習(xí)題集及答案

第1章概述

1.1什么是傳感器？按照國(guó)標(biāo)定義，〃傳感器〃應(yīng)該如何說明含義？

Io2傳感器由哪幾部分組成？試述它們的作用及相互關(guān)系。

13簡(jiǎn)述傳感器主要發(fā)展趨勢(shì)，并說明現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的特征。

lo4傳感器如何分類？按傳感器檢測(cè)的范疇可分為哪幾種？

lo5傳感器的圖形符號(hào)如何表示？它們各部分代表什么含義？應(yīng)注意哪些問

題？

1.6用圖形符號(hào)表示一電阻式溫度傳感器.

lo7請(qǐng)例舉出兩個(gè)你用到或看到的傳感器，并說明其作用。如果沒有傳感器,

應(yīng)該出現(xiàn)哪種狀況。

1.8空調(diào)和電冰箱中采用了哪些傳感器？它們分別起到什么作用？

答案

lo1答：

從廣義的角度來(lái)說，感知信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理部分總稱為傳感器。我

們對(duì)傳感器定義是：一種能把特定的信息(物理、化學(xué)、生物)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)

換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置。從狹義角度對(duì)傳感器定義是:能把外界

非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665—87)對(duì)傳感器(Sensor/transducer)的定義是:

"能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝

置"。定義表明傳感器有這樣三層含義：它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的一

種檢測(cè)裝置;能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出"專感器的輸出與輸入

之間存在確定的關(guān)系.按使用的場(chǎng)合不同傳感器又稱為變換器、換能器、探測(cè)

器。

1.2答：

組成——由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路組成；

關(guān)系，作用--傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)試系統(tǒng)的接口位置，即檢測(cè)與控制

之首.傳感器是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過

程要獲取的信息都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理的電信

號(hào)，其作用與地位特別重要。

lo3答:（略）答:

按照我國(guó)制定的傳感器分類體系表，傳感器分為物理量傳感器、化學(xué)量傳

感器以及生物量傳感器三大類，含12個(gè)小類。按傳感器的檢測(cè)對(duì)象可分為：

力學(xué)量、熱學(xué)量、流體量、光學(xué)量、電量、磁學(xué)量、聲學(xué)量、化學(xué)量、生物量、

機(jī)器人等等。

L5答：

圖形符號(hào)（略），各部分含義如下：

①敏感元件:指?jìng)鞲衅髦兄苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分.

②傳感器：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器

件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

③信號(hào)調(diào)理器：對(duì)于輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的裝置。

④變送器：能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器答：（略）答：（略）答:（略）

第2章傳感器的基本特性

2。1傳感器的靜態(tài)特性是什么？由哪些性能指標(biāo)描述？它們一般可用哪些公

式表示？

2。2傳感器的線性度是如何確定的？確定擬合直線有哪些方法？傳感器的線

性度力表征了什么含義？為什么不能籠統(tǒng)的說傳感器的線性度是多少。

2。3傳感器動(dòng)態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？它們的意義是什么？

2。4傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)的定義是什么?它們之間有何聯(lián)

系與區(qū)別？

2。5有一溫度傳感器，微分方程為3。辦，/力+3），=0..其中），為輸出電壓（mV）…為

輸入溫度（℃x試求該傳感器的時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。

2.6有一溫度傳感器，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度為h，測(cè)溫傳感器顯示溫度為打時(shí)，可用

下列方程表示"=/卡。（"⑺。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度從25T突然變化到300℃

時(shí)，測(cè)溫傳感器的時(shí)間常數(shù)TO=120s,試求經(jīng)過350s后該傳感器的動(dòng)態(tài)

誤差。

2。7某力傳感器屬二階傳感器，固有頻率為1000Hz,阻尼比為0.7,試求用

它測(cè)量頻率為600Hz的正弦交變力時(shí)的振幅相對(duì)誤差和相位誤差.

2。8已知某二階傳感器系統(tǒng)的固有頻率為20kHz,阻尼比為0。L若要求傳

感器的輸出幅值誤差不大于3%,試確定該傳感器的工作頻率范圍。

2.9設(shè)有兩只力傳感器均可作為二階系統(tǒng)處理，固有頻率分別為800Hz和2。

，阻尼比均為欲測(cè)量頻率為正弦變化的外力，應(yīng)選

2kHz0o4,400Hz

用哪一只？并計(jì)算所產(chǎn)生的振幅相對(duì)誤差和相位誤差。

答案

2。1答：

靜特性是當(dāng)輸入量為常數(shù)或變化極慢時(shí)，傳感器的輸入輸出特性，其主要

指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)

定性。傳感器的靜特性由靜特性曲線反映出來(lái)，靜特性曲線由實(shí)際測(cè)繪中獲得。

人們根據(jù)傳感器的靜特性來(lái)選擇合適的傳感器。

2.2答：

1）實(shí)際傳感器有非線性存在，線性度是將近似后的擬合直線與實(shí)際曲線進(jìn)

行比較，其中存在偏差，這個(gè)最大偏差稱為傳感器的非線性誤差，即線性度，

2）選取擬合的方法很多，主要有：理論線性度（理論擬合）;端基線性度（端

點(diǎn)連線擬合）;獨(dú)立線性度端點(diǎn)平移擬司;最小二乘法線性度。

3）線性度九是表征實(shí)際特性與擬含直線不吻合的參數(shù)。

4）傳感器的非線性誤差是以一條理想直線作基準(zhǔn)，即使是同一傳感器基

準(zhǔn)不同時(shí)得出的線性度也不同，所以不能籠統(tǒng)地提出線性度，當(dāng)提出線性度的

非線性誤差時(shí)，必須說明所依據(jù)的基準(zhǔn)直線。

2.3答：

1）傳感器動(dòng)態(tài)特性主要有:時(shí)間常數(shù)工；固有頻率”；阻尼系數(shù)八

，含義:T越小系統(tǒng)需要達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越少;固有頻率”越高響應(yīng)曲線上

升越也當(dāng)&為常數(shù)時(shí)響應(yīng)特性取決于阻尼比4，阻尼系數(shù):越大，過沖現(xiàn)象減

弱*21時(shí)無(wú)過沖，不存在振蕩，阻尼比直接影響過沖量和振蕩次數(shù)。

2.4答：(略)

解:

2O5

對(duì)微分方程兩邊進(jìn)行拉氏變換,Y⑸(30s+3)=0.15X(s)

則該傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

〃/、Y(s)0.150.05

n(s)=----=------=------

X(s)30s+3105+1

該傳感器的時(shí)間常數(shù)T=10,靈敏度k=0.05

2。6解：

動(dòng)態(tài)誤差由穩(wěn)態(tài)誤差和暫態(tài)誤差組成.先求穩(wěn)態(tài)誤差：

對(duì)方程兩邊去拉氏變換得：

T(15)=T(2s)+EOST(52)

則傳遞函數(shù)為

Tl(S)=1

Ti(5)r?5+1

對(duì)于一階系統(tǒng)，階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差&=。,再求暫態(tài)誤差:

當(dāng)t=350s時(shí)，暫態(tài)誤差為

35O/,2O

^)=(3OO-25k'=14.88。。

故所求動(dòng)態(tài)誤差為：e=e、、+=14.88℃

2.7解：所求幅值誤差為0。947,相位滯后52。70'

則,頻率為600Hz時(shí)的幅值為

IG。。)|=-1=、1=0.947

/[1-(—)2]2+[2<—]2)2]2+[2X0,7x—]2

V①.%V10001000

相對(duì)誤差為

(1-0.947)xl00%=5o3%

600

2^(—)2x0.7x----

-----1222-=-52701

(P=Tg六二一火6002

1-(-)2

1000

,成,1

2。8解：G(M=

s?+2Ms+&

+2患——

例q

1

IG(jco)|=]

f[l-(—^―)2]2+[2x0.1

卜甘+嚙2

1000010000

[1-(—)2J2+L2x0.1x—]2

1000010000

令|G(jw)|=1.03,((°)2=M貝!]

1(X)()()

1.96〃+0.0574=0解得劭，=1.93,3,=0.03代入上式，得

劭=1389及，@=173法

令|G(Jw)1=0.97,則

小一1.96〃一().0628-0角軍得311.99(含負(fù))代入上式，得

c^=\4\\Hz

由圖2-18二階傳感器系統(tǒng)的幅頻特性曲線知，該傳感器的工作頻率范

圍為：

1389Hz<ry<1411te或73Hz

2。9解：￡=0.4<1,由二階傳感器的頻率特性，固有頻率比被測(cè)信號(hào)頻率越大

越好，故應(yīng)選固有頻率為2。2kHz的那只.

1

G(網(wǎng)—+2短+r-P

co

1---+24-

L^J4

11

IG(加|=/==I-------一=0.940

222400-0400

Jn-(—)]^—]Jn-(：-)]~+[2xO八.)4x----]P-

44220022(X)

相對(duì)誤差為(1—0.940)xl00%=6o0%

2*)2x0.4x您

f-5^“833,

1-(-)21-(幽")2

①2200

故相位滯后8。33'。

第3章電阻應(yīng)變式傳感器

3。1何為電阻應(yīng)變效短？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？

3.2什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)?它與金屬電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什

么？

3。3為什么增加應(yīng)變片兩端電阻條的橫截面積便能減小橫向效應(yīng)？

3.4金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何不同？半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏

系數(shù)范圍是多少，金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少？為什么有這種差別，

說明其優(yōu)缺點(diǎn)。舉例說明金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的相同點(diǎn)和不

同占

3。5二應(yīng)變片的電阻/?二120。，靈敏系數(shù)62.05,用作應(yīng)變?yōu)?00,"〃的傳感

元件。

求:①便和她/及;②若電源電壓初始平衡時(shí)電橋的輸出電壓為。

3.6在以鋼為材料的實(shí)心圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為

120Q的金屬應(yīng)變片總和/?（如圖3-28a所丞把這兩應(yīng)變片接入電橋

（見圖3-28b）。若鋼的泊松2系數(shù)〃=（）.285,應(yīng)變片的靈敏系數(shù)攵=2,電

橋電源電壓、K當(dāng)試件受軸向拉伸時(shí)，測(cè)得應(yīng)變片后的電阻變化值

△N=0.48Q。試求：①軸向應(yīng)變；②電橋的輸出電壓。

3。7一測(cè)量用車起吊重物的拉力傳感器如圖3-29a所示局、&*、凡按

要求貼在等截面軸上。已知:等截面軸的截面積為0。00196加，彈性模

量￡=2乂1011〃加,泊松比〃_0.3，且/?I=/?2=/?3=4=120Q,所組成的全

橋型電路如題圖3-29b所示，供橋電壓U=214現(xiàn)測(cè)得輸出電壓

4=2.6/7714求：①等截面軸的縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變?yōu)槎嗌?②力F為多

F

圖3-29

少？

(a)(b)

圖3-28

3。8已知：有四個(gè)性能完全相同的金屬絲應(yīng)變片（應(yīng)變靈敏系數(shù)A=2）,將

其粘貼在梁式測(cè)力彈性元件上，如圖3—30所示。在距梁端/。處應(yīng)變計(jì)算公

式為

戶粵

Eh2b

5

設(shè)力F=1（XW,Zo=1OOnun,h=5mm,h=20mm,￡,=2xl0NItnnr:

①說明是一種什么形式的梁。在梁式測(cè)力彈性元件距梁端/。處畫出四個(gè)應(yīng)變

片粘貼位置，并畫出相應(yīng)的測(cè)量橋路原理圖；②求出各應(yīng)變片電阻相對(duì)變

圖3-30EJ3-31

化量；③當(dāng)橋路電源電壓為61/時(shí)，負(fù)載電阻為無(wú)窮大，求橋路輸出電壓U。

是多少？

3.9圖3—31為一直流電橋，負(fù)載電阻凡趨于無(wú)窮。圖中

￡=4//?1=/?2=/?3=&=120。，試求：①Ri為金屬應(yīng)變片，其余為外接電

阻,當(dāng)總的增量為A/?i=L20時(shí)，電橋輸出電壓%=?②/?1、4為

金屬應(yīng)變R,感應(yīng)應(yīng)變大小變花相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓

%=?③用、/?2為金屬應(yīng)變升，如果感應(yīng)應(yīng)變大小相反，且A/?l=A/?2

=1.2Q,電橋輸出電壓區(qū)二?

答案

31發(fā)

°導(dǎo)寐在受到拉力或壓力的外界力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，同時(shí)機(jī)械變形

會(huì)引起導(dǎo)體阻值的變化，這種導(dǎo)體材料因變形而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱

為電阻應(yīng)變效應(yīng).

當(dāng)外力作用時(shí)，導(dǎo)體的電阻率八長(zhǎng)度/、截面積s都會(huì)發(fā)生變化，從而引起電阻

值R的變化，通過測(cè)量電阻值的變化，檢測(cè)出外界作用力的大小。

32於.

.崟屬絲靈敏系數(shù)即主要由材料的幾何尺寸決定的。受力后材料的幾何尺寸

變化為（"2〃），電阻率的變化為回辿￡。而實(shí)際應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)包括基片、

粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng).雖皴長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，金屬絲做成

成品的應(yīng)變片（粘貼到試件上）以后，靈敏系數(shù)降低了。

33生.

,最感柵越窄，基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，橫向效應(yīng)越小，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上兩端電阻條

的橫截面積大的應(yīng)變片橫向效應(yīng)較小。

34處，

°荃相導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化是利用機(jī)械形變產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)，對(duì)于半導(dǎo)體

而言,應(yīng)變傳感器主要是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。金屬電阻絲的靈敏系數(shù)

可近似寫為AQ?1+2〃,即kQ工1.5—2；半導(dǎo)體靈敏近似為

產(chǎn)△

勺（2=《50~100o

3.5解：

?/k=2.05;s=800〃〃〃m

:.\R!R=k-￡=0.0164;應(yīng)變引起的電阻變化ARx0.2Q

aA/?

當(dāng)電源電壓U=3V時(shí)，電橋輸出電壓U=-?—=1.23/T?V

(}4R

3.6解1:

1)則軸向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

“型=2^=0,002

k2

2)電橋的輸出電壓為：

Uo=gUke(\+/z)=|x2x2x0.002x1.285=5.1癡V

解2:

???Z=2;N=120Q;A/?,=0.48Q;U=2V

軸向應(yīng)變：￡=竺/凡0.002

k

電橋輸出電壓：Uo=gbR\/R\=4〃W

3.7解：

2

???/?,=/?,=Ry=R4=120C;〃=0.3;S=0.00196m;E=2x10"N/〃『；u=2V;t/0=2.6〃2V

按全橋計(jì)算:AR=%R=0.156Q

軸向應(yīng)變：￡=生=任竺=效匕=0.0008125

/k1+2.

橫向應(yīng)變:生=-*=-0.0004875

力：F=^SE=3.185xlO57V

3。8解:

①梁為一種等截面懸臂梁;應(yīng)變片沿梁的方向上下平行各粘貼兩個(gè);

②k=2;F=100A^;/o=100""〃;〃=5mm;b=2〃〃〃；￡=2x10、N/

二.應(yīng)變片相對(duì)變化量為:竺=ks=2舞=0.012

REh2b

③橋路電壓6V時(shí),輸出電壓為：U0=6x竿=0.072V

3。9解：

①因?yàn)橹挥蟹矠閼?yīng)變片，電橋輸出按單臂電橋計(jì)算，（/（）=1-=0.010V

②因?yàn)閮蓱?yīng)變片變化大小相同，相互抵消無(wú)輸出，UQ=ov

③因?yàn)榉?凡應(yīng)變時(shí)大小變化相反，電橋輸出按半橋計(jì)算，^（.=f—=002V

2R

第4章電容式傳感器

4.1如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？

4。2為什么高頻工作時(shí)的電容式傳感器連接電纜的長(zhǎng)度不能任意變化？

4.3差動(dòng)式變極距型電容傳感器，若初始容量=8。/，初始距離品=4〃〃〃,當(dāng)

動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了姬=。.75〃即時(shí),試計(jì)算其非線性誤差。若改為

單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大？

4。4電容式傳感器有哪幾類測(cè)量電路？各有什么特點(diǎn)？差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電

路用于電容傳感器測(cè)量電路具有什么特點(diǎn)？

4.5一平板式電容位移傳感器如圖4—5所示，已知極板尺寸，極板

間隙品=0.5mm,極板間介質(zhì)為空氣.求該傳感器靜態(tài)靈敏度;若極板沿x方向

移動(dòng)2〃叫求此時(shí)電容量。

4。6已知:向盤形電容極板直徑。=5（加〃〃，間距6。=0.2mm,在電極間置一塊厚

的云母片（邑=7），空氣（/=1）,求：①無(wú)云母片及有云母片兩種情況

下電容值G及g是多少?②當(dāng)間距變化9=0.025加時(shí)，電容相對(duì)變化量

△CJG及AGC是多少？

4。7壓差傳感器結(jié)構(gòu)如圖4—30a所示,傳感器接入二極管雙T型電路，電

路原理示意圖如圖4-30b所示.已知電源電壓UE=1OV,頻率f=1MHz,

Ri=R2=40kQ，壓差電容以2試分析，當(dāng)壓力傳感器有

壓差戶”々使電容變化/G"尸時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載電阻上產(chǎn)生的輸出電

壓〃/?/平均值的大小與方向。

硅油全屬腹片(動(dòng)片)X

a)b)

圖4-30

答案

41冬?

°m隆性隨相對(duì)位移,心的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對(duì)位移的

大小；起始極距5°與靈敏度、線性度相矛盾，所以變極距式電容傳感器只適合

小位移測(cè)量;為提高傳感器的靈敏度和改善非線性關(guān)系，變極距式電容傳感器

一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。

4。2答：

低頻時(shí)容抗兀較大，傳輸線的等效電感L和電阻R可忽略。而高頻時(shí)容抗兀

減小，等效電感和電阻不可忽略，這時(shí)接在傳感器輸出端相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)諧振,

有一個(gè)諧振頻率/。存在，當(dāng)工作頻率/。啟諧振頻率時(shí)，串聯(lián)諧振阻抗最小，電

流最大，諧振對(duì)傳感器的輸出起破壞作用，使電路不能正常工作。通常工作頻

率10MHz以上就要考慮電纜線等效電感4的影響。

4。3解：若初始容量C=C2=80p%初始距離品=4〃〃九，當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位

移了9團(tuán)巧恤時(shí),非線性誤差為：

Y,=(―)2xlOO%=(―)2xlOO%=3.5%

為4

改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差為：

V.=-X100%=—X100%=18.75%

6。4

4.4(略)

4.5解：對(duì)于平板式變面積型電容傳感器，它的靜態(tài)靈敏度為：

標(biāo)=3=絲=8x8.85x1()T2=7.O8x1CT”Fm{

at>o

極板沿x方向相對(duì)移動(dòng)2mm后的電容量為：

,2

廠sb(a-\x)8.85xl()-x0.(X)4x2

C=-------------=----------------------------=1.416X10",3F

0.5

*解：1)。啜內(nèi)叱弁—杵尸

第=8.85x10—2x3.14x2.5x10-3二

6.08x1010F

3o-d+%r1x10,以￡

7

2)令S=5o-d+%,則

ACi△"/

△32^=0,143

"cT5。一A50.2—0.025

AO='%，==0.025

=0.280

~cT--S-\S-0.1143-0.025

/o

4.7解：當(dāng)時(shí),G<C2；C2-CI=2AC

-^=_R(￡+2^^40X80X2X104X10X1()6X2X1()_12=_036V

(R+RL)260X60

由于C<C2,電壓UE的負(fù)半周占優(yōu)勢(shì)，故而的方向下正上負(fù)

第5章電感式傳感器

5.1何謂電感式傳感器?電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點(diǎn)？

5.2提高電感式傳感器線性度有哪些有效的方法。

5.3說明單線圈和差動(dòng)變間隙式電感傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性。

5.4說明產(chǎn)生差動(dòng)電感式傳感器零位殘余電壓的原因及減小此電壓的有效措

施。

5e5為什么螺線管式電傳感器比變間隙式電傳感器有更大的測(cè)位移范圍？

5.6電感式傳感器測(cè)量電路的主要任務(wù)是什么？變壓器式電橋和帶相敏整流

的交流電橋在電感式傳感器測(cè)量電路中各可以發(fā)揮什么作用？采用哪種

電路可以獲得理想輸出。

概述變間隙式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特性，試比較單線圈

5O7

和差動(dòng)螺線管式電傳感器的基本特性，說明它們的性能指標(biāo)有何異同？

5.8差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電路有幾種類型?試述差動(dòng)整流電路的組成和

基本原理。為什么這類電路可以消除零點(diǎn)殘余電壓？

5。9概述差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用范圍，并說明用差動(dòng)變壓器式傳感器檢

測(cè)振動(dòng)的基本原理。

5.10什么叫電渦流效應(yīng)？說明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。電渦

流式傳感器的基本特性有哪些？它是基于何種模型得到的？

5.11電渦流式傳感器可以進(jìn)行哪些物理量的檢測(cè)？能否可以測(cè)量非金屬物

體，為什么？

5。12試用電渦流式傳感器設(shè)計(jì)一在線檢測(cè)的計(jì)數(shù)裝置，被測(cè)物體為鋼球。

請(qǐng)畫出檢測(cè)原理框圖和電路原理框圖。

答案

5.1答：

電感式傳感器是一種機(jī)-電轉(zhuǎn)換裝置，電感式傳感器是利用線圈自感和互

感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置，傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)非電量

轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。它可以用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、

密度等參數(shù)。

電感式傳感器種類：自感式、渦流式、差動(dòng)式、變壓式、壓磁式、感應(yīng)同

步器。

工作原理：自感、互感、渦流、壓磁。

5。2答：

電感傳感器采用差動(dòng)形式，轉(zhuǎn)換電路采用相敏檢波電路可有效改善線性

度。

5.3（略）

5。4答：

差動(dòng)變壓器式傳感器的鐵芯處于中間位置時(shí)，在零點(diǎn)附近總有一個(gè)最小的

輸出電壓AU。，將鐵芯處于中間位置時(shí)，最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。

產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的主要原因是由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組電氣系數(shù)（互感M、

電感L內(nèi)阻R）不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保證完全

一致。

為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，除工業(yè)上采取措施外，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)

償：①串聯(lián)電阻；②并聯(lián)電阻、電容，消除基波分量的相位差異，減小諧波分

量;③加反饋支路，初、次級(jí)間加入反饋，減小諧波分量；④相敏檢波電路對(duì)

零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。

5.5答：

螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器利用互感原理，結(jié)構(gòu)是:塑料骨架中間繞一個(gè)初

級(jí)線圈，兩次級(jí)線圈分別在初級(jí)線圈兩邊,鐵心在骨架中間可上下移動(dòng)，根據(jù)

傳感器尺寸大小它可測(cè)量100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移.變間隙式電感傳感

器是利用自感原理，銜鐵的與鐵芯之間位移（氣隙）與磁阻的關(guān)系為非線性關(guān)

系，可動(dòng)線性范圍很小，因此測(cè)量范圍受到限制。

5。6（略）

5.7（略）

5.8（略）

5O9（略）

5.10答：

1）塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，

導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流

2）形成渦流必須具備兩個(gè)條件：第一存在交變磁場(chǎng)；第二導(dǎo)電體處于交

變磁場(chǎng)中.電渦流式傳感器通電后線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬導(dǎo)體置于線圈

附近。當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流同樣

產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)的反作用使線圈的等效電感和等效阻抗發(fā)生變化，使

流過線圈的電流大小、相位都發(fā)生變化.通過檢測(cè)與阻抗有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行非電

量檢測(cè)。

3）因?yàn)榻饘俅嬖谮吥w效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)，實(shí)

際上渦流的分布是不均勻的.渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同，存在徑向分布和軸

向分布。所以電渦流傳感器的檢測(cè)范圍與傳感器的尺寸（線圈直徑）有關(guān)。

4）回路方程的建立是把金屬上渦流所在范圍近似看成一個(gè)單匝短路線圈

作為等效模型。

5.11答：

1）凡是能弓起與、4、M變化的物理量，均可以引起傳感器線圈串k的變

化，可以進(jìn)行非電量檢測(cè)；如被測(cè)體（金屬）的電阻率P,導(dǎo)磁率〃，厚度乙線圈

與被測(cè)體之間的距離X，激勵(lì)線圈的角頻率①等都可通過渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線

圈阻抗z發(fā)生關(guān)系，使辱"變化；若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù),

便可使阻抗Z成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。

2）電渦流傳感器不可以直接測(cè)量非金屬物體，這是由于傳感器本身特性

決定的。

5。12（略）

第6章磁電式傳感器

6。1試述磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式。

6.2說明磁電感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生誤差的原因及補(bǔ)償方法。

6。3為什么磁電感應(yīng)式傳感器的靈敏度在工作頻率較高時(shí)，將隨頻率增加而

下降？

6.4什么是霍爾效應(yīng)?

6.5霍爾元件常用材料有哪些?為什么不用金屬做霍爾元件材料？

6。6霍爾元件不等位電勢(shì)產(chǎn)生的原因有哪些？

6。7某一霍爾元件尺寸為L(zhǎng)=10mm,b=3.5nun/d=1.Omm,沿L方向通以電流

/=1.0〃滔，在垂直于乙和。的方向加有均勻磁場(chǎng)B=0.37,靈敏度為22V/（A7），

試求輸出霍爾電勢(shì)及載流子濃度。

6。8試分析霍爾元件輸出接有負(fù)載與時(shí)利用恒壓源和輸人回路串聯(lián)電阻先進(jìn)

行溫里卜償?shù)臈l件.、

6O9霍爾兀件靈敏度（,=401//（小丁）,控制電流/=3.0〃N，將它置于1xl07~5xl0Y7線

性變化的磁場(chǎng)中，它輸出的霍爾電勢(shì)范圍有多大？

6。10列舉~2個(gè)霍爾元件的應(yīng)用例子。查找1~2個(gè)應(yīng)用磁敏電阻制作的產(chǎn)

品實(shí)例。

6.11磁敏電阻溫度補(bǔ)償有哪些方法？磁敏二極管溫度補(bǔ)償有哪些方法？有哪

些特占?

6；12比較霍爾元件、磁敏電阻、磁敏晶體管，它們有哪些相同之處和不同

之處？簡(jiǎn)述其各自的特點(diǎn)。

答案

略）

6O1（

6.2答：

磁電感應(yīng)式傳感器兩個(gè)基本元件，即永久磁鐵和線圈，永久磁鐵在使用前

需要有穩(wěn)定性處理，主要是線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)恒定磁場(chǎng)的作用（稱為線

圈磁場(chǎng)效應(yīng)）是不能忽略的，需要采用補(bǔ)償線圈與工作線圈相串聯(lián)加以補(bǔ)償。

當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí)傳感器溫度誤差較大，必須加以補(bǔ)償。

6。3答：

因?yàn)榇烹姼袘?yīng)式傳感器的靈敏度為-嘰振動(dòng)頻率過高時(shí)，線圈阻抗增大，

使傳感器靈敏度隨振動(dòng)頻率增加而下降.

6.4答：

通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場(chǎng)中，電流與磁場(chǎng)垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)

生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng).

6.5答：

1）任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是都可以制造霍爾元

件。只有半導(dǎo)體材料適于制作霍爾元件。又因一般電子遷移率大于空穴的遷移

率,所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體制造.

2）金屬材料電子濃度雖然很高，但電阻率很小很小，使霍爾電勢(shì)/很小，

因此不適于做霍爾元件材料。

6.6答：

霍爾電勢(shì)不為零的原因是，霍爾引出電極安裝不對(duì)稱，不在同一等電位面上;

激勵(lì)電極接觸不良半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率P不均勻等原因。

6。7解：

KH=22V/(A?7),/=1.0mA,B=0.3T

???輸出霍爾電勢(shì)：

UH=KHlB=6.6mV

:.L=\0mm,b=35mm,de=1.0〃〃〃，=1.6x1019

???載流子濃度為：

IB0.001x0.3

n==28.41xIO19

U?d0.0066x1.6xlO'19x0.001

略）

6O8（

6.9解：

/.K?=40V/（AT）,7=3.0"訊B=1xIO-4-5xIO4T

?.?輸出霍爾電勢(shì)范圍是：

低端：UH=KHIB=\2^V

高端：UH=KHIB=60JUV

6.10（略）

6。11（略）

6。12答：

霍爾元件具有體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性好、靈敏度高、頻帶寬等

許多優(yōu)點(diǎn)，在霍爾元件確定后，可以通過測(cè)量電壓、電流、磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)非電量,

如力、壓力、應(yīng)變、振動(dòng)、加速度等等，所以霍爾元件應(yīng)用有三種方式：①激

勵(lì)電流不變，霍爾電勢(shì)正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度，可進(jìn)行位移、加速度、轉(zhuǎn)速測(cè)量。②

激勵(lì)電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度都為變量，傳感器輸出與兩者乘積成正比，可測(cè)量乘法運(yùn)

算的物理量，如功率。③磁場(chǎng)強(qiáng)度不變時(shí)，傳感器輸出正比于激勵(lì)電流，可檢測(cè)

與電流有關(guān)的物理量，并可直接測(cè)量電流.

磁敏電阻與霍爾元件屬同一類，都是磁電轉(zhuǎn)換元件，兩者本質(zhì)不同是磁敏

電阻沒有判斷極性的能力，只有與輔助材料（磁鋼）并用才具有識(shí)別磁極的能

力.

磁敏二極管可用來(lái)檢測(cè)交直流磁場(chǎng)，特別是弱磁場(chǎng).可用作無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)、

作箱位電流計(jì)、對(duì)高壓線不斷線測(cè)電流、小量程高斯計(jì)、漏磁儀、磁力探傷儀

等設(shè)備裝置。磁敏三極管具有較好的磁靈敏度，主要應(yīng)用于①磁場(chǎng)測(cè)量，特別

適于10-6T以下的弱磁場(chǎng)測(cè)量，不僅可測(cè)量磁場(chǎng)的大小,還可測(cè)出磁場(chǎng)方向;②

電流測(cè)量特別是大電流不斷線地檢測(cè)和保護(hù)；③制作無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)和電位器，如

計(jì)算機(jī)無(wú)觸點(diǎn)電鍵、機(jī)床接近開關(guān)等;④漏磁探傷及位移、轉(zhuǎn)速、流量、壓力、

速度等各種工業(yè)控制中參數(shù)測(cè)量。

第7章壓電式傳感器

7。1什么是壓電效應(yīng)？什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？

7。2石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)有何不同之處？為什么說PZT壓電陶瓷

是優(yōu)能的壓電元件？比較幾種常用壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn)，說出各自適用于什

么場(chǎng)合？

7。3壓電傳感器能否用于靜態(tài)測(cè)量？試結(jié)合壓電陶瓷加以說明。

7。4壓電元件在使用時(shí)常采用多片串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。試述在不同接法

下輸出電壓、電荷、電容的關(guān)系，它們分別適用于何種應(yīng)用場(chǎng)合？

7.5電壓放大器和電荷放大器太廟上有何不同癰荷放大器和電壓放天器各有

何特占?它彳門名目適用于什么情猊2

7.6己如莉玉前置放大器輸入電阻及總龜容分別為Ri=lMQ,G=100pF,求與壓電

加速度計(jì)相配，測(cè)生振動(dòng)時(shí)幅值誤差是多少？

7。7已知電壓式加速度傳感器阻尼比,若其無(wú)阻尼固有頻率/.=32kHz,要

求傳感器輸出幅值誤差在5%以內(nèi)，試確定傳感器的最高響應(yīng)頻率。

7.8一壓電加速度計(jì)，供它專用電纜的長(zhǎng)度為,電纜電容為io。/加，壓電片本

身電容為10。0/加.出廠標(biāo)定電用靈敏度為10DV/g,若使用中改用另一根長(zhǎng)

2.9加電纜，其電容量為300",問其電壓靈敏度如何改變？

7。9為什么壓電器件一定要高阻抗輸出？

7.10用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量加速度，已知：加速度計(jì)靈敏度

為5PC/q，電荷放大器靈敏度為50m(PC7當(dāng)機(jī)器加速度達(dá)到最大值時(shí),

相應(yīng)輸由電壓幅值為2D試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。

答案

7。1答:

某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時(shí),由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象

同時(shí)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷,當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；

而當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外

力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體

本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)

7。2答:

1)石英晶體整個(gè)晶體是中性的，受外力作用而變形時(shí)沒有體積變形壓電效應(yīng),

但它具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。壓電陶瓷PZT是一種多晶鐵

電體，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后,

留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，才能使其呈現(xiàn)出壓電特性.

2)比較石英晶體叱、壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)么大的多，是它們的上百倍。

所以壓電陶瓷制作的傳感器靈敏度高。常用的優(yōu)能壓電陶瓷是錯(cuò)鈦酸鉛(PZT),

它具有很高的介電常數(shù)，工作溫度可達(dá)250。&

3)(略)

7。3答:

1）由壓電傳感器的等效電路可見，要保證輸出信號(hào)與輸入作用力間的線

性關(guān)系，只有在負(fù)載電阻較大，工作頻率較高時(shí)，傳感器電荷才能得以保存補(bǔ)充，

需要測(cè)量電路具有無(wú)限大的輸入阻抗。但實(shí)際上這是不可能的，故壓電傳感器

只能作動(dòng)態(tài)測(cè)量，不宜作靜態(tài)信號(hào)測(cè)量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷

得到補(bǔ)充，并給測(cè)量電路一定的電流.

2）（略）

74答：

1）在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個(gè)

壓電組件,其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電芯片的連接關(guān)系，可分為

串聯(lián)和并聯(lián)連接，常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。

2）如果按相同極性粘貼，相當(dāng)兩個(gè)壓電片（電容）串聯(lián).輸出總電容為單片

電容的一半，輸出電荷與單片電荷相等，輸出電壓是單片的兩倍；若按不同極

性粘貼相當(dāng)兩個(gè)壓電片（電容）并聯(lián)，輸出電容為單電容的兩倍，極板上電

荷量是單片的兩倍，但輸出電壓與單片相等.

7。5答：（略）

7.6解：

.?.信號(hào)頻率f=1Hz;放大器輸入電阻a=1MQ,電容G=100

幅值誤差為：

JJ/八、_/＞凡

油~+嬴2G2

4（8）隼

S”（8）_幾⑷］二os?

以“3）（⑼

相對(duì)誤差為:

(1-0.99)x100%=1%

7.7解：

??.己知阻尼比，=0.1,固有頻率=32&”z;

控制傳感器在5%以內(nèi)的幅值誤差為：

I1=---------------------------------=-j-----------------------------------------------=0.95

F+處-]2小-焉#F+[2X0.1X/]2

NconconV32kHz32kHz

式中，為最高響應(yīng)頻率：

f=45.40kHz

7。8解:

已知壓電加速度計(jì)電纜長(zhǎng)度為l.2〃z,電纜電容C『100〃F,傳感器電容CjlOOOpF;

電壓靈敏度為K“=100V/g

，電壓靈敏度K“==100V/g

Cc+C(l+C,100/?F+1OOOpF+C

因G較小忽略前置.電路輸入電容

電壓靈敏度為:K,產(chǎn)—--=-------------=100”

"C+C,lOOpF+lOOOpF

求出:J=o.llxio6

更1奐29〃電纜，電容C=300〃/

O.llxlQ6

電壓靈敏度為：K=84.62V/g

u300pF+1000pF

可見電纜加長(zhǎng)后電壓靈敏度下降。

7.9(略)

7.10解：

已知加速度計(jì)靈敏度為5PC/g,電荷放大器靈敏度為50mV/PC

當(dāng)輸出幅值為21/時(shí)，機(jī)器振動(dòng)加速度為：

2V/50mV/PC

8==0.8g

5PC/g

第8章光電效應(yīng)及器件

8。1什么是內(nèi)光電效應(yīng)?什么是外光電效應(yīng)?說明其工作原理并指出相應(yīng)的典

型光電器件。

普通光電器件有哪幾種類型？各有何特點(diǎn)?利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器

8e2

件有哪些？用光生伏特效應(yīng)制成的光電器件有哪些？

8。3普通光電器件都有哪些主要特性和參數(shù)？

8.4什么是光敏電阻的亮電阻和暗電阻?暗電阻電阻值通常在什么范圍？

8.5試述光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光電池的工作原理。如何正確

選用這些器件？舉例說明。

8O6光敏二極管由哪幾部分組成，它與普通二極管在使用時(shí)有什么不同？請(qǐng)

說明原理.

8。7光敏三極管與普通三極管的輸出特性是否相同？主要區(qū)別在哪里？

8。8何為光電池的開路電壓及短路電流?為什么作為檢測(cè)元件時(shí)要采用短路電

流輸出形式，作為電壓源使用時(shí)采用開路電壓輸出形式？

8.9光電池的結(jié)構(gòu)特征是什么?它如何工作的？

8.10采用波長(zhǎng)為0.8~0。9〃加的紅外光源時(shí)，宜采用哪種材料的光電器件做

檢測(cè)元件？為什么？

8。11反射式光電傳感器常見的有哪些類型？有什么特點(diǎn)？應(yīng)用時(shí)要注意哪些

影響？

8.12舉出日常生活中的兩個(gè)光電式傳感器的應(yīng)用例子，并說明原理.

8。13試擬定一光電開關(guān)用于自動(dòng)裝配流水線上工件計(jì)數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)（用示意圖

表示出裝置結(jié)構(gòu)），并畫出計(jì)數(shù)電路原理示意圖，并說明其工作原理.

8。14試敘述智能小車設(shè)計(jì)中，如何利用反射式光電傳感器實(shí)現(xiàn)〃尋跡〃功能,

并設(shè)計(jì)出光電傳感器檢測(cè)電路原理圖.

8。15光電傳感器控制電路如圖8—53所示,

試分析電路工作原理:①GP-IS01是什么

器件，內(nèi)部由哪兩種器件組成？②當(dāng)用物

體遮擋光路時(shí)，發(fā)光二極管LED有什么變

化？③它是什么電阻，圖8-53在電路中起到什

么作用?如果16二極管的最大額定電流為60mA后應(yīng)該如何選擇？④如

果GP—IS01中的幺二極管反向連接，電路狀態(tài)如何？晶體管VT.LED

如何變化？

8.16光柵傳感器的基本原理是什么？莫爾條紋是如何形成的？有何特點(diǎn)？分

析光柵傳感器具有較高測(cè)量精度的原因.

8。17某光柵的柵線密度為100線/mm,要使形成莫爾條紋寬度為10mm,

求柵線夾角。是多少？

答案：

8.1答：當(dāng)用光照射物體時(shí)，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(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子

或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等）.這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。

1）當(dāng)光線照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)

象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng).入射光強(qiáng)改

變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)，典型的光電器件有光敏電阻；光照時(shí)

物體中能產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)，光電池、光敏晶體管。

2）在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電

效應(yīng)，典型的光電器件有光電管、光電倍增管。

8。2答:（略）

8。3答：

光照特性；光譜特性"犬安特性；溫度特性；頻率特性等

8。4答：

暗電阻，無(wú)光照時(shí)的電阻為暗電阻，暗電阻電阻值范圍一般為0。5~

200MQ;

亮電阻、受光照時(shí)的電阻稱亮電阻,亮電阻的阻值一般為0.5~20KQ.

8。5答:（略）

8O6答:（略）

8.7答：（略）

8。8答：

1）光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)系為開路電壓曲線，短路電流是指外接負(fù)載電

阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的光電流值.

2）短路電流曲線在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，因此光電池作為檢測(cè)

元件使用時(shí)，一般不作電壓源使用，而作為電流源的形式應(yīng)用。而開路電壓與

光照度關(guān)系在照度為2000IX以上趨于飽和呈非線性關(guān)系，因此適于作電壓源

使用.

8.9答：（略）

8.10答：

1）采用波長(zhǎng)為0.8-0。的紅外光源時(shí)，宜采硅光電池或硅光敏管，其

光譜響應(yīng)峰值在0。附近，波長(zhǎng)范圍在0。4~1。2刖。

2）其中硅光電池適于接受紅外光，可以在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)應(yīng)用。

8.11答：（略）

8.12答：（略）

8.13答:（略）

8.14答：（略）

8.15電路分析：

DGP-IS01是光電開關(guān)器件，內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成；

2）當(dāng)用物體遮擋光路時(shí),g無(wú)光電流截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光；

3）Ri是限流電阻，在電路中可起到保護(hù)發(fā)光二極管16的作用；如果16

二極管的最大額定電流為60/77/1,選擇電阻大于/?2=（12V-0O7）/0O6二

18。8Q.

4）如果GP-IS01中的16二極管反向連接,無(wú)光電流勿截止，發(fā)光二

極管LED不發(fā)光；電路無(wú)狀態(tài)變化.

8。16答:（略）

8。17解：

已知：光柵的柵線密度為100線/mm即W=0。02mm,B=10mm

,\B=W/0

6=W/B=0.02/10=0.002rad

（即0。06'53〃）

第9章新型光電傳感器

象限探測(cè)器與光電位置傳感器有什么異同？各有哪些特點(diǎn)？

9O1PSD

9。2敘述SSPD自掃描光電二極管陣列工作原理及主要參數(shù)特征。

9。3CCD電荷耦合器主要由哪兩個(gè)部分組成？試描述CCD輸出信號(hào)的特點(diǎn).

9.4試述CCD的光敏元和讀出移位寄存器工作原理。

9。5用CCD做幾何尺寸測(cè)量時(shí)應(yīng)該如何由像元數(shù)確定測(cè)量精度。

9。6CCD信號(hào)二值化處理電路主要有哪種電路形式,可起到什么作用?

9。7說明光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，試述光纖的傳光原理。

9。8當(dāng)光纖的折射率/\4=1.46,儆，45時(shí)，如光纖外部介質(zhì)儆=1,求最大

入射角&的值。

9。9什么是光纖的數(shù)值孔徑?物理意義是什么?NA取值大小有什么作用?

有一光纖，其纖芯折射率為1.56,包層折射率為1.24,求數(shù)值孔徑為多

少？

9。10光纖傳感器有哪兩大類型？它們之間有何區(qū)別？

9.11圖9-36為P結(jié)構(gòu)型光纖位移測(cè)量原理圖，光源的光經(jīng)光纖的一個(gè)分支入

射，經(jīng)物體反射后光纖的另一分支將信號(hào)輸出到光探測(cè)器上。光探測(cè)器的

輸出信號(hào)與被測(cè)距離有什么樣關(guān)系，試說明其調(diào)制原理，畫出位移相對(duì)輸出

光強(qiáng)的特性曲線。

9.12光纖可以通過哪些光的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行非電量的檢測(cè)，說明原理.

9.13埋入式光纖傳感器有哪些用途，舉例說明可以解決哪些工程問題。

答案

9。1答：

1)象限探測(cè)器它是利用光刻技術(shù)，將一個(gè)整塊的圓形或方形光敏器件敏

感面分隔成若干個(gè)面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱的區(qū)域，這就構(gòu)成了象限探

測(cè)器。PSD光電位置傳感器是一種對(duì)入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的光電

器件。兩種器件工作機(jī)理不同，但其輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān).

光電位置傳感器被廣泛應(yīng)用于激光束對(duì)準(zhǔn)、平面度檢測(cè)、二維坐標(biāo)檢測(cè)以及位

移和振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

2)象限探測(cè)器有幾個(gè)明顯缺點(diǎn)：它需要分割從而產(chǎn)生死區(qū),尤其當(dāng)光斑很

小時(shí)，死區(qū)的影響更明顯。若被測(cè)光斑全部落入某個(gè)象限時(shí)，輸出的電信號(hào)無(wú)

法表示光斑位置，因此它的測(cè)量范圍、控制范圍都不大，測(cè)量精度與光強(qiáng)變化

及漂移密切相關(guān)，因此它的分辨率和精度受到限制。與象限探測(cè)器相比PSD

傳感器有以下特點(diǎn)：

(1)它對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格要求，即輸出信號(hào)與光的聚焦無(wú)關(guān)只與光的能

量中心位置有關(guān)，這給測(cè)量帶來(lái)很多方便。

(2)光敏面上無(wú)須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑位置，位置分辨率

高，一維PSD可達(dá)0。2〃m。

(3)可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)，PSD器件輸出的總光電流與入射光強(qiáng)有關(guān),

而各信號(hào)電極輸出光電流之和等于總光電流，所以由總光電流可求得相應(yīng)的入

射光強(qiáng)。

9O2答：(略)

9。3答：

1)CCD基本結(jié)構(gòu)由MOS光敏元陣列和讀出移位寄存器兩部分組成

2)CCD電極傳輸電荷方向(向右或向左)是通過改變?nèi)鄷r(shí)鐘脈沖的時(shí)序

來(lái)控制的，輸出的幅值與對(duì)應(yīng)的光敏元件上電荷量成正比.信號(hào)電荷的輸出的

方式主要有電流輸出和電壓輸出兩種，電流輸出型是輸出電流與電荷成正比,

在輸出電路負(fù)載上形成輸出電流.

9.4答：（略）

9.5答：

兩個(gè)光敏像元的空間尺寸必須小于被測(cè)量的最小尺寸。

可測(cè)量的范圍是像元總寬度：

如，1024（相元數(shù)）x0。014/77/77（光敏像元的空間尺寸）=14。30/77（測(cè)

量范圍1

9.6答：

普遍采用的CCD視頻信號(hào)二值化處理電路是電壓比較器，比較器的反相

端接一個(gè)閾值電平,視頻信號(hào)電平高于閾值電平的部分均輸出高電平，而低于

閾值電平部分均輸出低電平，在比較器的輸出端就得到只有高低兩種電平的二

值信號(hào)，二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對(duì)待。反映在CCD視

頻信號(hào)中所對(duì)應(yīng)的圖像尺寸邊界處會(huì)有明顯的電平急劇變化，通過二值化處理

把CCD視頻信號(hào)中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平.

9.7答：（略）

9.8解：

已知:M=1.46,N?=145,N。=1

???9=arcsin（—=arcsin（）.1706=9°49'

9.9答：

1）數(shù)值孔徑定義為：丘府再，表示了光纖的集光能力,無(wú)論光源的發(fā)

射功率有多大，只有在2。張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角

超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。

2）/\Z4越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易，但松越大光信

號(hào)畸變?cè)酱螅砸x擇適當(dāng)。

3）已知：2=1.56,N2=1.24,???NA="葉-=0.9466

9.10答：

光纖傳感器大致可分為功能型和非功能型兩大類，它們的基本組成相似，

有光源、入射光纖、調(diào)制器、出射光纖、光敏器件.

功能型又稱傳感型，這類傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能

力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下使光強(qiáng)、相位、

偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。如果外界作用時(shí)

光纖傳播的光信號(hào)發(fā)生變化，使光的路程改變，相位改變，將這種信號(hào)接收處

理后，可以得到與被測(cè)信號(hào)相關(guān)的變化電信號(hào)。

非功能型又稱傳光型，這時(shí)光纖只作傳播光媒介彳寺測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是

由其它轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。

答：（略）

9O11

9.12答：

光強(qiáng)度調(diào)制：利用外界物理量改變光纖中的光強(qiáng)度，通過測(cè)量光強(qiáng)的變化

測(cè)量被測(cè)信息。根據(jù)光纖傳感器探頭結(jié)構(gòu)形式可分為透射、反射、折射等方式

調(diào)制.

相位調(diào)制：一般壓力、張力、溫度可以改變光纖的幾何尺寸（長(zhǎng)度），同

時(shí)由于光彈效應(yīng)光纖折射率也會(huì)由于應(yīng)變而改變，這些物理量可以使光纖輸出

端產(chǎn)生相位變化，借助干涉儀可將相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化。干涉系統(tǒng)的種

類很多，可根據(jù)具體情況采用不同的干涉系統(tǒng)。

頻率調(diào)制:當(dāng)光敏器件與光源之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，光敏器件接收到的光頻率

力與光源頻率f不同，這種現(xiàn)象稱為光的〃多普勒效應(yīng)頻率調(diào)制方法可以測(cè)

量運(yùn)動(dòng)物體（流體）的速度、流量等。

9.13答：（略）

第10章半導(dǎo)體式化學(xué)傳感器

10.1什么是半導(dǎo)體氣體傳感器?它有哪些基本類型？氣體傳感器的發(fā)展動(dòng)態(tài)

如何？

10。2半導(dǎo)體氣體傳感器主要有哪幾種結(jié)構(gòu)？各種結(jié)構(gòu)氣體傳感器的特點(diǎn)如

何？

10.3如何提高半導(dǎo)體氣體傳感器的選擇性？根據(jù)文獻(xiàn)舉例說明，目前實(shí)用氣

體檢測(cè)方法常用哪些氣敏傳感器？它有什么特點(diǎn)？

10o4半導(dǎo)體氣體傳感器為什么要在高溫狀態(tài)下工作？加熱方式有哪幾種?加

熱絲可以起到什么作用？

10。5查找文獻(xiàn)說明近年有哪些新性的氣體傳感器.

10。6什么是絕對(duì)濕度？什么是相對(duì)濕度？表示空氣濕度的物理量有哪些？

如何表示？

10.7濕度傳感器的種類有哪些？主要參數(shù)有哪些？簡(jiǎn)述氯化鋰濕度傳感器的

感濕原理。

10.8簡(jiǎn)述半導(dǎo)體濕敏陶瓷的感濕機(jī)理。半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器有那些特點(diǎn)？

10.9離子選擇電極是如何分類的?離子選擇電極分析法有什么特點(diǎn)？試述離

子選擇電極的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理。

答案：

10。1答：（略）

10o2答：

1）按構(gòu)成氣敏傳感器的材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類；按半導(dǎo)體

的物理特性，氣敏傳感器可分為電阻型和非電阻型。

2）早期電化學(xué)和光學(xué)方法，其檢測(cè)速度慢、設(shè)備復(fù)雜、使用不方便;新型金

屬氧化物半導(dǎo)體傳感器由于靈敏度高、體積小、使用方便，已廣泛用于檢測(cè)、

分析領(lǐng)域.電阻型氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)，導(dǎo)

致敏感元件阻值變化，電阻型氣敏傳感器是目前使用較廣泛的一種氣敏元件，

傳感器主要由敏感元件、加熱器、外殼三部分組成。非電阻型氣敏傳感器有不

同類型，如利用MOS二極管的電容-電壓特性變化,利用MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾

值電壓的變化，利用肖特基金屬半導(dǎo)體二極管的勢(shì)壘變化進(jìn)行氣體檢測(cè)。

10.3答：（略）

10o4答：