傳感器技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)訓(xùn) 課后習(xí)題答案匯總（徐軍版） 項(xiàng)目單元1-11

傳感器技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)訓(xùn)課后習(xí)題答案（徐軍版）

項(xiàng)目單元1

1.3課后習(xí)題參考答案

1.答：傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成。

2.答：目前傳感器主要有幾種分類方法：根據(jù)傳感器工作原理分類法、根據(jù)傳感

器能量轉(zhuǎn)換情況分類法、根據(jù)傳感器轉(zhuǎn)換原理分類法和按照傳感器的使用分類

法。常用的分類方法有：

⑴按被測(cè)量分類。可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、加速度、溫度、

壓力、流量、流速等傳感器。

（2）按測(cè)量原理分類。可分為電阻、電容、電感、光柵、熱電偶、超聲波、

激光、紅外、光導(dǎo)纖維等傳感器。

3.答：敏感元件是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量構(gòu)成有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換

為某一物理量的元器件。彈性敏感原件作用就是通過自身物理形變將被測(cè)量（如

壓力等）直接或者間接轉(zhuǎn)化為電參量。

4.答：有絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差

（1）絕對(duì)誤差：測(cè)量值與被測(cè)量真值的差值=

（2）相對(duì)誤差：相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差及與被測(cè)量的約定值的百分比值

①實(shí)際相對(duì)誤差實(shí)際相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差A(yù)r與被測(cè)真值A(chǔ)。的百分

比，用7A表示，即

z-^xlOO%（1-9）

4

②示值（標(biāo)稱）相對(duì)誤差示值相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差盤與被測(cè)量值A(chǔ)x

的百分比，用心表示，即

九=4^x100%（i-io）

4

③引用（滿度）相對(duì)誤差引用相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差?與儀表滿度值

4〃的百分比，用兀"表示，即

Av

匕“=竺xlOO%（1-11）

A,”

5.答：1）按測(cè)量過程的特點(diǎn)分類

⑴直接測(cè)量法。直接測(cè)量是針對(duì)被測(cè)量選用專用儀表進(jìn)行測(cè)量,直接獲取被測(cè)

量數(shù)值的過程。如用溫度計(jì)測(cè)溫度、電位差計(jì)測(cè)電勢(shì)等。按照所用儀表和比較

過程特點(diǎn)可分為偏差法、零位法和微差法。

⑵間接測(cè)量法。用直接測(cè)量法測(cè)得與被測(cè)量有確切函數(shù)關(guān)系的一些物理量，

然后通過計(jì)算求得被測(cè)量值的過程稱為間接測(cè)量。

2）按測(cè)量?jī)x表的特點(diǎn)分類

按測(cè)量?jī)x表特點(diǎn)進(jìn)行分類，可分為接觸測(cè)量法和非接觸測(cè)量法。

3）按測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)分類

按測(cè)量對(duì)象特點(diǎn)進(jìn)行分類，可分為靜態(tài)測(cè)量法和動(dòng)態(tài)測(cè)量法。

6.0.5級(jí)電壓表，即最大測(cè)量誤差可達(dá)到.皿=4x0.5%

Arw/1=150x0.5%=0.75v,=300x0.5%=1.5v

計(jì)算最大真值相對(duì)誤差，九加=些=0.68%＜九,,立=—=1.36%

所以選150V量程的電壓表為宜。

7.答：測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因有：（1）系統(tǒng)誤差。在相同條件下，多次重復(fù)測(cè)量

同一被測(cè)參量時(shí)，其測(cè)量誤差的大小和符號(hào)保持不變，或在條件改變時(shí)，誤差按

某一確定的規(guī)律變化，這種測(cè)量誤差稱為系統(tǒng)誤差。

（2）隨機(jī)誤差。在相同條件下多次重復(fù)測(cè)量同一被測(cè)參量時(shí)，測(cè)量誤差的大

小與符號(hào)均無規(guī)律變化，這類誤差稱為隨機(jī)誤差。

（3）粗大誤差。粗大誤差是指明顯超出規(guī)定條件下預(yù)期的誤差。

8.答測(cè)量單位的符號(hào)用拉丁字母表示，一般用小寫體，但具有專門名稱的單位符

號(hào)用大寫體，符號(hào)后面都不加標(biāo)點(diǎn)。國(guó)際單位制規(guī)定了SI單位的十進(jìn)倍數(shù)單位

和分?jǐn)?shù)單位的詞和符號(hào)，可查閱相關(guān)手冊(cè)。

9.答：使用相對(duì)真值即為17.95V

所以，絕對(duì)誤差為Ac=A*-A=18-17.95=0.05v

相對(duì)誤差為：/A=—=-^-=2.78%

4417.95

引用誤差為：幾=包=幽=1.25%

4,40

10.答：1)A、B；2)C；3)B；4)D；5)C；6)B。

項(xiàng)目單元2

課后習(xí)題參考答案

L選擇題

CACDCACBDB

2.電阻溫度系數(shù)膨脹系數(shù)

3.電阻值的變化

4.相對(duì)橋臂阻值乘積相等

5.沒有關(guān)系

6.溫度誤差靈敏度

7.應(yīng)變片，壓阻效應(yīng)

8.形變，電阻

9.答：導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變，導(dǎo)致其電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象

稱為應(yīng)變效應(yīng)。對(duì)金屬材料而言，kO的大小以（1+2口）為主；而對(duì)于半導(dǎo)體材料，kO

△PH

的大小以A“，為主。金屬材料應(yīng)變片其靈敏度較為穩(wěn)定，而半導(dǎo)體材料的靈敏度受多種

因素影響，呈非線性，波動(dòng)較大。

10.一是電阻式應(yīng)變片的阻值變動(dòng)較小,很難用一般的電阻測(cè)量?jī)x器測(cè)量；二是實(shí)際測(cè)量系

統(tǒng)中，需要把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。故實(shí)際一般使用電橋電路進(jìn)行測(cè)量。

11.平衡電橋可以實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償功能，所以只需要調(diào)節(jié)零點(diǎn)補(bǔ)償即可，而不平衡電橋既需

要零點(diǎn)補(bǔ)償也需要溫度補(bǔ)償電路。

12.單臂電橋在溫度補(bǔ)償中需要在相鄰橋臂加裝補(bǔ)償片或者采用應(yīng)變片自補(bǔ)償，自補(bǔ)償可

以采用相同規(guī)格應(yīng)變片對(duì)應(yīng)補(bǔ)償，補(bǔ)償片則是用另一塊和被測(cè)試件結(jié)構(gòu)材料相同而不受應(yīng)力

的補(bǔ)償塊上貼上和工作片規(guī)格完全相同的補(bǔ)償片，使補(bǔ)償塊和被測(cè)試件處于相同的溫度環(huán)

境，工作片和補(bǔ)償片分別接入電橋的相鄰兩臂。

13.動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀組成框圖

14電阻式傳感器，主要包括電阻應(yīng)變片、電位器、測(cè)溫?zé)犭娮?、熱敏電阻、濕敏電阻等傳?/p>

器。利用電阻傳感器可以測(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、荷重、轉(zhuǎn)矩、加速度、溫度、濕度、

氣體成份及濃度等非電量參數(shù)。電阻式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的還可

用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。

15.熱敏電阻是一種新型的半導(dǎo)體測(cè)溫元件，它是利用半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特

性而制成的測(cè)溫元件。按溫度系數(shù)不同可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱

敏電阻（NTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CRT）3種。主要特點(diǎn)：靈敏度高，穩(wěn)定性好，過

載能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)。

16.作為測(cè)溫的熱電阻應(yīng)具有下列要求：電阻溫度系數(shù)（a）要大，以獲得較高的

靈感度；電阻率（°）要高，以便使元件尺寸可以??；電阻值隨溫度變化盡量呈線性關(guān)系，

以減小非線性誤差：在測(cè)量范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定；材料工藝性好、價(jià)格便宜等。

17.答案:（1）Uo=O.01V（2）Uo=O.02V（3）Uo=O.02V

項(xiàng)目單元3

3.6習(xí)題參考答案

1.電感式傳感器分為哪幾種類型?各有何特點(diǎn)？

答：電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置,

傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。

電感式傳感器種類：自感式、互感式、渦流式、壓磁式、感應(yīng)同步器。

工作原理：自感、互感、渦流、壓磁。

2.比較差動(dòng)式電感傳感器和差動(dòng)變壓器式傳感器在結(jié)構(gòu)和工作原理上的異同。

答：自感式傳感器與差動(dòng)變壓器式傳感器相同點(diǎn)：工作原理都是建立在電磁

感應(yīng)的基礎(chǔ)上，都可以分為變氣隙式、變面積式和螺旋式等。

不同點(diǎn)：結(jié)構(gòu)上，自感式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電感線圈的電感值

變化。差動(dòng)變壓器式電感式傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為傳感器互感的變化,

傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器。

3.說明差動(dòng)變隙式電感傳感器的主要組成和工作原理，采用差動(dòng)變隙式電感傳感

器有何優(yōu)點(diǎn)。

答：差動(dòng)變隙式電感傳感器的主要由兩個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱的電感線圈組成，電氣參數(shù)相

同，共用一個(gè)銜鐵，當(dāng)銜鐵發(fā)生位移時(shí)，一個(gè)線圈的電感量增加，一個(gè)電感量減

小，電感量的變化反應(yīng)了位移的大小。采用差動(dòng)變隙式電感傳感器優(yōu)點(diǎn)：1）差

動(dòng)變隙式電感傳感器靈敏度是單個(gè)電感傳感器的兩倍，2）可以改善電感傳感器

的線性。

4.差動(dòng)變壓器式傳感器的零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么？

答：零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾

何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等引起的。零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)雜,

主要由基波和高次諧波組成?；óa(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級(jí)繞組的電

氣參數(shù)、幾何尺寸不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)幅值不等、相位不同，因

此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電勢(shì)都不能完全抵消。高次諧波（主

要是三次諧波）產(chǎn)生原因：是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。零

點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小Ux,否則將會(huì)影

響傳感器的測(cè)量結(jié)果。

5.什么是電渦流效應(yīng)?怎樣利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行位移測(cè)量？

答：電渦流效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電渦流，且該電渦流所

產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與原磁場(chǎng)方向相反的一種物理現(xiàn)象。電渦流傳感器的敏感元件是

線圈，當(dāng)給線圈通以交變電流并使它接近金屬導(dǎo)體時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)被導(dǎo)

體電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)部分抵消，使線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。

這種變化與導(dǎo)體的幾何尺寸、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率有關(guān)，也與線圈的幾何參量、電流

的頻率和線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。

進(jìn)行位移測(cè)量，可根據(jù)實(shí)際的已知位移量來標(biāo)定固定的線圈下的電感量，從

而以此進(jìn)行位移的測(cè)量。

6.選擇題

(1).現(xiàn)欲測(cè)量極微小的位移，應(yīng)選擇_工電感傳感器。希望線性好、靈敏

度高、量程為1mm左右、分辨率為lum左右，應(yīng)選擇C自感傳感器。

A、變隙式B、變面積式C、螺線管式

(2).希望線性范圍為±lmm,應(yīng)選擇線圈骨架長(zhǎng)度為§左右的螺線管式

自感傳感器或差動(dòng)變壓器。

A、2mmB、20mmC、400mmD、1mm

(3).螺線管式自感傳感器采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)是為了B。

A、加長(zhǎng)線圈的長(zhǎng)度從而增加線性范圍

B、提高靈敏度，減小溫漂

C、減低成本

D、增加線圈對(duì)銜鐵的吸引力

(4).自感傳感器或差動(dòng)變壓器采用相敏檢波電路最重要的目的是為了C。

A、提高靈敏度B、將輸出的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)

C、使檢波后的直流電壓能反映檢波前交流信號(hào)的相位和幅度。

(5).電渦流接近開關(guān)可以利用電渦流原理檢測(cè)出J的靠近程度。

A、人體B、液體C、黑色金屬零件D、塑料零件

(6).電渦流探頭的外殼用制作較為恰當(dāng)。

A、不銹鋼B、塑料C、黃銅D、玻璃

⑺.當(dāng)申，渦流線圈靠近非磁性導(dǎo)體(銅)板材后，線圈的等效電感LC,

調(diào)頻轉(zhuǎn)換電路輸出頻率fBO

A、不變B、增大C、減小

7、構(gòu)思一個(gè)多功能警棍，希望能夠?qū)崿F(xiàn)：①產(chǎn)生強(qiáng)烈眩光；②產(chǎn)生3xIO,v

左右的高壓；③能在50mm距離內(nèi)探測(cè)出犯罪嫌疑人是否攜帶槍支或刀具。請(qǐng)畫

出該警棍的外形圖，包括眩光燈按鍵、高壓發(fā)生器按鍵、報(bào)警LED、電源總開關(guān)

等，并寫出使用說明書。

說明書略

8、圖3.33所示的是一種差動(dòng)電感用的差動(dòng)整流電橋電路。電路由差動(dòng)電感

Li、L2、整流二極管VD-VD4、平衡電阻RI、R2(RI=R2),以及低通濾波器Ci、

C2、R3、R4(CI=C2>R3=R4)等組成。整流橋的一對(duì)對(duì)角接點(diǎn)通過差動(dòng)電感Li、L2

(其感抗為XLI、XL2)接激勵(lì)源Ui,另一對(duì)對(duì)角接點(diǎn)作為輸出電壓端。請(qǐng)用不

同顏色的筆分別畫出Ui正半周和負(fù)半周流經(jīng)二極管及Ri、R2的電流山、IL2、

I'LI、IL2以及它們?cè)赗I、R2上的壓降URI、UR2的極性。并說明銜鐵上移(感抗

XLIt、XL2I)時(shí)，URI、UR2哪個(gè)絕對(duì)值大，以及Uo的極性。

圖3.33差動(dòng)電感的差動(dòng)整流橋路

答：忽略R3、R4的影響，可知U0=URI-UR2。

若電源電壓U,上端為正、下端為負(fù)時(shí)，Vpi、Vps導(dǎo)通。當(dāng)差動(dòng)電感傳感器Zi=Z+

△乙Z2=Z-AZEht,URI>UR2,Uo為負(fù)。當(dāng)差動(dòng)電感傳感器Zi=Z-Z\Z,Z2=Z+AZ

UR1<UR2,UO為正。若電源電壓U,上端為負(fù)、下端為正時(shí)，Vpz、Vpa導(dǎo)通，。

當(dāng)差動(dòng)電感傳感器Zi=Z+/\Z,Z2=Z-/SZ時(shí)，UR1>UR2,UO為負(fù)。I當(dāng)差動(dòng)電感傳

感器Z1=Z-4Z,Z2=Z+/\Z時(shí)，URI<UR2，UO為正。因此，無論電源電壓U,的正

負(fù)如何，輸出電壓u。的大小反映AZ的大小，Uo的正負(fù)極性反映az的正負(fù)情

況（例如銜鐵的移動(dòng)方向）。

9、工業(yè)或汽車中經(jīng)常需要測(cè)量運(yùn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)速、直線速度及累計(jì)行程等參

數(shù)。現(xiàn)以大家都較熟悉的自行車的車速及累計(jì)公里數(shù)測(cè)量為例，來了解類似運(yùn)動(dòng)

機(jī)構(gòu)的類似原理。

現(xiàn)要求在自行車的適當(dāng)位置安裝一套傳感器及有關(guān)電路，使之能顯示出車速

（km/h）、及累計(jì)公里數(shù)（km）,當(dāng)車速未達(dá)到設(shè)定值（vmin）時(shí)綠色LED閃

亮，提示運(yùn)動(dòng)員加速；當(dāng)累計(jì)公里數(shù)達(dá)到設(shè)定值（Lmax）時(shí)，紅色LED閃亮、喇

叭響，提示運(yùn)動(dòng)員停下休息，計(jì)數(shù)器同時(shí)復(fù)位，為下一個(gè)行程作準(zhǔn)備。具體要求

如下：

（1）畫出傳感器在自行車上的安裝簡(jiǎn)圖（要求做到讀者能看懂兩者之間的

相互關(guān)系）；

（2）畫出測(cè)量轉(zhuǎn)換電路原理框圖（包括顯示電路）

（3）簡(jiǎn)要說明工作原理。寫出公里數(shù)L與車輪直徑D及轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)N之間的

計(jì)算公式；

（4）寫出車速v與車輪周長(zhǎng)1及車輪每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)n之間的計(jì)算公式。

答：工作原理：觀察自行車的結(jié)構(gòu)可知，車速及公里數(shù)與車輪的直徑及轉(zhuǎn)速

成正比，因此應(yīng)將注意力集中到自行車的前、后輪上。設(shè)車輪的直徑為D（m）,則

周長(zhǎng)1FD,車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)即為自行車行駛距離的基本參數(shù)。若轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為N,

則累計(jì)路程L=N1=NHD：若每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)為n（n=N/t,圈/分鐘）則車速

v=60nl/1000（km/h）=0.06nnD（km/h）。

非接觸傳感器的安裝位置

其他內(nèi)容略

項(xiàng)目單元4

4.6習(xí)題答案

L選擇題

1)在電容傳感器中，若采用調(diào)頻法測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，則電路中C。

A.電容和電感均為變量B.電容是變量，電感保持不變

C.電容保持常數(shù)，電感為變量D.電容和電感均保持不變

2)在兩片間隙為1mm的兩塊平行極板的間隙中插入C，可測(cè)得最大的電容量。

A.塑料薄膜B.干的紙C.濕的紙D.玻璃薄片

2.電容式傳感器有幾種類型？各有什么特點(diǎn)？試舉出你所知道的電容傳感器的實(shí)例。

答案：電容式傳感器有三種基本類型：變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器和變

介電常數(shù)型電容傳感器。

電容式傳感器的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可在惡劣環(huán)境下工作；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、靈敏

度高，阻抗高，功率小，沒有由于振動(dòng)引起的漂移。但測(cè)試時(shí)導(dǎo)線的分布電容對(duì)測(cè)量誤差影

響較大。

電容式傳感器主要能測(cè)量荷重、位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量。

3.電容式傳感器常用的轉(zhuǎn)換電路有哪些？

答案：1.橋式電路2.調(diào)頻電路3.脈沖寬度調(diào)制電路4.運(yùn)算放大器式測(cè)量電路。

4.糧食部門在收購(gòu)、存儲(chǔ)糧食時(shí)，需測(cè)定糧食的干燥程度，以防霉變。請(qǐng)你根據(jù)已學(xué)過

的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)糧食水份含量測(cè)試儀(畫出原理圖、傳感器簡(jiǎn)圖，并簡(jiǎn)要說明它的工作原理

及優(yōu)缺點(diǎn))

答案：略。

5.為什么說變間隙型電容傳感器特性是非線性的？采取什么措施可提高靈敏度、改善其

非線性特征？

答案：變間隙型電容傳感器原理如圖4.3(a)所示?圖中極板1是固定不動(dòng)的，極板2為

可動(dòng)的，一般稱為動(dòng)極板。

當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物作用引起位移時(shí)，就改變了兩極板之間的距離d,從而使

電容量發(fā)生變化。設(shè)傳感器初始時(shí)的電容量為Co(Co=eA/do),當(dāng)動(dòng)極板位移使極板

間距減小x值后，其電容值為:

C=^-=C0(l+-4-)

d°xdQx(4-4)

由上式可見，電容量C與x不是線性關(guān)系，其靈敏度也不是常數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成差動(dòng)形式

6.有一平面直線位移型差動(dòng)電容傳感器其測(cè)量電路采用變壓器交流電橋，結(jié)構(gòu)組成如圖

所示。電筒傳感器起始時(shí)向=仇=人=20加m，%=%=.=10〃削，極距d=2〃〃%極

間介質(zhì)為空氣，測(cè)量電路中明=SsintytV,且試求動(dòng)極板上輸入一位移量

-=5儂時(shí)的電橋輸出電壓“。。

答案：變壓器交流電橋=6x1-Cx2-=±--

以+C.2G2

,.八sb{a-x)

由式C*=------——

d

=2A￡5=].5〃，=4.5sin?力

0a27

7.變間隙電容傳感器的測(cè)量電路為運(yùn)算放大器電路，如圖所示。傳感器的起始電容量

Go=20pF,定動(dòng)極板距離d°=1.5mm,Co=10pF,運(yùn)算放大器為理想放大器(即

Kf8,Zjf8),勺極大，輸入電壓4.=5sin(ytV0求當(dāng)電容傳感器動(dòng)極板上輸

入一位移量M=0.15〃制使do減小時(shí)，電路輸出電壓“。為多少？

答案：

Uo=—

對(duì)于變間隙式電容傳感器，Cx=―,貝h￡A=Cxd口0=一沁通

0doosA

得至U：Uo=(10/20)*(1..5-0.15)/1.53=0?455=2.255sin@tV

8.如圖所示正方形平板電容器，極板長(zhǎng)度。=牝加，極板間距離3=°.2/加。若用此變

面積型傳感器測(cè)量位移x,試計(jì)算該傳感器的靈敏度并畫出傳感器的特性曲線。極板間介質(zhì)

%由qf=8.85xlO-l2F/m

為仝氣，°oO

答案：變面積式電容傳感器的原理。設(shè)兩極板遮蓋面積為A,當(dāng)動(dòng)極板隨被測(cè)物體移動(dòng)

x后，A值發(fā)生變化，電容量C也隨之改變。

「sb(a-x)X

C,.=------------=Q(i—)

xda

此傳感器的靈敏度為:

dCx_sb_￡nb

dxd8

可見增大極板長(zhǎng)度b、減小極距6都可使靈敏度提高。由式可見，變面積式電容傳感器

輸出特性是線性的，靈敏度為常數(shù)

項(xiàng)目單元5

5,6霍爾傳感器

1.選擇題。

1）屬于四端元件的傳感器是一C

A.應(yīng)變片

B.壓電片

C.霍爾元件

D.熱敏電阻.

2）霍爾元件采用恒流源激勵(lì)是為了一B

A.提高靈敏度

B.克服溫漂

C.減小不等位電勢(shì)

3）減小霍爾元件的輸出不等位電勢(shì)的方法是。C

A.減小激勵(lì)電流B,減小磁感應(yīng)強(qiáng)度C.使用電橋調(diào)零電位器

2.什么是霍爾效應(yīng)?霍爾電勢(shì)的大小與方向和哪些因素有關(guān)？

將金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于金屬或半導(dǎo)體薄片，當(dāng)有電流流過半導(dǎo)體

薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng).

霍爾電勢(shì)的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B,方向與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向

有關(guān)，當(dāng)控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。但當(dāng)控制

電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向同時(shí)改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向不變。

3.影響霍爾電勢(shì)的因素有哪些?用霍爾元件可測(cè)量哪些物理量?試舉例說明。

在實(shí)際使用中，由于霍爾式傳感器的精度受各種因素的影響，所以在霍爾電勢(shì)中存在多種誤

差，這些誤差產(chǎn)生的原因主要是制造工藝的缺陷和半導(dǎo)體本身的固有特性。其中，不等位電

勢(shì)和溫度是影響霍爾式傳感器誤差的兩個(gè)主要因素。

霍爾元件根據(jù)霍爾效應(yīng)原理用于測(cè)量電流、電壓、磁場(chǎng)強(qiáng)度、位移、角度、等等

磁場(chǎng)測(cè)量，將霍爾元件做成探頭，測(cè)量時(shí)，將探頭置于待測(cè)磁場(chǎng)中，并使探頭的磁敏感面垂

直于磁場(chǎng)。控制電流可由恒流源（或恒壓源）供給，用電表或電位差計(jì)來測(cè)量霍爾電勢(shì)。根據(jù)

Uq=K」B,若控制電流I不變，則輸出電勢(shì)Uq正比于磁場(chǎng)B,故可以利用電表來顯示待測(cè)的磁

場(chǎng)。

4.霍爾式傳感器的靈敏度與霍爾元件的厚度之間有什么關(guān)系？

霍爾靈敏度與霍爾元件厚度成反比，

5.什么是霍爾元件的溫度特性?如何進(jìn)行溫度補(bǔ)償？

答:霍爾元件的溫度特性是指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的關(guān)系。與一般半導(dǎo)體一樣，由

于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內(nèi)阻、輸出電壓等參數(shù)也將

隨溫度而變化。霍爾元件溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕欣幂斎牖芈返拇?lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償和利用輸

出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償兩種。

6.說明霍爾元件不等位電勢(shì)產(chǎn)生的原因及常用的補(bǔ)償方法。

①霍爾電極的安裝位置不對(duì)稱或不在同-等電位面上。

②電阻分布不均勻，這主要是由半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率不均勻或是由幾何尺寸不均勻

所造成的。

③激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流分布不均勻等。

電橋補(bǔ)償法

7.霍爾集成電路有哪幾種類型?試畫出其輸出特性曲線。

霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類

圖5.8線性型霍爾集成電路的輸出特性曲線開關(guān)型霍爾式傳感器的輸出特性曲線

8.有一個(gè)測(cè)量轉(zhuǎn)速裝置，其調(diào)制盤上有100對(duì)永久磁極，N、S極交替放置，調(diào)制盤由轉(zhuǎn)軸帶

動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在磁極.上方固定著一個(gè)霍爾元件，每通過一對(duì)磁極，霍爾元件就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方波脈

沖送到計(jì)數(shù)器。假定在t=5min的采樣時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器收到了N=15x10000個(gè)脈沖，試求轉(zhuǎn)

速no

150000/100/5=300轉(zhuǎn)/分

9.有一個(gè)霍爾元件，其靈敏度K口為1.2mV/mA?kGs,將它置于一個(gè)梯度為5kGs/mm的

磁場(chǎng)中，額定控制電流I為20mA,如果霍爾元件在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行0.1mm

幅度的擺動(dòng)，則輸出電壓的范圍是多少？

1.2*20/（5*0.1）=48mV

10.簡(jiǎn)述用霍爾式傳感器測(cè)量磁場(chǎng)的原理，并說明霍爾交直流鉗形表的工作原理。

磁場(chǎng)測(cè)量，將霍爾元件做成探頭，測(cè)量時(shí)，將探頭置于待測(cè)磁場(chǎng)中，并使探頭的磁敏感面垂

直于磁場(chǎng)?？刂齐娏骺捎珊懔髟矗ɑ蚝銐涸矗┕┙o，用電表或電位差計(jì)來測(cè)量霍爾電勢(shì)。根據(jù)

Uq=K」B,若控制電流I不變，則輸出電勢(shì)Uq正比于磁場(chǎng)B,故可以利用電表來顯示待測(cè)的磁

場(chǎng)。

把鐵磁材料做成環(huán)形（也可以是方形）的磁導(dǎo)體鐵芯，在鐵芯上開一個(gè)與霍爾電流傳感器厚

度相等的氣隙，將霍爾線性IC緊緊地夾在氣隙中央。測(cè)量時(shí)，將鐵芯套在被測(cè)導(dǎo)線上，導(dǎo)

線中的電流將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過鐵芯來集中磁場(chǎng)，即在環(huán)形氣隙中會(huì)形成一個(gè)磁場(chǎng)。

導(dǎo)線中的電流越大，氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，霍爾元件的輸出電壓U越大，根據(jù)U的大

小可以測(cè)得導(dǎo)線中電流的大小。

項(xiàng)目單元6

6.6壓電傳感器

1.選擇題。

1)壓電式傳感器目前多用于測(cè)量(B)。

A.靜態(tài)的力或壓力

B.動(dòng)態(tài)的力或壓力

C.速度

D.加速度

2)當(dāng)石英晶體受壓力作用時(shí)，電荷產(chǎn)生在(B)。

A.與光軸垂直的Z面，上

B.與電軸垂直的X面上

C.與機(jī)械軸垂直的Y面上

D.所有的面(X、Y、Z)±

2.什么叫正壓電效應(yīng)?什么是逆壓電效應(yīng)？

某些電介質(zhì)物體在沿一定方向受到外力作用時(shí)會(huì)發(fā)生形變，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，并且

在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)撤銷外力后，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效

應(yīng)，簡(jiǎn)稱壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變，正壓電效應(yīng)將機(jī)械能

轉(zhuǎn)化為電能，反之，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)或電壓時(shí).，這些電介質(zhì)將產(chǎn)生幾何形變，

當(dāng)撤銷外加的電場(chǎng)或電壓后，電介質(zhì)的形變也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

3.常用壓電式傳感器的材料有哪些?各有何特點(diǎn)。

壓電式傳感器中的壓電材料主要有3類:壓電晶體(單晶體)，它包括壓電石英晶體和其他壓電

單晶;經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷(多晶體)，它是經(jīng)過極化處理的多晶.體;新型壓電材料，有壓

電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。

石英是理想的壓電材料①壓電常數(shù)小，時(shí)間和溫度穩(wěn)定性極好，②強(qiáng)度和品質(zhì)因數(shù)高，剛度

大，固有頻率高且十分穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)特性好。③居里點(diǎn)高，無熱釋電性，絕緣性和重復(fù)性均好。

壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度更

高，但其介電常數(shù)、機(jī)械性能不如石英晶體好。

高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，它的優(yōu)點(diǎn)是不易破碎、具有防水性、可以大量連續(xù)

拉制、能制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度、價(jià)格便宜。它的缺點(diǎn)是工作溫度較低，它的機(jī)械強(qiáng)度

不夠高，耐紫外線性能較差，在暴曬狀態(tài)下易老化。

4.畫出壓電元件的兩種等效電路，簡(jiǎn)述其等效原理。

壓電式傳感器可以用兩種等效電路來表示，即電壓等效電路和電荷等效電路二

電壓等效電路:等效為將一個(gè)電壓源。和一個(gè)電容C,串聯(lián)，如圖6.8(a)所示。

Ca電荷等效電路：等效為將一個(gè)電荷源。

~~II~~°

和一個(gè)電容C并聯(lián)，如圖6.8(b)所示。

9

圖6.8壓電式傳感器的等效電路圖

5.用壓電元件和電荷放大器組成的壓力測(cè)量系統(tǒng)能否用于靜態(tài)測(cè)量？

受外力作用，壓電材料上產(chǎn)生電荷，該電荷只有在無泄漏的情況下才能得以保存，即需要測(cè)

量回路具有無限大的輸人阻抗，實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)，因此壓電式傳感器不適用于靜態(tài)測(cè)量。壓

電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量回路一定的電流，故壓電式傳

感器適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。

6.石英晶體X軸、Y軸、Z軸的名稱是什么?它們各有哪些特征？

石英晶體有三根互相垂直的軸。2軸（也稱光軸）是晶體的對(duì)稱軸，光線沿它通過晶體時(shí)不產(chǎn)

生雙折射現(xiàn)象，故此軸可用光學(xué)方法確定，在該軸方向上沒有壓電效應(yīng);X軸（也稱電軸）穿過

正六棱柱相對(duì)的兩根棱線并垂直于Z軸，此軸上的壓電效應(yīng)最強(qiáng)，電軸有三根，可任取一

根;Y軸（也稱機(jī)械軸）經(jīng)過正六面體的棱面.并垂直于Z軸，機(jī)械軸也有三根，可任取一根，在

電場(chǎng)作用下沿該軸方向的機(jī)械形變最明顯，故稱為機(jī)械軸。

7.簡(jiǎn)述壓電式傳感器分別與電壓放大器和電荷放大器相連時(shí)各自的特點(diǎn)。

由于電壓放大器的輸出電壓與屏蔽電纜線的分布電容C。及放大器的輸人電容C;有關(guān)，它們

均是不穩(wěn)定的，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，而電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容C,相關(guān)，故壓電式

傳感器的測(cè)量電路多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器，

8.用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量機(jī)械振動(dòng)，已知:加速度計(jì)的靈敏度為5pC/g;電荷放

大器的靈敏度為50mV/pC,最大加速度對(duì)應(yīng)的輸出幅值為2V,試求振動(dòng)加速度。

2000/50=40PC40/5=8g

9.將壓電式加速度傳感器與電荷放大器連接，電荷放大器又與函數(shù)記錄儀連接。已知:傳感器

的靈敏度K,=100（pC/g）,反饋電容C;=0.01",被測(cè)加速度a=0.5go

試求：

⑴電荷放大器的輸出電壓是多少？

（2）電荷放大器的靈敏度是多少？

100*0.5=50PC

50pc/0.01uF=5mv

5mv/50pc=0.1mv/pc

項(xiàng)目單元7

7.6習(xí)題答案

1.選擇題

1）一束頻率為1MHz的超聲波（縱波）在鋼板中傳播時(shí)，它的波長(zhǎng)約為」,聲速

約為?

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

E.5.9km/sF.340m/s

2）超聲波頻率越高，A

A.波長(zhǎng)越短，指向角越小，方向性越好

B.波長(zhǎng)越長(zhǎng)，指向角越大，方向性越好

C.波長(zhǎng)越短，指向角越大，方向性越好

D.波長(zhǎng)越短，指向角越小，方向性越差

3）超聲波在有機(jī)玻璃中的聲速比在水中的聲速A,比在鋼中的聲速」一。

A.大B,小C.相等

2.超聲波發(fā)生器種類及其工作原理是什么？它們各自特點(diǎn)是什么？

答案：超聲波傳感器分為發(fā)射換能器和接收換能器，既能發(fā)射超聲波又能接受發(fā)射出

去的超聲波的回波。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電

效應(yīng)。

超聲換能器的種類很多，按照其結(jié)構(gòu)可分為直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探

頭、雙探頭（一個(gè)發(fā)射，一個(gè)接收）、聚焦探頭（將聲波聚集成一束）、水浸探頭（可浸在液體

中）以及其它專用探頭。按照實(shí)現(xiàn)超聲換能器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同可將換能器分為電

動(dòng)式、電磁式、壓電式和電致伸縮式等。

3.什么是縱波、橫波和表面波？它們各有什么不同？

答案：通常超聲波有如下三種波形：

縱波：當(dāng)媒質(zhì)中各體元振動(dòng)的方向與波傳播的方向平行時(shí).，此超聲波為縱波波形。任

何固體介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時(shí)均能產(chǎn)生縱波?？v波可以在氣體、液體、固體介質(zhì)中

傳播。

橫波：當(dāng)媒質(zhì)中各體元振動(dòng)的方向與波傳播的方向垂直時(shí)，此種超聲波為橫波波形。

由于媒質(zhì)除r能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當(dāng)其有剪切應(yīng)力交替作用于

媒質(zhì)時(shí)均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。

表面波：是沿著兩種媒質(zhì)的界面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)的波。表面波可以

看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成，振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的軌跡為一橢圓，在距表

面1/4波長(zhǎng)深處振幅最強(qiáng)，隨著深度的增加很快衰減，實(shí)際上離表面一個(gè)波長(zhǎng)以上的地

方，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅已經(jīng)很微弱了。

4.什么是反射定律和折射定律？舉例說明如何用這兩個(gè)定律進(jìn)行測(cè)量？

答案：當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上，一部分能量

反射回原介質(zhì)，稱為反射波；另一部分能量透射過界面，在另一個(gè)介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，稱

為折射波。

5.用超聲波探頭測(cè)工件時(shí)，往往要在工件與探頭接觸的表面上加一層耦合劑，這是為

什么？

答案：超聲信號(hào)，從超聲換能器到工件，如果中間通過空氣耦合，效率是非常低的。

因?yàn)閾Q能器到空氣是一個(gè)全反射面，空氣到工件也是一個(gè)全反射面。所以如果不加耦合

劑，就沒有辦法傳播超聲信號(hào)，也就沒有辦法完成檢測(cè)。所以必須加耦合劑。

6.請(qǐng)你依據(jù)已學(xué)過的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波液位計(jì)（畫出原理框圖，并簡(jiǎn)要說明它的工

作原理、優(yōu)缺點(diǎn)）。

答案：在離水塔底部高I1處，安裝設(shè)計(jì)好的超聲波液位計(jì)。液位計(jì)向水面垂直發(fā)出超

聲波，當(dāng)超聲波遇到水面經(jīng)液面向上反射到液位計(jì)，液位計(jì)接收到反射回的超聲波時(shí)，由

單片機(jī)CFU算出超聲波往返一次所用的時(shí)間，即可算出液位計(jì)到水面的距離hl。液位高度

可由公式：hl=Vt/2算出。其中，V為超聲波在空氣中的傳播速度，t為超聲波由液位計(jì)

到水面往返一次的時(shí)間。

在液位上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接受器如圖7.7?由于空氣中的聲速隨溫度

改變會(huì)造成溫漂，所以在傳送路徑中還設(shè)置了一個(gè)反射性良好的小板作標(biāo)準(zhǔn)參照物，以便

計(jì)算修正。上述方法除了可以測(cè)量液位外，也可以測(cè)量粉體和粒狀體的物位。

同步

電路

圖7.7超聲波液位計(jì)原理圖

1—液面2一直管3—空氣超聲探頭4—反射小板5—電子開關(guān)

7.根據(jù)你已學(xué)過的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波探傷實(shí)用裝置（畫出原理框圖），并簡(jiǎn)要說明

它探傷的工作過程？

答案：可采用穿透法探傷，原理如圖，采用穿透法探傷是當(dāng)超聲波穿透工件后，根據(jù)

能量變化狀況，來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法，穿透法采用兩個(gè)探頭，置工件的相對(duì)面，一

個(gè)發(fā)超聲波，一個(gè)接收超聲波，發(fā)射波可以是連續(xù)波，可以是脈沖，在探測(cè)中，當(dāng)工件內(nèi)

無缺陷時(shí)，接收能量大、儀表指示值大。工件內(nèi)有缺陷時(shí)，因部分能量被反射，接收能量

小，儀表指示值小，根據(jù)這變化，就可以把工件內(nèi)部的缺陷檢測(cè)出來。

單元8習(xí)題答案

1.選擇題：

AABDCDDBCCDBACAC

2.電動(dòng)勢(shì)電阻

3.接觸電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)

4.溫度電動(dòng)勢(shì)

5.金屬半導(dǎo)體

6.熱電效應(yīng)

7.將兩種不同成分的導(dǎo)體組成一閉合回路，當(dāng)閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)分別置于不同的溫

度場(chǎng)中時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，該電勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩結(jié)點(diǎn)的

溫度有關(guān)，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”，產(chǎn)生的電勢(shì)則稱為“熱電勢(shì)”。

8.中間導(dǎo)體定律：在熱電偶中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，

則熱電偶的熱電勢(shì)不變。

9.標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)已知,

則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)也就已知。

10.熱電偶串聯(lián)測(cè)量線路：可以測(cè)量熱電偶的平均熱電勢(shì)，串聯(lián)線路的主要優(yōu)點(diǎn)是熱電

勢(shì)大，精度比單支高；主要缺點(diǎn)是只要有一支熱電偶斷開，整個(gè)線路就不能工作，

個(gè)別短路會(huì)引起示值顯著偏低。

熱電偶并聯(lián)測(cè)量線路，將相同型號(hào)熱電偶的正負(fù)極分別連在一起，如果每支熱電

偶的電阻值相等，則并聯(lián)電路總熱電勢(shì)等于N支熱電偶的平均值。

11.E=960°C

12.(1)是電橋測(cè)溫電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，使用方便。

(2)電路中G代表測(cè)量檢流計(jì)，提高測(cè)溫靈敏度，內(nèi)阻小好。

(3)調(diào)節(jié)電阻RB隨溫度增在而變大。

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

T=K(12-4)=50°C

14.偏差為：2.3°C

修正值：0.029mV

15.查表冷端溫度為40℃時(shí)的電動(dòng)勢(shì)為1.611

E=29.188+1.611=30.799mV

查表T=740°C

項(xiàng)目單元9

9.6習(xí)題

1.曬太陽取暖利用了C；人造衛(wèi)星的光電池板利用了A；植物的生

長(zhǎng)利用了B；

A、光電效應(yīng)B、光化學(xué)效應(yīng)C、光熱效應(yīng)D、感光效應(yīng)。

2.光敏二極管屬于B；光電池屬于C。

A、外光電效應(yīng)B、內(nèi)光電效應(yīng)C、光生伏特效應(yīng)

3.光敏二極管在測(cè)光電路中應(yīng)處于」偏置狀態(tài)，而光電池通常處于

偏置狀態(tài)。A、正向B、反向C、零

4.光纖通信中，與出射光纖耦合的光電元件應(yīng)選用上。

A、光敏電阻B、PIN光敏二極管C、APD光敏二極管D、光敏三極管

5.溫度上升時(shí)，光敏電阻、光敏二極管，光敏三極管的暗電流A。

A、上升B、下降C、不變

6.欲精密測(cè)量光的照度，光電池應(yīng)配接D。

A、電壓放大器B、A/D轉(zhuǎn)換器C、電荷放大器D、I/U轉(zhuǎn)換器

7.欲利用光電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車，需將數(shù)片光電池，__」以提高輸出電壓，

再將幾組光電池起來，以提高輸出電流。

A、串聯(lián)，并聯(lián)B、串聯(lián)，串聯(lián)C、并聯(lián)，串聯(lián)D、并聯(lián)，并聯(lián)

8.普通型硅光電池的峰值波長(zhǎng)為落在」區(qū)域。

A、0.8mB、8mmC>0.8umD^可見光E、近紅外光

F、紫外光G、遠(yuǎn)紅外光

9.光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，如圖9.25所示，將一個(gè)光敏電阻與

多用電表聯(lián)成一電路，此時(shí)選擇開關(guān)放在歐姆擋，照射在二、

光敏電阻上的光強(qiáng)逐漸增大，則歐姆表指針的偏轉(zhuǎn)角度—廠°~|

，若將選擇開關(guān)放在電壓檔，同樣增大照射光強(qiáng)度，則/J光敝電阻

指針偏轉(zhuǎn)角度0圖925

A、變大B、變小C、不變

10.用遙控器調(diào)換電視機(jī)頻道的過程，實(shí)際上就是傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電

信號(hào)的過程。下列屬于這類傳感器的是Ao

A.紅外報(bào)警裝置B.走廊照明燈的聲控開關(guān)

C.自動(dòng)洗衣機(jī)中的壓力傳感裝置D.電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器

11.在如圖9.29的電路中，電源兩端的電壓恒定，L為小燈泡，R為光敏電

阻，D為發(fā)光二極管（電流越大，發(fā)出的光越強(qiáng)），且R與D間距不變，下列說

法正確的是A。

A.當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向左移動(dòng)時(shí)，L消耗的功率增大

B.當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向左移動(dòng)時(shí)，L消耗的功率減少

C.當(dāng)滑動(dòng)觸頭P向右移時(shí)，L消耗的功率可能不變

D.無論怎樣移動(dòng)觸頭P,L消耗的功率都不變圖9.26

12.某光敏三極管在強(qiáng)光照射時(shí)的光電流為2.5mA,選用的繼電器吸合電流

為50mA,直流電阻為200Q.現(xiàn)欲設(shè)計(jì)兩個(gè)簡(jiǎn)單的光電開關(guān)，其中一個(gè)是有強(qiáng)光

照射時(shí)繼電器吸合（得電）；另一個(gè)相反，是在有強(qiáng)光照射時(shí)繼電器釋放（失電）。

請(qǐng)分別畫出兩個(gè)光電開關(guān)的電路圖（只允許采用普通三極管放大光電流），并標(biāo)

出各電阻值及選用的電壓值、電源極性。

（a）強(qiáng)光照時(shí)繼電器吸合（b）強(qiáng)光黑時(shí)繼電器釋放

（a）R1和RP共約300Q，圖（b）R1約5kQ，R2和RP共約1k。。

13.沖床工作時(shí)，工人稍不留神就有可能被沖掉手指頭。請(qǐng)選用兩種以上的

傳感器來同時(shí)探測(cè)工人的手是否處于危險(xiǎn)區(qū)域（沖頭下方）。只要有一個(gè)傳感器

輸出有效（即檢測(cè)到手未離開該危險(xiǎn)區(qū)），則不讓沖頭動(dòng)作，或使正在動(dòng)作的沖

頭慣性輪剎車。請(qǐng)以文字形式，談?wù)勀愕臋z測(cè)控制方案，以及必須同時(shí)設(shè)置兩個(gè)

傳感器組成“或”的關(guān)系、必須使用兩只手（左右手）同時(shí)操作沖床開關(guān)的好處。

答:①首先了解沖頭的工作區(qū)域，可將安全區(qū)域設(shè)定為前后、左右四個(gè)范圍，

只要操作者的手伸入這個(gè)區(qū)域，則沖頭不動(dòng)作。②應(yīng)采用非接觸式的測(cè)量方式探

測(cè)是否有手的存在，光電開關(guān)是較好的選擇。③比較各種光電開關(guān)檢測(cè)的特性,

選擇最佳方案，本例中采用遮斷式光電傳感器較合適。④在前后、左右各設(shè)一對(duì)

遮斷式光電開關(guān)，其輸出為“或”的關(guān)系，只要有一對(duì)傳感器輸出為“有效”即

停車，保證安全保護(hù)動(dòng)作。⑤沖頭的啟動(dòng)有兩個(gè)開關(guān)，設(shè)在左、右手的兩側(cè)，兩

個(gè)開關(guān)按下，沖頭才能落下。⑥更周到的安全保護(hù)是在沖床周圍設(shè)置光電安全隔

離柵或者光幕。

14.請(qǐng)你在課后回家打開家中的自來水表，觀察其結(jié)構(gòu)及工作過程。然后考

慮如何利用學(xué)到的光電測(cè)轉(zhuǎn)速原理，在自來水表玻璃外面安裝若干電子元器件,

使之變成數(shù)字式自來水流量累積測(cè)量、顯示儀。請(qǐng)以文字形式寫出你的設(shè)計(jì)方案。

答：①家用機(jī)械旋翼式水表多采用葉輪式流量傳感器。水流動(dòng)時(shí)的沖擊力使

葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速齒輪及機(jī)械計(jì)數(shù)器可讀取用水的累積流量，自來水表最低位

為lm3,以十進(jìn)制累積至9999m3；另一種水表沒有計(jì)數(shù)器，只能從4根旋轉(zhuǎn)的指

針直接讀數(shù)，讀數(shù)可從千位、百位、十位和個(gè)位合并獲得。例如，若X1000表頭

指向0~9之間，X100表頭指向8,xlO表頭指向7,xl表頭指向6,則讀數(shù)為

9876m由此可知，指針式水表讀數(shù)比較麻煩，也容易引起誤讀（如誤判為0876m3）

②葉輪每轉(zhuǎn)一圈（可從玻璃下方的塑料薄片判斷）表示用水0.0001m,可利用傳感

器測(cè)量塑料薄片的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)來獲得用水量。在不改變水表水密封的前提下，可在

玻玻璃罩上表面設(shè)置反射式光電開關(guān)。③葉輪帶動(dòng)一只供觀察用的六齒塑料薄片,

光電開關(guān)就安裝在它的上方。葉輪每轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生6個(gè)反射脈沖，經(jīng)6分頻電路

產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，以0.0001m3累積。數(shù)字顯示器最低位為0.1m3,可顯示

99999m3或更多的位數(shù)。④本設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮“斷電數(shù)據(jù)保存”功能，以防累積數(shù)

丟失。⑤可進(jìn)一步考慮設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口，可與物業(yè)管理系統(tǒng)相連接，組成遠(yuǎn)程抄表

系統(tǒng)。

15.請(qǐng)你談?wù)勅绾卫脽後岆妭鞲衅骷捌渌骷?shí)現(xiàn)賓館玻璃大門的自

動(dòng)開閉。

答：人體都有恒定的體溫，一般在37攝氏度左右，會(huì)發(fā)出10nm左右特定波

長(zhǎng)的紅外線，被動(dòng)式熱釋電紅外探頭（又叫紅外人體探測(cè)傳感器）就是靠探測(cè)人體

發(fā)射的紅外線而進(jìn)行操作的。紅外線通過非涅耳濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件,

這種元件在接收到人體紅外輻射變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)檢

測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)

被動(dòng)式熱釋電紅外探頭包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且制成的

兩個(gè)電極方向正好相反.環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件兒乎具有相同的作用，使

其產(chǎn)生的釋電效應(yīng)相互抵消，于是傳感器無信號(hào)輸出。

當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生溫差則有

信號(hào)輸出，大門開啟；若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒有變化，傳感器也沒

有輸出，所以這種傳感器能檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。

項(xiàng)目單元10

10.5習(xí)題答案

1.1）A、C；2）D

2.數(shù)字式編碼器又稱碼盤，是一種旋轉(zhuǎn)式的位置傳感器，通常裝在被測(cè)裝置的軸上,隨被測(cè)

軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，它能將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖或二進(jìn)制編碼。

3.1）絕對(duì)式編碼器和增量式編碼器;2）絕對(duì)型碼盤。在被測(cè)轉(zhuǎn)角不超過360度的情況下，所

提供的是轉(zhuǎn)角的絕對(duì)值，即從起始位置（對(duì)應(yīng)于輸出各位皆為零的位置）所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，結(jié)

構(gòu)簡(jiǎn)單；用增量型碼盤時(shí)必須有辨向措施，以便識(shí)別轉(zhuǎn)動(dòng)方向，為了辨向，往往要將兩個(gè)光

敏元件裝在相距一定角度的位置上，根據(jù)受光時(shí)刻的先后辨別方向，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

4.光柵傳感器是由主光柵（也稱標(biāo)尺光柵，通常隨被測(cè)物體移動(dòng)）、指示光柵和光路系統(tǒng)所

組成；是利用計(jì)量光柵的莫爾條紋來進(jìn)行測(cè)量的，測(cè)量線位移采用長(zhǎng)光柵，測(cè)量角位移采用

圓光柵。

5.透射光柵；反射。

6.線位移；角位移；自動(dòng)。

7.主光柵；指示光柵；光路系統(tǒng)。

8.提高測(cè)量精度

9.在透射式直線光柵中，把兩光柵的刻線面相對(duì)疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩

者的柵線保持很小的夾角，在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶，這種亮帶和

暗帶形成明暗相間的條紋稱為莫爾條紋；特性：⑴莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形

成的，對(duì)光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤

差；⑵當(dāng)兩光柵沿與柵線垂直的方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向作相對(duì)移

動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）,光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。

10.1）磁柵是一種錄有磁化信息的標(biāo)尺，它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0.0