传感器原理及应用习题答案（完整版）

传感器原理及应用习题答案

习题1 ............................................................................................................................................... 2 习题2 ............................................................................................................................................... 3 习题3 ............................................................................................................................................... 6 习题4 ............................................................................................................................................... 7 习题5 ............................................................................................................................................... 8 习题6 ............................................................................................................................................... 9 习题7 .............................................................................................................................................. 11 习题8 ..............................................................................................................................................13 习题9 ..............................................................................................................................................15 习题10 ............................................................................................................................................16 习题11 ............................................................................................................................................17 习题12 ............................................................................................................................................18 习题13 ............................................................................................................................................20

习题1

1-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？并说出各部分的作用及其相互间的关系。

答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装臵。 通常传感器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部分。

由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此信号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。 1-2 简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。

答：传感器位于信息采集系统之首，属于感知、获取及检测信息的窗口，并提供给系统赖以进行处理和决策所必须的原始信息。没有传感技术，整个信息技术的发展就成了一句空话。科学技术越发达，自动化程度越高，信息控制技术对传感器的依赖性就越大。

发展方向：开发新材料，采用微细加工技术，多功能集成传感器的研究，智能传感器研究，航天传感器的研究，仿生传感器的研究等。

1-3 传感器的静态特性指什么？衡量它的性能指标主要有哪些？

答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入关系。与时间无关。 主要性能指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。

1-4 传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？

答：传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入量之间的响应特性。 常用的分析方法有时域分析和频域分析。时域分析采用阶跃信号做输入，频域分析采用正弦信号做输入。

1-5 解释传感器的无失真测试条件。

答：对于任何一个传感器(或测试装臵),总是希望它们具有良好的响应特性,精度高、灵敏度高，输出波形无失真的复现输入波形等。实现上述要求，需要满足一定的条件，称此条件为传感器的无失真测试条件。

1-6 传感器的标定有哪几种？为什么要对传感器进行标定？

答：传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。

静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。 动态指标标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。

习题2

2-1简述电阻应变片产生热输出(温度误差)的原因及其补偿方法。

答：应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时，这种热输出干扰必须加以补偿。 热输出补偿就是消除ε对测量应变的干扰。常采用温度自补偿法和桥路补偿法。 2-2试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。

答：应变电桥产生非线性的原因：制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。

消减非线性误差的措施：选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于非线性误差的改善。

2-3如何用电阻应变片构成应变式传感器?对其各组成部分有何要求?

答：一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其它物理量作间接测量。用作传感器的应变计，应有更高的要求，尤其非线性误差要小(＜0.05%～0.1%F.S.)，力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。

2-4、现有栅长为3mm和5mm两种丝式应变计，其横向效应系数分别为5%和3%，欲用来测量泊松比μ=0.33的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布(其应力分布梯度较大)。试问：应选用哪一种应变计?为什么?

答：应选用栅长为5mm的应变计。由公式dRR?(1?2?)?x?d?和dRR???(1?2?)?C(1?2?)??x?Km?x知应

力大小是通过测量应变片电阻的变化率来实现的。电阻的变化率主要由受力后金属丝几何尺寸变化所致部分（相对较大）加上电阻率随应变而变的部分（相对较小）。一般金属μ≈0.3，因此(1+2μ)≈1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。以康铜为例，C≈1，C(1-2μ)≈0.4，所以此时K0=Km≈2.0。显然，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。从结构尺寸看，栅长为5mm的丝式应变计比栅长为3mm的应变计在相同力的作用下，引起的电阻变化大。

2-5、现选用丝栅长10mm的应变计检测弹性模量E=2×1011N/m2、密度ρ=7.8g/cm3的钢构件承受谐振力作用下的应变，要求测量精度不低于0.5%。试确定构件的最大应变频率限。

答：机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、胶层(两者都很薄，可忽略不计)和栅长l而为应变计所响应时，就会有时间的迟后。应变计的这种响应

?迟后对动态(高频)应变测量，尤会产生误差。由

l?lmax??6e?或fmax?vl?6?e?式中v为声波在钢构件中传播的速度；

又知道声波在该钢构件中的传播速度为：

??E?2?1011N/m2?10?3?6?m3;

?7.8?10kg?2?10?9.8Kg?m/s7.8kgvl?822?1.585?10m/s；

4可算得fmax?6|e|?1.585?10m/s10?10?34m6?0.5%?112kHz。

2-6、为什么常用等强度悬臂梁作为应变式传感器的力敏元件? 现用一等强度梁：有效长l=150mm，固

支处宽b=18mm，厚h=5mm，弹性模量E=2×105N/mm2，贴上4片等阻值、K=2的电阻应变计，并接入四等

臂差动电桥构成称重传感器。试问：

1)悬臂梁上如何布片?又如何接桥?为什么?

2)当输入电压为3V，有输出电压为2mV时的称重量为多少?

答：当力F作用在弹性臂梁自由端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面对称位臵上应变大小相当，极性相反，若分别粘贴应变片R1 、R4 和R2 、R3 ，并接成差动电桥，则电桥输出电压Uo与力Fb0hE不随应变片粘贴位臵变化。 成正比。等强度悬臂梁的应变

1）、悬臂梁上布片如图2-20a所示。接桥方式如图2-20b所示。这样当梁上受力时，R1、R4受拉伸力作用，阻值增大，R2、R3受压，阻值减小，使差动输出电压成倍变化。可提高灵敏度。

2）、当输入电压为3V，有输出电压为2mV时的称重量为： 计算如下： Uo?x?6Fl2?UiK?x?UiK6Flb0hE2?F?bhE6KlU2Uoi由公式：代入各参数算F=33.3N；

1牛顿=0.102千克力；所以，F=3.4Kg。此处注意：F=m*g；即力=质量*重力加速度；1N=1Kg*9.8m/s2.力的单位是牛顿（N）和质量的单位是Kg；所以称得的重量应该是3.4Kg。

;

2-7、何谓压阻效应?扩散硅压阻式传感器与贴片型电阻应变式传感器相比有什么优点，有什么缺点?如何克服?

答：“压阻效应”是指半导体材料（锗和硅）的电阻率随作用应力的变化而变化的现象。

优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大，因而输出也大，可以不需放大器直接与记录仪器连接，使得测量系统简化。

缺点是电阻值和灵敏系数随温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大，一般在(3-5)%之间，因而使得测量结果有(±3-5)%的误差。

压阻式传感器广泛采用全等臂差动桥路来提高输出灵敏度，又部分地消除阻值随温度而变化的影响。

2-8 、一应变片的电阻R=120Ω，k=2.05，用作应变片为800μm/m的传感元件。

a.求ΔR/R和ΔR；

b.若电源电压U=3V，惠斯登电桥初始平衡，求输出电压U0。 答：dRR??(1?2?)?C(1?2?)??x??3dlKm?x此处

l??x=800μm/m；所以

dRR?km?x?1.64?10?3；

?R?1.64?10?R1R1?120?0.197?；

全桥电路连接时，输出电压可按下式计算：

U0?U式中n＝R2/R1，为桥臂比；此处取四个电阻相等，所以n=1；算得U0=4.92mV。

2-9、在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的应变片R1和R2，

把这两片应变片接入差动电桥（如图2-19），若钢的泊松系数μ=0.285，应变片的灵敏度系数k=2，电桥电源电压U=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片的电阻变化ΔR1=0.48 Ω，求电桥的输出电压U0为多少？

图2-12a半桥电路

答：由?R1R1可求的轴向应变系数?x??K?x轴向应变引起的电阻变化；

?R1R1K?0.48120?2?0.002;总的应

变系数???x??y??1????x?1.285?0.002?0.00257；

又 U0?Ui4?k???2.57mV

或：也可以根据分压定律来做。得U0=2.567mV。

习题3

3-1 分析比较变磁阻式自感传感器、差动变压器式互感传感器和涡流传感器的工作原理和灵敏度。 答：1）、变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。

变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。

2）、差动变压器式互感传感器：把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接。应用最多的是螺线管式差动变压器可测量1-100mm的机械位移量，灵敏度高。

3）、涡流传感器的工作原理是根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体臵于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。灵敏度高。

3-2 试设计一个测量空气压缩机主轴径向振动的传感器和测量系统，画出原理框图并简述工作过程。

答：采用变隙电感式传感器，使衔铁与主轴端面相连，或直接用主轴端面做衔铁。根据主轴轴向振动的幅值，安放好铁心和线圈。这样，当主轴轴向振动时，就会改变气隙的大小，使流过线圈的电流发生变化。从电流波形幅值就可以测出振动的幅值和频率值。

3-3 某线性差动变压器式传感器激励电源工作频率为200Hz，峰-峰为6V，若衔铁运动频率为20Hz的正弦波，它的位移幅值为±2mm，已知传感器的灵敏度为2V/mm，试画出激励电压、输入位移和输出电压波形，并画出适当的测量电路。

答：参照P57页图3-15和3-16图。采用相敏检波电路，测出位移的变化值。 3-4 什么是涡流？电涡流传感器为什么属于电感传感器？（提示：从其等效电路的阻抗计算来说明。） 答：根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体臵于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流。

电涡流传感器的敏感元件是线圈，当给线圈通以交变电流并使它接近金属导体时，线圈产生的磁场就会被导体电涡流产生的磁场部分抵消，使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。所以，属于电感传感器。

习题4

4-1 有一只变极距电容传感元件，两极板重叠有效面积为8×10-4m2，两极板间的距离为1mm，已知空气

的相对介电常数是1.0006，试计算该传感器的位移灵敏度。

kg??C/C0???1答：由变极距型电容传感器知识可知，其位移灵敏度由已知条件可知

4-2 简述电容式传感器的工作原理。

C??0，

?0?1，代入数据可以求得：kg?1。

?S?答： 有物理知识可知，物体间的电容量

??r?0S?，电容式传感器的基本原理就是基于物体

?或?发生变化时，间的电容量与其结构参数之间的关系来实现。也即当被测参数变化使得上式中的S、

电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化?C，这就组成了电容式传感器。

4-3 电容式传感器的测量电路有哪些？

答： 电容式传感器的测量转换电路主要有调频式电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥电路、脉冲宽度调制电路等。 4-4 简述电容式传感器的优点。65

答： 电容式传感器的优点体现在：

1) 结构简单，体积小，分辨率高；2) 可实现非接触测量；3) 动态响应好；4) 温度稳定性好，本身发热极小；5) 能在高温辐射和强振动等恶劣环境下工作。

4-5 采用运算放大器作为电容传感器的测量电路，其输出特性是否为线性？为什么？

???C?U?U0i?S答：采用运算放大器作为电容传感器的测量电路时，其输出/输入特性关系为：。

可见运算放大器的输出电压与极板间距离?成线性关系。因此，运算放大器式电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。但要求输入阻抗Zi及放大倍数足够大。同时，为保证仪器精度，

还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定。

习题5

5-1 为什么压电式传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量中？而且是频率越高越好？ 答：压电式传感器的测量基于压电效应，而且在测量时必须保证：压电元件在产生压电效应过程中必须没有电荷泄露。在做静态测量时，要做到外力作用在压电元件时所产生的电荷能在无泄漏的情况下进行完全保存，这实际上是不可能的，因此压电式传感器用于静态测量是不合适的。要实现测量时电荷无泄漏的条件，只有使压电元件在交变力的作用下，才能够促使压电效应产生的电荷不断得到补充，以供给测量回路一定的电流，因此说压电传感器只能用于动态测量。而且频率越高，补充电荷的时间越短，保证测量时的无电荷泄露效果更好。

5-2 简述石英晶体和压电陶瓷的工作原理？

答：石英晶体属于压电晶体，工作原理是压电效应，对其加力后，会产生纵向压电效应和横向压电效应等。

压电陶瓷的是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。其工作原理也是压电效应，但要使压电陶瓷产生压电性，必须先对其进行极化处理。 5-3 简述压电式传感器的特点及主要的应用？

答：压电式传感器的特点体现在：

（1）灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长；

（2）体积小，重量轻，刚度、强度、承载能力和测量范围大，动态响应频带宽，动态误差小； （3）易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测。 压电式传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

5-4 简述压电点火元件的工作原理？

答：图5-13是利用压电陶瓷制造的发火元件示意图，其工作原理为：当压电陶瓷元件接受机械冲击时，即刻产生高压脉冲电压可达数千伏，瞬间电流可达数万安，并在电极尖端放电而产生电弧。能用于电子打火机、燃灶、导弹引爆器中的点火器的发火元件。

如图5-13所示液化气电子点火装臵具体操作过程是：

当迅速按下手动凸轮开关1时，气阀6打开，同时凸轮凸出部分推动冲击砧2，冲击砧对弹簧3向左压缩，当凸轮凸出部分离开冲击砧时，冲击砧在弹簧弹力作用下，迅速撞击陶瓷压电组件4，压电效应产生，在其两极面上产生大量电荷，通过导线5在尖端放电产生火花，液化气被着火点燃。

习题6

6-1 简述变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理。

答：磁电式传感器（也称电磁感应传感器）：它是基于电磁感应原理工作的传感器。利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势。改变磁通方法或用线圈切割磁力线方法产生感应电动势，所以磁电式传感器可以分为变磁通式和恒磁通式两种类型。

变磁通式传感器工作原理：产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动，通过磁通Φ的变化产生感应电动势e。变磁通式又称磁阻式，常用于角速度的测量。

恒磁通式传感器工作原理：气隙磁通保持不变，感应线圈与磁铁作相对运动，线圈切割磁力线产生感应电势。

6-2 磁电式传感器的误差及其补偿方法是什么？

答：磁电式传感器的误差包括非线性误差和温度误差两种。

1）磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是：由于传感器线圈内有电流I流过时，将产生一定的交变磁通

?I,此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化。当传感器线圈

相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。结果是线圈

运动速度方向不同时,传感器的灵敏度具有不同的数值，使传感器输出基波能量降低，谐波能量增加，即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然，传感器灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性失真越严重。

对非线性误差的补偿采用在传感器中加入补偿线圈，补偿线圈中通以经放大K倍的电流。适当选择补偿线圈参数，可使其产生的交变磁通与传感线圈本身所产生的交变磁通互相抵消，从而达到减小非线性误差的目的。

2）磁电式传感器产生温度误差的原因主要是由于铜质线圈材料的长度、电阻值以及铁磁材料的磁感应强度等因素受温度变化的影响，因而会产生一定的温度误差。

对温度误差的补偿通常采用热磁分流器。热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度升高时，热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。

6-3 磁电式传感器测量扭矩的工作原理是什么？

答：磁电式传感器测量扭矩的工作原理：当扭矩作用在扭转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压和

u2u1存在相位差。这个相位差与扭转轴的扭转角成正比。这样，传感器就可以把扭矩引起的扭转角转

换成相位差的电信号。

6-4 什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？

答：臵于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。

UH?RHIBd?KHIB 霍尔器件工作产生的霍尔电势为

，由表达式可知，霍尔电势UH正比于激励

电流I及磁感应强度B，其灵敏度KH与霍尔系数

RH成正比，而与霍尔片厚度d成反比。

6-5 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？怎样补偿？

答：影响霍尔元件输出零点的因素主要是霍尔元件的初始位臵。

霍尔位移传感器，是由一块永久磁铁组成磁路的传感器，在霍尔元件处于初始位臵?x?0时，霍尔电势UH不等于零。霍尔式位移传感器为了获得较好的线性分布，在磁极端面装有极靴，霍尔元件调

H整好初始位臵时，可以使霍尔电势U＝0。

6-6 温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？ 答：霍尔元件的灵敏系数KH是温度的函数，关系式为：

KH?KH0?1???T?，大多数霍尔元件的温

度系数?是正值，因此，它们的霍尔电势也将随温度升高而增加αΔT倍。 补偿温度变化对霍尔电势的影响，通常采用一种恒流源补偿电路。基本思想是：在温度增加的同时，让激励电流I?相应地减小，并能保持KH?I?乘积不变，也就可以相对抵消温度对灵敏系数KH增加的影响，从而抵消对霍尔电势的影响。

6-7 试证明霍尔式位移传感器的输出电压U答：略

6-8 试分析霍尔元件输出接有负载RL时，利用恒压源和输入回路串联电阻R进行温度

补偿的条件。

答：略

6-9 要进行两个电压U1、U2乘法运算，若采用霍尔元件作为运算器，请提出设计方案，

并画出测量系统的原理图。 答：略

H与位移?x成正比关系。

习题7

7-1在炼钢厂中，有时直接将廉价热电极（易耗 品，例如镍铬、镍硅热偶丝，时间稍长即熔化）插入钢水中测量钢水温度，如图 7-27所示。试说明测量钢水温度的基本原理？为什么不必将工作端焊在一起？ 要满足哪些条件才不影响测量精度？采用上述方法是利用了热电偶的什么定律？如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？为什么？

答：测量钢水温度的基本原理是利用了热电效应；因为钢水是导体，又处在同一个温度下，把钢水看作是第三导体接入，利用了热电偶的导体接入定律；如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料不行，因为，塑料不导电，不能形成热电势。

1 —钢水包； 2—钢熔融体； 3—热电极A 、 B4 、7—补偿导线接线柱

5—补偿导线 6—保护管 8—毫伏表 9、10 —毫伏表接

图7—27 用浸入式热电偶测量熔融金属示意图

7-2用热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿的方法有哪几种？

答：由热电偶测温原理已经知道，只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在实际应用时，往往由于热电偶的热端与冷端离得很近，冷端又暴露于空间，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。为此常采用下述几种冷端温度补偿或处理方法：

（1）冰浴法：在实验室条件下常将热电偶冷端臵于冰点恒温槽中，使冷端温度恒定在0℃时进行测温，这种方法称为冰浴法；（2）冷端温度修正：热电偶分度表是以冷端温度为0℃为基础而制成的，所以如欲直接利用分度表根据显示仪表的读数求得温度必须使冷端温度保持为0℃；（3）冷端补偿导线：实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度和周围环境温度的影响；（4）冷端补偿器；（5）仪表机械零点调整法。 7-3热电阻温度计有哪些主要优点？

答：热电阻具有：（1）高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。（2）化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。（3）良好的输出特性。即有线性的或者接近线性的输出。（4）良好的工艺性，适合批量生产、降低成本。 7-4热电偶结构由哪几部分组成？

答：热电偶的基本结构是由热电极、绝缘材料、保护管和接线端子组成。 7-5用镍铬-镍硅（K）热电偶测温度，已知冷端温度t0为40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电势为29.186mV ，求被测点温度？

答：查K分度表，热电偶在40℃时相对于0℃的热电势为：1.6118mV;

由公式：U(t,0)?U(t,40)?U(40,0) =29.186+1.6118mV=30.798mV;

查K分度表得被测点温度值为：740℃。

7-6图7-29为利用 XCT-101 型动圈仪表组成的热电偶测温、控温电路。请正确连线。

答：主回路：380V交流电从接线排引入，经过交流接触器，到退火电炉主加热回路。

检测回路：取220V单相电给控制盒，获得低压直流电，给检测回路供电；热电偶接入控制盒输入端，

经内部处理电路，控制直流继电器线圈，用直流继电

器的常开触点控制交流接触器的线圈电压。L1火线经图 7—29 利用 XCT-101 型动圈仪表组成热电偶测温、控温电路

过交流接触器的线圈一端，线圈另一端接直流继电器的常开触电端，直流继电器的公共端接交流电的零线。使得当直流继电器吸合时，交流接触器线圈得点，吸合。

工作过程：上电后，热电偶传感器检测退火炉中的温度，当温度低于要求的温度点时，交流接触器线圈得电吸合，退火炉加热；当传感器检测到退火炉的温度高于要求值后，控制直流继电器释放，交流接触器线圈失电，主回路断电，退火炉不加热。从而达到控制炉温在设定的范围。

7-7请简要叙述一下热敏电阻的优缺点及改进措施。

答：热敏电阻的优点：

（1）灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10~6℃的温度变化； （2）工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；

（3）体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度； （4）使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择； （5）易加工成复杂的形状，可大批量生产； （6）稳定性好、过载能力强． 缺点是：互换性差，非线性严重。

用热敏电阻测温，提高精度的改进措施：由于热敏电阻的非线性，采用并联一个固定阻值的温度特性反得的电阻，或在电路处理上，采用分段处理，提高精度；对于互换性差的处理，在电路上增加调节电位器，在更换新的热敏电阻后，重新标定（调整电路的零点和满量程）。

7-8要测1000℃左右的高温，用什么类型的热电偶好？要测1500℃左右的高温呢？

答：根据不同分度的热电偶的特性。测1000℃左右的高温选用热电偶时要考虑：测温范围，价格等因素。K分度热电偶的热电势大，线性好，稳定性好，价廉；多用于工业测量，测温范围-270?1370℃；可选。还可选N分度的。

要测1500℃左右的高温，选择热电偶可选S系列、R系列和B系列，测温范围：-50?1768；B分度的太贵，R系列的性能稳定，还原性好，但不能在金属蒸汽中使用。

7-9使用k型热电偶，基准接点为0℃、测量接点为30℃和900℃时，温差电动势分别为1.203mV和37.326mV。当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为多少？

答：由公式U(900,0)?U(900,30)?U(30,0)，得：U(900,30)?U(900,0)?U(30,0)? 当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为:37.326-1.203=36.123mV。

习题8

8-1什么叫光电效应？光电效应有哪几种？什么叫外光电效应、内光电效应、光电导效应、光生伏特效

应？ 答：1）、光电效应：当一个光子和原子相碰撞时，将其能量全部交给某一轨道电子，使它脱离原子，光子则被吸收，这种现象称为光电效应。 2）、光电效应分为外光电效应、内光电效应和光电伏特效应三种。

3）、外光电效应：在光线作用下，物体内的电子溢出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。 4）、内光电效应:在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为。 5)、光电导效应：在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子—空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。

6）、光电伏特效应：在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光电伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。

8-2提高光电倍增管放大倍数的正确方法是什么？为什么不用增加倍增级数的方法来提高光电倍增管

的放大倍数？ 答：提高光电倍增管放大倍数的正确方法是在光电倍增管的外部加一个磁屏蔽筒，减少外部磁场对光电倍增管工作的影响。从而提高光电倍增管的灵敏度，减小噪音。增加电子光学系统提高电子收集率，减小度越时间；

光电倍增管的放大倍数和阳极输出电流随所加电压的kn次方指数变化。增加倍增级数的方法，使管的体积增大，并使阳极电压提高，暗电流增大；材料的二次发射系数随一次电子的能量达到一定值之后反而会减小。

8-3光电倍增管产生暗电流的原因是什么？如何减小或消除之？

答：倍增管产生暗电流的原因有：光电阴极和倍增电极的热电子发射；阴极与其它各电极之间的漏电流；产生漏电流的原因有二：一是多余的铯原子沉积于各电极之间，导致绝缘电阻下降；二是管基受潮，使玻璃内硅酸盐水解形成电解液，导致绝缘电阻下降，离子反馈和光反馈，场致发射。

减小倍增管的暗电流的方法是：尽量减小光电阴极与倍增电极的热电子发射；消除管内多余的铯原子和保持管壳干燥；将管内抽成真空，清除离子反馈和光反馈；将管内电极边缘转弯、尖角修圆，减小场致发射。

8-4光敏三极管与普通三极管有何异同？

答：光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，有的光敏三极管也是三条腿；不同点：光敏三极管的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏三级管是光驱动（当有光照时才导通），而普通三极管是电驱动（当加有基极电流时才导通）。

8-5光纤按工作原理分类可以分为哪几类？按信息传输形式分类可以分为哪几类？

答：光纤按工作原理分类可以分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型（Functional Fiber，缩写为FF）传感器，又称为传感型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化，这类传感器称为非功能型（Non Functional Fiber，缩写为NFF）传感器，又称为传光型传感器。

按信息传输形式分类可以分为：单模光纤和多模光纤。

8-6光纤传感器按其传感器原理分类分为哪些？光纤传感器有哪几种不同的调制形式？

答：光纤按工作原理分类可以分为两大类：功能型传感器，又称为传感型传感器；传光型传感器。 光纤传感器的调制形式主要有：光强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、颜色调制等。（查甘肃科技学报1991年第1期）。 8-7光纤传感器具有哪些特点？

答：光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点，如不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕

曲，灵敏度高，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。 8-8红外光有哪些特点？红外测温有何特点？

答：红外光是一种不可见光，波长范围大致在0.76～1000μm，它的物理本质是热辐射，红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。 红外测温的特点：利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。红外测温是一种非接触式测温技术，它具有以下 特点： （1）非接触测量； （2）反应时间快，十分之几秒； （3）灵敏度高，0．1℃ 的温度分辨率和毫米级的空间分辨率； （4）测温范围广，零下几十度到上千度。 由于测量时无需接触被测物体，因此可安全地检测难以接触的物体的温度，并且对被测物体无污染和损坏。 便携式红外线温仪由于随身携带方便，操作简便， 能用于多方面的目标温度检测，被广泛应用于设备故障诊断、暖通、铁路、石油、化工、冶金、玻璃、金属加工 等领域。

习题9

9-1 半导体气敏传感器有哪几种类型？

答：半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面，还是在内部，可分为表面控制型和体控制型；按照半导体变化的物理性质，可分为电阻型和非电阻型两种。

9-2 试叙述表面控制型半导体气敏传感器的工作原理。

答：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的成分或浓度；而非电阻型半导体气敏传感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。

9-3 为什么多数气敏器件都附有加热器？

答：无论哪种类型（薄膜、厚膜、集成片或陶瓷）的气敏元件，其内部匀有加热丝，一方面用来烧灼元件表面油垢或污物，另一方面可起加速被测气体的吸、脱作用。加热温度一般为200℃~400℃ 9-4 如何提高半导体气敏传感器对气体的选择性和气体检测灵敏度？

答：改善气敏元件的气体选取择性常用的方法：

①向气敏材料掺杂其他金属氧化物或其他添加物； ②控制气敏元件的烧结温度； ③改善元件工作时的加热温度。

一般用金属或金属氧化物材料的催化作用来提高气体检测的灵敏度。 9-5 利用热导率式气敏传感器原理，设计一真空检测仪表，并说明其工作原理。

答：每种气体都有固定的热导率，混合气体的热导率也可以近似求得。因为以空气为比较基准的校正比较容易实现，所以用热导率变化法测气体浓度时，往往以空气为基准比较被测气体。其基本测量电路如图9-32所示，其中F1、F2可用不带催化剂的白金线圈制作，也可用热敏电阻。F2内封存入已知的比较气体，F1与外界相通，当被测气体与其相接触时，由于热导率相异而使F1的温度变化，F1的阻值也发生相应变化，电桥失去平衡，电桥输出信号的大小与被测气体的种类中浓度有确定的关系，这类气体传感器因为不用催化剂，所以不存在受催化

剂影响而使特性变坏的问题，它除了用于测量可燃性气体图9-32热导率气敏元件测量电路原理图 外，也可用于无机气体及浓度的测量。

9-6 湿敏传感器的原理是什么?简述其类型特征及用途。

答：氯化锂湿敏电阻是利用吸湿盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±5%，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短。

半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。

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