《传感器与自动检测技术》习题解答

第1章 传感器的基本知识

1. 简述传感器的概念、作用及组成。

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输出信号的器件或装置”。

作用：将被测量转换成与其有一定关系的易于处理的电量。 组成：敏感元器件、转换元器件、转换电路及辅助电源。 2. 传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？

答：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。

3. 传感器是如何命名的？其代号包括哪几部分？在各种文件中如何应用？

答：一种传感器产品的名称，应由主题词及4级修饰语构成。 （1） 主题词——传感器。

（2）第1级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语。 （3）第2级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字。

（4）第3级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必须的性能特征，一般可后续以“型”字。

（5）第4级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。

第2章 力、压力传感器

1. 电阻应变式传感器的工作原理是什么？它是如何测量试件的应变的？

答：电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的“应变效应”的原理来工作的。即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。

测试时，将应变片用粘接剂牢固的粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻的变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定的测量线路将这种电阻的变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。其原理图如图2-7所示。

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力应变电阻电压或电流试件电阻应变片测量电路显示记录仪图2-7 电阻应变片测试与原理图

2. 电阻应变式传感器的测量电路有哪些？各有何特点？

根据电桥工作桥臂的不同，分为单臂电桥、差动双臂电桥（半桥）、差动全桥三种类型。 双臂电桥输出灵敏度是单臂电桥的两倍，全桥输出是双臂电桥的两倍。并且采用双臂和全桥测量，可以补偿由于温度变化引起的测量误差。

应变片的温度补偿方法通常有两种，即线路补偿和应变片自补偿。 3. 图2-88为一直流应变电桥。Ui?5V,R1?R2?R3?R4?120?，试求：

（1） R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1变化量为?R1?1.2?时，电桥输出电压Uo?? （2）R1、R2都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥的输出电压Uo??

（3） 题（2）中，如果R1、R2感受应变的极性相反，且

?R1??R2?1.2?，电桥的输出电压Uo??

（4） 由题（1）～（3）能得出什么结论与推论？ 答：（1）当R1为金属应变片，其余为外接电阻时，电桥为单臂工作电桥，当R1变化量为?R1?1.2?时，电桥输出电压：

图 2-88 直流应变电桥

U1?R11.20?4RUi?4?120?5=0.0125（V）=12.5mV

（2）当R1、R2都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻时，根据电桥的输出总公式

UR1?R2?R3?R40?Ui??4??????可知，此时?R1??R2=?R，?R3??R4=0。

?R1R2R3R4?电桥的输出：UUi??R1?R2?R3?R4?5??R?R000?4???R?=??????R???=0

1R23R4?4?120120120120?（3） 题（2）中，如果R1、R2感受应变的极性相反，且?R1??R2?1.2?，也就是

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， ?R1?-?R2=?1.2?，此时电桥为差动双臂电桥（半桥）

电桥输出电压：U0?1?R11.2Ui???5=0.025（V）=25（mV）此时电桥。 2R2120（4） 由题（1）～（3）可知双臂电桥输出灵敏度是单臂电桥的两倍，电桥的相邻两个桥臂为应变片工作桥臂时，感受的应变必须是一个受拉，一个受压，电桥才有输出。 4. 压电式传感器的工作原理是什么？压电材料有哪些？

答：压电式传感器的工作原理是压电效应，即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，这种现象称为压电效应。

用于传感器的压电材料或元件可分三类：一类是单晶压电晶体；另一类是极化的多晶压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。

3.分类：电容式传感器根据工作原理不同，可分为变间隙式、变面积式、变介电常数式三种；按极板形状不同有平板形和圆柱形两种。

第3章 温度传感器

1. 温度的测量方法有几种？各有何特点？

答：按照感温元件是否与被测温对象相接处，温度测量可以分为接触式和非接触式测温两种。 接触式测温：感温元件与被测对象接触，彼此进行热量交换，使感温元件与被测对象处于同一环境温度下，感温元件感受到的冷热变化即是被测对象的温度。非接触式测温：利用物体表面的热辐射强度与温度的关系来测量温度的。

2. 热电偶温度传感器的工作原理是什么？热电势的组成有几种？说明热电势产生的过程，并写出

热电偶回路中总热电势的表达式。

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，这种现象称为热电效应。

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。 （1）两种导体的接触电势 （2） 单一导体的温差电势

3. 为什么要对热电偶进行冷端温度补偿？常用的补偿方法有几种？补偿导线的作用是什么？连接

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