傳感器與自動檢測技術(shù)習(xí)題參考答案@余成波

PAGEPAGE47第三章習(xí)題參考解3.1電阻式傳感器有哪些重要類型？答：常用的電阻式傳感器有電位器式、電阻應(yīng)變式、熱敏效應(yīng)式等類型的電阻傳感器。3.2說明電阻應(yīng)變片的工作原理。它的靈敏系數(shù)K與應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)K有何差別，為什么？答：金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是利用金屬材料的電阻定律。當(dāng)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化時，其電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。它的靈敏系數(shù)K是指把單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化，即由部分組成：受力后由材料的幾何尺寸變化引起的；由材料電阻率變化引起的。應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)K為，指與材料本身的彈性模量有關(guān)。3.3金屬電阻式應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片在工作原理上有何不同？答：金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是利用金屬材料的電阻定律。當(dāng)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化時，其電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料，當(dāng)某一軸向受外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。3.4假設(shè)電阻應(yīng)變片的靈敏度K=2，R=120Ω。問：在試件承受時，電阻變化值ΔR=？若將此應(yīng)變片與2V直流電源組成回路，試分別求取無應(yīng)變時和有應(yīng)變時回路的電流。解：因?yàn)椋视袩o應(yīng)變時回路電流為有應(yīng)變時回路電流為3.5題3.5圖所示為一直流電橋，供電電源電動勢，，和為相同型號的電阻應(yīng)變片，其電阻均為，靈敏度系數(shù)K=2.0。兩只應(yīng)變片分別粘貼于等強(qiáng)度梁同一截面的正反兩面。設(shè)等強(qiáng)度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000，試求此時電橋輸出端電壓。解：根據(jù)被測試件的受力情況，若使一個應(yīng)變片受拉，一個受壓，則應(yīng)變符號相反；測試時，將兩個應(yīng)變片接入電橋的相鄰臂上，如題3.5圖所示。該電橋輸出電壓為因?yàn)?則得V3.6哪些因素引起應(yīng)變片的溫度誤差，寫出相對誤差表達(dá)式，并說明電路補(bǔ)償法的原理。答：產(chǎn)生電阻應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有電阻溫度系數(shù)的影響和試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響。由溫度變化引起應(yīng)變片總電阻的相對變化量為（分別為溫度為和時的電阻值；為金屬絲的電阻溫度系數(shù)；為變化的溫度差值；分別為電阻絲和試件線膨脹系數(shù)。）最常用、最有效的電阻應(yīng)變片溫度誤差補(bǔ)償方法是電橋補(bǔ)償法，其原理如圖所示。根據(jù)電路分析，可知電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為即是由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由此可知，當(dāng)為常數(shù)時，對電橋輸出電壓的作用效果相反。利用這一關(guān)系即可對測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。3.7根據(jù)電容式傳感器的工作原理說明它的分類，電容式傳感器能夠測量哪些物理參量？答：以平板式電容器為例（如圖所示），它主要由兩個金屬極板、中間夾一層電介質(zhì)構(gòu)成。若在兩極板間加上電壓，電極上就貯存有電荷，所以電容器實(shí)際上是一種貯存電場能的元件。平板式電容器在忽略其邊緣效應(yīng)時的電容量可用下式表示：式中：S——電容器兩極板遮蓋面積(m2)；Ε——介質(zhì)的介電常數(shù)(F／m)；εr——介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε0——×10－2F——極板間距離(m)。由式可知，若三個變量中任意兩個為常數(shù)而改變另外一個，電容量就發(fā)生變化，根據(jù)這個原理電容傳感器分為變極距型、變面積式、變介質(zhì)式三種類型。它不但廣泛用于位移、振動、角度、加速度等機(jī)械量的精密測量，而且，還逐步擴(kuò)大應(yīng)用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測量。3.8電容傳感器的測量電路有哪些？敘述二極管雙T型交流電橋工作原理。答：與電容式傳感器配用的測量電路很多，常用的有二極管雙T型交流電橋電路、調(diào)頻振蕩電路、運(yùn)算放大器式電路和脈沖調(diào)寬型電路等幾種。二極管雙T型交流電橋如圖（a）所示，高頻電源e提供幅值為E的方波，如圖（b）所示，為兩個特性完全相同的二極管，、為傳感器的兩個差動電容。1）當(dāng)傳感器沒有輸入時（）電路工作原理：當(dāng)電源e為正半周時，導(dǎo)通、截止，即對電容充電，其等效電路如圖（c）所示。然后在負(fù)半周時，電容上的電荷通過電阻、負(fù)載電阻放電，流過負(fù)載的電流為。在負(fù)半周內(nèi)，導(dǎo)通、截止，即對電容充電，其等效電路如圖（d）所示。隨后出現(xiàn)正半周時，通過電阻、負(fù)載電阻放電，流過負(fù)載的電流為。根據(jù)上述條件，則電流，且方向相反，在一個周期內(nèi)流過的平均電流為0。2）當(dāng)傳感器有輸入時（），此時，上必定有信號輸出，其輸出在一個周期內(nèi)的平均值為（式中為電源頻率）在已知的情況下，上式可改為（式中）由此式可知：輸出電壓不僅與電源電壓的幅值和頻率有關(guān)，也與T型網(wǎng)絡(luò)中的電容、的差值的有關(guān)。當(dāng)電源確定后（即電源電壓的幅值E和頻率確定），輸出電壓就是電容、的函數(shù)。3.9推導(dǎo)差動式電容式傳感器的靈敏度，并與單極式電容傳感器相比擬。答：推導(dǎo)過程參見教材P57頁。平板型差動電容傳感器的靈敏度為：平板型改變極距的線位移傳感器的靈敏度為：由以上分析可知，差動式電容傳感器與非差動式傳感器相比，靈敏度可提高1倍，且非線性誤差也可有所減小。3.10有一個直徑為2m、高5m的鐵桶，往桶內(nèi)連續(xù)注水，當(dāng)注水?dāng)?shù)量達(dá)到桶容量的80%時就應(yīng)當(dāng)停止，試分析用電阻應(yīng)變片式或電容式傳感器系統(tǒng)來解決該問題的途徑和方法。解：將4片特性相同的電阻應(yīng)變片對稱地貼在圓筒外外表（如圖所示），并將4片應(yīng)變片接成全橋形式。然后，由此裝置測量出注水?dāng)?shù)量達(dá)到桶容量的80%時，給出一個停止注水的信號。采用電容式傳感器時，在圓筒上下外表各固定一個極板（如圖所示）。當(dāng)在固定兩極板之間參加空氣以外的液體介質(zhì)時，電容量也隨之變化。忽略邊界效應(yīng)，假設(shè)空氣相對介電常數(shù)為，液體介質(zhì)相對介電常數(shù)為，電容量為假設(shè)兩極板間距離為，則，電容量為：由式可得，當(dāng)極板面積和極板間距一定時，電容量大小和被測液體材料的厚度和被測液體材料的介電常數(shù)有關(guān)。然后，由此裝置測量出注水?dāng)?shù)量達(dá)到桶容量的80%時，給出一個停止注水的信號。3.11試設(shè)計電容式差壓測量方案，并簡述其工作原理。答：電容式差壓測量方案其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。當(dāng)動極板移動后，C1和C2成差動變化，即其中一個電容量增大，而另一個電容量則相應(yīng)減小，這樣可以消除外界因素所造成的測量誤差。在零點(diǎn)位置上設(shè)置一個可動的接地中心電極，它離兩塊極板的距離均為，當(dāng)中心電極在機(jī)械位移的作用下發(fā)生位移時，則傳感器電容量分別為：＝＝若位移量很小，且，上兩式可按級數(shù)展開，得：電容量總的變化為：電容量的相對變化為：略去高次項(xiàng)，則與近似成線性關(guān)系：3.12電感式傳感器有幾大類？各有何特點(diǎn)？答：根據(jù)電感的類型不同，可分為自感系數(shù)變化型和互感系統(tǒng)變化型兩類。要將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為自感的變化，在線圈形狀不變的情況下可以通過改變線圈匝數(shù)N使得線圈的自感系數(shù)產(chǎn)生變化，相應(yīng)的就可制成線圈匝數(shù)變化型自感式傳感器。要將被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈匝數(shù)的變化是很不方便的，實(shí)際極少用。當(dāng)線圈匝數(shù)一定時，被測量可以通過改變磁路的磁阻的變化來改變自感系數(shù)。因此這類傳感器又稱為可變磁阻型自感式傳感器。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，可變磁阻型自感式傳感器又分為氣隙厚度變化型、氣隙面積變化型和螺管型三種類型。具有如下幾個特點(diǎn):(1)靈敏度比擬高，目前可測的直線位移，輸出信號比擬大、信噪比擬好；（2）測量范圍比擬小，適用于測量較小位移；（3）存在非線性；（4）功耗較大；（4）工藝要求不高，加工容易。互感式傳感器則是把被測量的變化轉(zhuǎn)換為變壓器的互感變化。變壓器初級線圈輸入交流電壓，次級線圈則互感應(yīng)出電勢。由于變壓器的次級線圈常接成差動形式，故又稱為差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，但其工作原理基本一樣，下面僅介紹螺管形差動變壓器。它可以測量的機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此也被廣泛用于非電量的測量。3.13什么叫零點(diǎn)殘余電壓？產(chǎn)生的原因是什么？答：螺管形差動變壓器結(jié)構(gòu)如圖所示。它由初級線圈P、兩個次級線圈S1、S2和插入線圈中央的圓柱形鐵芯b組成，結(jié)構(gòu)形式又有三段式和兩段式等之分。差動變壓器線圈連接如圖所示。次級線圈S1和S2反極性串聯(lián)。當(dāng)初級線圈P加上某一頻率的正弦交流電壓后，次級線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓為和，它們的大小與鐵芯在線圈內(nèi)的位置有關(guān)。反極性連接便得到輸出電壓。當(dāng)鐵芯位于線圈中心位置時，；當(dāng)鐵芯向上移動（如圖（c））時，M1大，M2??；當(dāng)鐵芯向下移動（如圖（c））時，，M1小，M2大。鐵芯偏離中心位置時，輸出電壓隨鐵芯偏離中心位置，或逐漸加大，但相位相差，如圖所示。實(shí)際上，鐵芯位于中心位置，輸出電壓并不是零電位，而是Ux，Ux被稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓的產(chǎn)生原因：（1）傳感器的兩個二次繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幅值不等、相位不同，構(gòu)成了零點(diǎn)殘余電壓的基波；（2）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（主要是三次諧波）；（3）勵磁電壓本身含高次諧波。3.14題3.14圖所示是一種差動整流的電橋電路，電路由差動電感傳感器、以及平衡電阻、（）組成。橋的一個對角線接有交流電源，另一個對角線為輸出端。試分析該電路的工作原理。UU0Ui解：由圖可得：即，此時電橋的輸出電壓為由于電路由差動電感傳感器、以及平衡電阻、（）組成，即有：，則有：即有：3.15影響差動變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是什么？答：(參見課本P67)傳感器的靈敏度為：故靈敏度與銜鐵最初居中兩側(cè)初始電感為和銜鐵有位移有關(guān)。3.16在膜厚傳感器上，厚度越大，線圈的自感系數(shù)是變大還是變??？答：線圈的自感系數(shù)是變小。3.17電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響？它的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？答：電渦流式傳感器原理結(jié)構(gòu)如圖所示。它由傳感器激勵線圈和被測金屬體組成。根據(jù)法拉電磁感應(yīng)定律，當(dāng)傳感器激勵線圈中通以正弦交變電流時，線圈周圍將產(chǎn)生正弦交流磁場，使位于該磁場中的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流又產(chǎn)生新的交變磁場。新的交變磁場的作用是為了反抗原磁場，這就導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗（其中：為被測體的電阻率；為被測體的磁導(dǎo)率；為線圈與被測體的尺寸因子；為線圈中激磁電流的頻率；為線圈與導(dǎo)體間的距離）。由此可見，線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)，與以上因素有關(guān)。它主要特點(diǎn)是能對位移、厚度、外表溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量，還具有體積小、靈敏度高、頻帶響應(yīng)寬等特點(diǎn)。3.18什么是壓電效應(yīng)？以石英晶體為例說明壓電晶體是怎樣產(chǎn)生壓電效應(yīng)的？答：當(dāng)某些物質(zhì)沿其一定方向施加壓力或拉力時，會產(chǎn)生變形，此時這種材料的兩個外表將產(chǎn)生符號相反的電荷。當(dāng)去掉外力后，它又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。為了直觀地了解石英晶體壓電效應(yīng)和各向異性的原因，將一個單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為圖中的正六邊形排列。圖中陽離子代表Si＋4離子，陰離子代表氧離子2O－2。當(dāng)石英晶體未受外力作用時，帶有4個正電荷的硅離子和帶有2×2個負(fù)電荷的氧離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成3個大小相等，互成120°夾角的電偶極矩P1、P2和P3，如圖（a）所示。P=ql，q為電荷量，l為正、負(fù)電荷之間距離。電偶極矩方向從負(fù)電荷指向正電荷。此時，正、負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P1＋P2＋P3=0，電荷平衡，所以晶體外表不產(chǎn)生電荷，即呈中性。當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時，將產(chǎn)生壓縮變形，正、負(fù)離子的相對位置隨之變動，正、負(fù)電荷中心不再重合，如圖(b)所示。硅離子（1）被擠入氧離子（2）和（6）之間，氧離子（4）被擠入硅離子（3）和（5）之間，電偶極矩在x軸方向的分量（P1＋P2＋P3）x＜0，結(jié)果外表A上呈負(fù)電荷，B面呈正電荷；如果在x軸方向施加拉力，結(jié)果A面和B面上電荷符號與圖（b）所示相反。這種沿x軸施加力，而在垂直于x軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，即為前面所說的“縱向壓電效應(yīng)”。當(dāng)石英晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，晶體如圖（c）所示變形。電偶極矩在x軸方向的分量（P1＋P2＋P3）x＞0，即硅離子（3）和氧離子（2）以及硅離子（5）和氧離子（6）都向內(nèi)移動同樣數(shù)值；硅離子（1）和氧離子（4）向A，B面擴(kuò)伸，所以C，D面上不帶電荷，而A，B面分別呈現(xiàn)正、負(fù)電荷。如果在y軸方向施加拉力，結(jié)果在A，B外表上產(chǎn)生如圖（c）所示相反電荷。這種沿y軸施加力，而在垂直于x軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象被稱為“橫向壓電效應(yīng)”。當(dāng)石英晶體在z軸方向受力作用時，由于硅離子和氧離子是對稱平移，正、負(fù)電荷中心始終保持重合，電偶極矩在x，y方向的分量為零。所以外表無電荷出現(xiàn)，因而沿光軸(z)方向施加力，石英晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。圖表示晶體切片在x軸和y軸方向受拉力和壓力的具體情況。圖(a)是在x軸方向受壓力，圖(b)是在x軸方向受拉力，圖(c)是在y軸方向受壓力，圖(d)是在y軸方向受拉力。如果在片狀壓電材料的兩個電極面上加以交流電壓，那么石英晶體片將產(chǎn)生機(jī)械振動，即晶體片在電極方向有伸長和縮短的現(xiàn)象。這種電致伸縮現(xiàn)象即為前述的逆壓電效應(yīng)。3.19壓電式傳感器能否用于靜態(tài)測量？為什么？答：可以用于靜態(tài)測量。因?yàn)閴弘娛絺鞲衅魇且跃哂袎弘娦?yīng)的元件作為轉(zhuǎn)換元件的有源傳感器，它既可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，也可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。這樣的特性使其可用于與力有關(guān)的物理量的測量，如力、壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動等，也被用于超聲波的發(fā)射與接受裝置。3.20某壓電式壓力傳感器的靈敏度為，假設(shè)輸入壓力為時的輸出電壓式1V，試確定傳感器總電容量。解：傳感器總電容量為題3.211－傳感器2－機(jī)器3－底座3.21題3.21圖所示是用壓電式傳感器和電荷放大器測量某種機(jī)器的振動，已知傳感器的靈敏度為100pC/g，電荷放大器的反饋電容，測得輸出電壓峰值為，振動頻率為100Hz。題3.211－傳感器2－機(jī)器3－底座（1）求機(jī)器振動的加速度最大值；（2）假定振動為正弦波，求振動的速度；（3）求出振動的幅度的最大值。解：（1）因?yàn)樗杂蓚鞲衅鞯撵`敏度可得機(jī)器振動的加速度最大值（2）即即振動的速度為：（3）振動的幅度的最大值為：3.22根據(jù)題3.22所示石英晶體切片上的受力方向，標(biāo)出晶體切片上產(chǎn)生電荷的符號。題3.題3.22圖解：如圖所示3.23壓電式傳感器測量電路的作用是什么？其核心是解決什么問題？答：由于壓電式傳感器產(chǎn)生的電量非常小，所以要求測量電路輸入級的輸入電阻非常大以減小測量誤差。因此，在壓電式傳感器的輸出端，總是先接入高輸入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大電路。前置放大器作用是：1）將壓電傳感器的輸出信號放大；2）將高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。壓電式傳感器的測量電路有電荷型與電壓型兩種，相應(yīng)的前置放大器也有電荷型與電壓型兩種形式。3.24一壓電式傳感器的靈敏度，連接靈敏度的電荷放大器，所用的筆式記錄儀的靈敏度，當(dāng)壓力變化時，紀(jì)錄筆在記錄紙上的偏移為多少？解：3.25采用SZMB-3型磁電式傳感器測量轉(zhuǎn)速，當(dāng)傳感器輸出頻率為1kHz的正弦波信號時，被測軸的轉(zhuǎn)速是多少？解：被測軸的轉(zhuǎn)速為：轉(zhuǎn)/秒3.26請你設(shè)計一種霍爾式液位控制器，要求：（1）畫出磁路系統(tǒng)示意圖；（2）畫出電路原理簡圖；（3）簡要說明其工作原理。答：在所要控制的液位中放置一霍爾傳感器，在其正下放置一塊帶有永久磁鐵的浮子，當(dāng)磁鐵隨浮子移動到距傳感器幾毫米到十幾毫米（此距離由設(shè)計確定）時，傳感器的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，運(yùn)動部件停止移動（有關(guān)圖略）。3.27什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電勢與哪些因素有關(guān)？答：如圖所示在金屬或半導(dǎo)體薄片相對兩側(cè)面ab通以控制電流I，在薄片垂直方向上施加磁場B，則在垂直于電流和磁場的方向上，即另兩側(cè)面cd會產(chǎn)生一個大小與控制電流I和磁場B乘積成正比的電動勢UH，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。即式中：KH——霍爾元件的靈敏度。式中：RH——霍爾系數(shù)，它反應(yīng)元件霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱，由材料性質(zhì)決定。單位體積內(nèi)導(dǎo)電粒子數(shù)越少，霍爾效應(yīng)越強(qiáng)，半導(dǎo)體比金屬導(dǎo)體霍爾效應(yīng)強(qiáng)，所以常采用半導(dǎo)體材料做霍爾元件；d——霍爾元件的厚度。由式可知，對于材料和尺寸確定的元件,KH保持常數(shù)，霍爾電勢UH僅與IB的乘積成正比。3.28什么是霍爾元件的溫度特性？如何進(jìn)行補(bǔ)償？答：當(dāng)霍爾元件的工作溫度發(fā)生變化時，它的一些技術(shù)參數(shù)，如輸入電阻、輸出電阻和霍爾電勢都要隨著發(fā)生變化，從而使霍爾元件產(chǎn)生溫差電勢。這種特性稱為溫度特性。圖恒流源補(bǔ)償圖恒流源補(bǔ)償1）恒流源補(bǔ)償當(dāng)負(fù)載電阻比霍爾元件輸出電阻大得很多時，輸出電阻的變化對輸出電勢的影響很小，故只需考慮在輸入端進(jìn)行補(bǔ)償。這種補(bǔ)償可以采用恒流源供電，因?yàn)樵诤懔鞴ぷ飨?，沒有霍爾元件輸入電阻的影響。也可采用在電壓源供電的電路中串入一個比輸入電阻大得多的電阻R，這對霍爾元件的輸入端來說，相當(dāng)于恒流源供電，如圖所示。這時，當(dāng)輸入電阻隨溫度變化時，控制電流的變化很小，從而實(shí)現(xiàn)了對輸入端的溫度補(bǔ)償。電阻R可由下式計算：式中：β——內(nèi)阻溫度系數(shù)；α——霍爾電勢溫度系數(shù)；Ri——輸入電阻。將元件的α、β值代入式，根據(jù)Ri的值就可確定串聯(lián)電阻R的值。例如，對于國產(chǎn)HZ-1型霍爾元件，查表3-11得α—0.04％，β－0.5％，Ri=110，則R=1265。2）利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償在輸入端控制電流恒定，即輸入電流隨溫度變化可以忽略的情況下，如果輸出電阻隨溫度增高而增大測會引起負(fù)載RL上的電壓隨溫度上升而減小，而HZ-1型霍爾元件的輸出電勢卻是隨溫度的上升而增大。利用這一關(guān)系，如圖所示，只要選擇適宜的負(fù)載電阻RL，就有可能補(bǔ)償這種溫度影響。能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)腞L可按下式計算：通常。圖輸出回路負(fù)載補(bǔ)償（a）基本電路；(b)等效電路3.29要進(jìn)行兩個電壓乘法演運(yùn)算，若采用霍爾元件作為運(yùn)算器，請?zhí)岢鲈O(shè)計方案，并畫出測量系統(tǒng)的原理圖。答：方案如圖所示圖(a)為直流供電情況，控制電流端并聯(lián)，調(diào)節(jié)RP1，RP2可使兩元件輸出的霍爾電壓相等。A、B為輸出端，它的輸出電壓值為單個元件的兩倍。圖(b)為交流供電情況，控制電流端串聯(lián)，各元件的輸出端接至輸出變壓器的初級繞組，變壓器的次級繞組便有霍爾電壓信號的疊加值輸出?；魻栐敵龅寞B加連接（a）直流代電（b）交流供電3.30簡述熱電偶的幾個重要定律，并分別說明它們的實(shí)用價值。答：（1）中間導(dǎo)體定律若在熱電偶回路中插入中間導(dǎo)體，無論插入導(dǎo)體的溫度分布如何，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，則對熱電偶回路的總電動勢無影響——這就是中間導(dǎo)體定律。如圖所示只要M1、M2端的溫度相同，則總電動勢在插入C與未插入C時一樣。即（3-113）這是因?yàn)閷?dǎo)體C與導(dǎo)體A接觸，兩個接觸點(diǎn)M1，M2的溫度都為T1，因而它們沒有溫差電動勢，只有接觸電動勢EAC(T1)，ECA(T1)，且（3-114）故（3-115）中間導(dǎo)體定律的使用價值在于：利用熱電偶實(shí)際測溫時，可以將連接導(dǎo)線和顯示儀表看成是中間導(dǎo)體，只要保證中間導(dǎo)體兩端溫度相同，則對熱電偶的熱電動勢沒有影響。圖3.66熱電偶中間溫度定律示意圖圖3.66熱電偶中間溫度定律示意圖圖3.65熱電偶中間導(dǎo)體定律示意圖（2）中間溫度定律如圖所示熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為T、T0時的熱電動勢EAB(T，T0)等于該熱電偶在(T，Tn)及(Tn，T0)時的熱電動勢EAB(T，Tn)與EAB(Tn，T0)之和——這就是中間溫度定律。其中Tn稱為中間溫度。中間溫度定律的實(shí)用價值在于：當(dāng)自由端溫度不為0℃例3.4用鎳鉻—鎳硅熱電偶測爐溫時，其冷端溫度T=30℃，在直流電位計上測得的熱電勢EAB(T，30分析：EAB(T，T0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，T0)EAB(T，Tn)已知，EAB(Tn，T0)已知，先求EAB(T，T0)再查分度表得出爐溫了。解：(1)查鎳鉻——鎳硅熱電偶K分度表EAB(Tn，0℃)=EAB(30℃，0℃(2)EAB(T，0℃)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，0=EAB(T，30℃)+EAB(30℃,=30.839+1.203=32.042(mv)(3)再查分度表EAB(T，0℃)=32.042mv的溫度值為770圖3圖3.67熱電偶參考電極定律示意圖如圖所示已知熱電極A、B與參考電極C組成的熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為(T，T0)時的熱電動勢分別為EAC(T，T0)與EBC(T，T0)，則相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對后的熱電動勢EAB(T，T0)可按下面公式計算：EAB(T，T0)=EAC(T，T0)－EBC(T，T0)（3-116）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(guān)熱電極與參考電極配對的熱電動勢，那么任何兩種熱電極配對時的電動勢均可利用該定律計算，而不需逐個進(jìn)行測定。例3.5當(dāng)T為100℃，T0為0℃時，鉻合金－鉑熱電偶的E(100℃，0℃)=+3.13mV，鋁合金－鉑熱電偶E(100℃，0℃)為－1.02mV，求鉻合金一鋁合金組成熱電偶材料的熱電勢解：設(shè)鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C即EAC(100℃，EBC(100℃，則EAB(100℃，0℃)=EAC(100℃，0℃)—EBC3.31用鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶測溫度，已知冷端溫度為40℃解：分析：EAB(T，T0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，T0)EAB(T，Tn)已知，EAB(Tn，T0)已知，先求EAB(T，T0)再查分度表得出爐溫了。(1)查鎳鉻——鎳硅熱電偶K分度表EAB(Tn，0℃)=EAB(40℃，0℃(2)EAB(T，0℃)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，0=EAB(T，40℃)+EAB(30℃,0=29.188+1.611=30.799(mv)(3)再查分度表EAB(T，0℃)=30.799mv的溫度值為7403.32試述熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)膸追N主要方法和補(bǔ)償原理。解：1)冷端恒溫法將熱電偶的冷端置于冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的溫度保持0℃2)計算修正法利用中間溫度定律計算修正。此時應(yīng)使冷端維持在某一恒定(或變化較小)的溫度上。可以將熱電偶的冷端置于電熱恒溫器中，恒溫器的溫度略高于環(huán)境溫度的上限?；?qū)犭娕嫉睦涠酥糜诖笥筒刍蚩諝獠涣鲃拥拇笕萜髦?，利用其熱慣性，使冷端溫度變化較為緩慢。3)儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法當(dāng)熱電偶與動圈式儀表配套使用時，若熱電偶的冷端溫度比擬恒定，對測量精度要求又不太高時，可將動圈式儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)至熱電偶冷端所處的溫度T0處，這相當(dāng)于在輸入熱電偶的熱電動勢前就給儀表輸入一個熱電動勢E(T0，0℃4)電橋補(bǔ)償法如圖所示，R1、R2、R3和限流電阻Rg（由溫度系數(shù)很小的錳銅絲做成），Rcu由電阻溫度系數(shù)較大的銅線或鎳線繞制而成。U0=E(T,T0)+Uad當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時，設(shè)計電橋處于平衡狀態(tài)，此時Uab=0，電橋無補(bǔ)償作用。當(dāng)環(huán)境溫度升高，熱電偶冷端溫度也隨之升高，此時熱電偶的熱電動勢就有所降低。這時Rcu的阻值隨環(huán)境溫度升高而增大，電橋失去平衡，Uab上升并與EAB(T，T0))迭加，若適當(dāng)選擇橋臂電阻和電流的數(shù)值，可以使Uab正好補(bǔ)償熱電偶冷端溫度升高所降低的熱電動勢值。由于電橋設(shè)計在20℃時平衡，則測溫儀表的機(jī)械零點(diǎn)要預(yù)先調(diào)到℃的熱電偶和電壓表相連接，電壓表接線端是50℃答：參考題3.34請說明熱電偶的參考端在實(shí)際應(yīng)用中的意義和處理方法。答：由熱電偶的測溫原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢大小與兩端溫度的有關(guān)，熱電偶的輸出電動勢只有在參考端溫度不變的條件下，才與工作端溫度成單值函數(shù)。熱電偶的在實(shí)際應(yīng)用中選用應(yīng)根據(jù)被測溫度、壓力、介質(zhì)性質(zhì)、測溫時間長短來選擇熱電偶和保護(hù)管，其安裝位置要有代表性，安裝方法要正確。3.35光電效應(yīng)有哪幾種？與之對應(yīng)的光電元件各是哪些？請簡述其特點(diǎn)。答：光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。1．外光電效應(yīng)在光線照射下，電子逸出物體外表向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也叫光電發(fā)射效應(yīng)。其中，向外發(fā)射的電子稱為光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料。物體在光的照射下，電子吸收光子的能量后，一部分用于克服物質(zhì)對電子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)化為逸出電子的動能。當(dāng)光子的能量大于電子逸出功時，物質(zhì)內(nèi)的電子脫離原子核的吸引向外逸出，就產(chǎn)生了外光電效應(yīng)。2．內(nèi)光電效應(yīng)在光線照射下，物體內(nèi)的電子不能逸出物體外表，而使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。1）光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，電子吸收光子能量后而引起物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。絕大多數(shù)的高電阻率半導(dǎo)體材料都存在這種效應(yīng)，當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，材料中處于價帶的電子吸收光子能量后，從價帶越過禁帶激發(fā)到導(dǎo)帶，從而形成自由電子，同時，價帶也會因此形成自由空穴，即激發(fā)出電子—空穴對，從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴濃度增加，引起材料的電阻率減小，導(dǎo)電性能增強(qiáng)。2）光生伏特效應(yīng)在光線照射下，半導(dǎo)體材料吸收光能后，引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)兩端沒有外加電壓時，在PN結(jié)勢壘區(qū)存在著內(nèi)電場，其方向是從N區(qū)指向P區(qū)，如圖所示。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時，如果光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，電子就能夠從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶成為自由電子，價帶成為自由空穴。從而在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對。這些電子—空穴對在PN結(jié)的內(nèi)部電場作用下，電子移向N區(qū)，空穴移向P區(qū)，電子在N區(qū)積累，空穴在P區(qū)積累，從而使PN結(jié)兩端形成電位差，PN結(jié)兩端便產(chǎn)生了光生電動勢。圖PN結(jié)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)3．外光電效應(yīng)器件基于外光電效應(yīng)工作原理制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。1）光電管的結(jié)構(gòu)及原理光電管由—個涂有光電材料的陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形置于玻璃管的中央。真空光電管的結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)光電管的陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。如果在外電路中串入一適當(dāng)阻值的電阻，則在光電管組成的回路中形成電流，并在負(fù)載電阻上產(chǎn)生輸出電壓。在入射光的頻譜成分和光電管電壓不變的條件下，輸出電壓與入射光通量成正比。圖光直空電管的結(jié)構(gòu)2）光電倍增管的結(jié)構(gòu)及原理光電倍增管由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成，如圖所示。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅—鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級，通常為12級～14級。陽極是最后用來收集電子的，它輸出的是電壓脈沖。圖光電倍增管的結(jié)構(gòu)當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾個微安，很不容易探測。為了提高光電管的靈敏度，這時常用光電倍增管對電流進(jìn)行放大。光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換過程為：當(dāng)入射光的光子打在光電陰極上時，光電陰極發(fā)射出電子，該電子流又打在電位較高的第一倍增極上，于是又產(chǎn)生新的二次電子；第一倍增極產(chǎn)生的二次電子又打在比第一倍增極電位高的第二倍增極上，該倍增極同樣也會產(chǎn)生二次電子發(fā)射，如此連續(xù)進(jìn)行下去，直到最后一級的倍增極產(chǎn)生的二次電子被更高電位的陽極收集為止，從而在整個回路里形成光電流。3.36某光敏三極管在強(qiáng)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250Ω?，F(xiàn)欲設(shè)計兩個簡單的光電開關(guān)，其中一個是有強(qiáng)光照時繼電器吸合，另一個相反，是有強(qiáng)光照時繼電器釋放。請分別畫出兩個光電開關(guān)的電路圖（采用普通三極管放大），并標(biāo)出電源極性及選用的電壓值。題3.37圖題3.37圖3.38請用激光傳感器設(shè)計一臺激光測量汽車速度的裝置（畫出示意圖），并論述其測速的基本工作原理。答：汽車上安定一個反光體，當(dāng)激光照射時，反光體將激光反射反回來，將會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。發(fā)射機(jī)發(fā)射出的激光向被測物體輻射，被測物體以速度運(yùn)動，如圖（a）所示，被測物體作為接收機(jī)接收到的頻率為：式中：——發(fā)射機(jī)發(fā)射信號的頻率；——被物體的運(yùn)動速度； ——激光波長，，為激光的傳播速度。如果將作為反射波向接收機(jī)發(fā)射信號，如圖（b）所示。接收機(jī)接收到的信號頻率為：由于被測物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于激光光速，則可認(rèn)為，即由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱為多普勒頻率，即由此可見，被測物體的運(yùn)動速度可以用多普勒頻率來描述。3.39什么是超聲波？超聲波通過兩種介質(zhì)界面時，會發(fā)生什么現(xiàn)象？答：波是振動在彈性介質(zhì)中的傳播，振動頻率20kHz以上的機(jī)械波稱為超聲波。當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介紹中的傳播速度不同，在異質(zhì)界面上將會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。3.40用超聲波探頭測工件時，往往要在工件與探頭接觸的外表上加一層耦合劑，這是為什么？答：用聲波進(jìn)行檢測時，在工件與探頭接觸的外表加一層耦合劑。相當(dāng)于聲波由一種介質(zhì)內(nèi)傳來、通過第二種介質(zhì)傳到第三種介質(zhì)中去的時候。假設(shè)聲波由聲阻抗為的介質(zhì)中入射到聲阻抗為和二種介質(zhì)的交界面上，然后透過第二種介質(zhì)入射到和二種介質(zhì)的交界面上，最后進(jìn)入聲阻抗為的介質(zhì)，如圖所示。由物理學(xué)可知，進(jìn)入第三介質(zhì)的聲波聲壓與第一介質(zhì)的聲壓的比為：式中：——耦合劑的厚度。則由透射系數(shù)定義（進(jìn)入第三介質(zhì)的聲強(qiáng)與入射波聲強(qiáng)的比值）可得：（3-135）若令，當(dāng)時，上式可簡化為：（3-136）這時若有，得到。其物理意義是：當(dāng)聲波垂直通過聲阻抗分別、、的介質(zhì)所組成的界面時，只要耦合劑的聲阻抗為介質(zhì)1和介質(zhì)3的幾何平均值時，則選取耦合劑的厚度為聲波波長的時，就能獲得聲波的全透射。3.41請你依據(jù)已學(xué)過的知識設(shè)計一個超聲波液位計（畫出原理框圖，并簡要說明它的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)）。答：采用單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個換能器，如圖所示結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播。超聲波從發(fā)射到液面，又從液面反射到換能器的時間為t，則換能器距液面的距離h為：式中，v為超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。由此可知，只要測量從液面反射到換能器的時間為t，即可液位情況。3.42微波傳感器分為哪兩種？其工作原理是什么？答：微波傳感器就是指利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，遇到被測物體時將被吸收或反射，使其功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測物或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成為電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路后，即可顯示出被測量，從而實(shí)現(xiàn)微波檢測過程。根據(jù)上述原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。3.43比擬微波傳感器與超聲波傳感器有何異同。，如表所示項(xiàng)目微波傳感器超聲波傳感器波類型電磁波機(jī)械波反射特性在不同介電常數(shù)的界面上反射在不同聲阻抗的界面上反射壓力影響微不足道很小溫度影響微不足道需溫度補(bǔ)償傳播速度約（真空中）約（空氣中，）測量盲區(qū)到天線頂端離輻射面大于傳播環(huán)境很少受氣相環(huán)境影響要求均一的氣體環(huán)境3.44請用紅外傳感器設(shè)計一臺紅外防盜裝置（畫出它的示意圖），并說明其工作原理？答：紅外報警器主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、信號處理和報警電路等幾部分組成。一般人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10μm左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖中，菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測元上，同時也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測元要求信號不斷變化的特性；熱釋電紅外傳感器是報警器設(shè)計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號以供信號處理部分使用；信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進(jìn)行放大、濾波、延遲、比擬。待測目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)（菲涅爾透鏡）熱釋電紅外傳感器信號處理待測目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)（菲涅爾透鏡）熱釋電紅外傳感器信號處理報警電路報警器結(jié)構(gòu)框圖3.45在精密車床上使用刻線為5400條/周圍光柵作長度檢測時，其檢測精度為，問該車床絲桿的螺距為多少？3.46動態(tài)讀磁頭與靜態(tài)讀磁頭有何區(qū)別？答：動態(tài)磁頭又稱速度響應(yīng)式磁頭，它只有一組輸出繞組，只有當(dāng)磁頭磁柵有相對運(yùn)動時，才有信號輸出。運(yùn)動速度不同，輸出信號的大小也不同，靜止時沒有信號輸出，故不適用于長度測試。圖3.239所示為動態(tài)磁頭外形。磁芯材料為鐵鎳合金（含Ni80%）片，每片厚度為，疊成需要有厚度。圖3.240所示為該類磁頭讀取信號的示意圖。圖中W為磁信號節(jié)距，讀出信號為正弦信號，在N和N相重疊處為正的最強(qiáng)，S和S相重疊處為負(fù)的最強(qiáng)。靜態(tài)磁頭又稱磁通響應(yīng)式磁頭，它在磁頭與磁柵間沒有相對運(yùn)動的情況下也有信號輸出。圖3.241所示為靜態(tài)磁頭實(shí)例，磁芯材料為高磁導(dǎo)率材料，如坡莫合金，單片厚度等于。磁芯由三種不同形式的薄膜疊合而成，疊合順序?yàn)锳→B→C→B→D→B→C→B→A反復(fù)循環(huán)，組成一個多間隙磁頭。磁芯上繞有兩個繞組，一個勵磁繞組匝，它由一交變的勵磁電壓激勵，產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度沿圖中虛線所示的途徑流通。另一個為輸出繞組匝，它根據(jù)勵磁繞組所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁尺上的磁化強(qiáng)度的變化情況，輸出一個與磁尺位置相對應(yīng)的信號。兩個繞組的線徑。在勵磁繞組中通入交變的勵磁電流，使磁芯的可飽和部分（截面較?。┰诿恐軆?nèi)兩次被電流產(chǎn)生的磁場飽和。這時磁芯的磁阻很大，磁柵上的漏磁通就不能由磁芯流過輸出繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢。只有在勵磁電流每周兩次過零時，可飽和磁芯不被飽和，磁柵上的漏磁通才能渡過輸出繞組的磁芯而產(chǎn)生電勢，其頻率為勵磁電流頻率的兩倍，輸出幅值與磁柵進(jìn)入磁芯漏磁通的大小成正比例。為了增大輸出，實(shí)際使用時，常將這種磁頭多個串聯(lián)起來做成一體（稱為多間隙靜態(tài)磁頭），如圖3.242所示。圖3.239動態(tài)磁頭外形圖3.240動態(tài)磁頭讀取信號的示意圖圖3.241靜態(tài)磁頭外形及磁頭讀取信號的示意圖3.47機(jī)械工業(yè)中常用的數(shù)字式傳感器有哪幾種？各利用了什么原理？它們各有何特點(diǎn)？答：按照輸出信號的形式，常用的數(shù)字式傳感器可分為三類：脈沖輸出式數(shù)字傳感器（如光柵傳感器、感應(yīng)同步器、增量編碼器等），編碼輸出式數(shù)字傳感器（如絕對編碼器等），頻率輸出式數(shù)字傳感器。此外，數(shù)字式傳感器也可分為直接數(shù)字式傳感器和準(zhǔn)數(shù)字式傳感器兩大類。其中，直接數(shù)字式傳感器是指它的輸出為二元形式（0-1）的信號，它包括各種編碼器（直接編碼器、光柵、磁柵、感應(yīng)同步器、CCD或類似的光敏器件以及觸發(fā)器式的傳感器）。準(zhǔn)數(shù)字式傳感器是指以頻率形式輸出的諧振式傳感器。它們輸出信號可以為頻率脈沖個數(shù)、位相或脈沖寬度，它包括機(jī)械式的（振弦、振桿、振膜、振筒、振殼等）、聲學(xué)的（SAW）、光學(xué)的（包括激光器）以及電學(xué)的（各種L、C、R組合形成的振蕩器）。3.48數(shù)字式傳感器及數(shù)顯表采用微機(jī)后，有什么好處？答：具有處理更方便、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)可以高速遠(yuǎn)距離傳輸、而且可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測控、便于實(shí)現(xiàn)動態(tài)及多路測量、數(shù)據(jù)共享及易于與計算機(jī)接口等。3.49生物傳感器有哪些類型？有什么特點(diǎn)？答：按照敏感膜材料（分子識別元件）和敏感元件（電信號轉(zhuǎn)換元件）的不同，生物傳感器有多種分類方法，但主要有兩種分類法。（1）敏感膜材料按照敏感膜材料的不同，生物傳感器可分為細(xì)胞器傳感器（organallsensor）、微生物傳感器（microbialsensor）、免疫傳感器（immunolsensor）、酶傳感器（enzymesensor）和組織傳感器（tissuesensor）等五大類（如圖3.255）。圖3.255生物傳感器按敏感膜分類（2）敏感元件按照敏感元件的工作原理不同，生物傳感器可分為生物電極（bioelectrode）、熱生物傳感器（calorimetricbiosensor）、壓電晶體生物傳感器（piezoelectricbiosensor）、半導(dǎo)體生物傳感器（semiconductbiosensor）、光生物傳感器（opticalbiosensor）和介體生物傳感器（mediumbiosensor）等（如圖3.256）。圖3.256生物傳感器按敏感元件分類與通常的化學(xué)分析法相比，生物傳感器具有以下特點(diǎn)：分析速度快，可以在較短的時間內(nèi)得到結(jié)果；準(zhǔn)確度高，一般相對誤差可以達(dá)到1%；操作較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動分析；生物傳感器的主要缺點(diǎn)是使用壽命較短。3.50酶傳感器的檢測方式有哪幾種？試舉例說明。答：常見的酶傳感器有電流型和電位型兩種。其中，電流型是由與酶催化反應(yīng)有關(guān)物質(zhì)電極反應(yīng)所得到的電流來確定反應(yīng)物質(zhì)的濃度，一般采用氧電極、電極等；而電位型是通過電化學(xué)傳感器件測量敏感膜電位來確定與催化反應(yīng)有關(guān)的各種物質(zhì)的濃度，一般采用電極、電極、電極等。下面以葡萄糖酶傳感器為例說明其工作原理與檢測過程。圖所示為葡萄糖酶傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，它的敏感膜為葡萄糖氧化酶，固定在聚乙烯酰胺凝膠上。敏感元件由陰極，陽極和中間電解液（強(qiáng)堿溶液）組成。在電極外表上覆蓋一層透氧化的聚四氟乙烯膜，形成封閉式氧電極，它避免了電極與被測液直接接觸，防止電極毒化。當(dāng)電極浸入含蛋白質(zhì)的介質(zhì)中，蛋白質(zhì)會沉淀在電極外表上，從而減小電極有效面積，使兩電極之間的電流減小，傳感器受到毒化。測量時，葡萄糖酶傳感器插入到被測葡萄糖溶液中，由于酶的催化作用而耗氧（過氧化氫），其反應(yīng)式為葡萄糖+葡萄糖酸+式中，GOD為葡萄糖氧化酶。由式可知，葡萄糖氧化時產(chǎn)生，而通過選擇性透氣膜，使聚四氟乙烯膜附近的氧化量減少，相應(yīng)電極的復(fù)原電流減少，從而通過電流值的變化來確定葡萄糖的濃度。3.51免疫傳感器有哪兩種類型？其工作原理分別是什么？答：免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。利用抗體能識別抗原并與抗原結(jié)合的功能的生物傳感器稱為免疫傳感器。它利用固定化抗體（或抗原）膜與相應(yīng)的抗原（或抗體）的特異反應(yīng)，反應(yīng)的結(jié)果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化。免疫傳感器一般可分為非標(biāo)識免疫傳感器和標(biāo)識免疫傳感器。當(dāng)抗體固定在傳感器外表，當(dāng)傳感器外表與含有抗原體的溶液接觸時，傳感器外表就會形成抗菌素體的復(fù)合體，比擬抗原抗體復(fù)合體形成前后的特性，即可知發(fā)生的物理變化，此種結(jié)構(gòu)的傳感器稱為非標(biāo)識免疫傳感器。而標(biāo)識免疫傳感器是利用酶的標(biāo)識劑來增加免疫傳感器的檢測靈敏度。前者適合于定量檢測，后者適用于如荷爾蒙、胰島素等高靈敏度檢測。圖所示為梅毒抗體傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，它由三個容器組成，1為基準(zhǔn)容器，2為測試容器，3為抗原容器。梅毒抗菌抗體傳感器使用脂質(zhì)抗菌素原固定化膜，將乙酰纖維素和抗原溶于二氯乙烷與乙醇混合溶液中，然后將它攤在玻璃板上，形成厚度為10的膜。將抗原在膜中進(jìn)行包裹固定化，干燥后將膜剝下，通過支持物將它固定在容器內(nèi)。參考膜（不含有抗原的純乙酰纖維素膜）與抗原膜由容器1和容器3分開。血清注入容器2中，抗原膜作為帶電膜而工作，如果血清中存在抗體，則抗體被吸附于抗原外表形成復(fù)合體。因抗體帶正電荷，所以膜的負(fù)電荷減少，引起膜電位變化，最后通過測定兩個電極間的電位差，來判斷血清中是否存在梅毒抗體。3.52什么是智能傳感器？傳感器的智能化主要包括什么內(nèi)容？答：智能傳感器是基于人工智能、信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具有分析、判斷、量程自動轉(zhuǎn)換，漂移、非線性和頻率響應(yīng)等自動補(bǔ)償，對環(huán)境影響量的自適應(yīng)，自學(xué)習(xí)以及超限報警、故障診斷等功能的傳感器。傳感器智能化主要包括：邏輯判斷和統(tǒng)計處理、自診斷和自校準(zhǔn)、自適應(yīng)和自調(diào)整、組態(tài)、記憶和存儲、數(shù)據(jù)通信等功能。3.53微傳感器的特點(diǎn)是什么？有什么應(yīng)用？答：微傳感器具有以下特點(diǎn)：（1）空間占有率小。對被測對象的影響少，能在不擾亂周圍環(huán)境，接近自然的狀態(tài)下獲取信息。（2）靈敏度高，響應(yīng)速度快。由于慣性、熱容量極小，僅用極少的能量即可產(chǎn)生動作或溫度變化。分辨率，響應(yīng)快，靈敏度高，能實(shí)時地把握局部的運(yùn)動狀態(tài)。（3）便于集成化和多功能化。能提高系統(tǒng)的集成密度，可以用多種傳感器的集合體把握微小部位的綜合狀態(tài)量；也可以把信號處理電路和驅(qū)動電路與傳感元件集成于一體，提高系統(tǒng)的性能，并實(shí)現(xiàn)智能化和多功能化。（4）可靠性提高?？赏ㄟ^集成，構(gòu)成伺服系統(tǒng)，用零位法檢測；還能實(shí)現(xiàn)自診斷、自校正功能。把半導(dǎo)體微加工技術(shù)應(yīng)用于微傳感器的制作，能避免因組裝引起的特性偏差。與集成電路集成在一起可以解決寄生電容和導(dǎo)線過多的問題。（5）消耗電力小，節(jié)省資源和能量。（6）價格低廉。能多個傳感器制作在一起且無須組裝，可以在一塊晶片上同時制作幾個傳感器，大大降低了材料和制造本錢。3.54模糊傳感器具有哪些基本功能？其基本結(jié)構(gòu)是怎樣的？答：模糊傳感器作為一種智能傳感器，它應(yīng)該具有智能傳感器的基本功能，即學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想、感知和通信功能。模糊傳感器的基本功能決定了其基本結(jié)構(gòu)。1．邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)所謂模糊傳感器的邏輯結(jié)構(gòu)就是在邏輯上要完成的功能，圖3.306所示是模糊傳感器的簡化邏輯結(jié)構(gòu)框圖。一般來說，模糊傳感器邏輯上可分為轉(zhuǎn)換部分和符號處理與通信部分。從功能上看，有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換層、數(shù)值—符號轉(zhuǎn)換層、符號處理層、有指導(dǎo)信息層和通信層。這些功能有機(jī)地集成在一起，完成數(shù)值—符號轉(zhuǎn)換功能。與模糊傳感器邏輯功能相對應(yīng)，一種典型的物理結(jié)構(gòu)如圖3.307所示。由圖可知，模糊傳感器是以計算機(jī)為核心，以傳統(tǒng)測量為基礎(chǔ)，采用軟件實(shí)現(xiàn)符號的生成和處理，在硬件支持下可實(shí)現(xiàn)有導(dǎo)師學(xué)習(xí)功能，通過通信單元實(shí)現(xiàn)與外部的通信。圖3.306模糊傳感器的基本邏輯圖3.307模糊傳感器的基本物理結(jié)構(gòu)2．多維模糊傳感器結(jié)構(gòu)圖3.308所示為多維模糊傳感器結(jié)構(gòu)框圖。由圖可知，由敏感元件、信號調(diào)理以及A/D轉(zhuǎn)換器組成的基礎(chǔ)測量單元完成傳統(tǒng)的傳感測量任務(wù)。由數(shù)值預(yù)處理、數(shù)值—符號轉(zhuǎn)換器、概念生成器、數(shù)據(jù)庫、知識庫構(gòu)成的符號生成與處理單元實(shí)現(xiàn)模糊傳感器核心工作——數(shù)值—符號轉(zhuǎn)換。單一被測量的一維情況只能是多維模糊傳感器的一個特殊情況。數(shù)值符號的模糊化必須有知識庫中專家知識的支持，知識庫中存放的知識主要有符號量及其隸屬函數(shù)、合成概念的推理合成規(guī)則、被測對象的背景知識以及測量系統(tǒng)的有關(guān)情況等。知識庫經(jīng)驗(yàn)隸屬函數(shù)可以通過模糊統(tǒng)計法、選擇比擬法等方法產(chǎn)生，而對于不同的測量對象具體實(shí)現(xiàn)時的輸入信息模糊化過程，則可以在知識庫經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下，通過語義關(guān)系自動產(chǎn)生，也可以在導(dǎo)師指導(dǎo)下通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練來產(chǎn)生并修正隸屬函數(shù)曲線，這正是設(shè)計學(xué)習(xí)單元的主要目的。調(diào)整好的符合量和隸屬關(guān)系放入知識庫中。通過調(diào)整符號量的隸屬，可使模糊傳感器適合不同的測量目的。通過對一組采樣樣本的訓(xùn)練，模糊傳感器可以自動產(chǎn)生一個概念序列放在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)有數(shù)值測量結(jié)果送入時，按最大隸屬度原則選一符號量輸出，即實(shí)現(xiàn)了數(shù)值—符號轉(zhuǎn)換。學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要是為了調(diào)整概念而設(shè)計的，當(dāng)測量系統(tǒng)用于不同的測量目的時，或不同用戶有不同要求時，用戶通過學(xué)習(xí)系統(tǒng)來調(diào)整符號量的隸屬關(guān)系，滿足自己的測量目的，調(diào)整好的符號量放入知識庫中。推理器主要是用來實(shí)現(xiàn)復(fù)合概念的生成。由于復(fù)合概念是建立在經(jīng)驗(yàn)知識基礎(chǔ)上，測量結(jié)果不能通過公式計算，必須利用知識庫中的經(jīng)驗(yàn)知識通過模糊推理來實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)有導(dǎo)師學(xué)習(xí)，還必須具有輸入設(shè)備，用戶通過它實(shí)現(xiàn)對傳感器的控制和調(diào)整概念。通信接口實(shí)現(xiàn)模糊傳感器與上級系統(tǒng)之間的信息交換，把測量結(jié)果（數(shù)值量與符號量）輸出到系統(tǒng)總線，并從系統(tǒng)總線上接收上級系統(tǒng)的命令。人機(jī)接口是模糊傳感器與操作者進(jìn)行信息交流的通道。管理器主要是對測量系統(tǒng)自身的管理，接收上級系統(tǒng)的命令，開啟/關(guān)閉測量系統(tǒng)，調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，根據(jù)上級系統(tǒng)的要求決定輸出量的類型（數(shù)值量或者語言符號量）等。圖3.308多維模糊傳感器結(jié)構(gòu)框圖3．有導(dǎo)師學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)具有學(xué)習(xí)功能使得模糊傳感器的智能化水平提高。圖3.309所示為具有學(xué)習(xí)功能的模糊傳感器示意圖。由圖可知，有導(dǎo)師學(xué)習(xí)法的基本原理是基于比擬導(dǎo)師和傳感器對同一被測值的定性描述的差別進(jìn)行學(xué)習(xí)的。對同一被測值，如果導(dǎo)師的語言描述符號為，模糊傳感器結(jié)構(gòu)的描述為，則與進(jìn)行比擬，結(jié)果如下：（1）如果，則正，那么增加；（2）如果，則負(fù)，那么減少；（3）如果，則0，那么保持。其中，為誤差，為控制量，被控量為概念的隸屬函數(shù)，控制行為是“增加”、“減少”和“保持”?！霸黾印笔侵鸽`屬曲線向數(shù)值小的方向平移或擴(kuò)展，“減少”指向數(shù)值量大的方向平移或擴(kuò)展，“保持”指隸屬函數(shù)保持不變。基于上述有導(dǎo)師學(xué)習(xí)的基本原理，可以看出，實(shí)現(xiàn)模糊傳感器有導(dǎo)師學(xué)習(xí)功能的結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵在于導(dǎo)師信號的獲取。導(dǎo)師信號可以分為經(jīng)驗(yàn)知識信號和直觀感覺信號兩類。所謂經(jīng)驗(yàn)知識信號是指在某些測量任務(wù)下，經(jīng)過長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，導(dǎo)師對被測量的描述符號隸屬度為1的相應(yīng)數(shù)值已經(jīng)可以事先確定；而直觀感覺信號是指導(dǎo)師對被測量狀態(tài)的直接描述符號，其間不經(jīng)過數(shù)值描述符號這一過程?？梢圆捎萌藱C(jī)接口的方式將上述這兩種導(dǎo)師信號輸入至模糊傳感器內(nèi)部，以便進(jìn)行學(xué)習(xí)。圖3.309有導(dǎo)師學(xué)習(xí)的模糊傳感器示意圖3.55網(wǎng)絡(luò)傳感器的一般組成單元是什么？其核心是什么？答：網(wǎng)絡(luò)傳感器主要是由信號采集單元、數(shù)據(jù)處理單元及網(wǎng)絡(luò)接口單元組成。敏感元件敏感元件調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換微處理器網(wǎng)絡(luò)接口信號采集單元數(shù)據(jù)處理單元網(wǎng)絡(luò)接口單元網(wǎng)絡(luò)傳感器的核心是使傳感器本身實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。目前，可以通過軟件方式或硬件方式實(shí)現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)化。其中，軟件方式是指將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議嵌入到傳感器系統(tǒng)的ROM中；硬件方式是指采用具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)芯片直接用做網(wǎng)絡(luò)接口。3.56請畫出利用網(wǎng)絡(luò)傳感器的測控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖。答：圖所示為利用網(wǎng)絡(luò)化傳感器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化測控的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中：測量服務(wù)器：主要對各測量基本功能單元的任務(wù)分配和對基本功能單元采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、處理與綜合，數(shù)據(jù)存儲、打印等。測量瀏覽器：為Web瀏覽器或別的軟件接口，可以瀏覽現(xiàn)場測量節(jié)點(diǎn)測量、分析、處理的信息和測量服務(wù)器收集、產(chǎn)生的信息。系統(tǒng)中，傳感器不僅可以與測量服務(wù)器進(jìn)行信息交換，而且符合IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的傳感器、執(zhí)行器之間也相互進(jìn)行信息交換，以減少網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒘?，這有利于系統(tǒng)實(shí)時性的提高。第四章習(xí)題參考解4.1在力的測量方法中，可以歸納為哪幾種測量力的原理。答：測力傳感器可以是位移型、加速度型或物性型。按其工作原理則可以分為：彈性式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、壓電式、壓磁式等。4.2力矩測量一般可以分為哪幾種方法，并簡述其測量原理。答：測量轉(zhuǎn)矩方法，按照其基本原理可以分為平衡力法（反力法）、傳遞法（扭軸法）和能量轉(zhuǎn)換法等三類。平衡力法：它是利用平衡轉(zhuǎn)矩去平衡被測轉(zhuǎn)矩M，從而求得M的方法。對于任何一種均勻工作的動力機(jī)械或制動機(jī)械，當(dāng)它的主軸受轉(zhuǎn)矩作用時，在它的機(jī)體上必然同時作用著方向相反的平衡力矩（即支座反力矩），因此測量出機(jī)體上的平衡力矩就可知被測轉(zhuǎn)矩的大小（平衡力法）。即式中：l——轉(zhuǎn)軸與力作用點(diǎn)的距離，即力臂；F——力。傳遞法：是根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時所產(chǎn)生物理參數(shù)的變化（變形、應(yīng)力或應(yīng)變）來測量轉(zhuǎn)矩的方法，它利用彈性體把轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為角位移，再由角位移轉(zhuǎn)換成電信號輸出。測量轉(zhuǎn)矩時常用的彈性元件是扭軸。圖給出了一些用于轉(zhuǎn)矩傳感器的扭矩軸彈性元件。把這種扭轉(zhuǎn)軸連接在驅(qū)動源和負(fù)載之間，扭轉(zhuǎn)軸就會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角為（4-12）式中：——扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角（rad）；l——扭轉(zhuǎn)軸長（m）；D——扭轉(zhuǎn)軸直徑（m）；M——轉(zhuǎn)矩（N?m）；G——扭轉(zhuǎn)軸材料的切變模量（Pa）。按轉(zhuǎn)軸變形測量時，（4-13）按轉(zhuǎn)軸應(yīng)力測量時，（為轉(zhuǎn)軸的剪切應(yīng)力）（4-14）按轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量時，（為轉(zhuǎn)軸與軸線成角的主應(yīng)變）（4-15）由式（4-13）、（4.1-14）、（4.1-15）可知，當(dāng)扭轉(zhuǎn)軸的參數(shù)固定，轉(zhuǎn)矩對扭轉(zhuǎn)軸作用時，產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角或應(yīng)力、應(yīng)變與轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系。因此只要測得扭矩轉(zhuǎn)角或應(yīng)力、應(yīng)變，便可知轉(zhuǎn)矩的大小。按轉(zhuǎn)矩信號的產(chǎn)生方式可以設(shè)計為光電式、光學(xué)式、磁電式、電容式、電阻應(yīng)變式、振弦式、壓磁式等各種轉(zhuǎn)矩儀器。這種傳遞法測量原理應(yīng)用廣泛，使用場合最多。能量轉(zhuǎn)換法：它是按能量守恒定律來測量力矩的一種方法。它是通過測量其他與轉(zhuǎn)矩有關(guān)的能量系數(shù)（如電能系數(shù)等）來確定被測力矩大小的。（4-16）式中：——輸入力矩產(chǎn)生的能量；——機(jī)構(gòu)輸出能量；——轉(zhuǎn)換過程中損耗的能量。轉(zhuǎn)換成，可以是機(jī)械能量轉(zhuǎn)換為電能、熱能、勢能等。相應(yīng)的設(shè)備如發(fā)電機(jī)、水力制動器、油泵等。測量這些能量轉(zhuǎn)換并計入功率因數(shù)即可間接測得轉(zhuǎn)矩大小。如對電動機(jī)，其轉(zhuǎn)矩M與輸入能量或功率、轉(zhuǎn)速n、電動機(jī)效率的關(guān)系為，其中k為單位系數(shù)。對發(fā)電機(jī)有，其中為輸出功率。4.3簡述相位差式轉(zhuǎn)矩測量儀的工作原理及其特點(diǎn)。答：磁電式轉(zhuǎn)矩傳感器是根據(jù)磁電轉(zhuǎn)換和相位差原理制成的。它可以將轉(zhuǎn)矩這一力學(xué)量轉(zhuǎn)成有一定相位差的電信號。圖是磁電式轉(zhuǎn)矩傳感器的工作原理圖。在驅(qū)動源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤，它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個磁電傳感器。磁電式扭矩傳感器工作原理圖圖所示為磁電傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器的檢測元件部分由永久磁鐵、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。齒輪的齒頂與磁芯之間有一微小空氣間隙，永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形圓盤交鏈，當(dāng)齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時，圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，于是磁通量也發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)出交流電壓，其頻率等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積。當(dāng)轉(zhuǎn)軸空載旋轉(zhuǎn)時，兩個磁電傳感器輸出信號電壓。信號的頻率隨轉(zhuǎn)速而變，但兩個信號間的相位關(guān)系卻是一定的，即初始相位差為某一常數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸傳遞轉(zhuǎn)矩而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形時，扭轉(zhuǎn)兩端的信號圓盤產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角為θ，使兩磁電傳感器的輸出信號電壓在相位上相對地改變了角（即產(chǎn)生了附加相位差）。此時信號的相位差與彈性軸的扭轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系為：磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖式中，Z為圓盤齒數(shù)（即信號激發(fā)圓盤每轉(zhuǎn)一圈磁電傳感器中所產(chǎn)生的信號個數(shù)）。Z值不能太大，應(yīng)使。當(dāng)考慮正、反方向轉(zhuǎn)矩及超載轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)時，一般的取值常在，對應(yīng)的Z值為10~100。測量高轉(zhuǎn)速時Z值應(yīng)?。粶y量低轉(zhuǎn)速時Z值要大。當(dāng)齒輪在轉(zhuǎn)矩作用下旋轉(zhuǎn)時，其間隙發(fā)生改變，則線圈的感應(yīng)電動勢；式中N為線圈匝數(shù)；為線圈中磁通量變化率。其中磁通變化率與轉(zhuǎn)速n、齒數(shù)Z及齒形有關(guān)。磁電式傳感器的輸出電壓均方根與信號齒輪的齒頂線速度v成正比，而與齒輪同磁芯間隔成反比。故減小間隔可提高靈敏度。但過小，由于磁吸引力的影響會產(chǎn)生測量誤差。4.4用壓電敏元件和電荷放大器組成的壓力測量系統(tǒng)能否用于靜態(tài)測量？對被測力信號的變化速度有何限制？這種限制由哪些因素組成？答：當(dāng)采用大時間常數(shù)的電荷放大器時，可以測量靜態(tài)力和準(zhǔn)靜態(tài)力，但長時間的連續(xù)測量靜態(tài)力將產(chǎn)生較大的誤差。限制主要因素是：電荷放大器時間常數(shù)大小。4.5在電阻應(yīng)變式測力儀中，其負(fù)荷傳感器的截面為圓形柱式體。測力儀的電壓靈敏度為1mV/V，所加負(fù)荷值為50kN。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為2，全橋的橋臂系數(shù)為，所用彈性體的材料屈服極限為785MPa，彈性模量為2×105MPa。在最大負(fù)荷為倍的施加負(fù)荷時它的超載系數(shù)為％，試求該測力儀負(fù)荷傳感器的彈性體截面直徑為多少毫米？4.6某臺空壓機(jī)的緩沖器，其正常工作壓力范圍是，工藝要求就地指示壓力，并要求測量誤差不大于被測壓力的±5%。試選擇一塊適合的壓力表（類型、示值范圍、精度等級），并說明理由。解：由題意可知，被測對象的壓力比擬穩(wěn)定，設(shè)彈簧管壓力表的量程為A，則根據(jù)最大工作壓力有Mpa根據(jù)最小工作壓力有Mpa根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為0~Mpa的彈簧管壓力表。由題意，被測壓力的允許最大絕對誤差為Mpa這就要求所選儀表的相對百分誤差為按照儀表的準(zhǔn)確度等級，可選擇1.0級的壓力表。該儀表的基本誤差為Mpa，小于允許的最大絕對誤差Mpa，故所選儀表滿足測量要求。彈簧管壓力表1.小齒輪；2.彈簧管；3.指針；4.扇形齒輪彈簧管壓力表1.小齒輪；2.彈簧管；3.指針；4.扇形齒輪；5答：會改變。因?yàn)閺椥允綁毫τ嬎腔趶椥栽▎稳蚨嗳椆?、膜盒、膜片、波紋管等）受壓后產(chǎn)生的位移與被測壓力呈一定函數(shù)關(guān)系的原理制成的。圖為彈簧管壓力表。被測壓力迫使彈簧管2自由端5位移，位移量由曲柄連桿6、扇形齒輪4與小齒輪1構(gòu)成的機(jī)械式傳動機(jī)構(gòu)放大，轉(zhuǎn)換成指針3的旋轉(zhuǎn)，從而在刻度盤上指示出被測壓力值。由此可知，當(dāng)把它移到真空時，其基準(zhǔn)大氣壓發(fā)生了變化。4.8什么是物位？為什么要進(jìn)行物位的測量？物位測量的特點(diǎn)是什么？答：物位是指各種容器設(shè)備中液體介質(zhì)液面的高低、兩種不相溶的液體介質(zhì)的分解面的高低和固體粉末狀物料的堆積高度等的總稱，包括液位、料位和界位。主要是按生產(chǎn)工藝要求等監(jiān)視、控制被測物位的變化，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中具有重要地位。一方面通過物位檢測可確定容器里的原料、半成品或成品的數(shù)量，以保證能連續(xù)供應(yīng)生產(chǎn)中各個環(huán)節(jié)所需的物料或進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算；另一方面是通過檢測，連續(xù)監(jiān)測或調(diào)節(jié)容器內(nèi)流入和流出物料的平衡，使之保持在一定的高度，使生產(chǎn)正常進(jìn)行，以保證產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和安全。測量的特點(diǎn)是：容器設(shè)備中液體介質(zhì)液面的高低、兩種不相溶的液體介質(zhì)的分解面的高低和固體粉末狀物料的堆積高度。題圖4.9題4.9圖是用雙法蘭式差壓變送器測量密閉容器中有結(jié)晶液體的液位。已知被測液體的密度，液位變化范圍H=0~950mm，變送器的正負(fù)壓法蘭中心線距離H0=1800mm，變送器毛細(xì)管硅油密度，試確定變送器的量程和遷移量。題圖解：當(dāng)液位變化范圍H=0~950mm時，差壓的變化量為：Pa根據(jù)差壓變送器的量程系列，可選差變的量程為16kPa變送器遷移量為0kPa4.10在下述檢測液位的儀表中，受被測液位密度影響的有哪幾種？并說明原因。（1）玻璃液位計；（2）浮力液位計；（3）差壓式液位計；（4）電容式液位計；（5）超聲波液位計；（6）射線式液位計；（7）雷達(dá)式液位計；（8）磁致伸縮式液位計。答：受被測液位密度影響有：電容式液位計、超聲波液位計、射線式液位計和磁致伸縮式液位計。電容式液位計主要是通過液位的高度時電容變化來進(jìn)行測量，電容的大小是與液體密度有關(guān)的；超聲波液位計是利用超聲波在介質(zhì)中的傳播速度以及在不同相界面之間的發(fā)射特性來檢測物位的變化；射線式液位計它是一種基于物質(zhì)對射線的吸收程度的變化而對液位進(jìn)行測量的，不同密度具有不同的吸收程度；磁致伸縮式液位計是通過磁通量變化來進(jìn)行測量，它是與密度有關(guān)的。4.11電渦流測厚度法原理是什么？具有哪些特點(diǎn)？答：電渦流測厚主要用于導(dǎo)體材料。它主要由信號發(fā)射源和探測器兩部分組成，測量時，通過厚度的變化來改變探測器接收信號的強(qiáng)弱或快慢，最后轉(zhuǎn)換成與輸出信號成線性關(guān)系的厚度絕對量值。由于板厚變化，電渦流傳感器到金屬板外表的距離會不同，導(dǎo)致測厚儀輸出電壓值變化。為了消除金屬板上、下波動和外表不平整的影響，測厚儀使用了兩個特性相同的電渦流傳感器Ll和上Ll對稱地放置在金屬板上、下兩側(cè)。高頻渦流測厚原理圖在測量給定板厚值時，調(diào)整傳感器Ll的位置，使兩個傳感器到金屬板外表的距離x1+x2=2x0,x0是傳感器在線性工作區(qū)內(nèi)給定的一個距離常數(shù)，如兩個傳感器的輸出分別為Ul和U2，則傳感器輸出的總電壓Ul十U2＝2Uo。將2Uo與比擬電壓疊加后，使測厚儀偏差指示儀表指針指零。當(dāng)板厚有變化時，傳感器輸出總電壓變?yōu)?Uo±△U，△U表示了板厚的變化量，并使儀表發(fā)生偏擺。對不同的給定板厚值，調(diào)整Ll的位置總可以滿足x1+x2=2x0的要求。因此，板厚給定值可以由Ll的位置來給定。通過計算偏差值和給定值的代數(shù)和，即可求得實(shí)際的板厚。4.12簡述線位移、角位移的測量方法及測量原理。答：在工程應(yīng)用中，一般將位移測量分為模擬式測量和數(shù)字式測量兩大類。在模擬式測量中，需要采用能將位移量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。這類傳感器發(fā)展非常迅速，隨著傳感器技術(shù)及檢測方法的進(jìn)步，幾乎包含了從傳統(tǒng)到最新型傳感器的各種類型。常見的有：電阻式傳感器(電位器式和應(yīng)變式)、電感式傳感器(差動電感式和差動變壓器式)、電容式傳感器(變極距式、變面積式和變介質(zhì)式)、電渦流式傳感器、光電式傳感器及光導(dǎo)纖維傳感器、超聲波傳感器、激光及輻射式傳感器、薄膜傳感器等。將上述傳感器與相應(yīng)的測量電路結(jié)合在一起，即組成工程中常用的測量儀器和儀表，如電阻式位移計、電感測微儀、電容測微儀、電渦流測微儀、光電角度檢測器、電容液位計等。各種位移測量儀表的測量范圍和測量精度各不相同，使用時應(yīng)根據(jù)測量任務(wù)選擇適宜的測量方法和測量儀表。數(shù)字式測量方法主要是指在精密數(shù)控裝置如數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測量儀等設(shè)備中，將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換為脈沖信號輸出的測量方法。常用的轉(zhuǎn)換裝置有感應(yīng)同步器(直線型、圓型)、旋轉(zhuǎn)變壓器、磁尺(帶狀、線狀、圓型)、光柵(直線型、圓型)和各種脈沖編碼器等。此外，根據(jù)傳感器原理和使用方法的不同，位移測量可分為接觸式測量和非接觸式測量兩種方式。根據(jù)作用機(jī)理的不同還可分為主動式測量和被動式測量等方式。4.13測量幾~幾十mm的較大位移，可選用什么傳感器？簡述其工作原理。答：電感式和差動變壓器式傳感器的測量范圍要大一些，有些可達(dá)100mm。其工作原理參見第三章有關(guān)內(nèi)容。4.14用測速發(fā)電機(jī)測量速度的原理是什么？應(yīng)用上有什么特點(diǎn)？答：測速發(fā)電機(jī)是一種專門測速微型電機(jī)，電機(jī)的輸出電勢，在勵磁一定的條件下，其值與轉(zhuǎn)速成正比。若將被測旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接，即可測得轉(zhuǎn)速。測速發(fā)電機(jī)分為直流型和交流型。直流測速電機(jī)是利用在恒定磁場中，轉(zhuǎn)動的電樞繞組切割磁通，而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)電刷引出感應(yīng)電動勢，其原理如圖所示，輸出電勢的極性反應(yīng)旋轉(zhuǎn)方向，輸出電壓大小U為：其中，為電勢常數(shù)，由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定；為恒定勵磁電壓產(chǎn)生的磁通；為電樞回路的總電阻；為負(fù)載電阻；為被測轉(zhuǎn)速。交流測速電機(jī)是由交流電壓勵磁的，繞組加勵磁電壓，繞組為測量繞組，輸出感應(yīng)電勢。交流測速電機(jī)有同步式和異步式兩類，圖所示為空心杯轉(zhuǎn)子異步測速電機(jī)，它的轉(zhuǎn)子上一個薄壁非磁性杯，杯的內(nèi)外由內(nèi)定子和外定子構(gòu)成磁路。內(nèi)、外定子上嵌有在空間相差的兩個繞組，即勵磁繞組和測量繞組。當(dāng)轉(zhuǎn)子隨被測旋轉(zhuǎn)體以轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子切割由產(chǎn)生交變直軸磁通，因此在空心杯中產(chǎn)生切割電勢，它的大小與轉(zhuǎn)速成正比，其值為其中，為常數(shù)。電勢在轉(zhuǎn)子杯中產(chǎn)生與之成正比的短路交流電流，并建立交軸磁通，的方向與軸線一致，在上產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其大小與成正比。當(dāng)勵磁電壓的幅值、頻率一定時，上的輸出電壓就正比于轉(zhuǎn)速，測得就可得知轉(zhuǎn)速。4.15用光電或磁電脈沖轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，試畫出其原理結(jié)構(gòu)圖，并說明其工作原理？答：圖所示為磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它由永久磁鐵、線圈、磁盤等組成。在永久磁鐵組成的磁路中，若改變磁阻（如空氣隙）的大小，則磁通量隨之改變。磁路通過感應(yīng)線圈，當(dāng)磁通量發(fā)生突變時，感應(yīng)出一定幅度的脈沖電勢，該脈沖電勢的頻率等于磁阻變化的頻率。為了使氣隙變化，在待測軸上裝一個由軟磁材料做成的齒盤（通常采用60個齒）。當(dāng)待測軸轉(zhuǎn)動時，齒盤也跟隨轉(zhuǎn)動，齒盤中的齒和齒隙交替通過永久磁鐵的磁場，從而不斷改變磁路的磁阻，使鐵芯中的磁通量發(fā)生突變，在線圈內(nèi)產(chǎn)生一個脈沖電動勢，其頻率跟待測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速成正比。線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的頻率為：式中：——為轉(zhuǎn)速（）；——為頻率（Hz）；——為齒輪的齒數(shù)。當(dāng)齒輪的齒數(shù)時，則即只要測量頻率，即可得到被測轉(zhuǎn)速。而只要將線圈盡量靠近齒輪外緣安放，那么，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就是正弦波形。光電式轉(zhuǎn)速傳感器分為直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器和反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器。圖所示為直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成。開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接，光源發(fā)出的光通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。開孔圓盤上有許多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖的個數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)，因此可通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率得知被測轉(zhuǎn)速，即式中：N——圓盤開孔數(shù)；——轉(zhuǎn)速——脈沖頻率。圖4.73直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖圖所示為反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它由紅外發(fā)射管、紅外接收管、光學(xué)系統(tǒng)等組成；光學(xué)系統(tǒng)由透鏡及半透鏡構(gòu)成。紅外發(fā)射管由直流電源供電，工作電流為20mA，可發(fā)射出紅外光。半透鏡既能使發(fā)射的紅外光射向轉(zhuǎn)動的物體，又能使從轉(zhuǎn)動物體反射回來的紅外光穿過半透鏡射向紅外接收管。測量轉(zhuǎn)速時需要在被物體上粘貼一小塊紅外反射紙，這種氏具有定向反射作用。當(dāng)被測物體旋轉(zhuǎn)時，粘貼在物體上的反射紙和物體一起旋轉(zhuǎn)，紅外接收管則隨感受到反射光的強(qiáng)弱而產(chǎn)生相應(yīng)變化的信號，該信號經(jīng)電路處理后便可以由顯示電路顯示出被測對象轉(zhuǎn)速的大小。4.16利用頻閃式測速儀測量旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速時，在被測旋轉(zhuǎn)體上做一三角形標(biāo)記。當(dāng)頻閃測速儀所測量值為、和時，觀察到旋轉(zhuǎn)體上的標(biāo)記停在某一位置上不動。當(dāng)頻閃測速儀調(diào)到時，其顯示出兩個停在對稱180°位置上不動的標(biāo)記。求此時旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)數(shù)值是多少？4.17有人說：“自由振動是初始激勵激起的振動。因而對于一個單自由度線性系統(tǒng)，初始條件的不同，其自由振動的振幅、相位、頻率均不同。”事實(shí)究竟如何？答：參見教材P2934.18質(zhì)量為的傳感器安裝在一個50kg質(zhì)量的振動系統(tǒng)上，若安裝傳感器前系統(tǒng)的固有頻率為10Hz，裝上傳感器后，試確定新的系統(tǒng)的固有頻率。答：參見教材P2934.19某石英晶體加速度傳感器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：頻率范圍0～15kHz；動態(tài)范圍±3500g，靈敏度5pC/g；固有頻率22kHz；質(zhì)量；分辨力；橫向靈敏度最大為2％，試求：①計算振動加速度為時的電荷輸出；②當(dāng)橫向振動加速度幅值為1000g，確定最大電荷輸出量。答：參見教材P2954.20某磁電式速度傳感器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：頻率范圍20～1000Hz；測量范圍（振幅）、最大峰峰值為5mm；加速度～30g；對10kΩ負(fù)載電阻的靈敏度為（±）V/（m·s-1）；線圈的質(zhì)量為170g；有阻尼固有頻率為5Hz；直流電阻為600Ω；傳感器橫向靈敏度最大20％，試求：在有效載荷作用下，測得上述標(biāo)準(zhǔn)所列出的最小頻率時的最大振幅，試計算出此時的輸出電壓，當(dāng)頻率為100Hz時測得輸出電壓峰峰值為，試確定此時的速度及位移幅值。答：參見教材P2954.21在車間的某一特定位置，三臺機(jī)器所產(chǎn)生的聲壓級分別為90dB，93dB和95dB，如果三臺機(jī)器同時工作，問總的聲壓級是多少分貝？解：4.22某車間內(nèi)測量某一機(jī)床開動時的聲壓級為101dB，停車后測量的背景噪聲為93dB，問機(jī)床本身的聲壓級是多少分貝？解：由書P314頁表可知即機(jī)床本身的聲壓級是：4.23對某交通路口進(jìn)行噪聲測量，每小時測量一次，全天共測量24次。白天規(guī)定為從早晨7時至晚10時，共測15次，A聲級的測量值分別為68，67，69，71，73，75，76，70，72，74，75，69，68，67，66dB；夜間規(guī)定為晚10時至次日晨7時，共測量9次，A聲級的測量值分別為63，61，60，58，58，60，65，67dB。分別計算白天和夜里的等效連續(xù)A聲級。解：由公式可得白天的等效連續(xù)A聲級夜里的等效連續(xù)A聲級4.24在國際溫標(biāo)ITS-90中對溫度范圍作了怎樣的規(guī)定？在每個溫度范圍里各規(guī)定了什么溫度儀表和測溫方法來確定溫度？答：（1）定義固定點(diǎn)ITS-90中定義固定點(diǎn)有17個。（2）標(biāo)準(zhǔn)儀器ITS-90的內(nèi)插用標(biāo)準(zhǔn)儀器，是將整個溫標(biāo)分4個溫區(qū)。溫標(biāo)的下限為，向上到用單色輻射的普朗克輻射定律實(shí)際可測得的最高溫度。1）0.65~5.0K和蒸氣壓溫度計，其中蒸氣壓溫度計覆蓋0.65~3.2K，2）3.0~24.5561K和定容氣體溫度計。3）13.8033~1234.93K鉑電阻溫度計。4）1234.93K以上光學(xué)或光電高溫計。已知一個AD590KH兩端集成溫度傳感器的靈敏度位；并且當(dāng)溫度