传感器技术及其应用 第4版 习题答案 陈黎敏

《传感器技术及其应用》第4版答案项目1传感器基础认知一.单选题（1）C（2）B（3）C（4）D（5）C（6）B（7）A（8）B（9）B（10）A二、简答题1.相对误差γ1=γ2=答：因为γ1>γ2所以测量范围为0~800℃的仪表精度高2.相对误差γ1=γ2=γ3=答：可见2.0级与1.5级都能满足测量误差要求，考虑性价比建议选择2.0级，若只需考虑测量精度则选择1.5级。（注：根据国家标准规定，我国电工仪表精度等级与自动化仪表精度等级有不同划分，因此此处假设有一个2.0级仪表可供选择）项目2温度检测一.单选题（1）C（2）D（3）A（4）A（5）D二、简答题1.U=EAB（400℃，60℃）-EAB（300℃，60℃）=EAB（100℃，0℃）答：仪表示值应为100℃.2.I=I0+Kt298.2=I0+KtI0=298.2-1х25=273.2μAI1=I0+Kt=273.2+1х(-30)=243.2μAU1=243.2х10-6х1.5х103=0.3648VI2=I0+Kt=273.2+1х120=393.2μAU2=393.2х10-6х1.5х103=0.5898V答：电压表的读数分别为0.3648V和0.5898V。项目3力和位移的检测一.单选题1）A2)C3)D4)A5)A6)C7)C8)D9)B10)B二．填空题（1）半导体、金属箔式（2）四臂全桥，差动相敏检波电路（3）500mV（4）螺管式、变隙式（5）改善线性和提高灵敏度（6）并联、串联（7）放大信号和阻抗变换。提供预紧力，以保证压电元件在测量过程中始终受压力作用（9）越快，压电效应（8）越快，压电效应三．简答题1.R1=R2=50−50Uo=答：此时电桥的输出电压为15mv。2答：笔试记录仪记录的偏移量为16mm。3.K=9.13×103/（1×100×1）=91.3mv/g标定系统的框图如下：加速度计的校准振动台加速度计的校准振动台阻抗变换器电压放大器晶体管毫伏表4．V=4m/(50ms*2)=40m/s=144.00Km/hL=v*t=40m/s*(50ms*6)=12m答：车速为144.00Km/h，轮胎距离为12m。5.项目4光量检测一．单选题1）A2)C3)A4)B5)B6)A7)D8)C二．简答题1.答：用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hγ的光子所轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。通常把光电效应分为三类：外光电效应，内光电效应和光生伏特效应。基于外光电效应制成的器件有：光电管、光电倍增管，基于内光电效应制成的器件有：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管，基于光生伏特效应制成的器件有：光电池等。其中光敏三极管、光电倍增管灵敏度较高，光敏二极管响应较快、光敏电阻响应较慢、线性较差。2.答：光电式传感器根据其检测原理可分为：（1）光源本身是被测物。如：高温比色温度计和照度计。（2）透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部分被吸收后，透射光投射到光电元件上，因此又称之为吸收式；如：液体浊度计（3）漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；如：反射式光电转速表（4）遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。如：带材跑偏检测3.答：（1）当照在光敏二极管的光变强，CD40106输入端1点电位升高到超过3V，2点输出由高电平变为低电平，VT1截止，继电器线圈K失去电流，继电器释放；反之，当光照变弱，CD40106输入端1点电位降低到小于2V，2点输出由低电平变为高电平，VT1导通，继电器线圈K得电，继电器吸合。（2）光敏二极管VD1用于感光；RP用于调节光电开关电路的光照开关灵敏度，将RP的值调大可使本开关电路在更弱的光照时发生动作；CD40106可将连续变化的电压变为高低电平的变化，且可以有效防止继电器在临界光照变化时的误动作；VD2在VT1截止时，为继电器线圈的电流提供了释放回路，起到保护器件的作用。（3）当光照从小到大变化，继电器K由吸合变为释放；反之，当光照有大变小时，继电器线圈由释放变为吸合。4.答：项目5磁性量检测单选题1.C2.C3.A4.B5.C6.C7.B8.C二、简单题1.答案：1）磁感应强度越大、霍尔电动势越高、成正比2）信号隔离作用3）检测直流（静态）磁场4）将一侧导线在铁心上缠绕多圈5）将钳形表的钳口张开后加入铁心中央2.答案提示：（1）霍尔电压传感器是以磁平衡方式工作的，如下图所示，原边电压VP通过限流电阻Ri产生电流，流过原边线圈产生磁场，聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件输出信号控制的补偿电流IS流过副边线圈产生的磁场进行补偿，其补偿电流IS精确的反映原边电压VP。（2）从以上分析可知，直流电压也能在铁心中产生磁力线，所以霍尔电压传感器既可以用于测量交流电压，也可以用于测量直流电压。那么，“电压互感器”能否用于测量直流电压呢？答案是否定的。“电压互感器”的全称是“交流电压互感器”。工作原理是建立在“互感”的基础上。一次侧绕组中的交流电流在铁心中产生交变磁场，二次侧绕组就可以产生交流感应电压。图1交流电压互感器及电能表的接线图但是，如果将交流电压互感器接到直流电路，只能在接入的瞬间产生一个“过渡过程”，并在二次侧产生一个感应尖脉冲。等到“稳态过程”后（大约1s后），铁心中就没有变化的磁场了，二次侧也就不会产生感应电动势了。交流电压互感器不但不能用于测量直流电压，还会在接到直流电路的1s后，产生几十安培，甚至几百安培的电流（视线圈的直流电阻和被测电压的大小而定），烧毁交流电压互感器。这是因为交流电压互感器对50Hz的交流电压有较大的阻抗（几十千欧），但对直流电路来说，只有很小的直流电阻（大约几十欧，视漆包线的粗细和圈数而定）在限制电流的增大。交流电压互感器接到直流电路后，产生的稳态电流数值就是端电压除以漆包线的电阻。有/无源问题：霍尔电压传感器需要外界提供霍尔传感器的工作电源，所以霍尔电压传感器是“有源”的。但是，交流电压互感器的输出额定电压规格是100V（用于控制或保护用，今后可能有其他的规格），不需要外界提供直流电源，直接拿交流100V电压表接到二次侧（不允许短路，否则一次侧会产生“过电流”），就能间接指示出一次侧的电压（刻度盘按一次侧的电压来刻度），所以交流电压互感器属于“无源”器件。可以直接拿交流5A（或者按产品说明书，有1A、3A、5A、10A等不同的二次电流）电流表接到交流电流互感器的二次侧（不允许开路，二次侧开路时，二次侧会产生“过电压”），就能间接指示出一次侧的电流，所以交流电流互感器也是“无源”器件。图2典型的低压霍尔电压传感器的外形及技术指标耐压：霍尔电压传感器的耐压主要是指绕组与铁心之间的耐压。由于铁心通常接地，绕组与铁心之间的电压就可能是端电压（例如本例中的500V），受潮的时候就可能对地“击穿”。安全性：主要是指“二次回路”（接到计算机或微处理器电路）是否带电的问题。由于霍尔IC是塑料制作的，又只是夹在铁心的缝隙中，与被测高压是绝缘的，一次侧绕组是绕制在绝缘的骨架上，并用环氧树脂浇灌，铁心又是接地的，所以将霍尔IC的输出接到计算机或微处理器电路是不会产生危险。（3）设该霍尔电压传感器的准确度为0.5%，求传感器的最大绝对误差为多少伏：最大绝对误差Δm=Uom×0.5%=500V×0.5%=2.5V当测得传感器的输出电压Uo仅有0.1V时，求被测电压Ui的估计值，并写出Ui的实际范围和示值相对误差：Ui=(Uo/Uom)×UNP=(0.1/5)×500V=10VUi的实际范围：10V±2.5V=7.5V~12.5V3.答案：1）首先要了解玻璃连通器的原理，在此基础上，对储液罐液位的测量就转换为对连通器中液位的测量。2）确定霍尔IC是开关型的还是线性的。霍尔IC须有磁性元件才能产生霍尔电势，为此，在连通器内设置一磁性浮子，在玻璃外壁相应高度设置霍尔IC。3）当水泵将液体泵入储液罐后，连通器内的液位也相应上升，当磁性浮子与霍尔IC持平时，霍尔IC的输出突变，表示液位已达到设定高度。该信号经控制电路使水泵停止运转。4）在连通器外壁平行设置一标尺杆，霍尔IC可在标尺杆上移动并固定，这样就可以控制不同的液位高度了。5）本装置只能控制液位的状态量，请读者考虑如何对液位进行远程监控和数字显示。4.答案提示：1）电涡流线圈的长、宽应略大于轿车，小于卡车。2）电涡流线圈应埋在柏油路面下，磁敏电阻可吊挂在汽车的上方。3）电涡流线圈应经绝缘处理，具有较好的防水、防霉、防压性能，预计寿命应大于5年。4）四个传感器的信号接到总控制室，经计算机处理后，控制四路红绿灯的工况。项目6数字式位置检测单选题1.C2.D3.A4.B5.C6.A7.B8.C二、简答题4．1）50圈，又90度2）6030r/min3）100.5mm4）0.201m/s5）0.35度5.答案提示：1）首先明确车削螺纹的概念，即：被加工工件转一圈，螺纹车刀必须移动一个螺距。因此，车刀的移动速度必须与主轴转速保持同步。在主轴转速恒定的情况下，螺距越小，车刀的横向位移就必须越慢。2）为了显示和控制纵向和横向的进给位移，从性/价比的角度考虑，在横向和纵向丝杆末端安装光电编码器，或在拖板（横向进给）和刀架（纵向进给）上安装直线磁栅及数显装置。前者无长度测量限制，但要注意输出脉冲的当量转换（即每个脉冲所代表的丝杠-螺母副移动的距离)以及传动间隙引起的回差；后者要根据行程范围选择合适长度的磁栅。3）为了确定螺纹切削的圈数，在主轴末端安装一增量式光电编码器，测量出“一转脉冲”信号的数目即可获知螺纹的圈数。螺纹切削需多次重复进刀，为防止乱扣（俗称烂牙），一次进刀切削完成后都要准确回到进刀点，对一转脉冲进行累加和累减即可完成上述功能。4）溜板的左右限位可采用撞块式行程开关，也可采用电感式接近开关（内部为电涡流原理）。5）设欲加工螺纹的螺距为2mm，若主轴的转速为60r/min（1转/秒），则进给速度应设定为120mm/min（即2mm/s）。若降低主轴的转速，进给速度也应相应降低。项目7环境量检测一．单选题1)C2)A3）B4）A5）A二．简答题1.答：气敏传感器主要有以下几类：半导体型气敏传感器：分为电阻式（表面控制型、体控制型）和非电阻式（二极管型、FET型、电容型等）。优点：价格便宜、使用方便、响应快、灵敏度高。缺点：稳定性差、老化快、对气体识别能力不强、特性分散性大。固体电解质式气敏传感器：依靠离子传导（非电子传导）工作。优点：选择性好、受温湿度影响小。常用于氧传感器等。接触燃烧式气敏传感器：利用可燃气体燃烧放热使金属丝电阻变化。优点：选择性好、线性好、响应快、受温湿度影响小。缺点：对低浓度气体灵敏度低，催化剂易受损，金属丝易断。电化学式气敏传感器（含离子电极型、加伐尼电池型、定位电解型）：优点：可定量检测气体浓度，适合环境监测。缺点：使用寿命短。集成型气敏传感器：将敏感部分、加热部分、控制部分集成，或采用多个选择性元件用微机识别。优点：可提高选择性、识别能力和灵敏度。2.答：可燃性气体泄漏报警（家庭、煤矿等）：常用SnO₂半导体气敏传感器；厨房等高湿场合宜用α-Fe₂O₃传感器（湿度影响小，稳定性好）。汽车燃空比控制：选用固体电解质ZrO₂氧传感器。汽车排放污染检测：需用CO、NOₓ、HCl、O₂等传感器。工业冶炼（高温、耐腐蚀）：选用稳定化ZrO₂氧传感器。半导体工业（检测极低浓度毒性气体）：宜用电化学气敏传感器。食品工业（如鱼类鲜度检测）：可用电化学氧传感器或氧电极。大气污染检测（SO₂、NOₓ、CO、CO₂等）：宜选用电化学气敏传感器（可定量）。家电（微波炉、燃气炉）：微波炉用SnO₂传感器，燃气炉用ZrO₂传感器测燃空比。3.答：湿度检测通常指检测空气或其他气体中的水蒸气含量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。含水量检测是指检测固体物质（如纸张、木材、粮食、烟草等）中所含水分质量占总质量的百分比。检测方法不同：湿度检测多用湿敏元件（电阻型、电容型等）；含水量检测常用称重法、电导法、电容法、红外吸收法、微波吸收法等。含水量检测更关注固体内部或整体的水分，而湿度检测主要针对气体环境中的水汽。4.答：烟雾是由比气体分子大得多的微粒悬浮在气体中形成的，而气体是分子状态分散的物质。烟雾传感器（如散射式、离子式）主要判断烟雾“有无”，多用于火灾报警，一般不能定量连续测量。一般气敏传感器（如半导体型、电化学型）可检测特定气体成分及其浓度，可定量或半定量输出信号。检测原理不同：烟雾利用微粒对光散射或对离子电流的影响；气体检测利用化学反应、电阻变化、电化学反等。5.答：6.答:目前湿度传感技术的研究方向主要包括：微型化：适应微电子和集成化需求。集成化：将敏感元件、信号处理电路集成在同一芯片上。廉价化：降低制造成本，便于大规模应用。同时，重点解决湿度传感器的长期稳定性、抗污染、抗腐蚀、耐高低温等问题，因为湿敏元件必须直接暴露在环境中，容易受到水汽凝结、电解质溶解、材料老化等影响。7.答：利用雨滴传感器（如光学式或电容式）检测雨量大小。光学式利用红外光在玻璃表面全反射受雨滴破坏程度判断雨量；电容式利用雨滴改变极板间介电常数来检测。传感器输出信号与雨量成比例，经放大后送入微控制器（MCU）或比较器，根据信号大小控制雨刷电机转速（PWM调速）及开启/停止。（1）.光学式传感器。是根据光的折射原理工作的。在光学式传感器中有一个发光二极管，它发出一束锥形光线，这束光穿过前挡风玻璃。当挡风玻璃上没有雨水、处于干燥状态的时候，几乎所有的光都会反射到一个光学传感器上；当下雨的时候，挡风玻璃上会存有雨水，一部分光线就会偏离，这就造成了传感器接收到光的总量的变化，从而检测到了雨水的存在。光学式传感器能够接收反射光的面积越大，得到的信息就越详尽。光学式传感器十分精确，甚至有可能准确地判断出落在被感应区域上的雨点数目。（2）.电容式传感器。电容式传感器主要是利用水和玻璃的介电常数的巨大差异设计的，其中水的介电常数为80，玻璃的介电常数为2。通常的做法是，把两条呈平行状态的指状金属极板放入挡风玻璃的内、外层之间，一组指状金属极板相交错，但是并不触及其他的指状金属极板。当挡风玻璃处于干燥状态的时候，挡风玻璃外表面和每组指状金属极板之间就形成了电介质。当挡风玻璃变湿的时候，根据与挡风玻璃接触的水量的不同，挡风玻璃的介电常数发生不同的变化。如果把传感器安装在挡风玻璃的表面上或者紧贴在挡风玻璃的下表面，这对传感器的工作是有利的，因为这样的安装能使