传感器技术与应用 第5版 习题及解答

PAGEPAGE10《传感器技术与应用第4版》习题参考答案1什么叫传感器？它由哪几部分组成？2.传感器在自动测控系统中起什么作用？3.传感器分类有哪几种？各有什么优、缺点？4.什么是传感器的静态特性？它由哪些技术指标描述？5.为什么传感器要有良好的动态特性？什么是阶跃响应法和频率响应法？答：在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。因此，需要传感器具有良好的动态特性。测试和检验传感器的动态特性有瞬态响应法和频率响应法。阶跃响应法即瞬态响应法，是给传感器输入一个单位阶跃函数的被测量，测量其输出特性。动态特性优良的传感器的输出特性应该上升沿陡，顶部平直。6.传感器的性能指标有哪些？设计、制造传感器时应如何考虑？试举例说明？（低温7.有一温度传感器，如何简单鉴别它的动态特性优劣？4环境下，最好温差在20精细一点，可用瞬态响应法来鉴别。将该温度传感器从常温迅速放到温差60℃的热水中，记录并描绘其显示温度与时间的关系，如图(1ptp

(2)td，(3)上升时间r，(4ts小，(5)响应时间小，则动态特性优。21.K（E(t,30℃)=37.724mV答：参考端（自由端）温度t0=30℃，由分度表2-1可查得E(30℃,0℃)=1.203mv，若测得热电势E(t,30℃)=37.724mv，则可得E(t,0℃)=E(t,30℃+E(30℃,0℃)=37.724+1.203=38.927mv再查分度表可知炉温t=940℃。2.热电偶主要分几种类型，各有何特点。我国统一设计型热电偶有哪几种？我国指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。3.Pt100t1=-100℃t2=650Rt1Rt2答：在-100℃铂电阻的电阻—温度特性方程为：Rt=RO[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]将R0=100Ω、t1=-100℃、A=3.9684×10-3/℃、B=-5.847×10-7/℃2、C=-4.22×10-12/℃4代入，可计算得到Rt10［13.9810-（-10（-584×10-（-0-4.×0-1-10）3×10－1059Ω在+650℃铂电阻的电阻—温度特性方程为：Rt=RO(1+At+Bt2)将R0=100Ω、t2=650℃、A=3.9684×10-3/℃、B=-5.847×10-7/℃2代入，可计算得到Rt=100（1＋3.9684×10-3×650＋-5.847×10-7×6502）＝333Ω4.Cu10050Rt答：Rt≈R0(1+αt)R00Cu100100Ω，α1α1=4.28×10-3℃-1Rt≈100×（1＋4.28×10-3×50）＝121.4Ω5.T1、T2、T3T4T1、T2、T3T4答：（1）T1T2T3T4DG801／8020.4Ω）SDC（2）T1T2、T3T4DG801/802 6.2-18t305V10V答：温度每变化1℃，输出电压变化量为0.1V。输出电压为10V时，被测温度为80℃。7.利用如图2-2730303mV，120UR11mV（1K1℃120℃UR303mV＋90mV，393mV8.分析图2-28所示热电偶参考端温度补偿电路工作原理。答：集成温度传感器AD590AD580U0=2.5VR2AD590I1I1=t0×10-3I1mA1μA／KR1t0U1=I1R1R1U1EAB（t0,0℃）U1EAB（tt0）9.正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻各有什么特性？各有哪些用途？哪一种热敏电阻可以做“可恢复熔丝”？10.KK断开，电加热器停止加热。11.燃气灶意外熄火保护，可通过热电偶控制关闭燃气阀来实现。试设计该电路。K100020mV5~10s31.弹性敏感元件的作用是什么？有哪些弹性敏感元件？如何使用？2.3-9答：电阻应变片是把导体的机械应变转换成电阻应变，通过电阻测量来测量所受的应力。3-9U（，3.图3-11（d）为应变片全桥测量电路，试推导其输出电压U0表达式。ou ui) ui(R4R4)oR2R2 R4可以计算输出电压为uoui

R1R4.利用图3-12分析石英晶体的压电效应。X3-12（b）BABAX3-12(cXBAYYAYYA5.MPX4100A答：MPX4100A3ppA/D6.压电元器件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试问不同接法输出电压、电流或电荷有什么不同？它们分别适合哪一种应用场合？答：以2片压电元件串、并联为例。压电元件2片串联时，输出电容为单片的一半，输出电27.电容式传感器分几种类型？各有什么特点？适用于什么场合？εSΔdεx8.30mm×20mm×5mm10mm，Kx。答：a＝30mm，b＝20mm，d＝10mm，x＝10mm，ε＝50μF／m。可以计算C0＝εab／d＝3000μF／1000＝3μF，电容量变化ΔC＝－xC0／a＝－1μF，灵敏度Kx＝－εb／d＝－100μF／m。9.利用图3-22分析差动式电容传感器提高灵敏度的原理。答：差动式电容传感器中间电极不受外力作用时，由于d1=d2=d0,所以C1=C2，则两电容差值C1-C2=0。中间电极若受力向上位移Δd，则C1容量增加，C2容量减小，两电容差值为ΔC=

-C2

=C0

+C0Δd-Cd 00d 0

+C0Δdd0

=2C0Δdd0ΔC=dC0 d0可见，电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。10.3-29ΔL=10mHUo答：L0＝100mH，ΔL=10mH，UAC＝2V，UO＝ΔLUAC／L0＝0.2（V）(V)11.差动变隙式电感传感器是如何工作的？差动变压器式传感器又是如何工作的？两种电感传感器工作原理有什么异同？答：闭磁路式自感传感器电感量L为：

N20S0L20L

N20S0当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，则线圈电感变化为：

Lx

2(0

-)电感的相对变化为：

L 012（、bcc（（XY13.手机和平板电脑的重力感应屏幕横竖显示方向转换是如何实现的？ADXL320（X）XOUTYOUTXOU＝1.00YOU＝126VAAX（Y）时，XOUT端口和YOUT，YOUT＝1.500VAY14.用2S5M压力传感器和运算放大器设计一个压力测量电路。答：查阅有关资料可知，2S5M传感器是由硅半导体电阻应变片做成，扁平状，受力面积大，4片应变片组成一个电桥，灵敏度高。下图是采用2S5M传感器的压力测量电路。2S5MA1（运放A1的正向输入端电压为15VU=27kΩ＋3kΩ

×3kΩ=1.5V运放A1为理想运放，两个输入端具有“虚短路”特性，反向输入端电压等于正向输入端电压，也为1.5V。运放A1的输入电流为1.5VI=300Ω＋75Ω

=4mA即流入传感器电流为4mA，传感器输出电压VS为12～39mV，所接测量电路中的运放A2、A3、A4的总增益需要77～250倍，以保证足够的压力测量电压输出。2S5M-7.8mV2S5M1650Ω-10，在61ΩC153（1443AD2实现压力测量结果的3位半数字显示。该电路可用于电子数字血压计。4章习题1.光电效应有哪几种？与之对应的光电元件有哪些？请简述其特点。AKIφ光电倍增管的阴极和阳极间设置许多二次发射电极D1、D2、D3、…，光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大n倍，因此光电倍增管灵敏度极高。光敏电阻受到光照时，电阻率变小。光照愈强，阻值愈低。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电子也逐渐恢复原值。PNIC光电池基于光生伏特效应。当光照射在光电池上时，可以直接输出电动势及光电流。2.光电传感器可分为那几类，请分别举出几个例子加以说明。答：利用光电效应可制成了各种光电转换器件，即光电式传感器。3.某光电开关电路如图4-45（a）所示，施密特触发反相器CD40106的输出特性如图4-45（b）所示。（a）（b）图4–45光电开关电路及特性（a）电路；（b)CD40106的输出特性1）请分析该电路的工作原理；VD112VT11VT1元件作用元件作用元件作用VD1光敏二极管IC1施密特触发反相器VD2继电器反向感应电动势泄流R2隔离降压电阻R1向IC1提供输入电压K继电器RP调节向IC1输入电压大小VT1继电器导通激励晶体管3）K4.2.5mA50mA，200Ω（答： （a）强光照时继电器吸合（b）强光照时继电器释放图（a）R1和RP共约300Ω，图（b）R1约5kΩ，R2和RP共约1kΩ。5.造纸工业中经常需要测量纸张的“白度”以提高产品质量，请你设计一个自动检测纸张“白度”的测量仪，要求：画出传感器简图；A／D6.在物理学中，与重力加速度g有关的公式为s=υ0t+gt2/2，式中υ0为落体初速度，t为sg5υ0s0υ0’代替答：如图所示。5RS678LEDAVDARSQ13体经过已知高度h1而遮挡光源EDBVDBRS触发器Q03fT=1nh1t1=nT=nμsV=h1/nT487m,度h2t2=mT=mμs计算显示器8根据h2、t2、V和公式2 2 2h＝Vt＋gt2/2。2 2 27.2B答：OMR光标阅读器，如图。光标阅读器由机械传动部分、光电传感器部分和微处理器部分组成。一般可阅读16开、32642（43）A/DCPU、RAM、EPROMUSBPC8.光电耦合器有哪几种结构？能做哪些用途？光电耦合器在插卡式电源开关中起什么作用？VT1VT2K工作，接通房间内的总电源。VT1C3VT2K9.简单叙述热释电红外传感器工作原理和电路组成。钛锆酸铅铅）FET10.光纤传感器有哪两种类型？简单叙述光纤传感器水源检测设备工作原理。CCDCCD11.试画出条形码识读设备电路组成粗框图。答：条形码识读设备电路组成如下图所示。存储器存储器计算机解码、校验、数据处理模数变换条码电脉冲信号整形条码电脉冲信号放大计算机解码、校验、数据处理模数变换条码电脉冲信号整形条码电脉冲信号放大显示器扫描笔显示器打印机打印机5章习题1.CCD的MOS电容器阵列是如何将光照射转换为电信号并转移输出的？MOSPP（MOSMOS（121331CCDMOSMOS2.CCD图像传感器上使用光敏元件与移位寄存器分离式的结构有什么优点？CCDCCD3.举例说明CCD图像传感器的用途。4.CMOS图像传感器与CCD图像传感器有什么不同？各有什么优缺点？MOS（MOSFET）互补型金属—氧化物—半导体场效应管（MOSFET）如下图所示。它是把与CMOS型放大器源极相连的P型半导体衬底充当光电变换器的感光部分。当CMOS型放大器的栅源电压uGS0时，CMOS型放大器处于关闭状态，即iD0，CMOS型P5.CCDCCDCCDA/DASICPCMCIA数码相机存储卡上存储的是经ASIC集成电路压缩后的外界景物的数字信号。6CMOSCMOS答：CMOSCCDCMOSCCD1/3CMOSCMOSCMOSCMOSCMOS7.车辆牌照号码自动识别系统如何进行车牌识别?答：车辆牌照号码自动识别系统如图所示。存储器号码识别PC计算机图像采集设备摄像设备照明设备存储器号码识别PC计算机图像采集设备摄像设备照明设备显示设备显示设备车辆辅助设备

触发设备

（1）车辆进入车道，在线圈上产生感应电流，触发照明、摄像、图像采集设备工作；（2）CMOS摄像机摄制车辆视频图像；（3）图像采集设备对视频图像帧进行垂直方向采样，采样值数字化后提供给计算机；（4）计算机从视频图像帧中采集车辆图像，在车辆图像上定位牌照区域；（5）在牌照区域定位字符间隔，按间隔分割各字符；（6）把分隔出的字符与存储器模板中的字符进行匹配识别，或者运用人工神经网络特征提取法进行字符识别；（7）由识别的字符组成车牌号码，从存储器中寻找和调出存储的该号牌车辆信息，进行后续有关操作处理。8.用手机读设备上的二维码时,为什么不怕倾斜?二维码如何寻像和定位?36章习题1.什么是霍尔效应？霍尔电压与哪些因素有关？1）霍尔电压UH大小与材料的性质有关。2）霍尔电压UH与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到：3）霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。2.霍尔器件由什么材料构成？为什么用这些材料？答：由霍尔电压公式UH

IBnqH

RHIBH设KHRHH，得UHKHIBnRHKH一般采用N型半导体材料。3.霍尔器件有哪些指标？使用时应注意什么？答：输入电阻RIN和输出电阻ROUT，要与电路匹配。额定控制电流IC，不能超过。不等位电势U0，要注意消除测量误差。霍尔电压UH，要符合测量要求。霍尔电压的温度特性，注意消除温度造成的测量误差。4.什么是磁阻效应，产生的原因是什么？5.阐述磁敏二极管的工作原理。P+-i-N+压，P+i，N+iNrrri6.新型的磁传感器有哪些？工作原理如何？7.分析图6-17所示霍尔计数装置的工作原理。图6－17霍尔计数装置的工作原理及电路UGN3020答：霍尔元件在地磁场内旋转到不同的方位，可以得到霍尔电压输出为UH=KHIBcosθf(L/W)式中：KHI为输入霍尔元件电流值，B为地磁场的水平分量，θ为霍尔元件正面法线与地磁子午线的夹角，f(L/W)为霍尔元件形状效应系数。航海罗盘的组成框图如下：SL35019.简单叙述磁卡结构和磁卡阅读器的工作过程。为什么说磁卡是识别卡？31（）ATM10.霍尔无刷电动机如何改变转速？为什么说霍尔无刷电动机速度-转矩的线性度好，调速平稳？1212只电枢线圈，电枢线圈安排放置在定子槽中，使其产生的磁场超前于永久磁铁转子磁场307章习题1.用作位移测量的电位器传感器的主要作用有哪些？答：用作位移测量的电位器传感器由电阻体、电刷、转轴、滑动臂、焊片等组成，用机械运2.画图分析光栅位移传感器莫尔条纹放大作用原理，并讨论数量关系。WBKWK1KB/W1sin1当θθ=301／115K=1153.简单分析磁电式转速传感器的工作原理。f=Z·n式中：Z——磁轮的齿数；n——磁轮的转数。45.试设计一个多电极、多水位的水位控制系统。VT4VT4VT4VT1VT4VT4到下一次低水位时重复以上加水过程。6.位移传感器如何用作接近传感器？接近传感器会有哪几种类型？7.什么是热释电传感器？热释电式自动门开关电路是如何工作的？7-13RD622VTIC12IC13KMKM1SQ1VTIC126C4RPR4C4IC1IC13KMKM1KM2SQ2单稳态电路由暂稳态复位到稳态的时间长短，也就是门维持开启状态的时间长短，取决于C4充电的时间常数，可以通过改变RP电阻值调节。图7-13热释电式自动门开关电路8.可否用电磁式流量计测量自来水的流量？如何测量？2 Q v4

3/s)电磁式流量计的优点是：1）安装方便；2）不影响流体流动；3）受流体粘度影响小；4）受流速分布影响小；5）测量范围宽；6）测量误差小。9 10.解释同轴圆柱型电容传感器测量降雨量的工作原理。T同轴圆柱型电容传感器测量降雨量电路如图所示，Ui为正负脉冲电源。C1，C2C1C2RLUoC1C2RLRLU0Uo=MUEf(C1−C2)式中，f；M、RLUoC1hx8章习题1.简要说明气体传感器有哪些种类，并说明它们各自的工作原理和特点。300～600οC电化学式气体传感器包括离子电极型、定电位型、加伐尼电池型等种类。2.简要说明在不同场合分别应选用哪种气体传感器较适宜。（H2CO等，（CH4等（C3H8C4H10等COSnO2α-Fe2O3CO、NOx、HCl、O2COZrO2FeCu600οCZrO2（10-19对于污染环境需要检测的气体有SO2、H2S、NOX、CO、CO2等，因为需要定量测量，宜选用电化学气体传感器。SnO2ZrO23.说明含水量检测与一般的湿度检测有何不同。固体物质中所含水分的质量与总质量之比的百分数，就是含水量的值。4.烟雾检测与一般的气体检测有何区别。5.根据所学知识，试画出自动吸排污染气体的电路原理框图，并分析其工作过程。答：图示。 6.目前湿度检测研究的主要方向是什麽？7.什么是非电量传感器？请举一例子，说明其用途，画出其应用电路。8.将图8-14ICL7106答：如图所示，具体接线脚可查阅ICL7106集成电路资料。ICL7106与液晶的接线脚序号23456789101112131415接线d1c1b1a1f1g1e1d2c2b2a2f2e2d3序号161718192223242538394012126接线b3f3e3bc4g3a3c3g2时钟时钟时钟电源接地接地ICL71061ICL710619.简述柔性传感器的构成？并说明其优点？9章习题1.生物传感器的信号转换方式有哪几种？答：（１）化学变化转换为电信号方式H2O2H2H+NH4电极、CO2FET（２）热变化转换为电信号方式（３）光变化转换为电信号方式（４）直接诱导式电信号方式2.生物传感器有哪些种类，简要说明其工作原理。（O半导体生物传感器是由半导体传感器与生物分子功能膜、识别器件所组成。3.检测发射微波和反射微波的时间间隔，可测量液位高低。试设计一微波液位计，解释其工作原理。 4.不停车收费系统（ETC）是如何工作的？答：ETC（）Onboardunit，OBURoadsideunit，RSU)车载单元内部部件有微带天线、微波接收和发送电路、电源控制电路、信号调制解调电路、微处理器、E2prom存储器等，备有银行卡插口。客户到高速公路服务网点或委托银行办理ETC收费手续，领取车载单元。ETCOBU中心管理系统通过传输网络从路边单元获取车辆牌照号、车辆ID、车型等信息，和数据库中客户档案信息进行匹配比对。如果匹配成功，则计算收费金额，从其银行账户上扣除此次应交的过路费，记录交易数据，通过路边单元向OBU的E2prom存储器写入交易信息，发指令让车辆通行。5.微波温度传感器是什么工作原理？它有哪些用途？或室温6.用生活中的例子解释多普勒效应。7.公交IC卡卡片上不带电源为什么能够工作?简单叙述公交IC卡刷卡交费过程。答：公交ICRFLC2VICRFICICICRS－2320.18.简述超声波传感器测流量的基本原理。（F1T1F2，T2，其中F1，1）的超声波是顺流传播的，而（2，T2）的超声波是逆流传播的。根据这c2 tg t2dq V 4

d

dc2tgt89.超声波传感器如何对工件进行探伤？有何优点？X射线也可以用于对工件进行无损探伤。10.语音识别系统和人像识别系统有何相同之处?有何不同之处？11.机器人传感器主要有哪些种类？答：机器人传感器可分为内部检测传感器和外部检测传感器两大类。12.接近觉传感器是如何工作的？举例说明其应用。L产生的高频电磁测对象必须是金属。13指纹图像采样、指纹图像预处理、二值化处理、细化、纹路提取、细节特征提取和指纹匹配（。指纹传感器通过传感信号进行指纹图像采样，并转换为数字信号，送微处理器进行指纹识别。14.温差效应指纹传感器FCD4B14由哪几部分电路组成？它们在指纹采样过程中各起什么作用？0.4mm×14mmA／D8280＝22401列选脉冲从传感区域按顺序选出像素列，再由行选脉冲选出像素。A／D（8恒温电路保证指纹图像采样不受环境温度的影响。15.本书共介绍了哪些基本传感器？试根据其原理不同进行归类总结。答：目前为止学的都是基本传感器，品种很多，归类为16ITO（电容式触摸屏可以用于多点触控。171）体积小，重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短，可以嵌入大尺寸系统中使用。2）以硅为主要材料，硅的强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨，4）可把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微机电系统。M若环境温度改变，则M值会随之改变，振荡信号频率就会改变。用频率计测得频率的变化Δf，由计算机计算可获得温度的变化ΔT。ΔT＝kΔf／f010章习题1.什么是智能传感器？它有什么样的功能？（IEEE）19982.人的智能是如何实现的？它的3层结构分别是什么器官？如何工作？底层（（3.3）这种智能传感器称为计算型智能传感器。2）（殊功能进行抑制。比如固定在生物传感器顶端的酶就是特殊功能材料的一个典型例子。3）4.为什么说“人的手指就是传感器与执行器合成的典型例子”？利用气体、液体和固体的热胀冷缩，试设计几个传感器与执行器合成的器件。5.MCU5cm36V180具有数据处理功能，可根据环境参数的变化，自动开始测量或改变测量频率。Motorola68HC118A／DRS－232总线温度传 接口感器 总线温度传 接口感器 电路1温度传 接口感器 电路2启动加速度计阵列加速度传感器阵列压力传感器阵列湿度传感器接口电路3电源管理器电池MCU68HC11无线发送器晶振I／O37PAGEPAGE38存储器6.试设计一个具有自学习能力的智能传感器，解释自学习过程。答：如图所示。存储器触摸手写显示屏打印机CPU触摸手写显示屏打印机CPU字库手写笔字库手写笔CPU7.什么是多传感器融合？什么是数据融合？多传感器融合系统有什么作用？8.什么是模糊传感器？如何通过温度基本传感器实现模糊温度符号输出？通过温度基本传感器实现模糊温度符号输出的大致步骤为1）在温度基本传感器的温度测量值集合上选取有限几个“有代表性”的温度值；2）将这些“有代表性”的温度值用模糊语言符号表示，生成模糊语言符号集合；3）再把温度基本传感器的每一个温度测量值，分别选择模糊语言符号集合中的最相近，最合适的模糊语言符号来表述。9.四旋翼飞行器为什么要配置多传感器融合？配置了哪些传感器？融合了哪些数据？答：四旋翼飞行器4个旋翼的旋转切角是固定值，飞行姿态控制进行自稳控制只能由改变4个旋翼的转速来实现。飞行控制单片机分别向4个数字变频器输出控制信号，改变它们输出的单极性脉冲电流的频率，以改变4个无刷直流电机的转速，实现对升降、速度和3种姿态（41324FreescaleMPX4250ALIS344ALH33ADXRS610（又XYZATMEGA644（11章习题1.分布式传感器网络系统与单个传感器的用途有什么不同？答：传感器网络可以实施远程采集数据，并进行分类存储和应用。传感器网络上的多个用户可同时对同一过程进行监控。2.数量巨大的传感器加入互联网会具备什么样的功能？试设计一种传感器加入Internet，解释其使用。Internet（（2