《传感器原理与应用》179-3（唐锦源）参考答案

参考答案

项目一传感器的基础

任务工单答案

任务工单1.1答案

(1)传感器的应用案例有烟雾报警器、酒精检测仪、手机触摸屏、体重秤等。

传感器的工作原理是通过敏感元件及转换元件把特定的被测信号，按一定规律转换成

某种可用信号并输出，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。可以把传感

器狭义地理解为：将非电信号转换为电信号的器件。

(2)传感器通常由敏感元件、转换元件及信号调理电路组成，有时还包括辅助电源。

其中，敏感元件和转换元件为传感器的基本组成部分，分别完成检测和转换两个基本功能。

信号调理电路的作用是将输出信号进行放大并转换成易于传输、便于处理的可用输出信号。

(3)传感器用途广泛，种类繁多，分类方法也很多。常见的分类方式有：按照传感器

感知外界信息所依据的基本效应分类、按照传感器的工作原理分类、按照传感器的被测参

数分类等。

(4)传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性两种。

任务工单1.2答案

(1)传感器检测系统通常由传感器、数据传输环节、数据处理环节、数据显示环节等

部分组合而成，是以完成信号测量为目标的一个有机整体。

(2)传感器检测系统按照信号在检测系统里传递情况的不同，分为开环检测系统和闭

环检测系统。

(3)常用的检测方法有直接检测法、间接检测法、组合检测法、偏差式检测、零位式

检测、微差式检测、等精度检测、不等精度检测等。

(4)人类社会对传感器越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技

术的突飞猛进则为传感器的发展提供了坚强的后盾。总体而言，未来传感器将会依照人们

的需要向智能化、微型化、网络化方向发展。

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传感器原理与应用

思考与练习答案

一、填空题

（1）可用输出电信号

（2）敏感元件转换元件信号调理电路

（3）电容式传感器磁电式传感器光电式传感器

（4）静态特性动态特性

（5）闭环检测系统

二、简答题

（1）能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，称为传感

器C

红外传感器、超声波传感器、指纹传感器。

（2）传感器通常由敏感元件、转换元件、信号调理电路、辅助电源等部件组成。敏

感元件和转换元件为传感器的基本组成部分，分别完成检测和转换两个基本功能，信号调

理电路将输出信号进行放大并转换成易于传输、便于处理的可用输出信号。

（3）传感器的分类方式有：按照传感器感知外界信息所依据的基本效应分类、按照传

感器的工作原理分类、按照传感器的被测参数分类等。

（4）衡量传感器静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性和精度等。

（5）传感器检测系统通常由传感器、数据传输环节、数据处理环节、数据显示环节

等部分组合而成。传感器用于采集检测过程中的信息、，数据传输环节用于实现数据传输,

数据处理环节是将传感器输出的信号进行处理和转换，使传感器输出信号便于显示、记

录和使用，数据显示环节是将被测量的信息转换成人感官能接受的形式并输出，最终使

人们完成监视、控制或分析。

（6）人类社会对传感器越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技

术的突飞猛进则为传感器的发展提供了坚强的后盾。总体而言，未来传感器将会依照人们

的需要向智能化、微型化、网络化方向发展。

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参考答案

项目二电阻式传感器

任务工单答案

任务工单2.1答案

（1）应变式传感器是利用电阻应变片将应变变化转换为电阻变化的传感器。

（2）金属电阻应变片主要在基底（基片）、敏感栅、覆盖层（盖片）、引线等部分组成，

是应变式传感器最常用的一种敏感元件。

（3）弹性元件在被测量（如力、力矩等）作用下发生形变，产生相应的应变，然后传

递给与弹性元件相连的金属电阻应变片，引起金属电阻应变片的电阻发生变化，最后通过

测量电路转换为电压输出，电压的大小反映了被测量的大小。

（4）应变式传感器的测量电路有直流电桥和交流电桥。

（5）应变式传感器精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣

条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化。常见的应变式传感器有应变式重力

传感器、应变式压力传感器、应变式加速度传感器等。

任务工单2.2答案

（I）压阻式传感器是利用半导体应变片将应变变化转换为电阻率变化的传感器。

（2）半导体应变片是用半导体材料制成的一种纯电阻性元件。常见的半导体应变片有

体型、薄膜型、扩散型等结构形式

（3）当半导体材料受到外力的作用时，其电阻率随之发生相应的变化，其电阻也发生

变化。

（4）压阻式传感器的测量电路有恒压源式电桥和恒流源式电桥。

（5）压阻式传感器具有灵敏度和分辨率高、应变的横向效应和机械滞后小、频率响应

范围大等优点，它被广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工

程、气象观测、地质勘测、地震预警等各个领域。常用的压阻式体感器有压阻式加速度传

感器、压阻式压力传感器等。

任务工单2.3答案

（1）热敏电阻式传感器是以热敏电阻器为敏感元件，利用半导体的电阻率随温度的变

化而显著变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。

（2）热敏电阻器一般由热敏探头、引线、壳体等构成，其结构有珠形、圆片形、玻璃

管形、片形、柱形等形式。

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传感器原理与应用

(3)大多数热敏电阻器为NTC热敏电阻器，具有负温度系数。温度越高，NTC热敏

电阻器的阻值越小。

(4)由于热敏电阻器温度特性曲线的非线性十分严重，为保证一定范围内温度检测的

精度要求，应进行非线性修正。常用的修正电路有串联电阻补偿、并联电阻补偿电路等。

(5)热敏电阻式传感器主要用于温度测量、温度控制、温度补偿、稳压稳幅、自动增

益调节、气体和液体分析、火灾报警、过载保护等方面。

思考与练习答案

一、填空题

(I)机械变形应变效应

(2)敏感栅基底引线

(3)电阻率压阻

(4)热敏电阻器半导体的电阻率

(5)正温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻

二、简答题

(1)应变式传感器是基于电阻应变片的应变效应将应变变化转换为电阻变化，再经

相应测量电路处理后，在显示器记录仪上显示或记录被测量的变化状态的一种传感器。

(2)应变式传感器的测量电路有直流电桥和交流电桥两类。

(3)压阻式传感器就是基于半导体材料的压阻效应工作的。半导体材料在受到力的作

用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。

(4)大部分热敏电阻器是由两种以上复合氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成的

温敏元件，一般由热敏探头、引线、壳体等构成。

热敏电阻器灵敏度高、结构简单、电阻率高、体积小、热惯性小，可用于测量点温,

也可用于动态温度监测。

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参考答案

项目三电容式传感器

任务工单答案

任务工单3.1答案

（1）电容式传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，并通过测量电路将被测量变

化转换为电容量变化的装置。

（2）两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，就构成了电容器。

（3）电容器是储存电量和电能（电势能）的元件，当电容器的两个极板之间加上电压

时，电容器就会储存电荷。由物理学知识可知，两块平行的金属吸板可组成一个平行板电

容器。电容C与两块平行极板间介质的介电常数、两块平行极板的有效覆盖面积A、两块

平行极板的间距3三个参量有关，若6、A和8中任一个参量发生变化，电容器的电容C将

随之改变。

（4）一般电容式传感器的常见测量电路有调频电路、脉冲宽度调制电路、运算放大器

电路。

（5）电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分、介质特性等方面

的测量。常见的电容式传感器有电容式厚度传感器、电容式位移传感器、电容式加速度传

感器、电容式压力传感器等。

任务工单3.2答案

（1）硅电容式集成传感器主要由压敏电容器、转换电路和辅助电路三部分组成。

（2）压敏电容器作为敏感元件是硅电容式集成传感器的核心部件，压敏电容器的电容

由两个电容器极板的面积和间距决定，极板间的介质为空气，当硅膜片因为受力变形时，

电容的变化量与压力差的大小有关。压敏电容器的电容由两个电容器极板的面积和间距决

定，极板间的介质为空气。

（3）是在一个硅膜片上制成的两个圆形电容器，两者尺寸相同，电容大小分别为C,、

C。,其中g为受力电容器，孰为参考电容器，C。不受外力作用，只用于温度补偿。当硅

膜片两侧因为压差而存在受力变形时，电容器极板间距的变化引起电容量变化，理论证明，

当硅膜片的变形量小于极板间距时，压差与变形量呈线性关系。

（4）硅电容式集成传感器的测量电路采用的是二极管检波电路。通常将受力电容器、

参考电容器与4个二极管集成在一起。电路采用交流激励，输入的是方波或正弦波，电源

交流激励通过耦合电容提供电桥电压，再把压敏电容器的电容变叱量转换成直流电压输出。

（5）硅电容式集成传感器广泛用于气体压力和加速度的测量。

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传感器原理与应用

思考与练习答案

一、填空题

(1)介电常数有效覆盖面积距离

(2)调频电路运算放大器电路

(3)压敏电容器转换电路辅助电路

二、简答题

(1)电容式传感器的特点：结构简单；温度稳定性好；动态响应好；可以实现非接触

测量，且具有平均效应；输出阻抗高，负载能力差。

电容式加速度传感器、电容式位移传感器、电容式压力传感器。

(2)电容式传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测量的变化转换成为电

容量的变化，并通过测量电路将电容量的变化转换成可用输出电信号，只要检测出电信号

的大小，就可获得被测量的大小。电容式传感器根据工作原理的不同，可分为变极距型、

变面积型和变介质型三种类型。

(3)电容式厚度传感器在被测金属板材的上下两侧各放置一块面积相等、与金属板材

距离相等的极板，这样极板与金属板材就构成了两个电容器。把前块极板用导线连接成

为一个极板，而金属板材就是电容的另一个极板，相当于两个电容器并联。如果金属板

材的厚度发生变化，将导致它与上下两个极板间的距离发生变化，就会引起电容的变化。

将电容器接入测量电路时，就会产生不平衡输出，从而实现对板材厚度的检测。

(4)硅电容式集成传感器主要由压敏电容器、转换电路和辅助电路三部分组成。一般

利用硅膜片制成两个圆形电容器，一个为受力电容器，另一个为参考电容器，当硅膜片感

受压力而变形时，硅膜片与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出

与电压成一定关系的电信号，从而实现被测量的检测。

项目四电感式传感器

任务工单答案

任务工单4.1答案

(1)自感式传感器是利用自感器将被测量的变化转换为自感系数L的变化，并通过

测量电路将自感系数L的变化转换成电压或电流输出的装置。

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参考答案

（2）自感器由线圈、衔铁和铁芯组成，是自感式传感器的敏感元件。

（3）由电路原理知识可知，线圈自感系数L等于线圈的磁通量与产生磁通量的电流

之比。当线圈的匝数N固定时，自感系数L与空气间隙的厚度5、磁通的截面积A有关。

因此，改变铁芯与衔铁的空气间隙的厚度或者改变磁通的截面积都能改变线圈的自感系数。

（4）自感式传感器的测量电路有变压器式交流电桥、带相敏整流电路的交流电桥、谐

振式电路等。

（5）自感式传感器可用于测量位移、压力、加速度、厚度、振动等非电量参数。

任务工单4.2答案

（1）差动变压器式传感器是基于变压器的基本原理制成的，并将次级线圈进行差动形

式连接，故称为差动变压器式传感器。

（2）差动变压器作为差动变压器式传感器的敏感元件，具有结构简单、灵敏度高、测

量精度高、线性度好、输出稳定、驱动力小等特点。差动变压器主要由初级线圈、次级线

圈、铁芯、衔铁构成，其中次级线圈分成极性相反的两部分。

（3）当交流电压加在初级线圈上时，在两个次级线圈乙、4中就会产生感应电压气、

2。当变压器的衔铁处于中间位置时，由于两个次级线圈完全对称，通过两个次级线圈的

磁感线相等，则输出电压为0。当衔铁向上移动时，上侧次级线圈内所穿过的磁感线增加，

MJ曾大，气随衔铁偏离中间位置而逐渐增大；而此减小，与随衔铁偏离中间位置而逐渐

减小，则输出电压大于0。当衔铁向下移动时，与上述情况相反，则输出电压小于0。当衔

铁向上、下移动的位移量相等时，两种情况下的输出电压大小相等、方向相反（相位差180。）。

输出电压的大小反映衔铁的位移量大小，方向反映衔铁的运动方向。

（4）差动变压器式传感器常采用差动整流电路、相敏检波电路作为测量电路。

（5）差动变压器式传感器可以用于位移、振动、加速度、应变、密度、张力、厚度等

的测量。常见的差动变压器式传感器有差动变压器式位移传感器、差动变压器式加速度传

感器、差动变压器式压力传感器等。

任务工单4.3答案

（1）电涡流式传感器是基于电涡流效应制成的，能静态和动态地非接触、高线性度、

高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。

（2）在一个金属导体上方放置一个扁平线圈，当线圈中通入交变电流时，线圈的周围

空间就产生了交变磁场，若将金属导体置于此磁场范围内，则金属导体中将产生感应电流。

这种电流在金属导体中是闭合的，呈旋涡状，称为电涡流或涡流，这种现象称为电涡流效

应。

（3）电涡流式传感器的测量电路有调频电路、调幅电路。

（4）电涡流式传感器具有测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强等特点，

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传感器原理与应用

可以实现非接触式测量，因此被广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域，可用于测量

位移、振幅、转速等，也可用于金属件探伤等。

思考与练习答案

一、填空题

(I)电磁感应自感系数L或互感系数M

(2)自感系数L

(3)线圈互感系数M变压器的基本原理

(4)感应电流电涡流效应

二、简答题

(1)变间隙型自感器由线圈、铁芯、衔铁组成。其工作原理为：变间隙型自感器的截

面积保持不变，在铁芯和衔铁之间有空气间隙，当衔铁移动时，空气间隙的厚度发生改变，

引起磁路中磁阻变化，从而改变线图的自感系数小

(2)差动变压器主要由初级线圈、次级线圈、铁芯、衔铁构成，其中次级线圈分成极

性相反的两部分。其工作原理为：当交流电压加在初级线圈上时，在两个次级线圈右、L2

中就会产生感应电压气、与。当变压器的衔铁处于中间位置时，由于两个次级线圈完全

对称，通过两个次级线圈的磁感线相等，则输出电压为0。当衔铁向上移动时，上侧次级

线圈内所穿过的磁感线增加，也增大，q随衔铁偏离中间位置而逐渐增大；而风减小,

O随衔铁偏离中间位置而逐渐减小，则输出电压大于0。当衔铁向下移动时，与上述情况

相反，则输出电压小于0。当衔铁向上、下移动的位移量相等时，两种情况下的输出电压

大小相等、方向相反(相位差180。)，输出电压的大小反映衔铁的位移量大小，方向反映衔

铁的运动方向。

(3)差动整流电路、相敏检波电路。

(4)金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡

旋状的感应电流，此电流称为电涡流，这种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。电涡流的大小与金属导体的磁导率、电阻率、尺寸因子、距

离、激励电流强度、角频率等参数有关，若固定某些参数不变，就能根据电涡流的大小来

测量被测参数。

电涡流式传感器广泛应用于电力、石油、化工、冶金等领域，对汽轮机、水轮机、鼓

风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、

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参考答案

轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线监测和保护。

项目五电感式传感器

任务工单答案

任务工单51答案

（1）磁电感应式传感器利用磁电感应原理，将运动速度、位移、振动、转速等被测

量转换成线圈中的感应电压（感应电流）输出。磁电感应式传感器工作时不需要外加电源,

可直接将被测物体的机械能转换为电能，是一种机-电能量变换型传感器。

（2）磁电感应式传感器的敏感元件部分是由永磁体、感应线圈和铁芯组成的。

（3）根据法拉第电磁感应定律可知，当通过闭合线圈的磁通发生变化时，线圈内将产

生感应电压，感应电压的大小与穿过线圈的磁通变化率有关。

（4）积分电路、微分电路。

（5）磁电感应式传感器常用于振动、扭矩、转速等测量。

任务工单5.2答案

（1）霍尔式传感器是利用霍尔效应，将被测量变化转换成可用输出电信号的传感器。

（2）霍尔式传感器的敏感元件为霍尔元件。霍尔元件是一种基于霍尔效应制成的半

导体元件。霍尔元件是一种四端型元件，由霍尔片、引线和壳体组成。

（3）当电流通过一个位于磁场中的导体时，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于

电子运动方向的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电压，这一现象

被称为霍尔效应。

（4）通常采用放大电路、差分放大电路。

（5）霍尔元件具有体积小、动态特性好、灵敏度高、频带宽度大等优点，因此霍尔

式传感器被广泛应用于工业测量、自动控制等领域。常见的霍尔传感器有霍尔式位移传

感器、霍尔式转速传感器、霍尔开关等。

思考与练习答案

一、填空题

（1）磁电感应原理感应电压（感应电流）

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传感器原理与应用

（2）恒磁通式变磁通式

（3）霍尔效应霍尔片引线壳体

（4）洛仑磁力横向偏移

（5）霍尔元件的灵敏度

二、简答题

（1）根据法拉第电磁感应定律可知，当通过闭合线圈的磁通发生变化时，线圈内将产

生感应电压。磁电感应式传感器就是利用磁电感应原理，将运动速度、位移、振动、转速

等被测量转换成线圈中的感应电压（感应电流）输出。

（2）当电流通过一个位于磁场中的导体时，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电

子运动方向的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电压，这一现象被称

为霍尔效应。

（3）霍尔元件最常用的半导体材料是错（Ge）、硅（Si）、睇化锢（InSb）、碑化锢（InAs）

以及由不同比例亚硅酸锢和磷酸锢组成的In型固熔体等。

项目六热电式传感器

任务工单答案

任务工单6.1答案

（1）热电偶传感器是利用热电偶基于热电效应将温度变化转换为可用输出电信号的

传感器。

（2）热电偶是基于热电效应进行工作的。将材料不同的两个导体A和B相互紧密连

接成一个闭合回路。当两个接点的温度不同时，回路中就会产生电动势，从而在回路中产

生一定大小的电流，这种现象称为热电效应。

（3）热电偶的基本定律有均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律、标准电极定

律。

（4）热电偶传感器有热电偶测量单点温度电路、热电偶测量两点温度差电路、热电偶

的并联测量电路、热电偶的串联测量电路。

（5）热电偶传感器被广泛用来测量-200〜1800℃范围内的温度，具有结构简单、价

格低、准确度高、测量范围广等特点。热电偶传感器常用于测量金属表面温度和控制炉温。

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参考答案

任务工单6.2答案

（1）热电阻式传感器是利用金属导体的电阻率随温度的变化而改变的特性来工作的

传感器。

（2）金属热电阻由电阻体、保护套管和接线盒等部件组成。其中，电阻体通常由粕丝

或铜丝在芯柱上绕制而成。

（3）对于由金属导体制成的测温敏感元件，当被测温度变化时，金属导体的电阻随温

度的变化而变化，通过测量电阻变化的大小可得出温度变化的情况及数值大小，这就是金

属热电阻测温的工作原理。

（4）金属热电阻常使用电桥作为测量电路，为消除连接导线的电阻随温度变化而造成

的测量误差，常采用三线制电桥和四线制电桥接法。

（5）工业上常利用热电阻式传感器进行液体、气体、固体、固熔体等的温度测量，测

量范围为-296〜500℃。热电阻式传感器利用热电阻的热量消耗和介质流速的关系可以测

量流量、流速、风速等。

思考与练习答案

一、填空题

（1）可用输出电信号电参数测量电路

（2）热电效应

（3）补偿导线法冷端温度校正法

（4）柏铜

二、简答题

（1）将材料不同的两个导体A和8相互紧密连接成一个闭合回路，当两个接点的温

度不同时，回路中就会产生电动势，从而在回路中产生一定大小的电流，这种现象称为热

电效应。热电效应产生的电动势称为热电动势。

（2）热电偶根据结构形式的不同，可分为普通型热电偶、铠装型热电偶、薄膜型热

电偶等类型。

（3）热电偶的中间导体定律是指在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中

间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响的定律。

（4）热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度

测量的。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

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传感器原理与应用

（5）钠热电阻、铜热电阻

以粕作为测温敏感元件的热电阻具有示值稳定、测量准确度高等优点，其使用温度

范围为一200〜850C；铜热电阻和钓热电阻相比具有电阻温度系数大、价格低，易于提纯

等优点，但存在电阻率小、体积大、热惯性大等缺点。

项目七光电式传感器

任务工单答案

任务工单7.1答案

（1）光电式传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电器件转换成

可用输出电信号的传感器。

（2）光由具有一定能量（光能）的光子组成，其能量的大小由光的频率（波长）决定。

当超过特定频率的光照射在物体上时，物体受到一连串光子的轰击，物体中的电子吸收光

能，导致物体的电学性质发生变化，出现电子逃逸的现象，这种现象称为光电效应。

（3）光电器件主要有光电管、光电倍增管、光敏电阻器、光电二极管、光电池等。

（4）当入射光照射到阴极时，光能传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大

时，电子就有可能克服金属表面对其的束缚，电子逸出金属表面。当光电管阳极加上适当

电压（数十伏）时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成

电流。在光电管外电路中串入一只适当阻值的电阻器，电路中的电流便转换为电阻器上的

电压，该电流或电压的变化与光通量成一定函数关系，从而实现光弓转换。

（5）光电式传感器可实现非接触式测量，具有结构简单、响应速度快、精度高、抗干

扰能力强等特点，广泛应用于自动控制、智能设备、导航系统、广播电视等各个领域。常

见的光电式传感器有光电式数字转速表、路灯自动控制器等。

任务工单7.2答案

（1）光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。

（2）光纤是一种具有多层介质结构的同心圆柱体，通常由纤芯、包层、保护层（涂敷

层和保护套）组成。纤芯位于光纤的中心部位，由玻璃、石英或塑料制成。围绕着纤芯的

圆形外层称为包层。包层的材料为玻璃或塑料。涂敷层的作用是提高光纤的机械强度，增

加光纤的柔韧性。涂敷层外面是不同颜色的保护套，既可保护光纤，又可以通过颜色区分

光纤的种类。

（3）光纤是利用光的全反射现象进行传输的。光在同一种介质中是沿直线传输的。当

光线在不同介质中传播时，会产生折射现象，若光线从光密介质射向光疏介质，且入射角

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参考答案

大于临界角时，光线会产生全反射现象。

（4）光纤传感器由光源、光纤、光探测器、信号处理系统等部分构成。

（5）光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、结构简单、体积小、重量轻、不受电

磁干扰、光路可弯曲、便于实现遥测、耐腐蚀、耐高温等特点。它可广泛用于位移、速度、

加速度、压力、温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量的测量。

任务工单7.3答案

（1）光栅式传感器是利用光栅的莫尔条纹现象，将光栅作为测量元件的一种光电式传

感器。

（2）在玻璃尺或金属尺上类似于刻线标尺那样，进行密集刻划（刻线的密度一般为每

毫米25、50、100或250线），得到明暗相间的条纹，没有刻划的地方透光（或反光），刻

划的地方不透光（或不反光），这就是光栅。

（3）将栅距相同的两光栅刻面相对重叠在一起，中间留有适当的间隙，且两光栅的栅

线借开一个很小的角度，当两光栅相对移动时，在明亮的背景下可以得到明暗相间的莫尔

条纹。在根加线上，两光栅的栅线彼此重合，光线从缝隙中通过并形成亮带；在〃■〃线上

两光栅彼此错开，形成暗带。

（4）光栅式传感器的测量系统是由主光栅、光栅读数头、光栅数显装置组成的完整系

统。光栅读数头把被测量转换成相应的电信号。光栅数显装置是实现细分、辨向和显示功

能的电子系统。

（5）光栅式传感器具有结构原理简单、测量精度高等优点，在数控机床和仪器的精密

定位，以及长度、速度、加速度、振动测量等方面得到了广泛应用。

任务工单7.4答案

（1）CCD图像传感器是一种高度集成的光电式传感器,可以独立完成光电信号转换、

信息存储、传输和处理，具有体积小、重量轻、集成度高、分辨率高、功耗低、寿命长、

价格低等特点。

（2）电荷耦合器件是由按一定规律排列的金属一氧化物-半导体（MOS）电容器组成的

阵列。

（3）CCD的工作过程包括电荷的注入、存储、转移和输出c

（4）计量检测仪器、自动售货机、自动搬运机、光学文字识别、标记识别、图像识别、

传真、扫描、导航、跟踪、侦查等。

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传感器原理与应用

思考与练习答案

一、填空题

(1)光电效应光电器件可用输出电信号

(2)光电效应光电子光电器件

(3)光电倍增管光电二极管

(4)纤芯

(5)光栅读数头光栅数显装置

(6)电荷转移器件转换存储处理

二、简答题

（1）光电式传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电器件转换成

可用输出电信号的传感器。光电式传感器可实现非接触式测量，具有结构简单、响应速度

快、精度高、抗干扰能力强等特点，广泛应用于自动控制、智能设备、导航系统、广播电

视等各个领域。

（2）光由具有一定能量（光能）的光子组成，其能量的大小由光的频率（波长）决定。

当超过特定频率的光照射在物体上时，物体受到一连串光子的轰击，物体中的电子吸收光

能，导致物体的电学性质发生变化，出现电子逃逸的现象，这种现象称为光电效应。

当光照射到金属或金属氧化物等物体上时，部分光能传递给物体表面的电子，如果入

射到物体表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离物体

表面而进入外界空间，即在光线照射下，物体内的电子逸出物体表面并向外发射的现象，

称为外光电效应。

物体受到光照后所产生的的光电子只在物体内部运动，而不会逸出物体的现象称为内

光电效应。

（3）光电管、光电倍增管、光敏电阻器、光电二极管、光电池等。

（4）光电管由一个阴极（K）和阳极（A）构成，阴极和阳极封装在一个真空玻璃壳

内,当入射光照射到阴极时，光能传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，

电子就有可能克服金属表面对其的束缚，电子逸出金属表面。当光电管阳极加上适当电

压（数十伏）时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电

流,在光电管外电路中串入一只适当阻值的电阻器，电路中的电流便转换为电阻器上的

电压，该电流或电压的变化与光通量成一定函数关系，从而实现光电转换。

（5）光纤是利用光的全反射现象进行传输的。光在同一种介质中是沿直线传输的。当

光线在不同介质中传播时，会产生折射现象，若光线从光密介质射向光疏介质，且入射角

大于临界角时，光线会产生全反射现象。当入射光在纤芯与包层的界面上发生全反射时，

光线就不会折射到包层内，而是不断地进行全反射，最终从光纤的另一端面射出。

14

参考答案

（6）将栅距相同的两光栅刻面相对重叠在一起，中间留有适当的间隙，且两光栅的栅

线错开一个很小的角度夕，当两光栅相对移动时，在明亮的背景下可以得到明暗相间的莫

尔条纹。

（7）CCD的MOS电容器除列排列紧密，相邻MOS电容器的势阱可以互相耦合。通

过控制相邻MOS电容器栅极电压的大小，可以调节势阱的深浅，信号电荷就会从势阱浅

处流向势阱深处，这一过程即电荷的传输。MOS电容器栅极在一定规律的时钟脉冲控制

下，势阱中的信号电荷将沿特定方向转移，实现信号电荷的定向转移。

（8）扫描仪、数码摄像机等。

项目八声波式和辐射式传感器

任务工单答案

任务工单8.1答案

（1）超声波传感器是将超声波信号转换成可用输出电信号的传感器。它是利用超声波

的产生、传播、接收的物理特性进行工作的，广泛应用于冶金、船舶、机械等领域。

（2）质点振动在弹性介质内传播会形成机械波。其中，频率高于20000Hz的机械波

称为超声波。

超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上一部分超声波被反射,

另一部分则透过分界面，在另一种介质内继续传播。这两种情况分别称为超声波的反射和

折射。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。这种现象称为超声

波的衰减。

（3）超声波发生器、超声波接收器。产生超声波的器件称为超声波发生器（超声波发

射探头），接收超声波的器件称为超声波接收器（超声波接收探头）。

（4）超声波传感器是将超声波信号转换成可用输出电信号的传感器。超声波传感器

主要材料有压电晶片（电致伸缩）及银铁铝合金（磁致伸缩）两类。压电式超声波发生器

利用逆压电效应（电致伸缩效应），将高频电振动转换为高频机械振动，从而产生超声波，

当超声波作用到压电晶片上时，引起压电晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生相反的

电荷，这些电荷被转换为电压，经放大处理后送到测量电路，最后记录或显示出来；磁致

伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机

械振动，从而产生超声波，当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致

它的内部磁场发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈上会产生感应电压。

感应电压被传输到测量电路，最后被记录或显示出来。

（5）在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种；超声波

15

传感器原理与应用

距离传感器还可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以

及防盗报警等相关领域。

任务工单8.2答案

（1）微波传感器是利用微波特性来检测相关参数的非接触式传感器Q

（2）微波是波长为1mm〜1m的电磁波，既有电磁波的性质，又与普通的无线电波

和光波不同，是一种波长相对较长的电磁波。

（3）微波传感器主要由微波发生器、微波天线和微波检测器三部分组成。

（4）微波传感器的微波发生器产生微波信号，产生的微波信号由微波天线发射出去；

该微波信号在传播过程中遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化；微波接

收天线将接收到的微波信号转换成低频电信号，再经过信号调理电路等环节的处理，就可

以显示出被测量，从而实现微波检测。

（5）常见的微波传感器有微波测厚仪、微波液位计、微波式物位计。

任务工单8.3答案

（1）红外线是一种人眼不可见的光线，是红外辐射的俗称。因其光谱位于可见光中红

色光之外而得名。红外线波长范围大致在0.75〜1000pm,对应的频率为4x104〜3x10HHz。

（2）红外传感器是利用物体产生红外线的特性，将红外线转换成可用输出电信号，从

而实现自动检测的传感器。

（3）红外传感器一般由光学系统、红外探测器、信号调节电路、显示单元等部分组成。

其中，红外探测器是红外传感器的核心器件，它是利用红外线与物质相互作用所呈现的物

理效应进行探测的。

（4）热探测器是利用红外线的热效应进行工作的。热探测器的敏感元件在吸收辐射能

量后温度升高，进而使相关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定热探

测器所吸收的辐射能量。

（5）红外辐射计、红外热成像仪、红外监控系统、红外测距系统。

思考与练习答案

一、填空题

（1）纵波横波表面波

（2）反射折射

（3）超声波发生器（超声波发射探头）超声波接收器（超声波接收探头）

（4）压电式超声波发生器磁致伸缩式超声波发生器

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参考答案

（5）微波发生器微波接收天线

（6）反射式微波传感器

（7）波的形式反射折射

（8）红外探测器信号调节电路红外探测器

二、简答题

（1）反射、折射和衰减。

（2）在使用超声波传感器测量物体的厚度时，常用脉冲回波法。超声波探头与被测

物体某一表面相接触，超声波传感器的主控制器产生一定频率的脉冲信号，并将脉冲信号

传输到发射电路，脉冲信号经放大后加在超声波探头上，从而激励超声波探头产生重复的

超声波脉冲，超声波脉冲传到被测物体另一表面后反射回来，被同一超声波探头接收。若

已知超声波在被测物体中的传播速度，超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，由此可以求

出被测物体的厚度。

（3）微波传感器主要由微波发生器、微波天线和微波检测器三部分组成。微波发生器

是产生微波的装置。微波天线是用于将微波发生器产生的微波信号发射出去的装置。微波

检测器是用于探测微波信号的装置。

（4）微波传感器的微波发生器产生微波信号，产生的微波信号由微波天线发射出去；

该微波信号在传播过程中遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化；微波接

收天线将接收到的微波信号转换成低频电信号，再经过信号调理电路等环节的处理，就可

以显示出被测量，从而实现微波检测。

（5）微波液位计、微波辐射计、微波湿度传感器等。

（6）基于热释电效应制成的热释电型红外传感器，其极化强度（单位面积上的电荷）

与温度有关。当红外线照射到已经极化的热释电元件薄片表面上时，薄片温度升高，极化

强度降低，表面电荷减少，这相当于释放了一部分电荷。如果将负载电阻器与热释电元件

薄片相连，则负载电阻器上便产生一个电信号，其信号的强弱取决于热释电元件薄片温度

变化的快慢，进而反映了入射的红外线的强弱。

项目九其他传感器

任务工单答案

任务工单9.1答案

（1）生物传感器是以生物活性单元（酶、抗原、抗体、细胞、微生物、动植物组织、

DNA等）作为敏感元件，以换能器作为转换元件，将被测信号转奂成可用输出电信号的传

17

传感器原理与应用

感器。

（2）生物传感器是由敏感元件、换能器、测量电路等组成的。

（3）生物传感器通过被测物质与固定在生物接收器上的敏感元件（生物敏感膜）发生

特异性结合，并发生物理、化学反应，产生热焙、离子强度、pH值、颜色、质量等参数的

变化，以此作为被测信号。被测信号的强弱在一定条件下与被测物质的量存在一定的数学

关系，这些信号经换能器转变成电信号，然后被放大并测定，由此可确定被测物质的量。

（4）常见的生物传感器有酶生物传感器、微生物传感器、免疫生物传感器、半导体生

物传感器。

（5）生物传感器广泛应用于食品加工、生物医学、环境监测等领域。

任务工单9.2答案

（I）能够感知环境中气体的成分或浓度，并将气体成分或浓度的有关信息转换成可用

输出电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与被测气体在环境中存在情况有关的信息，

从而实现检测、监控、报警等目的的传感器称为气体传感器。

（2）当气敏半导体材料吸附气体时，其电阻值会发生变化，利用这一原理，便可通过

测量气敏半导体材料电阻值的变化来检测气体的成分或浓度。

（3）气体传感器主要应用于烟雾浓度检测、酒精检测、瓦斯气体检测、煤气监测、甲

醛监测、二氧化硫气体监测等方面。

（4）湿度传感器是能感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将

湿度变化转换成可用输出电信号的传感器。

（5）湿度传感器广泛应用于气象、军事、工业（特别是纺织、电子、食品、烟草工业）、

农业、医疗、建筑、家用电器及日常生活等需要湿度监测、控制与报警的各种场合。常见

的湿度传感器有陶瓷湿度传感器、氧化铝湿度计、氯化锂湿度传感器等。

任务工单9.3答案

（1）智能传感器是基于人工智能、信息处理技术实现的，具有自动分析、判断，量程

自动转换，对漂移、非线性、频率响应等的自动补偿、自动校正，对环境影响量的自适应、

自学习、超限自动报警，以及故障诊断等功能的传感器。

（2）逻辑判断、信息处理功能；自校准、自诊断功能；自适应、白调整功能；组态功

能；记忆、存储功能；数据通信功能。

（3）智能传感器的实现途径有非集成化实现、集成化实现、混合实现等。

（4）智能传感器广泛应用于航空、航天、国防、科技、工农业生产等领域。在机器人

领域中，智能传感器使机器人具有与人类相似的面部特征和大脑功能，能够感知各种现象

并完成各种动作。在工业生产中，使用智能传感器可以直接测量生产过程中与产品质量指

标函数相关的某些数量，并利用神经网络或专家系统技术建立的数学模型来计算产品质量。

智能传感器的总体发展趋势是低功耗、小型化、智能化。

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参考答案

思考与练习答案

一、填空题

（1）生物活性单元换能器

（2）酶生物传感器微生物传感器免疫生物传感器

（3）气体离子或电解质等物质的浓度气体传感器湿度传感器离子

传感器

（4）半导体式气体传感器电化学式气体传感器

（5）氯化锂式湿度传感器陶瓷式湿度传感器

（6）人工智能自动校正自适应自学习

二、简答题

（1）生物传感器是通过被测物质与固定在生物接收器上的敏感材料（生物敏感膜）发

生特异性结合，并发生物理、化学反应，产生热焰、离子强度、pH值、颜色、质量等参

数的变化，以此作为被测信号。被测信号的强弱在一定条件下与被测物质的量存在一定的

数学关系，这些信号经换能器转变成电信号，然后被放大并测定，由此可确定被测物质的

量。

（2）酶生物传感器是由生物酶膜与各种电极（离子选择电极、气敏电极、氧化还原电

极等）组合而成，或将酶膜直接固定在基体电极上制成的一类生物传感器。它的工作原理

是通过电极把被测物质与各种生物活性酶在化学反应中产生或消耗的物质的量转换成电

信号，从而可以选择性地测出某种成分。

（3）电阻型半导体式气体传感器一般由气敏元件、加热器和外壳三部分组成。其中，

气敏元件为气敏半导体材料。当气敏半导体材料吸附气体时，其电阻值会发生变化，利用

这一原理，便可通过测量气敏半导体材料电阻值的变化来检测气体的成分或浓度。

（4）氯化锂式湿度传感器是利用吸湿性盐类潮解，使离子电寻率发生变化的特性制成

的传感器。将氯化锂式湿度传感器置于一定温湿环境中，当环境相对湿度高时，感湿层将

吸收水分，其浓度就会降低，导电能力随之下降，电阻率增大；反之，当环境相对湿度低

时，感湿层的浓度升高，导电能力随之增强，电阻率减小。通过对感湿层电阻率的检测,

即可实现对湿度的测量。

（5）智能传感器是基于人工智能、信息处理技术实现的，具有自动分析、判断，量

程自动转