《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》習(xí)題答案.doc

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1、 第1章 傳感器與檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)思考題答案 l.檢測(cè)系統(tǒng)由哪幾部分組成? 說(shuō)明各部分的作用。 答：一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)裝置通常是由傳感器、測(cè)量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。當(dāng)然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。下圖給出了檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖。 檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖 傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的裝置，顯然，傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)與被測(cè)對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測(cè)系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，檢測(cè)系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能確定的，因?yàn)闄z測(cè)系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)無(wú)法添加新的檢測(cè)信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。 測(cè)量電路的作用是將傳感器

2、的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓或電流信號(hào)。通常傳感器輸出信號(hào)是微弱的，就需要由測(cè)量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。根據(jù)需要測(cè)量電路還能進(jìn)行阻抗匹配、微分、積分、線性化補(bǔ)償?shù)刃盘?hào)處理工作。 顯示記錄裝置是檢測(cè)人員和檢測(cè)系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，主要作用是使人們了解被測(cè)量的大小或變化的過(guò)程。 2.傳感器的型號(hào)有幾部分組成，各部分有何意義? 依次為主稱（傳感器） 被測(cè)量—轉(zhuǎn)換原理—序號(hào) 主稱——傳感器，代號(hào)C； 被測(cè)量——用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫(xiě)字母標(biāo)記。見(jiàn)附錄表2； 轉(zhuǎn)換原理——用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫(xiě)字母標(biāo)記。見(jiàn)附錄表3； 序號(hào)——用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，廠家自

3、定，用來(lái)表征產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。若產(chǎn)品性能參數(shù)不變，僅在局部有改動(dòng)或變動(dòng)時(shí)，其序號(hào)可在原序號(hào)后面順序地加注大寫(xiě)字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。 例：應(yīng)變式位移傳感器： C WY-YB-20；光纖壓力傳感器：C Y-GQ-2。 3.測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載變化的情況時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用何種測(cè)量方法? 如何進(jìn)行? 答：測(cè)定穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載電阻變化的情況時(shí)，最好采用微差式測(cè)量。此時(shí)輸出電壓認(rèn)可表示為U0，U0=U+△U，其中△U是負(fù)載電阻變化所引起的輸出電壓變化量，相對(duì)U來(lái)講為一小量。如果采用偏差法測(cè)量，儀表必須有較大量程以滿足U0的要求，因此對(duì)△U，這個(gè)小量造成的U

4、0的變化就很難測(cè)準(zhǔn)。測(cè)量原理如下圖所示： 圖中使用了高靈敏度電壓表——毫伏表和電位差計(jì)，Rr和E分別表示穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)，凡表示穩(wěn)壓電源的負(fù)載，E1、R1和Rw表示電位差計(jì)的參數(shù)。在測(cè)量前調(diào)整R1使電位差計(jì)工作電流I1為標(biāo)準(zhǔn)值。然后，使穩(wěn)壓電源負(fù)載電阻R1為額定值。調(diào)整RP的活動(dòng)觸點(diǎn)，使毫伏表指示為零，這相當(dāng)于事先用零位式測(cè)量出額定輸出電壓U。正式測(cè)量開(kāi)始后，只需增加或減小負(fù)載電阻RL的值，負(fù)載變動(dòng)所引起的穩(wěn)壓電源輸出電壓U0的微小波動(dòng)值ΔU，即可由毫伏表指示出來(lái)。根據(jù)U0=U+ΔU，穩(wěn)壓電源輸出電壓在各種負(fù)載下的值都可以準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)。微差式測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，特別

5、適合于在線控制參數(shù)的測(cè)量。 用微差式測(cè)量方法測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載的變化 4.某線性位移測(cè)量?jī)x，當(dāng)被測(cè)位移由4.5mm變到5.0mm時(shí)，位移測(cè)量?jī)x的輸出電壓由3.5V減至2.5V，求該儀器的靈敏度。 解：該儀器的靈敏度為 mV/mm 5.某測(cè)溫系統(tǒng)由以下四個(gè)環(huán)節(jié)組成，各自的靈敏度如下： 鉑電阻溫度傳感器： 0.45Ω/℃ 電橋： 0.02V/Ω 放大器： 100(放大倍數(shù)) 筆式記錄儀： 0.2cm/V 求：(1)測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度； (2)記錄儀筆尖

6、位移4cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度變化值。 解： （1）測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度為 cm/℃ （2）記錄儀筆尖位移4cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度變化值為 ℃ 6.有三臺(tái)測(cè)溫儀表，量程均為0~800℃，精度等級(jí)分別為2.5級(jí)、2.0級(jí)和1.5級(jí)，現(xiàn)要測(cè)量500℃的溫度，要求相對(duì)誤差不超過(guò)2.5％，選那臺(tái)儀表合理? 解：2.5級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為20℃，測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為4％；2.0級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為16℃，測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為3.2％；1.5級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為12℃，測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為2.4％。因此，應(yīng)該選用1.5級(jí)的測(cè)溫儀器。 7.什么是系統(tǒng)誤差和隨

7、機(jī)誤差?正確度和精密度的含義是什么? 它們各反映何種誤差? 答：系統(tǒng)誤差是指在相同的條件下，多次重復(fù)測(cè)量同一量時(shí)，誤差的大小和符號(hào)保持不變，或按照一定的規(guī)律變化的誤差。隨機(jī)誤差則是指在相同條件下，多次測(cè)量同一量時(shí)，其誤差的大小和符號(hào)以不可預(yù)見(jiàn)的方式變化的誤差。正確度是指測(cè)量結(jié)果與理論真值的一致程度，它反映了系統(tǒng)誤差的大小，精密度是指測(cè)量結(jié)果的分散程度，它反映了隨機(jī)誤差的大小。 8.服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機(jī)誤差有哪些特性? 答：服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機(jī)誤差的特性有：對(duì)稱性 隨機(jī)誤差可正可負(fù)，但絕對(duì)值相等的正、負(fù)誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)相等。也就是說(shuō)f(δ)- δ曲線對(duì)稱于縱軸。有界性 在一

8、定測(cè)量條件下，隨機(jī)誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過(guò)一定的范圍，即絕對(duì)值很大的隨機(jī)誤差幾乎不出現(xiàn)。抵償性 在相同條件下，當(dāng)測(cè)量次數(shù)n→∞時(shí)，全體隨機(jī)誤差的代數(shù)和等于零，即。單峰性 絕對(duì)值小的隨機(jī)誤差比絕對(duì)值大的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)多，即前者比后者的概率密度大，在δ=0處隨機(jī)誤差概率密度有最大值。 9.等精度測(cè)量某電阻10次，得到的測(cè)量列如下： R1＝167.95Ω R2＝167.45Ω R3＝167.60Ω R4＝167.60Ω R5＝167.87Ω R6＝167.88Ω R7＝168.00Ω R8＝167.850Ω R9＝167.82Ω

9、 R10＝167.61Ω (1)求10次測(cè)量的算術(shù)平均值，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。 (2)若置信概率取99.7％，寫(xiě)出被測(cè)電阻的真值和極限值。 解：(1)求10次測(cè)量的算術(shù)平均值，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。 (2)若置信概率取99.7％，被測(cè)電阻的真值為： 極限值為： 10.試分析電壓輸出型直流電橋的輸入與輸出關(guān)系。 答：如圖所示，電橋各臂的電阻分別為R1、 R2、R3、R4。U為電橋的直流電源電壓。當(dāng)四臂電阻R1=R2=R3=R4=R時(shí)，稱為等臂電橋；當(dāng)R1=R2=R,R3=R4=R’(R≠R’)時(shí)，稱為輸出對(duì)稱電橋；當(dāng)R1=R4=R，

10、R2=R3 =R’(R≠R’)時(shí)，稱為電源對(duì)稱電橋。 直流電橋電路 當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無(wú)窮大，這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開(kāi)路電壓，其表達(dá)式為 (1) 設(shè)電橋?yàn)閱伪酃ぷ鳡顟B(tài)，即R1為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻。當(dāng)R1感受被測(cè)量產(chǎn)生電阻增量ΔR1時(shí)，由初始平衡條件R1R3=R2R4得，代入式（1），則電橋由于ΔR1產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為 (2) 對(duì)于輸出對(duì)稱電橋，此時(shí)R1=R2=R,R3=R4=R’，當(dāng)R1臂的電阻產(chǎn)生變化ΔR1=ΔR，根據(jù)

11、（2）可得到輸出電壓為 (3) 對(duì)于電源對(duì)稱電橋，R1=R4=R,R2=R3=R’。當(dāng)R1臂產(chǎn)生電阻增量ΔR1=ΔR時(shí)，由式（2）得 (4) 對(duì)于等臂電橋R1=R2=R3=R4=R，當(dāng)R1的電阻增量ΔR1=ΔR時(shí)，由式（2）可得輸出電壓為 (5) 由上面三種結(jié)果可以看出，當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出電壓也隨著變化。當(dāng)ΔR<

12、稱電橋。 在實(shí)際使用中為了進(jìn)一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個(gè)被測(cè)信號(hào)接成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)稱的全橋工作形式，R1=R+ΔR,R2=R-ΔR,R3=R+ΔR,R4=R-ΔR，將上述條件代入式(1)得 (6) 由式(6)看出，由于充分利用了雙差動(dòng)作用，它的輸出電壓為單臂工作時(shí)的4倍，所以大大提高了測(cè)量的靈敏度。 第2章 電阻式傳感器思考題答案 1.金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)有什么不同? 答：金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)則主要取決于材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化產(chǎn)生的。 2.直流測(cè)量電橋和交流測(cè)量

13、電橋有什么區(qū)別? 答：它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，交流電橋用交流電源，適用于所有電路元件。 3.熱電阻測(cè)量時(shí)采用何種測(cè)量電路?為什么要采用這種測(cè)量電路?說(shuō)明這種電路的工作原理。 答：通常采用電橋電路作為測(cè)量電路。為了克服環(huán)境溫度的影響常采用下圖所示的三導(dǎo)線四分之一電橋電路。由于采用這種電路，熱電阻的兩根引線的電阻值被分配在兩個(gè)相鄰的橋臂中，如果，則由于環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被相互抵消。 熱電阻的測(cè)量電路 4.采用阻值為120Ω靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定

14、負(fù)載電阻無(wú)窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1 000時(shí)，試求單臂、雙臂和全橋工作時(shí)的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。 解：?jiǎn)伪蹠r(shí)，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)/V，應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為/V；雙臂時(shí)，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)/V，應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為/V；全橋時(shí)，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)/V，應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為/V。從上面的計(jì)算可知：?jiǎn)伪蹠r(shí)靈敏度最低，雙臂時(shí)為其兩倍，全橋時(shí)最高，為單臂的四倍。 5.采用阻值R=120Ω靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時(shí)，若要使輸出電壓大于10mV，則可采用何種工作方式（設(shè)輸出阻抗為無(wú)窮大）？ 解：由

15、于不知是何種工作方式，可設(shè)為n，故可得： mV 得n要小于2，故應(yīng)采用全橋工作方式。 6.如圖所示為一直流電橋，供電電源電動(dòng)勢(shì)E=3V，R3=R4=100Ω，R1和R2為同型號(hào)的電阻應(yīng)變片，其電阻均為50Ω，靈敏度系數(shù)K=2.0。兩只應(yīng)變片分別粘貼于等強(qiáng)度梁同一截面的正反兩面。設(shè)等強(qiáng)度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)? 000，試求此時(shí)電橋輸出端電壓U0。 題6圖 解：此電橋?yàn)檩敵鰧?duì)稱電橋，故/mV 7.光敏電阻有哪些重要特性，在工業(yè)應(yīng)用中是如何發(fā)揮這些特性的？ 答：光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它的重要特性是在無(wú)光照時(shí)阻值非常大，相當(dāng)于斷路，有光

16、照時(shí)阻值變得很小，相當(dāng)于通路。在工業(yè)應(yīng)用中主要就是通過(guò)光的變化來(lái)各種電路的控制。 第3章 電容式傳感器思考題答案 1.試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度?為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應(yīng)注意什么問(wèn)題? 答：如圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。 當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)△x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為 C=εb（a-△x）/d=C0-εb△x/d （1） 電容因位移而產(chǎn)生的變化量為 其靈敏度為 可見(jiàn)增加b或減小d均可提高傳感器的靈敏度。 直線位移型電容式傳感器 2.為什么說(shuō)變間隙型電容傳感器特性是非線性的?

17、采取什么措施可改善其非線性特征? 答：下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。圖中1為固定極板，2為與被測(cè)對(duì)象相連的活動(dòng)極板。當(dāng)活動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)的改變而引起移動(dòng)時(shí)，兩極板間的距離d發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量C。 設(shè)極板面積為A，其靜態(tài)電容量為，當(dāng)活動(dòng)極板移動(dòng)x后，其電容量為 (1) 當(dāng)x<

18、一般是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來(lái)改善這種情況。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。 3.有一平面直線位移差動(dòng)傳感器特性其測(cè)量電路采用變壓器交流電橋，結(jié)構(gòu)組成如圖所示。電容傳感器起始時(shí)b1=b2=b=200mm，a1=a2=20mm極距d=2mm，極間介質(zhì)為空氣，測(cè)量電路u1=3sinωtV，且u=u0。試求當(dāng)動(dòng)極板上輸入一位移量△x=5mm時(shí),電橋輸出電壓u0。 題3圖 解：根據(jù)測(cè)量電路可得 /mV 4.變間隙電容傳感器的測(cè)量電路為運(yùn)算放大器電路，如圖所示。C0=200pF，傳感器的起始電容量Cx0=20pF,定動(dòng)極板距離d0

19、=1.5mm,運(yùn)算放大器為理想放大器(即K→∞,Zi→∞),Rf極大,輸入電壓u1=5sinωtV。求當(dāng)電容傳感動(dòng)極板上輸入一位移量△x=0.15mm使d0減小時(shí),電路輸出電壓u0為多少? 解：由測(cè)量電路可得 /V 5.如圖3-22所示正方形平板電容器,極板長(zhǎng)度a=4cm,極板間距離δ=0.2mm.若用此變面積型傳感器測(cè)量位移x,試計(jì)算該傳感器的靈敏度并畫(huà)出傳感器的特性曲線.極板間介質(zhì)為空氣,。 解：這是個(gè)變面積型電容傳感器，共有4個(gè)小電容并聯(lián)組成。 /pF (x的單位為米)

20、 /pF 第四章 電感式傳感器思考題答案 1.影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是什么？ 答：影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是：傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)的對(duì)稱性、磁性材料的殘余應(yīng)力、測(cè)量電路零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)等。 2.電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響？它的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？ 答：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵(lì)電流頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離等因素影響。電渦流式傳感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量范圍大、抗干憂能力強(qiáng)，特別是有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛

21、的應(yīng)用。 3.試說(shuō)明圖4.12所示的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理。 答：如圖所示，設(shè)差動(dòng)電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)，C點(diǎn)電位等于D點(diǎn)地位，電表指示為零。 當(dāng)銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，則下部線圈阻抗減少，Z2=Z-△Z。如果輸入交流電壓為正半周，則A點(diǎn)電位為正，B點(diǎn)電位為負(fù)，二極管V1、V4導(dǎo)通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C點(diǎn)電位由于Z1增大而比平衡時(shí)的C點(diǎn)電位降低；而在A-F-D-B支中中，D點(diǎn)電位由于Z2的降低而比平衡時(shí)D點(diǎn)的電位增高，所以D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。 如

22、果輸入交流電壓為負(fù)半周，A點(diǎn)電位為負(fù)，B點(diǎn)電位為正，二極管V2、V3導(dǎo)通，V1、V4截止，則在A-F-C-B支中中，C點(diǎn)電位由于Z2減少而比平衡時(shí)降低（平衡時(shí)，輸入電壓若為負(fù)半周，即B點(diǎn)電位為正，A點(diǎn)電位為負(fù)，C點(diǎn)相對(duì)于B點(diǎn)為負(fù)電位，Z2減少時(shí)，C點(diǎn)電位更負(fù)）；而在A-E-D-B支路中，D點(diǎn)電位由于Z1的增加而比平衡時(shí)的電位增高，所以仍然是D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。 同樣可以得出結(jié)果：當(dāng)銜鐵下移時(shí)，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負(fù)。 4.如圖所示的差動(dòng)電感式傳感器的橋式測(cè)量電路，L1、L2為傳感器的兩差動(dòng)電感線圈的電感，其初始值均為L(zhǎng)0。R1、R2為標(biāo)準(zhǔn)電阻，u為電源電

23、壓。試寫(xiě)出輸出電壓u0與傳感器電感變化量△L間的關(guān)系。 解：輸出與輸入的關(guān)系是 Z1=jωL1=jω(L+ΔL)； Z1=jωL2=jω(L-ΔL)； u0=u1-u2； 1=[Z1/(R1+Z1)]=jω(L+ΔL)/[R1+jω(L+ΔL)] =jω(L+ΔL)[R1-jω(L+ΔL)]/[R12+ω2(L+ΔL)2] =[ω2(L+ΔL)2+jωR1(L+ΔL)]/[R12+ω2(L+ΔL)2] ={[ω2(L+ΔL)2/[R12+ω2(L+ΔL)2]+jωR1(L+ΔL)]/[R12+ω2(L+ΔL)2]} u1=u{[ω2(L+ΔL)2]2+ω2R12(L+ΔL)

24、2]/[R12+ω2(L+ΔL)2]2}1/2 =uω(L+ΔL)/[R12+ω2(L+ΔL)2]1/2=2πf(L+ΔL)/{R12+[2πf(L+ΔL)]2}1/2 2=[Z2/(R2+Z2)]=jω(L-ΔL)/[R2+jω(L-ΔL)] =jω(L-ΔL)[R2-jω(L-ΔL)]/[R22+ω2(L-ΔL)2] =[ω2(L-ΔL)2+jωR2(L-ΔL)]/[R22+ω2(L-ΔL)2] ={[ω2(L-ΔL)2/[R22+ω2(L-ΔL)2]+jωR2(L-ΔL)]/[R22+ω2(L-ΔL)2]} u2=u{[ω2(L-ΔL)2]2+ω2R22(L-ΔL)2]/[R

25、22+ω2(L-ΔL)2]2}1/2 =uω(L-ΔL)/[R22+ω2(L-ΔL)2]1/2=2πf(L-ΔL)/{R22+[2πf(L-ΔL)]2}1/2 u0=u1-u2=2πf{(L+ΔL)/{R12+[2πf(L+ΔL)]2}1/2-(L-ΔL)/{R22+[2πf(L-ΔL)]2}1/2}u 即： 若電感增量無(wú)窮小(L+ΔL)2≈(L-ΔL)2且兩個(gè)電阻均為R1=R2=R，則： 題4圖 題5圖 5.如圖所示為一差動(dòng)整流電路，試分析電路的工作原理。 答：這是簡(jiǎn)單的電壓輸出型，動(dòng)鐵芯移動(dòng)時(shí)引起

26、上下兩個(gè)全波整流電路輸出差動(dòng)電壓，中間可調(diào)整零位，輸出電壓與鐵芯位移成正比。這種電路由二極管的非線性影響以及二極管正向飽和壓降和反向漏電流的不利影響較大。 第6章 壓電傳感器習(xí)題答案 1．為什么說(shuō)壓電式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量而不能用于靜態(tài)測(cè)量? 答：因?yàn)閴弘娛絺鞲衅魇菍⒈蛔訙y(cè)量轉(zhuǎn)換成壓電晶體的電荷量，可等效成一定的電容，如被測(cè)量為靜態(tài)時(shí)，很難將電荷轉(zhuǎn)換成一定的電壓信號(hào)輸出，故只能用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。 2．壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是什么?其核心是解決什么問(wèn)題? 答：壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是將壓電晶體產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，其核心是要解決微弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大，得到足

27、夠強(qiáng)的輸出信號(hào)。 3．一壓電式傳感器的靈敏度K1＝10pC／MPa，連接靈敏度K2=0.008V／pC的電荷放大器，所用的筆式記錄儀的靈敏度K3=25mm／V，當(dāng)壓力變化Δp=8MPa時(shí)，記錄筆在記錄紙上的偏移為多少? 解：記錄筆在記錄紙上的偏移為 S=100.008258=16/mm 4．某加速度計(jì)的校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)，它能作50Hz和1g的振動(dòng)，今有壓電式加速度計(jì)出廠時(shí)標(biāo)出靈敏度K＝100mV／g，由于測(cè)試要求需加長(zhǎng)導(dǎo)線，因此要重新標(biāo)定加速度計(jì)靈敏度，假定所用的阻抗變換器放大倍數(shù)為1，電壓放大器放大倍數(shù)為100，標(biāo)定時(shí)晶體管毫伏表上指示為9.13V，試畫(huà)出標(biāo)定系統(tǒng)

28、的框圖，并計(jì)算加速度計(jì)的電壓靈敏度。 解：k’/k=(Ca+Cc)/(Ca+Cc’)=u0’/u0 u0=KgA=100mV／g1g100=10V k’=ku0’/u0=(100mV／g)(9.13V)/10V=91.3mV/g 此加速度計(jì)的靈敏度為 mV/g 標(biāo)定系統(tǒng)框圖如下： 第5章 熱電偶傳感器習(xí)題答案 1．什么是金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)?試說(shuō)明熱電偶的測(cè)溫原理。 答：熱電效應(yīng)就是兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有

29、關(guān)。熱電偶測(cè)溫就是利用這種熱電效應(yīng)進(jìn)行的，將熱電偶的熱端插入被測(cè)物，冷端接進(jìn)儀表，就能測(cè)量溫度。 2．試分析金屬導(dǎo)體產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)的原因。 答：當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同(即電子密度不同)，因此，電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣?，F(xiàn)假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷，于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由A到B的電場(chǎng)。該電場(chǎng)的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)

30、進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時(shí)，即自導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)與在電場(chǎng)作用下自導(dǎo)體B到導(dǎo)體A的自由電子數(shù)相等時(shí)，便處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導(dǎo)體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于導(dǎo)體A或B，將其兩端分別置于不同的溫度場(chǎng)t、t0中(t> t0)。在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)由熱端指向冷端的靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動(dòng)，最后也達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。 3．簡(jiǎn)述熱電偶的幾

31、個(gè)重要定律，并分別說(shuō)明它們的實(shí)用價(jià)值。 答：一是勻質(zhì)導(dǎo)體定律：如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)為零。根據(jù)這個(gè)定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。 二是中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度測(cè)量。 三是標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就已

32、知。只要測(cè)得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)可直接計(jì)算出來(lái)。 四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。 4．試述熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)膸追N主要方法和補(bǔ)償原理。 答：熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕校阂皇抢涠撕銣胤?。這種方法將熱電偶的冷端放在恒溫場(chǎng)合，有0℃恒溫器和其他恒溫器兩種；二是補(bǔ)償導(dǎo)線法。將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所(如儀表室)，其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二

33、個(gè)接點(diǎn)溫度一致，是不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)輸出的；三是計(jì)算修正法。修正公式為：；四是電橋補(bǔ)償法。利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端波動(dòng)引起的熱電動(dòng)勢(shì)的變化，工作原理如下圖所示。 圖中，e為熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)，U為回路的輸出電壓?；芈分写恿艘粋€(gè)補(bǔ)償電橋。R1~R5及RCM均為橋臂電阻。RCM是用漆包銅絲繞制成的，它和熱電偶的冷端感受同一溫度。R1~R5均用錳銅絲繞成，阻值穩(wěn)定。在橋路設(shè)計(jì)時(shí)，使R1=R2，并且R1、R2的阻值要比橋路中其他電阻大得多。這樣，即使電橋中其他電阻的阻值發(fā)生變化，左右兩橋臂中的電流卻差不多保持不變，從而認(rèn)為其具有恒流特性。線路設(shè)計(jì)使得I1=I2=I/2=0

34、.5mA。 回路輸出電壓U為熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)e、橋臂電阻RCM的壓降URCM及另一橋臂電阻R5的壓降UR5三者的代數(shù)和： 當(dāng)熱電偶的熱端溫度一定，冷端溫度升高時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)將會(huì)減小。與此同時(shí)，銅電阻RCM的阻值將增大，從而使URCM增大，由此達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康摹? 自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臈l件應(yīng)為 5．用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測(cè)量溫度，已知冷端溫度為40℃，用高精度毫伏表測(cè)得這時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為29.188mV，求被測(cè)點(diǎn)的溫度。 解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(40，0)=1.611mV. E(t,0)= E(t，t0)+

35、 E(t0，0)= 29.188mV +1.611mV=30.799 mV 再通過(guò)分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為：t=740℃ 鎳鉻-銅鎳(康銅)熱電偶分度表(分度號(hào):E) (參考端溫度為0攝氏度) 溫度 00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 000 0.5910 1.1920 1.8010 2.4190 3.6830 4.3290 4.9830 5.6460 100 6.3170 6.9960 7.6830 8.3770 9.0780 9.7870 10.501 11.222 11.949 12.

36、681 200 13.419 14.161 14.909 15.661 16.417 17.178 17.942 18.71 19.481 20.256 300 21.033 21.814 22.597 23.383 24.171 24.961 25.754 28.549 27.345 28.143 400 28.943 29.744 30.546 31.350 32.155 32.96 33.767 34.574 35.382 36.19 500 36.999 37.808 38.617 39.426 40.236

37、 41.045 41.853 42.662 43.47 44.278 600 45.085 45.819 46.697 47.502 48.306 49.109 49.911 50.713 51.513 52.312 700 53.11 53.907 54.703 55.498 56.291 57.083 57.873 58.663 59.451 60.237 800 61.022 61.806 62.588 63.368 64.147 64.294 65.7 66.473 67.245 68.015 900 68

38、.783 69.549 70.313 71.075 71.835 72.593 73.35 74.104 74.857 75.608 1000 76.358 —— —— —— —— —— —— —— —— —— 6．已知鉑銠10-鉑(S)熱電偶的冷端溫度t0＝25℃，現(xiàn)測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)E(t，t0)＝11.712mV，求熱端溫度是多少度? 解：由鉑銠10-鉑熱電偶分度表查出 E(t0，0)=E(25，0)=0.113+(0.173-0.113）/2=0.143mV，根據(jù)式(5-2-1)計(jì)算出 E(t,0)= E(t，t0)+ E(t0，0)= 1

39、1.712mV+ 0.143mV=11.855 mV 再通過(guò)分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為 t=1200-(11.947-11.855)/[(11.947-11.827)/10]=1200-0.092/0.012≈1192.33℃ t=1190+(11.855-11.827)/[(11.947-11.827)/10]=1190+0.028/0.012≈1192.33℃ 7．已知鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶的熱端溫度t＝800℃，冷端溫度t0＝25℃，求E(t，to)是多少毫伏? 解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表可查得E(800，0)=33.277mV， E(25，0)=0.798+(1.203

40、-0.798)/2=1.0005 E(800，25)=33.277-1.0005=32.2765mV 8．現(xiàn)用一支鎳鉻-康銅(E)熱電偶測(cè)溫。其冷端溫度為30℃，動(dòng)圈顯示儀表(機(jī)械零位在0℃)指示值為400℃，則認(rèn)為熱端實(shí)際溫度為430℃，對(duì)不對(duì)?為什么?正確值是多少? E(30,0)=1.801 mV E(400,0)=28.943mV 解：動(dòng)圈顯示儀表測(cè)得電動(dòng)勢(shì)為E(t,30)=E(400,0) E(t,30)=E(t,0)－E(30,0)=E(400,0) E(t,0)=E(400,0)+E(30,0)=( 28.943+1.801) mV =30.744 mV

41、t=420+(30.744-30.546)/[(31.350-30.546)/10] = 420+0.198/0.0804≈422.46℃ 9．如圖5.14所示之測(cè)溫回路，熱電偶的分度號(hào)為K，毫伏表的示值應(yīng)為多少度? 答：毫伏表的示值=EAB(400)－EAC(60)+EAC(60)-EAB(300) =EAB(400)－EAB(300) = EAB(400)－EAB(0)+EAB(0)－EAB(300) = EAB(400, 0)－EAB(300,0) =16.395-12.207=4.188 mV 查分度號(hào)為K分度表表，顯示溫度為： t=100+(4.188-4.09

42、5)/[(4.508-4.095)/10]=100+0.093/0.0413 =102.25℃ 10．用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測(cè)量某爐溫的測(cè)量系統(tǒng)如圖5.15所示，已知：冷端溫度固定在0℃，t0＝30℃，儀表指示溫度為210℃，后來(lái)發(fā)現(xiàn)由于工作上的疏忽把補(bǔ)償導(dǎo)線A和B，相互接錯(cuò)了，問(wèn)：爐溫的實(shí)際溫度t為多少度? 解：實(shí)際溫度應(yīng)為270℃，因?yàn)榻臃春蟛坏珱](méi)有補(bǔ)償?shù)?，還抵消了30℃，故應(yīng)該加上60℃。 圖(a)：EAB(t,0)=eAB(t)-eAB(0) 圖(b)：E’AB(t,0)=eAB(t)-eAB(t0)+eAB(0)-eAB(t0) = eAB(

43、t)+eAB(0)-2eAB(t0) ∵鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶在0℃時(shí)eAB(0) =-eAB(0)=0mV ∴E’AB(t,0)= eAB(t)+eAB(0)-2eAB(t0)=eAB(t)-eAB(0)-2eAB(t0) =EAB(t,0)-2eAB(t0) ∴ EAB(t,0)= E’AB(t,0)+2eAB(t0)=8.537+21.203=10.943mV ∴ t={270-(10.969-10.943)/[(10.969-10.560)/10]}℃ =[270-(0.026/0.0409)]℃=269.37℃ 第7章 光電式傳感器 1．光電效應(yīng)有哪幾種?與之對(duì)應(yīng)的

44、光電元件各有哪些? 答：光電效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等；基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等；基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。 2．常用的半導(dǎo)體光電元件有哪些?它們的電路符號(hào)如何? 答：常用的半導(dǎo)體光電元件有光敏二極管、光敏三極管和光電池三種。 它們的電路符號(hào)如下圖所示： 3．對(duì)每種半導(dǎo)體光電元件，畫(huà)出一種測(cè)量電路。 答：光敏二極管、三極管及光電池的測(cè)量電路如下圖所示。 4．什么是光電元件的光譜特性? 答：光電元件的光譜特性是指入射光照度一定時(shí)，光電元件的相對(duì)靈敏度隨光

45、波波長(zhǎng)的變化而變化，一種光電元件只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感，這就是光電元件的光譜特性。 5．光電傳感器由哪些部分組成?被測(cè)量可以影響光電傳感器的哪些部分? 答：光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，如圖所示。圖中Ф1是光源發(fā)出的光信號(hào)，Ф2是光電器件接受的光信號(hào)，被測(cè)量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號(hào)I。光電傳感器設(shè)計(jì)靈活，形式多樣，在越來(lái)越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。 6．模擬式光電傳感器有哪幾種常見(jiàn)形式? 答：模擬式光電傳感器主要有四種。一是光源本身是被測(cè)物，它發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的

46、輸出反映了光源的某些物理參數(shù)，如圖a所示。這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計(jì)和照度計(jì)；二是恒定光源發(fā)射的光通量穿過(guò)被測(cè)物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上，吸收量取決于被測(cè)物的某些參數(shù)。如圖b所示?？捎糜跍y(cè)量透明度、混濁度；三是恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測(cè)物上，由被測(cè)物表面反射后再投射到光電元件上，如圖c所示。反射光的強(qiáng)弱取決于被測(cè)物表面的性質(zhì)和狀態(tài)，因此可用于測(cè)量工件表面粗糙度、紙張的白度等；四是從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達(dá)光電元件的途中受到被測(cè)物的遮擋，使投射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測(cè)物的尺寸或位置。如圖d所示。這種傳感器可用于工件尺寸測(cè)量、振

47、動(dòng)測(cè)量等場(chǎng)合。 第8章 霍爾傳感器習(xí)題答案 1. 什么是霍爾效應(yīng)？ 答：在置于磁場(chǎng)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中通入電流，若電流與磁場(chǎng)垂直，則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛(ài)德文霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電壓。 2. 為什么導(dǎo)體材料和絕緣體材料均不宜做成霍爾元件？ 答：因?yàn)閷?dǎo)體材料的μ雖然很大，但ρ很小，故不宜做成元件，而絕緣材料的ρ雖然很大，但μ很小，故也不宜做成元件。 3. 為什么霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料？ 答：因?yàn)樵贜型半導(dǎo)體材料中，電子的遷移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍爾元件一般采用N型

48、半導(dǎo)體材料。 4. 霍爾靈敏度與霍爾元件厚度之間有什么關(guān)系？ 答：霍爾靈敏度與霍爾元件厚度成反比，。 5. 什么是霍爾元件的溫度特性？如何進(jìn)行補(bǔ)償？ 答：霍爾元件的溫度特性是指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的關(guān)系。與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內(nèi)阻、輸出電壓等參數(shù)也將隨溫度而變化?；魻栐囟妊a(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕欣幂斎牖芈返拇?lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償和利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償兩種。 1）利用輸入回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償。下圖是輸入補(bǔ)償?shù)幕揪€路，圖中的四端元件是霍爾元件的符號(hào)。兩個(gè)輸入端串聯(lián)補(bǔ)償電阻R并接恒電源，輸出端開(kāi)路。根據(jù)溫度特性，元件霍爾系數(shù)

49、和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為 RHt=RH0(1+αt) Rit=Ri0(1+βt) 式中，RHt為溫度為ｔ時(shí)霍爾系數(shù)；RH0為0℃時(shí)的霍爾系數(shù)；Rit為溫度為ｔ時(shí)的輸入電阻；Ri0為0℃時(shí)的輸入電阻；α為霍爾電壓的溫度系數(shù), β為輸入電阻的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化Δt時(shí)，其增量為: ΔRH=RH0αΔt ΔRi=Ri0βΔt 根據(jù)及I=E/(R+Ri)，可得出霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為 對(duì)上式求溫度的導(dǎo)數(shù)，可得增量表達(dá)式 (1) 要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使 即 (2) 式(1)中的第一項(xiàng)表示因溫度升高霍爾系數(shù)引起霍

50、爾電壓的增量，第二項(xiàng)表示輸入電阻因溫度升高引起霍爾電壓減小的量。很明顯，只有當(dāng)?shù)谝豁?xiàng)時(shí)，才能用串聯(lián)電阻的方法減小第二項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償。 將元件的α、β值代入式(2)，根據(jù)Ri0的值就可確定串聯(lián)電阻R的值。 (2) 利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。上圖為補(bǔ)償原理電路圖，霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電流Ｉ穩(wěn)定不變。這樣，可以不考慮輸入回路的溫度影響。輸出回路的輸出電阻及霍爾電壓與溫度之間的關(guān)系為UHt=UH0(1+αt) Rvt=Rv0(1+βt) 式中，UHt為溫度為t時(shí)的霍爾電壓；UH0為0時(shí)的霍爾電壓；Rvt為溫度為t時(shí)的輸出電阻；Rv0為０時(shí)的輸出電阻。負(fù)載RL上的電壓UL為

51、 UL=[UH0(1+αt) ] RL/[Rv0(1+βt)+RL] (3) 為使UL不隨溫度變化，可對(duì)式(3)求導(dǎo)數(shù)并使其等于零，可得 RL/Rv0≈β/α.1≈β/α (4) 最后，將實(shí)際使用的霍爾元件的α、β值代入，便可得出溫度補(bǔ)償時(shí)的RL值。當(dāng)RL= Rv0時(shí)，補(bǔ)償最好。 6. 集成霍爾傳感器有什么特點(diǎn)？ 答：集成霍爾傳感器的特點(diǎn)主要是取消了傳感器和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠

52、性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。 7. 寫(xiě)出你認(rèn)為可以用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)的物理量。 答：可以用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)的物理量有力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、轉(zhuǎn)速、磁場(chǎng)量等等。 8. 設(shè)計(jì)一個(gè)采用霍爾傳感器的液位控制系統(tǒng)。 答：液位控制系統(tǒng)原理如圖所示，霍爾元件固定不動(dòng)，磁鐵與探測(cè)桿固定在一起，連接到裝液體的容器旁邊，通過(guò)管道與內(nèi)部連接。當(dāng)液位達(dá)到控制位置時(shí)霍爾元件輸出控制信號(hào)，通過(guò)處理電路和電磁閥來(lái)控制液壓閥門的開(kāi)啟和關(guān)閉，如液位低于控制位置時(shí)開(kāi)啟閥門，超過(guò)控制位置時(shí)則關(guān)閉閥門。 第9章 新型傳感器習(xí)題答案 1．光纖傳感器的性能有何

53、特殊之處？主要有哪些應(yīng)用？ 答：光導(dǎo)纖維傳感器(簡(jiǎn)稱光纖傳感器)是七十年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器。光纖傳感器具有靈敏度高，不受電磁波干擾，傳輸頻帶寬，絕緣性能好，耐水抗腐蝕性好，體積小，柔軟等優(yōu)點(diǎn)。目前已研制出多種光纖傳感器，可用于位移、速度、加速度、液位、壓力、流量、振動(dòng)、水聲、溫度、電壓、電流；磁場(chǎng)、核輻射等方面的測(cè)量。應(yīng)用前景十分廣闊。 2．紅外線溫度傳感器有哪些主要類型？它與別的溫度傳感器有什么顯著區(qū)別？ 答：能把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器，主要有熱敏型和光電型兩大類。 熱敏型是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，其核心是熱敏元件。由于熱敏元件的響應(yīng)

54、時(shí)間長(zhǎng)，一般在毫秒數(shù)量級(jí)以上。另外，在加熱過(guò)程中，不管什么波長(zhǎng)的紅外線，只要功率相同，其加熱效果也是相同的，假如熱敏元件對(duì)各種波長(zhǎng)的紅外線都能全部吸收的話，那么熱敏探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)基本上都具有相同的響應(yīng)，所以稱其為“無(wú)選擇性紅外傳感器”。這類傳感器主要有熱釋電紅外傳感器和紅外線溫度傳感器兩大類。 光電型是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，其核心是光電元件。因此它的響應(yīng)時(shí)間一般比熱敏型短得多，最短的可達(dá)到毫微秒數(shù)量級(jí)。此外，要使物體內(nèi)部的電子改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，入射輻射的光子能量必須足夠大，它的頻率必須大于某一值，也就是必須高于截止頻率。由于這類傳感器以光子為單元起作用，只要光子的能量足夠，相同

55、數(shù)目的光子基本上具有相同的效果，因此常常稱其為“光子探測(cè)器”。這類傳感器主要有紅外二極管、三極管等。 3．紅外線光電開(kāi)關(guān)有哪些優(yōu)越的開(kāi)關(guān)特性？ 答：紅外線光電開(kāi)關(guān)具有表面反射率低、環(huán)境特性優(yōu)越、回差距離遠(yuǎn)、響應(yīng)頻率高、輸出狀態(tài)靈活、檢測(cè)方式多樣、輸出形式多等許多優(yōu)越的開(kāi)關(guān)特性。 4．超聲波發(fā)生器種類及其工作原理是什么?它們各自特點(diǎn)是什么? 答：超聲波發(fā)生器有壓電式超聲波發(fā)生器和磁致伸縮超聲波發(fā)生器兩種。壓電式超聲波發(fā)生器就是利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成的。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等。在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動(dòng)，而產(chǎn)生超聲波，如下圖所示

56、，它可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的高頻超聲波，產(chǎn)生的聲強(qiáng)可達(dá)幾十W／cm2。 磁致伸縮超聲波發(fā)生器把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化，即機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。磁致伸縮超聲波發(fā)生器是用厚度為0.1～0.4mm的鎳片疊加而成的，片間絕緣以減少渦流電流損失。其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等，如下圖所示，它只能用在幾萬(wàn)Hz的頻率范圍以內(nèi)，但功率可達(dá)十萬(wàn)W，聲強(qiáng)可達(dá)幾千W／cm2，能耐較高的溫度。 磁致伸縮超聲波發(fā)生器 5．超聲波有哪些傳播特性? 答：超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的。振蕩源在介質(zhì)中可產(chǎn)生兩種形式的振蕩，即

57、橫向振蕩和縱向振蕩。橫向振蕩只能在固體中產(chǎn)生，而縱向振蕩可在固體、液體和氣體中產(chǎn)生。 超聲波的一種傳播特性是在通過(guò)兩種不同的介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象， 超聲波的另一種傳播特性是在通過(guò)同種介質(zhì)時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度因介質(zhì)吸收能量而減弱。 6．應(yīng)用超聲波傳感器探測(cè)工件時(shí)，在探頭與工件接觸處要有一層耦合劑，請(qǐng)問(wèn)這是為什么? 答：主要是為了使超聲波更好地穿透到工件內(nèi)，減少反射量，達(dá)到更好的測(cè)量效果。 7．根據(jù)你已學(xué)過(guò)的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波探傷實(shí)用裝置(畫(huà)出原理框圖)，并簡(jiǎn)要說(shuō)明它探傷的工作過(guò)程? 答：可采用穿透法探傷，原理框圖如下圖。穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量

58、變化狀況，來(lái)判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個(gè)探頭，置于工件相對(duì)面，一個(gè)發(fā)射超聲波，一個(gè)接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。在探測(cè)中，當(dāng)工件內(nèi)無(wú)缺陷時(shí)，接收能量大，儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時(shí)，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個(gè)變化，就可以把工件內(nèi)部缺陷檢測(cè)出來(lái)。 8．激光器主要用于哪些非電量的檢測(cè)？有何特點(diǎn)？主要的激光測(cè)速儀有哪些？ 答：激光器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)遠(yuǎn)距離的測(cè)量，可以測(cè)量速度、位置、長(zhǎng)度等物理量的測(cè)量，具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的特點(diǎn)，而且速度高、精度高，測(cè)量范圍廣，抗光、電干擾能力強(qiáng)，因此應(yīng)用十分廣泛。主要的激光測(cè)速儀有

59、加拿大的LRM1500SPD型、德國(guó)的ASTECH-vlm200白光測(cè)速儀及西安儀器儀表的MWK11-HH型等等。 第10章 信號(hào)處理及抗干擾技術(shù)習(xí)題答案 1. 對(duì)傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，為什么要采用測(cè)量放大器？ 答：因?yàn)闇y(cè)量放大器不但具有很高的放大倍數(shù)，而且具有十分穩(wěn)定的輸出特性，符合傳感器微弱信號(hào)放大的要求。 2. 在模擬量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中常用的線性化處理方法有哪些？ 答：線性化方法主要有在模擬量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中可采用三種方法：①縮小測(cè)量范圍，取近似值。②采用非均勻的指示刻度。③增加非線性校正環(huán)節(jié)。 3. 說(shuō)明檢測(cè)系統(tǒng)中非線性校正環(huán)節(jié)(線性化器)的作

60、用。 答：檢測(cè)系統(tǒng)中非線性校正環(huán)節(jié)(線性化器)的作用是是利用它本身的非線性補(bǔ)償傳感器的非線性，從而使整臺(tái)儀表的輸出u0和輸入x之間具有線性關(guān)系。。 4. 如何得到非線性校正環(huán)節(jié)的曲線？ 答：一般主要是利用非線性元件或利用某種元件的非線性區(qū)域，例如將二極管或三極管置于運(yùn)算放大器的反饋回路中構(gòu)成的對(duì)數(shù)運(yùn)算放大器就能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算，構(gòu)成非線性函數(shù)運(yùn)算放大器，它可以用于射線測(cè)厚儀的非線性校正電路中。目前最常用的是利用二極管組成非線性電阻網(wǎng)絡(luò)，配合運(yùn)算放大器產(chǎn)生折線形式的輸入-輸出特性曲線。由于折線可以分段逼近任意曲線，從而就可以得非線性校正環(huán)節(jié)（線性化器）所需要的特性曲線。 5

61、．檢測(cè)裝置中常見(jiàn)的干擾有幾種?采取何種措施予以防止? 答：檢測(cè)裝置中常見(jiàn)的干擾有外部噪聲和內(nèi)部噪聲兩大類。外部噪聲有自然界噪聲源(如電離層的電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲)和人為噪聲源(如電氣設(shè)備、電臺(tái)干擾等)；內(nèi)部噪聲又名固有噪聲，它是由檢測(cè)裝置的各種元件內(nèi)部產(chǎn)生的，如熱噪聲、散粒噪聲等。采用的抑制技術(shù)主要有屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、浮置技術(shù)、平衡電路、濾波技術(shù)和光電隔離技術(shù)等。 6．屏蔽有幾種型式?各起什么作用? 答：屏蔽主要有靜電屏蔽、電磁屏蔽、低頻磁屏蔽和驅(qū)動(dòng)屏蔽四種。靜電屏蔽能防止靜電場(chǎng)的影響，電磁屏蔽能削弱高頻電磁場(chǎng)的影響，低頻磁屏蔽主要是為了抗低頻磁場(chǎng)的干擾，驅(qū)動(dòng)屏蔽能有效地抑制通過(guò)寄生

62、電容的耦合干擾。 7．接地有幾種型式?各起什么作用? 答：接地有信號(hào)地、電源地和保護(hù)地三種。信號(hào)地主要將信號(hào)的零電位接地，電源地是電源的零電位，保護(hù)地則是系統(tǒng)的零電平。 8．脈沖電路中的噪聲抑制有哪幾種方法?請(qǐng)扼要表達(dá)它的抑制原理? 答：脈沖電路中的噪聲抑制有積分電路、脈沖干擾隔離門和相關(guān)量法三種。積分電路的抑制原理是由于脈沖寬度大的信號(hào)輸出大，而脈沖寬度小的噪聲脈沖輸出也小，所以能將噪聲干擾濾除掉；脈沖干擾隔離門的抑制原理是用硅二極管的正向壓降對(duì)幅度較小的干擾脈沖加以阻擋，而讓幅度較大的脈沖信號(hào)順利通過(guò)；相關(guān)量法的抑制原理是找出脈沖信號(hào)相關(guān)量(同步脈沖)，以此量與脈沖信號(hào)同時(shí)作用到與門上，當(dāng)兩輸入皆有信號(hào)時(shí)，才能使與門打開(kāi)送出脈沖信號(hào)，這樣就抑制了脈沖中的干擾。 主編:俞志根 24