《传感器与检测技术简明教程》-胡蓉 习题及答案 CH10 辐射与波式传感器

第10章辐射与波式传感器一、单项选择题1、下列对红外传感器的描述错误的是（）。A.红外辐射是一种人眼不可见的光线B.红外线的波长范围大致在0.76~1000μm之间C.红外线是电磁波的一种形式，但不具备反射、折射特性D.红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。2、对于工业上用的红外线气体分析仪，下面说法中正确的是（）A．参比气室内装被分析气体B.参比气室中的气体不吸收红外线C．测量气室内装N2D.红外探测器工作在“大气窗口”之外3、红外辐射的物理本质是（）A．核辐射B．微波辐射C．热辐射D．无线电波4、对于工业上用的红外线气体分析仪，下面说法中错误的是（）A．参比气室内可装N2B.红外探测器工作在“大气窗口”之内C．测量气室内装被分析气体D.参比气室中的气体要吸收红外线5、红外线是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在()到1000μｍ的频谱范围之内。A.0.76nmB.1.76nmC.0.76μｍD.1.76μｍ6、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（）。这里所说的“远近”是相对红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离而言。A.微波区B.微红外区C.X射线区D.极远红外区7、红外辐射在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是0.2～2.6μｍ、3～5μm和（）,统称它们为“大气窗口”。A.8～14μｍB.7～15μｍC.8～18μｍD.7～14.5μｍ8、红外探测器的性能参数是衡量其性能好坏的依据。其中响应波长范围（或称光谱响应），是表示探测器的（）相应率与入射的红外辐射波长之间的关系。A.电流B.电压C.功率D.电阻9、光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照下，产生（）。使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。光子效应所制成的红外探测器。A.光子效应B.霍尔效应C.热电效应D.压电效应10、当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，这种现象叫（）。A.光电效应B.光电导现象C.热电效应D.光生伏特现象11、研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在（）的频率范围内。A.紫外线区域B.X射线区域C.红外辐射区域D.可见光区域12、实验表明，波长在（）之间的电磁波被物体吸收时，可以显著地转变为热能。A.8～14μｍB.7～15μｍC.2.6～14μmD.1～1000μm13、利用温差电势现象制成的红外传感器称为（）红外传感器，因其时间常数较大，响应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制在10Hz以下。A.热电偶型B.热释电型C.热敏电阻型D.热电动型14、()传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。A.热电动型B.热释电型C.高莱气动型D.气热型15、关于红外传感器，下述说法不正确的是（）A.红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器B.红外传感器的核心器件是红外探测器C.光子探测器在吸收红外能量后，将直接产生电效应D.为保持高灵敏度，热探测器一般需要低温冷却16、下列关于微波传感器的说法中错误的是（）A.可用普通电子管与晶体管构成微波振荡器B.天线具有特殊结构使发射的微波具有尖锐的方向性C.用电流—电压特性呈非线性的电子元件做探测微波的敏感探头D.可分为反射式和遮断式两类17、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.不能用特殊结构的天线发射微波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.分为反射式、遮断式和绕射式三类18、微波传感器测量物体含水量主要利用下述微波的哪一个特点（）A.微波波长很短，频率很高B.水对微波的反射作用很强C.微波的传输特性很好D.水对微波的吸收作用很强19、在理想介质中，超声波的衰减来自于超声波的（）。A.扩散B.散射C.吸收D.投射20、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200us，则物位高度为（）A．296mmB．148mmC．74mmD．条件不足，无法求出21、采用下图所示的超声波传感器安装位置测量管道中流体的流量，图中代表被测流体的流速，若已知超声波在静止流体中的传播速度为，以下说法不正确的是（）A．若测得流体流速后，根据管道流体的截面积，可求得被测流体流量B．若1为发生器，2为接收器，则超声波在流体中传播速度为C．若1为接收器，2为发生器，则超声波在流体中传播速度为D．若采用时差法测流量，则测量精度主要取决于的测量精度二、多项选择题1、以下几种探测器属于热探测器的有：（）A.热电偶型B.热释电型C.高莱气动型D.热敏电阻型2、内光电探测器可分为以下哪几种：（）A.光电导探测器B.热释电型C.光生伏特探测器D.光磁电探测器3、红外探测器的性能参数是衡量其性能好坏的依据，主要包括（）。A.电压响应率B.噪声等效功率C.时间常数D.调制频率4、红外测温与普通测温方法相比，有很多明显的特点，如：（）。A.红外测温可远距离和非接触B.红外测温产品成本最低C.红外测温反应速度快D.红外测温产品结构最简单5、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6、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.光线传感器7.以下属超声波测流量的方法的有：（）A.时差法B.相位差法C.频率差法D.多普勒法E.噪声法三、填空题1、红外传感器是利用 实现相关物理量测量的一种传感器。2、光子探测器型红外传感器是利用 进行工作的传感器。3、红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线，但实际上它与其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物质，只要它的温度高于，就会有红外线向周围空间辐射。4、一般情况下，当红外辐射突然照射或消失时，红外探测器的输出信号不会马上到达最大值或下降为零，而是要经过一段时间以后，才能达到最大值或降为零，当红外探测器的输出达到最终稳态的，所需要的时间称为红外探测器的。5、比探测率又称，也叫探测灵敏度，实质上就是当探测器的敏感元件面积为单位面积（A0=1cm2），放大器的带宽Δf=1Hz时，单位功率的辐射所获得的信号电压与噪声电压之比。6、热释电型红外探测器是由具有极化现象的或称“铁电体”制作而成的，铁电体的极化强度（单位表面积的束缚电荷）与温度有关。通常其表面俘获大气中的浮游电荷而保持电平衡状态。7、介于红外线与无线电波之间的电磁波是 。8、微波是介于红外线与无线电波之间的一种，其波长范围为。9、根据波长特征，微波可以细分为、和三个波段。10、超声波测量物位是根据超声波在两种介质的分界面上的 特性而工作的。11、波动是指振动在弹性介质中的。12、根据频率范围，波可分为、、及四大类。13、超声波的频率范围为。四、简答题1、什么是热释电效应？热释电型传感器与哪些因素有关？2、什么是红外辐射？3、什么是红外传感器？4、简述热探测器，热释电传感器。5、简述光子传感器的原理，主要特点和分类。6、简述红外测温的特点。7、微波的特点是什么？8、试分析反射式和遮断式微波传感器的工作原理。9、微波传感器定义及分类。10、超声波在介质中传播具有哪些特性？11、简述超声波测量流量的工作原理。12、简述超声波测量厚度的工作原理。13、简单解释多普勒超声流速计及其优点。14、红外探测器有哪些类型？并说明它们的工作原理。15、什么被称为“大气窗口”，它对红外线的传播有什么影响？16、红外敏感元件大致分为哪两类？它们的主要区别是什么？17、试分析微波传感器的主要组成及其各自的功能。18、微波传感器有何优、缺点？19、举例说明微波传感器的应用。20、超声波传感器主要有哪几种类型？试述其工作原理。21、超声波测物位有哪几种测量方式？各有什么特点？22、试述时差法测流量的基本原理，存在的主要问题及改进方法。23、超声波用于探伤有哪几种方法？24、试述超声波反射法探伤的基本原理。五、计算题1、在用脉冲回波法测量厚度时，利用何种方法测量时间间隔有利于自动测量？若已知超声波在被测试件中的传播速度为5480，测得时间间隔为25，试求被测试件的厚度。第10章辐射与波式传感器一、单项选择题题号答案知识点1C红外传感器2B红外传感器3C红外传感器4D红外传感器5C红外传感器6D红外传感器7A红外传感器8B红外传感器9A红外传感器10B红外传感器11C红外传感器12D红外传感器13A红外传感器14C红外传感器15D红外传感器16A微波传感器17A微波传感器18D微波传感器19A超声波传感器20B超声波传感器21B超声波传感器二、多项选择题题号答案知识点1ABCD红外传感器2ACD红外传感器3ABC红外传感器4AC红外传感器5ABCD红外传感器6ABCD红外传感器；微波传感器；超声波传感器7ABCDE超声波传感器三、填空题题号答案知识点1红外辐射红外传感器2光子效应红外传感器3绝对零度或-273℃红外传感器463.2%；时间常数红外传感器5归一化探测率红外传感器6热晶体红外传感器7微波微波传感器8电磁波；1m～1mm微波传感器9分米波；厘米波；毫米波微波传感器10反射超声波传感器11传播超声波传感器12次声波；声波；超声波；微波超声波传感器13高于20000Hz超声波传感器四、简答题1、答：当红外光照射到已经极化了的铁电薄片上时，引起薄片温度的升高，使其极化强度（单位面积上的电荷）降低，表面的电荷减少，这相当于释放一部分电荷，这样现象称为热释电效应。热释电型传感器输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映入射的红外辐射的强弱，所以热释电型传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率，不取决于晶体与辐射是否达到热平衡。知识点：红外传感器2、答：红外辐射俗称红外线，是一种人眼看不见的光线，它位于可见光中的红光以外。红外线波长范围大致介于0.76～1000的频谱范围之内。红外辐射实质为热辐射。任何物体，只要它的温度在绝对零度以上，就以红外线的方式向周围空间辐射能量。红外线是电磁波的一种形式，以波的形式在空间直线传播，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。知识点：红外传感器3、答：红外传感器，也称为红外探测器，是能将红外辐射能传换成电能的光敏器件，它是红外探测系统的关键器件，其性能的好坏，直接影响系统性能的优劣。知识点：红外传感器4、答：热探测器又称为热传感器，它利用入射红外辐射来引起传感器的温度变化，进而使相关物理参数发生相应变化，通过测量有关物理参数的变化来确定传感器所吸收的红外辐射。热探测器主要有4种类型，热敏电阻型、热电阻型、高莱气动型和热释电型。热释电传感器作为热探测器的一种，应用范围最广，当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所有叫热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出，输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱。由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。知识点：红外传感器5、答：利用光子效应所制成的红外传感器，统称光子传感器。即，光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。光子传感器的主要特点是：灵敏度高、响应速度快、具有较高的响应频率。但一般需在低温下工作，探测波段较窄。根据光子传感器的工作原理，一般可分为内光电和外光电传感器两种，后者又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。知识点：红外传感器6、答：①红外测温是远距离和非接触测温，特别适合于高速运动物体、带电体、高温及高压物体的温度测量；②红外测温反应速度快。它不需要与物体达到热平衡的过程。只要接收到目标的红外辐射即可定温。反映时间一般都在毫秒级甚至微秒级。③红外测温灵敏度高。因为物体的辐射能量与温度的四次方成正比。物体温度微小的变化，就会引起辐射能量成倍的变化，红外传感器即可迅速地检测出来；④红外测温准确度较高。由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实。其测量准确度可达到0.1℃以内，甚至更小；⑤红外测温范围广泛。可测摄氏零下几十度到零上几千度的温度范围。知识点：红外传感器7、答：微波特点：需要定向辐射装置；遇到障碍物容易反射；绕射能力差；传输特性好，传输过程中受烟雾、灰尘等的影响较小；介质对微波的吸收大小与介质介电常数成正比，如水对微波的吸收作用最强。知识点：微波传感器8、答：反射式微波传感器反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。遮断式微波传感器遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、含水量等参数的。知识点：微波传感器9、答：微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率放生变化，通过接收天线将接收到的微波信号转换成低频电信号，再经过后续的信号调理电路处理等环节，即可显示出被测量。按照微波传感器的工作原理，可将其分为反射式和遮断式两种。反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。通常它可以测量物体的位置、位移等参数。遮断式传感器利用了微波绕射能力差能被介质吸收的特性。10、答：超声波的特性是频率高、波长短、绕射现象小。它最显著的特性是方向性好，且在液体、固体中衰减很小，穿透本领大，碰到介质分界面会产生明显的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。知识点：微波传感器11、答：超声波测流体流量是利用超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息，在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，通过接收到的超声波可以检测出流体的流速，从而换算成流量。知识点：超声波传感器12、答：超声波测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。知识点：超声波传感器13、答：与电磁流速计一样，超声波流速计是一种没有阻碍流动的障碍物的流体测量法。若流动方向与声波一致，传给流体的声波速度增加；相反，声波速度减小，这称为多普勒效应。利用多普勒效应的超声流速计称为多普勒超声流速计。它主要优点有：为非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量，它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量，使用超声波流量计不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，同时也解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。知识点：超声波传感器14、答：红外探测器按探测机理的不同，通常可分为两大类：热探测器和光子探测器。1)热探测器热探测器利用了红外线被物体吸收后将转变为热能的这一热效应。当热探测器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温度升高，使敏感元件的相关物理参数发生变化，通过对这些物理参数及其变化的测量就可确定探测器所吸收的红外辐射。2)光子探测器光子探测器型红外传感器是利用光子效应进行工作的传感器。光子效应就是当有红外线入射到某些半导体材料上，红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用，改变了电子的能量状态，引起各种电学现象。通过测量半导体材料中电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。光子探测器主要有内光电探测器和外光电探测器两种，内光电探测器又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器三种类型。知识点：红外传感器15、答：电磁波通过大气层较少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段称为大气窗口。对红外线的传播的影响主要表现为吸收和反射。知识点：红外传感器16、答：红外探测器按探测机理的不同，通常可分为两大类：热探测器和光子探测器。红外线被物体吸收后将转变为热能。热探测器正是利用了红外辐射的这一热效应。当热探测器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温度升高，使敏感元件的相关物理参数发生变化，通过对这些物理参数及其变化的测量就可确定探测器所吸收的红外辐射。光子探测器型红外传感器是利用光子效应进行工作的传感器。光子效应是当有红外线入射到某些半导体材料上，红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用，改变了电子的能量状态，引起各种电学现象。通过测量半导体材料中电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。光子探测器主要有内光电探测器和外光电探测器两种。光子探测器和热释电探测器的区别是：光子探测器在吸收红外能量后，直接产生电效应；热释电探测器在吸收红外能量后，产生温度变化，从而产生电效应，温度变化引起的电效应与材料特性有关。知识点：红外传感器17、答：微波传感器包括三个部分：微波发生器、微波天线、微波检测器微波发生器：产生微波。微波天线：将振荡器产生的微波信号发射出去。微波检测器：探测微波信号。知识点：微波传感器18、答：优点：微波传感器是一种非接触式传感器；有极宽的频谱；可在恶劣环境下工作；频率高；无须进行非电量转换；传输距离远；不会带来显著辐射。缺点：存在零点漂移，给标定带来困难；测量环境对测量结果影响大。知识点：微波传感器19、答：微波液位计；微波湿度传感器；微波辐射计；微波无损检测仪；微波物位计；微波定位传感器；微波多普勒传感器。知识点：微波传感器20、答：主要有压电式超声波传感器和磁致伸缩式超声波传感器。压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。磁致伸缩式超声波传感器是利用铁磁材料的磁致伸缩效应来工作的。知识点：超声波传感器21、答：超声波测物位方法：当换能器在液体中，双换能器在液体中，当换能器在空中，双换能器在空中。单换能器在液体中特点：超声波在液体中衰减小，超声波幅度较小也可传播。发射和接受超声波使用一个换能器。双换能器在液体中特点：超声波在液体中衰减小，超声波幅度较小也可传播。有两个换能器。单换能器在空中特点：便于安装和维修。发射和接受超声波使用一个换能器。双换能器在空中特点：便于安装和维修。有两个换能器。知识点：超声波传感器22、答：时差法测流量：超声波顺流时间为逆流时间为，所以时间差为一般来说，，所以上式简化为：因此被测流体的平均速度为测得流体流速后，再根据管道