传感器技术基础与应用实训 课后习题答案（徐军版） 项目单元1-11

传感器技术基础与应用实训课后习题答案（徐军版）

项目单元1

13课后习题参考答案

1.答：传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。

2.答：目前传感器主要有几种分类方法：根据传感器工作原理分类法、根据传感

器能量转换情况分类法、根据传感器转换原理分类法和按照传感器的使用分类

法。常用的分类方法有：

⑴按被测量分类。可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、

压力、流量、流速等传感器。

（2）按测量原理分类。可分为电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、

激光、红外、光导纤维等传感器。

3.答：敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、更易于转换

为某一物理量的元器件。弹性敏感原件作用就是通过自身物理形变将被测量（如

压力等）直接或者间接转化为电参量。

4.答：有绝对误差和相对误差

（1）绝对误差：测量值与被测量真值的差值2U=AV-A）

（2）相对误差：相对误差是指绝对误差加•与被测量的约定值的百分比值

①实际相对误差实际相对误差是指绝对误差©与被测真值的百分

比，用〃表示，即

九二包、100%（1-9）

4

②示值（标称）相对误差示值相对误差是指绝对误差©与被测量值人工

的百分比，用心表示，即

y=A^xl00%（1-10）

x4

③引用（满度）相对误差引用相对误差是指绝对误差以与仪表满度值

4帆的百分比，用右表示，即

Ax

xlOO%(1-11)

5.答：1）按测量过程的特点分类

（1）直接测量法。直接测量是针对被测量选用专用仪表进行测量,直接获取被测

量数值的过程。如用温度计测温度、电位差计测电势等。按照所用仪表和比较

过程特点可分为偏差法、零位法和微差法。

（2）间接测量法。用直接测量法测得与被测量有确切函数关系的一些物理量，

然后通过计算求得被测量值的过程称为间接测量。

2）按测量仪表的特点分类

按测量仪表特点进行分类，可分为接触测量法和非接触测量法。

3）按测量对象的特点分类

按测量对象特点进行分类，可分为静态测量法和动态测量法。

6.0.5级电压表，即最大测量误差可达到ZLrmax=4x0.5%

Ax/nl=150x0.5%=0.75v,Axm2=300x0.5%=1.5v

计算最大真值相对误差，Yxm]=竺=0.68%＜九心=匕=1.36%

•VM,110110

所以选150V量程的电压表为宜。

7.答：测量误差产生的原因有：（1）系统误差。在相同条件下，多次重复测量

同一被测参量时，其测量误差的大小和符号保持不变，或在条件改变时，误差按

某一确定的规律变化，这种测量误差称为系统误差。

（2）随机误差。在相同条件下多次重复测量同一被测参量时，测量误差的大

小与符号均无规律变化，这类误差称为随机误差。

（3）粗大误差。粗大误差是指明显超出规定条件下预期的误差。

8.答测量单位的符号用拉丁字母表示，一般用小写体，但具有专门名称的单位符

号用大写体，符号后面都不加标点。国际单位制规定了SI单位的十进倍数单位

和分数单位的词和符号，可查阅相关手册。

9.答：使用相对真值即为17.95V

所以，绝对误差为--4=18—17.95=0.05u

相对误差为：〃=空=黑=2.78%

417.95

引用误差为：％“=字=喀=1.25%

A”40

10.答：1)A、B；2)C；3)B；4)D；5)C；6)B。

项目单元2

课后习题参考答案

1.选择题

CACI)CACB1)B

2.电阻温度系数膨胀系数

3.电阻值的变化

4.相对桥臂阻值乘积相等

5.没有关系

6.温度误差灵敏度

7.应变片，压阻效应

8.形变，电阻

9.答：导体、半导体材料在外力作用下发生机械形变，导致其电阻值发生变化的物理现象

称为应变效应。对金属材料而言，kO的大小以(I+2口)为主；而对于半导体材料，kO

△plP

的大小以△/〃为主。金属材料应变片其灵敏度较为稳定，而半导体材料的灵敏度受多种

因素影响，呈非线性，波动较大。

10.一是电阻式应变片的阻值变动较小，很难用一般的电阻测量仪器测量；二是实际测量系

统中，需要把电阻变化转换为电压的变化。故实际一般使用电桥电路进行测量。

11.平衡电桥可以实现温度自补偿功能，所以只需要调节零点补偿即可，而不平衡电桥既需

要零点补偿也需要温度补偿电路。

12.单臂电桥在温度补偿中需要在相邻桥臂加装补偿片或者采用应变片自补偿，自补偿可

以采用相同规格应变片对应补偿，补偿片则是用另一块和被测试件结构材料相同而不受应力

的补偿块上贴上和工作片规格完全相同的补偿片，使补偿块和被测试件处于相同的温度环

境，工作片和补偿片分别接入电桥的相邻两臂。

13.动态电阻应变仪组成框图

14电阻式传感器，主要包括电阻应变片、电位器、测温热电阻、热敏电阻、湿敏电阻等传感

器。利用电阻传感器可以测量力、压力、位移、应变、荷重、转矩、加速度、温度、湿度、

气体成份及浓度等非电量参数。电阻式传感器结构简单，性能稳定，灵敏度较高，有的还可

用于动态测量。

15.热敏电阻是一种新型的半导体测温元件，它是利用半导体的电阻随温度变化的特

性而制成的测温元件。按温度系数不同可分为正温度系数热敏电阻(PTC)和负温度系数热

敏电阻(NTC)和临界温度系数热敏电阻(CRT)3种。主要特点：灵敏度高，稳定性好，过

载能力强，寿命长。

16.作为测温的热电阻应具有下列要求：电阻温度系数(a)要大，以获得较高的

灵感度；电阻率(°)要高，以便使元件尺寸可以小：电阻值随温度变化尽量呈线性关系，

以减小非线性误差；在测量范围内，物理、化学性能稳定；材料工艺性好、价格便宜等。

17.答案：(1)Uo=0.01V(2)Uo=O.02V(3)Uo=0.02V

项目单元3

3.6习题参考答案

1.电感式传感器分为哪几种类型？各有何特点？

答：电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置,

传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。

电感式传感器种类：自感式、互感式、涡流式、压磁式、感应同步器。

工作原理：自感、互感、涡流、压磁。

2.比较差动式电感传感器和差动变压器式传感器在结构和工作原理上的异同。

答：自感式传感器与差动变压器式传感器相同点：工作原理都是建立在电磁

感应的基础上，都可以分为变气隙式、变面积式和螺旋式等C

不同点：结构上，自感式传感器是将被测量的变化转化为电感线圈的电感值

变化。差动变压器式电感式传感器是把被测量的变化转换为芍感器互感的变化,

传感器本身是互感系数可变的变压器。

3.说明差动变隙式电感传感器的主要组成和工作原理，采用差动变隙式电感传感

器有何优点。

答：差动变隙式电感传感器的主要由两个结构对称的电感线圈组成，电气参数相

同，共用一个衔铁，当衔铁发生位移时，一个线圈的电感量增加，一个电感量减

小，电感量的变化反应了位移的大小。采用差动变隙式电感传感器优点：1）差

动变隙式电感传感器灵敏度是单个电感传感器的两倍，2）可以改善电感传感器

的线性。

4.差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？

答：零点残余电压产生原因：主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几

何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。零点残余电玉的波形十分复杂,

主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电

气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因

此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波（主

要是三次谐波）产生原因：是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。零

点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小Ux,否则将会影

响传感器的测量结果。

5.什么是电涡流效应?怎样利用电涡流效应进行位移测量？

答：电涡流效应是指金属导体置于交变磁场中会产生电涡流，且该电涡流所

产生磁场的方向与原磁场方向相反的一种物理现象。电涡流传感器的敏感元件是

线圈，当给线圈通以交变电流并使它接近金属导体时，线圈产生的磁场就会被导

体电涡流产生的磁场部分抵消，使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。

这种变化与导体的几何尺寸、导电率、导磁率有关，也与线圈的几何参量、电流

的频率和线圈到被测导体间的距离有关。

进行位移测量，可根据实际的已知位移量来标定固定的线圈下的电感量，从

而以此进行位移的测量。

6.选择题

（1）.现欲测量极微小的位移，应选择一^电感传感器。希望线性好，灵敏

度高、量程为1mm左右、分辨率为lum左右，应选择C自感传感器。

A、变隙式B、变面积式C、螺线管式

（2）.希望线性范围为±lmn应选择线圈骨架长度为_8_左右的螺线管式

自感传感器或差动变压器。

A、2mmB、20mmC、400mmD^1mm

（3）.螺线管式自感传感器采用差动结构是为了一

A、加长线圈的长度从而增加线性范围

B、提高灵敏度，减小温漂

C、减低成本

D、增加线圈对衔铁的吸引力

（4）.自感传感器或差动变压器采用相敏检波电路最重要的目的是为了，。

A、提高灵敏度B、将输出的交流信号转换成直流信号

C、使检波后的直流电压能反映检波前交流信号的相位和幅度。

（5）.电涡流接近开关可以利用电涡流原理检测出J的靠近程度。

A、人体B、液体C、黑色金属零件D、塑料零件

⑹.电涡流探头的外壳用B制作较为恰当。

A、不锈钢B、塑料C、黄铜D、玻璃

（7）.当电涡流线圈靠近非磁性导体（铜）板材后，线圈的等效电感LC,

调频转换电路输出频率fBo

A、不变B、增大C、减小

7、构思一个多功能警棍，希望能够实现：①产生强烈眩光；②产生3xl（/V

左右的高压；③能在50mm距离内探测出犯罪嫌疑人是否携带枪支或刀具。请画

出该警棍的外形图，包括眩光灯按键、高压发生器按键、报警LED、电源总开关

等，并写出使用说明书。

说明书略

8、图3.33所示的是一种差动电感用的差动整流电桥电路。电路由差动电感

Li、L2、整流二极管VDLVD八平衡电阻Ri、R2（RI=R2）,以及低通滤波器Ci、

C2、R3、R4（C1=C2、R3=RI）等组成。整流桥的一对对角接点通过差动电感Li、L2

（其感抗为XLI、XL2）接激励源Ui,另一对对角接点作为输出电压端。请用不

同颜色的笔分别画出Ui正半周和负半周流经二极管及Ri、R2的电流山、IL2、

ILKI'L2以及它们在RI、R2上的压降UR】、UR2的极性。并说明衔铁上移（感抗

XLItXXL2I）时，URI、URZ哪个绝对值大，以及Uo的极性。

图3.33差动电感的差动整流桥路

答：忽略R3、R4的影响，可知U0=URI-UR2。

若电源电压U,上端为正、下端为负时，Vpi、Vps导通。当差动电感传感器ZkZ+

△Z,Z2=Z-AZ0t,URI>UR2,Uo为负。当差动电感传感器Zi=Z-ZiZ,Z2=Z+AZSt,

URI<UR2,UO为正。若电源电压U,上端为负、下端为正时，Vpz、Vpa导通，。

当差动电感传感器Z尸Z+/\Z,Z2=Z-ZXZ时，UR1>UR2,UO为负。I当差动电感传

感器Z尸Z-/\Z,Z2=Z+Z\Z时，URI<UR2,UO为正。因此，无论电源电压U,的正

负如何，输出电压U。的大小反映4Z的大小，Uo的正负极性反映AZ的正负情

况（例如衔铁的移动方向）。

9、工业或汽车中经常需要测量运动部件的转速、直线速度及累计行程等参

数。现以大家都较熟悉的自行车的车速及累计公里数测量为例，来了解类似运动

机构的类似原理。

现要求在自行车的适当位置安装一套传感器及有关电路，使之能显示出车速

（km/h）、及累计公里数（km）,当车速未达到设定值（vmin）时绿色LED闪

亮，提示运动员加速；当累计公里数达到设定值（Lmax）时，红色LED闪亮、喇

叭响，提示运动员停下休息，计数器同时复位，为下一个行程作准备。具体要求

如下：

（1）画出传感器在自行车上的安装简图（要求做到读者能看懂两者之间的

相互关系）；

（2）画出测量转换电路原理框图（包括显示电路）

（3）简要说明工作原理。写出公里数L与车轮直径D及转动圈数N之间的

计算公式；

（4）写出车速v与车轮周长1及车轮每分钟转动圈数n之间的计算公式。

答：工作原理：观察自行车的结构可知，车速及公里数与车轮的直径及转速

成正比，因此应将注意力集中到自行车的前、后轮上。设车轮的直径为D（m）,则

周长1二疝，车轮转动的圈数即为自行车行驶距离的基本参数。若转动圈数为N,

则累计路程L=N1=MD：若每分钟转动的圈数为n（n=N/t,圈/分钟）则车速

v=60nl/1000（km/h）=0.06rmD（km/h）。

非接触传感器的安装位置

其他内容略

项目单元4

4.6习题答案

1.选择题

1)在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中一C。

A.电容和电感均为变量B.电容是变量，电感保持不变

C.电容保持常数，电感为变量D,电容和电感均保持不变

2)在两片间隙为1mm的两块平行极板的间隙中插入C，可测得最大的电容量。

A.塑料薄膜B.干的纸C.湿的纸D.玻璃薄片

2.电容式传感器有几种类型？各有什么特点？试举出你所知道的电容传感器的实例。

答案：电容式传感器有二种基本类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变

介电常数型电容传感器。

电容式传感器的特点：结构简单，性能稳定，可在恶劣环境下工作；动态响应好、灵敏

度高，阻抗高，功率小，没有由于振动引起的漂移。但测试时导线的分布电容对测量误差影

响较大。

电容式传感器主要能测量荷重、位移、振动、角度、加速度等机械量。

3.电容式传感器常用的转换电路有哪些？

答案：1.桥式电路2.调频电路3.脉冲宽度调制电路4.运算放大器式测量电路。

4.粮食部门在收购、存储粮食时，需测定粮食的干燥程度，以防辕变。请你根据已学过

的知识设计一个粮食水份含量测试仪(画出原理图、传感器简图，并简要说明它的工作原理

及优缺点)

答案:略。

5.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的？采取什么措施可提高灵敏度、改善其

非线性特征？

答案：变间隙型电容传感器原理如图4.3(a)所示。图中极板1是固定不动的，极板2为

可动的，一般称为动极板。

当动极板受被测物作用引起位移时，就改变了两极板之间的距离d,从而使

电容量发生变化。设传感器初始时的电容量为Co(Co=£A/do),当动极板位移使极板

间距减小x值后，其电容值为:

c=y^=G(i+六)

doX"oX(4-4)

由上式可见，电容量C与x不是线性关系，其灵敏度也不是常数。

在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差动形式

6.有一平面直线位移型差动电容传感器其测量电路采用变压器交流电桥，结构组成如图

所示。电筒传感器起始时向二a=b=20〃w,ai=a2=a=i0imnf极距d=2〃z机，极

间介质为空气，测量电路中4=3sin&£V,且“二%,试求动极板上输入一位移量

AY=5加时的电桥输出电压"%。

答案：变压器交流电桥“0=0.—能-=±△££

心+C.262

由式J=也二义

d

〃_2AX&_=].5〃=4.5sincot

0d2।

7.变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图所示。传感器的起始电容量

Co=20〃"，定动极板距离4)=15"削，C。=10〃"，运算放大器为理想放大器(即

Kf8,4-»00),勺极大,输入电压%=5sin&tV。求当电容传感器动极板上输

入一位移量以=0-15mm使4)减小时，电路输出电压〃。为多少？

答案：

Uo=-％讥

对于变间隙式电容传感器，Cx。=—,贝心sA=Cx^Uo=-^dUi

d叭

得至lj：Uo=(10/20)*(1..5-0.15)/1.5UkO.45Ui=2.255sin3tV

8.如图所示正方形平板电容器，极板长度。=4的，极板间距离方二°.2〃必。若用此变

面积型传感器测量位移工，试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线。极板间介质

^=8.85X10-,2F//??

为空气,0

答案：变面积式电容传感器的原理。设两极板遮盖面积为A,当动极板随被测物体移动

x后，A值发生变化，电容量C也随之改变。

（）

G=-sba---x=C（1——x）

aOa

此传感器的灵敏度为：

dCb£b

A=------x-=-----£-----=-----Q----

dxd8

可见增大极板长度b、减小极距6都可使灵敏度提高。由式可见，变面积式电容传感器

输出特性是线性的，灵敏度为常数

项目单元5

5,6霍尔传感器

1.选择题。

1）属于四端元件的传感器是一C

A.应变片

B.压电片

C.霍尔元件

D.热敏电阻.

2）霍尔元件采用恒流源激励是为了—B

A.提高灵敏度

B.克服温漂

C.减小不等位电势

3）减小霍尔元件的输出不等位电势的方法是。C

A.减小激励电流B,减小磁感应强度C.使用电桥调零电位器

2.什么是霍尔效应?霍尔电势的大小与方向和哪些因素有关？

将金属或半导体薄片置于磁场中，磁场方向垂直于金属或半导体薄片，当有电流流过半导体

薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将会产生电势，这种现象称为霍尔效应.

霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B,方向与控制电流I和磁感应强度B的方向

有关，当控制电流I和磁感应强度B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。但当控制

电流I和磁感应强度B的方向同时改变时，霍尔电势的方向不变。

3.影响霍尔电势的因素有哪些?用霍尔元件可测量哪些物理量?试举例说明。

在实际使用中，由于霍尔式传感器的精度受各种因素的影响，所以在霍尔电势中存在多种误

差，这些误差产生的原因主要是制造工艺的缺陷和半导体本身的固有特性。其中，不等位电

势和温度是影响霍尔式传感器误差的两个主要因素。

霍尔元件根据霍尔效应原理用于测量电流、电压、磁场强度、位移、角度、等等

磁场测量，将霍尔元件做成探头，测量时，将探头置于待测磁场中，并使探头的磁敏感而垂

直于磁场。控制电流可由恒流源（或恒压源）供给，用电表或电位差计及测量霍尔电势。根据

Uq=K」B,若控制电流I不变，则输出电势Uq正比于磁场B,故可以利用电表来显示待测的磁

场。

4.霍尔式传感器的灵敏度与霍尔元件的厚度之间有什么关系？

霍尔灵敏度与霍尔元件厚度成反比，

5.什么是霍尔元件的温度特性?如何进行温度补偿？

答:霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。与一般半导体一样，由

于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将

随温度而变化。霍尔元件温度补偿的方法主要有利用输入回路的串联电阻进行补偿和利用输

出回路的负载进行补偿两种。

6.说明霍尔元件不等位电势产生的原因及常用的补偿方法。

①霍尔电极的安装位置不对称或不在同一等电位面上。

②电阻分布不均匀，这主要是由半导体材料不均匀造成电阻率不均匀或是由几何尺寸不均匀

所造成的。

③激励电极接触不良造成激励电沆分布不均匀等。

电桥补偿法

7.霍尔集成电路有哪儿种类型?试画出其输出特性曲线。

霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类

图5.8线性型震尔集成电路的输出特性曲线开关型霍尔式传感器的输出特性曲线

8.有一个测量转速装置，其调制盘上有100对永久磁极，N、S极交替放置，调制盘由转轴带

动旋转，在磁极.上方固定着一个霍尔元件，每通过一对磁极，霍尔元件就会产生一个方波脉

冲送到计数器。假定在t=5min的采样时间内，计数器收到了N=15x10000个脉冲，试求转

速n＜）

150000/100/5=300转/分

9.有一个霍尔元件，其灵敏度K口为1.2mV/mA・kGs,将它置于一个梯度为5kGs/mm的

磁场中，额定控制电流I为20mA,如果霍尔元件在平衡点附近进行C.1mm

幅度的摆动，则输出电压的范围是多少？

1.2*20/（5*0.1）=48mV

10.简述用霍尔式传感器测量磁场的原理，并说明霍尔交直流钳形表的工作原理。

磁场测量，将霍尔元件做成探头，测量时，将探头置于待测磁场中，并使探头的磁敏感面垂

宜于磁场。控制电流可由恒流源（或恒压源）供给，用电表或电位差计又测量霍尔电势。根据

Uq=K」B,若控制电流I不变，则输出电势Uq正比于磁场B,故可以利用电表来显示待测的磁

场。

把铁磁材料做成环形（也可以是方形）的磁导体铁芯，在铁芯上开一个与霍尔电流传感器厚

度相等的气隙，将霍尔线性IC紧紧地夹在气隙中央。测量时，将铁芯套在被测导线上，导

线中的电流将在导线周围产生磁场，通过铁芯来集中磁场，即在环形气隙中会形成一个磁场。

导线中的电流越大，气隙处的磁感应强度越强，霍尔元件的输出电压U越大，根据U的大

小可以测得导线中电流的大小。

项目单元6

6.6压电传感器

1.选择题。

1)压电式传感器目前多用于测量(B)。

A.静态的力或压力

B.动态的力或压力

C.速度

D.加速度

2)当石英晶体受压力作用时，电荷产生在(B)。

A.与光轴垂直的Z面，上

B.与电轴垂直的X面上

C.与机械轴垂直的Y面上

D.所有的面(X、Y、Z)±

2.什么叫正压电效应?什么是逆压电效应？

某些电介质物体在沿一定方向受到外力作用时会发生形变，其内部就会产生极化现象，并且

在其表面产生电荷，当撤销外力后，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为正压电效

应，简称压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，正压电效应将机械能

转化为电能，反之，当在电介质的极化方向施加电场或电压时，这些电介质将产生几何形变，

当撤销外加的电场或电压后，电介质的形变也随之消失，这种现象称为逆压电效应。

3.常用压电式传感器的材料有哪些?各有何特点。

压电式传感器中的压电材料主要有3类:压电晶体(单晶体)，它包括压电石英晶体和其他压电

单晶;经过极化处理的压电陶瓷(多晶体)，它是经过极化处理的多晶.体;新型压电材料，有压

电半导体和有机高分子压电材料两种。

石英是理想的压电材料。①压电常数小，时间和温度稳定性极好，②强度和品质因数高，刚度

大，固有频率高且十分稳定，动态特性好。③居里点高，无热释电性，绝缘性和重复性均好。

压电陶瓷的压电系数比石英晶体大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度更

高，但其介电常数、机械性能不如石英晶体好。

高分子压电材料是•一种柔软的压电材料，它的优点是不易破碎、具有防水性、可以大量连续

拉制、能制成较大面积或较长的尺度、价格便宜。它的缺点是工作温度较低，它的机械强度

不够高，耐紫外线性能较差，在暴晒状态下易老化。

4.画出压电元件的两种等效电路，简述其等效原理。

压电式传感器可以用两种等效电路来表示，即电压等效电路和电荷等效电路

电压等效电路:等效为将一个电压源U和一个电容Ca串联，如图6.8(a)所示。

ca电荷等效电路：等效为将一个电荷源。

~II0

和一个电容C并联，如图6.8(b)所示。

图6.8压电式传感器的零效电路图

5.用压电元件和电荷放大器组成的压力测量系统能否用于静态测量？

受外力作用，压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才能得以保存，即需要测

量回路具有无限大的输人阻抗，实际上很难实现，因此压电式传感器不适用于静态测量。压

电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路一定的电流，故压电式传

感器适用于动态测量。

6.石英晶体X轴、Y轴、Z轴的名称是什么?它们各有哪些特征？

石英晶体有三根互相垂直的轴。Z轴（也称光轴）是晶体的对称轴，光线沿它通过晶体时不产

生双折射现象，故此轴可用光学方法确定，在该轴方向上没有压电效应;X轴（也称电轴）穿过

正六棱柱相对的两根棱线并垂直于Z轴，此轴上的压电效应最强，电轴有三根，可任取一

根;Y轴（也称机械轴）经过正六面体的棱面.并垂直于Z轴，机械轴也有三根，可任取一根，在

电场作用下沿该轴方向的机械形变最明显，故称为机械轴。

7.简述压电式传感器分别与电压放大器和电荷放大器相连时各自的特点。

由于电压放大器的输出电压与屏蔽电缆线的分布电容C。及放大器的输人电容C;有关，它们

均是不稳定的，会影响测量结果，而电荷放大器的输出电压只与反馈电容C,相关，故压电式

传感器的测量电路多采用性能稳定的电荷放大器，

8.用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机械振动，已知:加速度计的灵敏度为5pC/g;电荷放

大器的灵敏度为50mV/pC,最大加速度对应的输出幅值为2V,试求振动加速度。

2000/50=40PC40/5=8g

9.将压电式加速度传感器与电荷放大器连接，电荷放大器又与函数记录仪连接。己如:传感器

的灵敏度K,=100（pC/g）,反馈电容6=0.01",被测加速度a=0.5g°

试求：

（1）电荷放大器的输出电压是多少？

（2）电荷放大器的灵敏度是多少？

100*0.5=50PC

50pc/0.01PF=5mv

5mv/50pc=0.1mv/pc

项目单元7

7.6习题答案

1.选择题

1）一束频率为1MHz的超声波（纵波）在钢板中传播时，它的波长约为C,声速

约为。

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

E.5.9km/sF.340m/s

2）超声波频率越高，_A

A.波长越短，指向角越小，方向性越好

B.波长越长，指向角越大，方向性越好

C.波长越短，指向角越大，方向性越好

D.波长越短，指向角越小，方向性越差

3）超声波在有机玻璃中的声速比在水中的声速A，比在钢中的声速B

A.大B.小C.相等

2.超声波发生器种类及其工作原理是什么？它们各自特点是什么？

答案：超声波传感器分为发射换能器和接收换能器，既能发射超声波又能接受发射出

去的超声波的回波。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电

效应。

超声换能器的种类很多，按照其结构可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探

头、双探头（一个发射，一个接收）、聚焦探头（将声波聚集成一束）、水浸探头（可浸在液体

中）以及其它专用探头。按照实现超声换能器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电

动式、电磁式、压电式和电致伸缩式等。

3.什么是纵波、横波和表面波？它们各有什么不同？

答案：通常超声波有如下三种波形：

纵波：当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向平行时，此超声波为纵波波形。任

何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。纵波可以在气体、液体、固体介质中

传播。

横波：当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向垂直时，此种超声波为横波波形。

由于媒质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切应力交替作用于

媒质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。

表面波：是沿着两种媒质的界面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表面波可以

看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成，振动质点的轨迹为一椭圆，在距表

面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地

方，质点振动的振幅已经很微弱了。

4.什么是反射定律和折射定律？举例说明如何用这两个定律进行测量？

答案：当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量

反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过界面，在另一个介质内部继续传播，称

为折射波。

5.用超声波探头测工件时，往往要在工件与探头接触的表面上加一层耦合剂，这是为

什么？

答案：超声信号，从超声换能器到工件，如果中间通过空气耦合，效率是非常低的。

因为换能器到空气是一个全反射面，空气到工件也是一个全反射面。所以如果不加耦合

剂，就没有办法传播超声信号，也就没有办法完成检测。所以必须加耦合剂。

6.请你依据已学过的知识设计一个超声波液位计（画出原理框图，并简要说明它的工

作原理、优缺点）。

答案：在离水塔底部高H处，安装设计好的超声波液位计。液位计向水面垂直发出超

声波，当超声波遇到水面经液面向上反射到液位计，液位计接收到反射回的超声波时，由

单片机CFU算出超声波往返一次所用的时间，即可算出液位计到水面的距离hl。液位高度

可由公式：hl=Vt/2算出。其中，V为超声波在空气中的传播速度，t为超声波由液位计

到水面往返一次的时间。

在液位上方安装空气传导型超声发射器和接受器如图7.7。由于空气中的声速随温度

改变会造成温漂，所以在传送路径中还设置了一个反射性良好的小板作标准参照物，以便

计算修正。上述方法除了可以测量液位外，也可以测量粉体和粒状体的物位。

图7.7超声波液位计原理图

1一液面2一直管3—空气超声探头4一反射小板5—电子开关

7.根据你己学过的知识设计一个超声波探伤实用装置（画出原理框图），并简要说明

它探伤的工作过程？

答案：可采用穿透法探伤，原理如图，采用穿透法探伤是当超声波穿透工件后，根据

能量变化状况，来判别工件内部质量的方法，穿透法采用两个探头，置工件的相对面，一

个发超声波，一个接收超声波，发射波可以是连续波，可以是脉冲，在探测中，当工件内

无缺陷时，接收能量大、仪表指示值大。工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量

小，仪表指示值小，根据这变化，就可以把工件内部的缺陷检测出来。

单元8习题答案

1.选择题：

AABDCDDBCCDBACAC

2.电动势电阻

3.接触电动势温差电动势

4.温度电动势

5.金属半导体

6.热电效应

7.将两种不同成分的导体组成一闭合回路，当闭合回路的两个结点分别置于不同的温

度场中时，回路中将产生一个电势，该电势的方向和大小与导体的材料及两结点的

温度有关，这种现象称为“热电效应”，产生的电势则称为“热电势”。

8.中间导体定律：在热电偶中接入第三种导体，只要第三种导体的两结点温度相同，

则热电偶的热电势不变。

9.标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知,

则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电势也就已知。

10.热电偶串联测量线路：可以测量热电偶的平均热电势，串联线路的主要优点是热电

势大，精度比单支高；主要缺点是只要有一支热电偶断开，整个线路就不能工作，

个别短路会引起示值显著偏低。

热电偶并联测量线路，将相同型号热电偶的正负极分别连在一起，如果每支热电

偶的电阻值相等，则并联电路总热电势等于N支热电偶的平均值。

11.E=960°C

12.(1)是电桥测温电路，电路结构简单，测量精度高，使用方便。

(2)电路中G代表测量检流计，提高测温灵敏度，内阻小好。

(3)调节电阻RB随温度增在而变大。

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

T=K(12-4)=50°C

14.偏差为:2.3°C

修正值：0.029mV

15.查表冷端温度为40c时的电动势为1.611

E=29.188+1.611=30.799mV

查表T=740°C

项目单元9

9.6习题

1.晒太阳取暖利用了C；人造卫星的光电池板利用了A；植物的生

长利用了B；

A、光电效应B、光化学效应C、光热效应D、感光效应。

2.光敏二极管属于B；光电池属于Co

A、外光电效应B、内光电效应C、光生伏特效应

3.光敏二极管在测光电路中应处于3偏置状态，而光电池通常处于K

偏置状态。A、正向B、反向C、零

4.光纤通信中，与出射光纤耦合的光电元件应选用

A、光敏电阻B、PIN光敏二极管C、APD光敏二极管D、光敏三极管

5.温度上升时，光敏电阻、光敏二极管，光敏三极管的暗电流A°

A、上升B、下降C、不变

6.欲精密测量光的照度，光电池应配接

A、电压放大器B、A/D转换器C、电荷放大器D、I/U转换器

7.欲利用光电池驱动电动车，需将数片光电池，_L以提高输出电压，

再将几组光电池_」起来，以提高输出电流。

A、串联，并联B、串联，串联C、并联，串联D、并联，并联

8.普通型硅光电池的峰值波长为C,落在」区域。

A、0.8mB、8mmC.0.8UmD、可见光E、近红外光

F、紫外光G、远红外光

9.光敏电阻是用半导体材料制成的，如图9.25所示，将一个光敏电阻与

多用电表联成一电路，此时选择开关放在欧姆挡，照射在

光敏电阻上的光强逐渐增大，则欧姆表指针的偏转角度

A，若将选择开关放在电压档，同样增大照射光强度，则

指针偏转角度C

A、变大B、变小C、不变

10.用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电

信号的过程。下列属于这类传感器的是Ao

A.红外报警装置B.走廊照明灯的声控开关

C.自动洗衣机中的压力传感装置D.电饭煲中控制加热和保温的温控器

11.在如图9.29的电路中，电源两端的电压恒定，L为小灯泡，R为光敏电

阻，D为发光二极管（电流越大，发出的光越强），且R与D间距不变，下列说

法正确的是A。

A.当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率增大

B.当滑动触头P向左移动时，L消耗的功率减少

C.当滑动触头P向右移时，L消耗的功率可能不变

D.无论怎样移动触头P,L消耗的功率都不变

12.某光敏三极管在强光照射时的光电流为2.5mA,选用的继电器吸合电流

为50mA,直流电阻为200Q.现欲设计两个简单的光电开关，其中一个是有强光

照射时继电器吸合（得电）；另一个相反，是在有强光照射时维电器释放（失电）。

请分别画出两个光电开关的电路图（只允许采用普通三极管放大光电流），并标

出各电阻值及选用的电压值、电源极性。

♦Mcc♦Uee

10V1OV

（a）强光照时继电器殁合（b）强光照时■维电歌秋秋

（a）R1和RP共约300Q，图（b）R1约5kQ，R2和RP共约1k。。

13.冲床工作时，工人稍不留神就有可能被冲掉手指头。请选用两种以上的

传感器来同时探测工人的手是否处于危险区域（冲头下方）。只要有一个传感器

输出有效（即检测到手未离开该危险区），则不让冲头动作，或使正在动作的冲

头惯性轮刹车。请以文字形式，谈谈你的检测控制方案，以及必须同时设置两个

传感器组成“或”的关系、必须使用两只手（左右手）同时操作冲床开关的好处。

答:①首先了解冲头的工咋区域，可将安全区域设定为前后、左右四个范围，

只要操作者的手伸入这个区域，则冲头不动作。②应采用非接触式的测量方式探

测是否有手的存在，光电开关是较好的选择。③比较各种光电开关检测的特性,

选择最佳方案，本例中采用遮断式光电传感器较合适。④在前后、左右各设一对

遮断式光电开关，其输出为“或”的关系，只要有一对传感器输出为“有效”即

停车，保证安全保护动作。⑤冲头的启动有两个开关，设在左、右手的两侧，两

个开关按下，冲头才能落下。⑥更周到的安全保护是在冲床周围设置光电安全隔

离栅或者光幕。

14.请你在课后回家打开家中的自来水表，观察其结构及工作过程。然后考

虑如何利用学到的光电测转速原理，在自来水表玻璃外面安装若干电子元器件,

使之变成数字式自来水流量累积测量、显示仪。请以文字形式写出你的设计方案。

答：①家用机械旋翼式水表多采用叶轮式流量传感器。水流动时的冲击力使

叶轮转动，通过减速齿轮及机械计数器可读取用水的累积流量，自来水表最低位

为In?,以十进制累积至9999/；另一种水表没有计数器，只能从4根旋转的指

针直接读数，读数可从千位、百位、十位和个位合并获得。例如，若X1000表头

指向0、9之间，xlOO表头指向8,xlO表头指向7,xl表头指向6,则读数为

9876m由此可知，指针式水表读数比较麻烦，也容易引起误读（如误判为0876/）

②叶轮每转一圈（可从玻璃下方的塑料薄片判断）表示用水0.0001m,可利用传感

器测量塑料薄片的旋转圈数来获得用水量。在不改变水表水窖封的前提下，可在

玻玻璃罩上表面设置反射式光电开关。③叶轮带动一只供观察用的六齿塑料薄片,

光电开关就安装在它的上方。叶轮每转一圈，产生6个反射脉冲，经6分频电路

产生一个计数脉冲，以O.OQOln?累积。数字显示器最低位为O.lnf,可显示

99999m3或更多的位数。④本设计还应考虑“断电数据保存”功能，以防累积数

丢失。⑤可进一步考虑设置网络接口，可与物业管理系统相连接，组成远程抄表

系统。

15.请你谈谈如何利用热释电传感器及其他元器件实现宾馆玻璃大门的自

动开闭。

答：人体都有恒定的体温，一般在37摄氏度左右，会发出左右特定波

长的红外线，被动式热释电红外探头（又叫红外人体探测传感器）就是靠探测人体

发射的红外线而进行操作的。红外线通过非涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件,

这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经检

测处理后就能产生报警信号

被动式热释电红外探头包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的

两个电极方向正好相反.环境背景辐射对两个热释元件儿乎具有相同的作用，使

其产生的释电效应相互抵消，于是传感器无信号输出。

当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生温差则有

信号输出，大门开启；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没

有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。

项目单元10

10.5习题答案

1.1）A、C；2）D

2.数字式编码器又称码盘，是一种旋转式的位置传感器，通常装在被测装置的轴上,随被测

轴一起转动，它能将被测轴的角位移转换成增量脉冲或二进制编码。

3.1）绝对式编码器和增量式编码器;2）绝对型码盘。在被测转角不超过360度的情况下，所

提供的是转角的绝对值，即从起始位置（对应于输出各位皆为零的位置）所转动的角度，结

构简单；用增量型码盘时必须有辨向措施，以便识别转动方向，为了辨向，往往要将两个光

敏元件装在相距一定角度的位置上，根据受光时刻的先后辨别方向，结构比较复杂。

4.光栅传感器是由主光栅（也称标尺光栅，通常随被测物体移动）、指示光栅和光路系统所

组成；是利用计量光栅的莫尔条纹来进行测量的，测量线位移采用长光栅，测量角位移采用

圆光栅。

5.透射光栅；反射。

6.线位移；角位移；自动。

7.主光栅；指示光栅；光路系统（：

8.提高测量精度

9.在透射式直线光栅中，把两光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两

者的栅线保持很小的夹角，在两若栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带，这种亮带和

暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹；特性：（1）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形

成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误

差；（2）当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向作相对移

动（两者的运动方向相互垂直）,光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。

10.1）磁栅是一种录有磁化信息的标尺，它是在非磁性体的平整表面上镀一层约0.02