《傳感器與檢測(cè)技術(shù)(胡向東-第2版)》習(xí)題解答(共20頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上傳感器與檢測(cè)技術(shù)（胡向東，第2版）習(xí)題解答王濤第1章 概述1.1 什么是傳感器？答：傳感器是能夠感受規(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，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。1.2 傳感器的共性是什么？答：傳感器的共性就是利用物理定律或物質(zhì)的物理、化學(xué)或生物特性，將非電量（如位移、速度、加速度、力等）輸入轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、頻率、電荷、電容、電阻等）輸出。1.3 傳感器一般由哪幾部分組成？答：傳感器的基本組成分為敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分，分別完成檢測(cè)和轉(zhuǎn)換兩個(gè)基本功能。輔助電源信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路傳感元件被測(cè)量敏感元件另外還需要信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，輔助電

2、源。1.4 傳感器是如何分類的？答：傳感器可按輸入量、輸出量、工作原理、基本效應(yīng)、能量變換關(guān)系以及所蘊(yùn)含的技術(shù)特征等分類，其中按輸入量和工作原理的分類方式應(yīng)用較為普遍。 按傳感器的輸入量（即被測(cè)參數(shù)）進(jìn)行分類按輸入量分類的傳感器以被測(cè)物理量命名，如位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等。 按傳感器的工作原理進(jìn)行分類根據(jù)傳感器的工作原理（物理定律、物理效應(yīng)、半導(dǎo)體理論、化學(xué)原理等），可以分為電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁敏式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器等。 按傳感器的基本效應(yīng)進(jìn)行分類根據(jù)傳感器敏感元件所蘊(yùn)含的基本效應(yīng)，可以將傳感器分為物理傳

3、感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器。1.6 改善傳感器性能的技術(shù)途徑有哪些？答： 差動(dòng)技術(shù)； 平均技術(shù)； 補(bǔ)償與修正技術(shù)； 屏蔽、隔離與干擾抑制； 穩(wěn)定性處理。第2章 傳感器的基本特性2.1 什么是傳感器的靜態(tài)特性？描述傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有哪些？答：傳感器的靜態(tài)特性是它在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下的輸入、輸出關(guān)系。靜態(tài)特性所描述的傳感器的輸入-輸出關(guān)系中不含時(shí)間變量。衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)是線性度、靈敏度、分辨率、遲滯、重復(fù)性和漂移。2.3 利用壓力傳感器所得測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示，計(jì)算非線性誤差、遲滯和重復(fù)性誤差。設(shè)壓力為0MPa時(shí)輸出為0mV，壓力為0.12MPa時(shí)輸出最大且為16.50mV。壓力/

4、MPa輸出值/mV第一循環(huán)第二循環(huán)第三循環(huán)正行程反行程正行程反行程正行程反行程0.020.560.660.610.680.640.690.043.964.063.994.094.034.110.067.407.497.437.537.457.520.0810.8810.9510.8910.9310.9410.990.1014.4214.4214.4714.4714.4614.46解：求非線性誤差，首先要求實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大誤差，擬合直線在輸入量變化不大的條件下，可以用切線或割線擬合、過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合、端點(diǎn)平移擬合等來(lái)近似地代表實(shí)際曲線的一段（多數(shù)情況下是用最小二乘法來(lái)求出擬合直線）。

5、（1）端點(diǎn)線性度：設(shè)擬合直線為：y=kx+b,根據(jù)兩個(gè)端點(diǎn)（0，0）和（0.12，16.50），則擬合直線斜率：137.5*0.12+b=16.50b=0端點(diǎn)擬合直線為y=137.5x壓力/MPa輸出值/mV第一循環(huán)第二循環(huán)第三循環(huán)正行程反行程正行程反行程正行程反行程0.022.750.560.660.610.680.640.690.045.503.964.063.994.094.034.110.068.257.407.497.437.537.457.520.0811.010.8810.9510.8910.9310.9410.990.1013.7514.4214.4214.4714.4714.

6、4614.46在0.02MPa處非線性誤差最大（2）最小二乘線性度：設(shè)擬合直線方程為，誤差方程令，由已知輸入輸出數(shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘法，有：直接測(cè)量值矩陣，系數(shù)矩陣，被測(cè)量估計(jì)值矩陣由最小二乘法：，有擬合直線為y=-2.847+172.55x壓力/MPa輸出值/mV第一循環(huán)第二循環(huán)第三循環(huán)正行程反行程正行程反行程正行程反行程均值理論值誤差0.020.560.660.610.680.640.690.640.6040.0360.043.964.063.994.094.034.114.044.0550.0150.067.407.497.437.537.457.527.477.5060.1060.081

7、0.8810.9510.8910.9310.9410.9910.9310.9570.0270.1014.4214.4214.4714.4714.4614.4614.4514.4080.042答：非線性誤差公式： 遲滯誤差公式：，又最大行程最大偏差=0.1mV， 重復(fù)性誤差公式：，又重復(fù)性最大偏差為=0.08，2.7 用一階傳感器測(cè)量100Hz的正弦信號(hào)，如果要求幅值誤差限制在±5以內(nèi)，時(shí)間常數(shù)應(yīng)取多少？如果用該傳感器測(cè)量50Hz的正弦信號(hào)，其幅值誤差和相位誤差各為多少？解：一階傳感器頻率響應(yīng)特性：幅頻特性：由題意有，即又所以：00.523ms取=0.523ms，=2f=2×

8、50=100幅值誤差：所以有-1.32%A()0相位誤差：()=-arctan()=-9.3º所以有-9.3º()02.8 某溫度傳感器為時(shí)間常數(shù)=3s的一階系統(tǒng)，當(dāng)傳感器受突變溫度作用后，試求傳感器指示出溫差的三分之一和二分之一所需的時(shí)間。解：一階傳感器的單位階躍響應(yīng)函數(shù)為，2.9 玻璃水銀溫度計(jì)通過(guò)玻璃溫包將熱量傳給水銀，可用一階微分方程來(lái)表示?，F(xiàn)已知某玻璃水銀溫度計(jì)特性的微分方程是y代表水銀柱高（mm）, x代表輸入溫度（）。求該溫度計(jì)的時(shí)間常數(shù)及靈敏度。解：一階傳感器的微分方程為式中傳感器的時(shí)間常數(shù)；傳感器的靈敏度。對(duì)照玻璃水銀溫度計(jì)特性的微分方程和一階傳感器特性的

9、通用微分方程，有該溫度計(jì)的時(shí)間常數(shù)為2s，靈敏度為1。2.10 某傳感器為一階系統(tǒng)，當(dāng)受階躍函數(shù)作用時(shí)，在t=0時(shí)，輸出為10mv；在t=5s時(shí)輸出為50mv；在t時(shí)，輸出為100mv。試求該傳感器的時(shí)間常數(shù)。解：，=5/0.=8.5s2.11 某一質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)在受到階躍輸入激勵(lì)下，出現(xiàn)的超調(diào)量大約是最終穩(wěn)態(tài)值的40%。如果從階躍輸入開(kāi)始至超調(diào)量出現(xiàn)所需的時(shí)間為0.8s，試估算阻尼比和固有角頻率的大小。解：，2.12 在某二階傳感器的頻率特性測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，諧振發(fā)生在頻率216Hz處，并得到最大的幅值比為1.4，試估算該傳感器的阻尼比和固有角頻率的大小。解：當(dāng)時(shí)共振，則所以：2.13 設(shè)一

10、力傳感器可簡(jiǎn)化為典型的質(zhì)量-彈簧-阻尼二階系統(tǒng)，已知該傳感器的固有頻率=1000Hz，若其阻尼比為0.7，試問(wèn)用它測(cè)量頻率為600Hz、400Hz的正弦交變力時(shí)，其輸出與輸入幅值比A()和相位差()各為多少？解：二階傳感器的頻率響應(yīng)特性：幅頻特性：相頻特性：當(dāng)f=600Hz時(shí)，；當(dāng)f=400Hz時(shí)，。第3章 電阻式傳感器3.2 電阻應(yīng)變片的種類有哪些？各有什么特點(diǎn)？答：常用的電阻應(yīng)變片有兩種：金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是主要基于應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)致其材料幾何尺寸的變化；半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的工作原理是主要基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。3.4 試分析差動(dòng)測(cè)量電路在應(yīng)變電阻式傳感器

11、測(cè)量中的好處。答： 單臂電橋測(cè)量電路存在非線性誤差，而半橋差動(dòng)和全橋差動(dòng)電路均無(wú)非線性誤差。 半橋差動(dòng)電路的電壓輸出靈敏度比單臂電橋提高了一倍。全橋差動(dòng)電路的電壓輸出靈敏度是單臂電橋的4倍。3.5 將100電阻應(yīng)變片貼在彈性試件上，如果試件截面積，彈性模量，若由的拉力引起應(yīng)變計(jì)電阻變化為1，求電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。解：已知由得所以3.6 一個(gè)量程為10kN的應(yīng)變式測(cè)力傳感器，其彈性元件為薄壁圓筒軸向受力，外徑20mm，內(nèi)徑18mm,在其表面粘貼八各應(yīng)變片，四個(gè)沿周向粘貼，應(yīng)變片的電阻值均為120,靈敏度為2.0，波松比為0.3，材料彈性模量E=2.1×1011Pa。要求：(1) 繪

12、出彈性元件貼片位置及全橋電路；(2) 計(jì)算傳感器在滿量程時(shí)，各應(yīng)變片電阻變化；(3) 當(dāng)橋路的供電電壓為10V時(shí)，計(jì)算傳感器的輸出電壓。解：(1)(2) 圓桶截面積：應(yīng)變片1、2、3、4感受縱向應(yīng)變；應(yīng)變片5、6、7、8感受周向應(yīng)變；滿量程時(shí)：由電阻應(yīng)變片靈敏度公式得，由應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，及應(yīng)力與受力面積的關(guān)系，得，(3) 3.7 圖3-5中，設(shè)負(fù)載電阻為無(wú)窮大（開(kāi)路），圖中，試求：(1) 為金屬電阻應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)?shù)脑隽繛闀r(shí)，電橋的輸出電壓(2) , 都是電阻應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感應(yīng)應(yīng)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) , 都是電阻應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感應(yīng)應(yīng)

13、變的大小為，但極性相反，其余為外接電阻，電橋的輸出電壓解：(1) 單臂(2) 極性相同(3)半橋3.8 在圖3-11中，設(shè)電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=2.05，未受應(yīng)變時(shí)，=120。當(dāng)試件受力F時(shí)，電阻應(yīng)變片承受平均應(yīng)變值。試求：(1) 電阻應(yīng)變片的電阻變化量和電阻相對(duì)變化量；(2) 將電阻應(yīng)變片置于單臂測(cè)量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋輸出電壓及其非線性誤差；(3) 如果要減小非線性誤差，應(yīng)采取何種措施？分析其電橋輸出電壓及非線性誤差的大小。解：圖3-11是一種等強(qiáng)度梁式力傳感器，(1) 由K= (R/R)/得R/R=K，(2) 3.9 電阻應(yīng)變片阻值為120，靈敏系數(shù)K=2，沿縱向粘貼

14、于直徑為0.05m 的圓形鋼柱表面，鋼材的彈性模量，泊松比=0.3。求：(1) 鋼柱受拉力作用時(shí)應(yīng)變片電阻的變化量和相對(duì)變化量；(2) 若應(yīng)變片沿鋼柱圓周方向粘貼，受同樣拉力作用時(shí)應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化量。Q解：(1) 由應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，及應(yīng)力與受力面積的關(guān)系，得，；(2) 由，得。 第4章 電感式傳感器4.3 已知變氣隙厚度電感式傳感器的鐵芯截面積，磁路長(zhǎng)度L 20cm，相對(duì)磁導(dǎo)率，氣隙初始厚度, ±0.1mm，真空磁導(dǎo)率，線圈匝數(shù)N 3000，求單線圈式傳感器的靈敏度。若將其做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，靈敏度將如何變化？解：, 所以，。做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，靈敏度將提高一倍。4.5 有一只差動(dòng)電感

15、位移傳感器，已知電源電壓，傳感器線圈電阻與電感分別為R=40,L=30mH，用兩只匹配電阻設(shè)計(jì)成四臂等阻抗電橋，如圖所示，試求：（1）匹配電阻和的值為多少時(shí)才能使電壓靈敏度達(dá)到最大。（2）當(dāng)Z=10時(shí)，分別接成單臂和差動(dòng)電橋后的輸出電壓值。解：(1) R3=R4=R=40(2) 單臂電橋差動(dòng)電橋幾何4.9 引起零點(diǎn)殘余電壓的原因是什么？如何消除零點(diǎn)殘余電壓？答：零點(diǎn)殘余電壓的產(chǎn)生原因：（線圈）傳感器的兩個(gè)二次繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)幅值不等、相位不同，構(gòu)成了零點(diǎn)殘余電壓的基波；（鐵心）由于磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯），產(chǎn)生了零點(diǎn)殘余電壓的高次諧波（主

16、要是三次諧波）；（電源）勵(lì)磁電壓本身含高次諧波。零點(diǎn)殘余電壓的消除方法：盡可能保證傳感器的幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路的對(duì)稱；采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，如差動(dòng)整流電路。4.10 在使用螺線管電感式傳感器時(shí)，如何根據(jù)輸出電壓來(lái)判斷銜鐵的位置？答：常見(jiàn)的差動(dòng)整流電路如圖4-15所示。以圖4-15b為例分析差動(dòng)整流的工作原理。由圖可知：無(wú)論兩個(gè)二次繞組的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，流經(jīng)電容的電流方向總是從2端到4端，流經(jīng)電容的電流方向總是從6端到8端，所以整流電路的輸出電壓為當(dāng)銜鐵位于中間位置時(shí)，故輸出電壓=0；當(dāng)銜鐵位于零位以上時(shí)，則；當(dāng)銜鐵位于零位以下時(shí)，則有，。只能根據(jù)的符號(hào)判斷銜鐵的位置在零位處、零位以

17、上或以下，但不能判斷運(yùn)動(dòng)的方向。4.11 如何通過(guò)相敏檢波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)位移大小和方向的判定？答：相敏檢測(cè)電路原理是通過(guò)鑒別相位來(lái)辨別位移的方向，即差分變壓器輸出的調(diào)幅波經(jīng)相敏檢波后，便能輸出既反映位移大小，又反映位移極性的測(cè)量信號(hào)。經(jīng)過(guò)相敏檢波電路，正位移輸出正電壓，負(fù)位移輸出負(fù)電壓，電壓值的大小表明位移的大小，電壓的正負(fù)表明位移的方向。第5章 電容式傳感器5.2 有一個(gè)以空氣為介質(zhì)的變面積型平板電容傳感器如下圖所示，其中a=10mm，b=16mm，兩極板間距為。測(cè)量時(shí)，一塊極板在原始位置上向左平移了2mm，求該傳感器的電容變化量、電容相對(duì)變化量和位移靈敏度K（已知空氣相對(duì)介電常數(shù)，真空的介電常

18、數(shù)）。解：電容變化量為即電容減小了。電容相對(duì)變化量,電容式傳感器的位移靈敏度（單位距離改變引起的電容量相對(duì)變化）為,或電容式傳感器的位移靈敏度（單位距離改變引起的電容量變化）為5.4 有一個(gè)直徑為2m、高5m的鐵桶，往桶內(nèi)連續(xù)注水，當(dāng)注水量達(dá)到桶容量的80%時(shí)就應(yīng)當(dāng)停止，試分析用應(yīng)變電阻式傳感器或電容式傳感器來(lái)解決該問(wèn)題的途徑和方法。解： 電阻應(yīng)變片式傳感器解決此問(wèn)題的方法參見(jiàn)P48圖3-18所示的電阻式液體重量傳感器，當(dāng)注水達(dá)到桶容量的80%時(shí)，也就是位于感壓膜上的液體高度達(dá)到桶高4m的對(duì)應(yīng)位置時(shí)，輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓，通過(guò)一個(gè)電壓比較器就可以在液位達(dá)到4m時(shí)輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，關(guān)閉閥門，停止注

19、水。 電容式傳感器解決此問(wèn)題的方法參見(jiàn)P80圖5-6所示的圓筒結(jié)構(gòu)變介質(zhì)型電容式傳感器，總的電容值為在圓筒結(jié)構(gòu)變介質(zhì)式電容傳感器中的液位達(dá)到桶高4m的對(duì)應(yīng)位置時(shí)，電容值達(dá)到一個(gè)特定值，接入測(cè)量電路，就可以在液位達(dá)到4m時(shí)輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，關(guān)閉閥門，停止注水。5.6 試推導(dǎo)圖5-20所示變介質(zhì)型電容式位移傳感器的特性方程C=f(x)。設(shè)真空的介電常數(shù)為，圖中，極板寬度為W。其它參數(shù)如圖所示。解：以x為界，可以看作兩個(gè)電容器并聯(lián)，右邊的電容器又可以看作兩個(gè)電容器串聯(lián)。參見(jiàn)P79圖5-5。故，總的電容量為。5.7 在題5.6中，設(shè)=d=1mm，極板為正方形（邊長(zhǎng)50mm）。=1，=4。試針對(duì)x=05

20、0mm范圍內(nèi)，繪出此位移傳感器的特性曲線，并給以適當(dāng)說(shuō)明。解：特性曲線是一條斜率為-1的直線。5.8某一電容測(cè)微儀，其傳感器的圓形極板半徑 r=4mm，工作初始間隙d=0.3mm，問(wèn)：(1) 工作時(shí)，如果傳感器與工件的間隙變化量d=2m 時(shí)，電容變化量為多少?(2) 如果測(cè)量電路的靈敏度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV，在d=2m 時(shí)，讀數(shù)儀表的示值變化多少格?解： (1)，間隙增大，間隙縮小，(2)第6章 壓電式傳感器6.1 什么是壓電效應(yīng)？什么是逆壓電效應(yīng)？答： 正壓電效應(yīng)就是對(duì)某些電介質(zhì)沿一定方向施以外力使其變形時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象而使其出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象。

21、當(dāng)在片狀壓電材料的兩個(gè)電極面上加上交流電壓，那么壓電片將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上產(chǎn)生伸縮變形，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)，也稱為逆壓電效應(yīng)。6.3 試分析石英晶體的壓電效應(yīng)原理。答：石英晶體的化學(xué)成分是，是單晶結(jié)構(gòu)，理想形狀六角錐體，如圖6-1a所示。石英晶體是各向異性材料，不同晶向具有各異的物理特性，用x、y、z軸來(lái)描述。z軸：是通過(guò)錐頂端的軸線，是縱向軸，稱為光軸，沿該方向受力不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。x軸：經(jīng)過(guò)六面體的棱線并垂直于z軸的軸為x軸，稱為電軸（壓電效應(yīng)只在該軸的兩個(gè)表面產(chǎn)生電荷集聚），沿該方向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”。y軸：與x、z軸同時(shí)垂直的軸為y軸

22、，稱為機(jī)械軸（該方向只產(chǎn)生機(jī)械變形，不會(huì)出現(xiàn)電荷集聚）。沿該方向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。石英晶體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)。反之，如對(duì)石英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)。6.12 將一壓電式力傳感器與一只靈敏度可調(diào)的電荷放大器連接，然后接到靈敏度為=20mm/V的光線示波器上記錄，已知壓電式壓力傳感器的靈敏度為=5pc/P

23、a，該測(cè)試系統(tǒng)的總靈敏度為S=0.5mm/Pa，試問(wèn)：(1) 電荷放大器的靈敏度應(yīng)調(diào)為何值(V/pc)？(2) 用該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)40Pa的壓力變化時(shí)，光線示波器上光點(diǎn)的移動(dòng)距離是多少？解：(1) (2) 第7章 磁敏式傳感器7.5 什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電動(dòng)勢(shì)與哪些因素有關(guān)？答： 一塊長(zhǎng)為l、寬為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)（磁場(chǎng)方向垂直于薄片）中，當(dāng)有電流I流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)Uh。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻柦M件多用N型半導(dǎo)體材料，且比較薄。 霍爾電勢(shì) 霍爾電勢(shì)與霍爾電場(chǎng)EH、載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體的寬度b、載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體的厚度d、電子平均運(yùn)動(dòng)速度v、磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度

24、B、電流I 有關(guān)。 霍爾傳感器的靈敏度 。為了提高霍爾傳感器的靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。又霍爾元件的靈敏度與載流子濃度成反比，所以可采用自由電子濃度較低的材料作霍爾元件。7.6 某霍爾元件尺寸（、）為1.0cm×0.35cm×0.1cm，沿方向通以電流I=1.0mA，在垂直面加有均勻磁場(chǎng)B=0.3T，傳感器的靈敏度系數(shù)為22V/A.T，求其輸出的霍爾電動(dòng)勢(shì)和載流子濃度。解： 由，得第8章 熱電式傳感器8.2 熱電偶的工作原理是什么?答：熱電偶測(cè)溫基本原理：熱電偶測(cè)溫是基于熱電效應(yīng)的基本原理。根據(jù)熱電效應(yīng)，任何兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，如果將它們的兩個(gè)接點(diǎn)分

25、別置于溫度不同的熱源中，則在該回路中會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，在一定條件下，產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)溫度成單值函數(shù)關(guān)系。因此，我們只需測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)值，就可間接獲得被測(cè)溫度。8.3 什么是中間導(dǎo)體定律、中間溫度定律、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律、均質(zhì)導(dǎo)體定律？答： 中間導(dǎo)體定律熱電偶測(cè)溫時(shí)，若在回路中插入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，則對(duì)熱電偶回路總的熱電勢(shì)不產(chǎn)生影響。在用熱電偶測(cè)溫時(shí)，連接導(dǎo)線及顯示儀表等均可看成中間導(dǎo)體。 中間溫度定律任何兩種均勻材料組成的熱電偶，熱端為，冷端為時(shí)的熱電勢(shì)等于該熱電偶熱端為冷端為時(shí)的熱電勢(shì)與同一熱電偶熱端為，冷端為時(shí)熱電勢(shì)的代數(shù)和。應(yīng)用：對(duì)熱電偶冷端不為0時(shí)，可用中間溫度定律加以修

26、正。熱電偶的長(zhǎng)度不夠時(shí)，可根據(jù)中間溫度定律選用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償線路。 標(biāo)準(zhǔn)電極定律如果A、B兩種導(dǎo)體（熱電極）分別與第三種導(dǎo)體C（參考電極）組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩個(gè)導(dǎo)體A、B組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)為實(shí)用價(jià)值：可大大簡(jiǎn)化熱電偶的選配工作。在實(shí)際工作中，只要獲得有關(guān)熱電極與標(biāo)準(zhǔn)鉑電極配對(duì)的熱電勢(shì)，那么由這兩種熱電極配對(duì)組成熱電偶的熱電勢(shì)便可由上式求得，而不需逐個(gè)進(jìn)行測(cè)定。 均質(zhì)導(dǎo)體定律如果組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度是否相同，熱電偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)均為0。均質(zhì)導(dǎo)體定律有助于檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及熱電極材料的均勻性。8.7 用兩只K 型熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)

27、溫度，其連接線路如下圖所示，已知=420,=30，測(cè)得兩點(diǎn)的溫差電動(dòng)勢(shì)為15.24mv，問(wèn)兩點(diǎn)的溫度差是多少？如果測(cè)量溫度的那只熱電偶錯(cuò)用的是E 型熱電偶，其他都正確，試求兩點(diǎn)實(shí)際溫度差是多少？(可能用到的熱電偶分度表數(shù)據(jù)見(jiàn)表一和表二，最后結(jié)果可只保留到整數(shù)位）表一 K型熱電偶分度表（部分）工作端溫度/0102030405060708090熱電動(dòng)勢(shì)/mV000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.853.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.341

28、9.74510.15110.5610.9711.38111.79330012.2112.6213.0413.4613.87414.29214.7115.1315.55215.97440016.416.8217.2417.6618.08818.51318.9419.3619.78820.214解：所以，查表得點(diǎn)的溫度為49.5，兩點(diǎn)間的溫度差為420-49.5=370.5。 如果測(cè)量錯(cuò)用了E型熱電偶，則所以查表得點(diǎn)的溫度為360，兩點(diǎn)間的溫度差實(shí)際為420-360=60。8.8 將一支鎳鉻-鎳硅熱電偶與電壓表相連，電壓表接線端是50,若電位計(jì)上讀數(shù)是6.0mV，問(wèn)熱電偶熱端溫度是多少？解： 查表

29、，知K型熱電偶50對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為2.022mV， 依據(jù)中間溫度定律得 按內(nèi)插值計(jì)算得熱端溫度為=197.1258.9 鉑電阻溫度計(jì)在100時(shí)的電阻值為139，當(dāng)它與熱的氣體接觸時(shí)，電阻值增至281，試確定該氣體的溫度（設(shè)0時(shí)電阻值為100）。解：由0時(shí)電阻值為100，可知該鉑電阻溫度計(jì)為分度號(hào)為的鉑熱電阻，根據(jù)100時(shí)的電阻值為139，進(jìn)一步確定為分度號(hào)為的鉑熱電阻。對(duì)應(yīng)于281的阻值，查分度表，對(duì)應(yīng)的溫度約為500。8.10 鎳鉻-鎳硅熱電偶的靈敏度為0.04mV/，把它放在溫度為1200處，若以指示表作為冷端，此處溫度為50，試求熱電動(dòng)勢(shì)的大小。解：8.11 將一靈敏度為0.08mV/的熱

30、電偶與電壓表相連接，電壓表接線端是50，若電位計(jì)上讀數(shù)是60mV，求熱電偶的熱端溫度。解：=8008.12 使用K型熱電偶，參考端溫度為0，測(cè)量熱端溫度為30和900時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)分別為1.203mV和37.326mV。當(dāng)參考端溫度為30、測(cè)量點(diǎn)溫度為900時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)為多少？解：根據(jù)中間溫度定律，有=37.326-1.203=36.123mV8.14 熱電阻有什么特點(diǎn)？答：熱電阻測(cè)溫基本原理：熱電阻測(cè)溫是基于熱效應(yīng)的基本原理。所謂熱效應(yīng)，就是金屬導(dǎo)體的阻值會(huì)隨溫度的升高而增加或減小的現(xiàn)象。因此，我們只需測(cè)得金屬導(dǎo)體電阻的變化就可間接獲得被測(cè)溫度。8.15 試分析三線制和四線制接法在熱電阻測(cè)

31、量中的原理及其不同特點(diǎn)。答：熱電阻常用引線方式主要有：兩線制、三線制和四線制。兩線制的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，但是引線電阻及其變化會(huì)帶來(lái)附加誤差。主要適用于引線不長(zhǎng)、測(cè)溫精度要求較低的場(chǎng)合。三線制的特點(diǎn)是可較好地減小引線電阻的影響。主要適用于大多數(shù)工業(yè)測(cè)量場(chǎng)合。四線制的特點(diǎn)是精度高，能完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響。主要適用于實(shí)驗(yàn)室等高精度測(cè)量場(chǎng)合。8.17 某熱敏電阻，其B值為2900K，若冰點(diǎn)電阻為500k，求該熱敏電阻在100時(shí)的阻抗。解：具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，其阻值與溫度的關(guān)系可表示為-2.8452,7.7717,10.6169=29k第9章 光電式傳感器9.4 什么是光電效應(yīng)、內(nèi)光

32、電效應(yīng)、外光電效應(yīng)？這些光電效應(yīng)的典型光電器件各自有哪些？答：光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)等，這些因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。當(dāng)光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時(shí)，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會(huì)克服正離子對(duì)它的吸引力，脫離材料表面進(jìn)入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。根據(jù)外光電效應(yīng)制作的光電器件有光電管和光電倍增管。內(nèi)光電效應(yīng)是指物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)逸出物體的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)多發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)，可分為因光照引起半導(dǎo)體電阻率變化的光電導(dǎo)效應(yīng)和因光照產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)

33、的光生伏特效應(yīng)兩種。光電導(dǎo)效應(yīng)是指物體在入射光能量的激發(fā)下，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子（電子-空穴對(duì)），使物體中載流子數(shù)量顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。光生伏特效應(yīng)是指光照在半導(dǎo)體中激發(fā)出的光電子和空穴在空間分開(kāi)而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，是將光能變?yōu)殡娔艿囊环N效應(yīng)。基于光生伏特效應(yīng)的光電器件典型的有光電池；此外，光敏二極管、光敏晶體管也是基于光生伏特效應(yīng)的光電器件。9.22 一個(gè)8位光電碼盤的最小分辨率是多少？如果要求每個(gè)最小分辨率對(duì)應(yīng)的碼盤圓弧長(zhǎng)度至少為0.01mm，則碼盤半徑應(yīng)有多大？解：一個(gè)n位二進(jìn)制碼盤的最小分辨率是。8位光電碼盤的最小分辨率是1.4°。碼盤周長(zhǎng)為=0.01mm*256=2.56mm，碼盤半徑為2.56mm/20.4074mm9.23 設(shè)某循環(huán)碼盤的初始位置為“0000”，利用該循環(huán)碼盤測(cè)得結(jié)果為“0110”，其實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度是多少？解：基于二進(jìn)制碼得到循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換關(guān)系為，相應(yīng)地，循環(huán)碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼的方法為。循環(huán)碼： 0 1 1 0 0 1 0二進(jìn)制碼： 0 1 0 0循環(huán)碼“0110”對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼為“0100”，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為4，又初始位置為“0000”，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼為“0000”，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制