傳感器技術(shù)與應(yīng)用第3版習(xí)題答案

1、 傳感器技術(shù)與應(yīng)用第3版習(xí)題參考答案習(xí)題1什么叫傳感器？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(zhuǎn)換成町用輸出信號的器件或裝置。傳感器通常由敏感元件和轉(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(yīng)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(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。傳感器在自動(dòng)測控系統(tǒng)中起什么作用？答：自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制技術(shù)是人們對爭物的規(guī)律定性了解、定量分析預(yù)期效果所從事的一系列技術(shù)措施。自動(dòng)測控系統(tǒng)是完成這一系列技術(shù)措施之一的裝置。一個(gè)完整的自動(dòng)測控系統(tǒng)，一般由傳感器、測量電路、顯示記錄裝置或調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置、電源四部分組成。傳感器的

2、作用是對通常是非電量的原始信息進(jìn)行精確町靠的捕獲和轉(zhuǎn)換為電量，提供給測量電路處理。傳感器分類有哪幾種？各有什么優(yōu)、缺點(diǎn)？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(zhuǎn)矩傳感器等；另一種是按傳感器的工作原理來分，如電學(xué)式傳感器、磁學(xué)式傳感器、光電式傳感器、電勢型傳感器、電荷傳感器、半導(dǎo)體傳感器、諧振式傳感器、電化學(xué)式傳感器等。還有按能屋的關(guān)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(zhì)分類，即將傳感器分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。按被測輸入量分類的優(yōu)點(diǎn)

3、是比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用；缺點(diǎn)是沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)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(diǎn)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(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用。什么是傳感器的靜態(tài)特性？它由哪些技術(shù)指標(biāo)描述？答：傳感器測量靜態(tài)量時(shí)表現(xiàn)的輸入、輸出量的對應(yīng)關(guān)系為靜態(tài)特性。它有線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯現(xiàn)彖、分辨力、穩(wěn)定性、漂移等技術(shù)指標(biāo)。為什么傳感器要有良好的動(dòng)態(tài)特性？什么是階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法？答：在動(dòng)態(tài)（快速變化）的輸入信號情況下，要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)和再現(xiàn)被測信號的變化。因此，

4、需要傳感器具有良好的動(dòng)態(tài)特性。測試和檢驗(yàn)傳感器的動(dòng)態(tài)特性冇瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法。階躍響應(yīng)法即瞬態(tài)響應(yīng)法，是給傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)的被測量，測量其輸出特性。動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良的傳感器的輸出特性應(yīng)該上升沿陡，頂部平直。頻率響應(yīng)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(shù)的被測屋,測量其輸出的正弦函數(shù)輸出量的幅值和相位與頻率的關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良的傳感器，輸出的正弦函數(shù)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(guān)系。傳感器的性能指標(biāo)有哪些？設(shè)計(jì)、制造傳感器時(shí)應(yīng)如何考慮？試舉例說明？答：傳感器有基本參數(shù)指標(biāo)，例如量程、靈敏度、精度以及動(dòng)態(tài)特性的頻率特性、上升時(shí)間、過沖量等：有壞

5、境參數(shù)指標(biāo)，例如溫度、氣壓、濕度等：有可靠性指標(biāo)，例如壽命、平均無故障時(shí)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(biāo)。在設(shè)計(jì)、制造傳感器時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需要與可能，在確保主要性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,放寬對次要性能指標(biāo)的要求，以求得高的性能價(jià)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(shí)要凍結(jié))，而家庭使用測量室內(nèi)溫度的溫度計(jì)用的是染色酒精(低溫時(shí)不凍結(jié)，價(jià)格便宜)。習(xí)題2用K型(銀珞一線硅)熱電偶測量爐溫時(shí)，自由端溫度to=3OC,由電子電位差計(jì)測得熱電勢E(t,30*0=37.724mV,求爐溫t。答：參考端(自由端)溫度t=30C,由分度表2-1可查得

6、E(30C,0C)=1.203mv,若測得熱電勢E(t,30C尸37.724mv,則可得E(t,0C)=E(t,30C+E(30C,0C)=37.724+1.203=38.927mv再查分度表可知爐溫t=940Co熱電偶主要分幾種類型，各有何特點(diǎn)。我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶有哪幾種？答：熱電偶主要分普通型熱電偶、鎧裝熱電偶和薄臉熱電偶。普通型熱電偶由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成，是工業(yè)測量上應(yīng)用最多的熱電偶；鎧裝熱電偶耐高壓、反應(yīng)時(shí)間短、堅(jiān)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(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。利用分度號Pt100電阻測溫，求測屋

7、溫度分別為tl-100C和t2=650C的鉗電阻Rtl、Rt2值。答：在-100C鈾電阻的電阻一溫度特性方程為：Rt=Ro1+At+Bt2+Ct3(t-100)將Ro=100Q、tl二T00C、A=3.9684X10-C、B=-5.847X10-7/oC2sC=-4.22X10-12/C利用分度號CulOO的銅電阻測溫，當(dāng)被測溫度為50C時(shí)，問此時(shí)銅電阻Rt值為多人？代入，可計(jì)算得到Rt=1001+3.9684X10心X(-100)+(-5.847XIO7)X(-100)2+(-4.22X10-12)X(-100)3X(-100-100)=59.6Q在+650C電阻的電阻一溫度特性方程為：Rt

8、=Ro(l+At+Bt2)將Ro=100Q、t2二650C、A=3.9684X10VCB=-5.847XlOVC2代入，可計(jì)算得到答:RtRo(l+at)Rt=100(1+3.9684XIO3X650+-5.847XIO7X6502)=333QRo為溫度為0C時(shí)銅電阻值，CulOO為100Q,J為常數(shù)；a=4.28X10-3化代入算得RtlOOX（l+4.28X10-3X50）=121.40畫出用四個(gè)熱電偶共用一臺(tái)儀表分別測量Ti、T：、T3和幾的測溫電路。若用四個(gè)熱電偶共用一臺(tái)儀表測量T、T,、T3和T,的平均溫度，電路又應(yīng)怎樣連接？答：（1）四個(gè)熱電偶分別接電子開關(guān)，再接同一臺(tái)測量儀表，通

9、過選通電子開關(guān)的辦法，實(shí)現(xiàn)分別測量T、匸、丁3和幾的溫度。（電子開關(guān)可以采用DG801/802超導(dǎo)通電阻（最大導(dǎo)通電阻為0.4Q）電子開關(guān)，S端輸入，D端輸出，C端高電平時(shí)選通。）（2）四個(gè)熱電偶并聯(lián)再接測量儀表，可以實(shí)現(xiàn)共用一臺(tái)儀表測量T、T,、Ts和T（的平均溫度。圖略,可參照圖2-12o硅二極管測溫電路，如圖2-25所示。當(dāng)被測溫度t為30C時(shí)，輸出電壓為5V,當(dāng)輸出電壓為10V時(shí)，問被測溫度為多大？答：溫度每變化1C,輸出電壓變化量為O.lVo輸出電壓為10V時(shí)，被測溫度為80C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30C時(shí)，輸出電壓為303mV,問被測溫度為120

10、C時(shí)，輸出電壓Ur為多大？答：溫度每變化VC,輸出電壓變化量為lmV（每1度K與每相同）。被測溫度為120C時(shí)，輸出電壓Ur為303mV+90mV,即393mV。分析圖2-29所示熱電偶參考端溫度補(bǔ)償電路工作原理。答：集成溫度傳感器AD590應(yīng)緊貼熱電偶參考端，處于同一溫度下。AD580是一個(gè)三端穩(wěn)壓器，提供穩(wěn)定輸出電壓U0=2.5Vo電路工作時(shí)，調(diào)整電阻氐使得集成溫度傳感器AD590的隨溫度變化的輸出電流的h分量為IfXIOh的單位是mA,即1UA/K的電流。這樣在電阻R丄上產(chǎn)生一個(gè)隨參考端溫度to變化的補(bǔ)償電壓Ui=liRio選擇Ri使Ui與Eab（to,OC）近似相等。Ui與熱電偶輸出電

11、壓Eab（tto）串聯(lián)相加后輸入測量儀表，起參考端溫度補(bǔ)償作用，測量儀表顯示的為實(shí)際測量溫度值。正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)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(fù)熔絲”？答：正溫度系數(shù)熱敏電阻隨溫度升高阻值增人，阻值隨溫度的變化有線性型和突變型。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻隨溫度升高阻值降低，阻值隨溫度的變化有突變型和負(fù)指數(shù)型。線性型正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)指數(shù)型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻適用于溫度測屋。突變型正溫度系數(shù)熱敏電阻和突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻適用于溫控開關(guān)和溫度保護(hù)電路。突變型正溫度系數(shù)熱敏電阻可以做“可恢復(fù)熔絲”。溫度升高到突變值，電阻陡然升高，相當(dāng)于保險(xiǎn)絲熔斷。當(dāng)溫度降

12、低時(shí)，電阻陡然變小，相當(dāng)于保險(xiǎn)絲又恢復(fù)接通了。參照冰箱熱敏電阻溫控電路，用熱水器專用溫度傳感器設(shè)計(jì)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(xí)題3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：彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移，然后再由傳感器將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號。有變換力的彈性敏感元件，例如等截面柱式、圓壞式、等截面薄板、懸臂梁及軸狀等結(jié)構(gòu)。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(chǎn)生的壓力變換成位移量輸出。應(yīng)仔細(xì)分清不同彈性敏感元件的性能，

13、根據(jù)測量物理量的性質(zhì)、人小、測量條件和測屋精度，選用合適的彈性敏感元件。電阻應(yīng)變片是根據(jù)什么基本原理來測量應(yīng)力的？簡述圖3-9所示不同類型應(yīng)變片傳感器的特點(diǎn)。答：電阻應(yīng)變片是把導(dǎo)體的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻應(yīng)變,通過電阻測量來測屋所受的應(yīng)力。金屬電阻應(yīng)變片分體型和薄膜型。屬于體型的有電阻絲柵應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、應(yīng)變花等。圖3-9所示絲繞式應(yīng)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(qiáng)磁場、核輻射等特殊條件使用的應(yīng)變片。缺點(diǎn)是U型應(yīng)變片的圓弧型彎曲段呈現(xiàn)橫向效應(yīng)，H型應(yīng)變片因焊點(diǎn)過多，可靠性下降。箔式應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)是粘合情況好、散熱能力較強(qiáng)、輸出功率較大、靈敏度高等。在工藝上可按需

14、要制成任意形狀，易于大量生產(chǎn)，成本低廉。半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)人、機(jī)械滯后小、頻率響應(yīng)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。圖3-11(d)為應(yīng)變片全橋測量電路，試推導(dǎo)其輸出電壓U。表達(dá)式。答：圖3-11(d)是四個(gè)橋臂均為測量片的電路，且互為補(bǔ)償，有應(yīng)變時(shí)，必須使相鄰兩個(gè)橋臂上的應(yīng)變片一個(gè)受拉，另一個(gè)受壓。/(&+&)%(&-&)R、+A/?a+凡一A/?2R3+A/?3+心一A/?4可以計(jì)算輸出電壓為(c)+A利用圖3-12分析石英晶體的壓電效應(yīng)。nW+(b)答:當(dāng)在X軸向施加壓力時(shí)，如圖3-12(b)所示，各晶格上的帶電粒子均產(chǎn)生相對位移,正

15、電荷中心向B面移動(dòng)，負(fù)電荷中心向A面移動(dòng)，因而B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)在X軸向施加拉伸力時(shí)，如圖3-12(c)所示，晶格上的粒子均沿X軸向外產(chǎn)生位移，但硅離子和氧離子向外位移大，正負(fù)電荷中心拉開，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷，A面呈現(xiàn)正電荷。在Y方向施加壓力時(shí)，如圖3-12(d)所示，晶格離子沿Y軸被向內(nèi)壓縮，A面呈現(xiàn)正電荷，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。沿Y軸施加拉伸力時(shí)，如圖3-12(e)所示，晶格離子在Y向被拉長，X向縮短，B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。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(bǔ)償和放大電路？答：MPX4100A型集成硅壓力

16、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(bǔ)償器和第一級放人器，第二級放人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(shí)，該壓力進(jìn)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，使輸出電壓人小與壓力P成正比。該電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，可由微處理器計(jì)算出被測壓力值。單晶硅壓電傳感器本身的內(nèi)阻比較人，而輸出能量又比較小，且隨溫度的變化比較人,所以，通常需要加溫度補(bǔ)償和放大電路。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(yīng)用場合？答：以2片壓電元件串、并聯(lián)為例。壓電元件

17、2片串聯(lián)時(shí)，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(lián)時(shí)，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(lián)接法輸出電壓高，適用于以電壓作為輸出量，測量電路輸入阻抗人的場合。并聯(lián)接法輸出電荷量大，輸出電容大，時(shí)間常數(shù)人，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。電容式傳感器分幾種類型？各有什么特點(diǎn)？適用于什么場合？答：平行板電容器的和$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Ad的關(guān)系是線性的，常用于壓力、加速度、振動(dòng)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，

18、靈敏度為常數(shù)，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(shù)型電容傳感器，電容變化與介質(zhì)進(jìn)入電容器的長度X的關(guān)系是線性的，常用于作用力、位移、成分含量的測量。已知變面積型電容式傳感器兩極板間距離為10mm,介電常數(shù)e=50uF/m,兩極板幾何尺寸一樣，為30mmX20mmX5mm,在外力作用下，動(dòng)極板向外移動(dòng)了10mm,試求電容量變化AC和靈敏度Kxo答：a=30mm,b=20mm,d=10mm,x=10mm,=50F/m?？梢杂?jì)算Co=eab/d=3000nF/1000=3UF,電容量變化AC=-xC0/a=-lUF,靈敏度Kx=eb/d=100UF/mo9.利用圖3-22分

19、析差動(dòng)式電容傳感器提高靈敏度的原理。答：差動(dòng)式電容傳感器中間電極不受外力作用時(shí)，由于dFd-do,所以CfG,則兩電容差值C：-G二0。中間電極若受力向上位移Ad,則G容量增加，C：容量減小，兩電容差值為CAdCAd2CQdAC_2Ad可見，電容傳感器做成差動(dòng)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(shí),Z1=Z2,電感量都是1OOmH,uo=OV；動(dòng)態(tài)時(shí)，電感最人變化量L二10mH,若um二2sin3t(V)時(shí)，求動(dòng)態(tài)最人輸出電壓Uoo答：Lo=lOOmH,AL=10mH,Uc=2V,動(dòng)態(tài)最大輸出電壓Uo=ALUac/Lo=0.2(V)瞬時(shí)量uo=O.2sin3t

20、(V)差動(dòng)變隙式電感傳感器是如何工作的？差動(dòng)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？r2答：閉磁路式自感傳感器電感量L為：L=氓也2o當(dāng)銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小，則線圈電感變化為：/=-3血X2（J0-AJ）電感的相對變化為：AZ=L5差動(dòng)變隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈和磁路組成，當(dāng)銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小，使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生人小相等，方向相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，一個(gè)線圈的電感量減小，形成差動(dòng)工作形式，使靈敏度提高一倍。差動(dòng)變壓器式傳感器有多種型式，螺線管式差動(dòng)變壓器由初級線圈、兩個(gè)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

21、勵(lì)電壓，兩個(gè)次級線圈感應(yīng)的輸出電壓反相串聯(lián)后輸出。圓柱形鐵芯受外力移動(dòng)時(shí)，輸出電壓變化，可測位移方向和距離。差動(dòng)變隙式電感傳感器是位移產(chǎn)生磁阻變化，造成自感量的變化，差動(dòng)變壓器式傳感器是位移產(chǎn)生磁阻變化，造成互感量的變化。最后都要轉(zhuǎn)換為電壓輸出進(jìn)行測量。如何用兩個(gè)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(yùn)動(dòng)加速度和水平運(yùn)動(dòng)加速度？答：測力單元為差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的變極距電容傳感器。上下兩塊極板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(dòng)的，與活動(dòng)框連成一體，經(jīng)彈簧錨定在殼體上，組成加速度傳感器。加速度會(huì)使中間極板c向一個(gè)固定極板運(yùn)動(dòng)，從而使電容變化。測

22、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(shè)備上，測被測設(shè)備的水平方向加速度；也可以豎直方向固定在被測設(shè)備上，測被測設(shè)備的豎直方向加速度（重力加速度以外）或靜止時(shí)受到地球引力（重力）。單軸加速度傳感器的兩個(gè)測力單元是同方向的，兩個(gè)測力單元電容變化相疊加，可增加輸出信號強(qiáng)度。雙軸加速度傳感器的兩個(gè)測力單元分別為X和Y方向，兩個(gè)測力單元電容變化量相減,不僅可以測出加速度或靜止時(shí)地球引力的大小，還可以測出方向。試用ADXL320雙軸加速度傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)手機(jī)跌落關(guān)機(jī)保護(hù)電路。5VLM324oxo+5VMCU電源開關(guān)I答：跌落（失重）狀態(tài)，ADXL320雙軸加速度傳感器的Xout和

23、Yout輸出端的輸岀都是1.500V,送入運(yùn)算放人器比較器進(jìn)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(yùn)行關(guān)機(jī)程序，進(jìn)行關(guān)機(jī)。14手機(jī)和平板電腦的重力感應(yīng)屏幕橫豎顯示方向轉(zhuǎn)換是如何實(shí)現(xiàn)的？答：采用ADXL320雙軸加速度傳感器。當(dāng)人們縱向（X方向）拿著手機(jī)或平板電腦時(shí)，Xcct端II和丫附端II輸出電壓為Xccr=l.500V,Yon=l.326Vo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，控制打描電路進(jìn)行X方向打描和信號顯刀Wo當(dāng)人們將拿著的手機(jī)或平板電腦轉(zhuǎn)為橫向（Y方向）時(shí)，転端II和Yoct端II輸出電壓變?yōu)閄oii=1.326V,Yoit=

24、1.500Vo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(xí)題4光電效應(yīng)有哪幾種？與之對應(yīng)的光電元件有哪些？請簡述其特點(diǎn)。答：通常把光電效應(yīng)分為三類：外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。根據(jù)這些光電效應(yīng)可制成不同的光電轉(zhuǎn)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(gè)玻璃殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，從陰極表面溢出的電子被具有正向電壓的陽極所吸引，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(shù)，而光電子數(shù)又正比于光通量。光電倍增管的陰極和陽極間設(shè)置許多二次發(fā)射電極DI、D2、D3

25、、，光電倍增管陽極得到的光電流比普通光電管人5倍，因此光電倍增管靈敏度極高。光敏電阻受到光照時(shí)，電阻率變小。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失，電子-空穴對逐漸復(fù)合，電子也逐漸恢復(fù)原值。光敏晶體管有兩個(gè)PN結(jié)，從而可以獲得電流增益。光線通過透明窗II落在集電結(jié)上,在集電結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對，人部分的電子穿越基區(qū)流向集電區(qū)，集電極電流lc是原始光電流的B倍，靈敏度高。光電池基于光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射在光電池上時(shí)，可以直接輸出電動(dòng)勢及光電流。光電傳感器可分為那幾類，請分別舉出幾個(gè)例子加以說明。答：利用光電效應(yīng)可制成了各種光電轉(zhuǎn)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(yīng)用最廣的是可見光和

26、近紅外光傳感器，熱釋電傳感器屬于中、遠(yuǎn)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(yīng)用類型有兩類。一類是模擬量光電傳感器，一類是開關(guān)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(jì)；光透射檢測型，例如液體、氣體渾濁度計(jì)：光反射檢測型，例如物體表面光潔度計(jì)。開關(guān)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(zhuǎn)速表，繼電器開關(guān)等。某光電開關(guān)電路如圖4-40(a)所示，施密特觸發(fā)反相器CD40106的輸出特性如圖4-40(b)所示。請分析該電路的工作原理；答：無光照時(shí)，光敏二極管VD1不導(dǎo)通，IC1的1端低電平，2端輸出高電平，晶體管VT1導(dǎo)通，繼電器得電流

27、吸合，將外接電路接通。有光照時(shí)，光敏二極管導(dǎo)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。列表說明各元件的作用；答：元件作川元件作用VD1光敏二極管IC1施密特觸發(fā)反相器VD2繼電器反向感應(yīng)電動(dòng)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(diào)節(jié)向IC1輸入電壓大小VT1繼電器導(dǎo)通激勵(lì)晶體管光照從小到人逐漸增加時(shí)，繼電器K的狀態(tài)如何改變？反之當(dāng)光照由人變小時(shí)繼電器的狀態(tài)如何改變？答：光照從小到人逐漸增加時(shí)，繼電器由吸合狀態(tài)滯后一段時(shí)間再變化到釋放狀態(tài)；當(dāng)光照由人逐漸變小時(shí)，繼電器由釋放狀態(tài)滯后一段時(shí)間再變化到吸合狀態(tài)。滯后狀態(tài)形成回差，保

28、證了繼電器不會(huì)在光照閾值點(diǎn)來回反復(fù)吸合和釋放。k4Ucc=15VJ1111123454.9Ui/V(b)圖4-40光電開關(guān)電路及特性(a)電路：(b)CD40106的輸出特性4某光敏晶體管在強(qiáng)光照時(shí)的光電流為2.5mA,選用的繼電器吸合電流為50mA,直流電阻為200Q?，F(xiàn)欲設(shè)計(jì)兩個(gè)簡單的光電開關(guān)，其中一個(gè)是有強(qiáng)光照時(shí)繼電器吸合，另一個(gè)相反，是有強(qiáng)光照時(shí)繼電器釋放。請分別畫出兩個(gè)光電開關(guān)的電路圖（只允許采用普通晶體管放大光電流），并標(biāo)出電源極性及選用的電壓值。答：（a）強(qiáng)光照時(shí)繼電器吸合（b）強(qiáng)光照時(shí)繼電器釋放圖（a）R1和RP共約300Q,圖（b）R1約5kQ,R2和RP共約lkQ。造紙工業(yè)

29、中經(jīng)常需要測量紙張的“白度”以提高產(chǎn)品質(zhì)量，請你設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)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(chǎn)生光生電動(dòng)勢輸出，光生電動(dòng)勢人小與白紙反射光強(qiáng)度有關(guān)，反射光強(qiáng)度又與白紙的白度有關(guān)。該光生電動(dòng)勢經(jīng)運(yùn)算放人器放人后輸出到測量儀表，或再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，測出白紙的白度。其測量的精度需用精確的白度儀進(jìn)行校準(zhǔn)。在物理學(xué)中，與重力加速度名有關(guān)的公式為s=vot+gt72,式中為落體初速度,t為落體經(jīng)設(shè)定距離S所花的時(shí)間。請根據(jù)上式，設(shè)計(jì)一臺(tái)測量重力加速度g的教學(xué)儀器,要求同第5題

30、（提示：U可用落體通過一小段路程的平均速度代替）。答：如圖所示。物體圖中1、5為RS觸發(fā)器，2、6為高頻脈沖發(fā)生器，3、7為計(jì)數(shù)器，4、8為計(jì)算顯示器。當(dāng)物體自上向下自由落體時(shí)，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(jì)數(shù)器3開始計(jì)數(shù)。當(dāng)物體經(jīng)過已知高度hl而遮擋光源LEDB時(shí)，光敏二極管VDB輸出低電平，RS觸發(fā)器Q端置“0”，與非門關(guān)閉，高頻脈沖不能通過，計(jì)數(shù)器3停止計(jì)數(shù)。設(shè)高頻脈沖的頻率f=lMHz,周期T=lus,若計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)為n,則可計(jì)算出物體通過已知高度hj所經(jīng)歷的時(shí)間為tx二nT二nils,則物

31、體下落的平均速度為V二h】/nT該平均速度近似作為自由落體的初速，由計(jì)算顯示器4計(jì)算后輸入計(jì)算顯示器8備用。物體繼續(xù)向下自由落體，計(jì)數(shù)器7以同樣的辦法所計(jì)脈沖數(shù)為m,可計(jì)算出物體通過已知高度h：所經(jīng)歷的時(shí)間為匕=mT=mUso計(jì)算顯示器8根據(jù)比、任、V和公式h：=Vt2+gt272可計(jì)算得到重力加速度go標(biāo)準(zhǔn)化考試，學(xué)生用2B鉛筆填涂答題卡，由機(jī)器閱卷評分。答題卡機(jī)器光電頭首先將正確答題卡填涂信息錄入到答題卡機(jī)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(xué)過的光電式傳感器知識(shí)，設(shè)計(jì)一答題卡機(jī)器方案，畫出框圖。答：0MR光標(biāo)閱讀器，如圖。光標(biāo)閱讀器由機(jī)

32、械傳動(dòng)部分、光電傳感器部分和微處理器部分組成。一般町閱讀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(jī)械傳動(dòng)部分包括電動(dòng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、分紙機(jī)構(gòu)和變速機(jī)構(gòu)。光電傳感器部分包扌舌多個(gè)（例如43個(gè)）紅外發(fā)光二極管和同樣數(shù)量的光敏二極管，組成一個(gè)線型陳列。微處理器包括A/D轉(zhuǎn)換器、CPU、RAM、EPROM、鍵盤和顯示器，通過USB接II與PC機(jī)通信。光標(biāo)閱讀器組成框圖如圖所示。光耦合器有哪幾種結(jié)構(gòu)？能做哪些用途？光耦合器在插卡式電源開關(guān)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(zhuǎn)速測屋中；有反射式，可用于反光體的位置

33、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(guān)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(nèi)，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(dǎo)通，繼電器K工作，接通房間內(nèi)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(dǎo)通，光斷路器輸出低電平，使YT1截止。C3起延時(shí)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。習(xí)題5CCD的MOS電容器陣列是如何將光照射轉(zhuǎn)換為電信號并轉(zhuǎn)移輸出的？答：每一個(gè)MOS電容器實(shí)際上就是一個(gè)光敏元件，假定半導(dǎo)體襯底是P型硅，當(dāng)光照射到MOS電容器的P型硅襯底上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電

34、子空穴對（光生電荷），電子被柵極吸引存儲(chǔ)在陷阱中。入射光強(qiáng)，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(qiáng)弱變成與其成比例的電荷的多少，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。若停止光照，由于陷阱的作用，電荷在一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)消失，可實(shí)現(xiàn)對光照的記憶。一個(gè)個(gè)的MOS電容器可以被設(shè)計(jì)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(gè)光敏元件（像素）對應(yīng)有三個(gè)相鄰的柵電極1、2、3,在時(shí)序脈沖的作用下，三個(gè)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(zhuǎn)移到電極3下。再從電極3下吸引轉(zhuǎn)移到下一組柵電極的電極1。到整個(gè)一行的各像素都傳送完，在CCD的末端就能依次接收到

35、原存儲(chǔ)在各個(gè)MOS電容器中的電荷。完成一行像素傳送后，再進(jìn)行第二行像素的傳送，直到傳送完整個(gè)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。CCD圖像傳感器上使用光敏元件與移位寄存器分離式的結(jié)構(gòu)有什么優(yōu)點(diǎn)？答：合而為一的結(jié)構(gòu)，稱為光積蓄式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)最簡單，但是因光生電荷的枳蓄時(shí)間比轉(zhuǎn)移時(shí)間長得多，所以再生圖像往往產(chǎn)生“拖尾”，圖像容易模糊不清。分離式結(jié)構(gòu)采用光敏二極管陣列作為感光元件，光敏二極管在受到光照時(shí)，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷，再經(jīng)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，在低照度卞也能獲得清晰的圖像，在

36、強(qiáng)光下也不會(huì)燒傷感光面。舉例說明CCD圖像傳感器的用途。答：攝像機(jī)、照相機(jī)、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。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(diǎn)？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(bǔ)型金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）組成的陣列?；パa(bǔ)型金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）如下圖所示。它是把與CMOS型放人器源極相連的P型半導(dǎo)體襯底充當(dāng)光電變換器的感光部分。當(dāng)CMOS型放人器的柵源電壓IQs=0時(shí)，CMOS型放人器處于關(guān)閉狀態(tài)，即匚=0,CMOS型放人器的P型襯底受

37、光信號照射產(chǎn)生并枳蓄光生電荷，當(dāng)積蓄過程結(jié)束，柵源之間加上開啟電壓時(shí)，源極通過漏極負(fù)載電阻對外接電容充電形成電流即為光信號轉(zhuǎn)換為電信號的輸出。CCD彩色圖像傳感器在數(shù)碼相機(jī)中起什么作用？數(shù)碼相機(jī)存儲(chǔ)卡上存儲(chǔ)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(dāng)感覺滿意的圖像出現(xiàn)時(shí)，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(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號輸出。該串行模擬脈沖信號由放人器放人，再由AQ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)ASIC集成電路壓縮后，存儲(chǔ)在PCMCIA卡（個(gè)人電腦存儲(chǔ)卡國際接II標(biāo)準(zhǔn)）上。數(shù)碼相機(jī)存儲(chǔ)卡上存儲(chǔ)的是經(jīng)ASIC集成電路壓縮后的外界景物的數(shù)字信號。平板電

38、腦和手機(jī)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(jī)要延長電池充電后的使用時(shí)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、夜視壞境卞使用，低光照對焦能力也大人提高。習(xí)題6什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電壓與哪些因素有關(guān)？答：在置于磁場中的導(dǎo)體或

39、半導(dǎo)體內(nèi)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢差，這種現(xiàn)彖稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾傳感器。1）霍爾電壓比大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。2）霍爾電壓山與元件的尺寸關(guān)系很人，生產(chǎn)元件時(shí)要考慮到：3）霍爾電壓出與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)?；魻柶骷墒裁床牧蠘?gòu)成？為什么用這些材料？答：由霍爾電壓公式設(shè)心邛仏，得U廠KJB式中，皿為霍爾系數(shù)，反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱；心為霍爾靈敏度，表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小。一般來說，金屬材料電子濃度n較人，導(dǎo)致和變小，故不宜做霍爾元件?；魻栐话悴捎肗型半導(dǎo)體材料。霍爾器件有哪些指

40、標(biāo)？使用時(shí)應(yīng)注意什么？答：輸入電阻屁、和輸出電阻屆丁，要與電路匹配。額定控制電流Zc,不能超過。不等位電勢仏，要注意消除測量誤差?；魻栯妷篣h，要符合測量要求。霍爾電壓的溫度特性，注意消除溫度造成的測量誤差。什么是磁阻效應(yīng)，產(chǎn)生的原因是什么？答：當(dāng)霍爾元件受到與電流方向垂直的磁場作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)體電阻率增人的現(xiàn)象,這種現(xiàn)彖稱為磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)做成的電路元件，叫做磁阻元件。產(chǎn)生的原因是當(dāng)磁場垂直作用在磁阻元件表面上時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，使得電流密度矢屋偏移電場方向某個(gè)霍爾角0，這使電流流通的途徑變長，導(dǎo)致磁阻元件兩端金屬電極河的電阻值增大。闡述磁敏二極管的工作原理。答：磁敏二極管是平面PT-

41、工型結(jié)構(gòu)的二極管。在電路連接時(shí)，P宓接正電壓，工區(qū)接負(fù)電壓，P區(qū)向i區(qū)注入空穴，工區(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(chǎn)生電流，只有很少部分載流子在r區(qū)復(fù)合。若給磁敏二極管上加一個(gè)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(fù)合速率人，載流子數(shù)量減少，使i區(qū)的電阻增大，壓降也増人，正向電流減小。若給磁敏二極管上加一個(gè)反向磁場，載流子在洛侖磁力的作用力下，均偏離復(fù)合區(qū)r,結(jié)果與加正向磁場時(shí)的情況恰好相反，載流子數(shù)量增加，正向電流增人，電阻減小。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(zhuǎn)換成電阻變化，具有阻抗低、阻值

42、隨磁場變化率人、非接觸式測量、頻率響應(yīng)好、動(dòng)態(tài)范圍廣及噪聲小等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于無觸點(diǎn)開關(guān)、壓力開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等場合。磁敏二極管、磁敏晶體管可以將磁信息轉(zhuǎn)換成電信號，具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)快、無觸點(diǎn)、輸出功率人及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。它可廣泛應(yīng)用于磁場的檢測、磁力探傷、轉(zhuǎn)速測量、位移測量、電流測量、無觸點(diǎn)開關(guān)、無刷直流電機(jī)等許多領(lǐng)域。分析圖6-16所示霍爾計(jì)數(shù)裝置的工作原理。密爾線怏傳感貉:1116鐵答：鋼球?yàn)殍F磁性材料，鋼球到達(dá)，磁場增強(qiáng)，霍爾開關(guān)集成傳感器UGN3020在增強(qiáng)磁場的作用下，輸出霍爾電壓增人為高電平，加在運(yùn)算放人器的反向輸入端，輸出為低電平,晶體管截止

43、，集電極輸出高電平。鋼球離開，磁場減弱，霍爾開關(guān)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(yùn)算放大器的反向輸入端，輸出為高電平，晶體管導(dǎo)通，集電極輸出低電平。高、低電平變化為一個(gè)脈沖信號，輸入到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)?；魻栐骷诘卮艌鲋袝?huì)產(chǎn)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(nèi)旋轉(zhuǎn)到不同的方位，可以得到霍爾電壓輸出為UH=KHIBcos0f(L/W)式中：3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，6為霍爾元件正面法線與地磁子午線的夾角

44、,f(L/W)為霍爾元件形狀效應(yīng)系數(shù)。航海羅盤的組成框圖如卞：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。簡單敘述磁卡結(jié)構(gòu)和磁卡閱讀器的工作過程。為什么說磁卡是識(shí)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、持卡人姓名、失效口期、服務(wù)范圍、貨幣類型、可用金額指數(shù)、允許輸錯(cuò)次數(shù)、校驗(yàn)碼等。刷卡速度為10120cm/s,在刷卡的過程中，閱讀器通過電感線圈感應(yīng)磁條上磁性(磁阻)的變化來讀取數(shù)據(jù)，相當(dāng)靈敏，準(zhǔn)確度很高。閱讀器讀取的數(shù)據(jù)送入ATM機(jī)專用計(jì)算機(jī)。專用計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換

45、中心與發(fā)卡銀行主機(jī)聯(lián)系，檢查帳號的合法性，通過專用計(jì)算機(jī)接口驅(qū)動(dòng)點(diǎn)鈔機(jī)、打印機(jī)進(jìn)行點(diǎn)鈔輸出和打印輸出。所謂識(shí)別卡，是指一種標(biāo)識(shí)其持卡人和發(fā)行者的卡，卡上載有進(jìn)行該卡預(yù)期應(yīng)用所要求輸入的數(shù)據(jù)。磁卡就是這種識(shí)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(jī)中。習(xí)題7用作位移測量的電位器傳感器的主要作用有哪些？答：用作位移測量的電位器傳感器由電阻體、電刷、轉(zhuǎn)軸、滑動(dòng)臂、焊片等組成，用機(jī)械運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)電位器的轉(zhuǎn)軸，將機(jī)械位移或其它能轉(zhuǎn)換為位移的非電量，轉(zhuǎn)換為與其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起電路中輸出電壓的變化。畫圖分析光柵位移傳感器莫爾條紋放人作用原理，并討論數(shù)量關(guān)系。答：莫爾條

46、紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動(dòng)，查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向。莫爾條紋有位移的放人作用。當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距Bo當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角&較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W,莫爾條紋移動(dòng)KW距離，K為莫爾條紋的放人系數(shù)，可由下式確定，即K=B/W=1/sin。%當(dāng)&角較小時(shí)，例如0=30,用弧度表示為1/115,則K=115,表明莫爾條紋的放人倍數(shù)相當(dāng)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(dòng)，可以用測量條紋的移動(dòng)來檢測光柵的位

47、移，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測量。指示光粉、IIILLIkll刪d簡單分析磁電式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理。答：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器由永久磁鐵、感應(yīng)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(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(yīng)線圈，當(dāng)磁通量發(fā)生突變時(shí)，感應(yīng)線圈會(huì)感應(yīng)出一定幅度的脈沖電勢，其頻率為f=Z-n式中：Z一磁輪的齒數(shù)；門-磁輪的轉(zhuǎn)數(shù)。測出脈沖頻率，即可得知被測物體的轉(zhuǎn)速。如果磁電式轉(zhuǎn)速傳感器配接上數(shù)字電路，便可組成數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量儀，可直接讀出被測物體的轉(zhuǎn)速。導(dǎo)電式液位傳感器可以在哪

48、些工程和設(shè)備中獲得應(yīng)用？答:導(dǎo)電式液位傳感器在口常工作和生活中應(yīng)用很廣泛，在抽水及儲(chǔ)水設(shè)備、工業(yè)水箱、汽車水箱等方面均被采用。什么是多普勒效應(yīng)？舉例說明其原理和用途。答：假若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離發(fā)生變化，則接收機(jī)收到信號的頻率與發(fā)射機(jī)發(fā)射信號的頻率就不同。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離增人，接收機(jī)收到信號的頻率變低；發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離減小，接收機(jī)收到信號的頻率變高。此現(xiàn)象是由多普勒發(fā)現(xiàn)的，所以稱為多普勒效應(yīng)。高速公路測速雷達(dá)；地面雷達(dá)測屋飛機(jī)的速度和方向；液體流量計(jì)等等。試設(shè)計(jì)一個(gè)多電極、多水位的水位控制系統(tǒng)。答：如圖低水位時(shí)，VT3基極無電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)，VT2基極低電平導(dǎo)通，集電極高

49、電平加到晶體管VT4基極，VT4導(dǎo)通，繼電器得電吸合，繼電器接點(diǎn)接單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)開關(guān)打開，給水箱加水。中水位時(shí)，VT3基極得電壓導(dǎo)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(guān)維持打開狀態(tài)，繼續(xù)給水箱加水。高水位時(shí)，VT1基極得電壓導(dǎo)通，集電極高電平加到晶體管VT4基極，VT4導(dǎo)通，繼電器得電吸合，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)開關(guān)再次觸發(fā)關(guān)閉，停止給水箱加水。到下一次低水位時(shí)重復(fù)以上加水過程。答：1）沒有機(jī)械可動(dòng)部分，安裝使用簡單可靠；2）電極的距離正好為導(dǎo)管的內(nèi)徑，因此沒有妨礙流體流動(dòng)的障礙，壓力損失極小

50、；3）能夠得到與容積流量成正比的輸出信號；4）測量結(jié)果不受流體粘度的影響；5）由于電動(dòng)勢是包含電機(jī)的導(dǎo)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0.005190000m$/h；7）測量的精度高，可達(dá)土0.5%。使用電磁式流量傳感器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）由于管道是絕緣體，電流在流體中流動(dòng)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(shè)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(yīng)保證液體流動(dòng)管道有足夠的直線長度。3）使用電磁式流量計(jì)時(shí)，必須使管道內(nèi)充滿液體。最好是把管道垂直設(shè)置，讓被測液體從上至下流動(dòng)。4）測定電導(dǎo)率較小的液體時(shí)

51、，由于兩電極間的內(nèi)部阻抗比較高，故所接信號放人器要有100MQ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(jì)可以廣泛應(yīng)用于自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、海水、污水、污泥、化學(xué)藥品、食品、礦漿等流量的檢測。8.什么是熱釋電效應(yīng)？熱釋電紅外報(bào)警器是如何工作的？若將該報(bào)警器改為自動(dòng)門開關(guān)，則在電路上應(yīng)作哪些改動(dòng)？答：當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，稱為熱釋電效應(yīng)。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體，又稱熱釋電元件。熱釋電紅外報(bào)警器是用熱釋電元件的熱釋電效應(yīng)探測人體發(fā)出的紅外線的一種傳感器。人向熱釋電

52、傳感器TTS2120前移動(dòng)時(shí)，人體所釋放出的紅外線被熱釋電傳感器接收,產(chǎn)生脈動(dòng)電壓信號。該電壓信號通過電容器C耦合輸入由運(yùn)算放人器ICJL082構(gòu)成的低噪聲、高增益放人器放人。放人后的信號點(diǎn)亮發(fā)光二極管和驅(qū)動(dòng)電表指示，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(bào)警器改為自動(dòng)門開關(guān)，則在電路上將TL082輸出信號放人后去接通繼電器，從而接通自動(dòng)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(guān)。常見的接近傳感器有電容式、渦流式、霍爾效應(yīng)式、光電式、

53、熱釋電式、多普勒式、電磁感應(yīng)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(gè)以電容的一個(gè)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變化，從而獲得人體接近的信號。電磁感應(yīng)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(yīng)探測人體接近時(shí)發(fā)出的紅外線。熱釋電式接近傳感器工作最穩(wěn)定可靠。可否用電磁式流量計(jì)測量自來水的流量？如何用電磁式流量計(jì)測量自來水的流量?電磁式流量計(jì)有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：電磁式流量計(jì)使用條件是所測流體是導(dǎo)電性的，自來水是

54、導(dǎo)電性的，所以可以用電磁式流量計(jì)測量。將電磁式流量計(jì)串接在自來水管道中，通過對電磁式流量計(jì)輸出電壓（電動(dòng)勢）的測量，可以由下式計(jì)算出自來水的流量：八7tD-7tD/3/、Q=v=/s）44B電磁式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：1）安裝方便；1）不影響流體流動(dòng)：3）受流體粘度影響?。?）受流速分布影響?。?）測量范圍寬；6）測量誤差小。習(xí)題8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(diǎn)。答：半導(dǎo)體氣體傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，來檢測氣體的成分或濃度的氣體傳感器。半導(dǎo)體氣體傳感器人體可分為電阻式和非電阻式兩人類。固體電解質(zhì)式氣體傳感器這類傳感器內(nèi)部不是依賴電子傳導(dǎo)

55、，而是靠陰離子或陽離子進(jìn)行傳導(dǎo)，因此，把利用這種傳導(dǎo)性能好的材料制成的傳感器稱為固體電解質(zhì)傳感器。接觸燃燒式氣體傳感器是將白金等金屬線圈埋設(shè)在氧化催化劑中構(gòu)成。使用時(shí)對金屬線圈通以電流，使之保持在300600C的高溫狀態(tài)，同時(shí)將元件接入電橋電路中的一個(gè)橋臂，調(diào)節(jié)橋路使其平衡。一旦有可燃性氣體與傳感器表面接觸，燃燒熱屋進(jìn)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(xué)式氣體傳感器包扌舌離子電極型、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

56、一基底上，以提高器件的性能：另一類是把多個(gè)具有選擇性的元件，用厚膜或薄膜的方法制在一個(gè)襯底上,用微機(jī)處理和信號識(shí)別的方法對被測氣體進(jìn)行有選擇性的測定，這樣既可以對氣體進(jìn)行識(shí)別又可以提高檢測靈敏度。簡要說明在不同場合分別應(yīng)選用哪種氣體傳感器較適宜。答：為防止常用氣體燃料如煤氣（出、CO等），天然氣（CH4等）、液化石油氣心8、C4H10等）及CO等氣體泄漏引起中毒、燃燒或爆炸，可以應(yīng)用町燃性氣體傳感器配上適當(dāng)電路制成報(bào)警器。目前在該報(bào)警器上人都使用SnO2氣體傳感器。但在濕度較人的場合例如廚房等，宜使用a丘2。3氣體傳感器為核心的報(bào)警器，因?yàn)榇祟悅鞲衅鲗穸让舾行孕。€(wěn)定性較好。汽車為了節(jié)約能源

57、，防止環(huán)境污染和保持一個(gè)良好的車內(nèi)環(huán)境，需要配備各種氣體傳感器?？刂迫伎毡?，需用氧傳感器；控制污染，檢測排放氣體，需用CO、NOx、HCI、O2等傳感器；內(nèi)部空調(diào)，需用CO、煙、濕度等傳感器。在控制燃空比中使用的傳感器最好選用固體電解質(zhì)的經(jīng)穩(wěn)定化處理的ZrO2傳感器。在Fe和Cu等礦物冶煉過程中常使用氧傳感器，在半導(dǎo)體工業(yè)中需用多種氣體傳感器,在食品工業(yè)中也常用氧傳感器。例如高爐用的氧傳感器。在鐵礦精煉時(shí)，使用的傳感器必須滿足600C以上的高溫，耐熱沖擊性好，與熔融金屬不發(fā)生反應(yīng)，耐腐蝕，電阻小。因此常用經(jīng)穩(wěn)定化處理的ZrO2氧傳感器。在半導(dǎo)體工業(yè)中常用的氣體毒性犬，需檢測濃度極低（為10心級

58、），需要能夠檢測極低濃度、可靠性好的傳感器。如呆從保存方便、經(jīng)濟(jì)角度考慮，電化學(xué)氣體傳感器是最有希塑應(yīng)用的。在食品工業(yè)方面，在對水產(chǎn)物的鮮度進(jìn)行科學(xué)評價(jià)時(shí)，常用氣體傳感器。如在魚的保鮮時(shí)，魚肉中有的核酸會(huì)分解，其消耗氧量可用電化學(xué)氧傳感器測定，也可用氧電極測定，以測鮮度。對于污染壞境需要檢測的氣體有SO2、H2S、NOx、CO、CO2等，因?yàn)樾枰繙y量，宜選用電化學(xué)氣體傳感器。在家電中除用于可燃?xì)庑孤﹫?bào)警及換氣扇、抽油煙機(jī)的自動(dòng)控制外，也用于微波爐和燃?xì)鉅t等家用電器中。在微波爐中常選用SnO2氣體傳感器，氣體傳感器測量出從儀品中發(fā)出氣體的濃度，可根據(jù)事先對不同食品的特性，選擇負(fù)載電阻，確定響

59、應(yīng)時(shí)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)烹調(diào)的自動(dòng)控制。在燃?xì)鉅t中常使用ZrO2氣體傳感器測量燃空比。說明含水量檢測與一般的濕度檢測有何不同。答：通常將空氣或其它氣體中的水分含量稱為“濕度”，將固體物質(zhì)中的水分含量稱為“含水量”。固體物質(zhì)中所含水分的質(zhì)量與總質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)，就是含水量的值。煙霧檢測與一般的氣體檢測有何區(qū)別。答：煙霧是比氣體分子人得多的微粒懸浮在氣體中形成的，和一般的氣體成分的分析不同，必須利用微粒的特點(diǎn)檢測。這類傳感器多用于火災(zāi)報(bào)警器，也是以煙霧的有無決定輸出信號的傳感器，不能定量地連續(xù)測量。根據(jù)所學(xué)知識(shí)試畫出自動(dòng)吸排油煙機(jī)的電路原理框圖，并分析其工作過程。答：如圖所示。室內(nèi)可燃?xì)怏w增加時(shí)，由于氣敏器

60、件接觸到可燃?xì)怏w而其阻值降低，使流經(jīng)測試回路的電流增加，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器接通電風(fēng)扇，進(jìn)行吸排油煙。目前濕度檢測研究的主要方向是什麼？答：目前濕敏傳感技術(shù)的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如對溫度等其他傳感器技術(shù)研究得那麼精確和完善。濕度較難檢測的原因在于濕氣信息的傳遞較復(fù)雜。濕信息的傳遞必須靠其信息物質(zhì)一一水對濕敏元件直接接觸來完成。因此，濕敏元件不能密封、隔離，必須直接暴露于待測的壞境中。而水在自然環(huán)境中容易發(fā)生三態(tài)變化。當(dāng)其液化或結(jié)冰時(shí)，往往使?jié)衩羝骷母叻肿硬牧匣螂娊赓|(zhì)材料溶解、腐蝕或老化，給測量帶來不利。因此，目前濕敏元件在長期穩(wěn)定性方面還存在一些問題。人們?yōu)榱说玫介L期可靠的濕度傳感器，有時(shí)寧可在測量精度