傳感器原理及應(yīng)用課后習(xí)題上答案吳建平機(jī)械工業(yè)出版

1、傳感器原理及應(yīng)用課后習(xí)題答案（吳建平）郭朝暉機(jī)械工業(yè)出版2010-07-06習(xí)題集及答案第1章 概述1.1 什么是傳感器？按照國(guó)標(biāo)定義，“傳感器”應(yīng)該如何說(shuō)明含義？1.2 傳感器由哪幾部分組成？試述它們的作用及相互關(guān)系。1.3 簡(jiǎn)述傳感器主要發(fā)展趨勢(shì)，并說(shuō)明現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的特征。1.4 傳感器如何分類？按傳感器檢測(cè)的范疇可分為哪幾種？1.5 傳感器的圖形符號(hào)如何表示？它們各部分代表什么含義？應(yīng)注意哪些問(wèn)題？1.6 用圖形符號(hào)表示一電阻式溫度傳感器。1.7 請(qǐng)例舉出兩個(gè)你用到或看到的傳感器，并說(shuō)明其作用。如果沒(méi)有傳感器，應(yīng)該出現(xiàn)哪種狀況。1.8 空調(diào)和電冰箱中采用了哪些傳感器？它們分別起到什么作用

2、？答案1.1答：從廣義的角度來(lái)說(shuō)，感知信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理部分總稱為傳感器。我們對(duì)傳感器定義是：一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置。從狹義角度對(duì)傳感器定義是：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（gb766587）對(duì)傳感器（sensor/transducer）的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置”。定義表明傳感器有這樣三層含義：它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的一種檢測(cè)裝置；能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關(guān)系。按使用的場(chǎng)合不同傳感器又稱為變換器、換能器、

3、探測(cè)器。1.2答：組成由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路組成；關(guān)系，作用傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)試系統(tǒng)的接口位置，即檢測(cè)與控制之首。傳感器是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息都要通過(guò)傳感器獲取并通過(guò)它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理的電信號(hào)，其作用與地位特別重要。1.3答：（略）1.4答：按照我國(guó)制定的傳感器分類體系表，傳感器分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器以及生物量傳感器三大類，含12個(gè)小類。按傳感器的檢測(cè)對(duì)象可分為：力學(xué)量、熱學(xué)量、流體量、光學(xué)量、電量、磁學(xué)量、聲學(xué)量、化學(xué)量、生物量、機(jī)器人等等。1.5 答：圖形符號(hào)（略），各部分含義如下：敏感元件：指?jìng)鞲衅髦兄苯痈惺鼙粶y(cè)量的

4、部分。 傳感器：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 信號(hào)調(diào)理器：對(duì)于輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的 裝置。 變送器：能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器1.6答：（略）1.7答：（略）1.8答：（略）第2章 傳感器的基本特性2.1傳感器的靜態(tài)特性是什么？由哪些性能指標(biāo)描述？它們一般可用哪些公式表示？2.2傳感器的線性度是如何確定的？確定擬合直線有哪些方法？傳感器的線性度表征了什么含義？為什么不能籠統(tǒng)的說(shuō)傳感器的線性度是多少。2.3傳感器動(dòng)態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？它們的意義是什么？2.4傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)的定義是什么？它們之間有何聯(lián)系

5、與區(qū)別？2.5有一溫度傳感器，微分方程為，其中為輸出電壓（mv) , 為輸入溫度（）。試求該傳感器的時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。2.6有一溫度傳感器，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度為t1，測(cè)溫傳感器顯示溫度為t2時(shí)，可用下列方程表示：。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度從25突然變化到300時(shí)，測(cè)溫傳感器的時(shí)間常數(shù)0 =120s，試求經(jīng)過(guò)350s后該傳感器的動(dòng)態(tài)誤差。2.7某力傳感器屬二階傳感器，固有頻率為l000hz，阻尼比為0.7，試求用它測(cè)量頻率為600hz的正弦交變力時(shí)的振幅相對(duì)誤差和相位誤差。2.8已知某二階傳感器系統(tǒng)的固有頻率為20khz，阻尼比為0.1，若要求傳感器的輸出幅值誤差不大于3%，試確定該傳感器的工作頻率范圍。

6、2.9設(shè)有兩只力傳感器均可作為二階系統(tǒng)處理，固有頻率分別為800hz和2.2khz，阻尼比均為0.4，欲測(cè)量頻率為400hz正弦變化的外力，應(yīng)選用哪一只？并計(jì)算所產(chǎn)生的振幅相對(duì)誤差和相位誤差。答案2.1答：靜特性是當(dāng)輸入量為常數(shù)或變化極慢時(shí)，傳感器的輸入輸出特性，其主要指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)定性。傳感器的靜特性由靜特性曲線反映出來(lái)，靜特性曲線由實(shí)際測(cè)繪中獲得。人們根據(jù)傳感器的靜特性來(lái)選擇合適的傳感器。2.2答：1）實(shí)際傳感器有非線性存在，線性度是將近似后的擬合直線與實(shí)際曲線進(jìn)行比較，其中存在偏差，這個(gè)最大偏差稱為傳感器的非線性誤差，即線性度，2）選

7、取擬合的方法很多，主要有：理論線性度(理論擬合)；端基線性度(端點(diǎn)連線擬合)；獨(dú)立線性度(端點(diǎn)平移擬合)；最小二乘法線性度。3）線性度是表征實(shí)際特性與擬合直線不吻合的參數(shù)。4）傳感器的非線性誤差是以一條理想直線作基準(zhǔn)，即使是同一傳感器基準(zhǔn)不同時(shí)得出的線性度也不同，所以不能籠統(tǒng)地提出線性度, 當(dāng)提出線性度的非線性誤差時(shí)，必須說(shuō)明所依據(jù)的基準(zhǔn)直線。2.3答：1）傳感器動(dòng)態(tài)特性主要有：時(shí)間常數(shù)；固有頻率；阻尼系數(shù)。2）含義：越小系統(tǒng)需要達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越少；固有頻率越高響應(yīng)曲線上升越快；當(dāng)為常數(shù)時(shí)響應(yīng)特性取決于阻尼比，阻尼系數(shù)越大，過(guò)沖現(xiàn)象減弱，時(shí)無(wú)過(guò)沖，不存在振蕩，阻尼比直接影響過(guò)沖量和振蕩次數(shù)。2

8、.4答：（略）2.5解：對(duì)微分方程兩邊進(jìn)行拉氏變換，y(s)(30s+3)=0.15x(s) 則該傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 該傳感器的時(shí)間常數(shù)=10，靈敏度k=0.052.6解：動(dòng)態(tài)誤差由穩(wěn)態(tài)誤差和暫態(tài)誤差組成。先求穩(wěn)態(tài)誤差： 對(duì)方程兩邊去拉氏變換得： 則傳遞函數(shù)為 對(duì)于一階系統(tǒng)，階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差，再求暫態(tài)誤差： 當(dāng)t=350s時(shí)，暫態(tài)誤差為 故所求動(dòng)態(tài)誤差為： 2.7解：所求幅值誤差為0.947,相位滯后52°70則，頻率為600hz時(shí)的幅值為相對(duì)誤差為（1-0.947）×100%=5.3%2.8解： 令， 則 解得 代入上式，得 令，則 解得 代入上式，得 由圖2-

9、18二階傳感器系統(tǒng)的幅頻特性曲線知，該傳感器的工作頻率范圍為： 或 2.9解：=0.41，由二階傳感器的頻率特性，固有頻率比被測(cè)信號(hào)頻率越大越好，故應(yīng)選固有頻率為2.2khz的那只。 相對(duì)誤差為（1-0.940）×100%=6.0%故相位滯后8°33。第3章 電阻應(yīng)變式傳感器3.1 何為電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？3.2 什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與金屬電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？3.3 為什么增加應(yīng)變片兩端電阻條的橫截面積便能減小橫向效應(yīng)？3.4 金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何不同？半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少，金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少

10、？為什么有這種差別，說(shuō)明其優(yōu)缺點(diǎn)。舉例說(shuō)明金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。3.5 一應(yīng)變片的電阻r=120，靈敏系數(shù)k=2.05，用作應(yīng)變?yōu)榈膫鞲性?。求：和?若電源電壓u=3v，初始平衡時(shí)電橋的輸出電壓u0。3.6 在以鋼為材料的實(shí)心圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120的金屬應(yīng)變片r1和r2（如圖3-28a所示），把這兩應(yīng)變片接入電橋（見(jiàn)圖3-28b）。若鋼的泊松系數(shù)，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k =2，電橋電源電壓u=2v，當(dāng)試件受軸向拉伸時(shí)，測(cè)得應(yīng)變片r1的電阻變化值。試求：軸向應(yīng)變；電橋的輸出電壓。圖3-293.7 一測(cè)量吊車起吊重物的拉力傳感器如圖3-29a所示

11、。r1、r2、r3、r4按要求貼在等截面軸上。已知:等截面軸的截面積為0.00196m2，彈性模量e=2×1011n/m2，泊松比，且r1=r2=r3=r4=120, 所組成的全橋型電路如題圖3-29b所示，供橋電壓u=2v。現(xiàn)測(cè)得輸出電壓u0=2.6mv。求：等截面軸的縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變?yōu)槎嗌?？力f為多少？圖3-283.8 已知：有四個(gè)性能完全相同的金屬絲應(yīng)變片（應(yīng)變靈敏系數(shù)）, 將其粘貼在梁式測(cè)力彈性元件上，如圖3-30所示。在距梁端處應(yīng)變計(jì)算公式為設(shè)力，。求：圖 3-30說(shuō)明是一種什么形式的梁。在梁式測(cè)力彈性元件距梁端處畫(huà)出四個(gè)應(yīng)變片粘貼位置，并畫(huà)出相應(yīng)的測(cè)量橋路原理圖；求出各

12、應(yīng)變片電阻相對(duì)變化量；當(dāng)橋路電源電壓為6v時(shí)，負(fù)載電阻為無(wú)窮大，求橋路輸出電壓u0是多少？3.9 圖3-31為一直流電橋，負(fù)載電阻rl趨于無(wú)窮。圖中e=4v，r1=r2=r3=r4=120，試求： r1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)r1的增量為r1=1.2時(shí)，電橋輸出電壓u0=? r1、r2為金屬應(yīng)變片，感應(yīng)應(yīng)變大小變化相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓u0=? r1、r2為金屬應(yīng)變片，如果感應(yīng)應(yīng)變大小相反，且r1=r2 =1.2，電橋輸出電壓u0=?答案3.1 答：導(dǎo)體在受到拉力或壓力的外界力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，同時(shí)機(jī)械變形會(huì)引起導(dǎo)體阻值的變化，這種導(dǎo)體材料因變形而使其電阻值發(fā)生變化的

13、現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。當(dāng)外力作用時(shí)，導(dǎo)體的電阻率、長(zhǎng)度、截面積都會(huì)發(fā)生變化，從而引起電阻值的變化，通過(guò)測(cè)量電阻值的變化，檢測(cè)出外界作用力的大小。3.2答：金屬絲靈敏系數(shù)主要由材料的幾何尺寸決定的。受力后材料的幾何尺寸變化為，電阻率的變化為。而實(shí)際應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)包括基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng)。雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，金屬絲做成成品的應(yīng)變片（粘貼到試件上）以后，靈敏系數(shù)降低了。3.3答：敏感柵越窄，基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，橫向效應(yīng)越小，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上兩端電阻條的橫截面積大的應(yīng)變片橫向效應(yīng)較小。3.4答：金屬導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化是利用機(jī)械形變產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)，對(duì)于半導(dǎo)體而言，應(yīng)變傳感器主要是利用

14、半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。金屬電阻絲的靈敏系數(shù)可近似寫(xiě)為 ，即；半導(dǎo)體靈敏系數(shù)近似為 50100。3.5解： 3.6解1：1） 則軸向應(yīng)變?yōu)椋?2）電橋的輸出電壓為：解2：3.7解：3.8解：梁為一種等截面懸臂梁；應(yīng)變片沿梁的方向上下平行各粘貼兩個(gè)；3.9解:第4章 電容式傳感器4.1 如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？4.2 為什么高頻工作時(shí)的電容式傳感器連接電纜的長(zhǎng)度不能任意變化？4.3 差動(dòng)式變極距型電容傳感器，若初始容量，初始距離，當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了時(shí)，試計(jì)算其非線性誤差。若改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大？4.4 電容式傳感器有哪幾類測(cè)量電路？各有什么特點(diǎn)

15、？差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路用于電容傳感器測(cè)量電路具有什么特點(diǎn)？4.5 一平板式電容位移傳感器如圖4-5所示，已知：極板尺寸，極板間隙，極板間介質(zhì)為空氣。求該傳感器靜態(tài)靈敏度；若極板沿方向移動(dòng)，求此時(shí)電容量。4.6 已知：圓盤(pán)形電容極板直徑，間距，在電極間置一塊厚的云母片（），空氣（）。求：無(wú)云母片及有云母片兩種情況下電容值及是多少？當(dāng)間距變化時(shí)，電容相對(duì)變化量及是多少？4.7 壓差傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-30a所示，傳感器接入二極管雙t型電路，電路原理示意圖如圖4-30b所示。已知電源電壓ue =10v，頻率f = 1mhz，r1=r2=40k，壓差電容c1=c2=10pf，rl=20k。試分析，當(dāng)壓力

16、傳感器有壓差phpl使電容變化c=1pf時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓url平均值的大小與方向。 a) b)圖4-30答案4.1答：非線性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對(duì)位移的大??；起始極距與靈敏度、線性度相矛盾，所以變極距式電容傳感器只適合小位移測(cè)量；為提高傳感器的靈敏度和改善非線性關(guān)系，變極距式電容傳感器一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。4.2答：低頻時(shí)容抗較大，傳輸線的等效電感和電阻可忽略。而高頻時(shí)容抗減小，等效電感和電阻不可忽略，這時(shí)接在傳感器輸出端相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)諧振，有一個(gè)諧振頻率存在，當(dāng)工作頻率諧振頻率時(shí)，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振對(duì)傳感器的輸出起破壞作用，使電路不能正

17、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。4.3解：若初始容量，初始距離，當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了時(shí)，非線性誤差為：改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差為：4.4（略）4.5解：對(duì)于平板式變面積型電容傳感器，它的靜態(tài)靈敏度為： 極板沿x方向相對(duì)移動(dòng)2mm后的電容量為： 4.6解：1） 2）令，則 4.7解：當(dāng)時(shí)，；由于，電壓ue的負(fù)半周占優(yōu)勢(shì)，故的方向下正上負(fù)。第5章 電感式傳感器5.1 何謂電感式傳感器？電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點(diǎn)？5.2 提高電感式傳感器線性度有哪些有效的方法。5.3 說(shuō)明單線圈和差動(dòng)變間隙式電感傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性。 5.

18、4 說(shuō)明產(chǎn)生差動(dòng)電感式傳感器零位殘余電壓的原因及減小此電壓的有效措施。5.5 為什么螺線管式電傳感器比變間隙式電傳感器有更大的測(cè)位移范圍？5.6 電感式傳感器測(cè)量電路的主要任務(wù)是什么？變壓器式電橋和帶相敏整流的交流電橋在電感式傳感器測(cè)量電路中各可以發(fā)揮什么作用？采用哪種電路可以獲得理想輸出。5.7 概述變間隙式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特性，試比較單線圈和差動(dòng)螺線管式電傳感器的基本特性，說(shuō)明它們的性能指標(biāo)有何異同？5.8 差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電路有幾種類型？試述差動(dòng)整流電路的組成和基本原理。為什么這類電路可以消除零點(diǎn)殘余電壓？5.9 概述差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用范圍，并說(shuō)明用差動(dòng)變壓

19、器式傳感器檢測(cè)振動(dòng)的基本原理。5.10 什么叫電渦流效應(yīng)？說(shuō)明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。電渦流式傳感器的基本特性有哪些？它是基于何種模型得到的？5.11 電渦流式傳感器可以進(jìn)行哪些物理量的檢測(cè)？能否可以測(cè)量非金屬物體，為什么？5.12 試用電渦流式傳感器設(shè)計(jì)一在線檢測(cè)的計(jì)數(shù)裝置，被測(cè)物體為鋼球。請(qǐng)畫(huà)出檢測(cè)原理框圖和電路原理框圖。答案5.1答：電感式傳感器是一種機(jī)-電轉(zhuǎn)換裝置，電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置，傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。它可以用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、密度等參數(shù)。電感式傳感器種類：自感式、渦流式、

20、差動(dòng)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。5.2答：電感傳感器采用差動(dòng)形式，轉(zhuǎn)換電路采用相敏檢波電路可有效改善線性度。5.3（略）5.4答：差動(dòng)變壓器式傳感器的鐵芯處于中間位置時(shí)，在零點(diǎn)附近總有一個(gè)最小的輸出電壓，將鐵芯處于中間位置時(shí)，最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的主要原因是由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組電氣系數(shù)（互感 m 、電感l(wèi)、內(nèi)阻r）不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保證完全一致。為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，除工業(yè)上采取措施外，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)償：串聯(lián)電阻；并聯(lián)電阻、電容，消除基波分量的相位差異，減小諧波分量；加反饋支路，初、次級(jí)間加入

21、反饋，減小諧波分量；相敏檢波電路對(duì)零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。5.5答：螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器利用互感原理，結(jié)構(gòu)是：塑料骨架中間繞一個(gè)初級(jí)線圈，兩次級(jí)線圈分別在初級(jí)線圈兩邊，鐵心在骨架中間可上下移動(dòng)，根據(jù)傳感器尺寸大小它可測(cè)量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移。變間隙式電感傳感器是利用自感原理，銜鐵的與鐵芯之間位移（氣隙）與磁阻的關(guān)系為非線性關(guān)系，可動(dòng)線性范圍很小，因此測(cè)量范圍受到限制。5.6（略）5.7（略）5.8（略）5.9（略）5.10答：1）塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。2）形成渦流必

22、須具備兩個(gè)條件：第一存在交變磁場(chǎng)；第二導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中。電渦流式傳感器通電后線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬導(dǎo)體置于線圈附近。當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流同樣產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)的反作用使線圈的等效電感和等效阻抗發(fā)生變化，使流過(guò)線圈的電流大小、相位都發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)與阻抗有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行非電量檢測(cè)。3）因?yàn)榻饘俅嬖谮吥w效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)，實(shí)際上渦流的分布是不均勻的。渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同，存在徑向分布和軸向分布。所以電渦流傳感器的檢測(cè)范圍與傳感器的尺寸（線圈直徑）有關(guān)。4）回路方程的建立是把金屬上渦流所在范圍近似看成一個(gè)單匝短路線圈作為等

23、效模型。5.11答：1）凡是能引起變化的物理量，均可以引起傳感器線圈 的變化，可以進(jìn)行非電量檢測(cè)；如被測(cè)體（金屬）的電阻率，導(dǎo)磁率，厚度，線圈與被測(cè)體之間的距離，激勵(lì)線圈的角頻率等都可通過(guò)渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗發(fā)生關(guān)系，使變化；若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，便可使阻抗成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。2）電渦流傳感器不可以直接測(cè)量非金屬物體，這是由于傳感器本身特性決定的。5.12（略）第6章 磁電式傳感器6.1 試述磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式。6.2 說(shuō)明磁電感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生誤差的原因及補(bǔ)償方法。6.3 為什么磁電感應(yīng)式傳感器的靈敏度在工作頻率較高時(shí)，將隨頻率增加而下降？6.4

24、什么是霍爾效應(yīng)？ 6.5 霍爾元件常用材料有哪些？為什么不用金屬做霍爾元件材料？6.6 霍爾元件不等位電勢(shì)產(chǎn)生的原因有哪些？6.7 某一霍爾元件尺寸為，,，沿方向通以電流，在垂直于和的方向加有均勻磁場(chǎng)，靈敏度為，試求輸出霍爾電勢(shì)及載流子濃度。6.8 試分析霍爾元件輸出接有負(fù)載時(shí)，利用恒壓源和輸人回路串聯(lián)電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臈l件。6.9 霍爾元件靈敏度，控制電流，將它置于線性變化的磁場(chǎng)中，它輸出的霍爾電勢(shì)范圍有多大？6.10列舉l2個(gè)霍爾元件的應(yīng)用例子。查找l2個(gè)應(yīng)用磁敏電阻制作的產(chǎn)品實(shí)例。6.11磁敏電阻溫度補(bǔ)償有哪些方法？磁敏二極管溫度補(bǔ)償有哪些方法？有哪些特點(diǎn)？6.12 比較霍爾元件、磁敏電

25、阻、磁敏晶體管，它們有哪些相同之處和不同之處？簡(jiǎn)述其各自的特點(diǎn)。答案6.1（略）6.2答：磁電感應(yīng)式傳感器兩個(gè)基本元件，即永久磁鐵和線圈，永久磁鐵在使用前需要有穩(wěn)定性處理，主要是線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)恒定磁場(chǎng)的作用（稱為線圈磁場(chǎng)效應(yīng)）是不能忽略的，需要采用補(bǔ)償線圈與工作線圈相串聯(lián)加以補(bǔ)償。當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí)傳感器溫度誤差較大，必須加以補(bǔ)償。6.3答：因?yàn)榇烹姼袘?yīng)式傳感器的靈敏度為，振動(dòng)頻率過(guò)高時(shí)，線圈阻抗增大，使傳感器靈敏度隨振動(dòng)頻率增加而下降。6.4答：通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場(chǎng)中，電流與磁場(chǎng)垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。6.5答：1）任何材料在一定條件下都能

26、產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是都可以制造霍爾元件。只有半導(dǎo)體材料適于制作霍爾元件。又因一般電子遷移率大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用n型半導(dǎo)體制造。2）金屬材料電子濃度雖然很高，但電阻率很小很小，使霍爾電勢(shì)很小，因此不適于做霍爾元件材料。6.6答：霍爾電勢(shì)不為零的原因是，霍爾引出電極安裝不對(duì)稱，不在同一等電位面上；激勵(lì)電極接觸不良，半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率不均勻等原因。6.7解：6.8（略）6.9解：6.10（略）6.11（略）6.12答：霍爾元件具有體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性好、靈敏度高、頻帶寬等許多優(yōu)點(diǎn)，在霍爾元件確定后，可以通過(guò)測(cè)量電壓、電流、磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)非電量，如力、壓力、應(yīng)變、振動(dòng)、加

27、速度等等，所以霍爾元件應(yīng)用有三種方式：激勵(lì)電流不變，霍爾電勢(shì)正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度，可進(jìn)行位移、加速度、轉(zhuǎn)速測(cè)量。激勵(lì)電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度都為變量，傳感器輸出與兩者乘積成正比，可測(cè)量乘法運(yùn)算的物理量，如功率。磁場(chǎng)強(qiáng)度不變時(shí)，傳感器輸出正比于激勵(lì)電流，可檢測(cè)與電流有關(guān)的物理量，并可直接測(cè)量電流。磁敏電阻與霍爾元件屬同一類，都是磁電轉(zhuǎn)換元件，兩者本質(zhì)不同是磁敏電阻沒(méi)有判斷極性的能力，只有與輔助材料(磁鋼)并用才具有識(shí)別磁極的能力。磁敏二極管可用來(lái)檢測(cè)交直流磁場(chǎng)，特別是弱磁場(chǎng)?？捎米鳠o(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、作箱位電流計(jì)、對(duì)高壓線不斷線測(cè)電流、小量程高斯計(jì)、漏磁儀、磁力探傷儀等設(shè)備裝置。磁敏三極管具有較好的磁靈敏度，主要應(yīng)用于

28、磁場(chǎng)測(cè)量，特別適于10-6t以下的弱磁場(chǎng)測(cè)量，不僅可測(cè)量磁場(chǎng)的大小，還可測(cè)出磁場(chǎng)方向；電流測(cè)量。特別是大電流不斷線地檢測(cè)和保護(hù)；制作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)和電位器，如計(jì)算機(jī)無(wú)觸點(diǎn)電鍵、機(jī)床接近開(kāi)關(guān)等；漏磁探傷及位移、轉(zhuǎn)速、流量、壓力、速度等各種工業(yè)控制中參數(shù)測(cè)量。第7章 壓電式傳感器7.1 什么是壓電效應(yīng)？什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？7.2 石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)有何不同之處？為什么說(shuō)pzt壓電陶瓷是優(yōu)能的壓電元件？比較幾種常用壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)出各自適用于什么場(chǎng)合？7.3 壓電傳感器能否用于靜態(tài)測(cè)量？試結(jié)合壓電陶瓷加以說(shuō)明。7.4 壓電元件在使用時(shí)常采用多片串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。試述在不同接法

29、下輸出電壓、電荷、電容的關(guān)系，它們分別適用于何種應(yīng)用場(chǎng)合？7.5 電壓放大器和電荷放大器本質(zhì)上有何不同，電荷放大器和電壓放大器各有何特點(diǎn)？它們各自適用于什么情況？ 7.6 己知電壓前置放大器輸人電阻及總電容分別為，求與壓電加速度計(jì)相配，測(cè)振動(dòng)時(shí)幅值誤差是多少？7.7 已知電壓式加速度傳感器阻尼比。若其無(wú)阻尼固有頻率, 要求傳感器輸出幅值誤差在以內(nèi)，試確定傳感器的最高響應(yīng)頻率。7.8 一壓電加速度計(jì)，供它專用電纜的長(zhǎng)度為，電纜電容為，壓電片本身電容為。出廠標(biāo)定電壓靈敏度為，若使用中改用另一根長(zhǎng)電纜，其電容量為，問(wèn)其電壓靈敏度如何改變？7.9 為什么壓電器件一定要高阻抗輸出？7.10 用石英晶體加

30、速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量加速度，已知：加速度計(jì)靈敏度為5pc/g，電荷放大器靈敏度為50mv/pc，當(dāng)機(jī)器加速度達(dá)到最大值時(shí)，相應(yīng)輸出電壓幅值為2v，試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。答案7.1答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時(shí)，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時(shí)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)7.2答：1）石英晶體整個(gè)晶體是中性的，受外力作用而變形時(shí)沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)，但

31、它具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。壓電陶瓷pzt是一種多晶鐵電體，原始的壓電陶瓷材料并不具有壓電性，必須在一定溫度下做極化處理后，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，才能使其呈現(xiàn)出壓電特性。2）比較石英晶體、，壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)大的多，是它們的上百倍。所以壓電陶瓷制作的傳感器靈敏度高。常用的優(yōu)能壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛（pzt），它具有很高的介電常數(shù)，工作溫度可達(dá)250。3）（略）7.3答：1）由壓電傳感器的等效電路可見(jiàn)，要保證輸出信號(hào)與輸入作用力間的線性關(guān)系，只有在負(fù)載電阻較大，工作頻率較高時(shí)，傳感器電荷才能得以保存補(bǔ)充，需要測(cè)量電路具有無(wú)限大的輸入阻抗。但實(shí)際上這是不可能的，故壓電傳感器只能作動(dòng)

32、態(tài)測(cè)量，不宜作靜態(tài)信號(hào)測(cè)量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，并給測(cè)量電路一定的電流。2）（略）7.4.答：1）在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個(gè)壓電組件。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電芯片的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接，常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。2）如果按相同極性粘貼，相當(dāng)兩個(gè)壓電片（電容）串聯(lián)。輸出總電容為單片電容的一半，輸出電荷與單片電荷相等，輸出電壓是單片的兩倍；若按不同極性粘貼，相當(dāng)兩個(gè)壓電片（電容）并聯(lián)，輸出電容為單電容的兩倍，極板上電荷量是單片的兩倍，但輸出電壓與單片相等。7.5答：（略）7.6解：幅值誤差為：相對(duì)

33、誤差為：7.7解：控制傳感器在5%以內(nèi)的幅值誤差為：式中f為最高響應(yīng)頻率：7.8解：可見(jiàn)電纜加長(zhǎng)后電壓靈敏度下降。7.9（略）7.10解：當(dāng)輸出幅值為2v時(shí)，機(jī)器振動(dòng)加速度為：第8章 光電效應(yīng)及器件8.1什么是內(nèi)光電效應(yīng)？什么是外光電效應(yīng)？說(shuō)明其工作原理并指出相應(yīng)的典型光電器件。8.2普通光電器件有哪幾種類型？各有何特點(diǎn)？利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件有哪些？用光生伏特效應(yīng)制成的光電器件有哪些？8.3普通光電器件都有哪些主要特性和參數(shù)？8.4什么是光敏電阻的亮電阻和暗電阻？暗電阻電阻值通常在什么范圍？8.5試述光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光電池的工作原理。如何正確選用這些器件？舉例說(shuō)明。8

34、.6光敏二極管由哪幾部分組成，它與普通二極管在使用時(shí)有什么不同？請(qǐng)說(shuō)明原理。8.7光敏三極管與普通三極管的輸出特性是否相同？主要區(qū)別在哪里？8.8何為光電池的開(kāi)路電壓及短路電流？為什么作為檢測(cè)元件時(shí)要采用短路電流輸出形式，作為電壓源使用時(shí)采用開(kāi)路電壓輸出形式？8.9光電池的結(jié)構(gòu)特征是什么？它如何工作的？8.10采用波長(zhǎng)為0.80.9的紅外光源時(shí)，宜采用哪種材料的光電器件做檢測(cè)元件？為什么？8.11反射式光電傳感器常見(jiàn)的有哪些類型？有什么特點(diǎn)？應(yīng)用時(shí)要注意哪些影響？8.12舉出日常生活中的兩個(gè)光電式傳感器的應(yīng)用例子，并說(shuō)明原理。8.13試擬定一光電開(kāi)關(guān)用于自動(dòng)裝配流水線上工件計(jì)數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)（用示意

35、圖表示出裝置結(jié)構(gòu)），并畫(huà)出計(jì)數(shù)電路原理示意圖， 并說(shuō)明其工作原理。8.14試敘述智能小車設(shè)計(jì)中，如何利用反射式光電傳感器實(shí)現(xiàn)“尋跡”功能，并設(shè)計(jì)出光電傳感器檢測(cè)電路原理圖。圖8-538.15光電傳感器控制電路如圖8-53所示，試分析電路工作原理： gpis01是什么器件，內(nèi)部由哪兩種器件組成？ 當(dāng)用物體遮擋光路時(shí)，發(fā)光二極管led有什么變化？ r1是什么電阻，在電路中起到什么作用？如果vd二極管的最大額定電流為60ma， r1應(yīng)該如何選擇？ 如果gpis01中的vd二極管反向連接，電路狀態(tài)如何？晶體管vt 、led如何變化？8.16光柵傳感器的基本原理是什么？莫爾條紋是如何形成的？有何特點(diǎn)？分

36、析光柵傳感器具有較高測(cè)量精度的原因。8.17某光柵的柵線密度為100線/mm ，要使形成莫爾條紋寬度為10mm，求柵線夾角是多少?答案：8.1答：當(dāng)用光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。1）當(dāng)光線照在物體上,使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)，典型的光電器件有光敏電阻；光照時(shí)物體中能產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)，光電池、光敏晶體管。2）在光線作用

37、下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，典型的光電器件有光電管、光電倍增管。8.2答：（略）8.3答：光照特性；光譜特性；伏安特性；溫度特性；頻率特性等8.4答：暗電阻，無(wú)光照時(shí)的電阻為暗電阻，暗電阻電阻值范圍一般為0.5200m；亮電阻、受光照時(shí)的電阻稱亮電阻，亮電阻的阻值一般為0.520k。8.5答：（略）8.6答：（略）8.7答：（略）8.8答：1）光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)系為開(kāi)路電壓曲線，短路電流是指外接負(fù)載電阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的光電流值。2）短路電流曲線在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，因此光電池作為檢測(cè)元件使用時(shí)，一般不作電壓源使用，而作為電流源的形式應(yīng)用。而開(kāi)

38、路電壓與光照度關(guān)系在照度為2000lx以上趨于飽和呈非線性關(guān)系，因此適于作電壓源使用。8.9答：（略）8.10答：1）采用波長(zhǎng)為0.80.9的紅外光源時(shí)，宜采硅光電池或硅光敏管，其光譜響應(yīng)峰值在0.8附近，波長(zhǎng)范圍在0.41.2。2）其中硅光電池適于接受紅外光，可以在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)應(yīng)用。8.11答：（略）8.12答：（略）8.13答：（略）8.14答：（略）8.15電路分析：1）gpis01是光電開(kāi)關(guān)器件，內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成；2）當(dāng)用物體遮擋光路時(shí)，vg無(wú)光電流vt截止，發(fā)光二極管led不發(fā)光；3）r1是限流電阻，在電路中可起到保護(hù)發(fā)光二極管vd的作用；如果vd二極管的最大額定

39、電流為60ma，選擇電阻大于r1 =（12v-0.7）/0.6 = 18.8。4）如果gpis01中的vd二極管反向連接，vg無(wú)光電流vt截止，發(fā)光二極管led不發(fā)光；電路無(wú)狀態(tài)變化。8.16答：（略）8.17解：已知：光柵的柵線密度為100線/mm 即w=0.02mm，b=10mm(即0°0653)第9章 新型光電傳感器9.1 象限探測(cè)器與psd光電位置傳感器有什么異同？各有哪些特點(diǎn)？9.2 敘述sspd自掃描光電二極管陣列工作原理及主要參數(shù)特征。9.3 ccd電荷耦合器主要由哪兩個(gè)部分組成？試描述ccd輸出信號(hào)的特點(diǎn)。9.4 試述ccd的光敏元和讀出移位寄存器工作原理。9.5 用

40、ccd做幾何尺寸測(cè)量時(shí)應(yīng)該如何由像元數(shù)確定測(cè)量精度。9.6 ccd信號(hào)二值化處理電路主要有哪種電路形式，可起到什么作用？9.7說(shuō)明光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，試述光纖的傳光原理。9.8 當(dāng)光纖的折射率n1=1.46，n2=1.45時(shí)，如光纖外部介質(zhì)n0=1，求最大入射角c的值。9.9 什么是光纖的數(shù)值孔徑？ 物理意義是什么？na取值大小有什么作用？有一光纖，其纖芯折射率為1.56，包層折射率為1.24，求數(shù)值孔徑為多少？ 9.10光纖傳感器有哪兩大類型？它們之間有何區(qū)別？9.11 圖9-36為y結(jié)構(gòu)型光纖位移測(cè)量原理圖，光源的光經(jīng)光纖的一個(gè)分支入射，經(jīng)物體反射后光纖的另一分支將信號(hào)輸出到光探測(cè)器上

41、。光探測(cè)器的輸出信號(hào)與被測(cè)距離有什么樣關(guān)系，試說(shuō)明其調(diào)制原理，畫(huà)出位移相對(duì)輸出光強(qiáng)的特性曲線。9.12光纖可以通過(guò)哪些光的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行非電量的檢測(cè)，說(shuō)明原理。9.13埋入式光纖傳感器有哪些用途，舉例說(shuō)明可以解決哪些工程問(wèn)題。答案9.1答：1）象限探測(cè)器它是利用光刻技術(shù)，將一個(gè)整塊的圓形或方形光敏器件敏感面分隔成若干個(gè)面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱的區(qū)域，這就構(gòu)成了象限探測(cè)器。psd光電位置傳感器是一種對(duì)入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的光電器件。兩種器件工作機(jī)理不同，但其輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。光電位置傳感器被廣泛應(yīng)用于激光束對(duì)準(zhǔn)、平面度檢測(cè)、二維坐標(biāo)檢測(cè)以及位移和振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。2）象限

42、探測(cè)器有幾個(gè)明顯缺點(diǎn)：它需要分割從而產(chǎn)生死區(qū)，尤其當(dāng)光斑很小時(shí)，死區(qū)的影響更明顯。若被測(cè)光斑全部落入某個(gè)象限時(shí)，輸出的電信號(hào)無(wú)法表示光斑位置，因此它的測(cè)量范圍、控制范圍都不大，測(cè)量精度與光強(qiáng)變化及漂移密切相關(guān)，因此它的分辨率和精度受到限制。與象限探測(cè)器相比psd傳感器有以下特點(diǎn)：（1）它對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格要求，即輸出信號(hào)與光的聚焦無(wú)關(guān)，只與光的能量中心位置有關(guān)，這給測(cè)量帶來(lái)很多方便。（2）光敏面上無(wú)須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑位置，位置分辨率高，一維psd可達(dá)0.2m。（3）可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)，psd器件輸出的總光電流與入射光強(qiáng)有關(guān)，而各信號(hào)電極輸出光電流之和等于總光電流，所以由總光電

43、流可求得相應(yīng)的入射光強(qiáng)。9.2答：（略）9.3答：1）ccd基本結(jié)構(gòu)由mos光敏元陣列和讀出移位寄存器兩部分組成。2）ccd電極傳輸電荷方向（向右或向左）是通過(guò)改變?nèi)鄷r(shí)鐘脈沖的時(shí)序來(lái)控制的，輸出的幅值與對(duì)應(yīng)的光敏元件上電荷量成正比。信號(hào)電荷的輸出的方式主要有電流輸出和電壓輸出兩種，電流輸出型是輸出電流與電荷成正比，在輸出電路負(fù)載上形成輸出電流。9.4答：（略）9.5答：兩個(gè)光敏像元的空間尺寸必須小于被測(cè)量的最小尺寸?？蓽y(cè)量的范圍是像元總寬度：如，1024（相元數(shù)）×0.014mm（光敏像元的空間尺寸）=14.3mm（測(cè)量范圍）。9.6答：普遍采用的ccd視頻信號(hào)二值化處理電路是電壓

44、比較器，比較器的反相端接一個(gè)閾值電平，視頻信號(hào)電平高于閾值電平的部分均輸出高電平，而低于閾值電平部分均輸出低電平，在比較器的輸出端就得到只有高低兩種電平的二值信號(hào)，二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對(duì)待。反映在ccd視頻信號(hào)中所對(duì)應(yīng)的圖像尺寸邊界處會(huì)有明顯的電平急劇變化，通過(guò)二值化處理把ccd視頻信號(hào)中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平。9.7答：（略）9.8解：9.9答：1）數(shù)值孔徑定義為：，表示了光纖的集光能力，無(wú)論光源的發(fā)射功率有多大，只有在2張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。2）na越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易，但n

45、a越大光信號(hào)畸變?cè)酱?，所以要選擇適當(dāng)。3）9.10答：光纖傳感器大致可分為功能型和非功能型兩大類，它們的基本組成相似，有光源、入射光纖、調(diào)制器、出射光纖、光敏器件。功能型又稱傳感型，這類傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下使光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。如果外界作用時(shí)光纖傳播的光信號(hào)發(fā)生變化，使光的路程改變，相位改變，將這種信號(hào)接收處理后，可以得到與被測(cè)信號(hào)相關(guān)的變化電信號(hào)。非功能型又稱傳光型，這時(shí)光纖只作傳播光媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用

46、。9.11答：（略）9.12答：光強(qiáng)度調(diào)制：利用外界物理量改變光纖中的光強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)的變化測(cè)量被測(cè)信息。根據(jù)光纖傳感器探頭結(jié)構(gòu)形式可分為透射、反射、折射等方式調(diào)制。相位調(diào)制：一般壓力、張力、溫度可以改變光纖的幾何尺寸（長(zhǎng)度），同時(shí)由于光彈效應(yīng)光纖折射率也會(huì)由于應(yīng)變而改變，這些物理量可以使光纖輸出端產(chǎn)生相位變化，借助干涉儀可將相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化。干涉系統(tǒng)的種類很多，可根據(jù)具體情況采用不同的干涉系統(tǒng)。頻率調(diào)制：當(dāng)光敏器件與光源之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，光敏器件接收到的光頻率fs與光源頻率f不同，這種現(xiàn)象稱為光的“多普勒效應(yīng)”。頻率調(diào)制方法可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體（流體）的速度、流量等。9.13答：（略

47、）第10章 半導(dǎo)體式化學(xué)傳感器10.1 什么是半導(dǎo)體氣體傳感器？它有哪些基本類型？氣體傳感器的發(fā)展動(dòng)態(tài)如何? 10.2 半導(dǎo)體氣體傳感器主要有哪幾種結(jié)構(gòu)？各種結(jié)構(gòu)氣體傳感器的特點(diǎn)如何？10.3 如何提高半導(dǎo)體氣體傳感器的選擇性？根據(jù)文獻(xiàn)舉例說(shuō)明，目前實(shí)用氣體檢測(cè)方法常用哪些氣敏傳感器？它有什么特點(diǎn)？10.4 半導(dǎo)體氣體傳感器為什么要在高溫狀態(tài)下工作？加熱方式有哪幾種？加熱絲可以起到什么作用？10.5 查找文獻(xiàn)說(shuō)明近年有哪些新性的氣體傳感器。10.6 什么是絕對(duì)濕度？什么是相對(duì)濕度？表示空氣濕度的物理量有哪些？如何表示？10.7 濕度傳感器的種類有哪些？主要參數(shù)有哪些？簡(jiǎn)述氯化鋰濕度傳感器的感濕

48、原理。10.8 簡(jiǎn)述半導(dǎo)體濕敏陶瓷的感濕機(jī)理。半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器有那些特點(diǎn)？ 10.9 離子選擇電極是如何分類的？離子選擇電極分析法有什么特點(diǎn)？試述離子選擇電極的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理。答案：10.1答：（略）10.2答：1）按構(gòu)成氣敏傳感器的材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類；按半導(dǎo)體的物理特性，氣敏傳感器可分為電阻型和非電阻型。2）早期電化學(xué)和光學(xué)方法，其檢測(cè)速度慢、設(shè)備復(fù)雜、使用不方便；新型金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器由于靈敏度高、體積小、使用方便，已廣泛用于檢測(cè)、分析領(lǐng)域。電阻型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，電阻型氣敏傳感器是目前使用較廣泛的一種氣敏元件，傳

49、感器主要由敏感元件、加熱器、外殼三部分組成。非電阻型氣敏傳感器有不同類型，如利用mos二極管的電容-電壓特性變化，利用mos場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓的變化，利用肖特基金屬半導(dǎo)體二極管的勢(shì)壘變化進(jìn)行氣體檢測(cè)。10.3答：（略）10.4答：1）因?yàn)樵诔叵?，電?dǎo)率變化不大，達(dá)不到檢測(cè)目的，因此以上結(jié)構(gòu)的氣敏元件都有電阻絲加熱器，加熱時(shí)間23分鐘，最佳工作溫度為200400。2）加熱方式分為直熱式和旁熱式。電阻型氣敏傳感器加熱的目的有兩個(gè)方面的因素，一是為了加速氣體吸附和上述的氧化還原反應(yīng)，提高靈敏度和響應(yīng)速度，另外使附著在傳感器元件殼面上的油霧、塵埃燒掉。10.5答：（略）10.6答：1）絕對(duì)濕度指單位

50、體積空氣內(nèi)所含水汽的質(zhì)量，一般用每立方米空氣中所含水汽的克數(shù)表示2）相對(duì)濕度是指被測(cè)氣體中，實(shí)際所含水汽蒸汽壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比，一般用符號(hào)%rh(relative humidity)表示，無(wú)量綱。3）除用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度表示空氣的水汽含量外，露點(diǎn)溫度是一個(gè)與濕度相關(guān)的重要物理量，簡(jiǎn)稱露點(diǎn)。當(dāng)空氣中溫度下降到某一溫度時(shí)，空氣中的水汽就有可能轉(zhuǎn)化為液相而凝結(jié)成露珠，這一特定溫度稱為空氣的露點(diǎn)或露點(diǎn)溫度。10.7答：（略）10.8答：1）半導(dǎo)體濕敏電阻通常用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體燒結(jié)成多孔陶瓷，多孔陶瓷表面吸收水分的情況分為三個(gè)階段，第一階段是陶瓷在低濕區(qū)域或剛接觸水汽

51、；第二階段是進(jìn)一步吸收水分子或中等濕度環(huán)境；第三階段大量水汽存在使晶粒界充滿水分子。2）半導(dǎo)瓷濕敏傳感器有正特性和負(fù)特性兩種。負(fù)特性半導(dǎo)體瓷濕敏電阻的電阻值隨濕度增加而下降，電阻率低，阻值-濕度特性好。由于水分子中（h2）氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng)，當(dāng)水分子在半導(dǎo)體瓷表面吸附時(shí)可能從半導(dǎo)體瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)體表面帶負(fù)電，相當(dāng)表面電勢(shì)變負(fù)，（p型半導(dǎo)體電勢(shì)下降，n型半導(dǎo)體出現(xiàn)反型層）電阻率隨濕度增加而下降。10.9答：1）isfet沒(méi)有金屬柵極，而是在絕緣柵上制作了一層敏感膜，敏感膜種類很多，不同敏感膜檢測(cè)離子種類不同，具有離子選擇性，如：si3n4氮，sio2、al2o3（無(wú)機(jī)膜）可測(cè)h+（氫

52、）、ph。2）器件在sio2層與柵極間無(wú)金屬電極，而是待測(cè)溶液，溶液與參比電極同時(shí)接觸充當(dāng)柵極構(gòu)成場(chǎng)效應(yīng)管，工作原理與場(chǎng)效應(yīng)管相似。3）離子敏傳感器是將普通mosfet的金屬柵去掉，讓絕緣氧化層直接與溶液相接觸，柵極用鉑金屬膜作引線，在鉑膜上涂一層離子敏感膜，構(gòu)成離子敏場(chǎng)效應(yīng)管isfet。當(dāng)離子敏場(chǎng)效應(yīng)管isfet插入溶液時(shí)，被測(cè)溶液與敏感膜接觸處就會(huì)產(chǎn)生一定的界面電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)大小取決于溶液中被測(cè)離子的濃度。第11章 波與射線式傳感器11.1 什么是超聲波？其頻率范圍是多少？ 11.2 超聲波在通過(guò)兩種介質(zhì)界面時(shí)，將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？11.3 超聲波傳感器的發(fā)射與接收分別利用什么效應(yīng)，檢測(cè)原理

53、是什么？常用的超聲波傳感器（探頭）有哪幾種形式？簡(jiǎn)述超聲波測(cè)距原理。11.4 利用超聲波測(cè)厚的基本方法是什么？已知超聲波在工件中的聲速為5640m/s，測(cè)得的時(shí)間間隔t為22，試求工件厚度11.5 利用en555集成器件，自行設(shè)計(jì)一超聲波傳感器控制的遙控開(kāi)關(guān)發(fā)射電路，傳感器中心頻率為40khz，遙控距離10m，繪出電路原理圖，請(qǐng)說(shuō)明電路工作原理。11.6 紅外輻射探測(cè)器分為哪兩種類型?這兩種探測(cè)器有哪些不同？試比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。11.7 敘述熱釋電效應(yīng)，熱釋電元件如何將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出？熱釋電探測(cè)器為什么只能探測(cè)調(diào)制輻射？圖 11-3911.8 題圖11-39為熱釋電元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，請(qǐng)說(shuō)

54、明圖中fet是什么元件，rg與fet在傳感器電路中起到什么作用? 11.9 試設(shè)計(jì)一個(gè)紅外控制的電扇開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制電路，并敘述其工作原理。11.10 什么是放射性同位素？輻射強(qiáng)度與什么有關(guān)系？11.11試用核輻射測(cè)量方法設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)厚儀器系統(tǒng)，請(qǐng)畫(huà)出測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖，試說(shuō)明射線測(cè)量物厚的原理。11.12 放射性探測(cè)器有哪幾種？結(jié)構(gòu)如何，各有什么特征？答案11.1答：1）超聲波是人耳無(wú)法聽(tīng)到的聲波。人耳聽(tīng)見(jiàn)的聲波稱機(jī)械波，頻率在16hz20khz，一般說(shuō)話的頻率范圍在100hz8khz之間，低于20hz頻率的波稱為次聲波，高于20khz頻率的波稱超聲波，頻率在300mhz300ghz之間的波稱

55、為微波。2）超聲波頻率范圍在幾十千赫茲到幾十兆赫茲，11.2答：當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。11.3答：1）超聲波傳感器主要利用壓電材料（晶體、陶瓷）的壓電效應(yīng)，其中超聲波發(fā)射器利用逆壓電效應(yīng)制成發(fā)射元件，將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波；超聲波接收器利用正壓電效應(yīng)制成接收元件，將超聲波機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2)按工作形式簡(jiǎn)單超聲波傳感器有專用型和兼用型兩種形式，兼用型傳感器是將發(fā)射（tx）和接收（rx）元件制作在一起，器件可同時(shí)完成超聲波的發(fā)射與接收；專用型傳感器的發(fā)送（tx）和接收（rx）器件各自獨(dú)立。按結(jié)構(gòu)形式有密封性和開(kāi)放型，超聲波傳感器上一般標(biāo)有中心頻率（23khz、40khz、75khz、200khz、400khz），表示傳感器工作頻率。3)（略)11.41）通過(guò)測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t和超聲波在介質(zhì)中傳播速度，便可以求得待測(cè)的厚度或物位。2）解：11.5（略)11.6答：1）