光电传感器应用技术答案

【篇一：传感器课后答案】

是传感器？

传感器定义为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，通常由敏感元件和转换元件组成。 1.2传感器的共性是什么？

传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。 1.3传感器由哪几部分组成的？

由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。

1.4传感器如何进行分类？

（1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。

1.5传感器技术的发展趋势有哪些？

（1）开展基础理论研究（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化 （5）传感器的微型化 1.6改善传感器性能的技术途径有哪些？

（1）差动技术（2）平均技术（3）补偿与修正技术(4)屏蔽、隔离与干扰抑制 (5)稳定性处理 第2章传感器的基本特性

2.1什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？

答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。

2.2传感器输入-输出特性的线性化有什么意义？如何实现其线性化？ 答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。 常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。 2.3利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算其非线性误差、迟滞和重复性误差。设压力为0mpa时输出为0mv,压力为0.12mpa时输出最大且为16.50mv. 非线性误差略

2.4什么是传感器的动态特性？如何分析传感器的动态特性？

传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即输出对随时间变化的输入量的响应特性。

传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。瞬态响应常采用阶跃信号作为输入，频率响应常采用正弦函数作为输入。

2.5描述传感器动态特性的主要指标有哪些？

2.6试解释线性时不变系统的叠加性和频率保持特性的含义及其意义。 当检测系统的输入信号是由多个信号叠加而成的复杂信号时，根据叠加性可以把复杂信号的作用看成若干简单信号的单独作用之和，从而简化问题。

如果已知线性系统的输入频率，根据频率保持特性，可确定该系统输出信号中只有与输入信号同频率的成分才可能是该输入信号引起的输出，其他频率成分都是噪声干扰，可以采用相应的滤波技术。 温差为二分之一时，t=2.08s 温差为三分之一时，t=1.22s

2.10某传感器为一阶系统，当受阶跃函数作用时，在t=0时，输出为10mv，在t=5s时，输出为50mv；在t→∞时，输出为100mv。试求该传感器的时间常数。

2.11某一质量-弹簧-阻尼系统在阶跃输入激励下，出现的超调量大约是最终稳态值的40%。如果从阶跃输入开始至超调量出现所需的时间为0.8s，试估算阻尼比和固有角频率的大小。

2.12在某二阶传感器的频率特性测试中发现，谐振发生在频率

216hz处，并得到最大的幅值比为1.4，试估算该传感器的阻尼比和固有角频率的大小。 第三章电阻式传感器

3.1应变电阻式传感器的工作原理是什么？

电阻应变式传感器的工作原理是基于应变效应的。

当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等作用下发生形变，变换成相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，将引起应变敏感元件的电阻值发生变化，通过转换电路变成电量输出。输出的电量大小反映了被测物理量的大小。 3.2电阻应变片的种类有哪些？各有何特点？

按组成材料有金属和半导体之分，金属应变片受力时，主要是基于应变效应，是引起应变片的外形变化进而引起电阻值变化，而半导体应变片时基于压阻效应工作的，当受力时，引起应变片的电阻率变化进而引起电阻值变化。

按结构形式有丝式和箔式之分。丝式是应变金属丝弯曲成栅式结构，工艺简单，价钱便宜。箔式是采用光刻和腐蚀等工艺制成的，工艺复杂，精度高，价钱较贵。

3.3引起电阻应变片温度误差的原因是什么？电阻应变片的温度补偿方法是什么？

一是电阻温度系数，二是线膨胀系数不同。

单丝自补偿应变片，双丝组合式自补偿应变片，补偿电路 3.4试分析差动测量电路在应变式传感器中的好处。 灵敏度提高一倍，非线性得到改善。

（1）绘出弹性元件贴片位置及全桥电路。（2）计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化。（3）当桥路的供电电压为10v时，计算传感器的输出电压。

?r1=?r2=?r3=?r4=kfr=0.191?ae （3）u0=1mv

3.7图3.5中，设负载电阻为无穷大（开路），图中，e=4v, （3）当r1受拉应变，r2受压应变时， 当r1受压应变，r2受拉应变时，

（3）若要减小非线性误差，一是要提高桥臂比，二是要采用差动电桥。

第4章电感式传感器

4.1根据工作原理的不同，电感式传感器可分为哪些种类？ 可分为变磁阻式（自感式）、变压器式和涡流式（互感式） 4.2试分析变气隙厚度变磁阻式电感式传感器的工作原理。

当被测位移变化时，衔铁移动，气隙厚度发生变化，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的电感值变化。通过测量电感量的变化就能确定衔铁位移量的大小和方向。

做成差动结构形式灵敏度将提高一倍。

4.4差动变磁阻式传感器比单圈式变磁阻式传感器在灵敏度和线性度方面有什么优势？为什么？ 灵敏度提高一倍。 非线性得到改善。 4.5试分析交流电桥测量电路的工作原理。

电感式传感器用交流电桥测量时，把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂，另外两个相邻桥臂用纯电阻代替。当衔铁处于中间位置时，电桥无输出；

因输入是交流电压，所以可以根据输出电压判断衔铁位移大小，当可能辨别方向。

4.6试分析变压器式交流电桥测量电路的工作原理。

变压器式交流电桥本质上与交流电桥的分析方法一样。电桥两臂z1,z2为传感器线圈阻抗，另外两个桥臂为交流变压器二次绕组阻抗的一半。

当传感器的衔铁位于中间位置时，输出电压为0，电桥处于平衡状态。

移时，u0=?=?2z04l0

?zu?lu当传感器衔铁下移时，u0=，可得到与交流电桥完全一致的结果。=2z04l0 ?z?luu当传感器衔铁上

4.7试分析差动变压器式传感器工作原理。

在a、b两个铁芯上绕有两个一次绕组w1a,w1b=w1，和两个二次绕组w2a,w2b=w2，两个一次绕组顺向串接，两个二次绕组反向串接。

衔铁处于初始位置时，差动变压器输出电压为零；

变压器输出电压可以表示衔铁位移大小，但不能辨别方向。

4.8引起零点残余电压的原因是什么？如何消除零点残余电压？

原因有三：（1）传感器的两个次级绕组的电气参数不同和几何尺寸不对称（2）磁性材料的磁化曲线的非线性（3）励磁电压本身含高次谐波。

消除方法：（1）尽可能保证传感器的几何尺寸、绕组线圈电气参数和磁路的对称；（2）采用适当的测量电路，如相敏整流电路。

4.9在使用螺线管式传感器时，如何根据输出电压来判断衔铁的位置？ 活动衔铁在中间时，输出电压=0；

活动衔铁位于中间位置以上时，输出电压与输入电压同频同相； 活动衔铁位于中间位置以下时，输出电压与输入电压同频反相。 需要采用专门的相敏检波电路辨别位移的方向

4.10如何通过相敏检波电路实现对位移大小和方向的判定？

相敏检波电路的原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。

4.11电涡流式传感器的线圈机械品质因素会发生什么变化？为什么？ 产生电涡流效应后，由于电涡流的影响，线圈复阻抗的实部（等效电阻）增大、虚部（等效电感）减小，因此，线圈的等效机械品质因素下降。

4.12为什么电涡流式传感器被归类为电感式传感器？它属于自感式还是互感式？

电涡流式传感器的等效电气参数都是互感系数m2的函数。通常总是利用其等效电感的变化组成测量电路，因此，电涡流式传感器属于（互感式）电感式传感器。

【篇二：光电检测课后习题部分答案】

效应的工作原理.为什么光伏效应器件比光电导效应器件有更快的响应速度？ 答：（1）光生伏特效应的工作基础是内光电效应.当用适当波长的光照射pn结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于pn结上加一个正电压. （2）光伏效应中，与光照相联系的是少数载流子的行为，因为少数载流子的寿命通常很短，所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度.

比较光电效应和光热效应在作用机理、性能及应用特点等方面的差异？

1.光电效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。 特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。

2. 光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理

性质发生变化。特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。 （在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。 第三章 3-14 3-25 3-26

第四章 4-2 4-3 4-4

第五章

1、 直接检测系统的基本原理是什么？为什么说直接检测又叫包络检测？ 所

谓光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压。 光检测器输出的电流

第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，这就是包络检测的意思。

2、 何谓莫尔条纹？应用几何光学原理解释，为什么说莫尔条纹测试技术具有光学放大作 用？

若两块光栅相互重叠，并且使他们的栅线之间形成一个较小的夹角，当光栅对之间有相

对运动时，透过光栅对看另一边的光源，就会发现有一组垂直于光栅运动方向的明暗相间的条纹移动，这就形成莫尔条纹。 第八章

8-1.光电信号的二值化处理就是将光电信号转换成“0”或“1”数字量的过程。将单元光电信号进行二值化处理方便微型计算机进行识别并对信号进行处理、存储、传输和控制等，单元光电信号的二值化处理方法有固定阈值法二值化处理和浮动阈值法二值化处理法。

8-3.图（图8-4）中的阈值电压为从光源分得一部分光加到光电二极管上，光电二极管在适当的偏置下输出与光源的发光强度呈线性变化的电压信号，用这个电压信号作为阈值，即可得到随发光强度浮动的阈值uth。转移脉冲sh的周期为行周期，当sh下降沿到来后

所有一行的信号才能被完全转移，并且将积分周期的信号依次输出。二值化脉冲经过一定时间延时后的脉冲信号代表了背景光源的 信息，所以将它作为阈值。

8-5.在光电技术中经常需要对某些场景的光强度（或光照度）进行测量，并且要求以数字方式显示测量值（例如数字照度计），或送入计算机进行实时控制等处理，这种情况必须对单元光电信号进行a/d数据采集。

（p195 图8-14以及上面那段话） 第九章

以锁相放大器为例，说明去除噪声改善检测信噪比的原理。

答：锁相放大器包括信号通道、参考通道、相敏检波三个部分。参考信号与被测信号为同频同相的交变信号，经相敏检波后输出信号为直流信号。噪声和干扰信号只有当与参考信号同频同相时才可能输出直流信号并与被测信号叠加，而这样的几率是非常非常小的。 因此，锁相放大器去除噪声改善信噪比的原理是：利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本

【篇三：传感器课后答案】

器及传感技术？

人们通常将能把被测物理量或化学量转换为与之有对应关系的电量输出的装置称为传感器，这种技术被称 为传感技术。

2、传感器通常由哪几部分组成？通常传感器可以分为哪几类？若按转换原理分类，可以分成几类？

传感器通常由敏感元件、传感元件和其他辅助元件组成，有时也把信号调节和转换电路、辅助电源作为传 感器的组成部分。

传感器一般按测定量和转换原理两种方法进行分类。

按转换原理分类可以分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。 3、传感器的特性参数主要有哪些？选用传感器应注意什么问题？ 传感器的特性参数：1 静态参数：精密度，表示测量结果中随机误差大小的程度。 正确度,表示测量结果中系统误差大小程度。 准确度，表示测量结果与被测量的真值之间的一致程度。

稳定度、鉴别度、分辨力、死区、回程误差、线性误差、零位误差等。

动态参数：时间常数t:在恒定激励理

第二章

1、光电效应有哪几种？与之对应的光电器件和有哪些？ 光电传感器的工作原理基于光电效应。

光电效应总共有三类：外光电效应（光电原件有：光电管、光电倍增管等、内光电效应（光敏电阻）、光生

伏特效应（光电池、光敏二极管和光敏三极管） 2、什么是光生伏特效应？

光生伏特效应：在光线的作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。

3、试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异，并简述在不同的场和下应选用哪种器 件最为合适。

光敏二极管：非线性器件，具有单向导电性。（pn 结装在管壳的顶部，可以直接爱到光的照射）通常处于

反向偏置状态，当没有交照射时，其反向电阻很大反向，反向电流很小，这种电流称为暗电流。当有光照

射时，pn 结及附近产生电子-空穴对，它们的反向电压作用下参与导电，形成比无光照时大得多的反向电 流，该反向电流称为光电流。

不管硅管还是锗管，当入射光波长增加时，相对灵敏度都下降。，因为光子能量太小不足以激发电子-空穴

对，而不能达到pn 结，因此灵敏度下降。

探测可见光和赤热物时，硅管。对红外光进行探测用锗管。光敏三极管：有两个pn 结，比光敏二极管拥有更高的灵敏度。 光敏电阻：主要生产的光敏电阻为硫化镉。

7、简述光纤的结构和传光原理。光纤传感器有哪些类型？他们之间有什么区别？

光纤是一种多层介质结构的对称圆柱体，包括纤芯、包层、涂敷套。 传光原理：p62 光线以入射角大于临界从光密介质入射光介质，光线就不会透过其临界面而全部反射到光

密介质内部，即发生全反射。这时光线射入光纤面时与光纤轴的夹角pi/2 减去入射角小于一定值，光线

就不会射出光芯，不断在纤芯和包层界面产生全反射而向前传播。 按工作原理，光纤传感器可分为两类：传光型、传感型。

传光型：将光源的光通过光纤装入调制器，使待测信号与光相互作用，导致光的

性质发生变化成为调制器，再经光纤送入光探测器经解调后获得被测参数的信息。 其中光纤是不连续的，只起传导功能，而其它敏感元件感觉信息。

传感型：光纤是连续的，它不仅传导光，而且利用它对外界信号的敏感能力和检测功能，使入射光的光学 性质发生变化来实现传和感功能。 第三章

1、光栅的莫尔条纹有哪几个特性？试说明莫尔条纹的形成原理。 .摩尔光栅的特性有：1 消除光栅线的不均匀误差2 位移的放大特性3 移动特性4 光强与位置关系,摩尔条纹

是指两块光栅叠合时,出现光的明暗相间的条纹,从光学原理来讲,如果光栅珊距与光的波长相比较是很大的

话,就可以按几何光学原理来进行分析,两块珊距相等的光栅叠合在一起,并使它们的刻线之间的夹角为theta;时,

这时光栅上就会出现若干条明暗相间的条纹,就是莫尔条纹. 2、什么叫细分？什么叫辩向？它们各有什么用途？

.当光栅相对移动一个栅距w 时,则莫尔条纹移过一个艰巨b,与门输出一个计数脉冲.这样其分辨率为w,为了

能辩分比w 更小的位移量,就鼻血对电路进行处理,使之能在移动一个w 内等间距地输出若干个计数脉冲,这 种方法就叫细分.

3、简述磁栅测量的工作原理，磁头的形式有哪几种？分别用于哪些场合？

动态磁头和静态磁头,动态磁头在磁头与磁尺间相对运动时,才有型号输出,故不使用于速度不均匀时走时停

的机床,而静态磁头就是在磁头与磁珊间没有相对运动也有信号输出. 4、磁栅测量的信号处理有几种类型？工作原理如何？鉴相处理方式,就是利用输出信号的相位大小来反映磁头的位置或磁尺的相对位置的信号处理方式.奸夫处

理方式,就是利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移量或磁尺的相对位置的信号处理方式

5、简述编码器的类型及用途。

用于各种位移量的测量,为科学研究和工业生产提供了了对位移量进行精密的检测的手段,需要检测角度变 化的场合,广泛用于各种位移量的测量. 第四章

1、什么叫热电式传感器？它有何作用？

答：热电式传感技术是将温度变化转换为电量变化的一种技术，它所利用的传感元器件就是热电式传感器。

热电式传感器应用最为广泛，凡是需要调温、控温、测温的地方都需要用到它。

2、什么是金属导体的“热点效应”？补偿导线的作用是什么？使用补偿导线的原则有哪些？ 答：在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触点的温度不同时，回路中就要产生热电式，这个物理现象称为热电效应。补偿导线是用来延伸热电极即移动热电偶的冷端，与显示仪表联接构成测温系统。

在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100 ℃

3、电阻式温度传感器有哪几种？它们各有何特点及用途？

答：热敏电阻、铂电阻、铜电阻。铂电阻具有电阻温度系数稳定，电阻率高、线性度好、测量范围宽等特

点，被用作工业测温元件和作为温度标准。铜电阻具有成本低，在-50~150 度范围内呈线性的特点，被用作

测量精度要求不高、测量范围不大的场合。

4、简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。 答：中间导体定律，标准电极定律，中间温度定律

5、试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理。用热电偶测表面温度要注意哪些问题？

答：冷端温度修正法，对于冷端温度不等于零度，但能保持恒定不变的情况可以使用修正法。电桥补偿法，

利用电桥的不平衡电压去消除冷端温度变化的影响。 第五章

1、什么叫电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器？

答：电阻式传感器是将被测量的非电量转换成电阻的变化量的传感元件，并通过对电阻值的测量电路变换

为电压或电流，达到检测非电量的目的。电感式传感器是将被测量转换成电感或互感变化的传感器。电容

式传感器是两块极板间间隙变化，或是表面积变化，将使电容量改变的传感器。

2 电阻式传感器有哪些类型，各有和优点、缺点？

答：电位器式，优点：结构简单，价格便宜，有一定可靠性，输出功能大，使用比较方便；缺点：有滑动

触电，可靠性不太好，灵敏度低。电阻应变片式，优点：应用极广，占世界上所有传感器应用总量83%。 缺点：灵敏度系数较低。

3、电感式传感器有哪些类型，各有和优点、缺点？

答：可动铁芯式，改变铁芯导流率式，改变磁路中空气隙式，高频反射涡流式。优点：结构简单，工作可

靠，输出功率较大，不经放大可以直接指示或记录仪表。可静态、动态测量。缺点：输出量与电源的频率 有密切关系，要求电源频率稳定

4、电容式传感器有哪些类型，各有和优点、缺点？

答：改变两极板间距d 型，改变极板间覆盖面积s 型，改变极板间介质型。优点：能检测百分之几微米

数量级位移值，能量低、动态响应快、灵敏度高、误差小、不怕高温。缺点：输出特性非线性，泄露电容 的影响将引起误差。

5、简述r、l、c 三种传感器主要用途

答：r：主要用于位移、压力、力矩、应变、温度、湿度、辐射热、气流流速、液体流量等物理参数的检

测。l：主要用于里、力矩、压力、位移、速度、厚度、振动等参数检测。c：主要用于声强、液位、含水

量、振动、压力、厚度、位移、角度、加速度、差压、液面、料位、成分含量等参数检测。 第六章

1、什么是压电晶体的“压电效应”？叙述压电式传感器的工作原理。 当沿着某些晶体介质的电轴方向施加作用力时，在垂直于电轴线的晶体平面上即产生电荷，当做用力除去

时，电荷也随之消失的现象就称为“压电效应”。

压电式传感器的工作原理是基于某些晶体受力后，在其表面产生电荷的压电效应，其刚度大、固有频率高，

配上电荷放大器，尤其适合测量迅速变化的参数。

2、压电式传感器测量电路的作用是什么？其核心要解决什么问题？ 压电式传感器测量电路的前级输入端有足够的阻抗，防止电荷的速度泄露而使测量误差减小。压电式传感

器的前置放大器的两大作用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，二是把传感器的微弱信号进 行放大。

其核心要解决的问题是为了放大器的工作稳定，减小零漂，在反馈电容cf两端并联一反馈电阻，形成流负 反馈，用以稳定放大器的直流工作点。

3、何为“磁阻效应”？磁敏电阻有何作用？

当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场变化的现象叫做磁阻效应。

磁敏电阻的作用是利用磁敏电阻阻值与磁感应强度的数量关系测量磁感应强度，还可以利用磁敏电阻器阻值的变化，精确地测试出磁场的相对位移。

4、磁敏二极管和磁敏三极管有何特点？适合于什么场合使用？ 磁敏二极管和磁敏三极管都具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小和体积小的特点；都比较适合磁场、 转速、探伤等方面的检测和控制。

5、什么是“霍尔效应”？一个霍尔元件在一定的电流控制下，其霍尔电势与哪些因素有关？ 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上 的两个面之间产生电动势的现象叫做霍尔效应。

一个霍尔元件在一定的电流控制下，由公式uh=ib/(ned)知其霍尔电势与电场强度b、金属电板单位体积

内电子数n、单位电子所带电荷e 和金属电板的厚度d 等四个因素有关。

6、温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？

温度变化时，霍尔元件的载流子密度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而元件产生温度误差 产生输出电势误差。

其补偿方式是选用温度系数小的元件、采用恒温措施来减小由电阻随温度变化而引起的激励电流i 变化所

带来的影响，或者在电路中用一个分流电阻rp与霍尔元件的激励电极相并联，即可在霍尔元件的输入电

阻因温度升高而增加时，旁边的分流电阻rp自动的加强分流，减少了霍尔元件的激励电流i，从而达到补偿的目的。