傳感器與檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)思考題new

1、第1章 傳感器與檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)思考題l.檢測(cè)系統(tǒng)由哪幾部分組成? 說明各部分的作用。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的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓或電流信

2、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)大寫字母標(biāo)記。見附錄表2；轉(zhuǎn)換原理用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記。見附錄表3；序號(hào)用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，廠家自定，用來表征產(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)

3、，其序號(hào)可在原序號(hào)后面順序地加注大寫字母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U0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

4、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U，即可由毫伏表指示出來。根據(jù)U0=U+U，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。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、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/mm5.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： 0.45/ 電橋： 0.02V/ 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0800，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2.5，選那臺(tái)儀表合理?解：2.5

6、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

7、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f()- 曲線對(duì)稱于縱軸。有界性 在一定測(cè)量條件下，隨機(jī)誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過一定的范圍，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=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： R1167.95 R2167.45 R3167.60 R41

8、67.60 R5167.87 R6167.88 R7168.00 R8167.850 R9167.82 R10167.61(1)求10次測(cè)量的算術(shù)平均值，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差和算術(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

9、(RR)時(shí)，稱為輸出對(duì)稱電橋；當(dāng)R1=R4=R，R2=R3 =R(RR)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R1時(shí)，由初始平衡條件R1R3=R2R4得，代入式（1），則電橋由于R1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R1=R，根據(jù)（2）可得到輸出電壓為 (3)對(duì)于電源對(duì)稱

10、電橋，R1=R4=R,R2=R3=R。當(dāng)R1臂產(chǎn)生電阻增量R1=R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R1=R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)RR時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸出對(duì)稱電橋的輸出電壓要比電源對(duì)稱電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對(duì)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+R,R2=R-R

11、,R3=R+R,R4=R-R，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?說明這種電路的工作原理。答

12、：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120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定負(fù)載電阻無窮大。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

13、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=120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120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)輸出阻抗為無窮大）？解：由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=100，R1和R2為同型號(hào)的電阻應(yīng)變片，其電阻均為50，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

14、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/mV7.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光照時(shí)阻值非常大，相當(dāng)于斷路，有光照時(shí)阻值變得很小，相當(dāng)于通路。在工業(yè)應(yīng)用中主要就是通過光的變化來各種電路的控制。第3章 電容式傳感器思考題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

15、之改變，其值為C=b（a-x）/d=C0-bx/d （1）電容因位移而產(chǎn)生的變化量為其靈敏度為 可見增加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.為什么說變間隙型電容傳感器特性是非線性的?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)xd時(shí) 則 (2)由式（1）可以看出電容量C與x不是線性關(guān)系，只有當(dāng) x t0)。在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電

16、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)述熱電偶的幾個(gè)重要定律，并分別說明它們的實(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

17、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。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

18、。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。R1R5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。R1R

19、5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=0.5mA?；芈份敵鲭妷篣為熱電偶的熱電動(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?。自?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

20、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)=1.638mV，根據(jù)式(5-2-1)計(jì)算出再通過分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為6已知鉑銠10-鉑(S)熱電偶的冷端溫度t025，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(25，0)=0.161mV，根據(jù)式(5-2-1)計(jì)算出再通過分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為7已知鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶的熱端溫度t800，冷端溫度t025，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)=33.275mV，E(25，0)=1.024 mV，故

21、可得 E(800，5)=33.275-1.024=32.251mV8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?解：不對(duì)，因?yàn)閮x表的機(jī)械零位在0，正確值為400。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：毫伏表的示值應(yīng)為(t1-t2-60)。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，t030，儀表指示溫度為210，后來發(fā)現(xiàn)由于工作上的疏忽把補(bǔ)償導(dǎo)線，相互接錯(cuò)了，問：爐溫的實(shí)際溫度t為多少度?解：實(shí)際溫

22、度應(yīng)為270，因?yàn)榻臃春蟛坏珱]有補(bǔ)償?shù)剑€抵消了30，故應(yīng)該加上60。圖5.14 圖5.15第6章 壓電傳感器習(xí)題1為什么說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，得到足夠強(qiáng)的輸出信號(hào)。 3一壓電式傳感器的靈敏度K110pCMPa，連接靈敏度K2=0.008VpC的電荷放大器

23、，所用的筆式記錄儀的靈敏度K3=25mmV，當(dāng)壓力變化p=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/mm4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K100mVg，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，試畫出標(biāo)定系統(tǒng)的框圖，并計(jì)算加速度計(jì)的電壓靈敏度。解：此加速度計(jì)的靈敏度為 mV/g標(biāo)定系統(tǒng)框圖如下：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)的光電元件各有哪些?答：光

24、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

25、。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1是光源發(fā)出的光信號(hào)，2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)射的光通量穿過被測(cè)物

26、，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、振動(dòng)測(cè)量等場(chǎng)合。第8章 霍爾傳感器習(xí)題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)

27、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)體材料的雖然很大，但很小，故不宜做成元件，而絕緣材料的雖然很大，但很小，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np，所以霍爾元件一般采用N型半導(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

28、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，輸出端開路。根據(jù)溫度特性，元件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為RHt=RH0(1+t) Rit=Ri0(1+t)式中，RHt為溫度為時(shí)霍爾系數(shù)；RH0為0時(shí)的霍爾系數(shù)；Rit為溫度為時(shí)的輸入電阻；Ri0為0時(shí)的輸入電阻；為霍爾電壓的溫度系數(shù), 為輸入

29、電阻的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化t時(shí)，其增量為: RH=RH0t Ri=Ri0t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、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，使控制電流穩(wěn)定不變。這樣，可以不考慮輸入回路的溫

30、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+t) Rvt=Rv0(1+t)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為時(shí)的輸出電阻。負(fù)載RL上的電壓UL為 UL=UH0(1+t) RL/Rv0(1+t)+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/.1/ (4)最后，將實(shí)際使用的霍爾元件的、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

31、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性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。7. 寫出你認(rèn)為可以用霍爾傳感器來檢測(cè)的物理量。答：可以用霍爾傳感器來檢測(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)，通過處理電路和電磁閥來控制液壓閥門的開啟和關(guān)閉，如液位低于控制位置時(shí)開啟閥門，超過控制位置時(shí)則關(guān)閉閥門。第9章 新型傳感器

32、習(xí)題1光纖傳感器的性能有何特殊之處？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)時(shí)

33、間長(zhǎng)，一般在毫秒數(shù)量級(jí)以上。另外，在加熱過程中，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，相同數(shù)目的光子基

34、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紅外線光電開關(guān)有哪些優(yōu)越的開關(guān)特性？答：紅外線光電開關(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，它可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的高頻

35、超聲波，產(chǎn)生的聲強(qiáng)可達(dá)幾十Wcm2。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0.10.4mm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Wcm2，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。

36、超聲波的一種傳播特性是在通過兩種不同的介質(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)過的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波探傷實(shí)用裝置(畫出原理框圖)，并簡(jiǎn)要說明它探傷的工作過程?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變化狀況，來判別工件內(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。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