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1、习题集及答案第1章 概 述1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。1.3 简述传感器主要发展趋势，并说明现代检测系统的特征。1.4 传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。如果没有传感器，应该出现哪种状况。1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案1.1 答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传
2、感器。我们对传感器定义是：一种能把特定的信息(物理、化学、生物)按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。我国国家标准(GB76658 7)对传感器(Sensor/transducer)的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置”。定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。1.2 答：组成由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用
3、传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。1.3 答：（略）答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。1.5 答：图形符号（略），各部分含义如下：敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。传感器：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或
4、装置，通常由敏感元件和转换元件组成。信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的 装置。变送器：能输出标准信号的传感器答：（略）答：（略）答:（略）第2章传感器的基本特性2.1 传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标描述？它们一般可用哪些公式表示？2.2 传感器的线性度是如何确定的？确定拟合直线有哪些方法？传感器的线性度力表征了什么含义？为什么不能笼统的说传感器的线性度是多少。2.3 传感器动态特性的主要技术指标有哪些？它们的意义是什么？2.4 传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数的定义是什么？它们之间有何联系与区别？2.5 有一温度传感器，微分方程为30力/成+3夕=0.15x,其中N为输出电压
5、（mV）,X为输入温度（C）。试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。2.6 有一温度传感器，当被测介质温度为6,测温传感器显示温度为七时，可用下列方程表示：4=%+虫 叱/）。当被测介质温度从2 5 c突然变化到300时，测温传感器的时间常数T0=120S,试求经过350s后该传感器的动态误差。2.7 某力传感器属二阶传感器，固有频率为1000Hz,阻尼比为0.7,试求用它测量频率为600Hz的正弦交变力时的振幅相对误差和相位误差。2.8 已知某二阶传感器系统的固有频率为20kH z,阻尼比为0.1,若要求传感器的输出幅值误差不大于3%,试确定该传感器的工作频率范围。2.9 设有两只力传感器均可
6、作为二阶系统处理，固有频率分别为800Hz利2.2kHz,阻尼比均为0.4,欲测量频率为400Hz正弦变化的外力，应选用哪一只？并计算所产生的振幅相对误差利相位误差。答案2.1 答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。2.2 答：1）实际传感器有非线性存在，线性度是将近似后的拟合直线与实际曲线进行比较，其中存在偏差，这个最大偏差称为传感器的非线性误差，即线性度，2）选取拟合的方法很多，主要
7、有：理论线性度（理论拟合）;端基线性度（端点连线拟合）；独立线性度（端点平移拟合）；最小八3;线，耀九是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数。4）传感器的非线性误差是以一条理想直线作基准，即使是同一传感器基准不同时得出的线性度也不同，所以不能笼统地提出线性度，当提出线性度的非线性误差时，必须说明所依据的基准直线。2.3 答：1）传感器动态特性主要有：时间常数T；固有频率；阻尼系数4。2）含义：T越小系统需要达到稳定的时间越少；固有频率例越高响应曲线上升越快；当例为常数时响应特性取决于阻尼比，阻尼系数J越大，过冲现象减弱，421时无过冲，不存在振荡，阻尼比直接影响过冲量和振荡次数。2.4 答：（略
8、）2.5 解：对微分方程两边进行拉氏变换，Y（s）（30s+3尸0.15X（s）则该传感器系统的传递函数为：、丫 0.15 0.05J7（S）-=-=-X（s）30s+3 10s+1该传感器的时间常数7=10,灵敏度k=0.052.6 解：动态误差由稳态误差和暂态误差组成。先求稳态误差:对方程两边去拉氏变换得：T 1（5）=T 2（s）+TOST 2（s）则传递函数为T2(S)_ 1T(s)Cus+l对于阶系统，阶跃输入下的稳态误差&，=0，再求暂态误差:当t=350s时,暂态误差为e)=(3 0 0 -2 5)3 5。2。=1 4.8 8。故所求动态误差为：e=&，+&,=1 4.8 8。2
9、.7解：所求幅值误差为0.9 47,相位滞后5270,G(.y)=7砥s2+2 ns+s=Ja0)1-.七12+2必一例则，频率为600Hz时的幅值为I G(/3)|=,r 6 0 0 -2 1 2 6 0 0 21-(-)?+2 x0.7 x-Y1 0 0 0 1 0 0 0=0.9 4 7相对误差为(1-0.9 47)xi00%=5.3%2 4色)3=-tg-黑=_武1-(当C D2 x0.7 x6 0 01 0 0 01-(6 0 0 ,1 0 0 0=一5 2 7 0 Z8 解：G W =7 TI G(j(d)|=J =/1-()2 2+2 J 1-()22+2XO.1X f (on(
10、on V 10000 10000_ 1 _J1-()2 2+2x 0.1 xV 10000 10000令|G(/w)|=L03,(-)2=cd 贝 lj100006y/2-1.9 6+0.0574=0 解得0=L9 3,a)2=0.03 代入上式,得劭=1389%,s =73Hz令|G(Jw)|=0.9 7,则1.9 6。-0.0628=0 解得他=1.9 9(舍 负)代入上式，得0 3 =1411%由图2-18二阶传感器系统的幅频特性曲线知，该传感器的工作频率范围为:1389 ZZzy1411Z/z 或(&H3Hz2.9解：=0.4R 时，Cl C2;C2-C1=2 ACURL=R(R+2R
11、?RLU0CLCI)=4 0 X 80 X 2X104X10X106 X 2X10-2=-0.36r(R+RL)2 60X60由于G 4 0 0 k H z）,表示传感器工作频率。3）（略）1 1.41）通过测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔t 和超声波在介质中传播速度，便可以求得待测的厚度或物位。2）解：已知：v=5640/n/5,/1 =22/5由加=2A/7/U 得到工件厚度/?=A a/2 =62.04加1 1.5 （略）H.6 答:1）红外探测器主要有两大类型：热探测器（热电型），包括热释电、热敏电阻、热电偶；光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应
12、，使材料的电学性质发生变化，其中有光敏电阻、光敏晶体管、光电池等。2）红外探测器是能将红外辐射能转换为电能的热电或光也器件，当器件吸收辐射能时温度上升，温升引起材料各种有赖于温度的参数变化，检测其中一种性能的变化，既可探知辐射的存在和强弱。光量子型红外探测器是能将红外辐射的光能直接转换为电能的光敏器件。3）光子探测器与热释电传感器区别是，光量子型光电探测器探测的波长较窄，而热探测器儿乎可以探测整个红外波长范围。1 1.7 答：1）热释电效应首先利用器件温度敏感特性将温度变化转换为也信号，这一过程包括了光一热一电的两次信息变换过程，而对波长频率没有选择。光一热电转换过程中，光一热阶段，物质吸收光
13、能，温度升高；热一电阶段，利用某种效应将热转换为电信号。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面时，薄片温度升高使极化强度降低，表面电荷减少，释放部分电荷，所以称热释电。2）温度一定时因极化产生的电荷被附集在外表面的自由电荷慢慢中和掉不显电性，要让热释电材料显现出电特性，必需用光调制器使温度变化，并且调制器的入射光频率/必须大于电荷中和时间的频率。11.8 电路分析：1）FET为场效应管2）输 入 电 阻Rg安装在管壳中，与FET场效应管起到阻抗变换的作用。由于热释电传感器绝缘电阻很高，几十至几百兆欧容易引入噪声，使用时要求有较高的输入电阻。11.9（略）11.10 答：1）具有确定质子数和中
14、子数的原子核称做核素，凡是原子序数相同，原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，称同位素。2）放射性的强弱称为放射性强度，一般用单位时间内发生衰变的次数来表示，也称核辐射强度。11.11（略）11.12（略）第12章 热 电 式 传 感 器12.1 什么是热电效应？热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组 成？由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗？12.2 为什么热电偶的参比端在实际应用中很重要？对参比端温度处理有哪些方法？12.3 解释下列有关热电偶的名词：热电效应、热电势、接触电势、温差电势、热电极、测量端、参比端、分度表。12.4 试比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器的特
15、点。12.5 某热电偶灵敏度为0.04能/。C,把它放在温度为1200C处的温度场，若指示表(冷端)处温度为50,试求热电势的大小？12.6 某热电偶的热电势在E(600,0)时，输出E=5.257/”,若冷端温度为0时，测某炉温输出热电势E=5.267m心 试求该加热炉实际温度是多少？12.7 已知钳热电阻温度计0时电阻为100Q,100时电阻为139。，当它与某热介质接触时，电阻值增至281。，试确定该介质温度。12.8 用分度号为K型银铭-银硅热电偶测温度，在未采用冷端温度补偿的情况下，仪表显示500,此时冷端为60。试问实际测量温度为多少度？若热端温度不变，设法使冷端温度保持在2 0
16、C,此时显示仪表指示多少度？12.9 什么是集成温度传感器？P-N结为什么可以用来作为温敏元件？12.10 AD59 0是哪一种形式输出的温度传感器，可以测量的温度范围是多少？叙述图12-23电路工作原理。12.11 用AD59 0设计一可测量温度范围0100C的数字温度计,画出电路原理图。12.12 DS18B20智能型温度传感器与集成温度传感器AD59 0的工作原理利输出信号有什么不同？如何用DS18B20实现多点测温的？答案12.1 答：1）两种不同类型的金属导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点有温差时，导体回路里有电流流动会产生热电势,这种现象称为热电效应。2）热电偶测温回路中
17、热电势主要是由接触电势和温差电势两部分组成。3）热电偶两个电极材料相同时，无论两端点温度如何变化无热电势产生。12.2 答：1）实际测量时利用这一性质，可对参考端温度不为零度时的热电势进行修正。2）因为热电偶的分度表均是以参考端7=0为标准的，而实际应用的热电偶参考端往往 生0,一般高于零度的某个数值，此时可利用中间温度定律对检测的热电势值进行修正，以获得被测的真实温度。12.3 答：（略）12.4 答：热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器特点如下:热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它温度传感器无法替代。热电阻结构很简单，金属热电阻材料多为纯粕金属丝，也有铜、银金属。金属
18、热电阻广泛用于测量-200+850C温度范围，少数可以测量1000。热敏电阻由半导体材料制成，外形大小与电阻的功率有关，差别较大。热敏电阻用途很广，几乎所有家用电器产品都装有微处理器，这些温度传感器多使用热敏电阻。12.5 解:已知：热电偶灵敏度为0.04加/C,把它放在温度为1200C处的温度场，若指示表（冷端）处温度为50,则中间温度为：1200-50=1150；热电势为：0.04mF7 XI 150=46mr成.EAB（T,0）=（7,1200）+EAB（50,0）=1200 X0.04mP7-50X 0.04/77 r/=46mK12.6 解:已知:热电偶的热电势石（600.0,0）=
19、5.257加匕冷端温度为0时，输出热电势=5.267俄 匕热电偶灵敏层为：K=5.257加勿600=0.008762 mV/Z该加热炉实际温度是：T=E/X=5.267 mK/0.008762 mV/0=601.1412.7 解:已知:钳热电阻温度计0时电阻为100Q,100C时电阻为139 Q；可通过查表得：当电阻值增至281Q时，介质温度为500C。12.8 用分度号为K 型银铭-银硅热电偶测温度，在未采用冷端温度补偿的情况下，仪表显示5 0 0 C,此时冷端为60。试问实际测量温度为多少度？若热端温度不变，设法使冷端温度保持在20,此时显示仪表指示多少度？12.9 答：1）集成温度传感器
20、多采用匹配的差分对管作为温度敏感元件；2）根据绝对温度比例关系，利用两个晶体管发射极的电流密度在恒定比率下工作时，一对晶体管的基极与发射极（P-N结）之间电压差A曝与温度呈线性关系进行温度测量。12.10 答：1）AD59 0是典型的电流输出型集成温度传感器，测温范围是-50+150C；2）该电路是一温度控制电路。AD311为比较器，温度达到限定值时比较器输出电压极性翻转，控制复合晶体管导通截止，从而控制加热器电流变化。12.11 答:（略）12.12 答:1）DS18B20智能型温度传感器是将温度系数通过振荡器转换为频率信号，相 当 于 攻（温度/频率）转换器，将被测温度T转换成频率信号/,输出为数字信号；AD59 0是利用P-N结电压随温度的变化进行测温，输出为模拟信号。2)DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可并联在唯一的总线上实现多点测温；使用中不需要任何外围器件，测量结果以9位数字量方式串行传送。