在光線作用下，電子逸出物體表面的現象。 相應光電器件主要有光電管和光電倍增管。內光電效應器件的工作基礎是基于內光電效應。 所謂內光電效應， 是指在光線作用下，物體的導電性能發生變化或產生光生電動勢的現象， 它可分為光導效應和光

18、生伏特效應。內 光電效應器件主要有光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏晶體管。341、什么是光電式傳感器 ?光電式傳感器的基本工作原理是什么 ?341 答：光電式傳感器 (或稱光敏傳感器 ) 。利用光電器件把光信號轉換成電信號(電壓、電流、電阻等 )的裝置。光電式傳感器的基本工作原理是基于光電效應的， 即因光照引起物體的電學特性而改變的現象。342、霍爾電動勢與哪些因素有關?如何提高霍爾傳感器的靈敏度?342 答：霍爾電動勢與霍爾電場 EH 、載流導體或半導體的寬度 b、載流導體或半導體的厚度 d、電子平均運動速度 u、磁場感應強度 B、電流 I 有關。霍爾傳感器的靈敏度 K H = K HRH

19、1。為了提高霍爾傳感器的靈敏度，dned6霍爾元件常制成薄片形。 又因為霍爾元件的靈敏度與載流子濃度成反比， 所以可采用自由電子濃度較低的材料作霍爾元件。349、何謂光電池的開路電壓及短路電流 ?為什么作為檢測元件時要采用短路電流輸出形式 ?349答：光電池的開路電壓是指外電路開路時，光電池兩端的電壓；光電池的短路電流，指外接負載相對于光電池內阻而言是很小的。由于光電池的開路電壓與照度成非線性關系， 而光電池的短路電流與照度成線性關系，且受光面積越大， 短路電流也越大。 所以當光電池作為測量元件時應取短路電流的形式。352、試說明相位調制傳感器的工作原理、應用及特點。352答：其基本原理是利用

20、被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或變化，而導致光的相位變化， 然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。通常有：利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用Sagnac效應的旋轉角速度傳感器 (光纖陀螺 )等。這類傳感器的靈敏度很高，但由于需用特殊光纖及高精度檢測系統，因此成本高。1. 傳感器的定義和組成框圖 .畫出自動控制系統原理框圖并指明傳感器在系統中的位置和作用。 答：傳感器是能感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置傳感器。 通常由直接響應于被測量的敏感元件和產生可用信號輸出的轉

21、換元件以及相應的 信號調節轉換電路組成。傳感器處于研究對象與測試系統的接口位置， 即檢測與控制之首。 傳感器是感知、 獲取與檢測信息的窗口，一切科學研究與自動化生產過程要獲取的信息都要通過傳感器獲取并通過它轉換成容易傳輸與處理的電信號。2. 從傳感器的靜態特性和動態特性考慮，詳述如何選用傳感器。答：考慮傳感器的靜態特性的主要指標，選用線性度大、遲滯小、重復性好、分辨力強、穩定性高、抗干擾穩定性高的傳感器。考慮動態特性，所選的傳感器應能很好的追隨輸入量的快速變化， 即具有很短的暫態響應時間或者應具有很寬的頻率響應特性。3. 直流電橋和交流電橋有何區別？直流電橋的平衡條件是什么？應變片式電阻傳感器

22、、自感式、互感式、 渦流式、電容式、熱電阻式傳感器分別可采用哪種電橋作為測量電路？答：根據電源不同分為直流和交流電橋。 直流電橋優點： 高穩定度直流電源容易獲得，電橋平衡電路簡單， 傳感器至測量儀表的連接導線分布參數影響小。 但是后續要采用直流放大器， 容易產生零點漂移， 線路也較復雜。 交流電橋在這些方面都有改進。直流電橋平衡條件： R1/R2=R3/R4 ，R1R4=R2R3。4. 光電效應可分為哪三種類型，簡單說明其原理并分別列出以之為基礎的光電傳感器。答：當用光照射物體時， 物體受到一連串具有能量的光子的轟擊， 于是物體材料中的電子吸收光子能量而發生相應的電效應 （如電阻率變化、 發射

23、電子或產生電動勢等）。這種現象稱為光電效應。光電傳感器的工作原理是基于物質的光電效應，目前所利用的光電效應大致有三大類： 第一類是利用在光線作用下材料中電子溢出表面的現象，即外光電效應，光電管以及光電倍增管傳感器屬于這一類；第二類是利用在光線作用下材料電阻率發生改變的現象， 即內光電效應。 光敏電阻傳感器屬于這一類。第三類是利用在光線作用下光勢壘現象， 即光生伏特效應，7光敏二極管及光敏三極管傳感器均屬于這一類。5. 光導纖維導光的原理是什么？按其傳輸模式分為哪兩種類型？并分別指出對應類型光纖傳感器的典型光源。答：光導纖維工作的基礎是光的全內反射， 當射入的光線的入射角大于纖維包層間的臨界角時， 就會在光纖的接口上產