*** *** ** * ** * ** * * * * * * * * ：： *名级 * 年 * 业 姓专* * * * * * * * * *：： *号部 * 学* 系 * * *** *** *** *** *** *** *** *** *** * ** 《传感器与自动检测技术》 试题纸（第 1 页 共 1 页）

(e) 什么叫光电效应？分几类？相应的光电器件有哪些？ 《传感器与自动检测技术》课程试题 答：光照射在某一物体上，可以看作物体受到一连串能量为hf的光子所轰击，被照射课程名称 传感器与自动检测技术 物体的材料吸收了光子的能量而发生相应电效应的物理现象，称为光电效应。 考试方式 考试类型 考试 光电效应大致可以分为三类：外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。 所属系部 印刷份数 对应的光电元件：用外光电效应制成的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等；内适用班级 附答题纸 2 页 光电效应制成的光电元器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光敏晶闸管等；基于光 生伏特效应的光电元器件是光电池。 1． 名词解释（30分） (f) 试说明爱因斯坦光电效应方程的含义 (a) 什么叫传感器？有哪几部分组成？其分类方法有哪两种？ 答：爱因斯坦光电方程: 答：传感器的定义是：“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定的规律转换成可用 1输出信号的器件或装置”。 2mv2?hf?W 根据爱因斯坦的假设：一个光子的能量只能给一个电子，因此一个单个的光子把全部能组成：敏感元器件、转换元器件、转换电路及辅助电源。 量传给物体中的一个自由电子，使自由电子的能量增加为hf，这些能量一部分用于克服逸分类：传感器常用的分类方法有两种，一种是按被测输入量来分，另一种是按传感器的工作原理来分。 出功W，另一部分作为电子逸出时的初动能12mv2。 (b) 热电偶传感器的工作原理什么？热电势有几部分组成？ 计算题（70分） 答：热电偶温度传感器的工作原理是热电效应。即两种不同材料的导体A和B组成一个（1）用阻值R=120Ω，灵敏系数K=2的金属电阻应变片与阻值R=120Ω的固定电阻组成电闭和回路，若两接点的温度不同，则在该回路中将会产生电动势，两个接点的温差越大，所桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000με时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种接桥方式（设输出阻抗为无穷大）？ 产生的电动势也越大。组成回路的导体材料不同，所产生的电动势也不一样，这种现象称为解答：如图1-1所示应变电桥，电桥的三种输出大小为： 热电效应。 单臂电桥： 热电势的组成：由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。 U160?(c) 应变效应4k?U1i? 4?2?1000?10??10=5（mV）差动双臂电桥： 答：金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象，称为应变效应”。 U10?2k?U1i?2?2?1000?10?6?10=10（mV）(d) 压电效应 答：某些晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符差动全电桥： 号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失。力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现1-1 直流应变电桥 象称为压电效应。 U0?k?Ui?2?1000?10?6?10=20（mV） 图

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根据计算可知要使输出电压大于10mV，则可采用差动全桥方式连接。

（2）有一个金属热电阻，分度号为Pt100，采用三线制电桥，R1=R2=R3=100Ω，供电电压

为5V。 1)

试画出测试电路。 2) 该电阻是何种材料。

3) 0℃时的阻值 4) –40℃及+40℃时的电阻值（查分度表）

5) 计算t=+40℃时电桥的开路输出电压UO（不考虑调零电位器和调满度电位器的影响） 解答：1）测试电路如图2-1所示。

2) 该电阻是铂金属材料。 3）0℃时的阻值为100Ω。 4) –40℃时的电阻值84.27Ω； +40℃时的电阻值115.54Ω

5）t=+40℃时测量臂电阻的变化

?R?R40?R0?15.54?

电桥的输出： U?R图2-1

4RU?1?15.54?5=194.25（mV）三线制电桥测量电路

0?1i04100（3） 变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图3-1所示。传感器的起始电

容量CX0=20pF，定动极板距离d0=1.5㎜，运算放大器为理想放大器，Rf极大，输入电压ui=5sinωt（V）。求当电容传感器动极板上输入一位移量△x=0.15㎜使d0减少时，电路输出电压uO为多少？ 解答：由运算放大器工作原理可得

U0??C0CUi x对于平板式电容器来说， CAx??d,则C?Ax0?xd

0

则 U0??C0CU??C0Uii?Adx x将C?AX0???d,dx?1.65代入上式计算得:

0UC00??CU??C0UiidxxCx0d0

??20?5sin?t20?1.5?1.65??5.5sin?t(V)（4）压电式单向脉动力传感器测一正弦变化的力，压电元件用两片压电陶瓷并联，压电常

数为200x10-12

C/N，电荷放大器反馈电容Cf=2000pF，测的输出电压uo=5sinωt（V）。求：1）该压电传感器产生的电荷Q为多少？ 2）此时作用在其上的正弦脉动力为多少？

解答：根据题意压电元件是两片压电陶瓷并联，所以总电荷是单个压电元件电荷的两倍，即Q?2QXX,

根据电荷放大器的输出UO??QC，得fQ??UO?Cf??5sin?t?2000?10?12??1?10?8sin?t(C)，

QXX?dZZ?FZ?12Q,得压电传感器受到的作用力

111?10?8F?FZ?2Q?d???12sin?t??25sin?t(N) ZZ2?200?10（5）如图5-1所示为镍铬—镍硅热电偶测温电路，A＇、B＇为补偿导线，Cu为铜导线，已

知t1=40℃， t2=0℃， t3=40℃。1）当E3=39.314mV时计算被测点温度t；2）如果A＇、B＇换成铜导线，此时E2=37.702mV，再求被测点温度t。

3）将热电偶直接插到熔融金属同一高度来测量此点的温度，是利用了热电偶的什么定律？如果被测液体不是金属，还能用此方法测量吗？为什么？

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答： 1）当A′、B′为补偿导线，Cu为铜导线时。热电偶的冷端温度为 t2=0.0℃，此时仪表的指示39.314mV即为热端温度t相对于0.0℃热电势，即

E?EAB(t,0)?39.314mV,查分

度表可得被测点温度t ≈ 950℃。

2）如果将A′、B′换成铜导

图5-1 热电偶测量炼钢炉熔融金属某一点温度

线，此时热电偶的冷端温度即变为t1=40℃，此时仪表的指示为E?EAB(t,40)?37.702mV，根据中间温度定律即可求得测量端相对于0℃的热电势：

EAB(t,0)?EAB(t,40)?EAB(40,0)?37.702?1.611?39.313mV

查分度表可得被测点温度t ≈ 950℃。

3）将热电偶直接插到熔融金属同一高度来测量此点的温度，是利用了热电偶的中间导体定律，如果被测液体不是金属，就不能用此方法来测量？因为不满足热电偶的基本定律要求。

附1: 铂热电阻分度表

分度号Pt100 R（0℃）=100Ω

温度(℃) 电阻值(Ω) 温度(℃) 电阻值(Ω) 温度(℃) 电阻值(Ω) 温度(℃) 电阻值(Ω) －50 80.31 －10 96.09 30 111.67 70 127.08 －40 84.27 0 100.00 40 115.54 80 130.90 －30 88.22 10 103.90 50 119.40 90 134.71 －20 92.16 20 107.79 60 123.24 100 138.51

附2 : K型（镍铬—镍硅）热电偶分度表 （参考端温度为0℃）

热电势 分度 mV 0C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 测量端温度0C -0 -0.000 -0.392 -0.777 -1.156 -1.527 -1.889 -2.243 -2.586 -2.920 -3.242 +0 0.000 0.397 0.798 1.203 1.611 2.022 2.436 2.850 3.266 3.681 100 4.095 4.508 4.919 5.327 5.733 6.137 6.539 6.939 7.38 7.737 800 33.277 33.686 34.095 34.502 34.909 35.314 35.718 36.121 36.524 36.925 900 37.325 37.724 38.122 38.519 38.817 39.310 39.703 40.096 40.488 40.897