1、中南大學現代遠程教育課程考試（專科）復習題及參考答案傳感器原理與應用一、名詞解釋 1傳感器：能感受規定的被測量并按照一定規律轉化成可用輸出信號的器件和裝置。2傳感器的線性度：是指傳感器輸出、輸入的實際特性曲線和擬合直線之間的最大偏差與輸出量程范圍之百分比3傳感器的靈敏度：是指傳感器在穩定狀態時，輸出變化量與輸入變化量的比值，用來表示。4傳感器的遲滯：表明傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中輸出、輸入曲線不重合的程度。5絕對誤差：是示值與被測量真值之間的差值6系統誤差：是指誤差的數值是一個常數或按一定的規律變化的值7彈性滯后：在實際中，彈性元件在加、卸載的正、反行程中變形曲線一般是不重

2、合的，這種現象稱為彈性滯后。8彈性后效：當載荷從某一數值變化到另一數值時，彈性變形不是立即完成相應的變形，而是在一定的時間間隔內逐漸完成變形的，這一現象稱為彈性后效。9應變效應：導體或半導體材料在外力作用下產生機械變形（拉伸或壓縮）時，其電阻值也隨之發生相應的變化。10壓電效應：某些電介質在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時，內部會產生極化現象，同時在其表面上產生電荷，當外力去掉后又重新回到不帶電的狀態，這種現象稱為壓電效應11霍爾效應：金屬或半導體薄片置于磁感應強度為的磁場中，當有電流通過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應。12熱電效應：將兩種不同的導體A

3、和B連成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產生熱電勢。13光電效應：光電效應是物體吸收到光子能量后產生相應電效應的一種物理現象。14莫爾條紋：把兩塊柵距相同的光柵刻線面相對重合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角，然后將這對光柵放置在光路中，在兩塊光柵的柵線重合處，因有光從縫隙透過形成亮帶，在兩光柵柵線彼此錯開處，由于光線被遮擋而形成暗帶，這種比光柵柵距寬得多的由亮帶和暗帶形成的明、暗相間的條紋稱為莫爾條紋將兩種不同的導體A和B連成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產生熱電勢。光電效應是物體吸收到光子能量后產生相應電效應的一種物理現象。把兩塊柵距

4、相同的光柵刻線面相對重合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角，然后將這對光柵放置在光路中，在兩塊光柵的柵線重合處，因有光從縫隙透過形成亮帶，在兩光柵柵線彼此錯開處，由于光線被遮擋而形成暗帶，這種比光柵柵距寬得多的由亮帶和暗帶形成的明、暗相間的條紋稱為莫爾條紋。15細分：使光柵每移動一個柵距，莫爾條紋變化一周期時，不只是輸出一個脈沖，而是輸出均勻分布的n個脈沖，從而使分辨力提高到Wn，細分后計數脈沖的頻率提高了。二、填空題1傳感器通常由 敏感元件。傳感元件、測量轉換電路三部分組成。2按工作原理可以分為 參量傳感器。發電傳感器、數字傳感器、特殊傳感器。3按輸出量形類可分

5、為 模擬式、數字式和開關式4誤差按出現的規律分 系統誤差、隨機誤差、粗大誤差5對傳感器進行動態 標定(或校準或測試 的主要目的是檢測傳感器的動態性能指標。6傳感器的過載能力是指傳感器在不致引起規定性能指標永久改變的條件下，允許超過 測量范圍 的能力。7傳感檢測系統目前正迅速地由模擬式、數字式，向 智能化 方向發展。8已知某傳感器的靈敏度為K0，且靈敏度變化量為K0，則該傳感器的靈敏度誤差計算公式為rs=(K0/K0)100%。9為了測得比柵距W更小的位移量，光柵傳感器要采用 細分 技術。10在用帶孔圓盤所做的光電扭矩測量儀中，利用孔的透光面積表示扭矩大小，透光面積減小，則表明扭距 增大。11電

6、容式壓力傳感器是 變極距(或間隙)型的。12一個半導體應變片的靈敏系數為180，半導體材料的彈性模量為1.8105Mpa,其中壓阻系數L為 1109 Pa-1。13圖像處理過程中直接檢測圖像灰度變化點的處理方法稱為微分法。14熱敏電阻常數B大于零的是負溫度系數的熱敏電阻。15若測量系統無接地點時，屏蔽導體應連接到信號源的對地低阻抗端(或接地端)。16目前應用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有壓電晶體、壓電陶瓷、有機壓電材料。 17根據電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器有變間隙型、變面積型、變介電常數型三種基本類型18熱敏電阻按其對溫度的不同反應可分為三類負溫度系數熱敏電阻（NTC）、正溫度系數

7、熱敏電阻（PTC）、臨界溫度系數熱敏電阻（CTR）。19光電效應根據產生結果的不同，通常可分為外光電效應、內光電效應、光生伏特效應三種類型。20傳感器的靈敏度是指穩態標準條件下，輸出變化量與輸入變化量的比值。對線性傳感器來說，其靈敏度是 常量。21用彈性元件和電阻應變片及一些附件可以組成應變片傳感器，按劃分用應變式力傳感器、應變式壓力傳感器等（任填兩個）。23單線圈螺線管式電感傳感器主要由線圈、 和可沿線圈軸向 組成。24利用渦流式傳感器測量位移時，為了得到較好的線性度和較好的靈敏度，應該讓 的距離大大小于 。25空氣介質變隙式電容傳感器中，提高靈敏度和減少非線性誤差是矛盾的，為此實際中大都采

8、用差動式電容傳感器26振筒式傳感器是以均勻 作為敏感元件，將被測氣體壓力或密度的變化轉換成 。27由光電管的光譜特性看出，檢測不同顏色的光需要選用 不同的光電管，以便利用光譜特性 的區段。28按熱電偶本身結構劃分，有普通熱電偶、鎧裝熱電偶、 薄膜熱電偶。29硒光電池的光譜響應區段與 相近，因而得到應用。30熱敏電阻正是利用半導體的 數目隨著溫度變化而變化的特性制成的 敏感元件。31當半導體材料在某一方向承受應力時，它的 發生顯著變化的現象稱為半導體壓阻效應。用這個原理制成的電阻稱固態 。32磁敏二極管工作時加 電壓。由于它的磁靈敏很高，特別適用于測量 。33我們學過的參量式傳感器有電阻式傳感器

9、、電感式傳感器、電容式傳感器等。34可以測量加速度的傳感器有電容式傳感器、壓電式傳感器、差分變壓器式傳感器等。35形成干擾的三因素是干擾源、干擾途徑、接收電路。三、選擇題1電阻應變片的初始電阻數值有多種,其中用的最多的是 （ B ）。 A 60 B 120 C 200 D 3502電渦流式傳感器激磁線圈的電源是 （ C ）。 A 直流 B 工頻交流 C 高頻交流 D 低頻交流3變間隙式電容傳感器的非線性誤差與極板間初始距離d0之間是（B）。A 正比關系B 反比關系C 無關系4單色光的波長越短，它的（A ）。 A 頻率越高，其光子能量越大 B 頻率越低，其光子能量越大 C 頻率越高，其光子能量越

10、小 D 頻率越低，其光子能量越小5熱電偶可以測量（C ）。 A 壓力 B 電壓 C 溫度 D 熱電勢6光敏電阻適于作為（B ）。 A 光的測量元件 B 光電導開關元件 C 加熱元件 D 發光元件7目前我國使用的鉑熱電阻的測量范圍是（ AD ）。 A -200850 B -50850 C -200150 D -2006508差動變壓器傳感器的配用測量電路主要有 （ AB ）。 A 差動相敏檢波電路 B 差動整流電路 C 直流電橋 D 差動電橋9下列被測物理量適合于使用紅外傳感器進行測量的是（ C ） A壓力 B力矩 C溫度 D厚度10屬于傳感器動態特性指標的是（ D ） A重復性 B線性度 C靈

11、敏度 D固有頻率11按照工作原理分類，固體圖象式傳感器屬于（ A ） A光電式傳感器 B電容式傳感器 C壓電式傳感器 D磁電式傳感器12測量范圍大的電容式位移傳感器的類型為（ D ） A變極板面積型 B變極距型 C變介質型 D容柵型13利用相鄰雙臂橋檢測的應變式傳感器，為使其靈敏度高、非線性誤差小（ C ） A兩個橋臂都應當用大電阻值工作應變片 B兩個橋臂都應當用兩個工作應變片串聯 C兩個橋臂應當分別用應變量變化相反的工作應變片 D兩個橋臂應當分別用應變量變化相同的工作應變片14影響壓電式加速度傳感器低頻響應能力的是（D ） A電纜的安裝與固定方式 B電纜的長度 C前置放大器的輸出阻抗 D前置

12、放大器的輸入阻抗15固體半導體攝像元件CCD是一種（ C ） APN結光電二極管電路 BPNP型晶體管集成電路 CMOS型晶體管開關集成電路 DNPN型晶體管集成電路16將電阻R和電容C串聯后再并聯到繼電器或電源開關兩端所構成的RC吸收電路，其作用是（D ） A抑制共模噪聲 B抑制差模噪聲 C克服串擾 D消除電火花干擾17在采用限定最大偏差法進行數字濾波時，若限定偏差Y0.01，本次采樣值為0.315，上次采樣值為0.301，則本次采樣值Yn應選為（ A ） A0.301 B0.303 C0.308 D0.31518若模/數轉換器輸出二進制數的位數為10，最大輸入信號為2.5V，則該轉換器能分

13、辨出的最小輸入電壓信號為（ B ） A1.22mV B2.44mV C3.66mV D4.88mV19周期信號的自相關函數必為（ A ） A周期偶函數 B非周期偶函數 C周期奇函數 D非周期奇函數20已知函數x(t)的傅里葉變換為X（f），則函數y(t)=2x(3t)的傅里葉變換為（ B ） A2X() B X( ) C X(f) D2X(f)四、問答題1傳感器有哪些組成部分？在檢測過程中各起什么作用？ 2. 傳感器有哪些分類方法？各有哪些傳感器？ 3. 彈性敏感元件在傳感器中起什么作用？4. 彈性敏感元件有哪幾種基本形式？各有什么用途和特點？ 5. 何謂電阻式傳感器？它主要分成哪幾種？ 6.

14、 試比較金屬絲電阻應變片與半導體應變片的特點。 7. 熱電阻傳感器有哪幾種？各有何特點及用途？ 8. 簡要說明氣敏、濕敏電阻傳感器的工作原理，并舉例說明其用途。 9電感式傳感器的工作原理是什么？能夠測量哪些物理量？ 10. 變氣隙式傳感器主要由哪幾部分組成？有什么特點？ 11. 概述電渦流式傳感器的基本結構與工作原理。 12電容式傳感器有什么主要特點？可用于哪些方面的檢測？ 13 根據工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？各自用途是什么？ 14常用壓電材料有那幾種？ 15霍爾電動勢的大小、方向與哪些因素有關？16試說明熱電偶的測溫原理。 17光電效應有哪幾種類型？與之對應的光電元件各有哪些？

15、簡述各光電元件的優缺點。 18光柵的莫爾條紋有哪幾個特性？19抑制干擾有哪些基本措施？22溫度、電阻23鐵磁性外殼、移動的活動鐵芯24線圈與被測物、線圈半徑25差動26薄壁圓筒、頻率27光電陰極材料、靈敏度較高28普通、薄膜29人類30載流子、溫度31電阻率、壓敏電阻32正向、弱磁場四、1答：傳感器通常由敏感元件、傳感元件及測量轉換電路三部分組成。 各部分在檢測過程中所起作用是：敏感元件是在傳感器中直接感受被測量，并輸出與被測量成一定聯系的另一物理量的元件，如電阻式傳感器中的彈性敏感元件可將力轉換為位移。傳感元件是能將敏感元件的輸出量轉換為適于傳輸和測量的電參量的元件，如應變片可將應變轉換為電

16、阻量。測量轉換電路可將傳感元件輸出的電參量轉換成易于處理的電量信號。2答：按工作原理分有參量傳感器、發電傳感器、數字傳感器和特殊傳感器；按被測量性質分有機械量傳感器、熱工量傳感器、成分量傳感器、狀態量傳感器、探傷傳感器等；按輸出量形類分有模擬式、數字式和開關式；按傳感器的結構分有直接式傳感器、差分式傳感器和補償式傳感器。3答：彈性敏感元件在傳感器技術中占有很重要的地位，是檢測系統的基本元件，它能直接感受被測物理量（如力、位移、速度、壓力等）的變化，進而將其轉化為本身的應變或位移，然后再由各種不同形式的傳感元件將這些量變換成電量。4答：彈性敏感元件形式上基本分成兩大類，即將力變換成應變或位移的變

17、換力的彈性敏感元件和將壓力變換成應變或位移的變換壓力的彈性敏感元件。變換力的彈性敏感元件通常有等截面軸、環狀彈性敏感元件、懸臂梁和扭轉軸等。實心等截面軸在力的作用下其位移很小，因此常用它的應變作為輸出量。它的主要優點是結構簡單、加工方便、測量范圍寬、可承受極大的載荷、缺點是靈敏度低。空心圓柱體的靈敏度相對實心軸要高許多，在同樣的截面積下，軸的直徑可加大數倍，這樣可提高軸的抗彎能力，但其過載能力相對弱，載荷較大時會產生較明顯的桶形形變，使輸出應變復雜而影響精度。環狀敏感元件一般為等截面圓環結構，圓環受力后容易變形，所以它的靈敏度較高，多用于測量較小的力，缺點是圓環加工困難，環的各個部位的應變及應

18、力都不相等。懸臂梁的特點是結構簡單，易于加工，輸出位移(或應變)大，靈敏度高，所以常用于較小力的測量。扭轉軸式彈性敏感元件用于測量力矩和轉矩。變換壓力的彈性敏感元件通常有彈簧管、波紋管、等截面薄板、波紋膜片和膜盒、薄壁圓筒和薄壁半球等。彈簧管可以把壓力變換成位移，且彈簧管的自由端的位移量、中心角的變化量與壓力p成正比，其剛度較大，靈敏度較小，但過載能力強，常用于測量較大壓力。波紋管的線性特性易被破壞，因此它主要用于測量較小壓力或壓差測量中。5答：電阻式傳感器是將被測量轉換成電阻值，再經相應測量電路處理后，在顯示器記錄儀上顯示或記錄被測量的變化狀態的一種傳感器。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、

19、熱敏電阻、氣敏電阻及濕敏電阻等電阻式傳感器。6. 答：金屬絲式應變片的蠕變較大，金屬絲易脫膠，但其價格便宜，多用于應變、應力的一次性試驗。 半導體應變片是用半導體材料作敏感柵而制成的。當它受力時，電阻率隨應力的變化而變化。它的主要優點是靈敏度高（靈敏度比絲式、箔式大幾十倍），橫向效應小。主要缺點是靈敏度的熱穩定性差、電阻與應變間非線性嚴重。在使用時，需采用溫度補償及非線性補償等措施。7. 答：熱電阻可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩類。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。以熱電阻或熱敏電阻為主要器件制成的傳感器稱為熱電阻傳感器或熱敏電阻傳感器。 熱電阻傳感器主要是利用電阻隨溫度變化而變化這一特性來

20、測量溫度的。其主要優點是：測量精度高；有較大的測量范圍，尤其在低溫方面；易于使用在自動測量和遠距離測量中。熱電阻傳感器之所以有較高的測量精度，主要是一些材料的電阻溫度特性穩定，復現性好。 熱敏電阻按其對溫度的不同反應可分為負溫度系數熱敏電阻（NTC）、正溫度系數熱敏電阻（PTC）和臨界溫度系數熱敏電阻（CTR）三類，CTR一般也是負溫度系數，但與NTC不同的是，在某一溫度范圍內，電阻值會發生急劇變化。這三類熱敏電阻的電阻率與溫度t之間的相互關系均為非線性。 NTC熱敏電阻主要用于溫度測量和補償，測溫范圍一般為-50350，也可用于低溫測量（-1300）、中溫測量（150750），甚至更高溫度，

21、測量溫度范圍根據制造時的材料不同而不同。PTC熱敏電阻既可作為溫度敏感元件，又可在電子線路中起限流、保護作用。CTR熱敏電阻主要用作溫度開關。8. 答：氣敏傳感器，是利用半導體氣敏元件同被測氣體接觸后，造成半導體性質的變化，以此來檢測待定氣體的成分或濃度的傳感器的總稱。實際測量時，可用氣敏傳感器把各種氣體的成分或濃度等參數轉換成電阻、電壓或電流的變化量，并通過相應測量電路在終端儀器上顯示。它的傳感元件是氣敏電阻，這是一種用金屬氧化物（如氧化錫SnO2、氧化鋅ZnO或Fe2O3等）的粉末材料并添加小量催化劑及添加劑，按一定配比燒結而成的半導體器件。氣敏傳感器可測量還原性氣體和測量氧氣濃度的兩大類

22、，例如石油蒸汽、酒精蒸汽、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。 濕敏電阻傳感器是利用材料的電氣性能或機械性能隨濕度而變化的原理制成的。它能把濕度的變化轉化成電阻的變化，它的傳感元件是濕敏電阻。濕敏電阻傳感器的應用很廣，例如，大規模集成電路生產車間，當其相對濕度低于30%RH時，容易產生靜電而影響生產；一些粉塵大的車間，當濕度小而產生靜電時，容易產生爆炸；許多儲物倉庫(如存放煙草、茶葉和中藥材等)在濕度超過某一程度時，物品易發生變質或霉變現象；居室的濕度希望適中；而紡織廠要求車間的濕度保持在60%RH75%RH；在農業生產中的溫室育苗、食用菌培養、水果保鮮等都需要對濕度進行檢測和控制。9答：電感式

23、傳感器是利用電磁感應原理，將被測非電量的變化轉換成線圈的電感（或互感）變化的一種機電轉換裝置。利用電感式傳感器可以把連續變化的線位移或角位移轉換成線圈的自感或互感的連續變化，經過一定的轉換電路再變成電壓或電流信號以供顯示。它除了可以對直線位移或角位移進行直接測量外，還可以通過一定的感受機構對一些能夠轉換成位移量的其他非電量，如振動、壓力、應變、流量等進行檢測。10. 答：變氣隙式自感式傳感器由鐵心線圈、銜鐵、測桿及彈簧等組成。變氣隙式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量。11. 答：成塊的金屬物體置于變化著的磁場中，或者在磁場中運動時，在金屬導體

24、中會感應出一圈圈自相閉合的電流，稱為電渦流。電渦流式傳感器是一個繞在骨架上的導線所構成的空心繞組，它與正弦交流電源接通，通過繞組的電流會在繞組周圍空間產生交變磁場。當導電的金屬靠近這個繞組時，金屬導體中便會產生電渦流。渦流的大小與金屬導體的電阻率、磁導率、厚度、繞組與金屬導體的距離，以及繞組勵磁電流的角頻率等參數有關。如果固定其中某些參數不變，就能由電渦流的大小測量出另外一些參數。由電渦流所造成的能量損耗將使繞組電阻有功分量增加，由電渦流產生反磁場的去磁作用將使繞組電感量減小，從而引起繞組等效阻抗Z及等效品質因數Q值的變化。所以凡是能引起電渦流變化的非電量，例如金屬的電導率、磁導率、幾何形狀、

25、繞組與導體的距離等，均可通過測量繞組的等效電阻R、等效電感L、等效阻抗Z及等效品質因數Q來測量。這便是電渦流式傳感器的工作原理。電渦流式傳感器的結構比較簡單，主要是一個繞制在框架上的繞組，目前使用比較普遍的是矩形截面的扁平繞組。12答：電容式傳感器具有以下特點：功率小，阻抗高，由于電容式傳感器中帶電極板之間的靜電引力很小，因此，在信號檢測過程中，只需要施加較小的作用力，就可以獲得較大的電容變化量及高阻抗的輸出；動態特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動態響應特性；本身的發熱對傳感器的影響實際上可以不加考慮；可獲取比較大的相對變化量；能在比較惡劣的環境條件下工作；可進行非接觸測量；結構簡單、易于

26、制造；輸出阻抗較高，負載能力較差；寄生電容影響較大；輸出為非線性。 電容式傳感器可用于直線位移、角位移、尺寸、液體液位、材料厚度的測量。13 答：根據電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器有三種基本類型，即變極距(d)型（又稱變間隙型）、變面積(A)型和變介電常數()型。變間隙型可測量位移，變面積型可測量直線位移、角位移、尺寸，變介電常數型可測量液體液位、材料厚度。14答：應用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，它是單晶體，如石英晶體、酒石酸鉀鈉等；另一類是經過極化處理的壓電陶瓷，它是人工合成的多晶體，如鈦酸鋇等；第三類是有機壓電材料，是新型的壓電材料，如聚偏二氟乙烯等。15答

27、：霍爾電動勢的大小正比于激勵電流與磁感應強度，且當或的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨著改變，但當和的方向同時改變時霍爾電動勢極性不變。16答：兩種不同材料構成的熱電變換元件稱為熱電偶，導體稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個端點固定焊接，用于對被測介質進行溫度測量，這一接點稱為測量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極另一接點處通常保持為某一恒定溫度或室溫，稱冷端。熱電偶閉合回路中產生的熱電勢由溫差電勢和接觸電勢兩種電勢組成。熱電偶接觸電勢是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，在熱電極接點接觸面處產生自由電子的擴散現象；擴散的結果，接觸面上逐漸形成靜電場。該靜電場具有阻礙原擴散繼續進行的作用，當達到動態平衡時，在熱電極接點處便產生一個穩定電勢差，稱為接觸電勢。其數值取決于熱電偶兩熱電極的材料和接觸點的溫度，接點溫度越高，接觸電勢越大。17答：光電效應根據產生結果的不同，通常可分為外光電效應、內光電效應和光生伏特效應三種類型。光電管和光電流倍增管是屬于外光電效應的典型光電元件。光電倍增管的優點是靈敏度高，比光電管高出幾萬倍以上，輸出線性度好，頻率特性好；缺點是體積大、易破碎，工作電壓高達上千伏，使用不方便。因此它一般用于微光測量和要求反應速度很快的場合。基于內光電效應的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管。光敏電阻具有很高的靈敏度，光譜響應的范圍可