傳感器技術與應用第3版習題答案

1、傳感器技術與應用第3版習題參考答案習題11. 什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？ 答：傳感器是能感受規(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。傳感器通常由敏感元件和轉換元件組成。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換成適于傳輸或測量的電信號部分。 2. 傳感器在自動測控系統(tǒng)中起什么作用？答：自動檢測和自動控制技術是人們對事物的規(guī)律定性了解、定量分析預期效果所從事的一系列技術措施。自動測控系統(tǒng)是完成這一系列技術措施之一的裝置。一個完整的自動測控系統(tǒng)，一般由傳感器、測量電路、顯示記錄裝置或調節(jié)執(zhí)行裝置、電源四部分

2、組成。傳感器的作用是對通常是非電量的原始信息進行精確可靠的捕獲和轉換為電量，提供給測量電路處理。3. 傳感器分類有哪幾種？各有什么優(yōu)、缺點？答：傳感器有許多分類方法，但常用的分類方法有兩種，一種是按被測輸入量來分，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器、轉矩傳感器等；另一種是按傳感器的工作原理來分，如電學式傳感器、磁學式傳感器、光電式傳感器、電勢型傳感器、電荷傳感器、半導體傳感器、諧振式傳感器、電化學式傳感器等。還有按能量的關系分類，即將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器；按輸出信號的性質分類，即將傳感器分為模擬式傳感器和數字式傳感器。按

3、被測輸入量分類的優(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；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，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。按工作原理分類的優(yōu)點是對傳感器的工作原理比較清楚，有利于專業(yè)人員對傳感器的深入研究分析；缺點是不便于使用者根據用途選用。4. 什么是傳感器的靜態(tài)特性？它由哪些技術指標描述？答：傳感器測量靜態(tài)量時表現的輸入、輸出量的對應關系為靜態(tài)特性。它有線性度、靈敏度、重復性、遲滯現象、分辨力、穩(wěn)定性、漂移等技術指標。 5. 為什么傳感器要有良好的動態(tài)特性？什么是階躍響應法和頻率響應法？ 答：在動態(tài)（快速變化）的輸入信號情況下，要求傳感器能迅速準

4、確地響應和再現被測信號的變化。因此，需要傳感器具有良好的動態(tài)特性。測試和檢驗傳感器的動態(tài)特性有瞬態(tài)響應法和頻率響應法。階躍響應法即瞬態(tài)響應法，是給傳感器輸入一個單位階躍函數的被測量，測量其輸出特性。動態(tài)特性優(yōu)良的傳感器的輸出特性應該上升沿陡，頂部平直。頻率響應法是給傳感器輸入各種頻率不同而幅值相同，初相位為零的正弦函數的被測量，測量其輸出的正弦函數輸出量的幅值和相位與頻率的關系。動態(tài)特性優(yōu)良的傳感器，輸出的正弦函數輸出量的幅值對于各頻率是相同的，相位與各頻率成線性關系。6. 傳感器的性能指標有哪些？設計、制造傳感器時應如何考慮？試舉例說明？答：傳感器有基本參數指標，例如量程、靈敏度、精度以及動

5、態(tài)特性的頻率特性、上升時間、過沖量等；有環(huán)境參數指標，例如溫度、氣壓、濕度等；有可靠性指標，例如壽命、平均無故障時間、絕緣電阻、耐壓等；還有供電方式、外形尺寸、重量、安裝方式等性能指標。在設計、制造傳感器時應根據實際的需要與可能，在確保主要性能指標實現的基礎上，放寬對次要性能指標的要求，以求得高的性能價格比。例如：測量體溫的溫度表用的是水銀材料（精度高，水銀低溫時要凍結），而家庭使用測量室內溫度的溫度計用的是染色酒精（低溫時不凍結，價格便宜）。習題21. 用K型（鎳鉻鎳硅）熱電偶測量爐溫時，自由端溫度t0=30，由電子電位差計測得熱電勢E(t,30)=37.724mV，求爐溫t。答：參考端（自

6、由端）溫度t0=30，由分度表2-1可查得 E(30,0)=1.203mv，若測得熱電勢E(t,30)= 37.724mv，則可得E(t,0)=E(t,30+E(30,0)= 37.724+1.203=38.927mv再查分度表可知爐溫t=940。2. 熱電偶主要分幾種類型，各有何特點。我國統(tǒng)一設計型熱電偶有哪幾種？答：熱電偶主要分普通型熱電偶、鎧裝熱電偶和薄膜熱電偶。普通型熱電偶由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成，是工業(yè)測量上應用最多的熱電偶；鎧裝熱電偶耐高壓、反應時間短、堅固耐用；薄膜熱電偶適用于各種表面溫度的測量。我國指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電

7、偶。3. 利用分度號Pt100鉑電阻測溫，求測量溫度分別為t1=-100和t2=650的鉑電阻Rt1、Rt2值。答：在-100鉑電阻的電阻溫度特性方程為： Rt=RO1+At+Bt2+Ct3(t-100)將R0=100、t1=-100、A= 3.9684×10-3/、B= -5.847×10-7/2、C= -4.22×10-12/4代入，可計算得到Rt=10013.9684×10-3×（-100）（-5.847×10-7）×（-100）2（-4.22×10-12）×（-100）3×（-10010

8、0）59.6在+650鉑電阻的電阻溫度特性方程為： Rt=RO(1+At+Bt2)將R0=100、t2=650、A= 3.9684×10-3/、B= -5.847×10-7/2代入，可計算得到Rt=100（13.9684×10-3×650-5.847×10-7×6502）3334. 利用分度號Cu100的銅電阻測溫，當被測溫度為50時,問此時銅電阻Rt值為多大？答： RtR0(1+t) R0為溫度為0時銅電阻值，Cu100為100，1為常數；1=4.28×10-3 -1。代入算得 Rt100×（14.28×

9、;10-3×50）121.45. 畫出用四個熱電偶共用一臺儀表分別測量T1、T2、T3和T4的測溫電路。若用四個熱電偶共用一臺儀表測量T1、T2、T3和T4的平均溫度，電路又應怎樣連接？答：（1）四個熱電偶分別接電子開關，再接同一臺測量儀表，通過選通電子開關的辦法，實現分別測量T1、T2、T3和T4的溫度。（電子開關可以采用DG801802超導通電阻（最大導通電阻為0.4）電子開關， S端輸入，D端輸出，C端高電平時選通。）（2）四個熱電偶并聯再接測量儀表，可以實現共用一臺儀表測量T1、T2、T3和T4的平均溫度。圖略，可參照圖212。6. 硅二極管測溫電路，如圖2-25所示。當被測

10、溫度t為30時，輸出電壓為5V，當輸出電壓為10V時，問被測溫度為多大？答：溫度每變化1，輸出電壓變化量為0.1V。輸出電壓為10V時，被測溫度為80。7. 利用如圖2-28所示集成溫度傳感器測量溫度，如果被測溫度為30時，輸出電壓為303mV，問被測溫度為120時，輸出電壓UR為多大？答：溫度每變化1，輸出電壓變化量為1mV（每1度K與每1相同）。被測溫度為120時，輸出電壓UR為303mV90mV，即393mV。8. 分析圖2-29所示熱電偶參考端溫度補償電路工作原理。答：集成溫度傳感器AD590應緊貼熱電偶參考端，處于同一溫度下。AD580是一個三端穩(wěn)壓器，提供穩(wěn)定輸出電壓U0=2.5V

11、。電路工作時，調整電阻R2使得集成溫度傳感器AD590的隨溫度變化的輸出電流的I1分量為 I1=t0×10-3I1的單位是mA，即1AK的電流。這樣在電阻R1上產生一個隨參考端溫度t0變化的補償電壓U1=I1R1。選擇R1使U1與EAB（t0,0）近似相等。U1與熱電偶輸出電壓EAB（t, t0）串聯相加后輸入測量儀表，起參考端溫度補償作用，測量儀表顯示的為實際測量溫度值。9. 正溫度系數熱敏電阻和負溫度系數熱敏電阻各有什么特性？各有哪些用途？哪一種熱敏電阻可以做“可恢復熔絲”？答：正溫度系數熱敏電阻隨溫度升高阻值增大，阻值隨溫度的變化有線性型和突變型。負溫度系數熱敏電阻隨溫度升高阻

12、值降低，阻值隨溫度的變化有突變型和負指數型。 線性型正溫度系數熱敏電阻和負指數型負溫度系數熱敏電阻適用于溫度測量。突變型正溫度系數熱敏電阻和突變型負溫度系數熱敏電阻適用于溫控開關和溫度保護電路。突變型正溫度系數熱敏電阻可以做“可恢復熔絲”。溫度升高到突變值，電阻陡然升高，相當于保險絲熔斷。當溫度降低時，電阻陡然變小，相當于保險絲又恢復接通了。10. 參照冰箱熱敏電阻溫控電路，用熱水器專用溫度傳感器設計熱水器溫度控制電路？答：如圖，溫度降低到一定值，繼電器K接通，電加熱器加熱。溫度升高到一定值，繼電器K斷開，電加熱器停止加熱。習題31. 彈性敏感元件的作用是什么？有哪些彈性敏感元件？如何使用？答

13、：彈性敏感元件把力或壓力轉換成了應變或位移，然后再由傳感器將應變或位移轉換成電信號。有變換力的彈性敏感元件，例如等截面柱式、圓環(huán)式、等截面薄板、懸臂梁及軸狀等結構。有變換壓力的彈性敏感元件，例如彈簧管、波紋管、波紋膜片、膜盒和薄壁圓筒等，它可以把流體產生的壓力變換成位移量輸出。應仔細分清不同彈性敏感元件的性能，根據測量物理量的性質、大小、測量條件和測量精度，選用合適的彈性敏感元件。2. 電阻應變片是根據什么基本原理來測量應力的？簡述圖3-9所示不同類型應變片傳感器的特點。答：電阻應變片是把導體的機械應變轉換成電阻應變，通過電阻測量來測量所受的應力。金屬電阻應變片分體型和薄膜型。屬于體型的有電阻

14、絲柵應變片、箔式應變片、應變花等。圖3-9所示絲繞式應變片粘貼性能好，能保證有效地傳遞變形，性能穩(wěn)定，且可制成滿足高溫、強磁場、核輻射等特殊條件使用的應變片。缺點是U型應變片的圓弧型彎曲段呈現橫向效應，H型應變片因焊點過多，可靠性下降。箔式應變片優(yōu)點是粘合情況好、散熱能力較強、輸出功率較大、靈敏度高等。在工藝上可按需要制成任意形狀，易于大量生產，成本低廉。半導體應變片靈敏系數大、機械滯后小、頻率響應快、阻值范圍寬（可從幾歐幾十千歐），易于做成小型和超小型；但熱穩(wěn)定性差，測量誤差較大。3. 圖3-11（d）為應變片全橋測量電路，試推導其輸出電壓U0表達式。答：圖3-11（d）是四個橋臂均為測量片

15、的電路，且互為補償，有應變時，必須使相鄰兩個橋臂上的應變片一個受拉，另一個受壓?？梢杂嬎爿敵鲭妷簽?4. 利用圖3-12分析石英晶體的壓電效應。答：當在X軸向施加壓力時，如圖3-12（b）所示，各晶格上的帶電粒子均產生相對位移，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軸向施加拉伸力時，如圖3-12(c)所示，晶格上的粒子均沿X軸向外產生位移，但硅離子和氧離子向外位移大，正負電荷中心拉開，B面呈現負電荷，A面呈現正電荷。在Y方向施加壓力時，如圖3-12（d）所示，晶格離子沿Y軸被向內壓縮， A面呈現正電荷，B面呈現負電荷。沿Y軸施加拉伸力時，如圖3-

16、12（e）所示,晶格離子在Y向被拉長，X向縮短，B面呈現正電荷，A面呈現負電荷。5. MPX4100A型集成硅壓力傳感器由哪幾部分電路組成？單晶硅壓電傳感器單元是如何工作的？為什么需要加溫度補償和放大電路？答：MPX4100A型集成硅壓力傳感器由3部分電路組成，它們是單晶硅壓電傳感器單元，薄膜溫度補償器和第一級放大器，第二級放大器和模擬電壓輸出電路。單晶硅壓電傳感器單元受到垂直方向上的壓力p時，該壓力進入熱塑殼體，作用于單晶硅壓電傳感器管芯，與密封真空室的參考壓力相比較，使輸出電壓大小與壓力p成正比。該電壓經A/D轉換成數字量后，可由微處理器計算出被測壓力值。 單晶硅壓電傳感器本身的內阻比較大

17、，而輸出能量又比較小，且隨溫度的變化比較大，所以，通常需要加溫度補償和放大電路。6. 壓電元件在使用時常采用多片串聯或并聯的結構形式。試問不同接法輸出電壓、電流或電荷有什么不同？它們分別適合哪一種應用場合？答：以2片壓電元件串、并聯為例。壓電元件2片串聯時，輸出電容為單片的一半，輸出電壓為單片的一倍，極板上電荷量不變。壓電元件2片并聯時，輸出電容為單片的一倍，輸出電壓與單片相同，極板上電荷量增加一倍。串聯接法輸出電壓高，適用于以電壓作為輸出量，測量電路輸入阻抗大的場合。并聯接法輸出電荷量大，輸出電容大，時間常數大，適用于測量緩變信號和以電荷作為輸出量，以及測量電路輸入阻抗較小的場合。7. 電容

18、式傳感器分幾種類型？各有什么特點？適用于什么場合？答：平行板電容器的和S不變，只改變電容器兩極板間距離d，為變極距型電容傳感器，電容變化與d的關系是線性的，常用于壓力、加速度、振動的測量。改變電容器極板面積S，為變面積型電容傳感器，電容變化是線性的，靈敏度為常數，常用于作用力、角度、長度位移的測量。改變電容器的，為變介電常數型電容傳感器，電容變化與介質進入電容器的長度x的關系是線性的，常用于作用力、位移、成分含量的測量。8. 已知變面積型電容式傳感器兩極板間距離為10mm，介電常數50Fm，兩極板幾何尺寸一樣，為30 mm×20 mm×5 mm，在外力作用下，動極板向外移動

19、了10 mm，試求電容量變化C和靈敏度Kx。答：a30 mm，b20 mm，d10 mm，x10 mm，50Fm?？梢杂嬎?C0abd3000F10003F， 電容量變化Cx C0a1F， 靈敏度Kxbd100Fm。9. 利用圖3-22分析差動式電容傳感器提高靈敏度的原理。答：差動式電容傳感器中間電極不受外力作用時，由于d1=d2=d0,所以C1=C2，則兩電容差值C1-C2=0。中間電極若受力向上位移d，則C1容量增加，C2容量減小，兩電容差值為 可見，電容傳感器做成差動型后之后，靈敏度提高一倍。10. 如圖3-29所示交流電橋測量電路，靜態(tài)時，Z1=Z2，電感量都是100mH，u0=0V；

20、動態(tài)時，電感最大變化量L=10mH，若uAC=2sint(V)時，求動態(tài)最大輸出電壓Uo。答： L0100mH，L=10mH，UAC2V，動態(tài)最大輸出電壓UOL UACL00.2 （V）瞬時量u0=0.2sint (V) 11. 差動變隙式電感傳感器是如何工作的？差動變壓器式傳感器又是如何工作的？兩種電感傳感器工作原理有什么異同？答：閉磁路式自感傳感器電感量L為：當銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小，則線圈電感變化為： 電感的相對變化為： 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，當銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小，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，一個

21、線圈的電感量減小，形成差動工作形式，使靈敏度提高一倍。差動變壓器式傳感器有多種型式，螺線管式差動變壓器由初級線圈、兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。初級線圈輸入激勵電壓，兩個次級線圈感應的輸出電壓反相串聯后輸出。圓柱形鐵芯受外力移動時，輸出電壓變化，可測位移方向和距離。差動變隙式電感傳感器是位移產生磁阻變化，造成自感量的變化，差動變壓器式傳感器是位移產生磁阻變化，造成互感量的變化。最后都要轉換為電壓輸出進行測量。12. 如何用兩個測力單元（重力傳感器）組成加速度傳感器？如何用加速度傳感器測物體的垂直運動加速度和水平運動加速度？答：測力單元為差動式結構的變極距電容傳感器。上下兩塊極板

22、a、b為固定極板，與加速度傳感器殼體固定成一體。中間極板c是活動的，與活動框連成一體，經彈簧錨定在殼體上，組成加速度傳感器。加速度會使中間極板c向一個固定極板運動，從而使電容變化。測出變化量，即可測出加速度。加速度傳感器殼體可以水平方向固定在被測設備上，測被測設備的水平方向加速度；也可以豎直方向固定在被測設備上，測被測設備的豎直方向加速度（重力加速度以外）或靜止時受到地球引力（重力）。單軸加速度傳感器的兩個測力單元是同方向的，兩個測力單元電容變化相疊加，可增加輸出信號強度。雙軸加速度傳感器的兩個測力單元分別為X和Y方向，兩個測力單元電容變化量相減，不僅可以測出加速度或靜止時地球引力的大小，還可

23、以測出方向。13. 試用ADXL320雙軸加速度傳感器設計一個手機跌落關機保護電路。答：跌落（失重）狀態(tài)，ADXL320雙軸加速度傳感器的Xout和Yout輸出端的輸出都是1.500V，送入運算放大器比較器進行比較，輸出為0V。將其作為觸發(fā)信號，送入微處理器，觸發(fā)運行關機程序，進行關機。14. 手機和平板電腦的重力感應屏幕橫豎顯示方向轉換是如何實現的？答：采用ADXL320雙軸加速度傳感器。當人們縱向（X方向）拿著手機或平板電腦時，XOUT端口和YOUT端口輸出電壓為XOUT1.500V， YOUT1.326V。分別接比較器A的正相輸入端和反相輸入端。比較器A輸出高電平，送入微處理器，控制掃描

24、電路進行X方向掃描和信號顯示。當人們將拿著的手機或平板電腦轉為橫向（Y方向）時，XOUT端口和YOUT端口輸出電壓變?yōu)閄OUT1.326V， YOUT1.500V。比較器A輸出變?yōu)榈碗娖?，送入微處理器。微處理器控制掃描電路改為Y方向掃描和信號顯示。習題41. 光電效應有哪幾種？與之對應的光電元件有哪些？請簡述其特點。答：通常把光電效應分為三類：外光電效應，內光電效應和光生伏特效應。根據這些光電效應可制成不同的光電轉換器件（光電元件），如：光電管，光電倍增管，光敏電阻，光敏晶體管，光電池等。光電管的金屬陽極A和陰極K封裝在一個玻璃殼內，當入射光照射在陰極上時，從陰極表面溢出的電子被具有正向電壓的

25、陽極所吸引，在光電管中形成電流，稱為光電流。光電流I正比于光電子數，而光電子數又正比于光通量。光電倍增管的陰極和陽極間設置許多二次發(fā)射電極D1、D2、D3、，光電倍增管陽極得到的光電流比普通光電管大倍，因此光電倍增管靈敏度極高。光敏電阻受到光照時，電阻率變小。光照愈強，阻值愈低。入射光消失，電子-空穴對逐漸復合，電子也逐漸恢復原值。光敏晶體管有兩個PN結，從而可以獲得電流增益。光線通過透明窗口落在集電結上，在集電結附近產生電子-空穴對，大部分的電子穿越基區(qū)流向集電區(qū)，集電極電流IC是原始光電流的倍，靈敏度高。光電池基于光生伏特效應。當光照射在光電池上時，可以直接輸出電動勢及光電流。2. 光電傳

26、感器可分為那幾類，請分別舉出幾個例子加以說明。答：利用光電效應可制成了各種光電轉換器件，即光電式傳感器。眾多的光電傳感器中，最為成熟且應用最廣的是可見光和近紅外光傳感器，熱釋電傳感器屬于中、遠紅外線傳感器，光纖傳感器屬于傳光型傳感器。光電傳感器的應用類型有兩類。一類是模擬量光電傳感器，一類是開關量光電傳感器。模擬量光電傳感器有光輻射檢測型，例如光電比色高溫計；光透射檢測型，例如液體、氣體渾濁度計；光反射檢測型，例如物體表面光潔度計。開關量光電傳感器有穩(wěn)定的“通”、“斷”狀態(tài)，例如長度、厚度測量儀，轉速表，繼電器開關等。3. 某光電開關電路如圖4-40（a）所示，施密特觸發(fā)反相器CD40106的

27、輸出特性如圖4-40（b）所示。1）請分析該電路的工作原理；答：無光照時，光敏二極管VD1不導通，IC1的1端低電平， 2端輸出高電平，晶體管VT1導通，繼電器得電流吸合，將外接電路接通。有光照時，光敏二極管導通，IC1的1端高電平， 2端輸出低電平，晶體管VT1截止，繼電器無電流釋放，將外接電路斷開。2）列表說明各元件的作用；答：元件作用元件作用VD1光敏二極管IC1施密特觸發(fā)反相器VD2繼電器反向感應電動勢泄流R2隔離降壓電阻R1向IC1提供輸入電壓K繼電器RP調節(jié)向IC1輸入電壓大小VT1繼電器導通激勵晶體管3）光照從小到大逐漸增加時，繼電器K的狀態(tài)如何改變？反之當光照由大變小時繼電器的

28、狀態(tài)如何改變？答：光照從小到大逐漸增加時，繼電器由吸合狀態(tài)滯后一段時間再變化到釋放狀態(tài)；當光照由大逐漸變小時，繼電器由釋放狀態(tài)滯后一段時間再變化到吸合狀態(tài)。滯后狀態(tài)形成回差，保證了繼電器不會在光照閾值點來回反復吸合和釋放。 （a） （b） 圖4 40 光電開關電路及特性（a）電路； （b) CD40106的輸出特性4. 某光敏晶體管在強光照時的光電流為2.5mA，選用的繼電器吸合電流為50mA，直流電阻為200?，F欲設計兩個簡單的光電開關，其中一個是有強光照時繼電器吸合，另一個相反，是有強光照時繼電器釋放。請分別畫出兩個光電開關的電路圖（只允許采用普通晶體管放大光電流），并標出電源極性及選用的

29、電壓值。 答： （a）強光照時繼電器吸合 （b）強光照時繼電器釋放圖（a）R1和RP共約300，圖（b）R1約5k，R2和RP共約1k。5. 造紙工業(yè)中經常需要測量紙張的“白度”以提高產品質量，請你設計一個自動檢測紙張“白度”的測量儀，要求：（1） 畫出傳感器簡圖；（2） 畫出測量電路簡圖；（3） 簡要說明其工作原理。答：如圖所示，光源照射白紙，反射光照射到光電池上，產生光生電動勢輸出，光生電動勢大小與白紙反射光強度有關，反射光強度又與白紙的白度有關。該光生電動勢經運算放大器放大后輸出到測量儀表，或再經AD轉換后輸入計算機，測出白紙的白度。其測量的精度需用精確的白度儀進行校準。6. 在物理學中

30、，與重力加速度g有關的公式為s=0t+gt2/2，式中0為落體初速度，t為落體經設定距離s所花的時間。請根據上式，設計一臺測量重力加速度g的教學儀器，要求同第5題（提示：0可用落體通過一小段路程s0的平均速度0代替）。答：如圖所示。圖中1、5為RS觸發(fā)器，2、6為高頻脈沖發(fā)生器，3、7為計數器，4、8為計算顯示器。當物體自上向下自由落體時，首先遮斷光源LEDA的光線，光敏二極管VDA輸出低電平，觸發(fā)RS觸發(fā)器，使其Q端置“1”，與非門打開，高頻脈沖可以通過，計數器3開始計數。當物體經過已知高度h1而遮擋 光源LEDB時，光敏二極管VDB輸出低電平，RS觸發(fā)器Q端置“0”，與非門關閉，高頻脈沖不

31、能通過，計數器3停止計數。設高頻脈沖的頻率f =1MHz，周期T=1s，若計數器所計脈沖數為n ，則可計算出物體通過已知高度h1所經歷的時間為t1 =nT =ns ，則物體下落的平均速度為 V=h1/nT該平均速度近似作為自由落體的初速，由計算顯示器4計算后輸入計算顯示器8備用。物體繼續(xù)向下自由落體，計數器7以同樣的辦法所計脈沖數為m, 可計算出物體通過已知高度h2所經歷的時間為t2 =mT =ms。計算顯示器8根據h2、t2、V和公式 h2Vt2gt22/2可計算得到重力加速度g。7. 標準化考試，學生用2B鉛筆填涂答題卡，由機器閱卷評分。答題卡機器光電頭首先將正確答題卡填涂信息錄入到答題卡

32、機器軟件系統(tǒng)，然后將需要閱讀的答題卡用光電頭錄入，與正確答題卡填涂信息對比，給出得分。試用學過的光電式傳感器知識，設計一答題卡機器方案，畫出框圖。答：OMR 光標閱讀器，如圖。光標閱讀器由機械傳動部分、光電傳感器部分和微處理器部分組成。一般可閱讀16開、32開和64開信息卡（答題卡）。信息卡邊緣有定位同步帶線。閱讀速度一般2張秒。機械傳動部分包括電動機、電機驅動、分紙機構和變速機構。光電傳感器部分包括多個（例如43個）紅外發(fā)光二極管和同樣數量的光敏二極管，組成一個線型陳列。微處理器包括A/D轉換器、CPU、RAM、EPROM、鍵盤和顯示器，通過USB接口與PC機通信。光標閱讀器組成框圖如圖所示

33、。8. 光耦合器有哪幾種結構？能做哪些用途？光耦合器在插卡式電源開關中起什么作用？答：光耦合器有窄縫透射式，可用于片狀遮擋物體的位置檢測，或碼盤閱讀、轉速測量中；有反射式，可用于反光體的位置檢測，對被測物不限制厚度；有全封閉式，用于前后級電路的隔離。插卡式電源開關中，光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。住宿卡插入光斷路器的凹槽內，正好擋住光線，光敏晶體管截止，光斷路器輸出高電平，使VT1和VT2導通，繼電器K工作，接通房間內的總電源。住宿人員外出，取走住宿卡，光線無阻擋，光敏晶體管導通，光斷路器輸出低電平，使VT1截止。C3起延時作用，其充的電放完后，VT2截止，繼電器K斷開，切斷房間總電源

34、。 習題51. CCD的MOS電容器陣列是如何將光照射轉換為電信號并轉移輸出的？答：每一個MOS電容器實際上就是一個光敏元件，假定半導體襯底是P型硅，當光照射到MOS電容器的P型硅襯底上時，會產生電子空穴對（光生電荷），電子被柵極吸引存儲在陷阱中。入射光強，則光生電荷多，入射光弱，則光生電荷少。無光照的MOS電容器則無光生電荷。這樣把光的強弱變成與其成比例的電荷的多少，實現了光電轉換。若停止光照，由于陷阱的作用，電荷在一定時間內也不會消失，可實現對光照的記憶。一個個的MOS電容器可以被設計排列成一條直線，稱為線陣；也可以排列成二維平面，稱為面陣。每一個光敏元件（像素）對應有三個相鄰的柵電極1、

35、2、3，在時序脈沖的作用下，三個相鄰的柵電極依此為高電平，將電極1下的電荷依此吸引轉移到電極3下。再從電極3下吸引轉移到下一組柵電極的電極1。到整個一行的各像素都傳送完，在CCD的末端就能依次接收到原存儲在各個MOS電容器中的電荷。完成一行像素傳送后，再進行第二行像素的傳送，直到傳送完整個面陣上所有行的MOS電容器中的電荷為止，完成一幀像素的傳送。2. CCD圖像傳感器上使用光敏元件與移位寄存器分離式的結構有什么優(yōu)點？答：合而為一的結構，稱為光積蓄式結構。這種結構最簡單，但是因光生電荷的積蓄時間比轉移時間長得多，所以再生圖像往往產生“拖尾”，圖像容易模糊不清。分離式結構采用光敏二極管陣列作為感

36、光元件，光敏二極管在受到光照時，便產生相應于入射光量的電荷，再經過電注入法將這些電荷引入CCD電容器陣列的陷阱中，便成為用光敏二極管感光的CCD圖像傳感器。它的靈敏度極高，在低照度下也能獲得清晰的圖像，在強光下也不會燒傷感光面。3. 舉例說明CCD圖像傳感器的用途。答：攝像機、照相機、監(jiān)視器、圖像分析儀、物體形狀檢測儀、掃描儀、腸胃鏡、液體濃度分析儀等。4. CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器有什么不同？各有什么優(yōu)缺點？答：CCD圖像傳感器是MOS電容器組成的陣列，CMOS圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的互補型金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）組成的陣列。互補型金屬氧化物半導體場效應管（M

37、OSFET）如下圖所示。它是把與CMOS型放大器源極相連的P型半導體襯底充當光電變換器的感光部分。當CMOS型放大器的柵源電壓時，CMOS型放大器處于關閉狀態(tài)，即，CMOS型放大器的P型襯底受光信號照射產生并積蓄光生電荷，當積蓄過程結束，柵源之間加上開啟電壓時，源極通過漏極負載電阻對外接電容充電形成電流即為光信號轉換為電信號的輸出。5. CCD彩色圖像傳感器在數碼相機中起什么作用？數碼相機存儲卡上存儲的是什么信號？答：變化的外界景物通過鏡頭照射到CCD彩色圖像傳感器上，當感覺滿意的圖像出現時，可由取景器電路發(fā)出信號鎖定，再由CCD彩色圖像傳感器轉換為串行模擬脈沖信號輸出。該串行模擬脈沖信號由放

38、大器放大，再由A/D轉換器轉換為數字信號，經ASIC集成電路壓縮后，存儲在PCMCIA卡（個人電腦存儲卡國際接口標準）上。數碼相機存儲卡上存儲的是經ASIC集成電路壓縮后的外界景物的數字信號。 6. 平板電腦和手機的攝像頭為什么一般都采用CMOS彩色圖像傳感器？CMOS圖像傳感器采用什么方法提高低光照環(huán)境下的清晰度？答：CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電。CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右。平板電腦和手機要延長電池充電后的使用時間，必須要盡可能省電。所以其攝像頭一般都采用CMOS彩色圖像傳感器。新型背照式CMOS是將傳統(tǒng)CMOS表面的電子電路布線層移到感光面的背部，使感光面前移

39、接近微型透鏡，能獲得約兩倍于傳統(tǒng)正照式CMOS的光通量，從而使CMOS傳感器可在低光照環(huán)境下、夜視環(huán)境下使用，低光照對焦能力也大大提高。習題61. 什么是霍爾效應？霍爾電壓與哪些因素有關？答：在置于磁場中的導體或半導體內通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現一個電勢差，這種現象稱為霍爾效應。利用霍爾效應制成的元件稱為霍爾傳感器。1）霍爾電壓UH大小與材料的性質有關。2）霍爾電壓UH與元件的尺寸關系很大，生產元件時要考慮到：3）霍爾電壓UH與控制電流及磁場強度有關。2. 霍爾器件由什么材料構成？為什么用這些材料？答：由霍爾電壓公式 設 ，得 式中，RH為霍爾系數，反映材

40、料霍爾效應的強弱；KH為霍爾靈敏度，表示一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應強度時產生的霍爾電壓的大小。一般來說，金屬材料電子濃度n較大，導致和變小，故不宜做霍爾元件。霍爾元件一般采用N型半導體材料。3. 霍爾器件有哪些指標？使用時應注意什么？答： 輸入電阻RIN和輸出電阻ROUT，要與電路匹配。額定控制電流IC，不能超過。不等位電勢U0，要注意消除測量誤差?；魻栯妷篣H，要符合測量要求?；魻栯妷旱臏囟忍匦?，注意消除溫度造成的測量誤差。4. 什么是磁阻效應，產生的原因是什么？答：當霍爾元件受到與電流方向垂直的磁場作用時，會出現半導體電阻率增大的現象，這種現象稱為磁阻效應。利用磁阻效應做成的電

41、路元件，叫做磁阻元件。產生的原因是當磁場垂直作用在磁阻元件表面上時，由于霍爾效應，使得電流密度矢量偏移電場方向某個霍爾角，這使電流流通的途徑變長，導致磁阻元件兩端金屬電極間的電阻值增大。5. 闡述磁敏二極管的工作原理。答：磁敏二極管是平面P+-i-N+型結構的二極管。在電路連接時，P+區(qū)接正電壓，N+區(qū)接負電壓， P+區(qū)向i區(qū)注入空穴，N+區(qū)向i 區(qū)注入電子。在沒有外加磁場情況下，大部分的空穴和電子分別流入N區(qū)和P 區(qū)而產生電流，只有很少部分載流子在r區(qū)復合。若給磁敏二極管上加一個正向磁場，空穴和電子受洛侖茲力的作用偏向r區(qū)，由于空穴和電子在r區(qū)的復合速率大，載流子數量減少，使i區(qū)的電阻增大，

42、壓降也增大，正向電流減小。若給磁敏二極管上加一個反向磁場，載流子在洛侖磁力的作用力下，均偏離復合區(qū)r，結果與加正向磁場時的情況恰好相反，載流子數量增加，正向電流增大，電阻減小。6. 新型的磁傳感器有哪些？工作原理如何？答：磁阻元件將磁信息轉換成電阻變化，具有阻抗低、阻值隨磁場變化率大、非接觸式測量、頻率響應好、動態(tài)范圍廣及噪聲小等特點，可廣泛應用于無觸點開關、壓力開關、旋轉編碼器、角度傳感器、轉速傳感器等場合。磁敏二極管、磁敏晶體管可以將磁信息轉換成電信號，具有體積小、靈敏度高、響應快、無觸點、輸出功率大及性能穩(wěn)定等特點。它可廣泛應用于磁場的檢測、磁力探傷、轉速測量、位移測量、電流測量、無觸點

43、開關、無刷直流電機等許多領域。7. 分析圖6-16所示霍爾計數裝置的工作原理。答：鋼球為鐵磁性材料，鋼球到達，磁場增強，霍爾開關集成傳感器UGN3020在增強磁場的作用下，輸出霍爾電壓增大為高電平，加在運算放大器的反向輸入端，輸出為低電平，晶體管截止，集電極輸出高電平。鋼球離開，磁場減弱，霍爾開關集成傳感器在減弱磁場的作用下，輸出霍爾電壓減小為低電平，加在運算放大器的反向輸入端，輸出為高電平，晶體管導通，集電極輸出低電平。高、低電平變化為一個脈沖信號，輸入到計數器進行計數。 8. 霍爾元器件在地磁場中會產生霍爾電壓，其大小正比于霍爾元器件正面法線與磁子午線所成角度的余弦值，連接指示儀表后可做成

44、航海羅盤。試畫出航海羅盤的組成框圖，解釋羅盤的使用方法。答：霍爾元件在地磁場內旋轉到不同的方位，可以得到霍爾電壓輸出為 UH=KHIBcosf(L/W) 式中：KH為霍爾靈敏度，I為輸入霍爾元件電流值，B為地磁場的水平分量，為霍爾元件正面法線與地磁子午線的夾角，f(L/W)為霍爾元件形狀效應系數。航海羅盤的組成框圖如下：將霍爾線性集成傳感器SL3501的霍爾電壓輸出同指示儀表相連，就可以從儀表上讀出方位角來。9. 簡單敘述磁卡結構和磁卡閱讀器的工作過程。為什么說磁卡是識別卡？答：磁條貼在磁卡的背面，磁條中有3條編碼磁道，磁道之間有間隔。離磁卡邊最近的是1磁道。各磁道的編碼信息有主帳號、國家、持

45、卡人姓名、失效日期、服務范圍、貨幣類型、可用金額指數、允許輸錯次數、校驗碼等。刷卡速度為10120cms，在刷卡的過程中，閱讀器通過電感線圈感應磁條上磁性（磁阻）的變化來讀取數據，相當靈敏，準確度很高。閱讀器讀取的數據送入ATM機專用計算機。專用計算機通過網絡交換中心與發(fā)卡銀行主機聯系，檢查帳號的合法性，通過專用計算機接口驅動點鈔機、打印機進行點鈔輸出和打印輸出。所謂識別卡，是指一種標識其持卡人和發(fā)行者的卡，卡上載有進行該卡預期應用所要求輸入的數據。磁卡就是這種識別卡，卡上并沒有用戶所具有的資源信息，資源信息保存在發(fā)卡單位主機中。習題71. 用作位移測量的電位器傳感器的主要作用有哪些？答：用作

46、位移測量的電位器傳感器由電阻體、電刷、轉軸、滑動臂、焊片等組成，用機械運動調節(jié)電位器的轉軸，將機械位移或其它能轉換為位移的非電量，轉換為與其有一定函數關系的電阻值的變化，從而引起電路中輸出電壓的變化。2. 畫圖分析光柵位移傳感器莫爾條紋放大作用原理，并討論數量關系。答：莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，當指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下 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。莫爾條紋有位移的放大作用。當主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距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

47、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 當角較小時，例如=30，用弧度表示為1115，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數相當大。這樣，就可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動，可以用測量條紋的移動來檢測光柵的位移,從而實現高靈敏的位移測量。 3. 簡單分析磁電式轉速傳感器工作原理。答：磁電式轉速傳感器由永久磁鐵、感應線圈、磁盤等組成。在磁盤上加工有齒形凸起，磁盤裝在被測轉軸上，與轉軸一起旋轉。當轉軸旋轉時，磁盤的凸凹齒形將引起磁盤與永久磁鐵間氣隙大小變化，從而使永久磁鐵組成的磁路中磁通量隨之發(fā)生變化。磁路通過感應線圈，當磁通量發(fā)生突變時，感應線圈會感應出一定

48、幅度的脈沖電勢，其頻率為 f=Z·n 式中：Z磁輪的齒數； n磁輪的轉數。測出脈沖頻率，即可得知被測物體的轉速。如果磁電式轉速傳感器配接上數字電路，便可組成數字式轉速測量儀，可直接讀出被測物體的轉速。4. 導電式液位傳感器可以在哪些工程和設備中獲得應用？答：導電式液位傳感器在日常工作和生活中應用很廣泛，在抽水及儲水設備、工業(yè)水箱、汽車水箱等方面均被采用。5. 什么是多普勒效應？舉例說明其原理和用途。答：假若發(fā)射機與接收機之間的距離發(fā)生變化，則接收機收到信號的頻率與發(fā)射機發(fā)射信號的頻率就不同。發(fā)射機與接收機之間的距離增大，接收機收到信號的頻率變低；發(fā)射機與接收機之間的距離減小，接收機收

49、到信號的頻率變高。此現象是由多普勒發(fā)現的，所以稱為多普勒效應。高速公路測速雷達；地面雷達測量飛機的速度和方向；液體流量計等等。6. 試設計一個多電極、多水位的水位控制系統(tǒng)。答：如圖低水位時，VT3基極無電壓，處于截止狀態(tài)，VT2基極低電平導通，集電極高電平加到晶體管VT4基極，VT4導通，繼電器得電吸合，繼電器接點接單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)開關打開，給水箱加水。中水位時，VT3基極得電壓導通，VT2基極高電平截止，集電極低電平加到晶體管VT4基極，VT4截止，繼電器無電釋放。由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路未獲得新觸發(fā)信號，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)開關維持打開狀態(tài)，繼續(xù)給水箱加水。高水位時，VT1基極得電壓導通，集電極

50、高電平加到晶體管VT4基極，VT4導通，繼電器得電吸合，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)開關再次觸發(fā)關閉，停止給水箱加水。到下一次低水位時重復以上加水過程。7. 電磁式流量計有哪些優(yōu)點？使用時要注意哪些事項？答：1) 沒有機械可動部分，安裝使用簡單可靠;2) 電極的距離正好為導管的內徑，因此沒有妨礙流體流動的障礙，壓力損失極??；3) 能夠得到與容積流量成正比的輸出信號;4) 測量結果不受流體粘度的影響；5) 由于電動勢是包含電機的導管的斷面處作為平均流速測得的，因此受流速分布影響較??；6) 測量范圍寬，可以從0.005190000m3/h；7) 測量的精度高，可達±0.5%。使用電磁式流量傳感器時應注意以

51、下幾點：1) 由于管道是絕緣體，電流在流體中流動很容易受雜波的干擾，因此必須在安裝流量傳感器的管道兩端設置接地環(huán)接地。2) 雖然流速的分布對精度的影響不大，但為了消除這種影響，應保證液體流動管道有足夠的直線長度。3) 使用電磁式流量計時，必須使管道內充滿液體。最好是把管道垂直設置，讓被測液體從上至下流動。4) 測定電導率較小的液體時，由于兩電極間的內部阻抗比較高，故所接信號放大器要有100M左右的輸入阻抗。為保證傳感器正常的工作，液體的速率必須保證在5cm/s以上。電磁式流量計可以廣泛應用于自來水、工業(yè)用水、農業(yè)用水、海水、污水、污泥、化學藥品、食品、礦漿等流量的檢測。8. 什么是熱釋電效應？

52、熱釋電紅外報警器是如何工作的？若將該報警器改為自動門開關，則在電路上應作哪些改動？ 答：當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的電極化現象，稱為熱釋電效應。能產生熱釋電效應的晶體稱為熱釋電體，又稱熱釋電元件。熱釋電紅外報警器是用熱釋電元件的熱釋電效應探測人體發(fā)出的紅外線的一種傳感器。它用于防盜、報警、來客告之及非接觸開關等設備中。人向熱釋電傳感器TTS2120前移動時，人體所釋放出的紅外線被熱釋電傳感器接收，產生脈動電壓信號。該電壓信號通過電容器C1耦合輸入由運算放大器IC1TL082構成的低噪聲、高增益放大器放大。放大后的信號點亮發(fā)光二極管和驅動電表

53、指示，也可以觸發(fā)蜂鳴器或語音集成電路，告知有人員接近。若將該報警器改為自動門開關，則在電路上將TL082輸出信號放大后去接通繼電器，從而接通自動門電源把門打開，如圖所示。9. 接近傳感器有哪幾種類型？各種類型接近傳感器的工作原理有什么不同？哪一種接近傳感器工作最穩(wěn)定可靠？答：接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件，又稱為接近開關。常見的接近傳感器有電容式、渦流式、霍爾效應式、光電式、熱釋電式、多普勒式、電磁感應式、微波式、超聲波式等類型。 各種類型的工作原理都是取自各自的傳感特性，例如，電容式是一個以電容的一個電極為檢測端的靜電電容接近傳感器，人體接近，電容值變化，其組成的振蕩電路振蕩頻率

54、變化，從而獲得人體接近的信號。電磁感應式的敏感元件是電感線圈，人體接近，電感組成的振蕩電路的振蕩頻率變化或停振，從而檢測出人體接近信號。熱釋電式接近傳感器是用熱釋電元件的熱釋電效應探測人體接近時發(fā)出的紅外線。熱釋電式接近傳感器工作最穩(wěn)定可靠。10. 可否用電磁式流量計測量自來水的流量？如何用電磁式流量計測量自來水的流量？電磁式流量計有哪些優(yōu)點？答：電磁式流量計使用條件是所測流體是導電性的，自來水是導電性的，所以可以用電磁式流量計測量。將電磁式流量計串接在自來水管道中，通過對電磁式流量計輸出電壓（電動勢）的測量，可以由下式計算出自來水的流量：電磁式流量計的優(yōu)點是：1）安裝方便；1）不影響流體流動

55、；3）受流體粘度影響?。?）受流速分布影響??；5）測量范圍寬；6）測量誤差小。習題81.簡要說明氣體傳感器有哪些種類，并說明它們各自的工作原理和特點。答： 半導體氣體傳感器是利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質變化，來檢測氣體的成分或濃度的氣體傳感器。半導體氣體傳感器大體可分為電阻式和非電阻式兩大類。固體電解質式氣體傳感器這類傳感器內部不是依賴電子傳導，而是靠陰離子或陽離子進行傳導，因此，把利用這種傳導性能好的材料制成的傳感器稱為固體電解質傳感器。接觸燃燒式氣體傳感器是將白金等金屬線圈埋設在氧化催化劑中構成。使用時對金屬線圈通以電流，使之保持在300600C的高溫狀態(tài)，同時將元件接入電橋電路中的一個橋臂，調節(jié)橋路使其平衡。一旦有可燃性氣體與傳感器表面接觸，燃燒熱量進一步使金屬絲升溫，造成器件阻值增大，從而破壞了電橋的平衡。其輸出的不平衡電流或電壓與可燃燒氣體濃度成比例，檢測出這種電流和電壓就可測得可燃性氣體的濃度。電化學式氣體傳感器包括離子電極型、定電位型、加伐尼電池型等種類。集成型傳感器有兩類：一類是把敏感部分、加熱部分和控制部分集成在同一基底上，