第5章 电感式传感器
5.1 何谓电感式传感器？电感式传感器分为哪几类？各有何特点？
5.1答：
电感式传感器是一种机-电转换装置，电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置，传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。它可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等参数。
电感式传感器种类：自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步器。 工作原理：自感、互感、涡流、压磁。
5.2 提高电感式传感器线性度有哪些有效的方法。
5.2答：
电感传感器采用差动形式，转换电路采用相敏检波电路可有效改善线性度。
5.4 说明产生差动电感式传感器零位残余电压的原因及减小此电压的有效措施。
5.4答：
差动变压器式传感器的铁芯处于中间位置时，在零点附近总有一个最小的输出电压?U0，将铁芯处于中间位置时，最小不为零的电压称为零点残余电压。产生零点残余电压的主要原因是由于两个次级线圈绕组电气系数（互感 M 、电感L、内阻R）不完全相同，几何尺寸也不完全相同，工艺上很难保证完全一致。
为减小零点残余电压的影响，除工业上采取措施外，一般要用电路进行补偿：①串联电阻；②并联电阻、电容，消除基波分量的相位差异，减小谐波分量；③加反馈支路，初、次级间加入反馈，减小谐波分量；④相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。
5.10 什么叫电涡流效应？说明电涡流式传感器的基本结构与工作原理。电涡流
式传感器的基本特性有哪些？它是基于何种模型得到的？
5.10答：
1）块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。
2）形成涡流必须具备两个条件：第一存在交变磁场；第二导电体处于交变磁场中。电涡流式传感器通电后线圈周围产生交变磁场，金属导体置于线圈附近。当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流，这个涡流同样产生交变磁场。由于磁场的反作用使线圈的等效电感和等效阻抗发生变化，使流过线圈的电流大小、相位都发生变化。通过检测与阻抗有关的参数进行非电量检测。
3）因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内，实际上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。所以电涡流传感器的检测范围与传感器的尺寸（线圈直径）有关。
4）回路方程的建立是把金属上涡流所在范围近似看成一个单匝短路线圈作为等效模型。
第6章 磁电式传感器
6.4 什么是霍尔效应？
6.4答：
通电的导体（半导体）放在磁场中，电流与磁场垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。
6.6 霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？
6.6答：
霍尔电势不为零的原因是，霍尔引出电极安装不对称，不在同一等电位面上；激励电极接触不良，半导体材料不均匀造成电阻率?不均匀等原因。
6.7 某一霍尔元件尺寸为L?10mm，b?3.5mm,d?1.0mm，沿L方向通以电流
I?1.0mA，在垂直于L和b的方向加有均匀磁场B?0.3T，灵敏度为22V/(A?T)，试求输出霍尔电势及载流子浓度。
6.7解：
?KH?22V/(A?T),I?1.0mA,B?0.3T输出霍尔电势： UH?KHIB?6.6mV?L?10mm,b?3.5mm,de?1.0mm，e?1.6?10?19载流子浓度为： n??IB0.001?0.3??28.41?1019?19UHed0.0066?1.6?10?0.001
6.9 霍尔元件灵敏度KH?40V/(A?T)，控制电流I?3.0mA，将它置于1?10?4～
5?10?4T线性变化的磁场中，它输出的霍尔电势范围有多大？
6.9解：
?KH?40V/(A?T),I?3.0mA,B?1?10?4?5?10?4T输出霍尔电势范围是： 低端：UH?KHIB?12?V 高端：UH?KHIB?60?V
第7章 压电式传感器
7.1 什么是压电效应？什么是正压电效应和逆压电效应？
7.1答：
某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应
7.3 压电传感器能否用于静态测量？试结合压电陶瓷加以说明。
7.3答：
1）由压电传感器的等效电路可见，要保证输出信号与输入作用力间的线性关系，只有在负载电阻较大，工作频率较高时，传感器电荷才能得以保存补充，需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的，故压电传感器只能作动态测量，不宜作静态信号测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，并给测量电路一定的电流。
2）（略）
7.4 压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试述在不同接法下输
出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？
7.4.答：
1）在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和并联连接，常用的是并联连接，可以增大输出电荷，提高灵敏度。
2）如果按相同极性粘贴，相当两个压电片（电容）串联。输出总电容为单片电容的一半，输出电荷与单片电荷相等，输出电压是单片的两倍；若按不同极性粘贴，相当两个压电片（电容）并联，输出电容为单电容的两倍，极板上电荷量是单片的两倍，但输出电压与单片相等。
7.11什么是超声波？其频率范围是多少？
11.1答：
1）超声波是人耳无法听到的声波。人耳听见的声波称机械波，频率在16Hz～20kHz，一般说话的频率范围在100Hz～8kHz之间，低于20Hz频率的波称为次声波，高于20kHz频率的波称超声波，频率在300MHz～300GHz之间的波称为微波。
2）超声波频率范围在几十千赫兹到几十兆赫兹，
7.12 超声波在通过两种介质界面时，将会发生什么现象？
答：
当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换。
7.13 超声波传感器的发射与接收分别利用什么效应，检测原理是什么？常用的超声波传感器（探头）有哪几种形式？简述超声波测距原理。
11.3答：
1）超声波传感器主要利用压电材料（晶体、陶瓷）的压电效应，其中超声波发射器利用逆压电效应制成发射元件，将高频电振动转换为机械振动产生超声波；超声波接收器利用正压电效应制成接收元件，将超声波机械振动转换为电信号。
2)按工作形式简单超声波传感器有专用型和兼用型两种形式，兼用型传感器是将发射（TX）和接收（RX）元件制作在一起，器件可同时完成超声波的发射与接收；专用型传感器的发送（TX）和接收（RX）器件各自独立。按结构形式有密封性和开放型，超声波传感器上一般标有中心频率（23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz），表示传感器工作频率。
3)（略)
补充： 利用超声波测厚的基本方法是什么？已知超声波在工件中的声速为5640m/s，测得的时间间隔t为22?s，试求工件厚度
11.4
1）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：??5640m/s,t1?t2?22?s
由?t?2?h/?，得到工件厚度?h??t?/2?62.04m第8章 光电效应及器件
8.1什么是内光电效应？什么是外光电效应？说明其工作原理并指出相应的典
型光电器件。
8.1答：当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现象称为光电效应。
1）当光线照在物体上,使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应，典型的光电器件有光敏电阻；光照时物体中能产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应，光电池、光敏晶体管。
2）在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，典型的光电器件有光电管、光电倍增管。
8.2普通光电器件有哪几种类型？各有何特点？利用光电导效应制成的光电器件有哪些？用光生伏特效应制成的光电器件有哪些？8.2答：（略）
8.4什么是光敏电阻的亮电阻和暗电阻？暗电阻电阻值通常在什么范围？
8.4答：
暗电阻，无光照时的电阻为暗电阻，暗电阻电阻值范围一般为0.5～200MΩ； 亮电阻、受光照时的电阻称亮电阻，亮电阻的阻值一般为0.5～20KΩ。
8.8何为光电池的开路电压及短路电流？为什么作为检测元件时要采用短路电
流输出形式，作为电压源使用时采用开路电压输出形式？
8.8答：
1）光生电动势与照度之间关系为开路电压曲线，短路电流是指外接负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流值。
2）短路电流曲线在很大范围内与光照度成线性关系，因此光电池作为检测元件使用时，一般不作电压源使用，而作为电流源的形式应用。而开路电压与光照度关系在照度为2000lx以上趋于饱和呈非线性关系，因此适于作电压源使用。
8.15光电传感器控制电路如图8-53所
示，试分析电路工作原理：① GP—IS01是什么器件，内部由哪两种器件组成？② 当用物体遮挡光路时，发光二极管LED有什么变化？③ R1是什么电阻，在电路中起到什么作用？如果VD二极管的最大额定电流为60mA， R1应该如何选择？④ 如果GP—IS01中的VD二极管反向连接，电路状态如何？晶体管VT 、LED如何变化？
图8-53
8.15电路分析：
1）GP—IS01是光电开关器件，内部由发光二极管和光敏晶体管组成；
2）当用物体遮挡光路时，Vg无光电流VT截止，发光二极管LED不发光；
3）R1是限流电阻，在电路中可起到保护发光二极管VD的作用；如果VD二极管的最大额定电流为60mA，选择电阻大于R1 =（12V-0.7）/0.6 = 18.8Ω。
4）如果GP—IS01中的VD二极管反向连接，Vg无光电流VT截止，发光二极管LED不发光；电路无状态变化。
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