《傳感器與自動檢測技術》習題解答

1、傳感器與自動檢測技術習題解答第1章 傳感器的基本知識1. 簡述傳感器的概念、作用及組成。答：傳感器的定義是：“能感受（或響應）規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置”。作用：將被測量轉換成與其有一定關系的易于處理的電量。組成：敏感元器件、轉換元器件、轉換電路及輔助電源。2. 傳感器的分類有哪幾種？各有什么優(yōu)缺點？答：傳感器常用的分類方法有兩種，一種是按被測輸入量來分，另一種是按傳感器的工作原理來分。按被測輸入量來分：這種分類方法的優(yōu)點是比較明確地表達了傳感器的用途，便于使用者根據其用途選用。其缺點是沒有區(qū)分每種傳感器在轉換機理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分

2、析方法。按傳感器的工作原理來分：這種分類的優(yōu)點是對傳感器的工作原理表達的比較清楚，而且類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對傳感器進行深入的研究分析。其缺點是不便于使用者根據用途選用。3. 傳感器是如何命名的？其代號包括哪幾部分？在各種文件中如何應用？答：一種傳感器產品的名稱，應由主題詞及4級修飾語構成。（1） 主題詞傳感器。（2）第1級修飾語被測量，包括修飾被測量的定語。（3）第2級修飾語轉換原理，一般可后續(xù)以“式”字。（4）第3級修飾語特征描述，指必須強調的傳感器結構、性能、材料特征、敏感元件及其他必須的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。（5）第4級修飾語主要技術指標（量程、精確度、靈敏度等）。本

3、命名法在有關傳感器的統計表格、圖書索引、檢索以及計算機漢字處理等特殊場合使用。例1： 傳感器，絕對壓力，應變式，放大型，13500kPa；例2： 傳感器，加速度，壓電式，±20g。在技術文件、產品樣書、學術論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產品名稱應采用與上述相反的順序。例3： 13500kPa放大型應變式絕對壓力傳感器；例4： ±20g壓電式加速度傳感器。在側重傳感器科學研究的文獻、報告及有關教材中，為方便對傳感器進行原理及其分類的研究，允許只采用第2級修飾語，省略其他各級修飾語。傳感器代號的標記方法：一般規(guī)定用大寫漢字拼音字母和阿拉伯數字構成傳感器完整代號。傳感器完整代

4、號應包括以下4個部分：（1）主稱（傳感器）；（2）被測量；（3）轉換原理；（4）序號。4部分代號格式為：在被測量、轉換原理、序號3部分代號之間有連字符“-”連接。例5：應變式位移傳感器，代號為：CWY-YB-10；例6：光纖壓力傳感器，代號為：CY-GQ-1；例7：溫度傳感器，代號為：CW-01A；例8：電容式加速度傳感器，代號為：CA-DR-2。有少數代號用其英文的第一個字母表示，如加速度用“A”表示。4. 傳感器的靜態(tài)性能指標有哪些？其含義是什么？答：傳感器的靜態(tài)特性主要由線性度、靈敏度、重復性、遲滯、分辨力和閾值、穩(wěn)定性、漂移及量程范圍等幾種性能指標來描述。含義：線性度是傳感器輸出量與輸

5、入量之間的實際關系曲線偏離理論擬合直線的程度，又稱非線性誤差。通常用相對誤差表示其大??；靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下，輸出增量與輸入增量的比值。對于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性曲線的斜率，對于非線性傳感器，其靈敏度是一個隨工作點而變的變量，它是特性曲線上某一點切線的斜率。重復性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度。遲滯是傳感器在正向行程(輸入量增大)和反向行程(輸入量減小)期間，輸出輸入特性曲線不一致的程度。傳感器的分辯力是在規(guī)定測量范圍內所能檢測的輸入量的最小變化量。有時也用該值相對滿量程輸入值的百分數表示，稱為分辨率。閾值通常又稱為死區(qū)、失靈區(qū)、靈敏

6、限、靈敏閾、鈍感區(qū)，是輸入量由零變化到使輸出量開始發(fā)生可觀變化的輸入量的值。穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長期穩(wěn)定性表示，它是指在室溫條件下,經過相當長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來表征其輸出的穩(wěn)定度。傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關的不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移。零點漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間而緩慢變化的情況；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的變化。傳感器所能測量的最大被測量（輸入量）的數值稱為測量上限，

7、最小被測量稱為測量下限，上限與下限之間的區(qū)間，則稱為測量范圍。測量范圍可能是單向的（只有正向與負向）、也可能是雙向的、或雙向不對稱的和無零值的等。測量上限與下限的代數和稱為量程。5. 傳感器的動態(tài)特性主要從哪兩方面來描述？采用什么樣的激勵信號？其含義是什么？答：傳感器的動態(tài)特性主要從時域和頻域兩方面來描述，采用瞬態(tài)響應法和頻率響應法來分析。通常采用階躍信號和正弦信號作為激勵信號。以階躍信號作為系統的輸入，研究系統輸出波形的方法稱為瞬態(tài)響應法（時域）；以正弦信號作為系統的輸入，研究系統穩(wěn)態(tài)響應的方法稱為頻率響應法（頻域）。第2章 力、壓力傳感器1. 力傳感器的組成是什么？答：力傳感器主要由力敏感

8、元件、轉換元件和測量電路組成。2. 彈性敏感元件的作用是什么？其分類有幾種？各有何特點？答：作用：彈性敏感元件把力或壓力轉換成了應變或位移。分類：變換力的彈性敏感元件和變換壓力的彈性敏感元件。常用的變換力的彈性敏感元件有圓柱式、圓環(huán)式、懸臂梁、扭轉軸等。其特點：（1）圓柱式彈性敏感元件，根據截面形狀可分為實心圓柱及空心圓柱等。結構簡單，可承受較大的載荷，便于加工，實心圓柱形可測量大于10kN的力，空心圓柱形可測量110kN的力，應力變化均勻。（2） 圓環(huán)式彈性敏感元件比圓柱式輸出的位移量大，因而具有較高的靈敏度，適用于測量較小的力。但它的工藝性較差，加工時不易得到較高的精度。（3）懸臂梁式彈性

9、敏感元件。它的一端固定，一端自由，結構簡單，加工方便，應變和位移較大，適用于測量15kN的力。等截面懸臂梁，梁上各處的變形大小不同，不便于粘貼應變片。變截面懸臂梁（也稱等強度懸臂梁），梁上各處的截面不等，但沿整個長度方向上各處的應變相等，便于粘貼應變片。（4）扭轉軸彈性敏感元件主要用來制作扭矩傳感器，它利用扭轉軸彈性體把扭矩變換為角位移，再把角位移變換為電信號輸出。3. 電阻應變式傳感器的工作原理是什么？它是如何測量試件的應變的？答：電阻應變片式傳感器是利用了金屬和半導體材料的“應變效應”的原理來工作的。即金屬和半導體材料的電阻值隨它承受的機械變形大小而發(fā)生變化的現象。測試時，將應變片用粘接劑

10、牢固的粘貼在被測試件的表面上，隨著試件受力變形，應變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻的變化是與試件應變成比例的，因此如果通過一定的測量線路將這種電阻的變化轉換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就能知道被測試件應變量的大小。其原理圖如圖2-7所示。圖2-7 電阻應變片測試與原理圖4. 電阻應變式傳感器的測量電路有哪些？各有何特點？答：電阻應變片傳感器輸出電阻的變化較小，一般為，要精確的測量出這些微小電阻的變化，常采用橋式測量電路。根據電橋電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋，可采用恒壓源或恒流源供電。由于直流電橋比較簡單，交流電橋原理與它相

11、似，所以我們只分析直流電橋的工作原理。其特點是，當被測量無變化時，電橋平衡，輸出為零。當被測量發(fā)生變化時，電橋平衡被打破，有電壓輸出，輸出的電壓與被測量的變化成比例。 根據電橋工作橋臂的不同，分為單臂電橋、差動雙臂電橋（半橋）、差動全橋三種類型。雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，全橋輸出是雙臂電橋的兩倍。并且采用雙臂和全橋測量，可以補償由于溫度變化引起的測量誤差。5. 電阻應變片為什么要進行溫度補償？補償方法有哪些？答：電阻應變片傳感器是靠電阻值來度量應變的，所以希望它的電阻只隨應變而變，不受任何其他因素影響。但實際上，雖然用作電阻絲材料的銅、康銅溫度系數很小(大約在a=(2.55.0)&#

12、215;/)， 但與所測應變電阻的變化比較，仍屬同一量級。如不補償，會引起很大測量誤差。應變片的溫度補償方法通常有兩種，即線路補償和應變片自補償。6. 應變片的粘貼、固化和檢查工藝有哪些？答：應變片的粘貼工藝如下：（1）試件表面的處理 粘貼之前，應先將試件表面清理干凈，用細砂紙將試件表面打磨平整，再用丙酮、四氯化碳或佛利昂徹底清洗試件表面的灰塵、油漬，清理面積約為應變片的35倍。（2）確定貼片位置 根據實驗要求在試件上劃線，以確定貼片的位置。（3）粘貼 在清理的試件表面上均勻涂刷一薄層粘接劑作為底層，待其干燥固化后，再在此底層及應變片基地的地面上均勻涂刷一薄層粘接劑，等粘接劑稍干，即將應變片貼

13、在畫線位置，用手指滾壓，把氣泡和多余的粘接劑擠出。注意，應變片的底面也要清理。（4）固化 粘貼好的應變片按規(guī)定壓力、升降溫度速率及保溫時間等進行固化處理。（5）穩(wěn)定處理 粘接劑在固化過程中會膨脹和收縮，致使應變片產生殘余應力。為使應變片的工作性能良好，還應進行一次穩(wěn)定處理，稱為后固化處理，即將應變片加溫至比最高工作溫度高1020，但不用加壓。（6）檢查 經固化和穩(wěn)定處理后，測量應變片的阻值，以檢查貼片過程中敏感柵和引線是否損壞。另外還應測量引線和試件之間的絕緣電阻，一般情況下，絕緣電阻為50兆歐即可，對于高精度測量，則需在2000兆歐以上。7）引線的焊接與防護 應變片引線最好采用中間連接片應出

14、，引線要適當固定，為了保證應變片工作的長期穩(wěn)定性，應采取防潮、防水等措施，如在應變片及其引線上涂以石蠟、石蠟松香混合劑、環(huán)氧樹脂、有機硅、清漆等保護層，或在試件上焊上金屬箔，將應變片全部覆蓋。7. 圖2-88為一直流應變電橋。，試求：（1） 為金屬應變片，其余為外接電阻，當變化量為時，電橋輸出電壓圖 2-88 直流應變電橋（2）都是應變片，且批號相同，感受應變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋的輸出電壓（3） 題（2）中，如果感受應變的極性相反，且，電橋的輸出電壓（4） 由題（1）（3）能得出什么結論與推論？答：（1）當為金屬應變片，其余為外接電阻時，電橋為單臂工作電橋，當變化量為時，電

15、橋輸出電壓： （2）當都是應變片，且批號相同，感受應變的極性和大小都相同，其余為外接電阻時，根據電橋的輸出總公式 可知，此時，。電橋的輸出：（3） 題（2）中，如果感受應變的極性相反，且，也就是，此時電橋為差動雙臂電橋（半橋），電橋輸出電壓：此時電橋。（4） 由題（1）（3）可知雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，電橋的相鄰兩個橋臂為應變片工作橋臂時，感受的應變必須是一個受拉，一個受壓，電橋才有輸出。8. 壓電式傳感器的工作原理是什么？壓電材料有哪些？答：壓電式傳感器的工作原理是壓電效應，即某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)生機械變形時，相應地在一定的晶體表面產生符號相反的電荷，外力去掉后，電荷消

16、失。力的方向改變時，電荷的符號也隨之改變，這種現象稱為壓電效應。用于傳感器的壓電材料或元件可分三類：一類是單晶壓電晶體；另一類是極化的多晶壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。9. 試用石英晶體為例說明壓電效應產生的過程。答：石英晶體是一種應用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，圖2-24是天然石英晶體的外形圖，它為規(guī)則的正六角棱柱體。在正常情況下，石英晶體的每一個晶體單元中，有三個硅離子和六個氧離子，正負離子分布在正六邊形的頂角上，當無外力作用時，正、負電荷中心重合，對外不顯電性。當在X軸向施加壓力時，如圖2-25(a)所示，各晶格上的帶電粒子均產生相對位移，氧離子擠入兩個硅離子之間，而硅離子也

17、擠入兩個氧離子之間，正電荷中心向B面移動，負電荷中心向A面移動，因而B面呈現正電荷，A面呈現負電荷。當在X軸向施加拉力時，如圖2-25(b)所示，各晶格上的帶電粒子均沿X軸向外產生位移，因而A面呈現正電荷， B面呈現負電荷。在Y方向施加壓力時，如圖2-25（c）所示，晶格沿y軸被向內壓縮，A面呈現正電荷， B面呈現負電荷。在Y方向施加拉力時，如圖2-25（d）所示，晶格在y向被拉長，X向縮短，B面呈現正電荷，A面呈現負電荷。若沿Z軸方向施加力的作用時，由于硅離子和氧離子是對稱的平移，故在表面沒有電荷出現，因而不產生壓電效應。這就是石英晶體壓電效應產生的過程。 10. 壓電陶瓷有何特點？答：壓電

18、陶瓷是人工制造的一種多晶壓電體，它有無數的單晶組成，各單晶的自發(fā)極化方向是任意排列的。因此，雖然每個單晶具有強的壓電性質，但組成多晶后，各單晶的壓電效應卻互相抵消了，所以，原始的壓電陶瓷是一個非壓電體，不具有壓電效應。為了使壓電陶瓷具有壓電效應，就必須進行極化理。即在一定的溫度條件下，對壓電陶瓷施加強電場，使極性軸轉動到接近電場方向，規(guī)則排列，這時壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場去除后，留下了很強的剩余極化強度。當壓電陶瓷受到力的作用時，極化強度就發(fā)生變化，在垂直于極化方向上的平面上就會出現電荷。壓電陶瓷的縱向壓電系數比石英晶體的壓電系數大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器靈敏度較高。

19、11. 壓電傳感器的測量電路是什么？各有何特點？為什么壓電傳感器不能測量靜態(tài)的力？答：根據壓電傳感器的工作原理和等效電路，壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，這時可以把傳感器看作電壓發(fā)生器；也可以是電荷信號，這時可以把傳感器看作電荷發(fā)生器。因此前置放大器也有兩種形式：電電壓放大器壓放大器和電荷放大器。特點：由電壓放大器的輸出可以看出，放大器輸入電壓與電纜的電容Cc有關系，當改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時，Cc將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化。在設計時，通常把電纜長度定為常數，使用時如要改變電纜長度，則必須重新校正電壓靈敏度值。電荷放大器輸出電壓， 可以看出電荷放大器輸出電壓與電纜

20、電容無關。因此電纜可以很長，可長達數百米，甚至上千米，靈敏度卻無明顯損失。這是電荷放大器的一個突出優(yōu)點。因此在測量時，不必考慮傳感器與放大器配套的問題，放大器與傳感器可以任意互換。為什么壓電傳感器不能測量靜態(tài)的力？由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄露的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的。因為在實際測量時，放大器的輸入電阻和傳感器的泄漏電阻不可能為無窮大，因此電荷就會通過放大器的輸入電阻和傳感器的泄漏電阻漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測量。 壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷得到補充，可以供給測量電路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量。12.

21、如圖2-32b所示電荷放大器等效電路。壓電元件為壓電陶瓷，壓電陶瓷的壓電系數，反饋電容，若輸出電壓，求壓電傳感器所受力的大??？2-32 電荷放大器等效電路答：根據電荷放大器的輸出可知, 壓電陶瓷上產生的電荷根據，壓電傳感器所受的力13. 石英晶體的縱向壓電系數，晶體的長度是的寬2倍，是厚的3倍，求：（1） 當沿電軸方向施加的力時，用反饋電容為的電荷放大器測量的輸出電壓是多少？（2） 當沿機械軸施加力時，用同樣的電荷放大器測出的輸出電壓為3V，為多少？解答： （1）電荷放大器的輸出 (2) 根據題意，參考石英晶體的切片圖，可以看出當沿機械軸施加力時，產生的由根據式得，即 求出14. 用壓電式傳感

22、器測量一正弦變化的作用力，采用電荷放大器，壓電元件用兩片壓電陶瓷并聯，壓電系數，放大器為理想運放，反饋電容，實際測得放大器輸出電壓為，試求此時的作用力解答：根據題意壓電元件是兩片壓電陶瓷并聯，所以總電荷是單個壓電元件電荷的兩倍，即,根據電荷放大器的輸出，得，,得壓電傳感器受到的作用力15. 電容式傳感器的工作原理是什么？可分成幾種類型？各有個特點？答：根據平行極板的電容器，如果不考慮其邊緣效應，則電容器的電容量為 由上式可知，電容C是A、的函數，即。當A、改變時，電容量C也隨之改變。若保持其中兩個參數不變，通過被測量的變化改變其中的一個參數，就可把被測量的變化轉換為電容量的變化。這就是電容傳感

23、器的基本工作原理。分類：電容式傳感器根據工作原理不同，可分為變間隙式、變面積式、變介電常數式三種；按極板形狀不同有平板形和圓柱形兩種。特點：變間隙式電容傳感器：只能測量微小位移（微米級）；變面積式電容傳感器：可以測量較大位移的變化，常為厘米級位移量。變介電常數式電容式傳感器?？捎脕頊y量物位或液位，也可測量位移，可以測量較大位移的變化。16. 試說明差動式電容傳感器結構是如何提高測量靈敏度，減小非線性誤差的？答：以變間隙式電容傳感器為例來分析。當變化時，電容量的相對變化約為 （2-35） 為了提高測量的靈敏度，減小非線性誤差，實際應用時常采用差動式結構。如圖2-44所示，兩個定極板對稱安裝，中間

24、極板為動極板。當中間極板不受外力作用時，由于，所以。當中間極板向上移動x時， 增加，減小，總電容的變化量為圖2-44 差動式電容器結構 （2-37）式（2-37）與式（2-35）相比，輸出靈敏度提高了一倍。17. 電容式傳感器的測量轉換電路主要有哪些？答：常見的電容式傳感器測量轉換電路有橋式電路、調頻電路、充放電脈沖電路、運算放大器電路等。圖2-45 變面積式電容傳感器結構原理18. 有一個以空氣為介質的變面積型平板電容傳感器，如圖2-45a所示，其中，兩極板間距為。當動極板在原始位置上平移了后，求傳感器電容量的變化及電容相對變化量。（空氣的相對介電常數，真空的介電常數）答：根據變面積型平板式

25、電容傳感器的電容表達式：可得當動極板在原始位置上平移了，也就是公式中后，電容的相對變化量為傳感器電容量的變化19. 電感傳感器的基本原理是什么？可分成幾種類型？答：電感傳感器的基本原理是電磁感應原理。利用電磁感應將被測非電量(如壓力、位移等)轉換成電感量的變化輸出，再經測量轉換電路，將電感量的變化轉換為電壓或電流的變化，來實現非電量電測的。 電感傳感器的分類：根據信號的轉換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。20. 電感傳感器的常用的測量電路有哪些？答：自感式傳感器常用的測量轉換電路有橋式測量電路、調幅、調頻、調相電路，在自感式傳感器中，用得較多的是橋式測量電路和調幅電路。 差動變

26、壓器輸出電壓可直接用交流電壓表接在反相串聯的兩個二次繞組上測量，此時空載輸出電壓為，也可采用電橋電路來測量。21. 電渦流傳感器的工作原理是什么？形成電渦流的兩個必備條件是什么？ 答：電渦流傳感器的工作原理是電渦流效應。即塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中做切割磁力線運動時，導體內將產生感應電流，這種電流的流線在金屬體內自行閉合，類似于水中的漩渦，所以稱為電渦流。電渦流的存在必然要消耗一部分磁場的能量，從而使激勵線圈的阻抗發(fā)生變化，這種現象稱為電渦流效應。根據電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流傳感器。要形成電渦流必須具備兩個條件：（1）存在交變磁場；（2）導體處于交變磁場中。22. 壓阻式壓

27、力傳感器的工作原理是什么？主要應用是什么？答：壓阻式壓力傳感器的工作原理是基于壓阻效應工作的。所謂壓阻效應就是指半導體材料的受外力或應力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現象。主要應用是：用于壓力、加速度、重量、應變、拉力、流量等參數的測量。第3章 溫度傳感器1. 溫度的測量方法有幾種？各有何特點？答：按照感溫元件是否與被測溫對象相接處，溫度測量可以分為接觸式和非接觸式測溫兩種。接觸式測溫：感溫元件與被測對象接觸，彼此進行熱量交換，使感溫元件與被測對象處于同一環(huán)境溫度下，感溫元件感受到的冷熱變化即是被測對象的溫度。這類傳感器的優(yōu)點是：結構簡單、工作可靠、測量精度高、價格便宜、可測得被測對象的真實溫度及

28、物體內部某一點的溫度；缺點是：有較大的滯后現象（由于與被測物熱交換需要一定的時間），不適于測量小的物體、腐蝕性強的物體及運動物體的溫度，并且由于感溫元件與被測對象接觸，從而影響被測環(huán)境溫度的變化，測溫范圍也受到感溫元件材料特性的限制等。非接觸式測溫：利用物體表面的熱輻射強度與溫度的關系來測量溫度的。通過測量一定距離處被測物體發(fā)出的熱輻射強度來確定被測物的溫度。這類溫度傳感器的優(yōu)點是：可以測量高溫及腐蝕性、有毒物體的溫度。測溫速度快，不存在滯后現象，測溫范圍不受限制，可以測量運動物體、導熱性差、微小目標、熱容量小的物體、固體、液體表面的溫度，不影響被測物環(huán)境溫度。缺點是:易受被測物體與儀表間距離

29、、煙塵、水氣及被測物熱輻射率的影響，測量精度較低等。2. 膨脹式溫度計有幾種？其工作原理是什么？各有何特點？答：膨脹式溫度計可分為液體膨脹式溫度計、固體膨脹式溫度計、氣體膨脹式溫度計3種類型。液體膨脹式溫度計：利用玻璃感溫泡內的液體受熱體積膨脹與玻璃體積膨脹之差來測量溫度的。一般用于低溫和中溫溫度測量。特點：不僅比較簡單直觀，而且還可以避免外部遠傳溫度計的誤差。但易破碎，刻度微細不便讀取，不適于有振動和容易受到沖擊的場合。固體膨脹式溫度計：利用膨脹系數不同的兩種金屬材料牢固地粘貼在一起制成的。當溫度變化時，由于兩種金屬線膨脹系數不同而產生彎曲，彎曲的程度與溫度的高低成比例的原理工作的。特點：現

30、場顯示溫度，直觀方便，抗震性能好，結構簡單，牢固可靠，使用壽命長，但精度不高。氣體膨脹式溫度計：是基于密封在容器中的氣體或液體受熱后體積膨脹，壓力隨溫度變化而變化的原理測溫的。特點：主要用于遠距離設備的氣體、液體、蒸汽的溫度測量，也能用于溫度控制和有爆炸危險場所的溫度測量。3. 電阻式溫度傳感器的工作原理是什么？有幾種類型？答：電阻式溫度傳感器是利用導體或半導體材料的電阻值隨溫度變化而變化的原理來測量溫度的，即材料的電阻率隨溫度的變化而變化，這種現象稱為熱電阻效應。類型：按制造材料來分，一般把由金屬導體鉑、銅、鎳等制成的測溫元件稱為金屬熱電阻，簡稱熱電阻傳感器；把由半導體材料制成的測溫元件稱為

31、熱敏電阻。4. 金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有哪幾種？各有何特點？熱電阻傳感器的測量電路有哪些？說明每種測量電路的特點。答：金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有鉑和銅。特點：鉑金屬熱電阻：鉑易于提純、復制性好，在氧化性介質中，甚至高溫下，其物理化學性質極其穩(wěn)定，主要用于高精度溫度測量和標準測溫裝置，測溫范圍為-200850。銅金屬熱電阻：銅易于提純，價格低廉，電阻-溫度特性線性較好。但電阻率僅為鉑的幾分之一。因此，銅電阻所用阻絲細而且長，機械強度較差，熱慣性較大，在溫度高于100以上或腐蝕性介質中使用時，易氧化，穩(wěn)定性較差。因此，只能用于低溫及無腐蝕性的介質中。熱電阻傳感器的測量電路常用電橋電路

32、。外界引線如果較長時，引線電阻的變化會使測量結果有較大誤差，為減小誤差，可采用三線制電橋連接法測量電路或四線制恒流源測量電路。特點：三線制電橋連接法測量電路，導線電阻r對測量毫無影響。四線制恒流源測量電路，四根導線的電阻r對測量都沒影響。但要因為電流流過導體時導體存在發(fā)熱現象，所以供電電流不宜過大，一般在0.6mA以下。精確測量時，通電電流為0.25mA。5. 熱電偶溫度傳感器的工作原理是什么？熱電勢的組成有幾種？說明熱電勢產生的過程，并寫出熱電偶回路中總熱電勢的表達式。答：熱電偶溫度傳感器的工作原理是熱電效應。即兩種不同材料的導體A和B組成一個閉和回路，若兩接點的溫度不同，則在該回路中將會產

33、生電動勢，兩個接點的溫差越大，所產生的電動勢也越大。組成回路的導體材料不同，所產生的電動勢也不一樣，這種現象稱為熱電效應。熱電勢的組成：由兩種導體的接觸電勢和單一導體的溫差電勢組成。熱電勢產生的過程：（1）兩種導體的接觸電勢接觸電勢是由于兩種不同導體的自由電子濃度不同而在接觸面形成的電勢。假設兩種金屬A、B的自由電子濃度分別為 NA和 NB，且NA NB。當兩種金屬相接時，將產生自由電子的擴散現象。在同一瞬間，由A擴散到B中去的電子比由B擴散到A中去的多，從而使金屬A失去電子帶正電；金屬B得到電子帶負電，在接觸面形成電場。此電場阻止電子進一步擴散，當達到動態(tài)平衡時，在接觸面的兩側就形成了穩(wěn)定的

34、電位差，即接觸電勢E，如圖3-22所示。接觸電勢的數值取決于兩種導體的性質和接觸點的溫度，而與導體的形狀及尺寸無關。溫度越高，接觸電勢也越大。接觸電勢的方向由兩導體材料決定。（2） 單一導體的溫差電勢對于單一導體，如果兩端溫度分別為t、t0，如圖3-23所示，則導體中的自由電子，在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散；高溫端因失去電子帶正電，低溫端獲得電子帶負電，即在導體兩端產生了電勢，這個電勢稱為單一導體的溫差電勢。圖3-24 熱電偶回路總熱電勢NA NB圖3-22 兩種導體的接觸電勢圖3-23 單一導體的溫差電動勢由圖3-24可知，熱電偶回路中產生的總熱電勢為 （3-5）式中, 為熱電偶

35、電路的總熱電勢；為熱端接觸電勢；為B導體的溫差電勢；為冷端接觸電勢；為A導體的溫差電勢。 在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示為 （3-6）6. 熱電偶的基本定律有哪些？其含義是什么？每種定律的意義何在？并證明每種定律。答：熱電偶的基本定律有: 中間導體定律、中間溫度定律、參考電極定律。含義：中間導體定律-在熱電偶電路中接入第三種導體，只要保持該導體兩接入點的溫度相等，回路中總的熱電勢不變，即第三種導體的引入對熱電偶回路的總熱電勢沒有影響。中間導體定律的意義：根據這個定律，我們可采取任何方式焊接導線，可以將熱電勢通過導線接至測量儀表進行測量,且不影響測量精

36、度?？刹捎瞄_路熱電偶對液態(tài)金屬和金屬壁面進行溫度測量，只要保證兩熱電極插入地方的溫度相同即可。中間溫度定律含義：在熱電偶測量電路中，測量端溫度為t，自由端為t0，中間溫度為t，則E（t、t0）的熱電勢等于E（t、t）與E（t、t0）熱電勢代數和。即中間溫度定律的意義：利用該定律，可對參考端溫度不為0的熱電勢進行修正。另外，可以選用廉價的熱電偶A、B代替t到t0段的熱電偶A、B，只要在 t、t0溫度范圍內A、B與A、B熱電偶具有相近的熱電勢特性，便可將熱電偶冷端延長到溫度恒定的地方再進行測量，使測量距離加長，還可以降低測量成本，而且不受原熱電偶自由端溫度t的影響。這就是在實際測量中，對冷端溫度進

37、行修正，運用補償導線延長測溫距離，消除熱電偶自由端溫度變化影響的道理。參考電極定律含義：已知熱電極A,B與參考電極C組成的熱電偶在接點溫度為（t，t0）時的熱電勢分別為 、 ，則相同溫度下，由A，B兩種熱電極配對后的熱電勢 可按下式計算為： 參考電極定律的意義：參考電極定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關電極與參考電極配對的熱電勢，那么任何兩種電極配對后的熱電勢均可利用該定理計算，而不需要逐個進行測定。由于純鉑絲的物理化學性能穩(wěn)定，熔點較高，易提純，所以目前常用純鉑絲作為標準電極。7. 熱電偶的性質有哪些？答：（1）當兩熱電極材料相同時，不論接點溫度相同與否，回路總熱電勢均為零。（

38、2）當熱電偶兩個接點溫度相同時，不論電極材料相同與否，回路總熱電勢均為零。（3）只有當電極材料不同，兩接點溫度不同時，熱電偶回路才有熱電勢。當電極材料選定后，兩接點的溫差越大，熱電勢也就越大。（4）回路中熱電勢的方向取決于熱端的接觸電勢方向或回路電流流過冷端的方向。8. 為什么要對熱電偶進行冷端溫度補償？常用的補償方法有幾種？補償導線的作用是什么？連接補償導線要注意什么？答：由于熱電偶的分度表是在冷端溫度為0時測得的，如果冷端溫度不為零，測得的熱電勢就不能直接去查相應的分度表。另外，根據熱電偶的測溫原理，熱電偶回路的熱電勢只與冷端和熱端的溫度有關，當冷端溫度保持不變時，熱電勢才與測量端溫度成單

39、值對應關系。但在實際測量時，冷端溫度常隨環(huán)境溫度變化而變化，不能保持恒定，因而會產生測量誤差。為了消除測量誤差，要對熱電偶進行冷端溫度補償。常采補償方法： 0冷端恒溫法、冷端恒溫法、補償導線法（延引電極法）、電橋補償法。補償導線的作用：補償導線僅起延長熱電極的作用，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起任何溫度補償作用。但由于補償導線比熱電偶便宜，節(jié)約了測量經費。連接補償導線必須注意兩個問題：兩根補償導線與熱電偶相連的接點溫度必須相同；不同的熱電偶要與其型號相應的補償導線配套使用，且必須在規(guī)定的溫度范圍內使用，極性不能接反。9. 熱電偶測溫線路有幾種？試畫出每種測溫電路原理圖，并寫出熱

40、電勢表達式。答：測溫某一點溫度、測量兩點間溫差電路、測量多點溫度之和電路、測量幾點的平均溫度、多點溫度測量線路。圖3-37 熱電偶測量某一點溫度圖3-38 熱電偶測量兩點溫差測溫電路原理圖：圖3-41 一臺儀表分別測量多點溫度圖3-39 測量兩點溫度之和圖3-40 測量兩點平均溫度圖3-53 熱電偶測量煉鋼爐熔融金屬某一點溫度10. 如圖3-53所示，用K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶測量煉鋼爐熔融金屬某一點溫度，A、B為補償導線，Cu為銅導線。已知， ，。（1）當儀表指示為39.314mV時，計算被測點溫度t = ?（2）如果將A、B換成銅導線，此時儀表指示為37.702mV，再求被測點溫度t =

41、? （3）將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來測量此點的溫度，是利用了熱電偶的什么定律？如果被測液體不是金屬，還能用此方法測量嗎？為什么？答：（1）當A、B為補償導線，Cu為銅導線時。熱電偶的冷端溫度為 t2=0.0，此時儀表的指示39.314mV即為熱端溫度t相對于0.0熱電勢，即,查分度表可得被測點溫度t 950。（2）如果將A、B換成銅導線，此時熱電偶的冷端溫度即變?yōu)閠1=40，此時儀表的指示為，根據中間溫度定律即可求得測量端相對于0的熱電勢：，查分度表可得被測點溫度t 950。（3）將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來測量此點的溫度，是利用了熱電偶的中間導體定律，如果被測液體不是金屬，就不

42、能用此方法來測量？因為不滿足熱電偶的基本定律要求。圖3-38熱電偶測量兩點溫差CuU3tABAAB接線盒1 t1接線盒2 t2接線盒3 t3CuOOOOOO11. 用兩只K型熱電偶測量兩點溫差，如圖3-38所示。已知，試求兩點的溫差。答：根據熱電偶測量兩點溫差的電路可知儀表的指示為：查分度表可知12. 試分析圖3-47所示集成溫度傳感器AD590用于熱電偶參考端溫度補償電路的工作原理。答：由圖3-47所示，AD590與熱電偶參考端處于同一溫度下。AD580是一個三端穩(wěn)壓器，其輸出電壓Uo = 2.5V。電路工作時，調整電阻R2使得I1 = t0x10-3mA，這樣在電阻R1上便產生一個隨參考端

43、溫度t0變化的補償電壓U1 =I1 * R1。若熱電偶參考端溫度為t0，工作時應使U1EAB（t0，0）。這樣就能自動補償由于冷端溫度變化帶來的測量誤差。不同分度號的熱電偶，R1的阻值亦不同。這種圖 3-47 熱電偶參考端的補償電路補償電路靈敏、準確、可靠、調整方便。13. 輻射式溫度傳感器的工作原理是什么？有何特點？答：輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能隨溫度變化的原理制成的。是一種非接觸式測溫方法，只要將傳感器與被測對象對準即可測量其溫度的變化。與接觸式溫度傳感器相比，具有以下特點：1）傳感器與被測對象不接觸，不會干擾被測對象的溫度場，故可測量運動物體的溫度，且可進行遙測。2）由于傳感器與

44、被測對象不在同一環(huán)境中，不會受到被測介質性質的影響，所以可以測量腐蝕性、有毒物體、帶電體的溫度，測溫范圍廣，理論上無測溫上限限制。3）在檢測時傳感器不必和被測對象進行熱量交換，所以測量速度快，響應時間短，適于快速測溫。4）由于是非接觸測量，測量精度不高，測溫誤差大。第4章 位移、物位傳感器1. 莫爾條紋的含義是什么？其主要特性有哪些？試畫圖分析。答：莫爾條紋含義:如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角，這時光柵上會出現若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，如圖4-10所示。圖4-9 莫爾條紋莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成

45、，圖4-10中d-d線區(qū)所示。f-f 線區(qū)則是由于光柵的遮光效應形成的。 莫爾條紋有兩個重要的特性：（1）位移的方向性：當指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示光柵的方向上下移動，查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方向。（2）放大作用：莫爾條紋有位移的放大作用。當主光柵沿著與刻線垂直的方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距B。當兩個等距光柵的柵間夾角較小時，主光柵移動一個柵距W，莫爾條紋移動KW距離，K為莫爾條紋的放大系數，可由下式確定，即圖4-10 莫爾條紋 例如：每毫米有50根線的光柵，當兩光柵間的夾角時，莫爾條紋間距，。當，。由此看出，兩個光柵面夾角越

46、小，莫爾條紋的放大倍數越大，這樣就可把肉眼看不見的光柵位移變成清晰看見的莫爾條紋移動，可以用測量莫爾條紋的移動來測量光柵的位移，從而實現高靈敏的位移測量。2. 磁柵位移傳感器的工作原理是什么？答：磁柵位移傳感器由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測電路組成。其工作原理是電磁感應原理，當線圈在一個周期性磁體表面附近勻速運動時，線圈上就會產生不斷變化的感應電動勢。感應電動勢的大小，既和線圈的運動速度有關，還和磁性體與線圈接觸時的磁性大小及變化率有關。根據感應電動勢的變化情況，就可獲得線圈與磁體相對位置和運動的信息。3. 電容式、電感式接近傳感器的工作原理是什么？被測物體是什么材料？為什么？答：電容式接近傳感器

47、的工作原理：電容式接近傳感器是一個以電極為檢測端的靜電電容式接近開關，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，平時檢測電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個組成部分。當被檢測物體接近檢測電極時，由于檢測電極加有電壓，檢測電極就會受到靜電感應而產生極化現象，被測物體越靠近檢測電極，檢測電極上的感應電荷就越多，由于檢測電極的靜電電容為C=Q/V，所以隨著電荷量的增多，使檢測電極電容C隨之增大，由于振蕩電路的振蕩頻率與電容成反比，所以當電容C增大時振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測電路轉換為開關信號后向外輸出。電感式接近傳感器的

48、工作原理：電感式接近傳感器由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。檢測用敏感元件為檢測線圈，它是振蕩電路的一個組成部分，振蕩電路的振蕩頻率為。當檢測線圈通以交流電時，在檢測線圈的周圍就產生一個交變的磁場，當金屬物體接近檢測線圈時，金屬物體就會產生電渦流而吸收磁場能量，使檢測線圈的電感L發(fā)生變化，從而使振蕩電路的振蕩頻率減小，以至停振。振蕩與停振這兩種狀態(tài)經檢測電路轉換成開關信號輸出。電容、電感式接近傳感器被測物體都是金屬導體材料，因為電容式接近傳感器是一個以電極為檢測端的靜電電容式接近開關，只有金屬導體材料才能產生電荷。電感式接近傳感器工作原理是電渦流效應，只有在金屬導體內

49、才能產生電渦流。4. 試分析圖4-22所示壓力傳感器是如何測量液位高度的？圖4-22 開放型儲液罐壓力示意圖答：圖4-22為壓差式液位傳感器，其工作原理是根據液面的高度與液壓成比例的原理制成的。如果液體的密度恒定，則液體加在測量基準面上的壓力與液面到基準面的高度成正比，因此通過壓力的測定便可知液面的高度。5. 電容式物位傳感器是如何測量物體位置的？答：電容式物位傳感器是利用被測物不同，其介電常數不同，電容量也不同的特點進行檢測的。6. 試分析電磁流量計的工作原理，并推導流量的表達式。答：根據法拉第電磁感應定律，當一導體在磁場中運動切割磁力線時，在導體的兩端即產生感生電勢e，其方向由右手定則確定

50、，其大小與磁場的磁感應強度B，導體在磁場內的長度L及導體的運動速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，則 .與此相仿，在磁感應強度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個內徑為D的不導磁管道，當導電液體在管道中以流速流動時，導電流體就切割磁力線。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極，如圖4-33所示。圖4-33    電磁流量計原理簡圖可以證明，只要管道內流速分布均勻，兩電極之間也將產生感生電動勢： 。式中，  為管道截面上的平均流速。由此可得管道的體積流量為：  由上式可見，體積流量與感應電動勢e和測量管內徑D成線性關

51、系，與磁場的磁感應強度B成反比，與其它物理參數無關這就是電磁流量計的測量原理。第5章 光電傳感器1. 光電效應有哪幾種？分別對應什么光電元件？答：光電效應大致可以分為三類：外光電效應、內光電效應和光生伏特效應。對應的光電元件：用外光電效應制成的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等；內光電效應制成的光電元器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管和光敏晶閘管等；基于光生伏特效應的光電元器件是光電池。2. 試比較光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏晶體管的性能差異，并簡述在不同場合下應選用哪種元件最為合適。答：（1）光譜特性： 圖5-11 光敏二極管的光譜特性圖5-6 光敏電阻的光譜特性曲線圖5-

52、15 光電池的光譜特性（2）響應時間：光敏電阻中的光電流的變化滯后于光的變化的時間，即光敏電阻突然感受光照時，光電流并不是立刻上升到其穩(wěn)定數值，且當光突然消失時光電流也不會立刻下降到零，這說明光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后。盡管不同材料的光敏電阻具有不同的響應時間，但都存在著這種時延特性，因此，光敏電阻不能用在要求快速響應的場合。硅光敏二極管的響應時間約為s左右，光敏晶體管的響應速度則比相應的二極管大約慢一個數量級，而鍺管的響應時間要比硅管小一個數量級。因此在要求快速響應或入射光調制頻率（明暗交替頻率）較高時，應選用硅光敏二極管。由于光敏晶體管基區(qū)的電荷存儲效應，所以在強光照和無

53、光照時，光敏晶體管的飽和與截止需要更多的時間，所以它對入射調制光脈沖的響應時間更慢，最高工作頻率更低。光電池：由于光電池受照射產生電子一空穴對需要一定的時間，因此當入射光的調制頻率太高時，光電池輸出的光電流將下降。硅光電池的面積越小，PN結的極間電容也越小，頻率響應就越好，硅光電池的頻率響應可達數十千赫茲至數兆赫茲，硒光電池的頻率特性較差，目前已較少使用。（3）溫度特性：光敏電阻和其他半導體器件一樣，受溫度的影響較大，隨著溫度的升高，它的暗電阻與靈敏度都下降的特性。光敏二極管和光敏晶體管：溫度變化對亮電流影響不大，但對暗電流影響非常大，并且是非線性的。在微光測量中有較大誤差。硅管的暗電流比鍺管

54、小幾個數量級，所以在微光測量中應采用硅管。另外由于硅光敏晶體管的溫漂大，所以盡管光敏三級管靈敏度較高，但是在高精度測量中應選擇硅光敏二極管?？刹捎玫蜏仄?、高精度的運算放大器來提高精度。光電池：溫度特性是描述光電池的開路電壓UO和短路電流Isc隨溫度變化的特性。從圖5-17中可以看出，開路電壓隨溫度增加而下降的速度較快，電壓溫度系數約為2/。而短路電流隨溫度上升而緩慢增加，溫度系數較小。當光電池作為檢測元件時，應考慮溫度漂移的影響，采取相應措施進行補償。3. 光電傳感器有哪些部分組成？被測量可以影響光電傳感器的哪些部分？ 答：光電式傳感器由光源、光學元器件和光電元器件組成光路系統，結合相應的測量

55、轉換電路而構成。被測量主要影響光電傳感器的敏感原件。4. 簡述光電倍增管的工作原理。答：光電倍增管由真空管殼內的光電陰極、陽極以及位于其間的若干個倍增電極構成。工作時在各電極之間加上規(guī)定的電壓。當光或輻射照射陰極時，陰極發(fā)射光電子，光電子在電場的作用下加速逐級轟擊發(fā)射倍增電極，在末級倍增電極形成數量為光電子的倍的次級電子。眾多的次級電子最后為陽極收集，在陽極電路中產生可觀的輸出電流。通常光電倍增管的靈敏度比光電管要高出幾萬倍，在微光下就可產生較大的電流。5. 試述圖5-50所示光敏電阻式光控開關的工作原理。 答：白天有光照時，光敏電阻阻值很小，晶體管、不導通，繼電器斷開；夜晚無光照時，光敏電阻

56、呈現高阻，晶體管、導通，繼電器吸合，從而實現光控開關的作用。 圖5-50 光敏電阻式光控開關6. 試分析圖5-51所示光控自動照明燈電路的工作原理。 圖5-51 光控自動照明燈解答：圖中VT1為觸發(fā)二極管，觸發(fā)電壓約為30V左右。白天自然光線較強，光敏電阻器RG呈現低阻，它與RP的分壓低于30V（A點），觸發(fā)二極管截止，雙向可控硅無觸發(fā)電流，VT2呈斷開狀態(tài)，燈EL不亮。夜幕來臨時，照射在RG上的自然光線較弱，RG呈現高電阻，A點電壓大于30V，觸發(fā)二極管導通，雙向可控硅導通，燈EL點亮。R1、C1為保護雙向可控硅的吸收電路。7. 試分析光電掃描筆是如何工作的？答：掃描筆的前方為光電讀入頭，它由一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管組成，當掃描筆頭在條形碼上移動時，若遇到