传感器与智能检测技术 习题及答案

第一章1.什么是传感器？传感器一般是由哪几部分组成？传感器有哪些分类方法？答：传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置；通常由敏感元件和转换元件组成，此外，一般还包括信号调理电路、辅助电源等；①按输入量分，②按输出量分，③按工作原理分，④按能量变换关系分等。

2.什么是传感器的静态特性？传感器静态特性的技术指标及各自的定义是什么？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入-输出关系。静态特性所描述的传感器的输入、输出关系式中不含有时间变量。传感器的静态特性的性能指标主要有：线性度：非线性误差：灵敏度：迟滞：重复性：γ⑤分辨力：是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。分辨率可以用绝对值或与满量程的百分比来表示。通常将模拟式传感器的分辨力规定为最小刻度分格值的一半，数字式传感器的分辨力是最后一位的一个字。灵敏度越高，分辨力越小；反之亦然。⑥阈值：传感器阈值是指传感器在接收到外界输入信号时，所能感知的最小或最大的信号强度的值。当一个传感器的输入从零开始缓慢地增加时，只有在达到某一最小值后才测得出输出变化，也就是零位附近的分辨力，这个最小值就称为传感器的阈值。大多数情况下阈值的大小主要取决于传感器的噪声大小。

3.描述传感器动态特性的主要指标有哪些？答：传感器动态特征的主要指标有时间常数、延迟时间、上升时间、峰值时间、响应时间、超调量。4.设一力传感器可简化为典型的质量-弹簧-阻尼二阶系统，已知该传感器的固有频率，若其阻尼比为0.7，试问用它测量频率为600Hz、400Hz的正弦交变力时，其输出与输入幅值比和相位差各为多少?第二章1．什么叫应变效应？试利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。答：应变效应是指导体或半导体受外力形变时，其电阻值发生变化的现象。金属电阻应变片工作原理：金属应变片粘贴于被测物体，当物体形变时，应变片随其发生拉伸或压缩，导致自身长度、横截面积及电阻率改变，进而使电阻值变化。通过测量电阻变化可反映物体形变程度，实现对力、压力等物理量的测量。

2．为什么应变片传感器大多采用不平衡电桥作为测量电路？该电桥为什么又都采用半桥和全桥方式？答：应变片传感器用不平衡电桥，是因它能将微小电阻变化直接转化为可测电信号，适合实时测量微小形变。采用半桥和全桥，是因为它们能提高灵敏度（输出信号分别为单桥的2倍、4倍），通过温度补偿片减小温度误差，还能改善非线性，提升测量精度。

3．简述电阻应变式传感器的温度补偿原理。答：电阻应变式传感器的温度补偿原理是通过抵消温度变化对测量结果的干扰，核心是消除温度引起的应变片电阻附加变化。温度变化会使应变片自身电阻随温度漂移（电阻温度效应），还会因应变片与被测构件材料的线膨胀系数不同，导致附加形变产生虚假应变，两者都会造成电阻变化，干扰真实测量。实际中常采用温度补偿片法：将与工作应变片（粘贴在被测构件上）规格、材质相同的补偿片，粘贴在与被测构件材质相同但不受力的试件上，置于相同温度环境中。工作片和补偿片分别接入电桥相邻桥臂，温度变化引起的两者电阻变化相同，电桥输出会抵消这部分共模干扰，仅保留工作片因真实形变产生的电阻变化，从而实现温度补偿。

4.气体传感器有哪几种类型!?简述电阻式气体传感器的工作原理。答：烧结型、薄膜型和厚膜型。烧结型：气敏传感器中气敏元件的工作原理十分复杂，涉及材料的结构，化学吸附及化学反应，有不同的解释模式，在高温下,N型半导体气敏件吸附上还原性气体(如氢、一氧化碳、酒精等)气敏元件电阻将减少，还原性浓度越高，电阻下降就越多。控制烧结体的化学成分及加热温度，可改变它对不同气体的选择性。薄膜型：SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好。该类器件的优点是灵敏度高、响应快、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等。厚膜型：该类器件的优点是一致性好、机械强度高、适于批量生产。5.为什么大多数气敏器件都装有加热器?答：大多数气敏器件装加热器，是为了通过加热清除器件表面的油污、尘埃等杂质，激活敏感材料，使其达到稳定的工作状态，同时保证气体分子能更好地在敏感材料表面发生吸附、脱附及化学反应，提高器件的灵敏度和响应速度。6.试述电阻式湿度传感器的基本原理、主要类型及各自的特点。答：基本原理：利用某些物质（如电解质、半导体、高分子材料）的电阻值随环境湿度变化而变化的特性，将湿度信号转化为电阻信号实现测量。主要类型及特点电解质型：基于电解质溶液吸湿后离子导电能力变化，灵敏度高，但耐温性差，易受环境腐蚀。半导体型：半导体材料（如金属氧化物）吸湿后电阻改变，响应快、寿命长，但线性度较差，受温度影响较大。高分子型：高分子材料吸湿后电阻变化，线性度好、精度高，抗污染能力强，但耐温范围较窄。7.陶瓷式电阻湿度传感器的导电机理是什么?有何特点?答：导电机理：陶瓷式电阻湿度传感器的敏感材料为多孔陶瓷（如金属氧化物陶瓷），其导电机理基于离子导电：环境湿度变化时，陶瓷孔隙吸附或脱附水分子，使材料表面形成的水膜厚度改变，水膜中的离子（如陶瓷本身含有的杂质离子、水中溶解的离子）浓度随之变化，导致陶瓷的电阻值随湿度变化而改变（湿度升高，电阻降低）。特点：耐温性好，可在较高温度环境下工作；机械强度高，抗污染能力较强；寿命较长，但线性度较差，湿度响应速度较慢。8．图2-26所示为等截面梁和电阻应变片构成的测力传感器，若选用特性相同的4片电阻应变片R1～R4，它们不受力时阻值均为120Ω，灵敏度K=2，在Q点作用力F（1）在测量电路图b）中，标出应变片受力情况及其符号（应变片受拉用↑，受压用↓）。（2）当作用力F=20N时，应变片，若作用力F=80N时，为多少？电阻应变片R1、R2、R3、R4为何值？

（3）若每个电阻应变片阻值变化为0.3Ω，则输出电压为多少？（）

答：（2）ε=80/20×4.8×10-5=1.92×10-4Kε=∆R/R∆R=1.92×10-4×2×120=0.046ΩR1=R3=R+∆R=120.046ΩR2=R4=R-∆R=119.95Ω(3)UO=E×∆R/R=7.5mv第三章1、简述单线圈和差动变间隙式自感传感器的工作原理和基本特性。答：单线圈自感传感器工作原理：基于自感原理，通过衔铁移动改变气隙磁阻，使线圈自感变化，间接测量被测量（如位移）。基本特性：输入输出非线性（小范围近似线性）；灵敏度与气隙平方成反比；结构简单，抗干扰弱。差动变间隙式自感传感器工作原理：由两个对称单线圈组成，衔铁移动时一个自感增、一个减，通过测量差值反映被测量，常配合电桥使用。基本特性：线性度显著改善（非线性误差抵消）；灵敏度为单线圈的2倍；抗干扰强（抑制共模干扰）；结构较复杂，精度高。2、根据工作原理不同，电感式传感器可分为哪些种类？答：自感式传感器、互感式传感器、电涡流传感器。3、引起零点残余电压的原因是什么？如何消除零点残余电压？答：零点残余电压成因：线圈参数（匝数、电阻等）不对称；铁芯磁化曲线非线性（磁滞、饱和）；分布电容不对称；激励信号含谐波。消除方法：结构上保证线圈对称、选用优质铁芯；电路中串联电阻、并联电容或加补偿线圈；采用相敏检波器处理信号，滤波提纯激励源；软件数值校准补偿。4、电涡流电感式传感器的线圈机械品质因数在测量时会发生什么变化？为什么？答：变化：测量时线圈机械品质因数（Q值）会降低。原因：当金属导体靠近线圈时，线圈产生的交变磁场在导体中感应出电涡流，涡流产生的反磁场会消耗线圈的电磁能量（涡流损耗），导致线圈的能量损耗增加。而品质因数Q与损耗成反比，因此Q值降低。5、为什么螺线管式电感传感器比变间隙式电感传感器有更大的测量范围？答：螺线管式电感传感器的线圈长度较长，衔铁移动时，其进入线圈的长度变化范围大，且磁路磁阻的变化与衔铁位移的关系在较大范围内近似线性；而变间隙式传感器的气隙变化范围受非线性限制，仅小范围近似线性，故螺线管式测量范围更大。6、根据螺线管式差动变压器的基本特性，说明其灵敏度和线性度的主要特点。答：灵敏度：灵敏度较低。因螺线管式差动变压器的磁场分布沿轴向变化较平缓，衔铁位移引起的线圈互感变化率小，故灵敏度低于变间隙式。线性度：线性范围大。在衔铁位移偏离中心位置不太大时，输出电压与位移近似线性关系，且线性范围比变间隙式大得多，适合大位移测量。7、差动式比单线圈式结构的电感式传感器在灵敏度和线性度方面有什么优势?为什么?答：差动式灵敏度更高。因差动式通过两个线圈的信号差值输出，衔铁位移时，一个线圈电感增加，另一个减少，差值变化量是单线圈式的两倍，故灵敏度提高。差动式线性度更好。单线圈式电感与位移的关系是非线性的，而差动式利用两个线圈的非线性特性互补，可抵消部分非线性误差，扩大线性范围。8.有一只差动电感位移传感器，已知电源电压，，传感器线圈电阻与电感分别为，，用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥，如图3-35所示试求：（1）匹配电阻和的值为多少时才能使电压灵敏度达到最大?（2）当时，分别接成单臂和差动电桥后的输出电压值。图3-359．气隙式电感传感器如图3-36所示，衔铁断面积，气隙总长度，衔铁最大位移，激励线圈匝数匝，导线直径，电阻率。当激励电源频率时，忽略漏磁及铁损。试计算：

（1）线圈电感值。

（2）电感的最大变化量。

（3）当线圈外断面积为11mm×11mm时其直流电阻值。

（4）线圈的品质因数。

图3-36第四章1、根据电容式传感器工作原理，可将其分为几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？答：根据电容式传感器的工作原理，可将其分为3种：变极板间距的变极距型、变极板覆盖面积的变面积型和变介质介电常数的变介质型。变极板间距型电容式传感器的特点是电容量与极板间距成反比，适合测量位移量。变极板覆盖面积型电容传感器的特点是电容量与面积改变量成正比，适合测量线位移和角位移。变介质型电容传感器的特点是利用不同介质的介电常数各不相同，通过介质的改变来实现对被测量的检测，并通过电容式传感器的电容量的变化反映出来。适合于介质的介电常数发生改变的场合。2、电容式传感器有哪几种类型的测量电路？各有什么特点？电容式传感器的测量电路主要有以下几种，特点如下：答：桥式电路：将电容传感器作为桥臂之一，与其他桥臂（电阻或电容）组成电桥。特点是结构简单，输出信号需经放大和检波，适用于静态或低频测量。调频电路：将电容变化转化为振荡频率的变化。特点是灵敏度高，抗干扰能力强，可实现远距离传输，适用于动态测量。脉冲宽度调制电路：通过电容变化控制脉冲宽度，输出直流电压与电容变化成正比。特点是线性好，响应速度快，无需解调，适合快速动态测量。运算放大器电路：利用运放“虚短”“虚断”特性，将电容变化转化为电压输出。特点是线性度高，可测量微小电容变化，常用于变极距型传感器。谐振电路：将传感器电容接入LC谐振回路，电容变化使谐振频率或振幅改变。特点是灵敏度高，但线性范围较窄，适用于高频动态测量。

3、如何改善变极距型电容传感器的非线性？答：采用差动结构：将两个相同的变极距型电容传感器对称连接，当一个电容增大时另一个减小，利用两者差值输出，可抵消部分非线性误差，显著改善线性度。限制极距变化范围：让极距的最大变化量远小于初始极距（通常取变化量不超过初始极距的1/5~1/10），使非线性误差控制在较小范围内。接入线性化电路：通过运算放大器等电路对电容变化的非线性关系进行补偿，将输出信号转换为与位移近似线性的关系。

4、电容传感器初始极板间隙d0=1.5mm，外力作用使极板间隙减少0.03mm，并测得电容量为180pF。求：（1）初始电容量为多少？（2）若原初始电容传感器在外力作用后，引起间隙变化，测得电容量为170pF，则极板间隙变化了多少？变化方向又是如何？答：（1）C0=C1d0/d1≈185.71pF（2）∆d=d0-d2=d0-C0d0/C2≈0.05mm5、电容测微仪电容器极板面积A=32cm2，间隙d=1.2mm，相对介电常数，求：（1）电容器电容量（2）若间隙减少0.15mm，电容量又为多少？答：（1）C=ε0εrA/d=2.36×10-11FCnew=ε0εrA/dnew=2.72×10-11F6、电容传感器的初始间隙d₀=2mm，在被测量的作用下间隙减少了500μm，此时电容量为120pF，则电容初始值为多少？答：Cₓ=εA/(d₀-Δd)，推导得εA=Cₓ(d₀-Δd)=120×(2-0.5)=180pF·mm初始电容C₀=εA/d₀=180/2=90pF7、已知变面积型电容式传感器两极板间距离为10mm，介电常数ε＝50μF／m，两极板几何尺寸一样，为30mm×20mm×5mm，在外力作用下，动极板沿最长边向外移动了10mm，试求电容量变化ΔC和灵敏度Kx。答：初始电容值C₀：C₀=εab/d=(50×10⁻⁶F/m)×(0.03m×0.02m)/0.01m=3μF‌变化后有效面积：移动后有效长度a'=a-x=30mm-10mm=20mm有效面积变为a'×b=20mm×20mm变化后电容值C₁：C₁=εa'b/d=(50×10⁻⁶)×(0.02×0.02)/0.01=2μF电容量变化ΔC：ΔC=C₁-C₀=-1μF‌灵敏度K：K=ΔC/x=-1μF/10mm=-100μF/m8、一个用于位移测量的电容式传感器，两个极板是边长为10cm的正方形，间距为1mm，气隙中恰好放置一个边长10cm、厚度1mm、相对介电常数为4的正方形介质板，该介质板可在气隙中自由滑动。试计算当输入位移（即介质板向某一方向移出极板相互覆盖部分的距离）分别为0.0cm、10.0cm时，该传感器的输出电容值各为多少？答：当介质板滑动时，电容器的电容由两部分并联组成：有介质覆盖的区域（面积

Amed=a×(a−x)），其电容为

C1=εrε0Amed/d。无介质覆盖（空气）的区域（面积

Aair=a×x），其电容为

C2=ε0Aair/d（空气的相对介电常数取为1）。总电容为：C=C1+C2=ε0​a​/d[εr​(a−x)+x]其中，真空介电常数

ε0=8.85×10−12F/m，a=0.1m，d=0.001m，εr=4.代入参数计算：C=88.5×[4(0.1−x)+x]pF其中x的单位为米（m）。计算输出电容值：‌当输入位移

x=0.0cm

时‌：

介质板完全覆盖极板C=88.5×[4(0.1−0)+0]=88.5×(4×0.1)=88.5×0.4=354pF或者直接计算：C=4×8.85×10-12×0.01/0.001=3.54×10-13/0.001=3.54×10-10F=354pF‌当输入位移

x=10.0cm=0.1m

时‌：

介质板完全移出，不再覆盖极板C=88.5×[4(0.1−0.1)+0.1]=88.5×(0+0.1)=88.5×0.1=88.5pF或者直接计算：C=1×8.85×10-12×0.01/0.001=8.85×10-14/0.001=8.85×10-11F=88.5pF所以：当输入位移为

0.0cm时，输出电容值为

354pF。当输入位移为

10.0cm时，输出电容值为

88.5pF。9、如图4-23所示，圆筒内装有某种液体，相对介电系数为3，D=18cm，d=6cm，H=42cm，h=8cm，=8.85×10-12。

（1）求圆筒的电容值。

（2）当液位高度升高1cm时，电容值变化多少?图4-23答：（1）C=2πε(2)当液位高度升高1cm时,H=42cmh=9cmC∆=2π第五章什么是正压电效应，什么是逆压电效应？答：正压电效应：某些物质沿一定方向施加外力使其变形，其内部会产生极化效应，从而在表面产生电荷集聚的现象。逆压电效应：在压电材料某两端施加交流电压，压电片会产生相应的机械振动，即发生形状改变。石英晶体压电效应的基本原理是什么？为什么沿z轴施压没有电荷产生？答：晶体受压产生形变，并引发极化现象。z轴受压形变无极化现象。压电陶瓷与石英晶体相比有什么特点？其极化原理是什么？答、灵敏度高，稳定性略差，居里温度略低。压电陶瓷为多晶体，和单晶体不同，多晶体的各个局部晶体并非排列一致，而是随机组合在一起。这就导致了各个局部晶体的极化电场方向各异、互相抵消，从而对外界显示电中性。若希望其具备压电效应特性，必须使其每个晶体的极化方向一致，以得到宏观上的电效应。极化处理的时候，我们会对压电陶瓷在一个方向施加一定的压力，使得材料内部各个局部晶体均产生极化，形成空间正负离子对。同时我们在给定方向上施加一个较强的外电场，如图5-1-5（b）所示。这样，已经极化形成的局部各个空间离子对在外电场力矩作用下会发生旋转，只要其极化方向与外电场方向一致，达到稳定态为止。通常，我们同时还会对材料施加一定的高温，这样，让材料具备较好的塑性，让各个局部晶体结构更容易旋转到位。经过这样处理的压电陶瓷多晶体，其局部晶体结构就像单晶体一样，具备一致性，从而具有了压电效应。压电材料主要指标有哪些？有哪几类压电材料？各有什么特点？答：压电常数，介电常数，电阻，居里温度点，弹性系数，机械耦合系数，时间稳定性，压电晶体（单晶），压电陶瓷（多晶），压电高分子材料，压电半导体；压电晶体，居里温度高，线性性好，稳定性好；压电陶瓷灵敏度高，时间稳定性略差；压电高分子材料灵敏度高，可制备成柔软的材料；压电半导体即有压电特性又有半导体特性，可设计复杂应用。试画出压电元件的等效电路；压电元件并联、串联连接各有什么特点？答：并联：等效电容增加一倍；输出电荷增加一倍，输出电压不变；串联：等效电容减小一半，输出电压增加一倍，输出电荷不变；请分析压电元件电荷放大器电路基本工作原理。答：以图5-2-4为基础，C两端电压为Ui，我们有Qc=C·Ui；Cf两端电压为Ui-Uo=Ui-（-K）Ui=（1+K）Ui，K为运放开环放大倍率；我们有QCf=Cf·UCf=Cf·（1+K）Ui。注意，QCf和Qc均由压电元件产生！我们有Q=Qc+QCf，有d·F=C·Ui+Cf·（1+K）Ui，有Ui=d·F/（C+（1+K）Cf）；由于Uo=-K·Ui；我们有Uo=-K·d·F/（C+（1+K）Cf）；当K>>1时，我们得到：Uo≈-d·F/Cf。压电元件不适合测量静态或低频信号，为什么？试从电路等效模型进行分析。答：由压电元件频率特性可知，其低频响应不好，输出灵敏度很低。什么是热释电效应？其基本原理是什么？答：热释电效应是指当某些晶体因温度发生变化而产生电场的现象。它是晶体内部温度变化时，产生极化现象引起的，通常只在晶体温度变化时，才显示电场。请用压电传感器和热释电传感器设计一个博物馆展位防盗系统。答：开放式回答，酌情评分。（压电测量压力突变，热释电测量运动物体的接近）10、什么是声波的横波，什么是声波的纵波，什么是声波的表面波？各有什么特点？答：横波：传播方向与振动方向垂直的波；纵波：传播方向与振动方向相同的波；表面波：沿介质交界面传播的波；纵波在固体、液体、气体中均可传播，横波只能在固体中传播，表面波沿固体表面传播。11、超声波的衰减由哪些因素决定？为什么超声测量时，固体中，工作频率可以高一点，液体中，工作频率要稍微低一点？答：衰减由超声波的频率和介质密度决定，频率越高，衰减越快，介质密度越低，衰减越快。固体由于密度较高，衰减相对较小，超声波的工作频率可以高一点。液体、气体由于本生衰减较大，超声波频率过高，则衰减过大，接收信号过于微弱，无法达到测量目的。12、超声波的反射和折射有什么特点？在超声波测量中，为什么要使用耦合剂？答：反射定律：入射波与反射波的波形相同，波速相等，入射角等于反射角：ɑ=ɑ’。折射定律：ɑ为入射角，β为折射角，C1为入射侧材料声速，C2为折射侧材料声速。反射系数：ɑ为入射角，β为折射角，Z1为入射侧材料声阻抗，Z2为折射侧材料声阻抗。这里可以看到，当Z1与Z2相差较大时，K接近于1，声波能量几乎全部反射，无法进入折射侧。耦合剂的使用，是为了排除测量仪器和被测物之间的空气夹层。空气夹层由于声阻抗很小，会在结面产生很强的反射，不利于超声波进入被测物，进行测量。13、超声换能器中，阻尼块的作用是什么？答：声阻抗匹配。14、参考图5-4-8，超声波测量流体流量的基本原理是什么？请用它设计一个气象站风速测量系统。答：时差法：频差法：令f1=1/t1，f2=1/t2，f1-f2=2vcosθ/L=kv；设计一个三维超声测速仪，测量三个坐标方向的等效声速，可合成当前声速瞬时矢量值。采用频差法，可客服温度变化对测量的影响。15、请采用超声波传感器，设计一个智能汽车中使用的距离和速度检测系统。答：测距参考第12章，测速可利用多普勒效应。第六章法拉第电磁感应定律基本内容是什么？答：法拉第电磁感应定律：电路中感应电动势的大小和穿过电路的磁通的变化率成正比，即：简述变磁通和恒磁通磁电传感器的基本工作原理。答：恒磁通式传感器是指传感器中磁场基本固定，感应线圈在固定磁场中移动，从而产生相应的感应电动势。变磁通式传感器，其线圈与磁体位置固定。但是，磁体周边磁场为开放式，其大小受周边情况影响，会有改变，从而影响线圈内的磁通大小。影响磁电传感器的高频特性的因素有哪些？如何克服？答：系统内阻及放大器的带宽。系统内阻可用高输入阻抗放大电路减小其影响，放大器带宽，可选用带宽大的运放器件，提升高频性能。什么是霍尔效应？霍尔元件为什么大多选用半导体材料？答：霍尔效应：当固体导体至于磁场中，且有电流通过时，在垂直于电流和磁场的方向上会产生电压，该电压称为霍尔电压。半导体材料霍尔灵敏度KH高。霍尔元件为几端口元件？常见霍尔元件为什么都很薄？答：4端口。元件越薄，材料霍尔灵敏度KH越高。霍尔元件零位误差主要原因是什么？如何克服？答：不等为电动势；电桥电路调零。试分析温度对霍尔元件的影响？答：温度会影响元件霍尔灵敏度KH以及输入输出电阻Ri，RO。采用恒流源供电，在霍尔元件输出负载电阻为RL，请在输出回路串联一个电阻R，以抵消温度对霍尔电压的影响，请问R该如何选择？（可参考输入回路串联电阻法）答:选择合适的RL使得，则可消除温度的影响。某霍尔元件灵敏度为20V/（A·T），当工作电流I=3mA，磁场强度B=0.5T，磁场与霍尔平面夹角为30°，请问霍尔电压为多少？答：20*3*0.5*sin30°=15mV。第七章什么是热电效应？热电势由哪几部分组成？答：塞贝克效应也叫热电效应，是指将两种不同成分的导体组合成一闭合回路，若两接点温度不同，回路中将产生一个电动势。接触电动势，温差电动势。影响回路热电势的因素有哪些？导线环境温度的变化会不会影响回路热电势？答：热电极材料，两个接触点的温度。不会。简述接触电动势的产生原理。答：接触电动势是由于A，B两种导体载流子浓度不同造成的。设A载流子浓度为NA，B载流子浓度为NB，若NA>NB，由于自由扩散原理，A导体扩散到B导体的载流子比B导体扩散到A导体的要多，原则上讲，直到两边载流子浓度一致才会达到平衡。这样，A导体失去载流子（一般为自由电子）而B导体获得载流子。假设载流子为自由电子，这样A导体就带正电，B导体带负电，由A到B形成一内部电场。该电场会使得载流子从B向A移动，称为漂移作用。此时，NA’仍然大于NB’，同时A到B也建立了内电场。NA’>NB’产生的扩散运动和内电场的漂移运动达到动态平衡时，系统稳定；此时，该内电场的积分即为接点的接触电动势eAB（T）。什么是中间导体定律，什么是中间温度定律，什么是参考电极定律？答：中间导体定律：在热电偶回路中，加入第三种导体材料；当第三种材料和原材料两个接点温度相同时，回路总热电动势不变。中间温度定律：热电偶两点之间T1，T3的热电势，等于该热电偶在T1，T2热电势和T2，T3的热电势之和。参考电极定律：如果两种导体A，B与第三种导体C的热电势已知，则A，B之间的热电势也已知：EAB（t，t0）=EAC（t，t0）-EBC（t，t0）。热电偶常用结构由哪几种？各有什么特点？答：普通型：热电极长度通常为300mm~2000mm，一般为350mm，可测1800℃高温，该结构热电偶在工业上应用广泛。铠装型：它由金属保护套管、绝缘材料和热电极运用同比例压缩延伸工艺加工而成的坚实揽状组合体，如图7-1-9（B-B）。使用时，可以截取适当长度的铠装体，将工作端焊接密封，如图7-1-9（A），并配置接线盒使用。铠装型热电偶可以做的很细长，并可弯曲，长度可调，适合于特殊场合以及普通型热电偶不便使用的地方。它具有响应快，寿命长，机械强度高，弯曲性好等特点。薄膜型：薄膜型热电偶是利用真空蒸镀、化学涂层等方法将两种热电极金属材料固定到绝缘基本上制成的。绝缘基板可选用云母，陶瓷片，玻璃或酚醛塑料纸。薄膜型热电偶接点可以很小、很薄（0.01~0.1um），具有热容量小，响应速度高等特点。热电偶补偿导线如何选择？使用时有什么注意事项？为什么要使用补偿导线？答：配对选择；注意正负极，两接点温度一致；把冷端由接线盒延伸至测量仪器仪表处。热电偶冷端补偿有哪几种方法？答：冷浴法；计算修正法；补偿电桥法；S型热电偶，已知冷端温度为20℃，测得热电偶回路电压为10.706mV，请问被测端温度是多少？答：10.706+0.113=10.819mV，查表得被测点温度：1105.5℃。热电偶测温时，串联，并联各有什么特点？实际使用中，有哪些作用？答：串联可以提高灵敏度；并联可以作多点平均测量，并能提供冗余。热电阻测温时，为什么要采用三线制或四线制？答：消除测量导线电阻对测量的影响。一Pt100热电阻，测得其电阻值为296Ω，请问被测点温度是多少？答：查表、线性插值得：545.5℃。铜热电阻和铂热电阻各有什么特点？如何选用？答：铂热电阻精度高、测温范围广、性能稳定；但是灵敏度低，价格昂贵；铜热电阻测温范围窄，易受氧化还原反应影响；但价格便宜。热敏电阻有哪几种类型？与热电阻相比，热敏电阻有什么优缺点？答：负温度系数NTC；正温度系数PTC；临界温度型CTR；自身电阻值高，灵敏度高；但非线性性强，测温范围窄，个体差异大。集成温度传感器基本工作原理是什么？答：利用半导体PN节的特性实现温度测量；集成温度传感器有哪几种类型？图7-4-6电路的工作原理是什么？答：电压输出型；电流输出型；利用调整外部串联电阻得阻值，调整灵敏度，消除传感器个体差异带来的灵敏度不一致的影响。试比较这一章各种温度传感器的特点。答：参见表7-10。第八章什么是光电效应？光电效应可分为哪几种类型？各有什么典型器件？答：光电效应：光照射到某些物质上，光能量作用于该物质，使其释放出电子，从而引起其电特性改变，这一类光致电变的现象称为光电效应。光电管的基本工作原理是什么？有哪些主要特性？答：光电管使用时，如图8-2-1（b）所示，阳极接高电平，阴极接低电平，此时，该二极管处于反偏截止状态，电路中电流基本为0。当光照射到光电管阴极时，阴极表面电子吸收光子能量，逸出金属表面形成空间自由电子。这些自由电子在空间电场作用下，由阴极漂移至阳极，形成空间电流，使得器件导通。该电流由光照产生，因此称为光电流，其大小于光照强度基本成正比关系。简述光敏电阻的基本工作原理；光敏电阻有哪些主要特性？答：在没有光照射时，光敏电阻阻值由掺杂浓度决定，阻值较高；受到光照后，材料内部吸收光子能量，生成光生电子-空穴对，导致材料载流子浓度增加，对应电阻率下降。光生电子-空穴对的数量与光照强度有关，光照越强光敏电阻电阻率就越低。当光照消失后，之前生成的光生电子-空穴对逐渐复合，材料载流子浓度降低、电阻率增加，恢复到初始状态。伏安特性；光照特性；光谱特性；频率特性；温度特性；光敏二极管和光敏三极管各有什么特点？如何选用？答：光敏二极管与光敏晶体管特性对比：光敏晶体管灵敏度较光敏二极管高；光敏二极管线性度好，常用于精确测量；光敏晶体管线性度略差于光敏二极管；光敏二极管响应快，频率特性好，光敏晶体管响应慢一些；光敏二极管受温度影响较小；光敏晶体管受温度影响较大；所以，在需要快速、精确的场合，应该选用光敏二极管；而在其它地方，选用光敏晶体管可获得更高的灵敏度。简述温度对光电池的影响。答：如图8-2-21所示，由于PN节的内电场电压随温度升高而稍有下降，与之对应的光电池开路电压也随温度升高而些许下降；由于温度升高，材料本征激发增加，光电池的短路电流会随着温度升高而略微增加。硅光电池对哪个频段的光比较敏感？要测量可见光，应该选用硅光电池还是硒光电池？答：0.8um；硒光电池；光电材料的频率特性是指什么？其由什么决定？实际使用时如何有效利用该特性？答：光电响应的快慢；由材料特性决定；频率特性高低决定光信号调制频率的高低。光电材料的光谱特性是指什么？实际使用中应该如何选用？答：统一材料对不同频率的光，灵敏度不同。根据需要测量的光的频段，选择灵敏度的高的材料作为光电转换元件使用。光电传感器通常由哪几部分组成？答：由光源、光路和光电器件组成。光电传感器中，被测量可以对光的哪些参数进行调制？答：幅度、频率、相位及偏振方向等特性。光纤的基本结构和工作原理是什么？答：由纤芯、包层和护套三部分组成。全反射原理。光纤的损耗主要有哪些？答：材料吸收损耗（因材料密度及浓度不均匀引起）；散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀引起）；光波导弯曲损耗（因光纤在使用中可能发生弯曲折射引起）。请谈谈色散对光纤传输的影响。答：色散是指不同频率的光在折射时，折射角不同。由于入射光是有一定带宽的调制号，不可能是单一频点。因此该信号进入光纤后发生色散，不同频点的信号其传播路径是不同的。经过多次全反射后，其频点信号路径会相差很大；传输距离越长、该效应越明显。在输出端，不同频点信号再组合在一起，总的信号畸变就非常明显。光纤传感器有几种基本类型？各举几个例子进行说明。答：传输型：内窥镜；光纤式光电开关；光电温度传感器；。。。。。。功能性：光纤漩涡式流量传感器；光纤加速度传感器；光纤微弯压力传感器；。。。。。。第九章1、某化工仓库需监测甲烷（易燃气体）和CO（有毒气体），且环境湿度较高（70%~90%RH）。请从以下传感器中选择合适的类型，并说明理由：（1）电化学气体传感器（MQ-135）（2）半导体气体传感器（TGS2600）（3）电容式湿度传感器（HS1101）（4）电阻式湿度传感器（HCH-1000）答：（2）2、设计一个光敏晶体管（PT333-3C）电路，要求输出信号在光照最强时不超过3V，且集电极电流Ic=2mA。已知Vcc=5V，计算：1）集电极电阻Rc的阻值；2）若输出端并联100nF滤波电容，求截止频率。答：1）Rc=（5V-3V）/2mA=1kΩ；2）截止频率处，Zc=2.4kΩ，由C=100nF可得，截止频率Fb为：4.2kHz。第十章1、下列哪种传感器最适合在低光环境中使用？红外传感器微波传感器光电传感器声学传感器答：A。2、在智能安防监控系统中，传感器的主要作用是？（A）控制报警器发出信号（B）捕捉环境变化并提供实时数据（C）显示监控画面（D）储存监控数据答：B。简述智能安防监控系统中红外传感器与微波传感器的优缺点。答：红外传感器的优点为：环境适应性强、能耗低、在特定环境下抗干扰能力强、成本低隐蔽性好；缺点为：检测范围受限、对环境温度敏感、易受环境因素干扰以及检测速度较慢。微波传感器的优点为：检测范围广且穿透力强、受环境温度影响小、检测响应速度快、抗环境干扰力强；缺点为；能耗高、易产生误报、成本较高、隐蔽性较差以及存在信号干扰问题。如何解决智能安防监控系统中可能出现的误报和漏报问题？答：在智能安防监控系统中，误报（无异常却触发报警）和漏报（有异常未触发报警）是影响系统可靠性的核心问题。其根源可能涉及传感器性能、环境干扰、算法缺陷、系统配置不当或维护不足等多个层面。解决这些问题需要从技术优化、环境适配、系统联动、维护管理等多维度综合施策，具体方法如下：（1）优化传感器选型与组合，减少单一设备局限性.（2）优化环境适配与安装调试，降低外部干.（3）升级智能算法与分析能力，提升事件识别精度.（4）强化系统联动与配置优化，提升整体可靠性.（5）加强维护管理与用户教育，减少人为与老化因素.（6）技术创新：探索新型感知技术.5、

假设你是一个安防系统的设计师，你需要为一个工业园区设计一个安防监控系统。请根据不同区域的特点（如办公区、机房、停车场），选择合适的传感器类型，并说明每种传感器的作用与优势。答：（1）办公区传感器选型：被动红外传感器+音频传感器+门窗磁传感器①被动红外传感器的作用为检测办公区人员活动情况。通过感知人体发出的红外辐射，判断是否有人员非法入侵、异常停留或违规进入非工作时段的办公区域。例如，下班后若办公区仍有持续红外热源移动，系统可触发预警。优势为无需主动发射信号，能耗低，隐蔽性好，不会干扰办公环境；受可见光影响小，在白天、夜晚低光环境下均能稳定工作，精准识别人员活动，有效防范非法入侵，且成本相对较低，便于在办公区大范围部署。②音频传感器的作用为采集办公区声音信息，识别异常声响，如玻璃破碎声、激烈争吵声、暴力击打声等。当检测到这类异常音频时，联动报警系统，辅助判断安全事件性质。优势为可补充视觉监测盲区，与红外传感器协同，从声音维度完善安防判断。对办公区突发的暴力冲突、破坏行为等，能快速响应，提升事件预警的全面性。③门窗磁传感器作用为安装于办公区门窗处，实时监测门窗开关状态。正常工作时段，记录人员出入；非工作时段或未经授权时，若门窗异常开启，立即触发报警。优势为结构简单、稳定性高，能精准感知门窗物理状态变化，是办公区出入口基础安防的关键环节，可第一时间发现未经许可的入侵尝试，与其他传感器联动，构建多层防护。（2）机房温湿度传感器+烟雾传感器+振动传感器+红外幕帘传感器①温湿度传感器的作用为实时监测机房内温度、湿度数据。机房设备对温湿度敏感，温度过高可能导致设备故障、宕机，湿度过高易引发电路短路、设备锈蚀，传感器及时反馈数据，联动空调、除湿设备调节环境。优势为高精度监测，为机房环境调控提供准确依据，保障设备稳定运行，预防因环境异常引发的安全事故，是机房环境安防的基础