《传感器检测与应用习题册》参考答案

PAGEPAGE10《传感器检测与应用习题册》参考答案第一章传感器技术基础§1-1认识传感器一、填空题1．物理量2．敏感元件 转换元件 转换电路3．被测量 工作原理4．计算机 传感器 高度自动化 智能化5．集成化 智能化 多功能化 网络化6．电量显示记录控制处理电7.灵敏度高精确度准响应速度快互换性好8.采集存储处理自诊断远距离传输二、选择题1．C2．B3．A4．A5．A6．C三、判断题1．×2.√3.√4.×5.√6.√四、简答题1.（1）传感器是测量器件或装置，能完成一定的检测任务。（2）传感器的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。（3）传感器的输出量是某种物理量，可以是气、光、电等信号，这种量要便于传输、转换、处理、显示等。（4）传感器的输入输出存在对应关系，且应有一定的精度，否则会因检测误差大，无法满足控制指标要求，甚至可能会引起安全事故。2．答：传感器一般由敏感元件、转换元件及转换电路三部分组成，有时还需要加辅助电源。敏感元件的作用是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电§1-2传感器的特性与使用一、填空题1．静态特性 动态特性2．灵敏度 线性度 迟滞 重复性 分辨力与阈值 精度漂移 稳定性 可靠性3．输出量的变化值 输入量的变化值 常数4．输出 输入 线性5．正行程特性 反行程特性6．分辨力 小于7．输出 时间 输出8．精密度 准确度二、选择题1．D2．A3．B4．A5．C6．B7．A三、判断题1．√2．√3．×4．√5．×6．×7．√四、简答题1．答：传感器的迟滞是指在相同工作条件下，传感器正行程特性和反行程特性的不一致程度。产生迟滞现象的原因主要是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动和材料内摩擦等。2．答：在传感器使用过程中，应注意以下事项：（1）精度较高、有特殊要求的传感器都需要定期校准，一般每3～6个月校准一次。（2）传感器通过接插件与供电电源和仪表连接时，应注意引线不能接错。（3）各种传感器都有一定的过载能力，但使用时尽量不要超过测量范围。（4）在搬运和使用过程中，注意不要损坏传感器探头。10～35℃85％、无酸、无碱、无腐蚀性气体的室内。3．答：传感器常用的检查方法有：直观检查法，是指通过人的感官（眼、耳、鼻、手）观察寻找故障的方法；替换法是指通过更换传感器或线路板以确定故障部位。§1-3测量技术基础一、填空题1．定性定量 标准量2．测量工具测量方法测量单位3．约定真值4．静态测量 动态测量5．随机误差二、选择题1．A2．B3．B4．B5．A6．BA7．C三、判断题1．√2．√3．√4．×5．×6．√7．√四、简答题1．答：测量是利用某一装置对被测量进行定性和定量检测的过程，即将被2．答：最大绝对误差：𝛥𝑋0=0.5%×{800−(−200)}=5℃最大相对误差：𝛿=𝛥𝑋0=𝟓

×𝟏𝟎𝟎%=𝟏%𝐴0

𝟓𝟎𝟎3．答：在同一条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不4．答：按照传感器是否与被测量对象直接接触来分，可分为接触测量与非第二章温度传感器§2-1温度测量一、填空题1．温度高的物体温度低的物体2．热力学 摄氏温标华氏温标热力学温标3．温度 电量的变化4．接触式温度传感器 非接触式温度传感器5．热电式 红外辐射式6．敏感元件的电磁参数 热电偶 热电阻 热敏电阻二、选择题1．B2．A3.C4．B5．A6．A三、判断题1．√2．×3.×4．√四、简答题1．答：常用的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标。0℃，100℃，在这100132°F212°F，1801𝜃=1.8𝑡+32。273.15K。热力学温标与摄氏温标存在着下述关系：𝑡=𝑇−273.15。2．答：一般情况下，能作为可使用的温度传感器的物体需要具备以下条件：（1）物体的特性随温度的变化有较大的变化，且该变化量易于测量。（2）物体的特性变化与温度变化之间有较好的一一对应关系，即对温度外的其他物理量的变化不敏感。（3）性能比较稳定，重复性好，体积小。（4）有较强的耐机械、化学及热作用等特点。3．答：通常来说接触式温度传感器比较简单、可靠，测量精度较高，但因非接触式温度传感器是通过热辐射原理来测量温度的,测温元件无需与被测介质接触,测温范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测对象的温度场,反应速度一般也比较快,但受到物体辐射率、测量距离、烟尘和水汽等外界环境因素的影响,测量误差较大。§2-2热电偶式温度传感器一、填空题1．金属导体丝或半导体2．工作端（或热端） 自由端（或参考端或冷端）3．组成热电偶的导体或半导体材料 两结点的温度 热电偶的形状与尺寸4．不同性质 半导体 相同5．不同 不同6．低 微小7．中间温度8．冷端恒温计算修正电桥补偿9．热电动势二、选择题1．C2．D3．C4．C5．CA6．D7．A三、判断题1．√2．×3．×4．√5．×6．√7．√四、简答题（电流，这一现象称为金属的热电效应。2．答：按结构分，热电偶主要有以下几种类型：普通型热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、表面热电偶、防爆热电偶。0℃，或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果。目前，常用的冷端补偿方法有：冷端恒温法、计算修正法、电桥补偿法。ABCCA、B𝐸𝐴𝐵(𝑇,𝑇0)=𝐸𝐴𝐶(𝑇,𝑇0)−𝐸𝐵𝐶(𝑇,𝑇0)5．答：使用电桥补偿法时应注意：（1）补偿电桥只能与相应型号的热电偶配用，只能补偿到固定温度20℃。（2）补偿电桥与热电偶连接时，极性不能接反，否则会造成更大的误差。（4）补偿电桥必须在规定的温度范围内使用，一般为0～40℃。6．答：由镍铬—镍硅热电偶分度表查出𝐸（40，0）=1.6118𝑚𝑉，则𝐸(𝑡,0)=29.188+1.6118=30.7998mV再通过分度表查出其对应的实际温度是t=700+30.7998−29.129×100=740.3℃33.275−29.129§2-3金属热电阻式温度传感器一、填空题1．-200～5002．温度 电阻值 电压或电流3．金属热电阻 半导体热电阻4．正 增大 铂热 铜热5．Pt100Pt106．热电阻元件绝缘套管引出线保护套管接线盒7．安装场所测量精度机械强度8．相逆 垂直 一致9．Cu50二、选择题1．D2．A3．D4．A5．C6．B三、判断题1．√2．√3．×4．√5．√6．√四、简答题1．答：金属热电阻种类较多，最常用的有铂热电阻和铜热电阻。2．答：铠装型金属热电阻式温度传感器由敏感元件（电阻体）、引线、高绝缘氧化镁、1Cr18Ni9Ti不锈钢套管组成。3．答：工业用热电阻式温度传感器的校验方法比较简单，通常只要校验𝑅100/𝑅0的值即可（𝑅100为100℃时传感器的电阻值，𝑅0为0℃时传感器的电阻值）。通常采用放有冰水混合物的冰槽作为0℃温度场，将试管埋入冰水混合物中，温度传感器放入试管中，用棉花将试管开口封严，放置30分钟即可测量。4．答：热电偶与热电阻主要存在以下区别：（1）测温原理不同。热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，热电偶（2）测温范围不同。热电偶的连续测量范围宽，而热电阻的测温范围远小于热电偶的测温范围。（3（4）应用领域不同。热电偶用于高温环境，热电阻用于低温环境。§2-4红外温度传感器一、填空题1．温度 红外辐射 折射 反射2．红外辐射 表面温度 红外温度3．热 光电 热电、光电转换4．红外探测器 辐射能量转换器 红外辐射能量 测量或观察5．热释电热电堆光子6．外光电效应内光电效应光生伏特效应7．内光电 外光电8．光学系统红外探测器信号调理电路7．热电偶 热电偶二、选择题1．D2．D3.C4．A5．A6．D三、判断题1．√2．√3．√4．×5．√6．√四、简答题1．答：研究发现，当电石、水晶等晶体受热发生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，并在其表面产生电荷，这一现象称为热释电效应。能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热释电元件。热释电型红外探测器是根据热释电效应原理工作的。2．答：由于热释电型探测器的时间常数较大，因此不适合用于快速、高灵1～23．答：与热电偶、热电阻等常规温度传感器相比，红外温度传感器具有测温范围宽、使用寿命长、性能可靠、响应速度快和非接触性等诸多优点。另外，红外温度传感器还特别适合测量腐蚀性介质和运动物体的温度，而且不会破坏被测对象的温度场。4．答：红外温度传感器在使用中需要注意以下事项：（1）加装红外滤光片。为了防止可见光对热释电元件的干扰，使用时必须在其表面安装一块红外滤光片。（2）正确安装探测器。应根据测量要求确定探测器安装高度，避免强光的干扰，不宜正对冷热通风口或冷热源。（3）合理选择信号处理电路。随着物体运动速度的不同，传感器输出信号的频率也是不同的，应选择合适的信号处理电路。5．答：选用红外温度传感器时主要从性能指标、使用环境和工作条件等方面加以考虑，其中性能指标包括测温范围、光学分辨率、工作波长、测量精度、第三章力传感器§3-1弹性敏感元件一、填空题1．力学量 电信号2．电阻式 电容式 电感式 压电式 压磁式 压阻式 弹性敏感元件3．应变或位移 应变或位移电信号4．弹性滞后5．动态特性避开 较高6．等截面圆柱式圆环式悬臂梁扭转轴7．变形二、选择题1．B2．A3．A4．B三、名词解释1．答：弹性敏感元件的灵敏度是指弹性元件在单位力作用下产生形变的大小，它是刚度的倒数。/3．答：当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性元件不会立即完成相应的变形，而是经过一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。四、简答题1．答：弹性敏感元件具有以下基本特性：刚度、灵敏度、弹性滞后、弹性后效、固有振荡频率。2．答：弹簧管是弯成各种形状的空心管，使用最多的是C形薄壁空心管。C§3-2电阻应变式力传感器一、填空题1．电阻应变片 测量电路 应变或应变力电阻值电阻应变片2．电阻应变效应3．2.0～3.624.金属应变片半导体应变片金属金属丝金属箔5.输入量输出量时间零漂温度零漂6．25mA75～100mA7．应变片被测构件应变片弹性元件弹性元件8．惠斯通电桥二、选择题1．C2．C3．C4．C5．B6．B三、判断题1．×2．×3．×4．√5．×四、简答题1．答：导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，会产生机械变形，2．答：电阻应变式力传感器的使用方法有两种。第一种是将应变片直接粘3．答：

𝑈∆𝑅1

∆𝑅2

∆𝑅3

∆𝑅4

0.3

0.31𝑈0=4(𝑅1

−𝑅2

+

− )=𝑅4

（ + ）=0.375V4 120 120§3-3电容式力传感器一、填空题1．电容量 电容量 电压电流频率2．变极距式变面积式变介电常数式3．交流电桥电路 调频电路4．差动形式5．角位移线位移几何尺寸6．平板型直线位移型同心圆筒型角位移型不同不同7．介电常数距离介质厚度8．非线性差动二、选择题1．B2．B3．D4．B5．B三、判断题1．√2．√3．√4．×5．√四、简答题1．答：从电容器的电容量公式，可以看出电容量与极板间介质的介电常数𝜀𝐴𝑑2（1（2动态响应好；3）（4）（5）可实现非接触测量、具有平均效应。电容式传感器的缺点（1（2寄生电容影响大；（3）输出特性非线性。3．（１）由𝐶=𝜀𝐴，可知𝛿𝐾 =∆𝐶=𝜀𝜋𝑟2=8.854×10−12×π×42×10−6＝1.78×10−９F/m静

𝛿2

2（0.5）×10−6（２）∆𝐶＝𝐾静×∆𝛿＝1.78×10−9×２×10−3＝3.56×10−12Ｆ4．答：设在初始状态下，动极板位于两块定极板中间位置，则𝑑1

=𝑑2

=𝑑0

=𝐶2

=𝐶0

=𝜀𝐴𝑑0当动极板受被测量作用，其位置发生改变，设动极板向上移动了∆𝑑，则：𝐶1

=𝐶0

+

= 𝜀𝐴𝑑0−∆𝑑𝜀𝐴

,𝐶2

=𝐶0𝜀𝐴

−

= 𝜀𝐴𝑑0+∆𝑑∆𝑑 10∴∆𝐶=∆𝐶1+∆𝐶2=𝐶1−𝐶2=𝑑0

−∆𝑑−𝑑0

+∆𝑑=2𝐶0𝑑0

∙∆𝑑21−(𝑑0)当∆𝑑≪𝑑0时，即∆𝑑/𝑑0≪1，则：∆𝑑∆𝐶≈2𝐶0𝑑0因此，差动变极距型电容式传感器的灵敏度为𝐾=∆𝐶=2𝐶

1，与单∆𝑑

0𝑑0极式相比（单极式电容式传感器的灵敏度为0，其灵敏度提高了一倍。𝑑0§3-4压电式力传感器一、填空题1．正负相反2．机械能电能电能机械能弹性性能介电性能3．压电晶体 压电陶瓷 高分子压电材料4．串联 并联5．电容器二、选择题1．B2．B3．A4．A5．C6．A7．D三、名词解释12．答：压电材料将机械能转变成电能或将电能转变成机械能的转换能力叫3．答：居里点温度是指压电材料开始丧失压电特性的温度。四、简答题1的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存,这实际上不可能的,因此不能用于静态测量。3．答：压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：第一类是压电晶体（单晶体（多晶体第三类是高分子压电材料。压电陶瓷比石英晶体的压电灵敏度高得多，制造成本较低。4．答：与单片相比，两片并联时，输出电压相同，电荷量为两倍，电容量§3-5压阻式压力传感器一、填空题1．压阻效应2．粘贴式半导体应变片 扩散型压阻传感器3．压阻元件 外壳 硅杯4．四臂差动等臂等应变全桥 恒压源 恒流源5．绝对压力 相对压力 差压6．灵敏度小压力二、选择题1．A2．B3．A4．D5．A三、名词解释1．答：半导体材料受力时，其电阻率会发生变化的现象称为压阻效应，压阻式传感器就是基于半导体的压阻效应工作的。2．答：相对压力是一种以大气压力作为基准所表示的压力，是压力的表示方法的一种。四、简答题1～2mA的恒流源供2．答：压阻式压力传感器通常有三个压力范围：工作压力范围、过压压力1.2倍左右。爆裂压力范围是传感器能保持其完整性的最大承受压力。第四章位移传感器§4-1电位器式位移传感器一、填空题1．可调电子 电阻丝 骨架 电刷2．直线运动 旋转运动 螺旋运动3．线性电位器 非线性电位器 绕线式电位器非绕线式电位器4．合成膜电位器 金属膜电位器 导电塑料电位器 金属玻璃釉电位器光敏电位器5．非接触性 精度 寿命 可靠性 分辨率6．线位移角位移电压二、选择题1．C2．D3．D4．C三、判断题1．√2．√3．×4．√5．×四、简答题1．答：电位器式传感器一般由电阻丝、骨架及电刷（滑臂）等组成，通过电刷触点在电阻元件上产生移动，该触点与电阻元件间的电阻值就会发生变化，从而获得与电位器输入电压和动触点位移（或转角）成一定关系的电压输出。2．答：电位器式传感器的优点是结构简单，输出信号大，一般不需放大，3．答：绕线式电位器传感器的优点是结构简单、成本低廉、输出信号大、（要能够带动电刷移动，§4-2电感式位移传感器一、填空题1．自感式互感式2．位移的变化线圈自感或互感线圈电感量3．铁芯衔铁线圈4．变气隙型变截面型螺线管型差动型5．反高6．位移变化线圈互感量变化差动形式变压器二、选择题1．C2．A3．A4．B5．C三、判断题1．√2．√3．√4．√5．×６.√四、简答题12．答：相同点：工作原理都是建立在电磁感应的基础上，都可以分为变气隙型、变截面型和螺旋型等。3．答：将金属板置于变化的磁场中，或者金属板在固定磁场中运动时，金的测量。电涡流传感器可以用于检测金属零件表面的裂纹、疲劳等缺陷。4．答：变气隙型电感传感器的灵敏度与铁芯间隙成反比，因此只能测量较小的位移，否则灵敏度会有所下降。而螺线管型电感传感器则不存在这个问题，可测量更大范围的位移。§4-3电容式位移传感器一、填空题1．位移的变化量电容量的变化量电容量的变化量电压或频率2．非接触式无磨擦速度快精度高3．金属无机4．初始电容量温度膨胀系数几何尺寸差动对称5．附加电容器灵敏度非线性误差６.探极变送器分离屏蔽电缆无线射频二、选择题1．A2．D3．D4．B5．C6．B7．A三、判断题1．×2．√3．√4．√5．√四、简答题1．答：电容式位移传感器是一种常用的位移传感器，它是将位移的变化量转化成电容量的变化，再将电容量的变化转变成电压或频率输出。2（１温度对结构尺寸的影响（２电容电场的边缘效应（３寄生电容的影响。3．答：由𝐶=𝜀𝐴，可知𝑑∆𝐶=

𝜀∆𝐴=𝑑

50×10−6×30×10×10−610×10−3 =1.5𝜇𝐹§4-4接近开关一、填空题1．无触点接近开关开关量2．电感式电容式霍尔式光电式3．接触式4．限位计数定位控制自动保护5．直流式交流式直流两线制直流三线制直流四线制交流两线制交流三线制６.高频振荡式７.电容式磁性接近开关霍尔式接近开关电开关对射式光电开关槽式光电开关光纤式光电开关二、选择题1．C2．B3．A4．A5．D6．D三、判断题1．√2．√３.√4．×5．×６.√７.√８.√９.×四、简答题1（1（2（3）转速与速度控制（4）计数及控制（5）检测异常（6）计量控制2（1（俗称光电开关（也称电涡流接近开关或电感开关（3）电容式接近开关：能对金属、非金属、绝缘体检测，也能对液体、粉状物进行检测。（4）霍尔式接近开关：只对导磁性的物体起作用。（5）干簧管式磁性开关（俗称干簧管：只对磁性较强的物体起作用。3．答：相同点：两者的工作原理相同，都是利用光电传感原理工作的。两者都是一种集发射器和接收器于一体的传感器。第五章环境检测传感器§５-1气体传感器一、填空题1．特定成分电信号存在浓度2．半导体接触燃烧化学光干涉3．电阻非电阻4．电阻值5．燃烧6．氧化还原反应电阻值功函数越多越少7．直热式旁热式8．测量极加热丝加热丝测量回路加热回路二、选择题1．D2．B3．A4．B5．B6．A7．C8．D９．C三、判断题1．√2．√3．√4．√5．√６.×四、简答题1．答：气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来，并将它转换为电2．答：气体传感器的类型较多，其性能差异也大，在实际应用时，应根据（1）确认所要检测气体的种类和浓度范围（2）确定使用场合（3）选择仪器型号3．（１）工作环境注意清洁：气敏电阻在使用时应尽量避免置于油污、灰尘环境中，以免老化，同时在工作时必须加热气敏电阻到规定温度范围内。（2）工作电压要稳定3～10V（3）温度补偿（4）延时控制5．答：气体传感器在日常生产生活中有如下典型应用：（1）家用家用气体报警器：可以检测室内是否有的易燃、易爆等危险气体泄漏，还可以检测一氧化碳浓度是否超标。（2）有害气体检测仪：可鉴别实验或工作过程中有无有害气体产生，鉴别液体是否有挥发性等。（瓦斯（4）烟雾报警器：主要用于检测烟雾、预防火灾等。§５-２湿度传感器一、填空题1．水蒸气水蒸气含量2．绝对湿度相对湿度露点（或露点温度）3．饱和液态结露露点或露点温度4．湿敏元器件转换电路电信号5．电解质式陶瓷式高分子式电阻式电容式频率式6．介电常数相对湿度电容量7．交流8．烧结型二、选择题1．B2．B3．C4．A5．Ａ6．Ｃ7．Ｂ8．Ｄ三、名词解释1．答：电阻率随湿度增加而增大的湿敏半导体陶瓷，称为正特性湿敏半导体陶瓷。2．答：感湿特性为湿度传感器的特征量（如电阻值、电容值和频率值等）随湿度变化的关系，通常用感湿特征量和相对湿度的关系曲线来表示。3．答：湿度传感器在吸湿过程和脱湿过程中吸湿与脱湿曲线不重合，而是一个环形线，这一特性就是湿滞特性。四、简答题1．答：湿度的表示方法有三种，分别是：（１）绝对湿度：绝对湿度是指单位体积的气体中含水蒸气的质量。（２）相对湿度：相对湿度是指待测气体中水汽压与饱和水汽压的百分比。2．答：氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制度高达±5％3．答：高分子材料吸水后，元器件的介电常数随环境相对湿度的改变而变4．答：由于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。在选择湿度传感器时需要注意以下几个问题：（1）选择合适的测量范围。（2）选择测量精度。（3）考虑时漂和温漂，并进行必要的补偿或修正。（4）应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的环境中使用，也应避免在粉尘较大的环境中使用。（５）使用时应根据技术要求提供合适的、符合精度要求的供电电源。（６）湿度传感器要安装在空气流通的环境中才能加快响应速度。5．答：湿敏传感器在使用过程中需要注意以下个方面：（1）供电电压要符合要求（2）低湿度情况下的阻抗处理（3）温度补偿（4）传感器引线（5）烧结型湿敏电阻的加热处理第六章传感器的应用实例§６-1家用电器中的传感器一、填空题1．水位布量光电2．电动机负荷的电流3．波纹管膜盒温度控制除霜温控4．双金属热敏元件推杆微动开关常闭5．热敏温度6．居里点温度磁化温度厚度7．吸尘的风量压力差检测值设定的基准值二、选择题1．C2．D3．D4．D5．A6．A三、判断题1．√2．√3．√4．√5．√三、简答题1．答：电冰箱中安装有双金属除霜温度传感器，它由双金属热敏元件、推杆及微动开关组成，平时微动开关处于常闭状态。接通除霜开关后，除霜加热器经双金属热敏元件构成回路，除霜开始。除霜后，电冰箱蒸发器温度升高，双金属热敏元件产生形变，经推杆使微动开关的触点断开，停止除霜。2．答：电饭锅温度传感器的受热板紧靠内锅锅底，当按下煮饭开关时，通103℃§６-２智能楼宇中的传感器一、填空题1．温湿度节能恒温2．