《傳感器與檢測技術(shù)》習(xí)題答案--周杏鵬

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傳感器與檢測技術(shù)習(xí)題答案 第一章 1.1 答：隨著我國工業(yè)化、信息化步伐加快，現(xiàn)代化建設(shè)中的各行各業(yè)高效生產(chǎn)對傳感器也檢測技術(shù)的依賴逐步加深。比如：先進(jìn)的傳感器技術(shù)助力現(xiàn)代化石油鉆井平臺建設(shè)。 為了能夠可靠地采集鉆井平臺鈷機(jī)塔架上運(yùn)動部件的終點(diǎn)位置，使用了感應(yīng)式傳感器。在整個新型鉆井中共使用了60個這樣的感應(yīng)式傳感器，方形的接近開關(guān)對鋼質(zhì)目標(biāo)的感應(yīng)距離增大到20mm, 滿足了近海海上勘探工作環(huán)境極為惡劣的所有要求。 1.2 被測對象 傳感器 信號調(diào)理 數(shù)據(jù)采集 信號處理 輸入設(shè)備 信號存儲 信號輸出 信號顯示 穩(wěn)壓電源 答：自動檢測系統(tǒng)組成框圖如下： 對于傳感器，一般要求是： ①準(zhǔn)確性：輸出信號必須反映其輸入量，即被測量的變化。因此，傳感器的輸出與輸入關(guān)系必須是嚴(yán)格的單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性關(guān)系。 ②穩(wěn)定性：傳感器的輸入、輸出的單值函數(shù)關(guān)系最好不隨時間和溫度二變化，受外界其他因素的干擾影響亦很小，重復(fù)性要好。 ③靈敏度：即被測參量較小的變化就可使傳感器獲得較大的輸出信號。 ④其他：如耐腐蝕性、功耗、輸出信號形式、體積、售價等。 1.3 答：功能： 信號調(diào)理：在檢測系統(tǒng)中的作用是對傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行檢波、轉(zhuǎn)換、濾波、放大等，以方便檢測系統(tǒng)后續(xù)處理或顯示。 信號處理：信號處理時自動檢測儀表，檢測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和各種控制的中樞環(huán)節(jié)，其作用和人類的大腦相類似。 區(qū)別： 信號調(diào)理作用是把信號規(guī)格化，濾除干擾，信號處理則是提取信號中的信息，并對這些信息按照功能要求進(jìn)行處理?？梢哉f，信號調(diào)理是進(jìn)行信號處理的基礎(chǔ)。 組成： 信號調(diào)理：信號放大、信號濾波、A/D轉(zhuǎn)換 信號處理：主要是各種信號的嵌入式微控制器、專用高速數(shù)據(jù)處理器（DSP）等 1.4 答：分類見表1-1(P8) 1.5 答：按照被測參量分類，可以分成測量：電工量、熱工量、機(jī)械量、物性和成分量、光學(xué)量、狀態(tài)量等。 1.6 答：1.不斷拓展測量范圍，提高管檢測精度和可靠性 2重視非接觸式檢測技術(shù)研究 3檢測系統(tǒng)智能化 第二章 2.1 答：隨機(jī)誤差：檢測儀器或者測量過程中某些未知或無法控制的隨機(jī)因素（如儀器某些原件器件性能不穩(wěn)定、外界溫度、濕度變化，空中電磁波擾動等）綜合作用的結(jié)果。隨機(jī)誤差的變化通常難以預(yù)測，因此也無法通過實(shí)驗(yàn)的方法確定、修正和消除。但是通過足夠多的測量比較可以發(fā)現(xiàn)隨機(jī)誤差服從某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律。從而進(jìn)行消除。 系統(tǒng)誤差：產(chǎn)生原因大體有：測量所用的工具本身性能不完善或者安裝、布置、調(diào)整不當(dāng)；在測量過程中的溫度濕度、氣壓、電磁干擾等環(huán)境條件發(fā)生變化；測量方法不完善、或者測量所依據(jù)的理論本身不完善；操作人員視讀方式不當(dāng)?shù)?。系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因和變化規(guī)律一般可以通過實(shí)驗(yàn)和分析查出，因此系統(tǒng)誤差可以設(shè)法確定并消除。 粗大誤差：一般由外界重大干擾或者儀器故障或不正確的操作引起。存在粗大誤差的測量值一般容易發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)后應(yīng)當(dāng)立即剔除。 2.2 答：工業(yè)檢測儀器（系統(tǒng)）常以最大引用誤差作為判斷其準(zhǔn)確度等級的尺度，儀表準(zhǔn)確度習(xí)慣上稱精度，準(zhǔn)確度等級習(xí)慣稱為精度等級。人為規(guī)定，取最大引用誤差百分?jǐn)?shù)的分子作為檢測儀器（系統(tǒng)）精度等級的標(biāo)志，即用最大引用誤差去掉正負(fù)號和百分比號后的數(shù)字來表示精度等級。 2.3 答：20*0.005=0.1（V） 150*0.001=0.15（V） 由計(jì)算結(jié)果知，表一不僅有更小的絕對誤差，并且其量程對于測量5V的電壓更合理。所以選擇表一。 2.4 答：馬利科夫準(zhǔn)則 X = 28.0300 28.0100 27.9800 27.9400 27.9600 28.0200 28.0000 27.9300 27.9500 27.9000 = 0.0580 0.0380 0.0080 -0.0320 -0.0120 0.0480 0.0280 -0.0420 -0.0220 -0.0720 D=0.12> 所系系統(tǒng)存在線性系統(tǒng)誤差 阿貝—赫梅特準(zhǔn)則 A=0.0047 =0.00166 A=0.0047<=0.0054 系統(tǒng)中不存在周期性系統(tǒng)誤差 2.5 ①要求的概率，已知標(biāo)準(zhǔn)差=1.5 經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布變換， , , =1.8667≈1.87 經(jīng)過查表可知 φ(x) x 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 x 0 0.5 0.504 0.508 0.512 0.516 0.5199 0.5239 0.5279 0.5319 0.5359 0.1 0.5398 0.5438 0.5478 0.5517 0.5557 0.5596 0.5636 0.5675 0.5714 0.5753 0.2 0.5793 0.5832 0.5871 0.591 0.5948 0.5987 0.6026 0.6064 0.6103 0.6141 0.3 0.6179 0.6217 0.6255 0.6293 0.6331 0.6368 0.6406 0.6443 0.648 0.6517 0.4 0.6554 0.6591 0.6628 0.6664 0.67 0.6736 0.6772 0.6808 0.6844 0.6879 0.5 0.6915 0.695 0.6985 0.7019 0.7054 0.7088 0.7123 0.7157 0.719 0.7224 0.6 0.7257 0.7291 0.7324 0.7357 0.7389 0.7422 0.7454 0.7486 0.7517 0.7549 0.7 0.758 0.7611 0.7642 0.7673 0.7703 0.7734 0.7764 0.7794 0.7823 0.7852 0.8 0.7881 0.791 0.7939 0.7967 0.7995 0.8023 0.8051 0.8078 0.8106 0.8133 0.9 0.8159 0.8186 0.8212 0.8238 0.8264 0.8289 0.8315 0.834 0.8365 0.8389 1 0.8413 0.8438 0.8461 0.8485 0.8508 0.8531 0.8554 0.8577 0.8599 0.8621 1.1 0.8643 0.8665 0.8686 0.8708 0.8729 0.8749 0.877 0.879 0.881 0.883 1.2 0.8849 0.8869 0.8888 0.8907 0.8925 0.8944 0.8962 0.898 0.8997 0.9015 1.3 0.9032 0.9049 0.9066 0.9082 0.9099 0.9115 0.9131 0.9147 0.9162 0.9177 1.4 0.9192 0.9207 0.9222 0.9236 0.9251 0.9265 0.9278 0.9292 0.9306 0.9319 1.5 0.9332 0.9345 0.9357 0.937 0.9382 0.9394 0.9406 0.9418 0.943 0.9441 1.6 0.9452 0.9463 0.9474 0.9484 0.9495 0.9505 0.9515 0.9525 0.9535 0.9545 1.7 0.9554 0.9564 0.9573 0.9582 0.9591 0.9599 0.9608 0.9616 0.9625 0.9633 1.8 0.9641 0.9648 0.9656 0.9664 0.9671 0.9678 0.9686 0.9693 0.97 0.9706 1.9 0.9713 0.9719 0.9726 0.9732 0.9738 0.9744 0.975 0.9756 0.9762 0.9767 在區(qū)間概率等P=0.9693*2-1=0.9386 ② 按照95%的置信區(qū)間概率查找標(biāo)準(zhǔn)正太分布表，得到P=0.975(X=1.96)， 由公式得到區(qū)間應(yīng)該為[-1.96,+1.96]=[505.2960,514.7040] 2.6 未剔除前 ， 當(dāng)a=0.05， =[23 ,12 ,60 ,9 ,30 ,3 ,20 ,6 ,12 ,5] =52.81 根據(jù)Grubbs準(zhǔn)則，將243剔除 剔除以后， ， 2.7 ， 查找標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表得到當(dāng)置信區(qū)間P=0.98，X=2.33 經(jīng)過變換得到區(qū)間為[909.8-9.4, 909.8+9.4] 2.8 答：測量誤差總是客觀存在的，但是真值一般是無法準(zhǔn)確得到的，因此也就不可能準(zhǔn)確的知道測量誤差的準(zhǔn)確值，由此引出測量不確定度的概念。 2.9 答：A類不確定度的評定時應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的方法，一般對同一被測參量進(jìn)行n次等精度測量得到。 B類不確定度是在測量次數(shù)較少，不能用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算測量結(jié)果的不確定度時。 2.10 ， =1/3*0.42=0.14(cm) =0.17(cm) 選取置信率為P=0.95，k=1.65 則U=k*=0.28(cm) 該工件結(jié)果為 X=18.20.3（cm）（P=0.95） 第三章 3.1 答：測量范圍：是傳感器或檢測儀器按規(guī)定的精度對被測變量進(jìn)行測量的允許范圍。 上下限：測量范圍的最小值和最大值分別稱為測量下限和測量上限。 量程：用來表示測量范圍大小，用測量上限和下限值的代數(shù)差表示。 關(guān)系：給出傳感器或者檢測儀器的測量范圍便值其測量上下限及量程，反之只給出傳感器或者檢測儀器的量程，卻無法確定其上下限及測量范圍。 3.2 答：靈敏度：是指測量系統(tǒng)在靜態(tài)測量時，輸出量的增量與輸入量的增量之比。 分辨力：輸出量發(fā)生變化時，輸入量的最小變化量 二者不存在必然聯(lián)系。 3.3 答：有理論直線法、端基法和最小二乘法。精度最高的是最小二乘法，，最差的是理論直線法。 3.4 答：對于一階系統(tǒng)，決定于時間常數(shù)，對于二階系統(tǒng)，取決于固有角頻率，阻尼比，放大倍數(shù)k.。對于一個系統(tǒng)而言，延遲時間、上升時間，響應(yīng)時間，峰值時間等，是一個系統(tǒng)動態(tài)性能好壞的反映。 3.5 答： 幅度特性表達(dá)式為 ，誤差為11% ，誤差為14% 3.6 答：不失真測量，需要檢測系統(tǒng)的頻率響應(yīng)形為： 3.7 答：條件：沒有加速度、振動、沖擊及室溫環(huán)境（205 C），相對濕度不大于85%，大氣壓力為（1017）kPa。 步驟：略（P54） 3.8 略 3.9 答：主要因素：略（見P57） 可靠性指標(biāo)：可靠度、失效率、平均壽命。 第四章 4.1 答：金屬電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)是指金屬材料的電阻相對變化與其線應(yīng)變成正比的這種效應(yīng)。 金屬電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)是指公式中電阻應(yīng)變量與幾何應(yīng)變量之間的比例系數(shù)。 同理，由教程公式（4-9）知半導(dǎo)體絲材的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為： 4.2 答：橫向效應(yīng)：將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化要比直的金屬絲要小；橫向效應(yīng)使得測試的靈敏系數(shù)降低了；為了減小橫向效應(yīng)的影響可采用短接式或直角式橫柵，采用箔式應(yīng)變片也可有效地克服橫向效應(yīng)的影響。 4.3 答：電阻應(yīng)變片溫度誤差是指當(dāng)應(yīng)變片的工作溫度變化時應(yīng)變計(jì)的輸出會在正常輸出基礎(chǔ)上發(fā)生偏移的效應(yīng)。 產(chǎn)生原因主要有兩點(diǎn)：（1）溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變。（2）試件材料與敏感材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變。 補(bǔ)償方法可采用3中方法：（1）應(yīng)變片自補(bǔ)償可采用單絲自補(bǔ)償或者雙絲自補(bǔ)償（2）橋路補(bǔ)償法（3）熱敏電阻補(bǔ)償法。 4.4 答：直流電橋的基本形式如教程P75圖4-10所示。 按橋臂工作方式的不同可分為：單臂工作電橋、雙臂工作電橋和全臂工作電橋，分別如圖本教材4-12、4-14、4-15所示。 電壓輸出計(jì)算公式： 單臂工作電橋： 其中。此公式是忽略次要因素的簡化公式。 雙臂工作電橋：，此公式為精確公式。 全臂工作電橋：，此公式為精確公式。 4.5 解：楊氏模量…………（1） …………（2） 由公式（1）（2）得：= 4.6 解： 由圖（a)所示，當(dāng)重力F作用梁端部后，梁上表面R1和R3產(chǎn)生正應(yīng)變電阻變化而下表面R2和R4則產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變電阻變化，其應(yīng)變絕對值相等。 4.7 解：如圖﹙ａ﹚所示等截面懸梁臂，在外力F作用下，懸梁臂產(chǎn)生變形，梁的上表面受拉應(yīng)變，而梁的下表面受壓應(yīng)變。當(dāng)選用四個完全相同的電阻應(yīng)變片組成差動全橋電路，則應(yīng)變片如圖﹙ｂ﹚所示粘貼。 （a）等截面懸臂梁 (b)應(yīng)變片粘貼方式 (c)測量電路 電阻應(yīng)變片所構(gòu)成的差動全橋電路接線如圖3-4﹙ｃ﹚所示， 所受應(yīng)變方向相同，所受應(yīng)變方向相同，但與所受應(yīng)變方向相反。 該電路可采用橋路補(bǔ)償法克服溫度誤差。 4.8 答：① 變極距型電容傳感器, 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20～100pF之間，極板間距離在25～200mm的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測量中應(yīng)用最廣。 ②變面積型電容式傳感器，能夠進(jìn)行力、位移和轉(zhuǎn)角的測量。 ③變介質(zhì)型電容式傳感器，變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。 4.9 答：電容式傳感器的測量電路主要有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大式電路、二極管雙T形電路、差動脈沖調(diào)寬電路等。 調(diào)頻電路特點(diǎn)： （1）轉(zhuǎn)換電路生成頻率信號，可遠(yuǎn)距離傳輸不受干擾。 （2）具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm級位移變化量。 （3）但非線性較差，可通過鑒頻器（頻壓轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)化為電壓信號后，進(jìn)行補(bǔ)償。 運(yùn)算放大式電路特點(diǎn)： （1）解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題 （2）要求Zi及放大倍數(shù)足夠大 （3）為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容穩(wěn)定 （4）由于Cx變化小，所以該電路實(shí)現(xiàn)起來困難 （5）輸入阻抗高（避免泄漏）、放大倍數(shù)大（接近理想放大器） 二極管雙T形電路特點(diǎn)和使用要求參見本教材P92~p93。 差動脈沖調(diào)寬電路特點(diǎn)參見本教材P94。 4.10 答：改變傳感器總的電容量，甚至有時遠(yuǎn)大于應(yīng)該傳遞的信號引起的電容的變化；使傳感器電容變的不穩(wěn)定，易隨外界因素的變化而變化?？梢圆扇§o電屏蔽措施和電纜驅(qū)動技術(shù)。 4.11 邊緣效應(yīng)使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性，絕緣結(jié)構(gòu)可消除邊緣效應(yīng)的影響；屏蔽和電纜，消除寄生電容的影響，抗干擾。 解決辦法：1、驅(qū)動電纜法；2、整體屏蔽法；3、采用組合式與集成技術(shù)。 4.12 答：采用可以差動式結(jié)構(gòu)，可以使非線性誤差減小一個數(shù)量級，且非線性誤差大為減小。由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，它還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。 4.13 答: 參見本教材P93~P94。 4.14 答：低頻時容抗較大，傳輸線的等效電感L和電阻R可忽略。而高頻時容抗減小，等效電感和電阻不可忽略，這時接在傳感器輸出端相當(dāng)于一個串聯(lián)諧振，有一個諧振頻率存在，當(dāng)工作頻率諧振頻率時，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振對傳感器的輸出起破壞作用，使電路不能正常工作。通常工作頻率10MHz以上就要考慮電纜線等效電感的影響。 4.15 解：變極距平板型電容傳感器輸出的線性表達(dá)式 忽略高階項(xiàng)非線性表達(dá)式為 線性度 由題意得測量允許變化量 4.16 解： 4.17 答：電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來成為一個極，而帶材就是電容的另一個極，其總電容為C1+C2，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來，經(jīng)過放大即可由電表指示測量結(jié)果。 4.18 答：電感式傳感器種類：自感式、渦流式、差動式、變壓式、壓磁式、感應(yīng)同步器。工作原理：自感、互感、渦流、壓磁。詳細(xì)參看教材相關(guān)章節(jié)。 4.19 答：略 4.20 答：略 4.21 解： =16mH 4.22 答：電渦流效應(yīng)：有一通以交變電流的傳感器線圈，其周圍產(chǎn)生一個交變磁場H1。使該磁場范圍內(nèi)的被測導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流，將產(chǎn)生一個新磁場H2，H2與H1方向相反，力圖削弱原磁場H1,從而導(dǎo)致線圈的電感L、阻抗Z和品質(zhì)因數(shù)Q發(fā)生變化。測量原理：通過等效電路分析，能夠引起這三者變化的因素有，傳感器線圈與導(dǎo)體之間的距離x，導(dǎo)體的幾何形狀，導(dǎo)體的材質(zhì)，控制其中某一個參數(shù)改變，余者皆不變，就能構(gòu)成測量該參數(shù)的傳感器，例如位移測量、探傷、材質(zhì)檢測、測厚等。測量電路：被測量引起變化的電參量有：線圈電感L、阻抗Z、或品質(zhì)因數(shù)Q值，針對不同參量測量電路有三種：諧振電路、電橋電路、Q值測試電路 4.23 答：特點(diǎn)見本教材P107頁第二段。原理圖見本教材P112圖4-63。 第五章 5.1 答：當(dāng)固體在某一方向上承受應(yīng)力時，電阻率發(fā)生顯著變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。 單位應(yīng)力作用下電阻率的相對變化稱為壓阻系數(shù)。 晶向的表示方法有兩種，一種是截距法，一種是法線法。 5.2 答：一些離子型晶體電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向受到機(jī)械力作用而產(chǎn)生形變時，就會引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個相對表面上出現(xiàn)符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。當(dāng)在電介質(zhì)方向施加電廠時，這些電解質(zhì)也會產(chǎn)生幾何形變，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。 通常把沿壓電晶體電軸方向的力作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸方向的力作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)” 5.3 答：石英晶體俗稱水晶，有天然和人工之分，天然結(jié)構(gòu)的石英晶體是一個正六邊形的晶柱。 其z軸稱為光軸，也成為中性軸，當(dāng)光線沿此軸通過石英晶體時，無折射； 經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的X軸稱為電軸，在垂直于此軸的面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)； 與X軸、Z軸垂直的Y軸稱為機(jī)械軸，在電廠的作用下，沿該軸方向的機(jī)械形變最明顯。 5.4 答：圖見圖5-15 P128。 當(dāng)壓電晶體受機(jī)械應(yīng)力作用時，在它的兩個極化面上出現(xiàn)極性相反電量相等的電荷。故壓電器件實(shí)際上是一個電荷發(fā)生器。同時它也是一個電容器，晶片上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)。 基于以上分析，壓電傳感器可以等效為一個與電容相并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。 5.5 答：參見 5.2.2 等效電路及測量電路中的第二節(jié) 測量電路。 5.6 答：壓電式加速度傳感器主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。 當(dāng)加速度傳感器和被測量物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，此時力作用在壓電原件上，因而產(chǎn)生電荷，當(dāng)傳感器一旦確定，則電荷與加速度成正比。因此通過測量電路測得電荷的大小，即可知道加速度的大小。 5.7 答：光照射在物體上就可以看做是一連串的具有能量的粒子轟擊在物體上，這時物體吸收了光子能量后將引起電效應(yīng)。這種因?yàn)槲樟斯饽芎筠D(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)就稱為光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和阻擋層光電效應(yīng)三種類型。 基于外光電效應(yīng)原理工作的光電器件有光電管和光電倍增管。 基于內(nèi)光電效應(yīng)原理工作的光電器件有光敏電阻和反向偏置工作的光敏二極管和光敏三極管。 基于阻擋層效應(yīng)原理工作的光電器件有光電池。 5.8 答：電容式傳感器可分為以下幾種： 變極矩型電容傳感器：量程遠(yuǎn)小于極板間初始距離是，可認(rèn)為電容的變化量與距離呈線性關(guān)系。 變面積型電容式傳感器：電容的變化量與面積的變化量呈線性關(guān)系。 變介質(zhì)型電容傳感器：電容量的變化與被測介質(zhì)的移動量呈線性關(guān)系。 5.9 答：調(diào)頻電路：調(diào)頻測量電路是吧電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。 運(yùn)算放大器式電路：運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離呈線性關(guān)系，從而克服了變間隙式電容傳感器的非線性問題。注意的是運(yùn)算放大器要求具有足夠大的放大倍數(shù)，而且輸入阻抗很高。 雙T二極管型電路：電源，傳感器電容、負(fù)載均可同時在一點(diǎn)接地；非線性失真小；電源頻率需要穩(wěn)定；輸出電壓較高等； 5.10 答：光敏電阻：純粹電阻元件，阻值隨光照增加而減少，無光照時，光敏電阻阻值很大，電路中的電流很??；當(dāng)受到一定波長范圍內(nèi)的光照時，它的阻值急劇減小，電路中的電流迅速增大。 光敏二極管：在電路中光敏二極管一般處于反向工作狀態(tài)，處于反向偏置的PN結(jié)，在無光照時具有高阻特性，反向暗電流很小。當(dāng)有光照時，在結(jié)電場作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動，空穴向P區(qū)運(yùn)動，形成光電流，方向與反向電流一致。光的照度愈大，光電流愈大。由于無光照時的反偏電流很小，因此光照時的反方向電流基本與光強(qiáng)成正比。 光敏晶體管具有兩個PN結(jié)，可以看成是一個bc結(jié)為光敏二極管的三極管。在光照作用下，二極管將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，該電流信號被三極管放大。 光電池：基于光生伏打特效制成，是自發(fā)式有源器件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。 5.11 答：光照強(qiáng)度指單位面積上所接受可見光的能量。 光電器件的靈敏度可用光照特性來表征，它是指半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的光電流(光電壓)與光照之間的關(guān)系。 光電器件的光譜特性是指相對靈敏度與入射光波長之間的關(guān)系，又稱為光譜響應(yīng)。 5.12 答：略。 第六章 6.1 答：磁敏傳感器是把磁物理量轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，大多是基于載流子在磁場中受洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)的機(jī)理實(shí)現(xiàn)對相關(guān)物理量的信號檢測。 6.2 答：當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。 霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。 6.3 答：激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻，霍爾電極輸出電勢對外部電路來說相當(dāng)于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零、環(huán)境溫度為攝氏度時所確定的，實(shí)際阻值會隨著溫度的不同而變化。 6.4 答：當(dāng)霍爾元件通以額定激勵電流時，如果所處磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，那么它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這是測得的空載電勢稱為不等位電勢。不等位電勢可以用不等位電阻表示。不等位電勢就是激勵電流流經(jīng)不等位電阻所產(chǎn)生的電壓。 6.5 答：產(chǎn)生不等位電勢的原因主要有：霍爾電極安裝位置不對稱或不在通以等電位面上。此外，材質(zhì)不均勻、幾何尺寸不均勻等原因?qū)Σ坏任浑妱菀灿幸欢ǖ挠绊憽? 補(bǔ)償：可以把霍爾元件等效為電橋電路，根據(jù)測量判斷應(yīng)在某一橋臂上并連上一定的電阻。 6.6 答：霍爾元件與一般半導(dǎo)體期間一樣，對溫度變化十分敏感。這是由于半導(dǎo)體材料的電阻率，遷移率，遷移率和載流子濃度等隨溫度變化的緣故。霍爾元件的靈敏度稀疏是溫度的函數(shù)，它隨溫度變化將引起霍爾電勢的變化。 6.7 答：影響溫度特性的因素有半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等。 選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施，還可以采用恒流源供電，減少由于輸入電阻隨溫度變化引起的激勵電流變化所帶來的印象，此外補(bǔ)償電路也可以起到作用。 6.8 答：略。 6.9 答：略。 6.10 答：濕度是表示大氣中水汽含量的物理量。它有兩種表示方法。 絕對濕度：指單位體積大氣中水汽的質(zhì)量。 相對濕度：指某一被測氣體的絕對濕度與同一溫度下水蒸氣已達(dá)到飽和的氣體的絕對濕度之比。 6.11 答：濕度傳感器是指能將濕度轉(zhuǎn)換為與其成一定比例關(guān)系的電信號輸出的器件或裝置，通常是由濕敏元件及轉(zhuǎn)換電路組成。 種類：按輸出的電學(xué)量可分為電阻型、電容型和頻率型等；按照探測功能科分為絕對濕度型、相對濕度型；按材料可以分為陶瓷式、半導(dǎo)體式和電介質(zhì)、有機(jī)高分子式等；如果按水分子是否滲入固體內(nèi)可以分為“水分子親和力型”和“非分子親和力型”兩大類。 6.12 答：半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸收式，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附出。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時，吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附P型半導(dǎo)體上時，半導(dǎo)體的載流子減少，電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上時，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，半導(dǎo)體的載流子增多，電阻值下降。若氣體濃度發(fā)生變化，其組織也將變化。 6.13 答：用以將附著在敏感元件表面的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。 6.14 答：光在半導(dǎo)體中傳播時的衰減，是由于半導(dǎo)體帶加點(diǎn)字吸收管子而從價帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果，這種吸收光子的過程稱為本征吸收。實(shí)驗(yàn)表明，波長短的光子衰減較快，穿透深度較淺，而波長長的光子則能進(jìn)入硅的較深區(qū)域。通過進(jìn)一步的分析可以發(fā)現(xiàn)，淺的P-N結(jié)有較好的的藍(lán)紫光靈敏度，深的P-N結(jié)則有利于紅外靈敏度的提高。半導(dǎo)體色敏器件正是利用了這一特性。半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離已基本吸收完畢。因此淺結(jié)的那只光電二極管對紫外光的靈敏度高。而紅外部分吸收系數(shù)小，這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。因此深結(jié)的那只光電二極管對紅外光的靈敏度高。這就是說，在半導(dǎo)體中的不同區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL分別具有不同的靈敏度。正是由于這一種特性使得這種器件可以用于不同顏色的識別，也就是可以用來測量入射波長的波長。 半導(dǎo)體色敏傳感器具體應(yīng)用時，應(yīng)先對色敏器件進(jìn)行標(biāo)定，也就是說測定不同波長的光照射下器件中兩只光電二極管短路電流的比值。 第七章 7.1 答：紅外探測器種類有很多，按探測機(jī)理的不同，可分為“熱探測器”和“光子探測器”兩大類。 7.2 答：紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。紅外測溫儀的測溫原理是將物體發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變成電信號，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應(yīng)，根據(jù)轉(zhuǎn)變成電信號的大小，可以確定物體的溫度。 7.3 答：按波在介質(zhì)中的傳播方向，超聲波可以分為縱波、橫波和表面波。超聲波的傳播速度主要與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。在固體介質(zhì)中，縱波、橫波及表面波三者的聲速間有一定的關(guān)系：通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。在氣體介質(zhì)中縱波聲速為344m/s，液體介質(zhì)中縱波聲速為900~1900m/s。 7.4 答：略 7.5 答：光在纖芯和包層的界面上反復(fù)多次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端射出，從而實(shí)現(xiàn)了光在光纖內(nèi)的傳輸。入射角需要小于臨界角。 7.6 答：入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個角度α的正弦值就稱為光纖的數(shù)值孔徑（NA = sinα）。 7.7 答：略 7.8 答：光纖溫度傳感器主要由包括端部摻雜的光纖傳感頭、 Y型石英光纖傳導(dǎo)束、 超高亮發(fā)光二極管（LED）及驅(qū)動電路、光電探測器、熒光信號處理系統(tǒng)和輻射信號處理系統(tǒng)組成。測量原理主要是利用部分物質(zhì)吸收的光譜隨溫度變化而變化的原理，分析光纖傳輸?shù)墓庾V了解實(shí)時溫度。 7.9 答：略 7.10 答：按照記錄方式，核輻射探測器大體上分為計(jì)數(shù)器和徑跡室兩大類。它們利用了核輻射射線與物質(zhì)間相互作用，包括電離作用、散射與吸收等特性。 7.11 答：核輻射厚度傳感器又稱同位素厚度傳感器，它利用核輻射線進(jìn)行測量?？煞譃榇┩甘胶头瓷涫絻深悺４┩甘絺鞲衅饔赏凰睾溯椛湓春秃溯椛鋫鞲衅鹘M成。被測的塑料料板、紙板、橡皮板等材料在輻射源和傳感器之間經(jīng)過。當(dāng)射線穿過板材時，一些射線被板材吸收，使傳感器接收到的射線減弱。對于密度不變的材料，輻射吸收量隨厚度變化，因此可測出厚度。反射式核輻射厚度傳感器利用射線的彈性散射特性測量厚度。射線的反射強(qiáng)度是被測材料厚度的函數(shù)，因此測量反射強(qiáng)度就可確定厚度。 7.12 答：生物傳感器由生物敏感膜和變換器構(gòu)成，被測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)（物理、化學(xué)變化），產(chǎn)生物理、化學(xué)現(xiàn)象貨產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)，利用相應(yīng)的變換器將其轉(zhuǎn)換成量化的、可傳輸和處理的電信號。 7.13 答：將生物體內(nèi)具有奇特與敏感功能的生物物質(zhì)固定在基質(zhì)或載體上，就構(gòu)成了生物敏感膜。 7.14 答：生物敏感膜的固化是指將生物活性材料固定在載體（或稱基質(zhì)）上這一過程。常用的生物敏感膜固化技術(shù)主要有夾心法、吸附法、包埋法、供價連接法、交聯(lián)法。 第八章 8.1 答：垂直而均勻地作用在單位面積上的力稱為壓力。壓力可表示為p=F/S，在國際單位中壓力的單位為牛頓/平方米，用符號。壓力單位又稱為帕斯卡或簡稱帕，符號為Pa，。因帕單位太小，工程上常用千帕或者兆帕表示。 8.2 解：容器頂部處的絕對壓力為 容器底部處的絕對壓力為 頂部和底部間的差壓為 8.3 答：彈簧管壓力計(jì)主要是利用彈簧管的形變通過變換放大機(jī)構(gòu)帶動指示機(jī)構(gòu)給出壓力示值。彈簧管壓力計(jì)主要由彈簧管、扇形齒輪、拉桿、底座、中心齒輪、游絲、表盤、指針、調(diào)節(jié)開口槽等組成。 8.4 答：為提高彈簧管壓力計(jì)靈敏度，可以采用多圈彈簧管。 8.5 答：雙波紋管式壓差計(jì)的波紋管內(nèi)充滿液體是為了用來傳遞壓力。 8.6 答：諧振式壓力傳感器是靠被測壓力所形成的應(yīng)力改變彈性元件的諧振頻率，通過測量頻率信號的變化來檢測壓力。這種信號特別適合與計(jì)算機(jī)配合使用，組成高精度的測量、控制系統(tǒng)。 8.7 答：選擇壓力檢測儀表應(yīng)根據(jù)具體的情況，在滿足生產(chǎn)工藝對壓力檢測要求的情況下，本著節(jié)約的原則，合理地選擇壓力儀表的類型、量程、精度等級等。 8.8 解：設(shè)壓力表量程為A，則根據(jù)最大工作壓力有 根據(jù)最小工作壓力用 故根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為0~2.5MPa的壓力表。 由題意可知，被測壓力所允許的最大絕對誤差為 儀表精度等級的選取應(yīng)使得其最大引用誤差不超過允許測量誤差。對于測量范圍0~2.5MPa的壓力表，其最大引用誤差為 故選取2.5級的壓力表。 8.9 解：設(shè)壓力表量程為A，由題意可知。被測壓力平穩(wěn)變化 故選取測量范圍為0~9MPa的壓力表。 要求測量誤差不超過0.06MPa，故最大引用誤差為 故選取精度等級為1.0級的儀表。 8.10 答：略。 8.11 答：要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的壓力測量需要準(zhǔn)確的壓力儀表，并且根據(jù)具體被測介質(zhì)、管路和環(huán)境條件，選取適當(dāng)?shù)娜狐c(diǎn)、正確安裝引壓管路和測量儀表。 8.12 答：壓力變送器的作用是將壓力傳感器的輸出通過一定的變送電路轉(zhuǎn)換成形式和數(shù)值范圍都符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的信號。 設(shè)所測差壓是xMPa，則 解得 所以所測差壓為1.1MPa。 8.13 答：感壓元件前的引壓管道和空腔的存在會引起壓力信號的衰減和相位滯后，這會使整個測量系統(tǒng)的響應(yīng)速度大大低于傳感器的響應(yīng)速度，造成動態(tài)壓力測量的嚴(yán)重失真，因此必須予以考慮。 第九章 9.1 經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)主要有（1）華氏溫標(biāo)（2）攝氏溫標(biāo)；華氏溫標(biāo)定義：標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀溫度計(jì)，選取氯化銨和冰水混合物的溫度為零度，選取人體溫度為100度。水銀體積膨脹被分為100份，對應(yīng)每份的溫度為1華氏度，單位為“F”。攝氏溫標(biāo)定義：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰水混合物的溫度為0度，水的沸點(diǎn)為100度，中間劃分為100等份，每等份為1℃。 9.2 經(jīng)國際協(xié)議產(chǎn)生的國際實(shí)用溫標(biāo)，其指導(dǎo)思想是要它盡可能地接近熱力學(xué)溫標(biāo)，復(fù)現(xiàn)精度高，且使用于復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，制作較容易，性能穩(wěn)定，使用方便，從而使各國均能以很高的準(zhǔn)確度復(fù)現(xiàn)該溫標(biāo)，保證國際上溫度量值的統(tǒng)一。 9.3 把整個溫標(biāo)分成4個溫區(qū)，其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器如下：①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽溫度計(jì)；②3.0—24.5561K，用3He和4He定容氣體溫度計(jì)；③13.803K—961.78℃，用鉑電阻溫度計(jì)；④961.78℃以上，用光學(xué)或光電高溫計(jì)。 9.4 通常分為接觸式與非接觸式兩大類；特點(diǎn)見P209，表9-2。 9.5 （1）優(yōu)良的熱電特性（2）良好的物理特性（3）優(yōu)良的化學(xué)性能（4）優(yōu)良的機(jī)械性能（5）足夠的機(jī)械強(qiáng)度和長的使用壽命（6）制造成本低，價格比較便宜 9.6 雙金屬溫度計(jì)的工作原理是利用二種不同溫度膨脹系數(shù)的金屬，為提高測溫靈敏度，通常將金屬片制成螺旋卷形狀，當(dāng)多層金屬片的溫度改變時，各層金屬膨脹或收縮量不等，使得螺旋卷卷起或松開。由于螺旋卷的一端固定而另一端和可以自由轉(zhuǎn)動的指針相連，因此，當(dāng)雙金屬片感受到溫度變化時，指針即可在一圓形分度標(biāo)尺上指示出溫度來。參見P212；通常用在測溫和控溫精度不高的場合。 9.7 熱敏電阻和熱電阻相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：①靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大1～2個數(shù)量級；②標(biāo)稱電阻有幾歐到十幾兆歐之間的不同型號、規(guī)格，可很好地與各種電路匹配，而且遠(yuǎn)距離測量時幾乎無需考慮連線電阻的影響；③體積小(最小珠狀熱敏電阻直徑僅0.1～0.2 mm)，可用來測量“點(diǎn)溫”。④熱慣性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測量場合。⑤結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，能承受較大的沖擊、振動；采用玻璃等材料密封包裝后，可應(yīng)用于有腐蝕性氣氛等的惡劣環(huán)境；⑥資源豐富，制作簡單、可方便地制成各種形狀，易于大批量生產(chǎn)，成本和價格十分低廉。 9.8 熱電阻的外引線有兩線制、三線制及四線制三種；比較見P215。 9.9 1070.479℃ 9.10 它的主要優(yōu)點(diǎn)是: ①測量范圍寬，鎧裝熱電偶規(guī)格多，品種齊全，適合于各種測量場合，在—200~160℃溫度范圍內(nèi)均能使用;②響應(yīng)速度快，與裝配式熱電偶相比，因?yàn)橥鈴郊?xì)，熱容量小，故微小的溫度變化也能迅速反應(yīng)，尤其是微細(xì)鎧裝熱電偶更為明顯，露端鎧裝熱電偶的時間常數(shù)只有 0.01S;③撓性好，安裝使用力便，鎧裝熱電偶材料可在其外徑5倍的圓柱體上繞5圈，并可在多處位置彎曲; ④使用壽命長，普通熱電偶易引起熱電偶劣化，斷線等事故，而鎧裝熱電偶用氧化鎂絕緣，氣密性好，致密度高，壽命長;⑤機(jī)械強(qiáng)度，耐壓性能好，在有強(qiáng)烈震動、低溫、高溫、腐蝕性強(qiáng)等惡劣條件下均能安全使用，鎧裝熱電偶最高可承受36kN/cm2的壓力; ⑥鎧裝熱電偶外徑尺寸范圍寬，鎧裝熱電偶材料的外徑范圍: 0.25~8mm，特殊要求時可提供直徑達(dá)12mm 的產(chǎn)品; ⑦鎧裝熱電偶的長度可以做得很長，鎧裝熱電偶材料的最大長度可達(dá)500m。 9.11 若實(shí)際物體在某一波長下的光輻射度 (即光譜輻射亮度) 與絕對黑體在同一波長下的光譜輻射度相等,則黑體的溫度被稱為實(shí)際物體在該波長下的亮度溫度；物體輻射線的波長λ1與λ2處的單色輻射率分別為ε1與ε2，與溫度為Tc的黑體的相應(yīng)輻射率相等時，此黑體的溫度Tc稱為該物體的顏色溫度或比色溫度；比色高溫計(jì)測量相對比值的精度總高于測量它們絕對值的精度，另外對環(huán)境要求低，接近真實(shí)溫度，因而準(zhǔn)確度通常較高。 第十章 10.1 答： 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，流體的流量是一個重要的參數(shù)。流量檢測的主要任務(wù)有兩類：一是為流體工業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低成本以及水利工程和環(huán)境保護(hù)等做必要的流量檢測和控制，二是為流體貿(mào)易結(jié)算、儲運(yùn)管理和污水廢氣排放控制等做總量計(jì)量。 10.2 答：瞬時流量： 所謂流量，是指單位時間內(nèi)流體經(jīng)過管道或明渠某橫截面的數(shù)量，又稱瞬時流量。當(dāng)流體以體積表示時稱為體積流量，以質(zhì)量表示時成為質(zhì)量流量。在工業(yè)生產(chǎn)中，瞬時流量是涉及流體介質(zhì)的工藝流程中為保持均衡穩(wěn)定的生產(chǎn)和保證產(chǎn)品質(zhì)量而需要調(diào)節(jié)和控制的重要參量。 累積流量： 在工程應(yīng)用中，往往需要了解在某一時間段內(nèi)流郭某截面積流體的總量，即累積流量。累積流量是有關(guān)流體介質(zhì)的貿(mào)易、分配、交接、供應(yīng)等商業(yè)性活動中所必知的參數(shù)之一，是計(jì)價、結(jié)算、收費(fèi)的基礎(chǔ)。 10.3 答：根據(jù)牛頓的研究，流體運(yùn)動過程中阻滯剪切變形的黏滯力與流體的速度梯度和接觸面積成正比，并且與流體黏性有關(guān)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式： F=μAdudy 服從牛頓黏性定律的流體成為牛頓流體，比如水、輕質(zhì)油、氣體等。 10.4 答：管內(nèi)流體有層流和紊流兩種性質(zhì)截然不同的流動狀態(tài)。層流中流體沿軸向作分層平行流動，各流層質(zhì)點(diǎn)沒有垂直于主流方向的橫向運(yùn)動，互補(bǔ)混雜，有規(guī)律的流線，層流狀態(tài)流體流量與流體壓力降成正比；紊流狀態(tài)管內(nèi)流體不僅有軸向運(yùn)動，而且還有劇烈的無規(guī)律的橫向運(yùn)動，紊流狀態(tài)流量與壓力降的平方根成正比。這兩種流動狀態(tài)下，管內(nèi)流體的流速分布不同，可以用無量綱數(shù)——雷諾數(shù)作為判別管內(nèi)液體流動是層流還是紊流的判據(jù)。通常認(rèn)為雷諾數(shù)小于等于2320為層流狀態(tài)，大于該數(shù)值時，流動就開始轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌? 10.5 答：節(jié)流式流量計(jì)由節(jié)流裝置、引壓裝置、三閥組和差壓計(jì)組成。 節(jié)流式流量計(jì)中產(chǎn)生差壓的裝置稱節(jié)流裝置，其主體是一個流通面積小于管道界面的局部收縮阻力件，稱為節(jié)流元件。當(dāng)流體流過節(jié)流元件時產(chǎn)生節(jié)流現(xiàn)象，流體流速和壓力均發(fā)生變化，在截留原件兩側(cè)形成壓力差。實(shí)踐證明，在節(jié)流元件形狀、尺寸一定，管道條件和流體參數(shù)一定的情況下，節(jié)流元件前后的壓力差與流體流量之間成一定的函數(shù)關(guān)系。因此，可以通過測量節(jié)流元件前后的差壓來測量流量。 10.6 答：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用的節(jié)流裝置，不必經(jīng)過單獨(dú)標(biāo)定即可投入使用。 我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T2624-93，標(biāo)準(zhǔn)中對節(jié)流元件的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、技術(shù)要求等均已標(biāo)準(zhǔn)化，對取壓方式、取壓裝置以及對節(jié)流元件前后直管段的要求都有相應(yīng)規(guī)定，有關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)都經(jīng)過大量的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)而又統(tǒng)一的圖表可供查閱。非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置成熟程度較差，還沒有列入標(biāo)準(zhǔn)文件。 10.7 答：理論上節(jié)流式流量計(jì)的壓差應(yīng)在上游取壓孔中心與孔板前端面的距離為1D0.1D，下游取壓孔中心與孔板后端面的距離隨β值的不同而異，在(0.84~0.34)D之間。 由于理論上的下游取壓點(diǎn)均在流束的最小截面積區(qū)域內(nèi)，而流束最小截面是隨流量而變的，因而很少采用。 10.8 答：不正確。油的黏度與水的黏度不同、密度不同，相同流速產(chǎn)生的壓差也不同。 10.9 答：為保證流體流到節(jié)流元件前達(dá)到充分的紊流狀態(tài)，節(jié)流元件前后應(yīng)有足夠長的直管段。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置組成部分中的測量直管段（前10D后4D，一般由儀表廠家提供）是最小直管段L的一部分。由于工業(yè)管道上存在各種彎頭、閥門、分叉、會合等局部阻力件，他們會使平穩(wěn)的流速受到嚴(yán)重的擾動，需要流經(jīng)很長的直管段才能恢復(fù)平穩(wěn)。因此，節(jié)流元件前后實(shí)際直管段的長度要根據(jù)節(jié)流元件上下游局部阻力件的形式、節(jié)流元件的形式和直徑比β決定。 10.10 答：容積式流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是：測量精度高，其基本測量誤差一般可達(dá)0.1%~0.5%或更高，而且計(jì)量特性一般不受流動狀態(tài)影響，也不受雷諾數(shù)限制，常用在昂貴介質(zhì)和需要精確計(jì)量的場合；安裝管道條件對流量計(jì)的測量精度沒有影響，故流量及前后無直管段長度要求；特別適合高粘度流體介質(zhì)的測量；測量范圍度較寬；直讀式儀表，無需外加能源就可直接讀數(shù)得到流體總量，使用方便。 容積式流量計(jì)的主要缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，比較笨重，一般只適用于中小口徑；大部分容積式流量計(jì)對被測流體中的污物較敏感，只適用于潔凈的單相流體；部分容積式流量計(jì)（如橢圓齒輪、腰輪、活塞式流量計(jì)等）在測量過程中會給流體帶來脈動，大口徑儀表還會產(chǎn)生噪聲甚至使管道產(chǎn)生振動；可測量的介質(zhì)種類、介質(zhì)工況（溫度、壓力）和儀表口徑局限性較大，適應(yīng)范圍窄。 對測量管道：安裝管道條件對流量計(jì)的測量精度沒有影響，故流量及前后無直管段長度要求。 10.11 答：對于層流，流速關(guān)系 ux=umax[1-(rxR)2] 在0.04m處u=1.4m/s，所以，管道軸心處流速為： umax=ux1-(rxR)2=1.41-(0.040.1)2=1.67m/s 平均流速是管中心最大流速的0.5倍(u=0.5umax) 所以瞬時體積流量為： qv=uA=0.51.67(0.1)2π=0.02618m3/s 10.12 答： 工作原理：渦輪流量計(jì)是基于流體動量矩守恒原理工作的。當(dāng)流體通過管道時，沖擊渦輪葉片，對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力距而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在一定的流量范圍內(nèi)，對一定的流體介質(zhì)黏度，渦輪的轉(zhuǎn)速與流體的平均流速成正比，故流體的流速可通過測量渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到，從而可以計(jì)算流體流量。渦輪轉(zhuǎn)速通過磁電轉(zhuǎn)換裝置變成電脈沖信號，經(jīng)過放大、整形后送給顯示記錄儀表，經(jīng)單位換算與流量積算電路計(jì)算出被測流體的瞬時流量和累積流量。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護(hù)方便，流通能力大。 使用要求：渦輪流量計(jì)應(yīng)水平安裝，并保證其前后有足夠長的直管段或加裝整流器。要求被測流體黏度低，腐蝕性小，不含雜質(zhì)，以減少軸承磨損，一般應(yīng)在流量計(jì)前加裝過濾裝置。如果被測液體易汽化或含有氣體時，要在流量計(jì)前裝消氣器。 10.13 答： 流體的瞬時流量：qv=fζ=30025000=0.012m3/s 5min內(nèi)的累積流量：Qv=qvt=0.012560=3.6m3 10.14 答：流體振動式流量計(jì)的測量原理： 在特定的流動條件下，流體流動的部分動能會轉(zhuǎn)化為流體振動，而振動頻率與流速（流量）有確定比例關(guān)系，依據(jù)這種原理工作的流量計(jì)成為流體振動式流量計(jì)。 兩種類型： 這種流量計(jì)可分為利用流體自然振動的卡門旋渦分分離性和流體強(qiáng)迫振蕩的旋渦進(jìn)動型兩種，前者稱為渦街流量計(jì)，后者稱為旋進(jìn)旋渦流量計(jì)。 特點(diǎn)： 渦街流量計(jì)可測氣體、液體和蒸汽介質(zhì)，壓縮較旋進(jìn)旋渦流量計(jì)為小，但直管段長度要求高；旋進(jìn)旋渦流量計(jì)壓損較大，雖然原理上可測量液體，但現(xiàn)在還只能用于氣體測量。不過，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)直管段長度要求低，低流速特性好，目前在天然氣流量檢測方面應(yīng)用較多。 10.15 答：漩渦頻率的檢出有多種方式，可以檢測在旋渦發(fā)生體上受力的變化頻率，一般可用應(yīng)力、應(yīng)變、電容、電磁等檢測技術(shù)；也可以檢測在旋渦發(fā)生體附近的流動變化頻率，一般可用熱敏、超聲、光電等檢測技術(shù)。檢測元件可以放在漩渦發(fā)生體內(nèi)，也可以在下游設(shè)置檢測器進(jìn)行檢測。采用不同的檢測技術(shù)就構(gòu)成了各種不同類型的渦街流量計(jì)。 10.16 答：間接測量和直接測量兩類。間接測量方法通過測量體積流量和液體密度經(jīng)計(jì)算得出質(zhì)量流量，這種方式有成為推導(dǎo)式；直接式測量方法則由檢測元件直接檢測出流體的質(zhì)量流量。 10.17 答：科里奧利流量計(jì)工作原理：是一種利用流體在振動管中流動而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測量質(zhì)量流量的儀表。 特點(diǎn)：科里奧利流量計(jì)能夠直接測的氣體、液體、和漿液的質(zhì)量流量，也可以用于多相流測量，且不受被測介質(zhì)物理參數(shù)的影響，測量精度較高；對流體流速分布不敏感，因而無前后直管段要求；可做多參數(shù)測量，如同期測量密度；流量范圍度大，有些課高達(dá)（100:1）~（150:1）。但科氏流量及存在零點(diǎn)漂移，影響其精度的進(jìn)一步提高；不能用于低密度介質(zhì)和低壓氣體測量；不能用于較大管徑；對外界震動干擾較為敏感，管道振動會影響其測量精度；壓力損失較大；體積較大；價格昂貴。 10.18 答：目前超聲波流量計(jì)最常采用的測量方法分成兩類：傳播速度差法和多普勒效應(yīng)法。 1）傳播速度差法測量原理： 超聲波在流體中的傳播速度與流體流速有關(guān)，順流傳播速度大，逆流傳播速度小。傳播速度差法利用超聲波在流體中順流與逆流傳播的速度變化來測量流體流速并進(jìn)而求得流過管道的流量。 2）多普勒效應(yīng)法測量原理： 根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對運(yùn)動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源發(fā)出的頻率，這個頻率的變化量與兩者之間的相對速度成正比，超聲波多普勒流量計(jì)就是基于多普勒效應(yīng)測量流量的。在超聲多普勒測量方法中，超聲波發(fā)射器作為固定聲源，隨流體一起運(yùn)動的固體顆粒相當(dāng)于與聲源有相對運(yùn)動的觀察者，它的作用是把射入到其上的超聲波反射回接收器。發(fā)射聲波與接收器接收到的聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移。這個頻率差正比于流體流速，故測量頻差就可以求的流速，進(jìn)而得到流體流量。 流體溫度對于測量沒有影響，因?yàn)闇y量是基于頻率測量或者速度差比，而并不是基于超聲波聲速測量，聲速的變化并不會影響到頻率或者速度差比。 10.19 答：被測流體中存在一定數(shù)量的具有反射聲波能力的懸浮顆?；驓馀?。 10.20 答： 1. 考慮被測對象的性質(zhì)，針對氣體、液體、漿體等不同形態(tài)的被測對象考慮不同的流量儀表； 2. 考慮被測對象測量時的流速，根據(jù)流速的不同，選取合適的流量儀表； 3. 考慮測量精度要求選取合適的流量儀表； 4. 對純凈物和混合物等不同特性的物質(zhì)，考慮合適的流量儀表‘ 5. 考慮現(xiàn)場的安裝條件選取合適流量儀表； 6. 考慮壓損要求，對壓損要求較高的時候不適合選取壓損較大的流量儀表如節(jié)流式流量計(jì)等； 7. 以及其他的特殊因素，根據(jù)具體的要求考慮進(jìn)來選取最合適的流量儀表。 10.21 答：流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是流量計(jì)校準(zhǔn)使用，能夠提供準(zhǔn)確流量值作流量量值傳遞的測量設(shè)備。流量標(biāo)準(zhǔn)裝置需按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)定建立，并由國家授權(quán)的專門機(jī)構(gòu)認(rèn)定。 10.22 答：以實(shí)際流體流過被校儀表，用流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測出流過被校儀表流體的實(shí)際流量，與被校儀表的流量示值作比較，或?qū)Ρ恍Ａ髁績x表進(jìn)行分度，這種方法有時又稱作濕法標(biāo)定。流量實(shí)流校準(zhǔn)法獲得的流量值可靠、準(zhǔn)確，是許多流量儀表校準(zhǔn)時所采用的方法，也是目前建立標(biāo)準(zhǔn)流量的方法。 第十一章 11.1 由于液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測量容器中液體的壓力即可測算出液位高度。 11.2 實(shí)質(zhì)是容器底部與壓力表之間的液體的壓力值。