檢測與傳感技術思考題答案

1、第一章思考題和習題參考答案11 什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？它們的相互作用及相互關系如何？答：傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電化學量的裝置，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。由于傳感器輸出信號一般都很微弱，需要信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路進行放大、運算調(diào)制等，此外信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助電源，因此信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應作為傳感器組成的一部分。12 什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有那些性能指標？分別說明這些指標的含義？答：傳感器的靜態(tài)特性是指被測量

2、的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入與輸出的關系。靈敏度是輸入量Dy與引起輸入量增量Dy的相應輸入量增量Dx之比。傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關系的線性程度。遲滯是指傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象。重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。精度是評價系統(tǒng)的優(yōu)良程度。13 什么是測量值的絕對誤差、相對誤差、引用誤差？答：絕對誤差可定義為測量值與真值之差，實際相對誤差的定義式為絕對誤差與真值的百分比。引用誤差是儀表中通

3、用的一種誤差表示方法。它是相對于儀表滿量程的一種誤差，又稱滿量程相對誤差。14 什么是測量誤差？測量誤差有幾種表示方法？它們通常適用于什么場合？答：測量誤差是測得值減去被測量的真值。有五種表示方法：絕對誤差、相對誤差、基本誤差、引用誤差、附加誤差。對工程技術及科學研究中，對被測量進行測量時，測量的可靠性至關重要，不同的場合對測量結果的可靠性要求也不同。例如：在量值傳遞、經(jīng)濟核算、產(chǎn)品檢驗場合應保證測量結果有足夠的準確度。15 什么是隨機誤差？產(chǎn)生隨機誤差的原因是什么？如何減小隨機誤差對測量結果的影響？答：隨機誤差是指在同一測量條件下，多次測量被測量時，其絕對值和符號以不可預定方式變化著的誤差。

4、隨機誤差是由很多不便掌握或暫時未能掌握的微小因素，如電磁場的微變，零件的摩擦、間隙，熱起伏，空氣擾動，氣壓及濕度的變化，測量人員感覺器官的生理變化等，對測量值的綜合影響所造成的。16什么是系統(tǒng)誤差？系統(tǒng)誤差可分為哪幾類？系統(tǒng)誤差有哪些檢驗方法？如何減小和消除系統(tǒng)誤差？答：在同一測量條件下，多次測量被測量時，絕對值和符號保持不變，或在條件改變時，按一定規(guī)律（如線性、多項式、周期性等函數(shù)規(guī)律）變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。前者為恒值系統(tǒng)誤差，后者為變值系統(tǒng)誤差。對于系統(tǒng)誤差，首先要查找誤差根源，并設法減小和消除，而對于無法消除的恒值系統(tǒng)誤差，可以在測量結果中加以修正。17 什么是粗大誤差？如何判斷測量數(shù)

5、據(jù)中存在的粗大誤差？答：超出在規(guī)定條件下預期的誤差稱為粗大誤差，這類誤差的發(fā)生是由于測量者疏忽大意，測錯、讀錯或環(huán)境條件的突然變化等引起的。18 什么是間接測量、直接測量和組合測量？答：用按已知標準標定好的測量儀器，對某一未知量直接進行測量，得出未知量的值，這類測量稱為直接測量。對幾個被測量有確切函數(shù)關系的物體物理量進行直接測量，然后通過已知函數(shù)關系的公式、曲線或表格，求出該未知量，這類測量稱為間接測量。在測量中，使各個未知量以不同的組合形式出現(xiàn)（或改變測量條件來獲得這種不同的組合），根據(jù)直接測量和間接測量所得到的數(shù)據(jù)，通過解一組聯(lián)立方程而求出未知量的數(shù)值，這類測量稱為組合測量。第二章思考題和

6、習題參考答案2-1 什么叫應變效應?利用應變效應解釋金屬電阻應變片的工作原理。答：導體或半導體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應變效應”。應變式傳感器主要用來測量物體的受力，由測量電路求出電阻的變化量，再求出應變，從而求出物體所受的力。2-2 試述應變片溫度誤差的概念、產(chǎn)生原因和補償辦法。答：由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應變片的溫度誤差。產(chǎn)生應變片溫度誤差的主要因素有下述兩個方面。（1）電阻溫度系數(shù)的影響。（2）試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響。補償方法：（1）線路補償法。（2）應變片的自補償法。這種溫度補償法是利用自身具

7、有溫度補償作用的應變片（稱之為溫度自補償應變片）來補償?shù)摹?-3 什么是直流電橋？若按不同的橋臂工作方式分類，可分為哪幾種？各自的輸出電壓如何計算？答：直流電橋是測量小電阻的一種電路，分為單臂電橋、半橋和全橋。半橋輸出電壓為單臂電橋的2倍，全橋輸出電壓為半橋的2倍。2-4 擬在等截面的懸臂梁上粘貼4個完全相同的電阻應變片，并組成差動全橋電路，試問： 4個應變片應怎樣粘貼在懸臂梁上？ 畫出相應的電橋電路圖。答：相對橋臂的一對電阻粘貼在懸臂梁的同一表面，而另一對電阻粘貼在懸臂梁的另一表面相對的位置。2-5 圖2-5為一直流應變電橋。圖中E = 4V，R1 = R2 = R3 = R4 = 120W

8、，試求：R1為金屬應變片，其余為外接電阻，當R1的增量為DR1 = 1.2W時，電橋輸出電壓Uo為多少？R1、R2都是應變片，且批號相同，感應應變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓Uo為多少？ 題中，如果R2與R1感受應變的極性相反，且DR1 = DR2 = 1.2W，電橋輸出電壓Uo為多少？解：=V U0=0V=V圖2-14 題2-6圖2-6 圖2-14為等強度梁測力系統(tǒng)，R1為電阻應變片，應變片靈敏系數(shù)K = 2.05，未受應變時，R1 = 120W。當試件受力F時，應變片承受平均應變e = 800mm/m，試求： 應變片電阻變化量DR1及電阻相對變化量D

9、R1/R1。 將電阻應變片R1置于單臂測量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。 若要減小非線性誤差，應采取何種措施?分析其電橋輸出電壓及非線性誤差大小。解：=V=可以采用全橋的方式，輸出電壓為單臂電橋的4倍，即4.92×10-3V2-7 在題2-6條件下，如果試件材質(zhì)為合金鋼，線膨脹系數(shù)bg = 11 ´ 106/，電阻應變片敏感柵材質(zhì)為康銅，其電阻溫度系數(shù)a = 15 ´ 106/，線膨漲系數(shù)bs = 14.9 ´ 106/。當

10、傳感器的環(huán)境溫度從10變化到50時，所引起的附加電阻相對變化量(DR/R )t為多少?折合成附加應變et為多少?解： =15×10-6+2（11×10-614.9×10-6）×40=2.88×10-6第三章思考題和習題參考答案3-1 根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？每種類型各有什么特點？各適用于什么場合？答：變極距型電容傳感器, 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20100pF之間，極板間距離在25200mm的范圍內(nèi)。最大位移應小于間距的1/10，故在微位移測量中應用最廣。變面積型電容式傳感器, 能夠進行力、位移和轉(zhuǎn)

11、角的測量。變介質(zhì)型電容式傳感器，變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結構形式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導電固體介質(zhì)的濕度。3-2 如何改善單極式變極距型傳感器的非線性？ 答：采用差動式結構即可大大降低非線性誤差。3-3 如圖3-7所示為電容式液位計測量原理圖。請為該測量裝置設計匹配測量電路，要求輸出電壓Uo與液位h之間呈線性關系。答：，C與h成線性關系，采用調(diào)頻式、運算放大器式和環(huán)形二極管充放電法皆可。3-4 有一個以空氣為介質(zhì)的變面積型平板電容傳感器，如圖3-5所示，其中a = 8mm，b = 12mm，兩極板間

12、距離為1mm。一塊板在原始位置上平移了5mm后，求該傳感器的位移靈敏度K（已知空氣相對介電常數(shù)e =1F/m，真空時的介電常數(shù)e0 = 8.854×10-12F/m）。 解：3-5 圖3-11為電容式傳感器的雙T電橋測量電路，已知R1=R2=R=40kW，RL=20kW。e=10V，f=1MHz，C1=10pF，C2=10pF，C1=1pF。求UL的表達式及對應上述已知參數(shù)的UL值。解：M=UL=U f M(C1C2)=10×1×106×2×10-12×V3-6 差動電容式傳感器接入變壓器交流電橋，當變壓

13、器二次側(cè)兩繞組電壓有效值均為U時，試推導電橋空載輸出電壓Uo與Cx1、Cx2的關系式。若采用變極距型電容傳感器，設初始截距均為d0，改變d后，求空載輸出電壓Uo與d的關系式。解：3-7 簡述差動式電容測厚傳感器系統(tǒng)的工作原理。 答：電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構成了兩個電容器C1、C2。把兩塊極板用導線連接起來成為一個極，而帶材就是電容的另一個極，其總電容為C1+C2，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來，經(jīng)過放大即可由電表指示測量結果。第4章

14、思考題及習題參考答案4.1 說明差動變磁阻式電感傳感器的主要組成、工作原理和基本特性。答：差動變隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈和磁路組成, 測量時, 銜鐵通過導桿與被測位移量相連, 當被測體上下移動時, 導桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動, 使兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等, 方向相反的變化, 導致一個線圈的電感量增加, 另一個線圈的電感量減小, 形成差動形式。差動式電感傳感器的結構要求兩個導磁體的幾何尺寸和材料完全相同、兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸等方面均應完全一致。差動式結構除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等影響也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差。4.2

15、已知變氣隙電感傳感器的鐵芯截面積S=1.5cm2，磁路長度L=20cm，相對磁導率1=5000，氣隙0=0.5cm，=±0.1mm，真空磁導率0=4×10-7H/m，線圈匝數(shù)W =3000，求單端式傳感器的靈敏度L/。若將其做成差動結構形式，靈敏度將如何變化？解：方法1：當銜鐵上移時，傳感器氣隙減小，即=0，則此時輸出電感為當/0<<1時（臺勞級數(shù)）：可求得電感增量L和相對增量L/L0的表達式，即對上式作線性處理，即忽略高次項后，可得單端式傳感器的靈敏度： 差動結構形式的靈敏度是單端式傳感器的靈敏度的2倍。方法2：單端式傳感器的靈敏度L/=169.56 差動結構

16、形式的靈敏度是單端式傳感器的靈敏度的2倍。4.3差動變壓器式傳感器的零點殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么？怎樣減小和消除它的影響？答：零點殘余電壓主要由基波和高次諧波組成?；óa(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對稱，導致它們產(chǎn)生的感應電勢幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應電勢都不能完全抵消。高次諧波中起主要作用的是三次諧波，其產(chǎn)生的原因是磁性材料磁化曲線的非線性(磁飽和、磁滯)。零點殘余電壓的克服辦法主要是提高次級兩繞組的對稱性(包括結構和匝數(shù)等)，另外輸出端用相敏檢測和采用電路補償方法，可以減小零點殘余電壓影響。4.4根據(jù)螺管型差動變壓器的基本特性，說

17、明其靈敏度和線性度的主要特點。答：差動變壓器的結構如圖所示，主要由一個初級線圈、兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。差動變壓器傳感器中的兩個次級線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下，當銜鐵位于中心位置時，兩個次級線圈感應電壓大小相等、方向相反，差動輸出電壓為零，但實際情況是差動變壓器輸出電壓往往并不等于零。差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點，造成實際特性與理論特性不完全一致，使傳感器的靈敏度降低，分辨率變差和測量誤差增大。4.5概述差動變壓器的應用范圍，并說明用差動變壓器式傳感器檢測振動的基本原理。答：差

18、動變壓器式傳感器可以直接用于位移測量，也可以測量與位移有關的任何機械量，如振動、加速度、應變、比重、張力和厚度等。圖為差動變壓器式加速度傳感器的原理結構示意圖。它由懸臂梁和差動變壓器構成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連，此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。當被測體帶動銜鐵以x(t)振動時，導致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。4.6什么叫電渦流效應？怎樣利用電渦流效應進行位移測量？答：根據(jù)法拉第電磁感應定律，塊狀金屬導體置于變化磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，金屬導體內(nèi)將會產(chǎn)生旋

19、渦狀的感應電流，該旋渦狀的感應電流稱為電渦流。電渦流位移計是根據(jù)高頻反射式渦流傳感器的基本原理制作的。電渦流位移計可以用來測量各種形狀試件的位移量，如圖所示，當被測物體的位置發(fā)生變化時，傳感器與金屬導體之間的距離發(fā)生改變，從而引起渦流的大小發(fā)生變化，傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z發(fā)生變化。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該物體位移的測量。4.7簡述電渦流式傳感器的工作原理、特性、和基本結構。答：根據(jù)電渦流效應原理制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。將一個通以正弦交變電流I1，頻率為f，外半徑為r的扁平線圈置于金屬導體附近，則線圈周圍空間將產(chǎn)生一個正弦交變磁場H1，使金

20、屬導體中感應電渦流I2，I2又產(chǎn)生一個與H1方向相反的交變磁場H2，由于磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。而電渦流效應既與被測體的電阻率、磁導率以及幾何形狀有關，還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f有關，同時還與線圈與導體間的距離x有關。如果保持上述其他參數(shù)不變，而只使其中一個參數(shù)發(fā)生變化，則傳感器線圈的阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。利用電渦流傳感器可以實現(xiàn)對位移、材料厚度、金屬表面溫度、應力、速度以及材料損傷等進行非接觸式的連續(xù)測量，并且這種測量方法具有靈敏度高、頻率響應范圍寬

21、、體積小等一系列優(yōu)點。4.8電渦流式傳感器測厚度的原理是什么？具有哪些特點？答：圖示的是應用高頻反射式電渦流傳感器檢測金屬帶材厚度的原理框圖。S1和S2與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。若帶材厚度不變，則被測帶材上、下表面之間的距離總有x1+x2=常數(shù)的關系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo，數(shù)值不變。如果被測帶材厚度改變量為d，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個d，兩傳感器輸出電壓此時為2Uo±U，U經(jīng)放大器放大后，通過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測帶材的厚度。高頻反射式電渦流測厚儀在帶材的上、下兩側(cè)對稱地設置了兩個特性完

22、全相同的渦流傳感器S1和S2，可以克服帶材不夠平整或運行過程中上、下波動的影響。第五章 思考題和習題參考答案一、答: 當晶體材料受到壓力或拉力作用而發(fā)生機械形變時，在其表面產(chǎn)生電荷；當去掉外力作用時，晶體表面電荷又消失，這一現(xiàn)象稱為壓電效應；當在晶體上加上交流電壓時，晶體材料將在某個方向上產(chǎn)生機械振動，即產(chǎn)生伸縮變形，這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應。二、答：石英晶體是單晶體，各向異性。晶體上產(chǎn)生電荷的極性與受力的方向有關；壓電陶瓷是一種人工合成的多晶體壓電材料。其內(nèi)部是由無數(shù)個細微的單晶組成的，每個晶粒具有一定的極化方向，壓電陶瓷要具有壓電效應，必須要有外加電場和壓力的共同作用。三、答：利用石英晶體或

23、壓電陶瓷材料的壓電效應制成的傳感器，叫壓電傳感器。壓電式傳感器具有結構簡單、體積小、重量輕、靈敏度高、工作可靠、測量范圍廣等特點。適用于動態(tài)力學的測量，但不適用于靜態(tài)測量。既可以將機械能轉(zhuǎn)換成電能，也可將電能轉(zhuǎn)換成機械能。它的主要用途：用于與力相關的動態(tài)參數(shù)的測量，如動態(tài)力、機械沖擊、振動等，它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。四、答：壓電式加速度傳感器主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。當傳感器與被測物體一起受到?jīng)_擊振動時，由于彈簧的剛度相當大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可認為質(zhì)量塊的慣性很小，因此，質(zhì)量塊與傳感器基座感受到相同的振動，并受到與加速度方向相反

24、的慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力為傳感器輸出的電荷與作用力成正比，即 因此，只要測得傳感器輸出的電荷量Q大小，即可知加速度的大小。第六章 思考題和習題參考答案一、答：因為磁電式傳感器是利用導體和磁場發(fā)生相對運動，而在導體兩端產(chǎn)生感應電動勢原理而制成的。它能將機械能轉(zhuǎn)換成電能，因此，它是一種有源傳感器。二、答：有恒磁通式和變磁通式兩種。兩種傳感器均是由工作線圈和磁體兩部分組成。（1）恒磁通式傳感器結構組成如圖所示（圖略）。當線圈和磁體兩部分發(fā)生相對運動時，線圈中便產(chǎn)生出感應電動勢。（2）變磁通式傳感器結構組成如圖所示（圖略）。在工作時，由于磁路的磁通大小不斷變化，線圈中便產(chǎn)生相應的感應

25、電動勢信號。三、答： 磁電式傳感器不需要供電電源，電感式傳感器需要電源電路，；磁電式傳感器可以直接把被測量轉(zhuǎn)換成電信號，電感式傳感器是先把被測量轉(zhuǎn)換成線圈的L或M的變化，然后通過測量電路再轉(zhuǎn)換成相應電信號；磁電式傳感器電路簡單，而電感式傳感器的電路較復雜。能夠測量位移、振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等。四、答：當載流導體或半導體處于與電流相垂直的磁場中時，在其兩端產(chǎn)生電壓，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應。它是由通電半導體簿片和磁場構成，主要用于電磁、壓力、加速度和振動方面的測量。五、答：與霍爾元件中的電流和磁場有關；由于霍爾元件多是用半導體材料制成的，所以霍爾電動勢受溫度影響較大。六、答：有位移、轉(zhuǎn)速、壓力、加速度等

26、。 霍爾元件在額定控制電流作用下，若元件不加外磁場，輸出的霍爾電壓的理想值應為零，但由于存在電極的不對稱、材料電阻率不均衡等因素，霍爾元件會輸出電壓，該電壓稱為不等位電壓U，其值與輸入電壓、電流成正比。U一般很小，不大于1mV.七、答：測量微位移、測量轉(zhuǎn)速、接近開關、構成金屬計數(shù)器等。第七章 思考題和習題參考答案7-1 光電效應有那幾種？相對應的光電器件各有哪些？答：外光電效應在光線的作用下，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?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽芎凸怆姳对龉艿?。內(nèi)光電效應在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應稱為內(nèi)光電效應。內(nèi)光電效應可以分為

27、一下兩大類：光電導效應，光生伏特效應?；趦?nèi)光電效應的器件有：光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏晶體管7-2 試述光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管和光電池的工作原理，在實際應用時各有什么特點？答：1、光敏電阻是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性，無光照時，光敏電阻阻值（暗電阻）很大，電路中的電流（暗電流）很小。光敏電阻具有光譜特性。光敏電阻的暗電阻阻值一般在兆歐數(shù)量級，亮電阻阻值在幾千歐以下。光敏電阻對紅外線敏感，適宜于紅外光譜區(qū)工作。2、 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管的結構與一般二極管相似。它裝在透明的玻璃外殼中，可以直接受到光的照射，光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，

28、當沒有光照射時，反向電流很??；當光線照射在PN結上，形成光電流。處于導通狀態(tài)。光敏晶體管發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電極就是反向偏壓，當光照射便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍，所以光敏晶體管具有放大作用。適合于開關狀態(tài)或位式信號的光電轉(zhuǎn)換。3、光電池光電池在有光線作用時實質(zhì)就是電源，光電池的工作原理是基于“光生伏特效應”。它實質(zhì)上是一個大面積的PN結，當光照射在PN結的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導體的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就會產(chǎn)生一對自由電子和

29、空穴，電子空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散，在結電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電動勢。光電池作為測量元件時，應把它當作電流源的形式來使用，不宜作電壓源。7-3 光電耦合器分為哪兩類？各有什么用途？光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。根據(jù)結構和用途不同，它又可以分為實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關。7-4 試述光電開關的工作原理（擬定光電開關用于自動裝配流水線上工作的計數(shù)裝置檢測系統(tǒng)）。光電開關是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關

30、”信號的器件。當不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時，會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣就起了檢測的作用。7-5 光在光纖中是怎樣傳輸?shù)?？對光纖及入射光的入射角有什么要求？光在光纖中的傳輸基于光的全內(nèi)反射。為滿足光在光纖內(nèi)全內(nèi)反射，光入射到光纖端面的入射角qi應滿足：7-6 光纖數(shù)值孔徑NA的物理意義是什么？對NA的取值大小有什么要求？數(shù)值孔徑（NA）：數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領的一個重要參數(shù)，即反映光纖接收光亮的多少。其意義是：無論光源的發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2C 的光椎角內(nèi)，光纖才能導光。第八章 思考題和習題答案8-1 超聲波在介質(zhì)中傳播具有哪些特性? 答：當超聲波由

31、一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同，在介質(zhì)界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，傳播方式有縱波、橫波和表面波，在不同介質(zhì)中傳播衰減也不同。8-2 超聲波物位測量有幾種方式?各有什么特點? 答：傳感器可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔任。超聲波發(fā)射和接收換能器可設置在液體介質(zhì)中，讓超聲波在液體介質(zhì)中傳播，由于超聲波在液體中的衰減比較小，所以即使發(fā)射的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰

32、減比較厲害。 8-3 簡述超聲波傳感器測量流量的工作原理，并推導出數(shù)學表達式。 答：超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，便可知道流體的流量。 如果在流體中設置兩個超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L，如圖8-6所示。如設順流方向的傳播時間為t1，逆流方向的傳播時間為t2，流體靜止時的超聲波傳播速度為c，流體流動速度為v，則一般來說，流體的流速遠小于超聲波在流體中的傳播速度，因此超聲波傳播時間差為流體的流速為： 8-4 已知超聲波傳感器垂直安裝在被測介質(zhì)底部，

33、超聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度為1460m/s，測得時間間隔為28ms，試求物位高度。解：h=第九章 思考題和習題參考答案9-1 簡述氣敏元件的工作原理，氣敏傳感器的組成。答：半導體氣敏傳感器一般由3部分組成：敏感元件、加熱器和外殼。半導體氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學吸附）。當半導體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力（氣體的吸附和滲透特性）時，吸附分子將從器件奪得電子而變成負離

34、子吸附，半導體表面呈現(xiàn)電荷層。從而使半導體的電阻阻值發(fā)生變化。9-2 為什么多數(shù)氣敏元件都附有加熱器?加熱方式有哪些？答：加熱器的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，從而提高器件的靈敏度和響應速度。加熱器的溫度一般控制在200400左右。加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種9-3 什么叫濕敏電阻?濕敏電阻有哪些類型?各有什么特點？答：濕敏電阻是指元件的阻值隨大氣中水蒸氣質(zhì)量的變化而變化的電阻。常用濕敏電阻有氯化鋰濕敏電阻、半導體陶瓷濕敏電阻。第十章 思考題和習題參考答案10-1 紅外探測器有哪些類型？說明它們的工作原理。答：紅外探測器的種類很多，按探測機理的不同，分為熱

35、探測器和光子探測器兩大類。熱探測器的工作機理是：利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使某些有關物理參數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。光子探測器的工作機理是：利用人射光輻射的光子流與探測器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現(xiàn)象這種現(xiàn)象稱為光子效應。10-2 什么是放射性同位素？輻射強度與什么有關系？答：具有相同的核電荷數(shù)Z而有不同的質(zhì)子數(shù)A的原子所構成的元素稱同位素。放出射線的同位素稱為放射性同位素。放射源的強度是隨著時間按指數(shù)定理而減低的，即 J=J0elt式中：J0開始時的放射源強度；J經(jīng)過時間為t以

36、后的放射源強度；l放射性衰變常數(shù)。10-3 試說明a、b、g射線的特性。答：a射線的電離效應、透射效應和散射效應都有應用，但以電離效應為主，用a 粒子來使氣體電離比其他輻射強得多。a 粒子的射程長度在空氣中為幾厘米到十幾厘米。b射線與a射線相比，透射能力大，電離作用小。與b射線相比，g射線的吸收系數(shù)小，它透過物質(zhì)的能力最大，在氣體中的射程為幾百米，并且能穿透幾十厘的固體物質(zhì)，其電離作用最小。10-4 試說明用b射線測量物體厚度的原理。答：在檢測中主要是根據(jù)b輻射吸收來測量材料的厚度、密度或重量，根據(jù)輻射的反射來測量覆蓋層的厚度，利用b粒子很大的電離能力來測量氣體流的。10-

37、5 如圖10-4所示的紅外線氣體分析儀中，什么要設置濾波氣室？答：設置了濾波氣室，其目的是為了消除干擾氣體對測量結果的影響。所謂干擾氣體，是指與被測氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體，如CO氣體和CO2在4mm5mm波段內(nèi)紅外吸收光譜有部分重疊，則CO2的存在對分析CO氣體帶來影響，這種影響稱為干擾。為此在測量邊和參比邊各設置了一個封有干擾氣體的濾波氣室，它能將與CO2氣體對應的紅外線吸收波段的能量全部吸收，因此左右兩邊吸收氣室的紅外能量之差只與被測氣體（如CO）的濃度有關。10-6 試用核輻射原理設計一個物體探傷儀，并說明其工作原理。答：可以利用穿透法也可以利用反射法，穿透法是根據(jù)射線穿透被

38、測工件后能量的變化狀況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。在探測中，當工件內(nèi)部無缺陷時，探測器接受的射線強，儀表指示值大，當工件內(nèi)部有缺陷時，因部分射線被吸收，探測器接受到的射線弱，儀表指示值小。第11章 思考題及習題參考答案11.1 微波傳感器有哪些特點？微波傳感器如何分類？答：微波具有下列特點：定向輻射的裝置容易制造；遇到各種障礙物易于反射；繞射能力差；傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、強光的影響很??；介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對微波的吸收作用最強。根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。11.2 微波無損檢測是如何進行測量的？答：微波無損檢測是綜合利用微

39、波與物質(zhì)的相互作用，一方面微波在不連續(xù)界面處會產(chǎn)生反射、散射、透射，另一方面微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用，此時的微波場會受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響，通過測量微波信號基本參數(shù)的改變即可達到檢測材料內(nèi)部缺陷的目的。11.3什么是熱電效應？熱電阻溫度傳感器和熱電偶各有何特點？答：將兩種不同材料的導體組成一個閉合回路，如圖所示。當兩個接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應。熱電偶傳感器是工業(yè)中使用最為普遍的接觸式測溫裝置。熱電偶具有性能穩(wěn)定、測溫范圍大、信號可以遠距離傳輸?shù)忍攸c，并且結構簡單、使用方便。熱電偶能夠?qū)崮苤苯愚D(zhuǎn)換為電信號，并且輸出直流電壓信號

40、，使得顯示、記錄和傳輸都很容易。熱電阻傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。鉑熱電阻的特點是在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下的物理化學性能穩(wěn)定，精度高、穩(wěn)定性好、電阻率較大、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)比鉑高，電阻與溫度的關系R-t曲線幾乎是線性的，并且銅價格便宜、易于提純、工藝性好。因此，在一些測量精度要求不高、測溫范圍不大且溫度較低的測溫場合，可采用銅熱電阻進行測溫。11.4為什么用熱電偶測溫時要進行冷端溫度補償？常用的補償方法有哪些？答：當熱電偶材料選定以后，熱電動勢只與熱端和冷端溫度有關

41、。因此只有當冷端溫度恒定時，熱電偶的熱電勢和熱端溫度才有單值的函數(shù)關系。此外熱電偶的分度表是以冷端溫度為0作為基準進行分度的，而在實際使用過程中，冷端溫度往往不為0，所以必須對冷端溫度進行處理，以消除冷端溫度的影響。對熱電偶冷端溫度進行處理的方法主要有冷端0恒溫法、補償導線法、補償電橋法和冷端溫度修正法。11.5用分度號為Pt100的鉑熱電阻測溫，當被測溫度分別為100和650時，求鉑熱電阻的阻值Rt1和Rt2分別為多大？答：查分度號為Pt100的鉑熱電阻分度表可知，當被測溫度分別為100和650時，鉑熱電阻的阻值Rt1和Rt2分別為60.25、329.51。11.6求用分度號為Cu100的銅

42、熱電阻測量50溫度時的銅熱電阻的阻值。答：查分度號為Cu100的銅熱電阻分度表可知，當被測溫度為50時，銅熱電阻的阻值為121.4。11.7用K型熱電偶(鎳鉻-鎳硅)測量爐溫，已知熱電偶冷端溫度為T0=30，EAB(30，0)=1.203mV，用電子電位差計測得EAB(T，30)37.724 mV。求爐溫T。解： EAB(T，0)=EAB(T，T0)EAB(T0，0) 37.7241.20338.927 mV查K型熱電偶(鎳鉻-鎳硅)分度表可知，爐溫T為940.311.8 光柵傳感器的組成及工作原理是什么？答：光柵是一種在基體上刻制有等間距均勻分布條紋的光學元件。光柵主要由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭

43、兩部分組成。讀數(shù)頭和標尺光柵之間有相對移動時，光柵上就會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這就是莫爾條紋。當光柵每移動一個光柵柵距W時，莫爾條紋也跟著移動一個條紋寬度BH，如果光柵作反向移動，條紋移動方向也相反。兩塊光柵相對移動時，從固定點觀察到莫爾條紋光強的變化近似為余弦波形變化，這種正弦波形的光強變化照射到光電元件上，即可轉(zhuǎn)換成電信號關于位置的正弦變化。光柵讀數(shù)頭實現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，為了辨別位移的方向，進一步提高測量的精度，以及實現(xiàn)數(shù)字顯示的目的，必須把光柵讀數(shù)頭的輸出信號送入數(shù)顯表作進一步的處理。11.9 什么是光柵的莫爾條紋？莫爾條紋是怎樣產(chǎn)生的？它具有什么特點？答：兩塊柵距相等的

44、光柵疊合在一起，并使它們的刻線之間的夾角為時，這時光柵上就會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這就是莫爾條紋。莫爾條紋的形成是由兩塊和光柵的遮光和透光效應形成的。莫爾條紋有如下幾個重要特性：消除光柵刻線的不均勻誤差位移的放大特性移動特性光強與位置關系11.10 試述光柵傳感器中莫爾條紋的辨向和細分的原理。答：圖示為辨向的工作原理和它的邏輯電路。在相隔BH/4的位置上安裝兩個光電元件，得到兩個相位差/2的電信號U01和U02，經(jīng)過整形后得到兩個方波信號U'01和U'02，從圖中波形的對應關系可以看出，在光柵向A方向移動時，U'01經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖(如圖中實線所示)正好發(fā)生在

45、U'02的“1”電平時，從而經(jīng)與門Y1輸出一個計數(shù)脈沖。而U'01經(jīng)反相微分后產(chǎn)生的脈沖(如圖中虛線所示)則與U'02的“0”電平相遇，與門Y2被阻塞，沒有脈沖輸出。在光柵作A方向移動時，U'01的微分脈沖發(fā)生在U'02為“0”電平時，故與門Y1無脈沖輸出；而U'01反相微分所產(chǎn)生的脈沖則發(fā)生在U'02的“1”電平時，與門Y2輸出一個計數(shù)脈沖。因此，U'02的電平狀態(tài)可作為與門的控制信號，來控制U'01所產(chǎn)生的脈沖輸出，從而就可以根據(jù)運動的方向正確地給出加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖。BB、A、A1、2光電元件 3指示光柵 4莫爾

46、條紋 光柵移動方向； 對應的莫爾條紋移動方向所謂細分，就是在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi)，發(fā)出若干個脈沖，以減小脈沖當量。細分方法有機械細分和電子細分兩類。電子細分法中常用的四倍頻細分法，這種細分法也是許多其它細分法的基礎。在上述辨向原理中可知，在相差BH/4位置上安裝兩個光電元件，得到兩個相位相差/2的電信號。若將這兩個信號反相就可以得到四個依次相差/2的信號，從而可以在移動一個柵距的周期內(nèi)得到四個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)四倍頻細分。11.11 二進制碼與循環(huán)碼各有何特點？說明它們相互轉(zhuǎn)換的原理？答：采用二進制編碼器時, 任何微小的制作誤差, 都可能造成讀數(shù)的粗誤差。循環(huán)碼是一種無權碼, 從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時, 僅有一位編碼發(fā)生變化。只要適當限制各碼道的制造誤差和安裝誤差, 不會產(chǎn)生粗誤差。按四位二進制碼與循環(huán)碼對照表, 可以找到循環(huán)碼和二進制碼之間的轉(zhuǎn)換關系為: Rn=CnRi=CiCi+111.12