11月4日复习题解析

第1章 概述

一、学习要求

1、熟练掌握传感器的定义、组成 2、掌握传感器的分类 二、知识回顾

1、传感器的定义：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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

2、典型组成：基本部分包括敏感元件和转换元件，另外还有信号调理与转换电路、辅助电源等。

3、传感器的共性：就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量输入转换成电量输出。

4、传感器的分类：

按传感器的输入量（即被测参数）进行分类 按传感器的输出量进行分类：模拟和数字

按传感器的工作原理进行分类：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁敏式、热电式、光电式。

按传感器的基本效应进行分类：物理、化学、生物 按传感器的能量关系进行分类：有源和无源型

按传感器所蕴含的技术特征进行分类：普通和智能型 三、作业题 1.2、1.3、1.4 四、习题 选择题

1、 下列不属于按传感的工作原理进行分类的传感器是（ ） A．应变式传感器 B．化学型传感器 C．压电式传感器 D．热电式传感器

2、随着人们对各项产品技术含量要求的不断提高，传感器也朝向智能化方向发展。其中，典型的传感器智能化结构模式是（ ）

A．传感器+通信技术 B．传感器+微处理器 C．传感器+多媒体技术 D．传感器+计算机 3、传感器主要完成两方面的功能：检测和（ ） A．测量 B．感知 C．信号调节 D．转换

第2章 传感器的基本特性

一、学习要求

1、掌握传感器静态特性与动态特性的基本概念； 2、掌握传感器的传感器静态特性基本参数与指标；

3、掌握传感器动态响应的特性指标与分析、频率响应的特性指标与分析； 二、知识回顾

1、传感器的静态特性：是它在稳态信号作用下的输入-输出关系。衡量静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。

?Ldy输出量的变化线性度：?L??max?100% 灵敏度：Sn? ?YFSdx输入量的变化 1

分辨率：是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。 迟滞：?H??Hmax?Rmax?100% 重复性：?R???100% YFSYFS漂移：是指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象，主要有零点漂移和温

度漂移。

2、传感器的动态特性：是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。

传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。在采用阶跃输入研究传感器的时域动态特性时，常用延迟时间、上升时间、响应时间、超调量等来表征传感器的动态特性。在采用正弦输入信号研究传感器的频域动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性。 3、一阶传感器的动态特性

阶跃响应函数：y(t)?Sn(1?e)A0

??t时域动态特性指标：时间常数。 频域动态特性：传递函数：H(s)?幅频特性A(?)?11?(??)21 ?s?1??) 相频特性?(?)??arctan(4、二阶传感器的动态特性： 阶跃响应函数：y(t)?Sn[1?e??n?t1??2sin(1???nt?arctan21??2?)]A0

时域动态特性指标：时间常数、延迟时间、上升时间、峰值时间、响应时间、超调量。 ?n传递函数：H(s)?2 2s?2??ns??n2幅频特性：A(?)?[1?(1?22?)]?4?2()2?n?n 相频特性：?(?)??arctan2?(?/?n)

1?(?/?n)2三、作业题

2.1、2.4、2.7、2.8、2.9、2.10

2.7用某一阶传感器测量100Hz的正弦信号，如要求幅值误差限制在?5%以内，时间常数应取多少？如果用该传感器测量50Hz的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少？ 解：一阶传感器频率响应特性：H(j?)?11 ，幅频特性：A(?)?

2?(j?)?11?(??)由题意有A(j?)?5% ，即

11?(??)?5%

又??2??2?f?200? ，所以0???0.523ms ，取??0.523ms T2

(1/1?(??)2)?1幅值误差：?A(?)??100%??1.32%

1相位误差：??(?)??arctan(??)??9.30 2.8某温度传感器为时间常数??3s的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器温差的三分之一和二分之一所需的时间。 温差为二分之一时，t=2.08s 温差为三分之一时，t=1.22s

2.9 玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传给水银，可用一阶微分方程来表示。现已知某玻璃水银温度计特性的微分方程是2dy，x代表输入温度（℃）。?y?x，y代表水银柱高（m）

dt求该温度计的时间常数及灵敏度。 ?=2s ; Sn?1

2.10 某传感器为一阶系统，当受阶跃函数作用时，在t=0时，输出为10mV，在t=5s时，输出为50mV；在t??时，输出为100mV。试求该传感器的时间常数。 ?=8.5s

四、习题 （一）、选择题

1、一阶传感器输出达到稳态值的90%所需要的时间是（ ）

A．延迟时间 B．上升时间 C．峰值时间 D．响应时间 2、传感器的下列指标全部属于静态特性的是（ ） A．迟滞、重复性、漂移

B．幅频特性、相频特性、时间常数 C．线性度、灵敏度、阻尼系数 D．精度、时间常数、重复性

3、传感器的下列指标全部属于动态特性的是（ ）

A．迟滞、灵敏度、阻尼系数 B．幅频特性、相频特性 C．重复性、漂移 D．精度、时间常数、重复性

4、已知某温度传感器的时间常数??3s的一阶系统，当受到突变温度作用后，传感器输出指示温差的三分之一所需的时间为（ ） A．3 B．1 C．1.2 D．1/3 （二）、填空题 1、某位移传感器，当输入量变化5mm时，输出电压变化300mV，其灵敏度为（60 mV/ mm）。

第3章 电阻式传感器

一、学习要求

1、掌握应变、应变效应的基本概念； 2、 掌握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性； 3、掌握产生电阻应变片温度误差的主要原因及其补偿方法。 二、知识回顾

1、应变：是物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。

应变电阻式传感器的基本工作原理：当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩

3

或压力等的作用下发生形变，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的电阻应变片，引起敏感元件的电阻值发生变化，通过测量电路变成电压等电量输出。输出的电压大小反映了被测物理量的大小。 2、 应变效应

电阻丝的灵敏度系数：K?金属应变片：K?1?2? 半导体应变片：K????R/R??1?2??????

?????/???E?/???E

3、 温度误差及补偿：

电阻温度系数的影响：?R??Rt?R0?R0?0?t

试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响：?R??KR0???KR0(?g??s)?t 补偿方法：电桥补偿法。 4、 直流电桥 电桥平衡条件：

R1R3?，即相邻两臂电阻比值相等。 R2R4U0n?E，半桥加倍，全桥再加倍

?R1/R1(1?n)2电压灵敏度（单臂）KU?单臂时非线性误差：?L?5、交流电桥 电桥平衡条件：

?R1/R1

2??R1/R1R4C1R2?? R3C2R1三、作业题

3.2、3.3、3.5、3.6、3.7、3.8 1、（作业3.5）如果将100?应变片粘贴在弹性元件上，试件截面积S?0.5?10?4m2，弹性模量E?2?1011N/m2，若5?104N的拉力引起应变计电阻变化为1?，求该应变片的灵敏度系数。 解：K??R?R1/?，已知?R?1?，所以? RR100F50?103???N/m2?1?109N/m2， ?4A0.5?101?109由??E?得????5?10?3， 11E2?10?所以K??R/R??1/100?2

5?10?32、（作业3.6）一个量程为10kN的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm，内径18mm，在其表面粘贴八个应变片，四个沿轴向粘贴，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120?，灵敏度为2.0，泊松比为0.3，材料弹性模量为2.1?1011Pa，要求：

（1）绘出弹性元件贴片位置及全桥电路。

（2）计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化。

（3）当桥路的供电电压为10V时，计算传感器的输出电压。 解：（2）A??(R2?r2)?59.7?10?6m2

4

FR?0.191? AE?R5??R6??R7??R8????R1??0.0573? ?R1??R2??R3??R4?k（3）U0?1mV 3、（作业3.7）下图中，设负载电阻为无穷大（开路），图中，E=4V,R1?R2?R3?R4?100?.

(1) R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量?R1?1.0?时，试求电桥的输出

电压U0； (2) R1和R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余外外接电

阻，试求电桥的输出电压U0；

(3) R1和R2都是应变片，且批号相同，感应应变的大小为?R1??R2?1.0?，但极性

相反，其余外外接电阻，试求电桥的输出电压U0。 解：（1）U0?E[（2）U0?E[R3R1??R11011?]?4?(?)V?0.01V

(R1??R1)?R2R3?R42012R3R1??R11011?]?4?(?)V?0V

(R1??R1)?(R2??R2)R3?R42012（3）当R1受拉应变，R2受压应变时，

U0?E[R3R1??R11011?]?4?(?)V?0.02V

(R1??R1)?(R2??R2)R3?R42002R3R1??R1991?]?4?(?)V??0.02V

(R1??R1)?(R2??R2)R3?R42002当R1受压应变，R2受拉应变时，

U0?E[4、（作业3.8）下图中为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片的灵敏系数为K?2.05，

未受应变时，R1?120?。当试件受力为F时，应变片承受平均应变??800?m/m，试求： （1）应变片的电阻变化量?R1和电阻相对变化量?R1/R1；

（2）将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥输出电压及其非线性误差。 （3）如果要减小非线性误差，应采取何种措施？分析其电桥输出电压及非线性误差的大小。

解：（1）?R1/R1?K??2.05?800?10?6?1.64?10?3

5

?R1?K??R1?1.64?10?3?120?0.197?

（2）U0?E?R13???1.64?10?3?1.23mV 4R14?R1/R11.64?10?3?L???0.08%

2??R1/R12?1.64?10?3（3）若要减小非线性误差，一是要提高桥臂比，二是要采用差动电桥。

四、习题 （一）、选择题

1、影响金属导电材料应变灵敏系数K的主要因素是（ ） A．导电材料电阻率的变化 B．导电材料几何尺寸的变化 C．导电材料物理性质的变化 D．导电材料化学性质的变化 2、电阻应变片的线路温度补偿方法有（ ）

A．差动电桥补偿法 B．补偿块粘贴补偿应变片电桥补偿法 C．补偿线圈补偿法 D．恒流源温度补偿电路法

3、当应变片的主轴线方向与试件轴线方向一致，且试件轴线上受一维应力作用时，应变片灵敏系数K的定义是（ ）

A．应变片电阻变化率与试件主应力之比 B．应变片电阻与试件主应力方向的应变之比

C．应变片电阻变化率与试件主应力方向的应变之比 D．应变片电阻变化率与试件作用力之比 4、由（ ）、应变片及一些附件（补偿元件、保护罩等）组成的装置称为应变式传感器。 A．弹性元件 B．调理电路 C．信号采集电路 D．敏感元件 （二）、填空题

1、金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称（ ）效应；固体受到作用力电阻率要发生变化，这种现象称为（ ）效应。

2、要把微小应变引起的微小电阻变化精确的测量出来，需采用特别设计的测量电路，通常采用（ ）或（ ）。

第4章 电感式传感器

一、学习要求：

1、掌握变磁阻电感式传感器的工作原理、输出特性、测量电路及典型应用。 2、掌握差动变压器式传感器的输出特性和灵敏度。 二、知识回顾

1、变磁阻电感式传感器

2N2N?0A0?工作原理：L? Rm2?输出特性：灵敏度K??L/L1? ???0测量电路：交流电桥、变压器式交流电桥、谐振式测量电路

2、差动变压器电感式传感器

当衔铁位于中间位置时：输出电压为0

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???当衔铁上移??时，U0??当衔铁下移??时，U0??N2?Ui ?0N1??N2?Ui ?0N1?N2Ui灵敏度K?

N1?0零点残余电压产生的原因：3点，消除的办法：2点（62页） 三、作业题 4.3、4.9

（作业4.3）已知变气隙厚度电感式传感器的铁芯截面积S?1.5cm2，磁路长度L?20cm，相对磁导率?r?5000，气隙

?0?0.5cm， ????0.1mm，真空磁导率?0?4??10?7H/m，线

圈匝数W?3000，求单线圈式传感器的灵敏度?L/??。若将其做成差动结构，灵敏度如何变化？

???L解：?L?L0 ,K??0??W2?0A030002?4??10?7?1.5?10?4L0??H?54??10?3H ?22?02?0.5?1054??10?3所以：K??10.8??34，做成差动结构形式灵敏度将提高一倍。

0.5?10?2四、习题 （一）、选择题

1、电感式传感器的常用测量电路不包括（ ） A．交流电桥 B．变压器式交流电桥 C．脉冲宽度调制电路 D．谐振式测量电路 2、下列说法正确的是（ ）

A．差动整流电路可以消除零点残余电压，但不能判断衔铁的位置 B．差动整流电路可以判断衔铁的位置和运动方向

C．相敏检波电路可以判断位移的大小，但不能判断位移的方向 D．相敏检波电路可以判断位移的大小和位移的方向 3、零点残余电压产生的原因不包括（ ） A．传感器的两个次级绕组的电气参数不同 B．传感器的两个次级绕组的几何尺寸不对称 C．磁性材料磁化曲线的非线性 D．环境温度的升高 （二）、填空题

1、电感式传感器是建立在（ ）基础上的，电感式传感器可以把输入的物理量转换为（ ）或（ ）的变化，并通过测量电路进一步转换为电量的变化，进而实现对非电量的测量。

2、与差动变压器传感器配用的测量电路中，常用的有两种：（ ）电路和（ ）电路。

3、差动变压器结构形式有（ ）、（ ）和（ ）等，但它们的工作原理基本一样，都是基于（ ）的变化来进行测量的，实际应用最多的是（ ）

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变压器。

第5章 电容式传感器

一、学习要求：

1、掌握平板或圆筒电容式传感器的电容量表示 2、掌握电容式传感器的三种类别

3、掌握变面积型电容器的分类及测量原理；掌握变介质型、变极距型、差动变极距型电容式传感器的测量原理

4、掌握变极距、差动变极距型电容式传感器的灵敏度及其相对非线性误差分析方法 二、知识回顾

??A1、平板电容器分为变面积型、变介质型和变极距型，电容计算公式为C?0r

d2??0?rl2、圆筒电容器分为变面积型和变介质型，电容计算公式为C?

ln(R/r)3、变面积型：对于平板测线位移，

?C?x?? C0a2?h?0(?1?1)

ln(D/d) 变介质型：对于圆筒型，?C?C?C0?变极距型：?C?C0?d?d，非线性误差???100% d0d04、测量电路：调频电路、运算放大器、变压器式交流电桥、二极管双T型交流电桥、脉冲

宽度调制电路。 三、作业 5.2，5.8

5.2一个以空气为介质的平板电容式传感器结构如图5-3a所示，其中a=10mm、b=16mm，两极板间距d0?1mm。测量时，一块极板在原始位置上向左平移了2mm，求该传感器的电容变化量、电容相对变化量和位移灵敏度K0(已知空气的相对介电常数?r?1，真空时的介电常数?0?8.854?10?12F/m)。

解：（1）电容变化量

?0?r?xb8.854?10?12?1?2?10?3?16?10?3?C?d0?1?10?3?2.83?10?13

?C?x2mm???0.2 Ca10mm?C2.83?10?13K???1.41?10?10 ?3?x2?10

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5.8（1）?C?9.88?10?3pF

（2）5格 四、习题 （一）、选择题

1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式，其灵敏度将（ ） A．保持不变 B．增大一倍 C．减小一倍 D．增大两倍

2、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（ ） A．灵敏度增加 B．灵敏度减小 C．非线性误差增加 D．非线性误差不变 3、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（ ） A．变间隙式 B．变面积式

C．变介电常数式 D．空气介质变间歇式

4、电容式传感器中输入量与输出量的关系为线性的有（ ） A．变面积型电容传感器 B．变介质型电容传感器 C．变电荷型电容传感器 D．变极距型电容传感器 5、关于差动脉冲宽度调制电路的说法正确的是（ ） A．适用于变极板距离和变介质型差动电容传感器 B．适用于变极板距离差动电容传感器且为线性特性 C．适用于变极板距离差动电容传感器且为非线性特性 D．适用于变面积型差动电容传感器且为线性特性 （二）、简答题

1、根据电容式传感器工作原理，可将其分为几种类型？各适用于什么场合？ （四）、计算题

1、已知两极板电容传感器，其极板面积为A，两极板间介质为空气，极板间距1mm，当极距减少0.1mm时，求其电容变化量和传感器的灵敏度？若参数不变，将其改为差动结构，当极距变化0.1mm时，求其电容变化量和传感器的灵敏度？并说明差动传感器为什么能提高灵敏度并减少非线性误差。

??A?A?0A 解：（1）C0?0r?0?3?1000d01?10?C?C0?d0.1?1000?0A?100?0A d01K??C/C0100?0A/1000?0A?/mm?1/mm ?d0.1?d?200?0A d0（2）差动?C?2C0（3）差动K??dd02?C/C0200?0A/1000?0A?/mm?2/mm ?d0.12??0.1?100%??100%?1%

1第6章 压电式传感器

一、学习要求

1、掌握压电效应、正压电效应、逆压电效应的含义

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2、掌握石英晶体具有压电效应特性的分子结构特性、压电陶瓷的压电特性机理 3、掌握压电式传感器的等效电路与测量电路 4、掌握压电元件并联或串联的特性 二、知识回顾

1、压电效应：就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化而使其表面出现电荷集聚的现象，也称为正压电效应。 逆压电效应

压电材料：石英晶体、多晶陶瓷材料和有机高分子聚合材料

2、石英晶体：电轴、机械轴、光轴、纵向压电效应、横向压电效应。 压电陶瓷的压电特性机理；

压电材料的主要特性参数（压电系数、弹性系数、介电常数、机电耦合系数、电阻和居里点等）及其含义

3、压电式传感器可以等效为一个电荷源和一个电容器并联；也可等效为一个与电容器串联的电压源。

4、与单片时相比，压电元件并联时，正负电极上的电荷量增加了一倍，总电容量增加了一倍，其输出电压与单片时相同；压电元件串联时，电荷量Q与单片时相同，总电容量为单片时的一半，输出电压增大了一倍。 三、作业题

6.1，6.3，6.9，6.12

（作业6.12）将压电式传感器与一只灵敏度为Sv且可调的电荷放大器连接，然后接到灵敏度为Sx?20mm/V的光线示波器上记录，现知压电式压力传感器灵敏度为Sp?5pc/Pa，该测试系统的总灵敏度为S?0.5mm/pa，试问：

（1） 电荷放大器的灵敏度Sv应调为何值（V/pc）?

（2） 用该测试系统测40Pa的压力变化时，光线示波器上光点的移动距离是多少？ 解：（1）因为S?SpSVSX 所以SV?S0.5mm/PamV??5 SPSX5pc/Pa?20mm/Vpc（2）x?S?40Pa?0.5mm?40Pa?20mm Pa

四、习题 （一）、选择题

1、对石英晶体，下列说法正确的是（ ）

A．沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生 B．沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生 C．沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有有电荷产生 D．沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生 2、石英晶体和压电陶瓷的压电效应对比正确的是（ ）

A．压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性也比石英晶体好 B．压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性不如石英晶体好 C．石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性也比压电陶瓷好 D．石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性不如压电陶瓷好

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3、用于厚度测量的压电陶瓷器件利用了（ ） A．磁阻效应 B．压阻效应 C．正压电效应 D．逆压电效应

4、石英晶体在沿电轴X方向的力作用下会（ ）

A．不产生压电效应 B．产生逆向压电效应 C．产生横向压电效应 D．产生纵向压电效应 （二）、填空题

1、压电式传感器可以等效为一个（ ）和一个（ ）并联，也可以等效为一个与（ ）相串联的电压源。

2、压电式传感器使用（ ）时，输出电压几乎不受连接电缆长度的影响。

3、某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复成不带电的状态，这种现象称为（ ）；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称为（ ）效应。

第7章 磁敏式传感器

一、学习要求：

1、掌握电磁感应、霍尔效应的基本概念

2、掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路 3、掌握霍尔式传感器的工作原理 二、知识回顾

1、磁电感应式传感器的基本工作原理、分类（恒磁通和变磁通式）。恒磁通式传感器分为动圈式和动铁式两种结构类型；变磁通磁电感应式传感器分为开磁路和闭磁路两种结构。 磁电感应式传感器可以直接输出感应电动势信号，不需要高增益放大器。磁电感应式传感器只用于测量动态量，可以直接测量线速度或角速度，在其测量电路中接入积分电路或微分电路后还可以测量位移或加速度。

2、霍尔效应：当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。霍尔效应产生的电动势被称为霍尔电动势。 霍尔电动势UH??bUCBIBIB?RH?KHIB，也可以表示为：UH? neddl三、作业

7.5，7.6

（作业7.6）某霍尔元件的尺寸l, b, d分别是1.0cm,0.35cm, 0.1cm, 沿l方向通以电流I?1.0mA，在垂直lb面的方向加有均匀磁场B?0.3T，传感器的灵敏系数为22V/(A*T),试求其输出霍尔电动势及载流子浓度。 解：UH?KHIB?22?1.0?10?3?0.3mV?6.6mV UH?vBb,vb?I?nevbd,n?UH6.6mV??2.2?10?4V/T B0.3TI?2.84?1020/m3 evbd四、习题 （一）、选择题

1、制造霍尔元件的半导体材料中，目前用的较多的是锗、锑化銦，砷化銦，其原因是这些（ ）

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A．半导体材料的霍尔系数比金属的大 B．半导体中电子迁移率比空穴高 C．半导体材料的电子迁移率比较大

D．N型半导体材料较适宜制造灵敏度较高的霍尔元件

2、磁电式传感器测量电路中引入微分电路是为了测量（ ） A．位移 B．速度 C．加速度 D．光强 3、霍尔电动势与（ ）成反比。

A．激励电流 B．磁感应强度 C．霍尔元件宽度 D．霍尔元件厚度 二、填空题

1、霍尔元件的零位误差主要包括（ ）和（ ）。

2、霍尔传感器的灵敏度与霍尔系数成正比而与（ ）成反比。

第8章 热电式传感器

一、学习要求

1、熟练掌握热电效应、热电偶、热电阻、热敏电阻、接触电势、温差电势、工作端（热端）、自由端（冷端）、分度表等概念

2、掌握热电偶的测温原理、基本定律、热电偶的结构与种类、热电偶的冷端温度补偿、热电偶的测温电路。

3、掌握热电阻的温度特性，测量电路（两线制、三线制、四线制） 4、掌握热电阻和热电偶的分度表的使用方法 5、掌握热敏电阻的温度特性。 二、知识回顾

1、热电效应、热电偶、热电阻、热敏电阻、接触电势、温差电势、工作端（热端）、自由端（冷端）、分度表的概念。

2、热电偶的基本中间导体定律、中间温度定律、标准电极定律、均质导体定律。 3、热电偶的测量电路：测量单点的温度、测量两点间的温度差（反极性串联）、测量多点的平均温度（同极性并联或串联）。

4、热电偶的冷端温度补偿方法主要有补偿导线法、冷端恒温法、冷端温度校正法、自动补偿法等。

5、热电阻最常用的材料是铂和铜，它们各自的特点；热电阻的测温线路（两线制、三线制和四线制）。

6、热敏电阻可分为三类，即负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度系数热敏电阻(CTR)。 三、作业题

8.1，8.3，8.5，8.7，8.8，8.9，8.10，8.12，8.15，8.17 四、习题 （一）、选择题

1、热电偶的基本组成部分是（ ）

A．热电极 B．保护管 C．绝缘管 D．接线盒

2、为了减小热电偶测温时的测量误差，需要进行的温度补偿方法不包括（ ） A．补偿导线法 B．电桥补偿法 C．冷端恒温法 D．差动放大法 3、热电偶测量温度时（ ）

A．需加正向电压 B．需加反向电压 C．加正向、反向电压都可以 D．不需要电压

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4、在实际的热电偶测温应用中，引用测量仪表而不影响测量结果是利用了热电偶的哪个基本定律（ ）

A．中间导体定律 B．中间温度定律 C．标准电极定律 D．均质导体定律 C．热惯性小 D．可测局部温度、便于远距离传送与集中检测 5、半导体热敏电阻包括（ ）

A．正温度系数热敏电阻 B．负温度系数热敏电阻 C．临界温度系数热敏电阻 D．非温度系数热敏电阻 （二）、填空题

1、热电动势来源于两个方面，一部分由导体的（ ）构成，另一部分是单一导体的（ ）。

2、补偿导线法常用作热电偶的冷端温度补偿，它的理论依据是（ ）定律。 3、热电阻最常用的材料是（ ）和（ ）。

6、热电阻引线方式有三种，其中（ ）适用于工业测量，一般精度要求的场合；（ ）适用于引线不长，精度要求较低的场合；（ ）适用于实验室测量，精度要求高的场合。

第9章 光电式传感器

一、学习要求：

1、掌握光电效应、内光电效应、外光电效应、亮电阻、暗电流、全反射、数值孔径、莫尔条纹、辩向与细分的概念。

2、掌握CCD图像传感器、光纤、光电式编码器和计量光栅的工作原理。 3、掌握二进制与循环码的相互转换方法。 二、知识回顾

1、光电式传感器的四种基本形式。光电效应及其分类、含义、典型器件；光电器件的工作原理、主要特性。

2、光电耦合器件（CCD）的特点、组成、基本功能；CCD的电荷转移原理。

3、光纤的结构、光纤的入射临界角、全反射的调节、光纤的数值孔径；光纤的分类及各自的特点；引起光纤传输损耗的主要原因；光纤传感器的基本工作原理。 4、光电式编码器的结构（码盘式和脉冲盘式）、工作原理；二进制码、循环码的相互转化方法；脉冲盘式编码器的辨向原理。

5、莫尔条纹的含义及其特点；计量光栅的分类、组成、辨向和细分技术。 三、作业

9.1，9.3，9.4，9.5，9.11，9.16，9.22，9.23，9.27 四、习题 （一）、选择题

1、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（ ）

A．伏安特性 B．光照特性 C．光谱特性 D．频率特性 2、下列关于光敏二极管和光敏晶体管的对比不正确的是（ ） A．光敏二极管的光电流很小，光敏晶体管的光电流则较大 B．光敏二极管与光敏晶体管的暗电流相差不大

C．工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏晶体管； D．光敏二极管的线性特性较差，而光敏晶体管有很好的线性特性

3、光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和（ ）两个重要部件

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A．反光镜 B．透镜 C．光栅 D．光探测器 4、光纤传感器用的光纤主要有两种（ ）

A．单模光纤 B．多模光纤 C．单晶光纤 D．多晶光纤 5、光纤传感器中常用的光探测器有以下哪几种？（ ）

A．光敏二极管 B．光电倍增管 C．光敏晶体管 D．固体激光器 6、当两块光栅的夹角很小时，光栅莫尔条纹的间距（ ） A．与栅线宽度的成正比 B．与栅线间宽成正比 C．与夹角近似成正比 D．与栅距近似成正比

7、现有一个采用4位循环码码盘的光电式编码器，码盘的起始位置对应的编码是0011，终止位置对应的编码是0101，则码盘转动的角度可能会是（ ） A．45度 B．60度 C．90度 D．120度 8、计量光栅的特点是（ ）

A．计量精度高 B．成本低 C．非接触式 D．对环境要求不高 （二）、填空题

1、CCD的突出特点是以（ ）作为信号。

2、光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的（ ）效应，这类元件有（ ）、（ ），第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的（ ），这类元件有（ ），第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向的电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。 3、采用四位二进制码盘能分辨的角度为（ ）。 （三）、计算题

1、试计算n1=1.46, n2=1.45的阶跃折射率光纤的数值孔径。如光纤外部介质的n0=1,求最大入射角的值。

第10章 辐射与波式传感器

一、学习要求：（了解内容）

1、本章知识要点：红外辐射的含义。红外传感器的组成。红外探测器的分类：热探测器和光子探测器。热释电探测器、光子探测器的工作原理。

微波的特点与分类。微波传感器的基本测量原理（反射式和遮断式）、主要组成部分（微波发生器或称微波振荡器、微波天线及微波检测器）及其特点。 超声波的特性；压电式超声波传感器的工作原理。 二、知识回顾（略） （一）、选择题 1、在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和（ ） A．微波区 B．微红外区 C．X射线区 D．极远红外区

2、红外技术广泛应用于工业、军事等领域中，以下应用目前采用了红外技术的有（ ） A．焊接缺陷的无损检测 B．疲劳裂纹探测 C．军事侦察 D．夜晚视觉功能 3、下列关于微波传感器的说法中正确的是（ ） A．不能用普通电子管与晶体管构成微波振荡器 B．可采用普通天线发射微波

C．用电流-电压特性呈线性的电子元件做探测微波的敏感探头

D．微波的绕射能力很好，在传输过程中受烟雾、灰尘等因素的影响较小

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4、以下属于非接触式传感器的有（ ）

A．微波传感器 B．红外传感器 C．超声波传感器 D．光纤传感器

5、若已知超声波传感器垂直安装在被测介质底部，超声波在被测介质中的传播速度为1480m/s，测量时间间隔为200?s，则物位高度为（ ）

A．296mm B．148mm C．74mm D．条件不足，无法求出 6、以下属于超声波测流量的方法有（ ）

A．时差法 B．相位差法 C．频率差法 D．多普勒法 （二）、填空题

1、红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线，但实际上它与其他光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物质，只要它的温度高于（ ），就会向周围空间辐射红外线。

2、根据波长特征，微波可以细分为（ ）、（ ）和（ ）三个波段。

综合设计分析题

1、下图为一圆柱形弹性元件的应变式测力传感器结构示意图。已知弹性元件横截面积为S，弹性模量为E，应变片初始电阻值（在外力F=0时）均相等，电阻丝灵敏系数为K0，泊松比为?

（1）设计适当的测量电路（要求采用全桥电路），画出相应电路图， （2）推导桥路输出电压U0和外力F之间的函数关系式。（提示：?R??R，推导过程中可做适当近似处理）

（3）分析说明该传感器测力的工作原理（配合所设计的测量电路）

2、在如图所示的悬臂梁式测力系统中，在其中部的上下两面各贴两片电阻应变片。已知弹性元件各参数分别为l=30cm, t=3cm, x=0.5l, w=6cm, E?70?105Pa,电阻应变片灵敏系数K=2.5, 且初始电阻值（在外力F=0时）均为R0?100?。

（1）设计适当的测量电路，画出相应电路图；

（2）分析说明该传感器测力的工作原理（配合所设计的测量电路）；

（3）当悬臂梁一端受一向下的外力F=1N作用时，试求四个应变片的电阻值（提示：

?x?6(l?x)； F）

WEt2（4）若桥路供电电压为直流15V时，计算传感器的输出电压及其非线性误差。

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l x R1, R3 t R2, R4 F

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