问题与思考参考答案模块一传感器技术基础学习单元一问题与思考问题1传感器的定义是什么，它由哪几部分组成？在自动测控系统中起什么作用？答：传感器的定义是：能感受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，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分：转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量掌握以及预期效果控制所从事的一系列的技术措施。直动测控系统是完成这一系列技术措施的装置之一，它是检测控制器与研究对象的总和，通常可分为开环与闭环两种。二个完整的自动测控系统，二般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。问题2为什么称传感器为电五官？谈谈传感器在信息社会中的地位？答：人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。学习单元二问题与思考问题传感器分类主要有哪种？各有什么优点和缺点？答：根据某种原理设计的传感器可以同时测量多种非电物理量，而有时一种非电物理量又可以用几种不同传感器测量。因此传感器有许多分类方法，但常见的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分：另一种是按照传感器的工作原理来分。根据被测量的性质进行分类，如：温度传感器、力传感器、光敏传感器、位移传感器、加速度传感器、湿度传感器、声音传感器、磁场传感器、色彩传感器、红外传感器、流量传感器、液位传感器等。这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量两类。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力、力矩等派生被测量。当需
问题与思考参考答案 模块一 传感器技术基础 学习单元一 问题与思考 问题 1 传感器的定义是什么，它由哪几部分组成？在自动测控系统中起什么作用？ 答：传感器的定义是：能感受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，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测 量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量 的电信号的部分。 自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量掌握以及预期效果 控制所从事的一系列的技术措施。自动测控系统是完成这一系列技术措施的装置之一，它是 检测控制器与研究对象的总和，通常可分为开环与闭环两种。一个完整的自动测控系统，一 般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。 问题 2 为什么称传感器为电五官？谈谈传感器在信息社会中的地位？ 答：人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在 研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传 感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是 要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的 各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没 有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 学习单元二 问题与思考 问题 传感器分类主要有哪几种？各有什么优点和缺点？ 答：根据某种原理设计的传感器可以同时测量多种非电物理量，而有时一种非电物理量 又可以用几种不同传感器测量。因此传感器有许多分类方法，但常见的分类方法有两种，一 种是按被测物理量来分；另一种是按照传感器的工作原理来分。 根据被测量的性质进行分类，如：温度传感器、力传感器、光敏传感器、位移传感器、 加速度传感器、湿度传感器、声音传感器、磁场传感器、色彩传感器、红外传感器、流量传 感器、液位传感器等。 这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量两 类。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力、力矩等派生被测量。当需
要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。了解基本被测量和派生被测量的关系，对选用传感器类型很有帮助。根据被测量的性质进行分类的优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用：缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。传感器按照工作原理可分为电阻式、电容式、电感式、热电式、光电式、磁电式、压电式等。通常同一机理的传感器可以测量多种物理量，而同一被测物理量又可以采用多种不同类型的传感器来测量。这种分类方法的优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析：缺点是不便于使用者根据用途选用。学习单元四问题与思考问题1什么是传感器的静态特性？它由哪些技术指标描述？答：静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，如热电阻的阻值随温度变化特性，它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量（如温度）作横坐标，把与其对应的输出量（如阻值）作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、重复性、迟滞和分辨力等。下面介绍几种传感器的静态特性指标。问题2什么是传感器的动态特性？其分析方法有哪几种？答：传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。由于传感器存在惯性滞后，当被测量随时间变化时，传感器的输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过渡过程之中，所以传感器的输出量表征为时间函数关系。在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。研究传感器的动态特性时，通常从时域和频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。由于传感器及系统的动态特性取决于传感器及系统本身及输入信号的形式，因此工程上常用单位阶跃函数和正弦函数作为“标准”输入信号，对传感器及系统的动态特性进行分析，据此确立传感器及检测系统动态特性的指标。最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。学习单元五问题与思考问题1传感器的标定和校准是如何定义的？为什么要进行标定和校准？答：传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确定传感器输出量和输入量之间的对应关系。同时也确定不同使用条件下的误差关系。传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可继续使用，如能继续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正。对传感器在使用中或储存后进行的性能复测，确保传感器的测量精确度的过程，称之为传感器的校准
要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。了解基本被测量和派生被测量的关系， 对选用传感器类型很有帮助。根据被测量的性质进行分类的优点是比较明确地表达了传感器 的用途，便于使用者根据其用途选用；缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和 差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。 传感器按照工作原理可分为电阻式、电容式、电感式、热电式、光电式、磁电式、压电 式等。通常同一机理的传感器可以测量多种物理量，而同一被测物理量又可以采用多种不同 类型的传感器来测量。这种分类方法的优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利 于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析；缺点是不便于使用者根据用途选用。 学习单元四 问题与思考 问题1 什么是传感器的静态特性？它由哪些技术指标描述? 答：静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。 因为这时输入量和输出量都和时间无关，如热电阻的阻值随温度变化特性，它们之间的关系， 即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量（如温度）作横坐标， 把与其对应的输出量（如阻值）作纵坐标而画出的特性曲线来描述。 表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、重复性、迟滞和分辨力等。下面 介绍几种传感器的静态特性指标。 问题 2 什么是传感器的动态特性？其分析方法有哪几种？ 答：传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。由于传感器存在惯 性滞后，当被测量随时间变化时，传感器的输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过渡过 程之中，所以传感器的输出量表征为时间函数关系。在动态（快速变化）的输入信号情况下， 要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特 性。研究传感器的动态特性时，通常从时域和频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分 析。由于传感器及系统的动态特性取决于传感器及系统本身及输入信号的形式，因此工程上 常用单位阶跃函数和正弦函数作为“标准”输入信号，对传感器及系统的动态特性进行分析， 据此确立传感器及检测系统动态特性的指标。最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例 如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。 学习单元五 问题与思考 问题1 传感器的标定和校准是如何定义的？为什么要进行标定和校准？ 答：传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确定传 感器输出量和输入量之间的对应关系。同时也确定不同使用条件下的误差关系。 传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可继续使用，如能继续使用，则应对其有 变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正。对传感器在使用中或储存后进行的性能复测， 确保传感器的测量精确度的过程，称之为传感器的校准
任何一种传感器在装配完后都必须按设计指标进行全面严格的性能鉴定。使用一段时间后（中国计量法规定一般为一年）或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验，以便确保传感器的主要性能指标达到要求。学习单元六问题与思考问题1改善传感器性能的主要技术途径有哪些？答：传感器的性能指标包括很多方面，要使某一传感器各项指标都优良，不仅设计制造困难，且在实用上也没有必要。因此应根据实际要求与可能，在保证主要性能指标的前提下，应放宽对次要性能指标的要求，以提高性能价格比。在设计、使用传感器时还有一些技术措施可改善传感器性能：1、稳定性技术：2、抗扰技术：3、补偿校正技术：4、合理选择传感器材料、结构与参数。学寸单元七问题与思考问题1传感器的发展趋势是什么？答：传感器技术是一项与现代技术密切相关的尖端技术，近年来发展很快，主要特点及发展趋势表现在以下几个方面。1.发现利用新现象、新效应：2.开发新材料：3.采用高新技术：4.拓展应用领域：5.提高传感器的性能：6.传感器的微型化与低功耗：7.传感器的集成化与多功能化：8.传感器的智能化与数字化：9.传感器的网络化。模块二温度传感器学习单元一问题与思考问题1求Pt100铂电阻在温度为50℃时的电阻值？并用查分度表的方法验证。答：Pt100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，50℃时其温度/阻值对应关系为：Rt = 100(1+At+Bt2), A= 3.96847*10-3/℃,B=5.847+10-7/C。带入上式求得电阻值为119.4欧姆，通过Pt100铂电阻分度表验证正确。问题2常见的热敏电阻有几种?主要应用是什么？答：热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC)。其典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC)在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC)在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。PTC热敏电阻在工业上可用作温度的测量与控制，也用于汽车某部位的温度检测与调节，还大量用于民用设备，如控制瞬间开水器的水温、空调器与冷库的温度，利用本身加热作气体分析和风速机等方面。以及用于对加热器、马达、变压器、大功率晶体管等电器的加热和
任何一种传感器在装配完后都必须按设计指标进行全面严格的性能鉴定。使用一段时间 后（中国计量法规定一般为一年）或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验，以便 确保传感器的主要性能指标达到要求。 学习单元六 问题与思考 问题 1 改善传感器性能的主要技术途径有哪些？ 答：传感器的性能指标包括很多方面，要使某一传感器各项指标都优良，不仅设计制造 困难，且在实用上也没有必要。因此应根据实际要求与可能，在保证主要性能指标的前提下， 应放宽对次要性能指标的要求，以提高性能价格比。在设计、使用传感器时还有一些技术措 施可改善传感器性能：1、稳定性技术；2、 抗干扰技术；3、 补偿校正技术；4、 合理选 择传感器材料、结构与参数。 学习单元七 问题与思考 问题 1 传感器的发展趋势是什么? 答：传感器技术是一项与现代技术密切相关的尖端技术，近年来发展很快，主要特点及 发展趋势表现在以下几个方面。1. 发现利用新现象、新效应；2. 开发新材料；3. 采用高 新技术；4. 拓展应用领域；5. 提高传感器的性能；6. 传感器的微型化与低功耗；7. 传感 器的集成化与多功能化；8. 传感器的智能化与数字化；9. 传感器的网络化。 模块二 温度传感器 学习单元一 问题与思考 问题 1 求 Pt100 铂电阻在温度为 50℃时的电阻值？并用查分度表的方法验证。 答：Pt100 传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来 进行测温，50℃时其温度/阻值对应关系为： Rt = 100(1 + At + Bt 2 )， A = 3.96847 ∗ 10−3/℃ , 。 带入上式求得电阻值为 119.4 欧姆，通过 Pt100 铂电阻分度表验证正确。 问题 2 常见的热敏电阻有几种?主要应用是什么? 答：热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC） 和负温度系数热敏电阻器（NTC）。其典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电 阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC） 在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。 PTC热敏电阻在工业上可用作温度的测量与控制，也用于汽车某部位的温度检测与调节， 还大量用于民用设备，如控制瞬间开水器的水温、空调器与冷库的温度，利用本身加热作气 体分析和风速机等方面。以及用于对加热器、马达、变压器、大功率晶体管等电器的加热和
过热保护方面的应用。PTC热敏电阻除用作加热元件外，同时还能起到“开关”的作用，兼有敏感元件、加热器和开关三种功能，称之为“热敏开关”。利用这种阻温特性做成加热源，作为加热元件应用的有暖风器、电烙铁、烘衣柜、空调等，还可对电器起到过热保护作用。高分子PTC热敏电阻用于过流保护，高分子PTC热敏电阻又经常被人们称为自恢复保险丝，由于具有独特的正温度系数电阻特性，因而极为适合用作过流保护器件。NTC（NegativeTemperatureCoeffiCient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1℃，感温时间可至10s以下。它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。临界温度热敏电阻CTR（CritiCalTemperatureResistor）具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数。CTR能够作为控温报警等应用。热敏电阻也可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制，构成RC振荡器稳幅电路，延退电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性，制成专用的检测元件。PTC热敏电阻主要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面。学习单元二问题与思考问题1用K型热电偶测量炉温，冷端20℃，仪表测得当时热电动势为40.557mV，请问炉温多少？答：参考端（自由端）温度t0=20℃，由分度表可查得E20℃,0℃）=1.103mV，若测得热电势E（t，20℃)=40.557mV，则可得E(t,0℃)=E(t.20℃) +E(20℃.0℃)=40.557+1.103=41.66mv再查分度表，可知炉温t=1010℃。学习单元四问题与思考问题1列举你做知道的温度传感器有哪些？并比较它们的异同。答：由学生根据所学知识自主完成。模块三力敏传感器
过热保护方面的应用。 PTC热敏电阻除用作加热元件外，同时还能起到“开关”的作用，兼有敏感元件、加热 器和开关三种功能，称之为“热敏开关”。利用这种阻温特性做成加热源，作为加热元件应 用的有暖风器、电烙铁、烘衣柜、空调等，还可对电器起到过热保护作用。 高分子PTC热敏电阻用于过流保护，高分子PTC热敏电阻又经常被人们称为自恢复保险丝， 由于具有独特的正温度系数电阻特性，因而极为适合用作过流保护器件。 NTC（Negative Temperature CoeffiCient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具 有负温度系数的热敏电阻现象和材料。热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1℃，感温时间 可至10s以下。它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、 海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。 临界温度热敏电阻CTR（CritiCal Temperature Resistor）具有负电阻突变特性，在某 一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数。CTR能够作为控温报警 等应用。 热敏电阻也可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利 用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制，构成RC振荡器稳幅电路，延迟电路和保护 电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、 气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性，制成专用的检测元件。PTC热敏电阻主 要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、 彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面。 学习单元二 问题与思考 问题1 用K型热电偶测量炉温，冷端20℃，仪表测得当时热电动势为40.557mV，请问炉 温多少？ 答： 参考端（自由端）温度t0=20℃，由分度表可查得 E(20℃,0℃)=1.103mv，若测 得热电势E(t,20℃)=40.557mv，则可得 E(t,0℃)=E(t,20℃）+E(20℃,0℃)=40.557+1.103=41.66 mv 再查分度表，可知炉温t=1010℃。 学习单元四 问题与思考 问题1 列举你做知道的温度传感器有哪些？并比较它们的异同。 答：由学生根据所学知识自主完成。 模块三 力敏传感器
学习单元1电阻应变式传感器问题1电阻应变式传感器常用的转换电路有哪些，各有什么优缺点？答：单臂电桥电路、半桥电路、全桥电路。全桥电路无非线性误差，电压灵敏度是单臂工作时的4 倍。问题2电阻应变式传感器常用什么方法进行温度补偿？答：（1）自补偿法，其中包括单丝自补偿法和双丝组合式自补偿应变片补偿法。（2）电路补偿学习单元2压阻式传感器问题：压阻式传感器与电阻应变式传感器有什么区别？答：半导体单晶硅材料在受到外力作用，产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫压阻效应。利用压阻效应开发的传感器谓之压阻式传感器。电阻式传感器，主要是金属丝受力产生变形，从而导致电阻产生变化。学习单元3压电式传感器问题1什么是压电效应，什么是压电效应的可逆性？答案：当晶体受到某固定方向拉力或者压力的作用时会发生变形，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷：当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态：当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变：晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫正压电效应。反之，当对某些物质在极化方向上施加一定电场时，材料将产生机械形变，当外电场撤销时，形变也消失，这叫逆压电效应，也叫电致伸缩。问题2什么是压电陶瓷的压电效应？答案：如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。学习单元4电容式传感器问题1电容式传感器的等效电路是什么样的？
学习单元1 电阻应变式传感器 问题1 电阻应变式传感器常用的转换电路有哪些，各有什么优缺点？ 答：单臂电桥电路、半桥电路、全桥电路。全桥电路无非线性误差，电压灵敏度是单臂 工作时的 4 倍。 问题2 电阻应变式传感器常用什么方法进行温度补偿? 答：（1）自补偿法，其中包括单丝自补偿法和双丝组合式自补偿应变片补偿法。 （2）电路补偿 学习单元 2 压阻式传感器 问题：压阻式传感器与电阻应变式传感器有什么区别？ 答：半导体单晶硅材料在受到外力作用，产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时，其原 子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由其材料制成的电阻 也就出现极大变化，这种物理效应叫压阻效应。利用压阻效应开发的传感器谓之压阻式传感 器。 电阻式传感器，主要是金属丝受力产生变形，从而导致电阻产生变化。 学习单元 3 压电式传感器 问题1 什么是压电效应，什么是压电效应的可逆性？ 答案：当晶体受到某固定方向拉力或者压力的作用时,会发生变形，内部就产生电极化 现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状 态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大 小成正比。这种现象叫正压电效应。 反之，当对某些物质在极化方向上施加一定电场时，材料将产生机械形变，当外电场撤 销时，形变也消失，这叫逆压电效应，也叫电致伸缩。 问题2 什么是压电陶瓷的压电效应? 答案：如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内 的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷， 有一部分被释放而呈现放电现象。当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又 吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械 能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。 学习单元 4 电容式传感器 问题1 电容式传感器的等效电路是什么样的？
答案：电容式传感器并不是一个纯电容，其完整的等效电路如图3-50（a）所示，L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成：C0为传感器本身的电容：CP为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生的电容：Rg是极间等效漏电阻，它包括极板间及与外界间的漏电损耗和介质损耗。问题2电容式传感器常用的测量电路有哪些，各自有什么特点？答案：（1）电桥电路，其主要特点有：①高频交流正弦波供电：②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施：③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥：④输出阻抗很高（一般达几兆欧至几十兆欧），输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。调频电路，其主要特点有：①抗于扰能力强，特性稳定：②具有较高的灵敏度，可以测量0.01um级的位移变化量：③能取得高电平的直流信号（伏特数量级）：④因为是频率输出，易于用数字仪器测量，并和计算机接口通信，可以发送、接收，能达到遥测遥控的且的。（3）差动脉冲调宽电路，其特点：只采用直流电源，无需振荡器和相敏检波器，即能获得直流输出：输出信号一般为100kHz-1MHz的矩形波，所以直流输出只需经低通滤波器简单地引出。虽然对直流电源的电压稳定度要求较高，但比高稳定度的稳频稳幅交流电源易于做到。（4）运算放大器电路，其特点：运算放大器的输出电压与极板间距离d呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。但要求Zi及K足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定。学习单元5力敏传感器的应用实例问题1三轴加速度传感器有哪些种类，主要应用在哪里？答案：主要可分为压电式、电容式及热感应式三种。主要应用于汽车电子领域，主要集中在车身操控、安全系统和导航，典型的应用如汽车安全气囊、ABS防抱死刹车系统、电子稳定程序、电控悬挂系统等。模块四磁敏传感器学习单元1磁电式传感器问题1磁电感应式传感器的工作原理是什么？答案：磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁链对时间的变化率
答案：电容式传感器并不是一个纯电容，其完整的等效电路如图3-50（a）所示，Ｌ包括 引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；ｒ由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； Ｃ ０为传感器本身的电容；ＣＰ为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生 的电容；Ｒｇ是极间等效漏电阻，它包括极板间及与外界间的漏电损耗和介质损耗。 问题2 电容式传感器常用的测量电路有哪些，各自有什么特点? 答案：（1）电桥电路，其主要特点有：①高频交流正弦波供电；②电桥输出调幅波， 要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；③通常处于不平衡工作状态，所以传 感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平 衡电桥；④输出阻抗很高（一般达几兆欧至几十兆欧），输出电压低，必须后接高输入阻抗、 高放大倍数的处理电路。 调频电路，其主要特点有：①抗干扰能力强，特性稳定；②具有较高的灵敏度，可以测 量0.01μｍ级的位移变化量；③能取得高电平的直流信号（伏特数量级）；④因为是频率输 出，易于用数字仪器测量，并和计算机接口通信，可以发送、接收，能达到遥测遥控的目的。 （3）差动脉冲调宽电路，其特点：只采用直流电源，无需振荡器和相敏检波器，即能 获得直流输出；输出信号一般为100kHz-1MHz的矩形波，所以直流输出只需经低通滤波器简 单地引出。虽然对直流电源的电压稳定度要求较高，但比高稳定度的稳频稳幅交流电源易于 做到。 （4）运算放大器电路，其特点：运算放大器的输出电压与极板间距离 d 呈线性关系。 运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。但要求Zi及K足够大。 为保证仪器精度, 还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定。 学习单元 5 力敏传感器的应用实例 问题1 三轴加速度传感器有哪些种类，主要应用在哪里? 答案：主要可分为压电式、电容式及热感应式三种。主要应用于汽车电子领域，主要集 中在车身操控、安全系统和导航，典型的应用如汽车安全气囊、ABS防抱死刹车系统、电子 稳定程序、电控悬挂系统等。 模块四 磁敏传感器 学习单元 1 磁电式传感器 问题1 磁电感应式传感器的工作原理是什么? 答案：磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根据电磁感应定律，线圈两端的 感应电动势正比于线圈所包围的磁链对时间的变化率
问题2恒定磁通路电感应式传感器的主要组成部分由哪些，分别有什么作用？答案：由永久磁铁4、线圈3、弹簧2、阻尼器（金属骨架）1和壳体5等组成磁路系统产生恒定的磁场，磁路中的工作气隙是固定不变的。在动圈式中，运动部件是线圈，永久磁铁与传感器壳体固定，线圈与金属骨架用柔软弹簧支承。在动铁式中，运动部件是磁铁，线圈、金属骨架和壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支撑。两者的阻尼都是由金属骨架与磁场发生对运动而产生的电磁阻尼。学习单元2电感式传感器问题1电感应式传感器的工作原理是什么？答案：将被测量变化转换成电感量变化的传感器，称为电感式传感器。电感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量（如位移、压力、流量、振动等）转换为线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。问题2涡流式传感器电涡流产生的条件是什么？答案：①存在交变磁场：②导体处于交变磁场中。学习单元3霍尔传感器问题1霍尔效应是什么？答案：一块长为小、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于薄片中。当在侧面加控制电流1时，在垂直于电流和磁场方向的另两侧上将产生一个大小与控制电流丨和磁感应强度B的乘积成比例的电动势UH。这种现象称为霍尔效应。问题2钳形电流表的主要工作原理是什么？答案：钳形电流表采用分割式铁芯和霍尔元件(holeelement)组合，当被测电流l通过传感器时，霍尔元件感应输出一个霍尔电压VH，可以通过检测霍尔电压VH，来计算被测试电流，霍尔电压VH比例于被测试电流，而通过铁芯心的导线就成为电流互感器的一次线圈，而线路中电流便在二次线圈中感应出电流，就能测试出线路电流。学习单元4磁敏传感器的应用问题1磁敏传感器有哪些种类？主要应用在哪里？答案：霍尔传感器用于测转速。电磁流量计用于丈量导电液体体积流量。问题2电磁流量计应用在哪里?实际使用时需要注意什么？答案：电磁流量计的丈量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易梗阻合用于丈量
问题2 恒定磁通路电感应式传感器的主要组成部分由哪些，分别有什么作用？ 答案：由永久磁铁4、线圈3、弹簧2、阻尼器（金属骨架）1和壳体5等组成磁路系统产 生恒定的磁场，磁路中的工作气隙是固定不变的。在动圈式中，运动部件是线圈，永久磁铁 与传感器壳体固定，线圈与金属骨架用柔软弹簧支承。在动铁式中，运动部件是磁铁，线圈、 金属骨架和壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支撑。两者的阻尼都是由金属骨架与磁场发生相 对运动而产生的电磁阻尼。 学习单元 2 电感式传感器 问题1 电感应式传感器的工作原理是什么? 答案：将被测量变化转换成电感量变化的传感器，称为电感式传感器。电感式传感器利 用电磁感应原理将被测非电量（如位移、压力、流量、振动等）转换为线圈自感系数Ｌ或互 感系数Ｍ 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。 问题2 涡流式传感器电涡流产生的条件是什么？ 答案：① 存在交变磁场；② 导体处于交变磁场中。 学习单元 3 霍尔传感器 问题1 霍尔效应是什么? 答案：一块长为 l、宽为 b、厚为 d的半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场（磁场方 向垂直于薄片中。当在侧面加控制电流 I 时，在垂直于电流和磁场方向的另两侧上将产生 一个大小与控制电流 I 和磁感应强度 B 的乘积成比例的电动势 UH。这种现象称为霍尔效 应。 问题2 钳形电流表的主要工作原理是什么？ 答案：钳形电流表 采用分割式铁芯和霍尔元件(hole element)组合，当被测电流I通过传 感器时，霍尔元件感应输出一个霍尔电压VH，可以通过检测霍尔电压VH，来计算被测试电 流I，霍尔电压VH比例于被测试电流I，而通过铁芯心的导线就成为电流互感器的一次线圈， 而线路中电流便在二次线圈中感应出电流，就能测试出线路电流。 学习单元 4 磁敏传感器的应用 问题1 磁敏传感器有哪些种类？主要应用在哪里？ 答案：霍尔传感器用于测转速。电磁流量计用于丈量导电液体体积流量。 问题2 电磁流量计应用在哪里?实际使用时需要注意什么? 答案：电磁流量计的丈量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易梗阻合用于丈量
含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。电磁流量计的丈量范围度大，通常为20：1~50：1，可选流量范围宽。满度值液体流速可在0.5~10m/s内选定。模块五光敏传感器学习单元1光电效应和光电器件问题1常用的光电器件有哪些？分别是什么原理。答案：光电式传感器是将光信号转换成电量的一种变换器，工作的理论基础就是光电效应。从传感器本身来看，光电效应可以分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三类。①光电管。光电管是一种具有悠久历史的光传感器。它是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃管，基于光电效应。②光电倍增管。③光敏电阻。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。①光电池。光电池是一种利用光生伏特效应把光直接转换成电能的半导体光电器件。问题2电式边缘位置传感器原理是什么？答案：白炽灯1所发出的光线经过双凸透镜2会聚，然后由半透反射镜3所反射使光路折转90°，经平凸透镜4会聚后成平行光束。这光束由带材遮挡一部分，另一部分射到角矩阵反射镜6后被反射又经过透镜4、半透反射镜3和双凸透镜会聚于光电晶体管8上。学习单元2CCD图像传感器问题1面型CCD和线性CCD的原理有哪些异同点答案：线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法。线型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成面型CCD图像传感器，主要用于摄像机及测试技术。问题2CCD固体图像传感器作为一种测量尺寸的传感器有什么优点？答案：CCD固体图像传感器作为一种能有效实现动态非接触测量的传感器，被广泛应用于物体尺寸、位移、表面形状、温度以及图形文字识别、图像检测等领域。利用CCD对尺寸检测按原理可分为三种：衍射法、投影法和光学成像法。这三种测量方法分别适合不同的尺寸物体。CCD还可以进行非接触式小角度偏移测量。学习单元3红外传感器问题1红外线的种类，什么是大气窗口？
含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。电磁流量计 的丈量范围度大，通常为20：1～50：1，可选流量范围宽。满度值液体流速可在0.5～10m/s 内选定。 模块五 光敏传感器 学习单元 1 光电效应和光电器件 问题1 常用的光电器件有哪些？分别是什么原理。 答案：光电式传感器是将光信号转换成电量的一种变换器，工作的理论基础就是光电效 应。从传感器本身来看，光电效应可以分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三类。 ① 光电管。光电管是一种具有悠久历史的光传感器。它是一个装有光电阴极和阳极的真空 玻璃管，基于光电效应。②光电倍增管。③ 光敏电阻。光敏电阻的工作原理是基于内光电 效应。④ 光电池。光电池是一种利用光生伏特效应把光直接转换成电能的半导体光电器件。 问题2 电式边缘位置传感器原理是什么? 答案：白炽灯1所发出的光线经过双凸透镜2会聚，然后由半透反射镜3所反射使光路折 转90°，经平凸透镜4会聚后成平行光束。这光束由带材遮挡一部分，另一部分射到角矩阵 反射镜6后被反射又经过透镜4、半透反射镜3和双凸透镜会聚于光电晶体管8上。 学习单元 2 CCD 图像传感器 问题1 面型CCD和线性CCD的原理有哪些异同点。 答案：线型ＣＣＤ图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视 频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法。线型ＣＣＤ图像传 感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。按一定的方式将一维线型光敏单元及 移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成面型ＣＣＤ图像传感器，主要用于摄像机及测试技 术。 问题2 CCD 固体图像传感器作为一种测量尺寸的传感器有什么优点？ 答案：CCD 固体图像传感器作为一种能有效实现动态非接触测量的传感器，被广泛应用 于物体尺寸、位移、表面形状、温度以及图形文字识别、图像检测等领域。 利用 CCD 对尺寸检测按原理可分为三种：衍射法、投影法和光学成像法。这三种测量 方法分别适合不同的尺寸物体。CCD还可以进行非接触式小角度偏移测量。 学习单元 3 红外传感器 问题1 红外线的种类，什么是大气窗口？
答案：红外线可分为三部分，即近红外线，波长为(0.75-1)(2.5-3)um之间：中红外线，波长为(2.5-3)～(25-40)um之间：远红外线，波长为(25-40)～l000um之间。由于大气对电磁波散射和吸收等因素的影响，使一部分波段的太阳辐射在大气层中的透过率很小或根本无法通过。电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口。为了利用地面目标反射或辐射的电磁波信息成像，遥感中对地物特性进行探测的电磁波“通道”应选择在大气窗口内。且前在遥感中使用的一些大气窗口为：问题2常见的红外传感器的主要应用是任么？答案：①医疗上的应用在红外线区域中，对人体最有益的波段就是4～14这个波段范围，这个红外线对活化细胞组织，血液循环有很好的作用，能够提高人的免疫力，加强人体的新陈代谢。②遥控设备的应用遥控器上必定会配备一个红外线发射管，当与电器的红外线接收端形成对射的状态时，就会达到遥控的作用。③开关上的应用几乎涉及到感应力的开关，都会应用到红外线，这个统称为红外线开关。①红外线接口的应用现在很多电子设备都配备了一个红外端口了，这个是用作无线传输的，从而减少用线路传输所带来的空间上的占用。③安防上的应用红外线报警器是红外线在安防上经常使用到的一种安防器材。③侦探中的应用在侦探上的应用大部分都是来自于军事上的应用，例如通过红外线在晚上监视，红外线夜视仪就是一个红外线在侦探上经常用到的仪器。学习单元4光纤传感器问题1全反射的原理是什么？光纤是如何实现光的传输的？答案：当入射角01加大到91=0c=arcsin（n2/n1）时，02=90°，折射光沿着界面传播。当继续加大入射角，即01>?c时，光不再产生折射，只有反射，也就是说，光不能穿过两个介质的分界面而完全反射回来，因此称为全反射。8c一一临界角。由于光纤纤芯的折射率大于包层的折射率，所以在光纤纤芯中传播的光只要满足上述条件，光线就能在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射，成“之”字形向前传播，从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光原理。问题2常见的光纤传感器有哪些？请举例说明。答案：利用光纤传感器的调制机理、光纤导光及调制方式可以制备出各种光纤传感器
答案：红外线可分为三部分，即近红外线，波长为(0.75-1)～(2.5-3)μm之间；中红外线， 波长为(2.5-3)～(25-40)μm之间；远红外线，波长为(25-40)～l000μm 之间。 由于大气对电磁波散射和吸收等因素的影响，使一部分波段的太阳辐射在大气层中的透 过率很小或根本无法通过。电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口。为了 利用地面目标反射或辐射的电磁波信息成像，遥感中对地物特性进行探测的电磁波“通道”应 选择在大气窗口内。目前在遥感中使用的一些大气窗口为： 问题2 常见的红外传感器的主要应用是什么? 答案：①医疗上的应用 在红外线区域中，对人体最有益的波段就是4～14这个波段范围，这个红外线对活化细 胞组织，血液循环有很好的作用，能够提高人的免疫力，加强人体的新陈代谢。 ②遥控设备的应用 遥控器上必定会配备一个红外线发射管，当与电器的红外线接收端形成对射的状态时， 就会达到遥控的作用。 ③开关上的应用 几乎涉及到感应力的开关，都会应用到红外线，这个统称为红外线开关。 ④红外线接口的应用 现在很多电子设备都配备了一个红外端口了，这个是用作无线传输的，从而减少用线路 传输所带来的空间上的占用。 ⑤安防上的应用 红外线报警器是红外线在安防上经常使用到的一种安防器材。 ⑥侦探中的应用 在侦探上的应用大部分都是来自于军事上的应用，例如通过红外线在晚上监视，红外线 夜视仪就是一个红外线在侦探上经常用到的仪器。 学习单元 4 光纤传感器 问题1 全反射的原理是什么？光纤是如何实现光的传输的？ 答案：当入射角θ1 加大到θ1 =θc =arcsin（n2/n1）时，θ2= 90°，折射光沿着界面 传播。当继续加大入射角，即θ1>θc时，光不再产生折射，只有反射，也就是说，光不能 穿过两个介质的分界面而完全反射回来，因此称为全反射。θc——临界角。由于光纤纤芯 的折射率大于包层的折射率，所以在光纤纤芯中传播的光只要满足上述条件，光线就能在纤 芯和包层的界面上不断地产生全反射，成“之”字形向前传播，从光纤的一端以光速传播到 另一端，这就是光纤传光原理。 问题2 常见的光纤传感器有哪些？请举例说明。 答案：利用光纤传感器的调制机理、光纤导光及调制方式可以制备出各种光纤传感器
比如光纤加速度传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器、光纤磁敏传感器、光纤辐射剂量传感器和光纤图像传感器等。利用压力使光纤变形，进而影响光纤中传输光的强度，构成了强度型光纤压力传感器。光纤图像传感器是采用传像束来完成的。传像束由数目众多的玻璃光纤按一定规则整齐排列而成。在一条传像束中，包含了数万条甚至几十万条直径为10μm20μm的光纤，每一条光纤传送一个像元信息。投影在光纤束一端的图像被分解成许多像素，然后，图像是作为一组强度与颜色不同的光点传送，并在另一端重建原图像。学习单元5光敏传感器的其他应用问题1什么是莫尔条纹？举例说明莫尔条纹是如何实现放大作用的？答案：透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带：在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。由亮暗带形成莫尔条纹。莫尔条纹具有放大作用，举例说明如下：有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角0=1.8°，则：分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20um（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）L~W/0=0.02mm/(1.8°X3.14/180°)=0.02mm/0.0314=0.637mm莫尔条纹的宽度是栅距的32倍，由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。问题2举例说明光电编盘是如何确定转向和角位移测量的？答案：为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个狭缝距离彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90°相位，用于辩向。当编码正转时，A信号超前B信号90°：当码盘反转时，B信号超前A信号90%。模块六声敏传感器学习单元1问题与思考问题1常见的拾音器有几种？主要区别是什么？答：动圈式拾音器也称动圈式话筒，是把声音转变为电信号的装置。动圈式拾音器是利用电磁感应现象制成的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动，音圈在永久磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向产生变化，变化的振幅和频率由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中发出声音。电容式拾音器即电容话筒，电容话筒的拾音原理是利用一层特殊材料，带上电荷，作为
比如光纤加速度传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器、光纤磁敏传感器、光纤辐射剂 量传感器和光纤图像传感器等。 利用压力使光纤变形，进而影响光纤中传输光的强度，构成了强度型光纤压力传感器。 光纤图像传感器是采用传像束来完成的。传像束由数目众多的玻璃光纤按一定规则整齐 排列而成。在一条传像束中，包含了数万条甚至几十万条直径为10 μm～20 μm的光纤， 每一条光纤传送一个像元信息。投影在光纤束一端的图像被分解成许多像素，然后，图像是 作为一组强度与颜色不同的光点传送，并在另一端重建原图像。 学习单元 5 光敏传感器的其他应用 问题1 什么是莫尔条纹？举例说明莫尔条纹是如何实现放大作用的？ 答案：透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很 小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形 成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。由亮暗带形成莫尔条纹。 莫尔条纹具有放大作用，举例说明如下： 有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角 =1.8，则：分辨力 =栅 距W =1mm/50=0.02mm=20m（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） L ≈W/θ = 0.02mm/（1.8 ×3.14/180 ）= 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍，由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹 光强的变化。 问题2 举例说明光电编盘是如何确定转向和角位移测量的？ 答案：为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个狭缝距离彼此错开1/4节距， 两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辩向。当编码正转时， A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。 模块六 声敏传感器 学习单元 1 问题与思考 问题1 常见的拾音器有几种?主要区别是什么? 答：动圈式拾音器也称动圈式话筒，是把声音转变为电信号的装置。动圈式拾音器是利 用电磁感应现象制成的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着 一起振动，音圈在永久磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号），感应电流的大 小和方向产生变化，变化的振幅和频率由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声 器，从扬声器中发出声音。 电容式拾音器即电容话筒，电容话筒的拾音原理是利用一层特殊材料，带上电荷，作为