現(xiàn)代檢測技術(shù)及儀表第2版習題解答

1答：錢學森院士對新技術(shù)革命的論述中說： “新技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)是信息技術(shù)。信息技術(shù)由測量技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)三部分組成。測量技術(shù)則是關(guān)鍵和基礎(chǔ)” 。如果沒有儀器儀表作為測量的工具，就不能獲取生產(chǎn)、科學、環(huán)境、社會等領(lǐng)域中全方位的信息，進入信息時代將是不可能的。因此可以說，儀器技術(shù)是信息的源頭技術(shù)。儀器工業(yè)是信息工業(yè)的重要組成部分。2答：同非電的方法相比，電測法具有無可比擬的優(yōu)越性：1、 便于采用電子技術(shù)，用放大和衰減的辦法靈活地改變測量儀器的靈敏度，從而大大擴展儀器的測量幅值范圍（量程）。2、 電子測量儀器具有極小的慣性，既能測量緩慢變化的量，也可測量快速變化的量，因此采用電測技術(shù)將具有很寬的測量頻率范圍 （頻帶）。3、把非電量變成電信號后，便于遠距離傳送和控制， 這樣就可實現(xiàn)遠距離的自動測量。4、 把非電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，不僅能實現(xiàn)測量結(jié)果的數(shù)字顯示，而且更重要的是能與計算機技術(shù)相結(jié)合，便于用計算機對測量數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)測量的微機化和智能化。3答：各類儀器儀表都是人類獲取信息的手段和工具。盡管各種儀器儀表的型號、原理和用途不同，但都由三大必要的部分組成：信息獲取部分、信息處理部分、信息顯示部分。從“硬件”方面來看，如果把常見的各類儀器儀表“化整為零”地解剖開來，我們會發(fā)現(xiàn)它們內(nèi)部組成模塊大多是相同的。從“軟件”方面來看，如果把各個模塊“化零為整”地組裝起來，我們會發(fā)現(xiàn)它們的整機原理、總體設(shè)計思想、主要的軟件算法也是大體相近的。 這就是說，常見的各類儀器儀表盡管用途、名稱型號、性能各不相同，但它們有很多的共性，而且共性和個性相比，共性是主要的，它們共同的理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)實質(zhì)就是 “檢測技術(shù)”。常見的各類儀器儀表只不過是作為其 “共同基礎(chǔ)”的“檢測技術(shù)”與各個具體應用領(lǐng)域的“特殊要求”相結(jié)合的產(chǎn)物。4答：“能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件或裝置”或“能把非電量轉(zhuǎn)換成電量的器件或裝置”叫做傳感器。能把被測非電量轉(zhuǎn)換為傳感器能夠接受和轉(zhuǎn)換的非電量（即可用非電量）的裝置或器件，叫做敏感器。如果把傳感器稱為變換器，那么敏感器則可稱作預變換器。敏感器與傳感器雖然都是對被測非電量進行轉(zhuǎn)換， 但敏感器是把被測非電量轉(zhuǎn)換為可用非電量，而不是象傳感器那樣把非電量轉(zhuǎn)換成電量。5答：目前，國內(nèi)常規(guī)（常用）的檢測儀表與系統(tǒng)按照終端部分的不同，可分為以下三種類型：1、普通模擬式檢測儀表基本上由模擬傳感器、模擬測量電路、和模擬顯示器三部分組成，如題 1-5圖1所示。題1-5圖12、普通數(shù)字式檢測儀表基本上由模擬傳感器、模擬測量電路、和數(shù)字顯示器三部分組成，如題 1-5圖2所示。按照顯示數(shù)字產(chǎn)生的方式，普通數(shù)字式檢測儀表又可分為模數(shù)轉(zhuǎn)換式和脈沖計數(shù)式兩種類型。題1-5圖2

3、微機化檢測儀表其簡化框圖題1-5圖3所示。微機化檢測儀表通常為多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 能巡回檢測多個測量點或多種被測參數(shù)的靜態(tài)量或動態(tài)量。 每個測量對象都通過一路傳感器和測量通道與微機相連，測量通道由模擬測量電路（又稱信號調(diào)理電路）和數(shù)字測量電路 （又稱數(shù)據(jù)采集電路）組成。傳感器將被測非電量轉(zhuǎn)換成電量， 測量通道對傳感器信號進行信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入微機進行必要的處理后，由顯示器顯示出來， 并由記錄器記錄下來。在某些對生產(chǎn)過程進行監(jiān)測的場合， 如果被測參數(shù)超過規(guī)定的限度時， 微機還將及時地起動報警器發(fā)出報警信號。題1-5圖3第2章& ， 300mV2-1解：靈敏度為S= =300mV/mm。1mm2求：（1）測溫系統(tǒng)的總靈敏度；（2）記錄儀筆尖位移4cm時，所對應的溫度變化值。解：（1）測溫系統(tǒng)的總靈敏度為S=0.45X0.02X100X0.2=0.18cm/C（2）記錄儀筆尖位移4cm時，所對應的溫度變化值為：t=^^=22.22C0.182-3解：據(jù)公式（2—2—25）墮=竺=1e二解此方程得y（旳1005t= =7.21sIn24解：據(jù)公式（2-1-18）階傳感器的幅頻特性為 O\ O\2+2；當川=0時，K：用1=1，無幅值誤差。當■0時，K 一般不等于1，即出現(xiàn)幅值誤差。由題意知?F由題意知?F=2二10kHz,-=0.5,要確定滿足1-3%也就是滿足0.97乞K「乞1.03的傳感器工作頻率范圍。解方程K（3解方程K（3）==0.97，得1=1.03'n解方程K(3)解方程K(3)=13n=1.03，得cc2=0.25豹n,2_ 3+2E3n二3二0?97；.〔n。由于=0.5，根據(jù)二階傳感器的特性曲線可知，上面三個解確定了兩個頻段，即 0?「2和3?;門。前者在特征曲線的諧振峰左側(cè)，后者在特征曲線的諧振峰右側(cè)。對于后者，盡管在該頻段內(nèi)也有幅值誤差不大于 3%,但是該頻段的相頻特性很差而通常不被采用。所以，只有0?「2頻段為有用頻段。由32=0.253n=0.25X2n10kHz可得f=2.5kHz，即工作頻率范圍為0?2.5kHz。5解：據(jù)題意知，K0=1，阻尼比匸=1/、、2，代入公式(2-2-18)得幅頻特性為K(f)=600Hz時幅值比為K(fK(f)=600Hz時幅值比為K(f)=460010000.94據(jù)公式(2—2—19)得相位差為(f)=(f)=arctan、26001000=-531000600同理可得測量頻率為400Hz時幅值比和相位差分別為 0.99和—33.7°6解：按式(2-3-6)求此電流表的最大引用誤差qmax 100%=2.°%52.0%>1.5%即該表的基本誤差超出 1.5級表的允許值。所以該表的精度不合格。但該表最大引用誤差小于2.5級表的允許值，若其它性能合格可降作 2.5級表使用。7解：據(jù)公式(2—3—9)計算，用四種表進行測量可能產(chǎn)生的最大絕對誤差分別為:A表AXmax|=G%L=1.5%30V=0.45VB表|Axmax|=G%匯L=1.5%X5OV=0.75VC表IAxmaxI=G%汶L=1.0%沃5OV=0.50VD表Axmaxl=G%L=0.2% 36OV=0.72V四者比較可見，選用A表進行測量所產(chǎn)生的測量誤差較小。1答：線繞式電位器的電阻器是由電阻系數(shù)很高的極細的絕緣導線，整齊地繞在一個絕緣骨架上制成的。在電阻器與電刷相接觸的部分， 導線表面的絕緣層被去掉并拋光， 使兩

者在相對滑動過程中保持可靠地接觸和導電。 電刷滑過一匝線圈，電阻就增加或減小一匝線圈的電阻值。因此電位器的電阻隨電刷位移呈階梯狀變化。 只要精確設(shè)計絕緣骨架尺寸按一定規(guī)律變化，如圖3-1-2（b）所示，就可使位移—電阻特性呈現(xiàn)所需要的非線性曲線形狀。由3—1-2（a）可見，只有當電刷的位移大于相鄰兩匝線圈的間距時，線繞式電位器的電阻才會變化一個臺階。而非線繞式電位器電刷是在電阻膜上滑動， 電阻呈連續(xù)變化，因此線繞式電位器分辨力比非線繞式電位器低。2解：據(jù)公式（3-1-4）,對于空載電位器，其輸出電壓與輸入位移呈線性關(guān)系,Ux冷Rx由上式可見,電位器靈敏度的提高幾乎是完全依靠增加電源電壓來得到。但是電源電壓不可由上式可見,電位器靈敏度的提高幾乎是完全依靠增加電源電壓來得到。但是電源電壓不可P決定的。所以，允許的能任意增加，它是由電位器線圈的細電阻絲允許的最大消耗功率P決定的。所以，允許的U=、PR二0.0410000二20V由題意知，L=4mm,x=1.2mm，代人公式（3-1-4）計算得，電位器空載輸出電壓為12Ux=206V43答：應變片的靈敏系數(shù)k是指應變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應變片區(qū)域的軸向應變之比，而應變電阻材料的應變靈敏系數(shù) k0是指應變電阻材料的阻值的相對變化與應變電阻材料的應變之比。實驗表明： kvk0，究其原因除了黏結(jié)層傳遞應變有損失外，另一重要原因是存在橫向效應的緣故。應變片的敏感柵通常由多條軸向縱柵和圓弧橫柵組成。 當試件承受單向應力時， 其表面處于平面應變狀態(tài)，即軸向拉伸 ￡x和橫向收縮￡y。粘貼在試件表面的應變片，其縱柵承受￡x電阻增加，而橫柵承受 ￡y電阻卻減小。由于存在這種橫向效應，從而引起總的電阻變化為Rkx；xky；y二kx（1 ：H）；x,按照定義，應變片的靈敏系數(shù)為因：一丄：：：0,橫向效應系數(shù)H=? 0,故k<kx<k0。因：一丄：：：0,橫向效應系數(shù)kx4解：應變片用導線連接到測量系統(tǒng)的前后，應變片的應變量相同，都為AR/R心R/RZ= = k 2應變片用導線連接到測量系統(tǒng)后， 導線電阻將使應變電阻的相對變化減小， 從而使應變片的靈敏度降低為只 Rk=瓦匚上I.12012十2gAR 也RkR21205解：將題中給出的參數(shù)值，代人書上的公式（ 3-1-23），計算得由溫度變化引起的附加電阻相對變化為：Rt■RT折合成附加應變?yōu)闀x=￡=1.37“J。3-6系數(shù)為解：由題知Rt■RT折合成附加應變?yōu)闀x=￡=1.37“J。3-6系數(shù)為解：由題知W(100)=R100/Ro=1.42,代入公式（3-1-26），計算得電阻溫度R—R0 R100—R0 1.42R^_R0 O.42R0Q— — — — t 100 100 1001000.42100=0.42(」/C)100-■-s!：^1510~ 2.05 11-14.9 10"6丨40=2.80210~。當溫度為50C時，代入公式（3-1-26）計算得，此時的電阻值為=121(")R50=農(nóng)（1 ： 50）=100（1 0.4250）=121(")當Rt=92門時，代入公式（3-1-26）計算得，此時的溫度值為t=U0=30—19（C）TOC\o"1-5"\h\za 0.42計算得7解：T0=0C=273K,R0=500k「；T=100C=373K，代人公式（3-1-30）熱敏電阻的阻值為計算得2900(丄 L)R373=R273e 373273=28.98k13-8答：采用金屬材料制作的電阻式溫度傳感器稱為金屬熱電阻，簡稱熱電阻。一般說來，金屬的電阻率隨溫度的升高而升高， 從而使金屬的電阻也隨溫度的升高而升高。 因此金屬熱電阻的電阻溫度系數(shù)為正值。采用半導體材料制作的電阻式溫度傳感器稱為半導體熱敏電阻， 簡稱熱敏電阻。按其電阻一溫度特性，可分為三類：（1）負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）;（2）正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）;（3）臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTC）。因為在溫度測量中使用最多的是 NTC型熱敏電阻，所以，通常所說的熱敏電阻一般指負溫度系數(shù)熱敏電阻。Tl?ThTl?Th由窗題3-9圖比較器的窗口電壓V和Vh決定。調(diào)節(jié)電位器Rp可調(diào)整Tl。圖中Rt為熱敏電阻，當溫度上升時，Rt減小，V升高。當冰箱內(nèi)溫度T.Th時，VtVhV，窗口比較器使RS觸發(fā)器的S端為低電平，R端為高電平，Q輸出端為高電平，晶體管導通，繼電器 J線圈通電而動作，繼電器常開觸點閉合，電冰箱壓縮機啟動制冷。冰箱內(nèi)溫度降低。當冰箱內(nèi)溫度T:：:Tl時，V::Vl::Vh，窗口比較器使RS觸發(fā)器的S端為高電平，R端為低電平，Q輸出端為低電平，晶體管截止，繼電器線圈失電而動作，繼電器常開觸點復位，電冰箱壓縮機停機。當冰箱內(nèi)溫度Tl:T:::Th時，nVh，窗口比較器使RS觸發(fā)器的S端和R端均為高電平，RS觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，壓縮機繼續(xù)運轉(zhuǎn)或繼續(xù)停機。3-10答：氣敏電阻是利用半導體陶瓷與氣體接觸而電阻發(fā)生變化的效應制成的氣敏元件。氣敏電阻都附有加熱器，以便燒掉附著在探測部位處的油霧、 塵埃，同時加速氣體的吸附，從而提高元件的靈敏度和響應速度。半導瓷氣敏電阻元件一般要加熱到 200C?400C,元件在加熱開始時阻值急劇地下降， 然后上升，一般經(jīng)2?10分鐘才達到穩(wěn)定，稱之為初始穩(wěn)定狀態(tài)，元件只有在達到初始穩(wěn)定狀態(tài)后才可用于氣體檢測。3-11答：下圖為一個簡易的家用有害氣體報警電路。圖中變壓器次級繞組為氣敏電阻QM-N6提供加熱器電源。變壓器初級中心抽頭產(chǎn)生的 110V交流電壓，加到由1k「電位器、氣敏電阻和蜂鳴器串聯(lián)組成的測量電路。當 CO等還原性有害氣體的濃度上升時，氣敏電阻減小，流過蜂鳴器的電流增大， 當有害氣體的濃度使蜂鳴器的電流增大到一定值時， 蜂鳴器就鳴叫報警。調(diào)整電位器可調(diào)整蜂鳴器靈敏度， 即產(chǎn)生報警的有害氣體最低濃度。 圖中氖燈LD用作電源指示。為防止意外短路，變壓器初級安裝了 0.5A的保險絲。3-12解：圖3-1-18中電表為電流表，其中電流lx為:Ix 3V IF（IF為電流表滿量程）R1R2RxRx為負特性濕敏電阻。濕度RX IXTo濕度測量范圍Xmin%RH?Xmax%RH,Rd為濕度Xmax%RH時Rx的值Rxmin因要求I因要求IX-IF即R亠R2 R3二所以增大&可減小Rxmin,即擴大測濕量程 Xmax%RH。3-13答：測濕電路通常為濕敏電阻構(gòu)成的電橋電路。如果采用直流電源供電，濕敏電阻體在工作過程中會出現(xiàn)離子的定向遷移和積累， 致使元件失效或性能降低，因此所有濕敏電阻的供電電源都必須是交流或換向直流 （注意：不是脈動直流）。3-14答：溫度變化時，電阻應變片的電阻也會變化，而且，由溫度所引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎具有相同數(shù)量級， 如果不采取溫度補償措施， 就會錯誤地TOC\o"1-5"\h\z把溫度引起的電阻變化當作應變引起的電阻變化，即產(chǎn)生“虛假視應變” 。把兩個承受相同應變的應變片接入電橋的相對兩臂，并不能補償溫度誤差。從表 3-1-1所列圖3-1—15（b）計算公式可知，電橋輸出電壓為U-— =-kC；T）,2R 2由此可見，溫度引起的電阻變化 Rt也影響電橋輸出電壓，此時，從電橋輸出電壓測出的應變并不是真實應變；，而是（；*；T），其中包含有虛假視應變即溫度誤差 ；T。3-15解:一個應變片接入等臂電橋， 屬于單臂工作的情況， 將（3-1-19）式代入（3-1-36）式得 Uo?：m_ _-_?k：L （1）4R4由上式可見，電源電壓越高，輸出電壓越大，但是電源電壓受應變片允許電流的限制，由題意知，應變片允許工作電流是 15mA，因此激勵電源電壓應選為E=2IR=2X15^10’x100=3V代入（1）式計算得，電橋輸出電壓為 5mV時鋼制試件上應變片的應變?yōu)槿绻諝庀稖p小了也一亠空=3.50910；Ek31.91—2—如果空氣隙減小了也一亠空=3.50910；Ek31.91—2—2)圖3-2-1 (Sd1-d2d1 d2；0；0；r；r3-16答：據(jù)公式（Co所示電容傳感器的初始電容為d，則電容值變?yōu)閐1d1=d雙層介質(zhì)差動式變極距型電容傳感器的電容與動極板位移的關(guān)系式為Cl-C2GCCl-C2GC2did2題3-17圖b，長為I。極板間無介3-17b，長為I。極板間無介質(zhì)塊時的電容為C0 迎，極板間有介質(zhì)塊時的電容為,dr+d2C-CA'CBdiC-CA'CBdi上式表明傳感器電容與介質(zhì)塊位移bxb(l—X)d2d1d2x成線性關(guān)系。18題3-18圖解:由題3-18圖和題中參數(shù)可求得初始電容2C〔=C2=C0=：S/d=QG.r/d。8.85漢10衛(wèi)漢兀漢12漢10’) .423 6.6710F=6.67pF0.610變壓器電橋輸出端電壓USC二2UC1USC二2UC1 C2將公式（3-2-9）代入上式計算得TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"22U_U2 1U 1——Z1+Z2 乙+Z2其中乙,Z2分別為差動電容傳感器 C1,C2的阻抗.，Ad 005usc usr 3sin =0.25sin，t(V)\o"CurrentDocument"d0 0.63-19答：自感傳感器有三種類型：變氣隙式、變面積式和螺管式。變氣隙式靈敏度最高，螺管式靈敏度最低。變氣隙式的主要缺點是：非線性嚴重，為了限制非線性誤差，示值范圍只能較小；它的自由行程受鐵心限制，制造裝配困難。變面積式和螺管式的優(yōu)點是具有較好的線性，因而示值范圍可取大些，自由行程可按需要安排，制造裝配也較方便。此外，

螺管式與變面積式相比，批量生產(chǎn)中的互換性好。 由于具備上述優(yōu)點，而靈敏度低的問題可在放大電路方面加以解決，因此目前螺管型自感傳感器的應用越來越多。3-20解：設(shè)紙頁厚度為「磁導率為」，其磁阻遠大于鐵心和銜鐵的磁阻，因此據(jù)公式（3—3—式（3—3—5）可推得，題3-20圖所示自感式傳感器的自感為n2」a2、，電流表4的讀數(shù)為仏可見電流表的讀數(shù)與紙頁厚度成線性關(guān)系。3-21解：將題中參數(shù)代人書上的公式（3-3-2）,分別計算鐵芯磁路磁阻和氣隙磁阻，計算結(jié)果證明，鐵芯磁路磁阻遠小于氣隙磁阻， 因此該變隙式電感傳感器的電感可采用書上的公式（3-3-5）近似計算。由公式（3-3-6）和（3-3-7）可知，當銜鐵移動△S時，傳感器的電感變化為△L=LL電感變化為△L=LLo=L°1△盧Lo1+-1+M將公式（3-3-6）代人上式得，變隙式電感傳感器的靈敏度為22△L L0 1NgA1NgA=x = 2x- ~ 萬一△3S卄△ 2瘡1+△ 2§0So 3據(jù)題意知：A=1.5cm2,%=4二10^H/m,N=3000。代人上式計算得變隙式電感傳感器的靈敏度為AL_N感器的靈敏度為AL_N2片A二—2-P2300024-10_71.510_42漢（0.5漢10—22_33.9H/m若將其做成差動結(jié)構(gòu)形式，則靈敏度為單一式的兩倍，且線性度也會得到明顯改善。3-22答：由自感傳感器的等效電路圖3-3-3可見，自感傳感器工作時，并不是一個理想的純電感L,還存在線圈的匝間電容和電纜線分布電容組成的并聯(lián)寄生電容 C。更換連接電纜后，連接電纜線分布電容的改變會引起并聯(lián)寄生電容 C的改變，從而導致自感傳感器的等效電感改變，因此在更換連接電纜后應重新校正或采用并聯(lián)電容加以調(diào)整。3-23答：差動自感式傳感器與差動變壓器式傳感器的相同點是都有一對對稱的線圈鐵心和一個共用的活動銜鐵，而且也都有變氣隙式、變面積式、螺管式三種類型。不同點是，差動自感式傳感器的一對對稱線圈是作為一對差動自感接入交流電橋或差動脈沖調(diào)寬電路，將銜鐵位移轉(zhuǎn)換成電壓。而差動變壓器式傳感器的一對對稱線圈是作為變壓器的次級線圈，此外，差動變壓器式傳感器還有初級線圈 （差動自感式傳感器沒有），初級線圈接激勵電壓，兩個次級線圈差動連接，將銜鐵位移轉(zhuǎn)換成差動輸出電壓。3-24答：圖⑻和圖（b）的輸出電流為Iab=|1-|2,圖（C）和圖（d）的輸出電壓為Ubb=Uac-Ubc。當銜鐵位于零位時，I1_|2,Uac=Ubc,故|ab=0,Uab=0；當銜鐵位于零位以上時，|1>|2,“OUdc,故Iab>0,Lhb>0;當銜鐵位于零位以下時， |1<|2,Uac<Ubc,故|ab<0,Uab<0。因此通過Iab和Jab的正負可判別銜鐵移動方向。又因為lab和Uabde大小與銜鐵位移成正比，因此通過 lab和Uab的大小可判別銜鐵位移的大小。調(diào)整圖中電位器滑動觸點的位置,可以使差動變壓器兩個次級線圈的電路對稱,在銜鐵

調(diào)整圖中電位器滑動觸點的位置,可以使差動變壓器兩個次級線圈的電路對稱,在銜鐵解：題3-25圖1中解：題3-25圖1中R,=R2二R為平衡電阻。在Ui的正半周，Ui?0,即UaUb,題3-25圖1等效為題3-25圖2（a）,R_Z2^Z1 R(1)(b)(a)(b)題3-25圖2在Ui的負半周，Uj<0,即UA<UB，題3-25圖1中二極管D2和D4導通，D1和由圖可見,D3截止，題3-25圖1等效為題3-25圖2（b）,由圖可見,UcdUcd=UiRZj+RZ2+R,當乙二Z2時，由式（1）和（2）都可得,當Z當Z1Z2時，式（1）中括號項為正，而Ui也為正，故UCD0；式（2）中括號項為負，而Ui也為負，故UCD?0。因此由式（1）和（2）都可得，UCD0°同理，當乙：::Z2時，由式（1）和（2）都可得， UCD：：：0。單向脈動電壓uCD經(jīng)過阻容濾波后得到直流輸出電壓 U0。U。的正負決定于銜鐵位移的方向，U0的大小決定于銜鐵位移的大小。26答：溫度變化時，金屬的電阻率T會發(fā)生變化，據(jù)公式（3-3-45），將使渦流的滲透深度h隨之變化，據(jù)公式（3-3-50）可知，這將使透射式渦流傳感器接收線圈中的感應電壓U2隨溫度變化。為了防止溫度變化產(chǎn)生的電壓變化同金屬板厚度變化產(chǎn)生的電壓變化相混淆，采用渦流傳感器測量金屬板厚度時， 需要采取恒溫措施或考慮溫度變化的影響。27答：其主要優(yōu)點是可實現(xiàn)非接觸式測量。反射式渦流傳感器常用于測量物體位移、距離、振動和轉(zhuǎn)速、溫度、應力、硬度等?？勺龀山咏_關(guān)、計數(shù)器、探傷裝置等；還可以判別材質(zhì)。透射式渦流傳感器常用于測量金屬板厚度。28 答：相同點：都包含有產(chǎn)生交變磁場的傳感器線圈 （激勵線圈）和置于該線圈附近的金屬導體，金屬導體內(nèi)， 都產(chǎn)生環(huán)狀渦流。不同點：反射式渦流傳感器只有產(chǎn)生一個交變磁場的傳感器線圈，金屬板表面感應的渦流產(chǎn)生的磁場對原激勵磁場起抵消削弱作用，從而導致傳感器線圈的電感量、 阻抗和品質(zhì)因數(shù)都發(fā)生變化。 而透射式渦流傳感器有兩個線圈：發(fā)射線圈（激勵線圈） L1、接收線圈L2，分別位于被測金屬板的兩對側(cè)。金屬板表面感應的渦流產(chǎn)生的磁場在接收線圈 L2中產(chǎn)生感應電壓，此感應電壓與金屬板厚度有關(guān)。1答：相同點：都有線圈和活動銜鐵。不同點：圖 4-1-1（a）磁電式傳感器的線圈是繞在永久磁鋼上，圖3-3-1（a）自感式傳感器的線圈是繞在不帶磁性的鐵心上。自感式傳感器的線圈的自感取決于活動銜鐵與鐵心的距離， 磁電式傳感器線圈的感應電壓取決于活動銜鐵的運動速度。當銜鐵不動時，氣隙磁阻不變化，線圈磁通不變化，線圈就沒有感應電壓，因此后者可測量靜位移或距離而前者卻不能。4-2答：根據(jù)電磁感應定律，磁電感應式傳感器的線圈感應電壓與線圈磁通對時間的導數(shù)成正比，而實現(xiàn)磁通變化有兩種方式： 活動銜鐵相對磁鐵振動或轉(zhuǎn)動， 線圈相對磁鐵振動或轉(zhuǎn)動。這兩種方式產(chǎn)生的感應電壓都與振動或轉(zhuǎn)動的速度成正比， 因此磁電感應式傳感器又叫做速度傳感器。由圖 4-1-3可見，在磁電感應式傳感器后面接積分電路可以測量位移，后面接微分電路可以測量加速度。因為位移是速度的積分，而加速度是速度的微分。4-3答：磁電感應式傳感器有兩種類型結(jié)構(gòu)： 變磁通式和恒磁通式。 相同點：都有線圈、磁鐵、活動銜鐵。不同點：變磁通式是線圈和永久磁鐵（俗稱磁鋼）均固定不動，與被測物體連接而運動的部分是利用導磁材料制成的動鐵心 （銜鐵），它的運動使氣隙和磁路磁阻變化引起磁通變化，而在線圈中產(chǎn)生感應電勢， 因此變磁通式結(jié)構(gòu)又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)。 在恒磁通式結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定， 感應電勢是由于永久磁鐵與線圈之間有相對運動一一線圈切割磁力線而產(chǎn)生的。這類結(jié)構(gòu)有兩種：一種是線圈不動，磁鐵運動，稱為動鐵式，另一種是磁鐵不動，線圈運動，稱為動圈式。4-4答：不能。因為當作用于壓電元件上的力為靜態(tài)力即 ?=0時，據(jù)公式（4-2-20）可知，壓電元件產(chǎn)生的電流為零， 據(jù)公式（4-2-25）和（4-2-29）式也可知，壓電傳感器輸出電壓也為零。與電容充放電的過程一樣， 靜態(tài)力產(chǎn)生的電荷會通過負載電阻和壓電元件本身的漏電阻放電而泄漏掉， 因而該電荷在壓電傳感器電容上形成的電壓也很快衰減至零。 所以不論采用電壓放大還是電荷放大， 壓電式傳感器都不能測量頻率極低的被測量， 特別是不能測量靜態(tài)參數(shù)（即3=0），因此壓電傳感器多用來測量加速度和動態(tài)力或壓力。4-5答：由（4-2-18）和（4-2-28）式可知，連接電纜電容Cc改變會引起C改變，進而引起靈敏度改變，所以當更換傳感器連接電纜時必須重新對傳感器進行標定， 這是采用電壓放大

器的一個弊端。由(4-2-31)式可見，在采用電荷放大器的情況下，靈敏度只取決于反饋電容 Cf,而與電纜電容Cc無關(guān)，因此在更換電纜或需要使用較長電纜 (數(shù)百米)時，無需重新校正傳感器的靈敏度。因此，壓電式傳感器多采用電荷放大器而不采用電壓放大器。6答：串聯(lián)使壓電傳感器時間常數(shù)減小，電壓靈敏度增大，適用于電壓輸出、高頻信號測量的場合；并聯(lián)使壓電傳感器時間常數(shù)增大， 電荷靈敏度增大，適用于電荷輸出、 低頻信號測量的場合。bl4-7答：設(shè)壓電晶體的介電常數(shù)為 ；，圖4-2-8中每片壓電片的電容為C ，據(jù)(4-2-13)、(4-2-15)式，每片壓電片的電壓為d3il2F)/(；bl)d3il上下壓電晶片串聯(lián)時總電荷與單片相同，總電壓為單片的兩倍即(4-2-13)、(4-2-15)式，每片壓電片的電壓為d3il2F)/(；bl)d3il上下壓電晶片串聯(lián)時總電荷與單片相同，總電壓為單片的兩倍即Ued3i丨f4上下壓電晶片并聯(lián)時總電壓與單片相同，總電荷為單片的兩倍即Qed31l24-8解：Ca%?S8.85X1012X5.1X1X10431X10124.51X10F=4.51PFC=Ci+Ca=20+4.51=24.51PF=24.51X10^12R=Ra〃RRa?RRj=100X106Q,31110…3。= = 12 6=RC24.51X1012X100X106 2.451丁F=0.01sin(0訃, 二Fm=0.01N,3=103,12Qm=Fmd=0.01X2=0.02PC=0.02X1012C,?據(jù)公式(4-2-21)Q1Ui=據(jù)公式(4-2-21)iC.1+2.V直.1+2.V直X0.926,C12120.02X101224.51X10X0.926二0.756X103(v)=0.756mVp=2XUim=2X0.756=1.511mV

4-9解：根據(jù)(4-2-12)式二=2d31d33T=_27810J2 19010J2TTOC\o"1-5"\h\z12 12 3=3410T=3410 1010,12 3 3Q二S-d3410 1010 510門一彷 0.16VCa；0；rS ；0；r 8.8510 1200Ca=84.9610J1F。Ca=84.9610J1F。5x10^Q=34x10」2x10x103x(20x10」(=136x10^0,CaCa0.16V。849.64-10答：據(jù)(4-3—6)式和定積分性質(zhì)可知K NA ；Eab仃，Tn)EAB(Tn,T。) (T-「)In子T(JYA)dTe NB Tn-(Tn-T0)ln業(yè) -；「A)dT二上(T-T°)ln^ ：(；「bya)dT二Eab(T,T。)e N B 0 e NB %中間溫度定律證畢。據(jù)(4-3—6)式和對數(shù)性質(zhì)、定積分性質(zhì)可知TOC\o"1-5"\h\zK Na JEac(T,T0)-Ebc(T,T。) (T-T°)ln」T(6-6)dTe NC 10K Nb t K Na t(T-T°)ln扌-t(7-J)dT(T-T°)lnAt(J-；「A)dT二Eab(T,T。)e NC T0 e NB T04-11解：圖4-3-7可簡化為題4-12圖⑻。我們仿照書上介紹的“巡游一周法” ，從熱端出發(fā)沿回路一周，按照遇到的導體和溫度的順序， 依次寫出各接觸電勢和溫差電勢， 并將它們相加起來便是圖(a)中整個回路的總熱電勢：E二Eab仃廠Eb仃幾)Ebb(Tn)-EB(Tn,T°)?Ebc仃。)’Ec(T0,T。廠Eca(T°)TOC\o"1-5"\h\zEA(T0,Tn)-Eaa仃n)?Ea(Tn,T) (1)依據(jù)公式(4-3-3)和對數(shù)的性質(zhì)，很容易證明：Ebb(Tn)-Eaa(Tn)EabE廠Eba仃n) ⑵Ebc(T0)'Eca'仃0)=Eba(T°) (3)因Ec(T0,T0)=0,故(2)、(3)式代入(1)式并整理可得:E=Eab仃廠Eb仃,「廠Eba仃n)'丘人⑴")】

'EAB(Tn)'EB(Tn,T0)'EBA(T0)'EA'(T0,Tn)(4)=Eab仃，Tn)?EAB(Tn,T°(4)補償導線滿足公式（4-3-12）的條件，將（4-3-12）式代入上式，并引用中間溫度定律（4-3-8）式，可得E=EAB(T,Tn廠EAB〈Tn,T0)=Eab仃,Tn)'EAB(Tn,T0^-Eab(T,T0) (5)從以上推導過程可以看出，圖 4-3-7即題4-12圖（a）中補償導線A'B'滿足公式（4—3-12）的條件，故可將熱電偶的冷端延伸，而保證整個回路的熱電勢仍然不變。題4-12圖如果改用普通的銅導線來延伸熱電偶的冷端，如圖題4-12圖（b）所示，則整個回路的熱電勢為：E=Eab仃廠EB(T,Tn) EBC(Tn) - Ec(Tn,To) -Ec(To,Tn) -Eca仃n)? EA(Tn,T)(6)TOC\o"1-5"\h\z依據(jù)積分的性質(zhì)可知 EC（Tn,T0）-Ec（T0,Tn）=0， （7）依據(jù)公式（4-3-3）和對數(shù)的性質(zhì)，很容易證明：Ebc仃n）*EcA（Tn）Eba（「） （8）（7）、（8）式代入（6）式得E=Eab仃）EB（T,Tn）Eba（「）Ea（「，T）二Eab（T,「）=Eab仃，T。） （9）從以上推導過程可以看出，普通的銅導線不能用來延伸熱電偶的冷端。4-12解：由題意可知：Tn=50C,E（T,Tn）=60mV,E(T,0)=靈敏度XTn=0.08X50=4mV,E(T,0)=E(T,Tn)+E『n,0)=60+4=64mV,E(E(T,0)=64靈敏度=0.08=800C,或TTn)x靈敏度=e(t,Tn)?(T50)X0.08=60,60T= +50=800Co0.0813解：采用與其相配的補償導線時，將公式（ 4-3-13）代入公式（4-3-9）得，儀表測

得的電壓為 5=Ek（T,「廠EK（Tn，T。）=Ek（T,T。）=Ek（T,0）-Ek（T°,0）從K型熱電偶的分度表上查得對應 400C和20C的熱電勢，代入上式計算得6=EK（400,0）-EK（20,0）=16.395-0.798=15.597mV若錯用了分度號為E的熱電偶的補償導線，則儀表測得的電壓為U2二Ek（T,「）Ee（「,T0）二Ek（T,0）-Ek（Tn,0）EE（Tn,0）-EE（T°,0）二Ek（400,0）-Ek（30,0）Ee（30,0）-Ee（20,0）查E型和K型熱電偶的分度表上對應 400C、30C和20C的熱電勢，代入上式計算得U2=16.395-1.2031.801-1.192=15.801mV儀表指示的變化為 6—U2=15.597一15.80仁_0.204mV14答：不可接反。因為圖 4-3-9中補償電橋的電壓為Uab=EAB（Tn，T0），毫伏表讀數(shù)為Uo二Eab（T,「）Uab二EAB（T,Tn）*Eab（「，T0）=Eab（「T°）如果4V直流電源的極性接反，則補償電橋的電壓也會改變極性，即 Uab=-EAB（Tn,T0）,此時U。二Eab（T,「）?Uab二Eab（T,「）-EAB（Tn,T0）=Eab（T,T。）。4-3-10所示電路。而且，題中-=610W/C,4-3-10所示電路。而且，題中-=610W/C,4-3-27）計算，直接求給出了：銅電阻Rt的電阻溫度系數(shù) a=0.004C,熱電偶的電壓溫度系數(shù)T0=50C時Eab(T0,0)=0.299mV=0.29910^V。代入書上公式(得可調(diào)電阻的阻值Rs2（游"665.?）或代入公式（4-3-26）計算得0004^50 「Rs二0.0045匕-1Rs二0.29910Rs要比按分度表查出因為］=610^V是0~100Rs要比按分度表查出的Eab（T0,0）=0.29910^V計算出的Rs精確度低一些。4-16解：因為該溫度顯示儀表是按照鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表刻度的，所以只有在冷端溫度為0C的情況下，儀表顯示的溫度才與實際溫度相符。查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表可知，500C對應的熱電勢是20.640mV。由此我們可推斷：既然顯示儀表指示溫度為 500C,表明此時儀表所加的電壓為 20.640mV。因為此時冷端溫度是60C而不是0C,所以此時儀表所加的電壓應該是ET,60而不是ET,0。將儀表測得的ET,60=20.640mV,和查表得到的E60,0=2.436mV代入公式(4-3-9)計算得E(T,0)=E(T,60) E(60,0)=20.640 2.436=23.076mV再反查鎳鉻—鎳硅熱電偶分度表，與此熱電勢 ET,0=23.076mV對應的溫度在 557C和558C中間即557.5C。這個溫度值才是實際的溫度值，因此此時儀表顯示的溫度誤差為500-557.5=-57.5C。如果熱端溫度不變，設(shè)法使冷端溫度保持在 20C,此時儀表所加的電壓將變?yōu)镋(T,20)，將前面計算得的ET,0=23.070mV和查表得到的E20,0=0.798mV代人公式(4-3-9)計算得E(T,20)=E(T,0)-E(20,0)=23.076-0.798=22.278mV再反查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表可知，此電壓加到儀表上，儀表顯示溫度將是與E(T,0)=22.278mV對應的溫度值，應當在538與539C中間約538.4C,而此時的實際溫度依然是557.5C,因此此時儀表顯示的溫度誤差為 538.4-557.5=-19.1C。通過以上計算對比可見，冷端溫度降低時，顯示儀表的指示溫度值更接近實際溫度值。17答：基于光電效應原理工作的光電轉(zhuǎn)換元件稱為光電器件或光敏元件。光電效應一般分為外光電效應、光導效應和光生伏特效應， 相對應的光電器件也有以下三種類型： 1、光電發(fā)射型光電器件，有光電管(符號見圖4-4—2)和光電倍增管(符號見圖4-4—4(b));2、光導型光電器件，有光敏電阻(符號見圖 4-4—6),3、光伏型光電器件，有光電池(符號見圖4-4—12)。4-18答：有5種常見形式。1、透射式，可用于測量液體、氣體和固體的透明度和混濁度；2、反射式，可用于測量表面粗糙度等參數(shù)；3、輻射式，可用于光電高溫計和爐子燃燒監(jiān)視裝置；4、遮擋式，可用于測量物體面積、尺寸和位移等參量；5、開關(guān)式，可用于①開關(guān)，如光電繼電器；②計數(shù)，將光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖進行產(chǎn)品計數(shù)或是測量轉(zhuǎn)速等；③編碼，利用不同的碼反映不同的參數(shù)。4-19答：光電器件輸出的光電流與入射光波長的關(guān)系 l=F(入)為光譜特性。在同樣的電壓和同樣幅值的光強度下，當以不同的正弦交變頻率調(diào)制時，光電器件輸出的光電流I或靈敏度S與入射光強度變化頻率f的關(guān)系I=F1(f)或S=F2(f)稱為頻率特性。光譜特性對選擇光電器件和輻射能源有重要意義。 當光電器件的光譜特性與光源輻射能量的光譜分布協(xié)調(diào)一致時，光電傳感器的性能較好，效率較高。在檢測時，光電器件的最佳靈敏度最好在需要測量的波長處。選用光電元件時，應考慮其頻率特性是否能適應于入射光強度變化的情況。也就是說，光電元件的頻率響應特性的上限頻率應遠高于入射光強度變化的頻率。4-20答：將題3-9圖的電冰箱溫控電路這樣改裝：熱敏電阻改為光敏電阻 Rg，并與串聯(lián)電阻R5互換位置，壓縮機改為路燈。4-21答：由公式(4-5-13)可見，增大(或減少)霍爾片控制電流可增大(或減少)霍爾式鉗形電流表的靈敏度；圖4-5-7中被測電流導線如果在硅鋼片圓環(huán)上繞幾圈， 電流表靈敏度便會增大幾倍。用這種辦法可成倍地改變霍爾式鉗形電流表的靈敏度和量程。4-22解：輸出的霍爾電勢為： Uh=KhIB=221.010-0.3=6.6（mV）由Rh 1Kh ，R:d ne可得載流子濃度為：1n=1202.8410/mKhed221.610 11023答：如圖4-5-9所示，由于工藝上的原因，很難保證霍爾電極C、D裝配在同一等位面上，這時即使不加外磁場， 只通以額定激勵電流I，在CD兩電極間也有電壓 3輸出，這就是不等位電壓。 U）的數(shù)值是由C、D兩截面之間的電阻 R）決定的，即Uo=IR。此外霍爾元件電阻率不均勻或厚度不均勻也會產(chǎn)生不等位電壓。不等位電壓是霍爾傳感器的一個主要的零位誤差， 其數(shù)值甚至會超過霍爾電壓，所以必須從工藝上設(shè)法減小， 并采用電路補償措施。 補償?shù)幕舅枷胧前丫匦位魻栐刃橐粋€四臂電橋，如圖4-5-10所示。不等位電壓相當于該電橋在不滿足理想條件 Ri=R^=F3=Rt情況下的不平衡輸出電壓。因而一切使橋路平衡的方法均可作為不等位電壓的補償措施。圖4-5-10所示為三種補償方案，圖 （a）是在阻值較大的臂上并聯(lián)電阻，圖 （b）（c）是在兩個臂上同時并聯(lián)電阻，顯然方案 （c）調(diào)整比較方便。4-24答：不能。因為熱敏電阻 R具有負溫度系數(shù)，在圖4-5-13（a）中，當溫度升高時，R減小，流過霍爾元件的控制電流 IH增大，從而使霍爾元件輸出電壓 UH=KHIHB增大，這就可補償負溫度系數(shù)的Kh隨溫度升高而減小的作用。如果把圖4-5-13（a）中熱敏電阻換成金屬電阻絲，因為金屬電阻絲具有正溫度系數(shù)， 當溫度升高時，金屬電阻絲電阻增大，流過霍爾元件的控制電流Ih減小，從而使霍爾元件輸出電壓也Uh二KhIhB減小，這只能補償正溫度系數(shù)的Kh使Uh隨溫度升高而增加的作用，不能補償負溫度系數(shù)的 Kh使Uh隨溫度升高而減小的作用。 如果圖4-5-13（b）中金屬電阻絲換成熱敏電阻 R，當溫度升高時,R減小，流過R電流增大，流過霍爾元件的控制電流 |H減小，從而使霍爾元件輸出電壓Uh=KhIhB減小，這也只能補償正溫度系數(shù)的 Kh使Uh隨溫度升高而增加的作用，不能補償負溫度系數(shù)的Kh使Uh隨溫度升高而減小的作用。1答：相同點：磁敏二極管和磁敏三極管都是 PN結(jié)型的磁敏元件，都有本征區(qū) I，本征區(qū)I的長度較長，其一個側(cè)面磨成光滑面，另一面打毛。粗糙的表面處容易使電子一空穴對復合而消失，稱為r（recombination）面（或r區(qū)），不同點：磁敏二極管的結(jié)構(gòu)是在高阻半導體芯片 （本征型）1兩端，分別制作P、N兩個電極，形成P-I-N結(jié)。當磁敏二極管未受到外界磁場作用時， 外加正偏壓，則有大量的空穴從P區(qū)通過I區(qū)進入N區(qū)，同時也有大量電子注入P區(qū)，形成電流。當磁敏二極管受到外界磁場H+（正向磁場）作用時，電子和空穴受到洛倫茲力的作用而向 r區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于r區(qū)的電子和空穴復合消失速度比光滑面 I區(qū)快，因此形成的電流因復合速度快而減小。 當磁敏二極管受到外界磁場H-（反向磁場）作用時，電子一空穴對受到洛倫茲力作用向光滑面偏轉(zhuǎn)，電子一空穴的復合率明顯減小， 因而形成的電流變大。磁敏二極管反向偏置時， 僅流過很微小

電流，幾乎與磁場無關(guān)。磁敏三極管的結(jié)構(gòu)是在弱 P型近本征半導體（本征區(qū) I）上，用合金法或擴散法形成三個結(jié)，即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)。當磁敏三極管未受到磁場作用時，基極電流大于集電極電流，使3=Ic/Ib<1。受到正向磁場（H+）作用時，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結(jié)的一側(cè)，導致集電極電流顯著下降， 當反向磁場（H-）作用時，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)， 使集電極電流增大。2ikU(j.GkQrlinxio~ikU(j.GkQrlinxio~口茁—匚II|13k可—L_-H1000—匸二H53k2500一 133k500—1 270k\o"CurrentDocument"1KG一 巧 1,1MQ3DG6C Ij2..Gk喇I（5。典丸題5-2圖簡易高斯計電路圖解：圖中左側(cè)虛線框內(nèi)是兩對互補的磁敏二極管， 四只溫度特性一致的磁敏二極管按磁場極性互相相反組成磁敏橋作為探頭，探頭通過導線與機身插接。插接開關(guān)為量程選擇開關(guān),接入8個不同的電阻，得到8個不同的量程。兩只晶體管組成差分放大電路。沒有磁場時（H=0），磁敏橋平衡無輸出。加磁 H+時，磁敏橋有輸出電壓加在差分對管基極上，集電極電位發(fā)生變化，有電流通過電表。使表針指示所測磁場強度值。當加磁場H-時，由于磁場方向與H+加時相反，表針向"0”位置反方向偏轉(zhuǎn)。3題5-3圖光敏二極管光控開關(guān)電路解：題5-3圖⑻是亮通光控電路。當有光照射時，光敏二極管的阻值變小， VTi、VT2導通，繼電器K工作，從而帶動執(zhí)行機構(gòu)。圖 （b）是暗通光控電路，當有光照射時，光敏二

極管的阻值變小。VTi、VT2截止，繼電器K不工作；只有當無光照時， VTi、VT2才導通,繼電器工作。4解：采用圖5-1-16(a)所示溫敏硅二極管電橋和測量放大器及數(shù)字電壓表組成的數(shù)字溫度計電路如題5-4圖所示。題5-4圖 采用溫敏硅二極管電橋的數(shù)字溫度計電路圖中測量放大器輸出電壓為R32R1 R3R3R2u°=（ui-u2）（iR2Rp2R2據(jù)公式(5-1-5)可知,U2=ub-Ct調(diào)節(jié)電位器Rp1，使U1=Ub，從而使t=oC時，U°=0。完成調(diào)零后,測量放大器輸出電壓為2R1R3Uo=(1 ctRp2R2再調(diào)節(jié)電位器Rp2，使t=100C時，Uo=100mV。這樣就使數(shù)字電壓表 DVM讀數(shù)1mV代表1C溫度，100mV代表100C。5題5-5圖解：圖中求和放大器輸出電壓為RR1URR1UiRR2U2因熱電偶正極接地，故5=-Eab（T,T。），據(jù)公式（）U2=Ub-CTo,代入上式得R3 R3 R3 R3Uo^EabE)芯(UbG)瓦us飛EabE)調(diào)節(jié)電位器R4,使旦4=U±，從而使T=0時，Uo=0，完成調(diào)零后，輸出電壓為調(diào)節(jié)電位器R2Ub選取適當?shù)腢or2、Uo%Eab(T.T選取適當?shù)腢or2、Uo%Eab(T.To)色R2RicTo二REab(T.To)RR2-RiCToRi，使単CT。=Eab（T°.O）=2%，此時輸出電壓為Ri唱Eab(T，O)咱T調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)電位器R3，使R^Ri-，從而使Uo二ST。6解：該說明書上提供的TMP35用于熱電偶冷端補償?shù)碾娐啡珙} 5-6圖所示。TMP35等藍駛題等藍駛題5-6圖FCkllTbl-_據(jù)公式（5據(jù)公式（5—2-7）和TMP35說明書,壓分壓產(chǎn)生的冷端補償電壓為圖中電壓輸出型集成溫度傳感器TMP35的輸出電R2R2R2R2UC=UT (U00■CvTo)Ri+R2 R1+R2(1)將U00=o，CV=10mV/C，R2=102門，R^24.9k1代入(1)式計算得UC=(41?V/C)To據(jù)TMP35說明書，K型熱電偶的塞貝克（Seebeck）系數(shù)］=41lV/C，代入公式（4-3-17）得K型熱電偶的熱電勢為Ek（T,T。）「（T-T。）（4WV/C）（T-T0） （3）因此同相放大器輸入電壓為Ui=Ek仃,T。）Uc=（4WV/C）T （4）據(jù)TMP35說明書，當T=250C時，K型熱電偶的熱電勢EK（250,0）=10.151mV。為了使T=0C?250C時，同相放大器輸出電壓為 0?2.50V,同相放大器的放大倍數(shù)為K=1R5 K=1R5 RpR42.5V10.151mV二246.3調(diào)節(jié)電位器Rp,使T=250C時，同相放大器輸出電壓為 2.50V。7解：該說明書上提供的AD592用于熱電偶冷端補償?shù)碾娐啡珙} 5-7圖所示。

題5-7圖據(jù)公式（5—2-5）和AD592，圖中電流輸出型集成溫度傳感器 AD592輸出電流在電阻R上形成的補償電壓為UC=(丨00 CIT0)R該補償電壓與熱電偶熱電勢相加成為同相放大器輸入電壓:Ui=E(T,T°)Uc依據(jù)疊加原理，放大器輸出電壓為Rg1 Rg1Uo=Ui(^-^^Ub-^RG2 RG2(1)(3)U。二E(T,To)(I00C(1)(3)U。二E(T,To)(I00C|To)R(1(4)AD592的I。。=273」A,G=1從/C。選擇電阻R,，使(5)pp(5)R=C7二1」A/C選定熱電偶的類型后，將該型熱電偶的塞貝克 （Seebeck）系數(shù)］代人上式可計算得所需的電阻值。例如K型熱電偶的塞貝克（Seebeck）系數(shù)］=41」V/C，代入上式計算得 。調(diào)節(jié)電位器Rp,使基準電壓源AD1403提供的2.5V穩(wěn)定電壓分壓產(chǎn)生的Ub滿足調(diào)零條件:(1RG1(1RG1l00R「UbRg2將（5）式和（6）式代入（4）式得Uo二E仃,T。）「ToM—HE仃,0）（1電）：「：T（1—^ST（7）RG2 RG2 RG2根據(jù)所需的輸出電壓靈敏度 S.,可依據(jù)（7）式計算出的放大器放大倍數(shù)和相應的增益電阻Rg1、RG2。8解：滿度輸出電壓的典型值為Uo=5.1 0.01059105-0.1518I-4.897V滿度輸出電壓的最大值為U0=5.1 0.01059（1051.5）-0.1518〕=4.978V滿度輸出電壓的最小值為U0=5.1 0.01059（105-1.5）-0.15181=4.815V9答：據(jù)公式（6-2-9）H在0?100%RH范圍時，對應的H0為H0=H(1.0546-0.00218t)=H(1.0546-0.0021830)=0.9892H=0?98.93%RH代入公式(6-2-8)計算得U0=E(0.0062H0 0.16)=50.16?5(0.006298.930.16)=0.8?3.87V10答：線性集成霍爾傳感器的輸出電壓與輸入的磁感應強度成線性關(guān)系， 因此常用來測量磁場的磁感應強度或能轉(zhuǎn)換成磁場的磁感應強度的其他非電量。 這些非電量是連續(xù)變化的模擬量。開關(guān)型集成霍爾傳感器的輸出只有高電平和低電平兩種狀態(tài)， 常用來測量磁場的有或無，也可用來測量能轉(zhuǎn)換成磁場的其他開關(guān)型非電量。1答：有三條碼道。碼盤上最外圈碼道上只有一條透光的狹縫，它作為碼盤的基準位置，所產(chǎn)生的脈沖將給計數(shù)系統(tǒng)提供一個初始的零位 （清零）信號；中間一圈碼道稱為增量碼道，最內(nèi)一圈碼道稱為辨向碼道。這兩圈碼道都等角距地分布著 m個透光與不透光的扇形區(qū)，但彼此錯開半個扇形區(qū)即 90°/m。所以增量碼道產(chǎn)生的增量脈沖與辨向碼道產(chǎn)生的辨向脈沖在時間上相差四分之一個周期，即相位上相差 90°。增量碼道產(chǎn)生的增量脈沖的個數(shù)用于確定碼盤的轉(zhuǎn)動角度，辨向脈沖與增量脈沖的相位關(guān)系用于確定碼盤的轉(zhuǎn)動方向。2答：因為主光柵沿柵線垂直方向 （即x軸方向）移動一個光柵柵距W莫爾條紋沿y軸正好移動一個條紋間距 H（H?vy,光電元件的輸出電壓變化一個周期，光柵辯向電路產(chǎn)生一個脈沖計數(shù)，采用電子細分技術(shù)后，主光柵移動一個光柵柵距 W細分電路將產(chǎn)生m個計數(shù)脈沖，光柵的分辨率即一個脈沖計數(shù)代表的位移就從 W變成W/m光柵的柵距一般為0.01?0.1mm電子細分數(shù)在12?60甚至更多，因此光柵傳感器能測量很微小的位移。光柵傳感器中有兩個相距四分之一莫爾條紋間距的光電元件， 這兩個光電元件的輸出信號ui和U2的相位差正好等于n/2。當位移反方向時，正向位移時原來相位超前的那個光電元件的輸出信號的相位，就從相對超前變?yōu)橄鄬t后，這就會使相關(guān)的辨向電路控制計數(shù)器從脈沖加計數(shù)變成脈沖減計數(shù)，因此計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果反映位移正負兩抵后的凈位移。3答：長光柵所允許的移動速度V受光敏二極管響應時間?的限制W-■V

=20m/sW10-m=20m/s6—t50燈0s4解：六位循環(huán)碼碼盤測量角位移的最小分辨率為： ：：=—廠=5.6=0.098rad。2I0.01mm /碼盤半徑應為： R 0.1mma0.098循環(huán)碼101101的二進制碼為110110,十進制數(shù)為54；循環(huán)碼110100的二進制碼為100111，十進制數(shù)為39。碼盤實際轉(zhuǎn)過的角度為： ^-（54-39）:?=155.6=84\6-5答：莫爾條紋寬度為 H=⑷ _ =5.73mm2sin— 2sin02-22因為標尺光柵每移動一個柵距 W莫爾條紋就移動一個條紋寬度 H的距離，所以當標尺光柵移動100微米時，莫爾條紋移動的距離為5.73mm 6610010 =28.65mm2010》6答：相鄰正弦繞組與余弦繞組的間距為 （n/2+1/4）W。相鄰正弦繞組和正弦繞組，相鄰余弦繞組與余弦繞組的間距都為 n倍節(jié)距W7答：感應同步器測量系統(tǒng)對位移的分辨率 W/m是由節(jié)距W和細分數(shù)m決定的，因此要提高位移分辨率，就要選用節(jié)距 W小的感應同步器和增大細分數(shù) m。8答：感應同步器設(shè)置正弦繞組與余弦繞組是為了能在測量位移大小的同時還能判別位移的方向。9試分析環(huán)境溫度變化，對振弦式傳感器靈敏度的影響。解： 在溫度變化時，振弦的有效長度也隨之變化：lt=l0（V：t）式中t和〉分別為溫度和溫度膨脹系數(shù)，I。為溫度t=0C時的弦長。由于振弦的截面積很小，可認為當溫度變比時其截面積 A不變。振弦的應力d=F/A代人教材上公式（5-3-3）得振弦的振蕩頻率可表示為1匚A2Iml取振弦式傳感器靈敏度k=取振弦式傳感器靈敏度k=—一，則由上式可得1=1A1云4、'ml°（1+円）品由上式可見，溫度增加，振弦靈敏度降低。6-10答：振弦、振筒兩種頻率式傳感器的共同的特點是都由振動體、激振器、拾振器和放大振蕩電路組成一個反饋振蕩系統(tǒng)， 作為振動體的振弦、振筒都是用具有導磁性的恒彈性合金制成，當激振器使振動體振動時，磁路的磁阻交替變化，在拾振器中產(chǎn)生感應電壓，感應電壓的變化頻率等于振動體振動頻率。它們共同的工作原理是，被測非電量如力、壓力、密度等使振動體振動頻率即拾振器感應電壓的頻率改變，因此測量拾振器感應電壓的頻率就可測出被測非電量。1答：光導纖維簡稱光纖，由透光的纖芯和包層以及不透光的尼龍外套組成。纖芯內(nèi)傳播的光入射到纖芯和包層的交界面時， 由于纖芯的折射率比包層的折射率大， 只要入射角91大于臨界角9c,即刊一 空）,光就不會穿過兩個介質(zhì)的分界面， 而只會完全反射回來，這種只有反射沒有透射的情況稱為全反射。在光纖的入射端，光線從空氣（折射率為n0=1）中以入射角'0射入光纖纖芯，當入射角/r~2 2、%￡札=arcsin 時，就會使9i>9c即滿足全反射條件，這樣，光線就能在纖< n0丿芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射， 呈鋸齒形路線在纖芯內(nèi)向前傳播， 從光纖的一端以光速傳播到另一端，這就是光纖傳光原理。2答：當光纖發(fā)生彎曲到一定程度使光線入射角小于臨界角時，射到纖芯與包層界面上的光有一部分將穿過界面透射進包層造成傳輸損耗一一微彎損耗， 從而引起光纖出射端輸出的光通量發(fā)生變化。圖7-1-7中變形器的位移或所受力越大， 變形器使光纖發(fā)生周期性彎曲就越厲害，引起傳輸光的微彎損耗越大， 光纖出射端輸出的光強度越小。 通過檢測光纖輸出的光強變化就能測出位移或力信號。3答：在曝光（光積分）時間，圖7-2-6中各個光敏元曝光，吸收光生電荷，產(chǎn)生“電荷包”。曝光結(jié)束時，全部“電荷包”實行場轉(zhuǎn)移，亦即在一個瞬間內(nèi)將感光區(qū)整場的“電荷包”圖象迅速地轉(zhuǎn)移到存貯器列陣中去，譬如將腳注為 ai、a2、a3、a4的光敏元中的光生電荷分別轉(zhuǎn)移到腳注相同的存儲單元中去。此時光敏元開始第二次曝光（光積分） ，而存儲器列陣則將它里面存貯的光生電荷信息一行行地轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器， 在高速時鐘驅(qū)動下的讀出移位寄存器，讀出每行中各位的光敏信息，如第一次將 ai、bi、ci、di這一行信息轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器，讀出移位寄存器立即將它們按 ai、bi、ci、di的次序有規(guī)則地輸出。接著再將a2、b2、C2、d2這一行信息傳到讀出寄存器，…，直至最后由讀出移位寄存器輸出a4、b4、C4、d4的信息為止。4答：紅外探測器是能夠把紅外輻射量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的器件，它是紅外傳感器的關(guān)鍵部件一一傳感元件。按其所依據(jù)的物理效應可分為光敏和熱敏兩大類型， 其中光敏紅外探測器用得最多。光敏紅外探測器是采用電真空光電器件或半導體光電器件，通過紅外輻射的光電效應，把紅外輻射的光量變化轉(zhuǎn)換為電量變化。熱敏紅外探測器是采用熱敏電阻、 熱電偶和熱電堆，通過紅外輻射的熱電效應， 把紅外輻射的熱量變化轉(zhuǎn)換為電量變化。5答：超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。實際使用中壓電式探頭最為常見。壓電式超聲波探頭是利用壓電材料的壓電效應來工作的。 逆壓電效應將高頻電振動轉(zhuǎn)換成機械振動，以產(chǎn)生超聲波。正壓電效應將接收的超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。由于壓電效應的可逆性，實際應用中的超聲探頭大多是發(fā)射與接收兼用， 既能發(fā)射超聲波信號又能接收發(fā)射出去的超聲波的回波，并把它轉(zhuǎn)換成電信號。

6答：超聲檢測方法常見的有：透射法、反射法、頻率法。7答：核輻射傳感器主要由放射源和探測器組成。放射性輻射過度地照射人體，能夠引起多種放射性疾病。因此在實際工作中要采取各種方式來減小射線的照射強度和照射時間。 如采用屏蔽層，利用輔助工具，或是增加與輻射源的距離等各種措施。8答：傳感器發(fā)展的新趨向是：1）探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器；2）傳感器的集成化和多功能化；3）傳感器的智能化；4）研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。1解：設(shè)兩圓弧形電位器半徑為r，弧長為L,連成如題1圖所示差動電橋，兩電位器滑臂轉(zhuǎn)角為：?，則電橋輸出電壓為：U0U0-U —-UR0r2Ur■:=2U—L360:-測量范圍二L （度）。2r2兀8-2解：據(jù)公式（8-2解：據(jù)公式（8-2-1）圖3Wsina，代入公式（3-1-41）得電橋Eh2tan2的輸出電壓U0與傾角〉的關(guān)系式UoUokU3Wsin:Eh2tan23kUWsin：Eh2tan23解：采用圖3-2-3所示變面積型差動電容傳感器，將其動極板做成擺錘，再將該差動電容傳感器接入圖 3-2-7所示變壓器電橋，即構(gòu)成傾角測量電路。將（ 3-2-12）式代入（3-2-25）得，測量電路輸出電壓與傾角成正比EU02：0同樣，也可采用圖3-3-7（d）所示變面積型差動變壓器，將其活動銜鐵做成擺錘，再將該差動變壓器接入圖 3-3-11所示差動整流電路，也可構(gòu)成傾角測量電路。4解：將紙頁夾在變極距型電容器的兩極板之間， 設(shè)紙頁的厚度為「?，介電常數(shù)為；，此時，據(jù)公式（3-2-1），變極距型電容傳感器的電容為 CX ，將電容傳感器代入5圖3-2-6（a）中的Cx,圖中C0采用固定電容，據(jù)公式（3-2-18）,電路輸出電壓幅值與紙厚成正比

Co二Co二E ECo；S5解：紅外線發(fā)射管VDi發(fā)出紅外光，此光線透過紙張后，被光敏二極管 VD2接收。紙張越厚，透過紙張的光線強度越弱， VD2內(nèi)阻越大，輸出的檢測電壓越高，反之亦然。VD2輸出的檢測電壓加到兩個比較器，分別與兩只電位器設(shè)定的門限電壓進行比較。若紙張厚度在正常范圍， VD2輸出電壓也就在兩只電位器設(shè)定的門限電壓范圍之內(nèi)， 兩個比較器的輸出端均輸出高電平，三極管 VTi、VT2都保持截止狀態(tài)，繼電器也保持釋放狀態(tài)。兩控制開關(guān)均不閉合。當紙張厚度增大超過允許范圍時， VD2輸出的檢測電壓會升高到超過電位器 RPi設(shè)定的門限電壓，比較器ICia的4腳電壓高于5腳，這時其2腳輸出低電平，三極管VTi導通，發(fā)光二極管LEDi（超厚指示燈）點亮，繼電器Ki動作，使超厚控制開關(guān)閉合，接通控制紙張變薄的電路，使其工作。當紙張厚度減小超過允許范圍時， VD2輸出的檢測電壓降低到低于電位器 RP2設(shè)定的門限電壓，比較器ICib的7腳電壓低于6腳，這時其1腳輸出低電平，三極管VT2導通，發(fā)光二極管LED2（超薄指示燈）點亮，繼電器 K2動作，使超薄控制開關(guān)閉合，接通控制紙張變厚的電路，使其工作。題8-5圖紙厚檢測控制電路6答：如題8-6圖所示，采用絕緣材料制作一個同軸圓筒形容器，軸心采用直徑為 d的金屬圓棒作為內(nèi)電極，金屬圓棒外的絕緣材料包層直徑為 D,絕緣材料的介電常數(shù)為 ；。因為容器內(nèi)導電液體是不粘滯的， 當液位下降時，導電液體不會粘滯在絕緣材料包層的表面，所以，導電液體（作為外電極）與金屬圓棒（作為內(nèi)電極）的復蓋長度即為液位高度 H。金屬圓棒和導電液體構(gòu)成一個變面積式電容傳感器。3-2-6(b)中的Cx3-2-6(b)中的Cx,Co知，傳感器電容為CX- H。將此電容傳感器代入上圖In（D/d）E^CX 2瓏E采用固定電容，據(jù)公式（3-2-20）,電路輸出電壓幅值為Uo= =—J_E—H。?C0CoIn（D/d）

6CK6題8-6圖7答：圖8-4-5中液位高度H使活動銜鐵上升△X,即銜鐵位移.X.—x，將公式（8-4-10）代入（3—3—42）得，差動變壓器輸出電壓與液位高度 H成正比關(guān)系N2盂）8答：采用圖8-4-6所示電容式差壓傳感器或圖 8-4-8所示壓阻式差壓傳感器及相關(guān)測量電路（參見第8-9題解答）將差壓轉(zhuǎn)換成電壓，再配接一個電壓表組成水深測量儀表。其組成框圖如題8-8圖所示。題8-8圖差壓傳感器及其儀表帶在潛水員身邊， 差壓傳感器高壓側(cè)進氣孔敞開與潛水員身邊的水相通，低壓側(cè)進氣孔通過一根很長的橡膠“背壓管”與水面上的大氣相通，據(jù)公式（8—4—13），差壓傳感器的差壓與潛水員所潛入的深度 h成正比，此差壓由測量電路轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓讀數(shù)，這樣，潛水員就能從該電壓表的讀數(shù)知道自己所潛入的深度 ho8-9解：據(jù)公式（8—4—14），圖8—4—6所示電容式差壓傳感器的差動電容為(1)Ci(1)C1C2式中K該電容式差壓傳感器接入圖式中K該電容式差壓傳感器接入圖3—2—7 （b）變壓器電橋，將（1）式代入公式(3-2-25)得G_C2(3-2-25)得G_C2 U? = C1 C2 2該電容式差壓傳感器接入圖3—2—9電路，將（1）式代入公式（3-2-33）得C1一C2CC1一C2C1C2Uoh-UOH9-1解：鋁盤轉(zhuǎn)矩Merken，游絲扭矩Ms=ksV，二者平衡時(1)二上n(1)ks據(jù)書上公式（6-1-1）,配接m位光電編碼器，角分辨力“=360「2m，將此式代入上式（1）,可得轉(zhuǎn)速分辨力kskkskeks3600k?設(shè)轉(zhuǎn)速n=0時日=0°，將（1）式代入書上公式（6-1-3），可得被測轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)換成的相應進制數(shù)碼的對應關(guān)系為因二進制絕對編碼器最大輸出數(shù)碼為m因二進制絕對編碼器最大輸出數(shù)碼為m為全“1”，故對應的可測最大轉(zhuǎn)速為9-2解：據(jù)公式(9—19-2解：據(jù)公式(9—1—6)和(9—1—8),N」000 120360X10X10330006009-3解：令「為被測振動角頻率,據(jù)公式（9-2-21）,當⑷》國。時，ym=Xm，故可測量振動位移幅值。據(jù)公式（9-2-23）,當⑷《磯時，ym=am/阮=mam/k，故可測量振動加速度幅值。4答：圓筒形鋁制線圈骨架可看作是一個單匝閉合線圈，當線圈架隨同線圈一起在磁場中運動時，鋁制線圈架內(nèi)將感應產(chǎn)生渦流，磁場對此渦流的作用力也將阻止線圈架運動，由（9-2-35）dt式中卩一一線圈架結(jié)構(gòu)尺寸和材料決定的常數(shù)。過去線圈骨架采用普通的絕緣骨架，因不能產(chǎn)生渦流阻尼力，就在線圈的活動空間灌滿硅油，靠線圈與周圍硅油的摩擦產(chǎn)生阻尼力。采用鋁骨架后，用渦流阻尼取代硅油阻尼，傳感器的體積和重量大大減小。5答：據(jù)公式（9—2—42）和（9—2—47） ，只有當w>30時，磁電式速度傳感器的輸出電壓才與振動速度成正比。因此磁電式速度傳感器必須工作 3>30的范圍6答：這些傳感器的共性就是傳感器的殼體與被測振動體固接在一起，相對于大地做絕對振動，傳感器的殼體通過彈簧片或其他彈性支承帶動質(zhì)量塊相對于殼體做相對振動，

量塊的相對振動位移被轉(zhuǎn)換成電量，因而被測振動體的絕對振動加速度被轉(zhuǎn)換成電量。7解：圖9-2-5(a)中質(zhì)量塊的位移相當于圖 8-1-1中懸臂梁可動端的位移 3,根據(jù)(8-1-2)式，懸臂梁上黏貼的電阻應變電橋輸出電壓為U kU h(1)與被U。 (1)與被式中U為應變電橋電源電壓。根據(jù)公式( 9-2-20)式，圖9-2-5(a)中質(zhì)量塊的位移測加速度a的關(guān)系為當?：：：：：： 0時，、：=a■'o=maK將(3)式代入(1)式得當?：：：：：： 0時，、：=a■'o=maK將(3)式代入(1)式得kUkUhmak—應變片靈敏系數(shù)， K—懸臂梁的彈性系數(shù)；懸臂梁實質(zhì)上是一個彈性敏感元件，當它的可動端受到質(zhì)量塊的作用力位移「?，根據(jù)彈性力學的推導， 與作用力F成線性正比關(guān)系(2)(3)(4)F時，將產(chǎn)生4l3Ebh3而質(zhì)量塊受懸臂梁的彈性反作用力為F二K(5)式代入(6)式得:(7)式代入(4)式得:Eboh3kU6l6lEb°h(5)(6)(7)由上式可見，測得懸臂梁黏貼的電阻應變電橋輸出電壓， 就可以測得傳感器所固定的振動物體的振動加速度幅值。U。-5U。-550已知u0=—2000mV，故A二鴛通。9-9解：根據(jù)(4-2-18)式，C=CaCcCj=1000300050=4050pF,根據(jù)(4-2-19)式，R=Ra〃Rj=100M「」〃2M“-1.96M1,根據(jù)（4-2-22）式，根據(jù)（4-2-22）式，fn2二RC2-1.96106405010J2=20Hz，由題意知：f0=30kHz，綜合(4-2-26)和(9-2-31)式得,T=_Q 綜合(4-2-26)和(9-2-31)式得,T=_Q a11f41+—lf01.fd33mG式中G為放大倍數(shù)。由（1）式可得通頻帶為f0，即20Hz~30kHz，通頻帶中心頻率:15kHz。202115"03丿當202115"03丿, =0.97，1+丄6405010°2U0=AK0.97=40近0.97*0190 40 100.97=0.73伏405010°2C也可認為frfc時，U0=AK=400.01877=0.75伏。10解：應變片R1?F4粘貼位置及連成的電橋電路如圖9—3—4所示。61Eb°61Eb°h261000.59.82.11041132=14.1410*,U0二KU；=2614.1410,=169.710^=1710“V=17mV。9-11解：圖9-3-7(a)9-11解：圖9-3-7(a)W為重量，