傳感器技術基礎與應用實訓 課后習題答案匯總（徐軍版） 項目單元1-11

傳感器技術基礎與應用實訓課后習題答案（徐軍版）

項目單元1

1.3課后習題參考答案

1.答：傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路三部分組成。

2.答：目前傳感器主要有幾種分類方法：根據(jù)傳感器工作原理分類法、根據(jù)傳感

器能量轉換情況分類法、根據(jù)傳感器轉換原理分類法和按照傳感器的使用分類

法。常用的分類方法有：

⑴按被測量分類?？煞譃槲灰啤⒘?、力矩、轉速、振動、加速度、溫度、

壓力、流量、流速等傳感器。

（2）按測量原理分類。可分為電阻、電容、電感、光柵、熱電偶、超聲波、

激光、紅外、光導纖維等傳感器。

3.答：敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量構成有確定關系、更易于轉換

為某一物理量的元器件。彈性敏感原件作用就是通過自身物理形變將被測量（如

壓力等）直接或者間接轉化為電參量。

4.答：有絕對誤差和相對誤差

（1）絕對誤差：測量值與被測量真值的差值=

（2）相對誤差：相對誤差是指絕對誤差及與被測量的約定值的百分比值

①實際相對誤差實際相對誤差是指絕對誤差Ar與被測真值A。的百分

比，用7A表示，即

z-^xlOO%（1-9）

4

②示值（標稱）相對誤差示值相對誤差是指絕對誤差盤與被測量值Ax

的百分比，用心表示，即

九=4^x100%（i-io）

4

③引用（滿度）相對誤差引用相對誤差是指絕對誤差?與儀表滿度值

4〃的百分比，用兀"表示，即

Av

匕“=竺xlOO%（1-11）

A,”

5.答：1）按測量過程的特點分類

⑴直接測量法。直接測量是針對被測量選用專用儀表進行測量,直接獲取被測

量數(shù)值的過程。如用溫度計測溫度、電位差計測電勢等。按照所用儀表和比較

過程特點可分為偏差法、零位法和微差法。

⑵間接測量法。用直接測量法測得與被測量有確切函數(shù)關系的一些物理量，

然后通過計算求得被測量值的過程稱為間接測量。

2）按測量儀表的特點分類

按測量儀表特點進行分類，可分為接觸測量法和非接觸測量法。

3）按測量對象的特點分類

按測量對象特點進行分類，可分為靜態(tài)測量法和動態(tài)測量法。

6.0.5級電壓表，即最大測量誤差可達到.皿=4x0.5%

Arw/1=150x0.5%=0.75v,=300x0.5%=1.5v

計算最大真值相對誤差，九加=些=0.68%＜九,,立=—=1.36%

所以選150V量程的電壓表為宜。

7.答：測量誤差產生的原因有：（1）系統(tǒng)誤差。在相同條件下，多次重復測量

同一被測參量時，其測量誤差的大小和符號保持不變，或在條件改變時，誤差按

某一確定的規(guī)律變化，這種測量誤差稱為系統(tǒng)誤差。

（2）隨機誤差。在相同條件下多次重復測量同一被測參量時，測量誤差的大

小與符號均無規(guī)律變化，這類誤差稱為隨機誤差。

（3）粗大誤差。粗大誤差是指明顯超出規(guī)定條件下預期的誤差。

8.答測量單位的符號用拉丁字母表示，一般用小寫體，但具有專門名稱的單位符

號用大寫體，符號后面都不加標點。國際單位制規(guī)定了SI單位的十進倍數(shù)單位

和分數(shù)單位的詞和符號，可查閱相關手冊。

9.答：使用相對真值即為17.95V

所以，絕對誤差為Ac=A*-A=18-17.95=0.05v

相對誤差為：/A=—=-^-=2.78%

4417.95

引用誤差為：幾=包=幽=1.25%

4,40

10.答：1)A、B；2)C；3)B；4)D；5)C；6)B。

項目單元2

課后習題參考答案

L選擇題

CACDCACBDB

2.電阻溫度系數(shù)膨脹系數(shù)

3.電阻值的變化

4.相對橋臂阻值乘積相等

5.沒有關系

6.溫度誤差靈敏度

7.應變片，壓阻效應

8.形變，電阻

9.答：導體、半導體材料在外力作用下發(fā)生機械形變，導致其電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象

稱為應變效應。對金屬材料而言，kO的大小以（1+2口）為主；而對于半導體材料，kO

△PH

的大小以A“，為主。金屬材料應變片其靈敏度較為穩(wěn)定，而半導體材料的靈敏度受多種

因素影響，呈非線性，波動較大。

10.一是電阻式應變片的阻值變動較小,很難用一般的電阻測量儀器測量；二是實際測量系

統(tǒng)中，需要把電阻變化轉換為電壓的變化。故實際一般使用電橋電路進行測量。

11.平衡電橋可以實現(xiàn)溫度自補償功能，所以只需要調節(jié)零點補償即可，而不平衡電橋既需

要零點補償也需要溫度補償電路。

12.單臂電橋在溫度補償中需要在相鄰橋臂加裝補償片或者采用應變片自補償，自補償可

以采用相同規(guī)格應變片對應補償，補償片則是用另一塊和被測試件結構材料相同而不受應力

的補償塊上貼上和工作片規(guī)格完全相同的補償片，使補償塊和被測試件處于相同的溫度環(huán)

境，工作片和補償片分別接入電橋的相鄰兩臂。

13.動態(tài)電阻應變儀組成框圖

14電阻式傳感器，主要包括電阻應變片、電位器、測溫熱電阻、熱敏電阻、濕敏電阻等傳感

器。利用電阻傳感器可以測量力、壓力、位移、應變、荷重、轉矩、加速度、溫度、濕度、

氣體成份及濃度等非電量參數(shù)。電阻式傳感器結構簡單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的還可

用于動態(tài)測量。

15.熱敏電阻是一種新型的半導體測溫元件，它是利用半導體的電阻隨溫度變化的特

性而制成的測溫元件。按溫度系數(shù)不同可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和負溫度系數(shù)熱

敏電阻（NTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CRT）3種。主要特點：靈敏度高，穩(wěn)定性好，過

載能力強，壽命長。

16.作為測溫的熱電阻應具有下列要求：電阻溫度系數(shù)（a）要大，以獲得較高的

靈感度；電阻率（°）要高，以便使元件尺寸可以小；電阻值隨溫度變化盡量呈線性關系，

以減小非線性誤差：在測量范圍內，物理、化學性能穩(wěn)定；材料工藝性好、價格便宜等。

17.答案:（1）Uo=O.01V（2）Uo=O.02V（3）Uo=O.02V

項目單元3

3.6習題參考答案

1.電感式傳感器分為哪幾種類型?各有何特點？

答：電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的一種裝置,

傳感器利用電磁感應定律將被測非電量轉換為電感或互感的變化。

電感式傳感器種類：自感式、互感式、渦流式、壓磁式、感應同步器。

工作原理：自感、互感、渦流、壓磁。

2.比較差動式電感傳感器和差動變壓器式傳感器在結構和工作原理上的異同。

答：自感式傳感器與差動變壓器式傳感器相同點：工作原理都是建立在電磁

感應的基礎上，都可以分為變氣隙式、變面積式和螺旋式等。

不同點：結構上，自感式傳感器是將被測量的變化轉化為電感線圈的電感值

變化。差動變壓器式電感式傳感器是把被測量的變化轉換為傳感器互感的變化,

傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器。

3.說明差動變隙式電感傳感器的主要組成和工作原理，采用差動變隙式電感傳感

器有何優(yōu)點。

答：差動變隙式電感傳感器的主要由兩個結構對稱的電感線圈組成，電氣參數(shù)相

同，共用一個銜鐵，當銜鐵發(fā)生位移時，一個線圈的電感量增加，一個電感量減

小，電感量的變化反應了位移的大小。采用差動變隙式電感傳感器優(yōu)點：1）差

動變隙式電感傳感器靈敏度是單個電感傳感器的兩倍，2）可以改善電感傳感器

的線性。

4.差動變壓器式傳感器的零點殘余電壓產生的原因是什么？

答：零點殘余電壓產生原因：主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾

何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的。零點殘余電壓的波形十分復雜,

主要由基波和高次諧波組成。基波產生的主要原因是：傳感器的兩次級繞組的電

氣參數(shù)、幾何尺寸不對稱，導致它們產生的感應電勢幅值不等、相位不同，因

此不論怎樣調整銜鐵位置，兩線圈中感應電勢都不能完全抵消。高次諧波（主

要是三次諧波）產生原因：是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。零

點殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使用時，應設法減小Ux,否則將會影

響傳感器的測量結果。

5.什么是電渦流效應?怎樣利用電渦流效應進行位移測量？

答：電渦流效應是指金屬導體置于交變磁場中會產生電渦流，且該電渦流所

產生磁場的方向與原磁場方向相反的一種物理現(xiàn)象。電渦流傳感器的敏感元件是

線圈，當給線圈通以交變電流并使它接近金屬導體時，線圈產生的磁場就會被導

體電渦流產生的磁場部分抵消，使線圈的電感量、阻抗和品質因數(shù)發(fā)生變化。

這種變化與導體的幾何尺寸、導電率、導磁率有關，也與線圈的幾何參量、電流

的頻率和線圈到被測導體間的距離有關。

進行位移測量，可根據(jù)實際的已知位移量來標定固定的線圈下的電感量，從

而以此進行位移的測量。

6.選擇題

(1).現(xiàn)欲測量極微小的位移，應選擇_工電感傳感器。希望線性好、靈敏

度高、量程為1mm左右、分辨率為lum左右，應選擇C自感傳感器。

A、變隙式B、變面積式C、螺線管式

(2).希望線性范圍為±lmm,應選擇線圈骨架長度為§左右的螺線管式

自感傳感器或差動變壓器。

A、2mmB、20mmC、400mmD、1mm

(3).螺線管式自感傳感器采用差動結構是為了B。

A、加長線圈的長度從而增加線性范圍

B、提高靈敏度，減小溫漂

C、減低成本

D、增加線圈對銜鐵的吸引力

(4).自感傳感器或差動變壓器采用相敏檢波電路最重要的目的是為了C。

A、提高靈敏度B、將輸出的交流信號轉換成直流信號

C、使檢波后的直流電壓能反映檢波前交流信號的相位和幅度。

(5).電渦流接近開關可以利用電渦流原理檢測出J的靠近程度。

A、人體B、液體C、黑色金屬零件D、塑料零件

(6).電渦流探頭的外殼用制作較為恰當。

A、不銹鋼B、塑料C、黃銅D、玻璃

⑺.當申，渦流線圈靠近非磁性導體(銅)板材后，線圈的等效電感LC,

調頻轉換電路輸出頻率fBO

A、不變B、增大C、減小

7、構思一個多功能警棍，希望能夠實現(xiàn)：①產生強烈眩光；②產生3xIO,v

左右的高壓；③能在50mm距離內探測出犯罪嫌疑人是否攜帶槍支或刀具。請畫

出該警棍的外形圖，包括眩光燈按鍵、高壓發(fā)生器按鍵、報警LED、電源總開關

等，并寫出使用說明書。

說明書略

8、圖3.33所示的是一種差動電感用的差動整流電橋電路。電路由差動電感

Li、L2、整流二極管VD-VD4、平衡電阻RI、R2(RI=R2),以及低通濾波器Ci、

C2、R3、R4(CI=C2>R3=R4)等組成。整流橋的一對對角接點通過差動電感Li、L2

(其感抗為XLI、XL2)接激勵源Ui,另一對對角接點作為輸出電壓端。請用不

同顏色的筆分別畫出Ui正半周和負半周流經二極管及Ri、R2的電流山、IL2、

I'LI、IL2以及它們在RI、R2上的壓降URI、UR2的極性。并說明銜鐵上移(感抗

XLIt、XL2I)時，URI、UR2哪個絕對值大，以及Uo的極性。

圖3.33差動電感的差動整流橋路

答：忽略R3、R4的影響，可知U0=URI-UR2。

若電源電壓U,上端為正、下端為負時，Vpi、Vps導通。當差動電感傳感器Zi=Z+

△乙Z2=Z-AZEht,URI>UR2,Uo為負。當差動電感傳感器Zi=Z-Z\Z,Z2=Z+AZ

UR1<UR2,UO為正。若電源電壓U,上端為負、下端為正時，Vpz、Vpa導通，。

當差動電感傳感器Zi=Z+/\Z,Z2=Z-/SZ時，UR1>UR2,UO為負。I當差動電感傳

感器Z1=Z-4Z,Z2=Z+/\Z時，URI<UR2，UO為正。因此，無論電源電壓U,的正

負如何，輸出電壓u。的大小反映AZ的大小，Uo的正負極性反映az的正負情

況（例如銜鐵的移動方向）。

9、工業(yè)或汽車中經常需要測量運動部件的轉速、直線速度及累計行程等參

數(shù)?，F(xiàn)以大家都較熟悉的自行車的車速及累計公里數(shù)測量為例，來了解類似運動

機構的類似原理。

現(xiàn)要求在自行車的適當位置安裝一套傳感器及有關電路，使之能顯示出車速

（km/h）、及累計公里數(shù)（km）,當車速未達到設定值（vmin）時綠色LED閃

亮，提示運動員加速；當累計公里數(shù)達到設定值（Lmax）時，紅色LED閃亮、喇

叭響，提示運動員停下休息，計數(shù)器同時復位，為下一個行程作準備。具體要求

如下：

（1）畫出傳感器在自行車上的安裝簡圖（要求做到讀者能看懂兩者之間的

相互關系）；

（2）畫出測量轉換電路原理框圖（包括顯示電路）

（3）簡要說明工作原理。寫出公里數(shù)L與車輪直徑D及轉動圈數(shù)N之間的

計算公式；

（4）寫出車速v與車輪周長1及車輪每分鐘轉動圈數(shù)n之間的計算公式。

答：工作原理：觀察自行車的結構可知，車速及公里數(shù)與車輪的直徑及轉速

成正比，因此應將注意力集中到自行車的前、后輪上。設車輪的直徑為D（m）,則

周長1FD,車輪轉動的圈數(shù)即為自行車行駛距離的基本參數(shù)。若轉動圈數(shù)為N,

則累計路程L=N1=NHD：若每分鐘轉動的圈數(shù)為n（n=N/t,圈/分鐘）則車速

v=60nl/1000（km/h）=0.06nnD（km/h）。

非接觸傳感器的安裝位置

其他內容略

項目單元4

4.6習題答案

L選擇題

1)在電容傳感器中，若采用調頻法測量轉換電路，則電路中C。

A.電容和電感均為變量B.電容是變量，電感保持不變

C.電容保持常數(shù)，電感為變量D.電容和電感均保持不變

2)在兩片間隙為1mm的兩塊平行極板的間隙中插入C，可測得最大的電容量。

A.塑料薄膜B.干的紙C.濕的紙D.玻璃薄片

2.電容式傳感器有幾種類型？各有什么特點？試舉出你所知道的電容傳感器的實例。

答案：電容式傳感器有三種基本類型：變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器和變

介電常數(shù)型電容傳感器。

電容式傳感器的特點：結構簡單，性能穩(wěn)定，可在惡劣環(huán)境下工作；動態(tài)響應好、靈敏

度高，阻抗高，功率小，沒有由于振動引起的漂移。但測試時導線的分布電容對測量誤差影

響較大。

電容式傳感器主要能測量荷重、位移、振動、角度、加速度等機械量。

3.電容式傳感器常用的轉換電路有哪些？

答案：1.橋式電路2.調頻電路3.脈沖寬度調制電路4.運算放大器式測量電路。

4.糧食部門在收購、存儲糧食時，需測定糧食的干燥程度，以防霉變。請你根據(jù)已學過

的知識設計一個糧食水份含量測試儀(畫出原理圖、傳感器簡圖，并簡要說明它的工作原理

及優(yōu)缺點)

答案：略。

5.為什么說變間隙型電容傳感器特性是非線性的？采取什么措施可提高靈敏度、改善其

非線性特征？

答案：變間隙型電容傳感器原理如圖4.3(a)所示?圖中極板1是固定不動的，極板2為

可動的，一般稱為動極板。

當動極板受被測物作用引起位移時，就改變了兩極板之間的距離d,從而使

電容量發(fā)生變化。設傳感器初始時的電容量為Co(Co=eA/do),當動極板位移使極板

間距減小x值后，其電容值為:

C=^-=C0(l+-4-)

d°xdQx(4-4)

由上式可見，電容量C與x不是線性關系，其靈敏度也不是常數(shù)。

在實際應用中，為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成差動形式

6.有一平面直線位移型差動電容傳感器其測量電路采用變壓器交流電橋，結構組成如圖

所示。電筒傳感器起始時向=仇=人=20加m，%=%=.=10〃削，極距d=2〃〃%極

間介質為空氣，測量電路中明=SsintytV,且試求動極板上輸入一位移量

-=5儂時的電橋輸出電壓“。。

答案：變壓器交流電橋=6x1-Cx2-=±--

以+C.2G2

,.八sb{a-x)

由式C*=------——

d

=2A￡5=].5〃，=4.5sin?力

0a27

7.變間隙電容傳感器的測量電路為運算放大器電路，如圖所示。傳感器的起始電容量

Go=20pF,定動極板距離d°=1.5mm,Co=10pF,運算放大器為理想放大器(即

Kf8,Zjf8),勺極大，輸入電壓4.=5sin(ytV0求當電容傳感器動極板上輸

入一位移量M=0.15〃制使do減小時，電路輸出電壓“。為多少？

答案：

Uo=—

對于變間隙式電容傳感器，Cx=―,貝h￡A=Cxd口0=一沁通

0doosA

得至U：Uo=(10/20)*(1..5-0.15)/1.53=0?455=2.255sin@tV

8.如圖所示正方形平板電容器，極板長度。=牝加，極板間距離3=°.2/加。若用此變

面積型傳感器測量位移x,試計算該傳感器的靈敏度并畫出傳感器的特性曲線。極板間介質

%由qf=8.85xlO-l2F/m

為仝氣，°oO

答案：變面積式電容傳感器的原理。設兩極板遮蓋面積為A,當動極板隨被測物體移動

x后，A值發(fā)生變化，電容量C也隨之改變。

「sb(a-x)X

C,.=------------=Q(i—)

xda

此傳感器的靈敏度為:

dCx_sb_￡nb

dxd8

可見增大極板長度b、減小極距6都可使靈敏度提高。由式可見，變面積式電容傳感器

輸出特性是線性的，靈敏度為常數(shù)

項目單元5

5,6霍爾傳感器

1.選擇題。

1）屬于四端元件的傳感器是一C

A.應變片

B.壓電片

C.霍爾元件

D.熱敏電阻.

2）霍爾元件采用恒流源激勵是為了一B

A.提高靈敏度

B.克服溫漂

C.減小不等位電勢

3）減小霍爾元件的輸出不等位電勢的方法是。C

A.減小激勵電流B,減小磁感應強度C.使用電橋調零電位器

2.什么是霍爾效應?霍爾電勢的大小與方向和哪些因素有關？

將金屬或半導體薄片置于磁場中，磁場方向垂直于金屬或半導體薄片，當有電流流過半導體

薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將會產生電勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應.

霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應強度B,方向與控制電流I和磁感應強度B的方向

有關，當控制電流I和磁感應強度B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。但當控制

電流I和磁感應強度B的方向同時改變時，霍爾電勢的方向不變。

3.影響霍爾電勢的因素有哪些?用霍爾元件可測量哪些物理量?試舉例說明。

在實際使用中，由于霍爾式傳感器的精度受各種因素的影響，所以在霍爾電勢中存在多種誤

差，這些誤差產生的原因主要是制造工藝的缺陷和半導體本身的固有特性。其中，不等位電

勢和溫度是影響霍爾式傳感器誤差的兩個主要因素。

霍爾元件根據(jù)霍爾效應原理用于測量電流、電壓、磁場強度、位移、角度、等等

磁場測量，將霍爾元件做成探頭，測量時，將探頭置于待測磁場中，并使探頭的磁敏感面垂

直于磁場?？刂齐娏骺捎珊懔髟矗ɑ蚝銐涸矗┕┙o，用電表或電位差計來測量霍爾電勢。根據(jù)

Uq=K」B,若控制電流I不變，則輸出電勢Uq正比于磁場B,故可以利用電表來顯示待測的磁

場。

4.霍爾式傳感器的靈敏度與霍爾元件的厚度之間有什么關系？

霍爾靈敏度與霍爾元件厚度成反比，

5.什么是霍爾元件的溫度特性?如何進行溫度補償？

答:霍爾元件的溫度特性是指元件的內阻及輸出與溫度之間的關系。與一般半導體一樣，由

于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內阻、輸出電壓等參數(shù)也將

隨溫度而變化。霍爾元件溫度補償?shù)姆椒ㄖ饕欣幂斎牖芈返拇?lián)電阻進行補償和利用輸

出回路的負載進行補償兩種。

6.說明霍爾元件不等位電勢產生的原因及常用的補償方法。

①霍爾電極的安裝位置不對稱或不在同-等電位面上。

②電阻分布不均勻，這主要是由半導體材料不均勻造成電阻率不均勻或是由幾何尺寸不均勻

所造成的。

③激勵電極接觸不良造成激勵電流分布不均勻等。

電橋補償法

7.霍爾集成電路有哪幾種類型?試畫出其輸出特性曲線。

霍爾集成電路可分為線性型和開關型兩大類

圖5.8線性型霍爾集成電路的輸出特性曲線開關型霍爾式傳感器的輸出特性曲線

8.有一個測量轉速裝置，其調制盤上有100對永久磁極，N、S極交替放置，調制盤由轉軸帶

動旋轉，在磁極.上方固定著一個霍爾元件，每通過一對磁極，霍爾元件就會產生一個方波脈

沖送到計數(shù)器。假定在t=5min的采樣時間內，計數(shù)器收到了N=15x10000個脈沖，試求轉

速no

150000/100/5=300轉/分

9.有一個霍爾元件，其靈敏度K口為1.2mV/mA?kGs,將它置于一個梯度為5kGs/mm的

磁場中，額定控制電流I為20mA,如果霍爾元件在平衡點附近進行0.1mm

幅度的擺動，則輸出電壓的范圍是多少？

1.2*20/（5*0.1）=48mV

10.簡述用霍爾式傳感器測量磁場的原理，并說明霍爾交直流鉗形表的工作原理。

磁場測量，將霍爾元件做成探頭，測量時，將探頭置于待測磁場中，并使探頭的磁敏感面垂

直于磁場?？刂齐娏骺捎珊懔髟矗ɑ蚝銐涸矗┕┙o，用電表或電位差計來測量霍爾電勢。根據(jù)

Uq=K」B,若控制電流I不變，則輸出電勢Uq正比于磁場B,故可以利用電表來顯示待測的磁

場。

把鐵磁材料做成環(huán)形（也可以是方形）的磁導體鐵芯，在鐵芯上開一個與霍爾電流傳感器厚

度相等的氣隙，將霍爾線性IC緊緊地夾在氣隙中央。測量時，將鐵芯套在被測導線上，導

線中的電流將在導線周圍產生磁場，通過鐵芯來集中磁場，即在環(huán)形氣隙中會形成一個磁場。

導線中的電流越大，氣隙處的磁感應強度越強，霍爾元件的輸出電壓U越大，根據(jù)U的大

小可以測得導線中電流的大小。

項目單元6

6.6壓電傳感器

1.選擇題。

1)壓電式傳感器目前多用于測量(B)。

A.靜態(tài)的力或壓力

B.動態(tài)的力或壓力

C.速度

D.加速度

2)當石英晶體受壓力作用時，電荷產生在(B)。

A.與光軸垂直的Z面，上

B.與電軸垂直的X面上

C.與機械軸垂直的Y面上

D.所有的面(X、Y、Z)±

2.什么叫正壓電效應?什么是逆壓電效應？

某些電介質物體在沿一定方向受到外力作用時會發(fā)生形變，其內部就會產生極化現(xiàn)象，并且

在其表面產生電荷，當撤銷外力后，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效

應，簡稱壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變，正壓電效應將機械能

轉化為電能，反之，當在電介質的極化方向施加電場或電壓時.，這些電介質將產生幾何形變，

當撤銷外加的電場或電壓后，電介質的形變也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。

3.常用壓電式傳感器的材料有哪些?各有何特點。

壓電式傳感器中的壓電材料主要有3類:壓電晶體(單晶體)，它包括壓電石英晶體和其他壓電

單晶;經過極化處理的壓電陶瓷(多晶體)，它是經過極化處理的多晶.體;新型壓電材料，有壓

電半導體和有機高分子壓電材料兩種。

石英是理想的壓電材料①壓電常數(shù)小，時間和溫度穩(wěn)定性極好，②強度和品質因數(shù)高，剛度

大，固有頻率高且十分穩(wěn)定，動態(tài)特性好。③居里點高，無熱釋電性，絕緣性和重復性均好。

壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度更

高，但其介電常數(shù)、機械性能不如石英晶體好。

高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，它的優(yōu)點是不易破碎、具有防水性、可以大量連續(xù)

拉制、能制成較大面積或較長的尺度、價格便宜。它的缺點是工作溫度較低，它的機械強度

不夠高，耐紫外線性能較差，在暴曬狀態(tài)下易老化。

4.畫出壓電元件的兩種等效電路，簡述其等效原理。

壓電式傳感器可以用兩種等效電路來表示，即電壓等效電路和電荷等效電路二

電壓等效電路:等效為將一個電壓源。和一個電容C,串聯(lián)，如圖6.8(a)所示。

Ca電荷等效電路：等效為將一個電荷源。

~~II~~°

和一個電容C并聯(lián)，如圖6.8(b)所示。

9

圖6.8壓電式傳感器的等效電路圖

5.用壓電元件和電荷放大器組成的壓力測量系統(tǒng)能否用于靜態(tài)測量？

受外力作用，壓電材料上產生電荷，該電荷只有在無泄漏的情況下才能得以保存，即需要測

量回路具有無限大的輸人阻抗，實際上很難實現(xiàn)，因此壓電式傳感器不適用于靜態(tài)測量。壓

電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路一定的電流，故壓電式傳

感器適用于動態(tài)測量。

6.石英晶體X軸、Y軸、Z軸的名稱是什么?它們各有哪些特征？

石英晶體有三根互相垂直的軸。2軸（也稱光軸）是晶體的對稱軸，光線沿它通過晶體時不產

生雙折射現(xiàn)象，故此軸可用光學方法確定，在該軸方向上沒有壓電效應;X軸（也稱電軸）穿過

正六棱柱相對的兩根棱線并垂直于Z軸，此軸上的壓電效應最強，電軸有三根，可任取一

根;Y軸（也稱機械軸）經過正六面體的棱面.并垂直于Z軸，機械軸也有三根，可任取一根，在

電場作用下沿該軸方向的機械形變最明顯，故稱為機械軸。

7.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。

由于電壓放大器的輸出電壓與屏蔽電纜線的分布電容C。及放大器的輸人電容C;有關，它們

均是不穩(wěn)定的，會影響測量結果，而電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容C,相關，故壓電式

傳感器的測量電路多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器，

8.用石英晶體加速度計及電荷放大器測量機械振動，已知:加速度計的靈敏度為5pC/g;電荷放

大器的靈敏度為50mV/pC,最大加速度對應的輸出幅值為2V,試求振動加速度。

2000/50=40PC40/5=8g

9.將壓電式加速度傳感器與電荷放大器連接，電荷放大器又與函數(shù)記錄儀連接。已知:傳感器

的靈敏度K,=100（pC/g）,反饋電容C;=0.01",被測加速度a=0.5go

試求：

⑴電荷放大器的輸出電壓是多少？

（2）電荷放大器的靈敏度是多少？

100*0.5=50PC

50pc/0.01uF=5mv

5mv/50pc=0.1mv/pc

項目單元7

7.6習題答案

1.選擇題

1）一束頻率為1MHz的超聲波（縱波）在鋼板中傳播時，它的波長約為」,聲速

約為?

A.5.9mB.340mC.5.9mmD.1.2mm

E.5.9km/sF.340m/s

2）超聲波頻率越高，A

A.波長越短，指向角越小，方向性越好

B.波長越長，指向角越大，方向性越好

C.波長越短，指向角越大，方向性越好

D.波長越短，指向角越小，方向性越差

3）超聲波在有機玻璃中的聲速比在水中的聲速A,比在鋼中的聲速」一。

A.大B,小C.相等

2.超聲波發(fā)生器種類及其工作原理是什么？它們各自特點是什么？

答案：超聲波傳感器分為發(fā)射換能器和接收換能器，既能發(fā)射超聲波又能接受發(fā)射出

去的超聲波的回波。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應，而接收換能器則是利用壓電

效應。

超聲換能器的種類很多，按照其結構可分為直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探

頭、雙探頭（一個發(fā)射，一個接收）、聚焦探頭（將聲波聚集成一束）、水浸探頭（可浸在液體

中）以及其它專用探頭。按照實現(xiàn)超聲換能器機電轉換的物理效應的不同可將換能器分為電

動式、電磁式、壓電式和電致伸縮式等。

3.什么是縱波、橫波和表面波？它們各有什么不同？

答案：通常超聲波有如下三種波形：

縱波：當媒質中各體元振動的方向與波傳播的方向平行時.，此超聲波為縱波波形。任

何固體介質當其體積發(fā)生交替變化時均能產生縱波?？v波可以在氣體、液體、固體介質中

傳播。

橫波：當媒質中各體元振動的方向與波傳播的方向垂直時，此種超聲波為橫波波形。

由于媒質除r能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當其有剪切應力交替作用于

媒質時均能產生橫波。橫波只能在固體介質中傳播。

表面波：是沿著兩種媒質的界面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質的波。表面波可以

看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成，振動質點的軌跡為一橢圓，在距表

面1/4波長深處振幅最強，隨著深度的增加很快衰減，實際上離表面一個波長以上的地

方，質點振動的振幅已經很微弱了。

4.什么是反射定律和折射定律？舉例說明如何用這兩個定律進行測量？

答案：當超聲波從一種介質傳播到另一種介質時，在兩介質的分界面上，一部分能量

反射回原介質，稱為反射波；另一部分能量透射過界面，在另一個介質內部繼續(xù)傳播，稱

為折射波。

5.用超聲波探頭測工件時，往往要在工件與探頭接觸的表面上加一層耦合劑，這是為

什么？

答案：超聲信號，從超聲換能器到工件，如果中間通過空氣耦合，效率是非常低的。

因為換能器到空氣是一個全反射面，空氣到工件也是一個全反射面。所以如果不加耦合

劑，就沒有辦法傳播超聲信號，也就沒有辦法完成檢測。所以必須加耦合劑。

6.請你依據(jù)已學過的知識設計一個超聲波液位計（畫出原理框圖，并簡要說明它的工

作原理、優(yōu)缺點）。

答案：在離水塔底部高I1處，安裝設計好的超聲波液位計。液位計向水面垂直發(fā)出超

聲波，當超聲波遇到水面經液面向上反射到液位計，液位計接收到反射回的超聲波時，由

單片機CFU算出超聲波往返一次所用的時間，即可算出液位計到水面的距離hl。液位高度

可由公式：hl=Vt/2算出。其中，V為超聲波在空氣中的傳播速度，t為超聲波由液位計

到水面往返一次的時間。

在液位上方安裝空氣傳導型超聲發(fā)射器和接受器如圖7.7?由于空氣中的聲速隨溫度

改變會造成溫漂，所以在傳送路徑中還設置了一個反射性良好的小板作標準參照物，以便

計算修正。上述方法除了可以測量液位外，也可以測量粉體和粒狀體的物位。

同步

電路

圖7.7超聲波液位計原理圖

1—液面2一直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開關

7.根據(jù)你已學過的知識設計一個超聲波探傷實用裝置（畫出原理框圖），并簡要說明

它探傷的工作過程？

答案：可采用穿透法探傷，原理如圖，采用穿透法探傷是當超聲波穿透工件后，根據(jù)

能量變化狀況，來判別工件內部質量的方法，穿透法采用兩個探頭，置工件的相對面，一

個發(fā)超聲波，一個接收超聲波，發(fā)射波可以是連續(xù)波，可以是脈沖，在探測中，當工件內

無缺陷時，接收能量大、儀表指示值大。工件內有缺陷時，因部分能量被反射，接收能量

小，儀表指示值小，根據(jù)這變化，就可以把工件內部的缺陷檢測出來。

單元8習題答案

1.選擇題：

AABDCDDBCCDBACAC

2.電動勢電阻

3.接觸電動勢溫差電動勢

4.溫度電動勢

5.金屬半導體

6.熱電效應

7.將兩種不同成分的導體組成一閉合回路，當閉合回路的兩個結點分別置于不同的溫

度場中時，回路中將產生一個電勢，該電勢的方向和大小與導體的材料及兩結點的

溫度有關，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應”，產生的電勢則稱為“熱電勢”。

8.中間導體定律：在熱電偶中接入第三種導體，只要第三種導體的兩結點溫度相同，

則熱電偶的熱電勢不變。

9.標準電極定律：如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產生的熱電勢已知,

則由這兩種導體組成的熱電偶所產生的熱電勢也就已知。

10.熱電偶串聯(lián)測量線路：可以測量熱電偶的平均熱電勢，串聯(lián)線路的主要優(yōu)點是熱電

勢大，精度比單支高；主要缺點是只要有一支熱電偶斷開，整個線路就不能工作，

個別短路會引起示值顯著偏低。

熱電偶并聯(lián)測量線路，將相同型號熱電偶的正負極分別連在一起，如果每支熱電

偶的電阻值相等，則并聯(lián)電路總熱電勢等于N支熱電偶的平均值。

11.E=960°C

12.(1)是電橋測溫電路，電路結構簡單，測量精度高，使用方便。

(2)電路中G代表測量檢流計，提高測溫靈敏度，內阻小好。

(3)調節(jié)電阻RB隨溫度增在而變大。

13.K=(100-0)/(20-4)=25/4

T=K(12-4)=50°C

14.偏差為：2.3°C

修正值：0.029mV

15.查表冷端溫度為40℃時的電動勢為1.611

E=29.188+1.611=30.799mV

查表T=740°C

項目單元9

9.6習題

1.曬太陽取暖利用了C；人造衛(wèi)星的光電池板利用了A；植物的生

長利用了B；

A、光電效應B、光化學效應C、光熱效應D、感光效應。

2.光敏二極管屬于B；光電池屬于C。

A、外光電效應B、內光電效應C、光生伏特效應

3.光敏二極管在測光電路中應處于」偏置狀態(tài)，而光電池通常處于

偏置狀態(tài)。A、正向B、反向C、零

4.光纖通信中，與出射光纖耦合的光電元件應選用上。

A、光敏電阻B、PIN光敏二極管C、APD光敏二極管D、光敏三極管

5.溫度上升時，光敏電阻、光敏二極管，光敏三極管的暗電流A。

A、上升B、下降C、不變

6.欲精密測量光的照度，光電池應配接D。

A、電壓放大器B、A/D轉換器C、電荷放大器D、I/U轉換器

7.欲利用光電池驅動電動車，需將數(shù)片光電池，__」以提高輸出電壓，

再將幾組光電池起來，以提高輸出電流。

A、串聯(lián)，并聯(lián)B、串聯(lián)，串聯(lián)C、并聯(lián)，串聯(lián)D、并聯(lián)，并聯(lián)

8.普通型硅光電池的峰值波長為落在」區(qū)域。

A、0.8mB、8mmC>0.8umD^可見光E、近紅外光

F、紫外光G、遠紅外光

9.光敏電阻是用半導體材料制成的，如圖9.25所示，將一個光敏電阻與

多用電表聯(lián)成一電路，此時選擇開關放在歐姆擋，照射在二、

光敏電阻上的光強逐漸增大，則歐姆表指針的偏轉角度—廠°~|

，若將選擇開關放在電壓檔，同樣增大照射光強度，則/J光敝電阻

指針偏轉角度0圖925

A、變大B、變小C、不變

10.用遙控器調換電視機頻道的過程，實際上就是傳感器把光信號轉化為電

信號的過程。下列屬于這類傳感器的是Ao

A.紅外報警裝置B.走廊照明燈的聲控開關

C.自動洗衣機中的壓力傳感裝置D.電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器

11.在如圖9.29的電路中，電源兩端的電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電

阻，D為發(fā)光二極管（電流越大，發(fā)出的光越強），且R與D間距不變，下列說

法正確的是A。

A.當滑動觸頭P向左移動時，L消耗的功率增大

B.當滑動觸頭P向左移動時，L消耗的功率減少

C.當滑動觸頭P向右移時，L消耗的功率可能不變

D.無論怎樣移動觸頭P,L消耗的功率都不變圖9.26

12.某光敏三極管在強光照射時的光電流為2.5mA,選用的繼電器吸合電流

為50mA,直流電阻為200Q.現(xiàn)欲設計兩個簡單的光電開關，其中一個是有強光

照射時繼電器吸合（得電）；另一個相反，是在有強光照射時繼電器釋放（失電）。

請分別畫出兩個光電開關的電路圖（只允許采用普通三極管放大光電流），并標

出各電阻值及選用的電壓值、電源極性。

（a）強光照時繼電器吸合（b）強光黑時繼電器釋放

（a）R1和RP共約300Q，圖（b）R1約5kQ，R2和RP共約1k。。

13.沖床工作時，工人稍不留神就有可能被沖掉手指頭。請選用兩種以上的

傳感器來同時探測工人的手是否處于危險區(qū)域（沖頭下方）。只要有一個傳感器

輸出有效（即檢測到手未離開該危險區(qū)），則不讓沖頭動作，或使正在動作的沖

頭慣性輪剎車。請以文字形式，談談你的檢測控制方案，以及必須同時設置兩個

傳感器組成“或”的關系、必須使用兩只手（左右手）同時操作沖床開關的好處。

答:①首先了解沖頭的工作區(qū)域，可將安全區(qū)域設定為前后、左右四個范圍，

只要操作者的手伸入這個區(qū)域，則沖頭不動作。②應采用非接觸式的測量方式探

測是否有手的存在，光電開關是較好的選擇。③比較各種光電開關檢測的特性,

選擇最佳方案，本例中采用遮斷式光電傳感器較合適。④在前后、左右各設一對

遮斷式光電開關，其輸出為“或”的關系，只要有一對傳感器輸出為“有效”即

停車，保證安全保護動作。⑤沖頭的啟動有兩個開關，設在左、右手的兩側，兩

個開關按下，沖頭才能落下。⑥更周到的安全保護是在沖床周圍設置光電安全隔

離柵或者光幕。

14.請你在課后回家打開家中的自來水表，觀察其結構及工作過程。然后考

慮如何利用學到的光電測轉速原理，在自來水表玻璃外面安裝若干電子元器件,

使之變成數(shù)字式自來水流量累積測量、顯示儀。請以文字形式寫出你的設計方案。

答：①家用機械旋翼式水表多采用葉輪式流量傳感器。水流動時的沖擊力使

葉輪轉動，通過減速齒輪及機械計數(shù)器可讀取用水的累積流量，自來水表最低位

為lm3,以十進制累積至9999m3；另一種水表沒有計數(shù)器，只能從4根旋轉的指

針直接讀數(shù)，讀數(shù)可從千位、百位、十位和個位合并獲得。例如，若X1000表頭

指向0~9之間，X100表頭指向8,xlO表頭指向7,xl表頭指向6,則讀數(shù)為

9876m由此可知，指針式水表讀數(shù)比較麻煩，也容易引起誤讀（如誤判為0876m3）

②葉輪每轉一圈（可從玻璃下方的塑料薄片判斷）表示用水0.0001m,可利用傳感

器測量塑料薄片的旋轉圈數(shù)來獲得用水量。在不改變水表水密封的前提下，可在

玻玻璃罩上表面設置反射式光電開關。③葉輪帶動一只供觀察用的六齒塑料薄片,

光電開關就安裝在它的上方。葉輪每轉一圈，產生6個反射脈沖，經6分頻電路

產生一個計數(shù)脈沖，以0.0001m3累積。數(shù)字顯示器最低位為0.1m3,可顯示

99999m3或更多的位數(shù)。④本設計還應考慮“斷電數(shù)據(jù)保存”功能，以防累積數(shù)

丟失。⑤可進一步考慮設置網絡接口，可與物業(yè)管理系統(tǒng)相連接，組成遠程抄表

系統(tǒng)。

15.請你談談如何利用熱釋電傳感器及其他元器件實現(xiàn)賓館玻璃大門的自

動開閉。

答：人體都有恒定的體溫，一般在37攝氏度左右，會發(fā)出10nm左右特定波

長的紅外線，被動式熱釋電紅外探頭（又叫紅外人體探測傳感器）就是靠探測人體

發(fā)射的紅外線而進行操作的。紅外線通過非涅耳濾光片增強后聚集到熱釋電元件,

這種元件在接收到人體紅外輻射變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，經檢

測處理后就能產生報警信號

被動式熱釋電紅外探頭包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且制成的

兩個電極方向正好相反.環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件兒乎具有相同的作用，使

其產生的釋電效應相互抵消，于是傳感器無信號輸出。

當人體進入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產生溫差則有

信號輸出，大門開啟；若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒

有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。

項目單元10

10.5習題答案

1.1）A、C；2）D

2.數(shù)字式編碼器又稱碼盤，是一種旋轉式的位置傳感器，通常裝在被測裝置的軸上,隨被測

軸一起轉動，它能將被測軸的角位移轉換成增量脈沖或二進制編碼。

3.1）絕對式編碼器和增量式編碼器;2）絕對型碼盤。在被測轉角不超過360度的情況下，所

提供的是轉角的絕對值，即從起始位置（對應于輸出各位皆為零的位置）所轉動的角度，結

構簡單；用增量型碼盤時必須有辨向措施，以便識別轉動方向，為了辨向，往往要將兩個光

敏元件裝在相距一定角度的位置上，根據(jù)受光時刻的先后辨別方向，結構比較復雜。

4.光柵傳感器是由主光柵（也稱標尺光柵，通常隨被測物體移動）、指示光柵和光路系統(tǒng)所

組成；是利用計量光柵的莫爾條紋來進行測量的，測量線位移采用長光柵，測量角位移采用

圓光柵。

5.透射光柵；反射。

6.線位移；角位移；自動。

7.主光柵；指示光柵；光路系統(tǒng)。

8.提高測量精度

9.在透射式直線光柵中，把兩光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩

者的柵線保持很小的夾角，在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶，這種亮帶和

暗帶形成明暗相間的條紋稱為莫爾條紋；特性：⑴莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形

成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤

差；⑵當兩光柵沿與柵線垂直的方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵刻線方向作相對移

動（兩者的運動方向相互垂直）,光柵反向移動，莫爾條紋亦反向移動。

10.1）磁柵是一種錄有磁化信息的標尺，它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0.0