传感器应用技术作业习题及参考答案梁长垠

《传感器应用技术》，梁长垠编著，高等教育出版社思考与练习题参考答案第一章传感器基础传感器的作用是什么？其基本组成包括哪几个部分？各部分的作用是什么？传感器作用是能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的组成主要包括敏感元件、转换元件、测量电路、辅助电源等。其中，敏感元件的作用是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件；转换元件的作用是将敏感元件的输出转换成电路参量；测量电路的作用是将转换元件得到的电路参量进一步变换成可直接利用的电信号；辅助电源是提供传感器各电路工作所需要的能源。传感器的静态性能指标有哪些？各自的含义是什么？传感器的静态特性包括测量范围、量程、灵敏度、线性度、重复性、迟滞、分辨力与阈值等。测量范围是指传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围；量程是指传感器测量范围的上限值与下限值的代数差；灵敏度是指传感器输出曲线的斜率，即传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比；线性度是指传感器的校准曲线与选定的拟合直线之间的偏离程度，也称为非线性误差；重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度；迟滞是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合程度；分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量，在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。请问测量误差分别按表示方法和性质分类时可各分为哪几类？每一类是如何定义的？测量误差按表示方法可分为绝对误差、相对误差、引用误差三类。绝对误差是指测量结果x减去被测量的约定真值x0所得的差值，用Δx表示。绝对误差有符号和单位，它的单位与被测量相同。绝对误差既有大小，也有单位。相对误差是指绝对误差与被测量真值的比值，常用百分数表示。引用误差以仪表的绝对误差与仪表量程之比的百分数表示。工业仪表常见的精度等级0.1级，0.2级，0.5级等都是按照最大引用误差来表示的。例如精度等级为1.0的仪表，在使用时它的最大引用误差不超过±1.0％，也就是说，在整个量程内它的绝对误差最大值不会超过其量程的±1％。测量误差按性质可分为随机误差(偶然误差)、系统误差、粗大误差三类。随机误差是指在实际相同条件下，对同一被测量进行多次等精度测量时，由于各种随机因素（如温度、湿度、电源电压波动、磁场等）的影响，各次测量值之间存在一定差异；系统误差是指在实验重复性条件下，对同一被测量进行多次测量出现的某些确定的、经常性的因素引起的误差；粗大误差是指在相同条件下，对同一被测量进行多次等精度测量时，有个别测量结果的误差远远大于规定条件下的预计值。使用一只0.2级、量程为10V的电压表，测得某一电压为5.0V，试求此测量值可能出现的绝对误差和相对误差的最大值。绝对误差为0.2%X10=0.02V；相对误差为(0.02/5)X100%=0.4%有三台测温仪表，量程均为0~800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5％，选那台仪表合理?对2.5级仪表，其绝对误差为800X2.5%=20℃,测量500℃时的相对误差为（20/500）X100%=4%对2.0级仪表，其绝对误差为800X2.0%=16℃,测量500℃时的相对误差为（16/500）X100%=3.2%对1.5级仪表，其绝对误差为800X1.5%=12℃,测量500℃时的相对误差为（12/500）X100%=2.4%由此可见，满足测量要求时应该选用1.0级测温仪表。1-6图1-16为蔬菜大棚温湿度自动检测与控制系统框图，请说明该系统的主要功能模块以及各模块的主要作用。主要功能模块包括：传感器模块、信息采集单元、控制系统驱动单元、控制执行设备、数据处理中心等。传感器模块包括温湿度传感器、、水分传感器、光照传感器等，用于检测空气、土壤的温度、湿度、光照强度、CO2浓度等；数据采集单元包括各种用于检测空气、土壤的传感器；数据处理中心功能是将数据采集单元达到的各主要传感器信息进行处理，并将得到的信息与标准信号进行比较，形成误差控制信号送控制系统驱动单元电路，也可将处理后的各种有用信号进行显示或送报警电路。控制系统驱动单元主要功能是将数据处理中心送来的控制信号进行功率放大，以达到能够驱动执行机构的目的。控制执行设备主要包括控制具体的加热、加湿、电机等设备，实现对大棚内空气、土壤温湿度、CO2浓度的控制作用。第二章温湿度传感器及其应用2-1常用的温标有哪几种？相互的关系是怎样的？常用的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标与国际实用温标等。摄氏温标与华氏温标的关系：摄氏温标与热力学温标的关系：t/°C=T/K-273.152-2什么是绝对湿度和相对湿度？绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，单位空间内混合气体中所含水蒸气的质量，用AH表示；相对湿度是指被测混合气体中的水蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气气压的百分比，用RH表示。2-3说明利用PN结二极管进行温度测量的原理。利用PN结进行温度测量主要是利用PN结的温度特性，即晶体二极管或三极管PN结的结电压具有随温度变化而变化的特性。例如硅管PN结的结电压在温度每升高1°C时，下降大约-2mV。2-4常用的热敏电阻分为几大类？各自的特性是什么？按照热敏电阻的温度特性可将热敏电阻分为正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR)三大类。正温系数热敏电阻的电阻值随温度升高而增大，负温度系数热敏电阻的电阻值随温度升高而下降，临界温度热敏电阻也具有负温度系数，但它的电阻值会在某特定温度范围内随温度升高而降低3～4个数量级。2-5热电阻测量温度的原理是什么？常用的热电阻有哪几种？热电阻是利用金属导体的电阻随温度变化而变化的特性制成的测温元件，具有正的温度系数，即电阻值随温度升高而增大。在实际测量时，可以利用万用表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度值。常用的热电阻有金属铂电阻、金属铜电阻两大类。2-6什么是热电效应？热电偶的热电势有哪几部分组成？热电效应是指当两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起组成闭合回路时，如果两接点温度不等，在回路中将会产生大小和方向与导体材料及两接点的温度有关的电动势，并形成回路电流。该回路中所产生的电动势称为热电动势。热电偶的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成2-7热电偶的热电势与哪些因素有关？与哪些因素无关？热电偶的热电势只与组成热电偶的材料以及热电偶两端的温度差有关，与组成热电偶材料的长度、粗细无关。2-8热电偶在测量温度时为什么需要进行冷端补偿？由于热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定。但实际应用时，由于热电偶冷端距离工作端很近，且又处在大气中，其温度因受到测量对象和周围环境温度波动影响而很难保持恒定，这样将会给测量带来误差。因此，实际测量时必须对热电偶的冷端进行温度补偿。2-9集成温度传感器的组成包括哪几个部分？有什么特点？集成温度传感器内部包括温度敏感器件、信号放大电路、温度补偿电路、基准电源电路等，把以上各单元集成在一块极小的半导体芯片内，构成一个专用集成电路。2-10热释电传感器的工作原理是什么？举例说明热释电传感器的应用。热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器，主要由传感器探测元件、菲涅尔透镜、干涉滤光片和场效应管匹配器等几部分组成。在工作时，热释电红外传感器将菲涅尔透镜传递过来的红外辐射转换为电信号，经信号处理电路对电信号进行处理，报警电路根据传递过来的电信号驱动蜂鸣器发出报警。热释电传感器主要应用在自动门开关、防人体入侵报警等。2-11按照使用材料的不同，常用的湿度传感器可分为哪几类？湿度传感器按照使用材料的不同可分为陶瓷式、半导体式、电解质式和有机高分子式等多种类型，按照湿敏元件的不同又可分为电阻式和电容式两大类。2-12与模拟温度传感器相比，数字式温度传感器有哪些特点？结构相对简单，可靠性高、体积小、灵敏度高，输出为数字量，易于与单片机连接构成自动控制系统等。第三章光敏传感器及其应用3-1什么是光电效应？光电效应是如何分类的？光电效应是指光照射到物体上使物体发射电子，进而使得其电导率发生变化，或产生光生电动势等。这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。光电效应可分为外光电效应、内光电效应，内光电效应又可分为光电导效应与光生伏特效应。3-2光敏电阻的主要参数有哪些？各自的含义是什么？光敏电阻的主要参数包括暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、灵敏度等。暗电阻与暗电流：通常将光敏电阻未受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。亮电阻与亮电流：在受到光照射时的阻值称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差，称为光电流。光敏电阻的灵敏度是指光敏电阻能够探测最弱光强信号的能力。3-3光电池的作用有哪些？简述光电池的工作原理。光电池的作用一是可以用作太阳能电源，二是用作光电检测器件使用。原理：当光照射到PN结的一个面，如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子--空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势（光生伏特效应）。3-4光电二极管由哪些特性？光敏二极管的主要特性参数包括最高工作电压、光电流、光谱相应特性等。3-5举例说明光电耦合器的作用与应用案例。光电耦合器由发光二极管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流的大小，通过电-光、光-电两次转换进行输入与输出间耦合。光电耦合器主要用于信号隔离、电平变换、信号传输、控制系统中无触点开关等，例如开关电源中保护电路。3-6画出光电开关作为生产线产品计数的框图，说明工作原理。原理：光源发出的光直接被光敏器件接收，经电路处理后没有信号用于计数；当光线被自动传送带上物品遮挡时，光敏器件接收不到光源发出的信号，经电路处理后形成一个计数脉冲，送计数电路用于产品计数和显示。3-7红外线测距的原理是什么？与其他测距方式相比有什么特点？红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后可用来识别周围障碍物的距离。红外线测距传感器可实现较远距离测量，在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离；响应时间短，外形设计紧凑，易于安装，便于操作。3-8画出反射式光电传感器测量电机转速的原理框图，说明其工作原理。反射式光电传感器用于电机速度测量时，可在电机主轴上制作一个开孔码盘，当电机转动时，遇到透光孔时光电管接收不到信号而输出高电平，经整形电路形成脉冲送计数电路或单片机进行信号处理得到电机转速。3-9如何利用光敏电阻构成室内光强控制电路？用光敏电阻构成的室内光强调节电路如图。当周围光线变弱时，光敏电阻RG的阻值增加，使加在电容C上的分压上升，进而使可控硅的导通角增大，照明灯两端电压增大，照明灯亮度增大。反之，若周围的光线变亮，则RG的阻值下降，导致可控硅的导通角变小，照明灯两端电压也同时下降，使灯光变暗，从而实现对灯光照度的控制。3-10说明红外测温仪的工作原理。红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显分布式光纤测温系统示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件以及位光纤红外测温仪置决定。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号，该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。3-11举例说明颜色传感器在现实生活中应用。图书馆用于通过区分不同颜色进行文献分类；包装行业用于根据不同颜色快速区分产品性质与用途。3-12光纤传感器有哪些特点？画出光纤传感器温度测量系统中的应用框图。特点包括：灵敏度高、测量速度快、信息容量大，适用于恶劣环境，抗干扰、电绝缘、耐腐蚀等。3-13画出自动门系统的工作原理框图。自动门控制系统实践上就是电机的正反转控制电路。使用热释电红外传感器检测人体移动信息。当有人体走近时，触发电路导通，电机正传，人离开一定距离自动电机反转关门。3-14说明红外光电烟雾报警器的工作原理。红外光电烟雾报警器内设置有光学系统，安装有红外反射光与红外接收管。当无烟雾时红外接收管接收不到红外发光管发射的红外光；当有烟雾进入到光学系统时，经折射、反射后接收管便可以接收到红外光，经信号处理后送报警电路与设定的阈值进行比较。如果测量得到的烟雾浓度大于设定值，报警电路工作。3-15设计一款PM2.5监测系统，说明其工作原理。力敏传感器及其应用4-1常用的力敏传感器有哪些种类？各有什么特点？电阻式压力传感器：通过弹性敏感元件将外部的应力转换成应变，再由电阻应变片将应变转换成电阻值的微小变化，通过测量电桥转换成电压或电流的输出。电容式压力传感器：利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。电感式压力传感器：利用电感线圈电感量变化来测量压力的传感器。压电式传感器：以压电效应为基础，将力学量转换为电量的器件。谐振式压力传感器：利用谐振元件把被测压力转换成频率信号的传感器。扩散硅压力传感器：利用压阻效应原理，被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化。4-2什么是应变效应？举例说明应变效应的应用情况。应变效应是指金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生变化的现象称之为金属的应变效应。主要应用是金属应变片制作的压力传感器。4-3分析电阻应变片与半导体应变片的异同点。相同点：二者都是由于力学量的测量不同点：金属应变片电阻变化主要基于应变效应工作，而半导体是利用半导体的物理效应即压阻效应工作的。

4-4在简易电子秤电路制作过程中，选择仪表放大器时主要应注意哪些方面的问题？由于电阻应变片输出的信号非常微弱，如果用普通集成运算放大器搭建仪表放大器，由于普通放大器本身的输入失调电压等较大，调试结果很难满足要求。仪表建议使用专用仪表放大器芯片来处理应变片输出的电压差动信号。4-5常用的电容式传感器有哪些种类？各有什么特点？按照电容器表达式，电容式传感器一般有变极距型、变面积型、变介电常数型三种类型。变极距型适合测量微小位移量，变面积型适合测量角度位移以及角位移等，变介电常数型适合测量厚度、液位、湿度等参数。4-6列举差压式电容器在工业控制系统中的典型应用案例。测量流体的流量，锅炉汽包的液位等4-7什么是压电效应？压电效应有哪些应用案例？某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转变为电能的现象，称为“正压电效应”。反之，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。压电效应的应用主要体现在压电式压力传感器、超声波发射与接收探头等。4-8压电式压力传感器是如何进行压力测量的？压电式压力传感器的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。4-9目前市售的电子血压计的工作原理是怎样的？电子血压计多采用振荡（示波）法进行血压测量，即使用压力传感器检测血液流动时发生振动的变化，通过电桥电路得到相应的电位差。4-10机场码头使用的安检仪原理是什么？金属探测器通过检测该涡流信号有无来发现附近是否存在金属物。由发射器发射出激励电磁波由接收超声波传感器及其应用5-1什么是声波？什么是超声波？超声波在空气中的传播速度是多少？声波是声音的传播形式，是一种机械波，由物体振动产生。高于20kHz的机械波称为超声波，超声波在空气中传播速度为340m/s。5-2常用的超声波传感器有哪些主要的性能指标？超声波传感器的主要性能指标有工作频率、工作温度和灵敏度等。工作频率是压电晶片的共振频率。工作温度：由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。灵敏度：反映了换能器在谐振频率下接收或检测微弱回波信号的能力，它主要取决于制造晶片本身。5-3在超声波发送探头前为什么一般要加入驱动电路？主要是为了增大超声波发送头的驱动电流。5-4简述超声波测距的原理。超声波测距系统主要应用的是反射式检测方式。即超声波发射器向某一方向发射一串超声波脉冲，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波后就立即停止计时。超声波在空气中传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s5-5超声波液位测量与距离测量的工作原理是否完全一致？测量原理基本相似。都是利用计算超声波发射遇到障碍物或液面反射到接收探头的时间，再根据超声波在空气中的传播速度计算得到被测距离。区别在于液位测量时液位高低为被测容器高度与测量得到液面高度的差值。5-6简述超声波用于金属管道探伤的基本原理。超声波探伤一般是利用反射法。在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。磁敏传感器及应用6-1常用的磁敏传感器有哪些？它们各自的工作原理是否相同？常用的磁敏传感器有磁敏电阻、干簧管、磁敏晶体管、霍尔传感器等。磁敏电阻基于磁阻效应工作；干簧管是一种磁性开关；磁敏晶体管是一类新型的磁电转换元件；霍尔传感器基于霍尔效应工作。6-2什么是磁阻效应？磁敏电阻具有哪些基本特性？在通有电流的金属或半导体上施加磁场时，其电阻值将发生明显变化，这种现象称为磁阻效应。磁敏电阻可以在无偏磁和有偏磁两种方式工作，无偏磁时只能根据磁阻变化检测磁场大小而无法判断磁极性；在弱偏磁时磁阻比与磁感应强度的平方成正比，在强磁场时与磁感应强度成正比。6-3什么是巨磁电阻？它与基本的磁敏电阻特性是否完全相同？巨磁电阻是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在显著变化（电阻急剧减小）的一类电阻。巨磁电阻在工作时需要为其提供直流电源，并对磁场环境有一定要求。6-4简述干簧管的工作原理。干簧管在使用过程中可应用于常开模式、常闭模式或保持模式上。

在常开模式下，当有磁铁靠近干簧开关时，外加的磁场使两片簧片端点位置附近产生不同的极性，结果两片不同极性的簧片将互相吸引并闭合，将磁铁移开后干簧片就会重新打开。在常闭模式下，当有磁铁靠近\o"磁簧开关"磁簧开关时干簧片就会打开，将磁铁移开后干簧片就会重新关闭。在保持模式上，干簧片可能是在常开或常闭两种状态，当有磁铁靠近干簧管时干簧片就会改变它们的形态，如果起初的形态是打开，现在就会关闭，当磁铁移开后干簧片仍会保持关闭，这时将改变了磁极性的磁铁再靠近时干簧片才会打开，将磁铁移走后干簧片仍会保持打开。6-5什么是霍尔效应？霍尔效应是指当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差的现象。霍尔效应产生的电动势称为霍尔电动势。6-6常用的霍尔传感器有哪些种类？根据霍尔传感器的输出特性，将霍尔传感器分为线性霍尔传感器、开关型霍尔传感器和锁键型霍尔传感器等三种大类。6-7简述利用霍尔传感器测量电机转速的工作原理。霍尔传感器用于测量电机转速时，可在电机主轴上安装一个非磁性材料的圆盘，圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。气敏传感器及应用7-1常用的气敏传感器有哪些种类？各自的特点是什么？半导体式气敏传感器：分为电阻式和非电阻式两大类，它是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，通过与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。接触燃烧式气敏传感器：分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，其工作原理是气敏材料(如Pt电热丝等)在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而升温，从而使其电阻值发生变化。电化学型气敏传感器：分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型。原电池式气敏传感器通过检测电流来检测气体的体积分数；可控电位电解式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的体积分数，和原电池式不同的是，需要由外界施加特定电压；电量式气敏传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积分数；离子电极式气敏传感器通过测量离子极化电流来检测气体的体积分数。固体电解质气敏传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。固体电解质气敏传感器具有电导率高、灵敏度和选择性好等特点。光学式气敏传感器包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等，主要以红外吸收型气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收波长不同，通过测量和分析红外吸收波长来检测气体。高分子气敏传感器：分为高分子电阻式气体传感器、浓差电池式气体传感器与面波(SAW)式气体传感器等多种类型。高分子电阻式气体传感器是通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体的体积分数；浓差电池式气体传感器是利用气敏材料吸收气体时形成浓差电池，测量输出的电动势来测量气体体积分数；面波(SAW)式气体传感器则是制作在压电材料的衬底上，一端的表面为输入传感器，另一端为输出传感器。7-2简述半导体气敏传感器的工作原理。当半导体器件被加热到稳定状态时，气体接触半导体表面而被吸附，吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处。将半导体气敏传感器置于被测气体中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化关系