傳感器及檢測技術(shù)習(xí)題答案

第1章傳感器與檢測技術(shù)根基思考題答案

I.檢測系統(tǒng)由哪幾局部組成？說明各局部的作用。

答：一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯云記錄裝置等幾局部組

成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。當(dāng)然其中還包括電源和傳輸通道等不可

塊少的局部。以以以下圖給出了檢測系統(tǒng)的組成框圖。

檢測系統(tǒng)的組成框圖

傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的裝置，顯然，傳感器是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生

聯(lián)系的部件，是檢測系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，檢測系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能確

定的，因為檢測系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)無法添加新的檢測信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。

測量電路的作用是將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓或電流信號。通常傳感器

輸出信號是微弱的，就需要由測量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝竟的要求。根據(jù)需要測

量電路還能進展阻抗匹配、微分、積分、線性化補償?shù)刃盘柼幚砉ぷ鳌?/p>

顯示記錄裝置是檢測人員和檢測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，主要作用是使人們了解被測量的

大小或變化的過程。

2.傳感器的型號有幾局部組成，各局部有何意義？

依次為主稱〔傳感器〕被測量一轉(zhuǎn)換原理一序號

主稱——傳感器，代號C;

被測量——用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標(biāo)記。見附錄表2：

轉(zhuǎn)換原理——用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標(biāo)記。見附錄表3;

序號——用一個阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，廠家自定，用來表征產(chǎn)品設(shè)計特性、性能參數(shù)、產(chǎn)

品系列等。假設(shè)產(chǎn)品性能參數(shù)不變，僅在局部有改動或變動時，其序號可在原序號后面順序

地加注大寫字母A、B、C等，〔其中I、Q不用

例：應(yīng)變式位移傳感器：CWY-YB-20；光纖壓力傳感器：CY-GQ-2o

3.測量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載變化的情況時，應(yīng)當(dāng)采用何種測量方法？假設(shè)何進展？

答：測定穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載電阻變化的情況時，最好采用微差式測量。此時輸出電壓

認(rèn)可表示為〃，其中△〃是負(fù)載電阻變化所引起的輸出電壓變化量，相對〃來講

為一小量。如果采用偏差法測量，儀表必須有較大量程以滿足4的要求，因此對△〃，這個

小量造成的Uo的變化就很難測準(zhǔn)。測量原理如以以以下圖所示：

圖中使用了高靈敏度電壓表——毫伏表和電位差計，用和E分別表示穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻和

電動勢，凡表示穩(wěn)壓電源的負(fù)載，石、片和凡表示電位差計的參數(shù)。在測量前調(diào)整R使電位

差計工作電流4為標(biāo)準(zhǔn)值。然后，使穩(wěn)壓電源負(fù)載電阻用為額定值。調(diào)整欣的活動觸點，

使毫伏表指示為零，這相當(dāng)于事先用零位式測量出額定輸出電壓U。正式測量開場后，只需

增加或減小負(fù)載電阻凡的值，負(fù)戴,變動所引起的穩(wěn)壓電源榆出電壓《的微小波動值△〃，即

可由毫伏表指示出來。根據(jù)UFSZU,穩(wěn)壓電源輸出電壓在各種負(fù)載下的值都可以準(zhǔn)確地測

量出來。微差式測量法的優(yōu)點是反響速度快，測量精度高，特別適合于在線控制參數(shù)的測量。

用微差式測量方法測量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載的變化

4.某線性位移測量儀，當(dāng)被測位移由4.5mm變到5.0mm時，位移測量儀的輸出電壓由3.5V

減至2.5V,求該儀器的靈敏度。

解：該儀器的靈敏度為

o2.5-3.5

5=--------=—2mV/mm

5.0-4.5

5.某測溫系統(tǒng)由以下四個環(huán)節(jié)組成，各自的靈敏度如下:

箱電阻溫度傳感器：0.45Q/℃

電橋：0.02V/Q

放大器：100（放大倍數(shù)）

筆式記錄儀：0.2cm/V

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(yīng)的溫度變化值。

解：

〔1〕測溫系統(tǒng)的總靈敏度為

5=0.45x0.02x100x0.2=0.18cm/℃

〔2〕記錄儀筆尖位移4cm時，所對應(yīng)的溫度變化值為

4

t=——=22.22℃

0.18

6.有三臺測溫儀表，量程均為0~800℃,精度等級分別為2.5級、2.0級和1.5級，現(xiàn)要測

量500℃的溫度，要求相對誤差不趣過2.5%,選那臺儀表合理？

解：2.5級時的最大絕對誤差值為20℃,測量500℃時的相對誤差為4%；2.0級時的最大

絕對誤差值為16℃,測量500℃時的相對誤差為3.2%：1.5級時的最大絕對誤差值為12℃,

測量500℃時的相對誤差為2.4%。因此，應(yīng)該選用1.5級的測溫儀器。

7.什么是系統(tǒng)誤差和隨機誤差？正確度和精細(xì)度的含義是什么？它們各反映何種誤差？

答：系統(tǒng)誤差是指在一樣的條件下，屢次重復(fù)測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變，

或按照一定的規(guī)律變化的誤差。隨機誤差則是指在一樣條件下，星次測量同一量時，其誤差

的大小和符號以不可預(yù)見的方式變化的誤差。正確度是指測量結(jié)果與理論真值的一致程度，

它反映了系統(tǒng)誤差的大小，精細(xì)度是指測量結(jié)果的分散程度，它反映了隨機誤差的大小。

8.服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機誤差有哪些特性？

答：服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機誤差的特性有：對稱性隨機誤差可正可負(fù)，但絕對值相等的

正、負(fù)誤差出現(xiàn)的時機相等。也就是說尸（6）-<5曲線對稱于縱軸。有界性在一定測量條

件下，隨機誤差的絕對值不會超過一定的范圍，即絕對值很大的隨機誤差幾乎不出現(xiàn)。抵償

性在一樣條件下，當(dāng)測量次數(shù)I—時，仝休隨機誤差的代數(shù)和等于零，即limZe-0”

…/=1

單峰性絕對值小的隨機誤差比絕對值大的隨機誤差出現(xiàn)的時機多，即前者比后者的概率密

度大，在5=0處隨機誤差概率密度有最大值。

9.等精度測量某電阻10次，得到的測量列如下：

片=167.95。殆=167.45。用=167.60Q/21=167.60Q/S=167.87Q凡=

167.88Q昂=168.00Q危=167.8500/^=167.82Q用。=167.61Q

⑴求10次測量的算術(shù)平均值測量的標(biāo)準(zhǔn)誤差。和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。

⑵假設(shè)置信概率取99.7%,寫出被測電阻的真值和極限值。

解：（1）求10次測量的算術(shù)平均值"，測量的標(biāo)準(zhǔn)誤差。和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。

⑵假設(shè)置信概率取99.7%,被測電阻的真值為:

R。=167.763±3xs=(167.763±0.173)Q

極限值為：R,

m167.763±3xa=(167.763±0.547)Q

10.試分析電壓揄出型直流電橋的輸入與輸出關(guān)系。

答：如以以以下圖，電橋各臂的電阻分別為用、R、后、用?！殡姌虻闹绷麟娫措妷?。

當(dāng)四臂電阻用二妙吊二位二/?時，稱為等臂電橋；當(dāng)相二侯凡尼二位二/?’（件力）時，稱為輸出對稱

電橋；當(dāng)R@R尸R,RFRS（肝。）時，稱為電源對稱電橋。

直流電橋電路

當(dāng)電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電

阻為無窮大，這時電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達式

為

火區(qū)一凡此

U=——~—U⑴

o國+氏2）（%+%）

設(shè)電橋為單臂工作狀態(tài)，即吊為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻。當(dāng)總感受被測量產(chǎn)

生電阻增量△片時，由初始平衡條件用后二用用得旦=&,代入式:1〕，則電橋由于△用

“R3

產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為

R2

u。ARU=⑵

（居+&）（叫+為）

對于輸出對稱電橋，比畸R尸RmR,RF叩R,當(dāng)用臂的電阻產(chǎn)生變化△用二△/?,根據(jù)〔2〕

可得到榆出電壓為

RR/△/?、U,\R、小

/=U(——)=—(——)(3)

(R+R)R4R

對于電源對稱電橋，R、=RFR,RFRFA.當(dāng)后臂產(chǎn)生電阻增量△用=△/?時，由式［2）得

RR'△R

U0=U(一)(4)

(R+R')2R

對于等臂電橋用二顯二所吊;兄當(dāng)用的電阻增量AA=△/?時，由式〔2〕可得輸出電壓為

RR

U°=U(與上(竺)⑸

(R+R)?R4R

由上面三種結(jié)果可以看出，當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時，電橋的輸出電壓也隨著變

化。當(dāng)△欣＜/?時，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生一樣變

化的情況下，等臂電橋以及輸出對稱電橋的輸出電壓要比電源對稱電橋的輸出電壓大，即它

們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對稱電橋。

在實際使用中為了進一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個被測信號接成兩個差動對

稱的全橋工作形式，R、二處bR,RmR~&R,RFN&R,3R~△R,將上述條件代入式（1）得

U\R\R

U0=4=U(6)

4RR)

由式（6）看出，由于充分利用了雙差動作用，它的輸出電壓為單片工作時的4倍，所以

大大提高了測量的靈敏度。

第2章電阻式傳感器思考題答案

1.金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)有什么不同？

答：金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)則

主要取決于材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化產(chǎn)生的。

2.直流測量電橋和交流測量電橋有什么區(qū)別？

答：它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，交流電橋用交流電源，適

用于所有電路元件。

3.熱電阻測量時采用何種測量電路？為什么要采用這種測量電路？說明這種電路的工作原

理。

答：通常采用電橋電路作為測量電路。為了抑制環(huán)境溫度的影響常采用以以以下圖所示的三

導(dǎo)線四分之一電橋電路。由于采用這種電路，熱電阻的兩根引線的電歸值被分配在兩個相鄰

的橋臂中，如果R；=R；,則由于環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變億造成的誤差被相互抵

消。

熱電阻的測量電路

4.采用阻值為120Q靈敏度系數(shù)償2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120Q的固定電阻組成電

橋，供橋電壓為4V,并假定負(fù)載電阻無窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1000時，試

求單臂、雙臂和全橋工作時的輸出電壓，并比照三種情況下的靈敏度。

解：單臂時。。=第二所以應(yīng)變?yōu)?時0。二號^=4x2：10-=2x10-6/v,應(yīng)變?yōu)?/p>

KRJ4x7x10-3KFI1

1000時應(yīng)為U0=2"=—=2x10-3/V：雙臂時U2￡上，所以應(yīng)變?yōu)?

442

時（/==4x2x106=4x10~6/V,應(yīng)變?yōu)?000時應(yīng)為

22

KNJ4x2x10-3.

Uo=--=-----------=4x10-3/v；全橋時U=KeU,所以應(yīng)變?yōu)?時

22

=8X10-6/V,應(yīng)變?yōu)?000時應(yīng)為Uo=8x10-3/v。從上面的計算可知：單臂時靈敏度

最低，雙臂時為其兩倍，全橋時最高,為單臂的四倍。

5.采用阻值e120Q靈敏度系數(shù)向2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值后120Q的固定電阻組成電

橋，供橋電壓為10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時，假設(shè)要使輸出電壓大于10mV,則可采用何

種工作方式〔設(shè)輸出阻抗為無窮大〕

解：由于不知是何種工作方式，可設(shè)為n,故可得：

衛(wèi)=2xK)xur；10mv

得n要小于2,故應(yīng)采用全橋工作方式。

6.如以以以下圖為一直流電橋，供電電源電動勢氏3V,砧用=100。，用和后為同型號的電

阻應(yīng)變片，其電阻均為50Q,靈敏度系數(shù)仔:2.0。兩只應(yīng)變片分別粘貼于等強度梁同一截

面的正反兩面。設(shè)等強度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000,試求此時電橋輸出端電壓4。

題6圖

K川J7x3x5x10

解：此電橋為輸出對稱電橋，故；=15/mV

7.光敏電阻有哪些重要特性，在工業(yè)應(yīng)用中是假設(shè)何發(fā)揮這些特性的

答：光敏電?阻是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它的重要特性是在

無光照時阻值非常大，相當(dāng)于斷路，有光照時阻值變得很小，相當(dāng)于通路。在工業(yè)應(yīng)用中主

要就是通過光的變化來各種電路的控制。

第3章電容式傳感器思考題答案

1.試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度？為了提高傳感器的靈敏度可采取

什么措施并應(yīng)注意什么問題？

答：如以以以下圖是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。

當(dāng)功極板移動△入后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為

U￡b〔丁△4〕/d=Gr￡b?△X/4（1〕

電容因位移而產(chǎn)生的變化量為

其靈敏度為K=-=~—

Ard

可見增加6或減小d均可提高傳感器的靈敏度。

直線位移型電容式傳感器

2.為什么說變間隙型電容傳感器將性是非線性的？采取什么措施可改善其非線性特征？

答：以以以下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。圖中1為固定極板.2為與被測對象相連

的活動極板。當(dāng)活動極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時，兩極板間的距離"發(fā)生變化，從

而改變了兩極板之間的電容量a

設(shè)極板面積為4其岸態(tài)電容量為。=——，當(dāng)活動極板移動x后，其電容量為

d

c=#=c°T⑴

a-xIx----

d2

當(dāng)K<d時

X?x

1_al則。=。0（1+;）（2）

ad

由式〔1〕可以看出電容量C與x不是線性關(guān)系，只有當(dāng)K<d時，才可認(rèn)為是最近似線形

關(guān)系。同時還可以看出，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙a過小時。但當(dāng)"過小時，又容易

引起擊穿，同時加工精度要求也高了。為此，一般是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)

高的物質(zhì)來改善這種情況。在實際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動式構(gòu)

造。

3.有一平面直線位移差動傳感器特性其測量電路采用變壓器交流電橋，構(gòu)造組成如以以以

下圖。電容傳感器起始時/>FAF/F200mm,分二所20nm極距e2m,極間介質(zhì)為空氣，測量電

路>=3sin3W,且〃小。試求當(dāng)動極板上輸入一位移量△A=5mm時，電橋輸出電壓為。

題3圖

解：根據(jù)測重電路可得

u=Ur.=-----u,=——u：=—x3sincj?=750sin3/mV

°G'a120

4.變間隙電容傳感器的測量電路為運算放大器電路，如以以以下圖。0=200pF,傳感器的起

始電容量ao=2OpF,定動極板距離d=1.5mn,運算放大器為理想放大器(即KT8,Z-8),用

極大,輸入電壓w=5sinu)tV。求當(dāng)電容傳感動極板上輸入一位移量△>=().15mm使d減小時，

電路輸出電壓劣為多少？

解：由測量電路可得

Co_C020()

uo==--Uix5sinG?z=45sinc7/V

rA20x1.5

Jo-Ax1.5-0.15

5.如圖3-22所示正方形平板電容器，極板長度左4cm,極板間距離6=0.2mm.假設(shè)用此變面

積型傳感器測量位移與試計算該傳感器的靈敏度并畫出傳感器的特性曲線.極板間介質(zhì)為

空氣，4=8.85xl0/2F/m。

解：這是個變面積型電容傳感器，共有4個小電容并聯(lián)組成。

4ea2_4X16X10-4X8.85X10-12

0=28.32/pF

62x10-3

。=竺必土R=%x=28.32—70.8x(x的單位為米)

18°

—￥

4X8.85X10-,2X4X10-2…,

K_C\-G)_4.0〃-----------------------------------=-70.8/pF

x32xl0-3

第四章電感式傳感器思考題答案

1.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：影響差動變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是：傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)的

對稱性、磁性材料的剩余應(yīng)力、測量電路零點剩余電動勢等。

2.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)點是什么

答：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，

鼓勵電流頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離等因素影響。電渦流式傳感構(gòu)造簡單、頻率響應(yīng)

寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干憂能力強，特別是有非接觸測量的優(yōu)點，因此在工業(yè)生產(chǎn)

和科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.試說明圖4.12所示的差動相敏檢波電路的工作原理。

答：如以以以下圖，設(shè)差動電感傳感器的線圖阻抗分別為Z和Z。當(dāng)銜鐵處于中間位置時，

Z二Z二乙電橋處于平衡狀態(tài)，C點電位等于D點地位，電表指示為零。

當(dāng)銜鐵上移，上部線圖阻抗增大，ZwaXZ,則下部線圖阻抗減少，Z=Z-AZo如果輸

入交流電壓為正半周，則A點電位為正，B點電位為負(fù)，二極管巾、V,導(dǎo)通，V?、V3截止。

在A-E-C-B支路中，C點電位由于Z增大而比平衡時的C點電位降低；而在A-F-D-B支中中，

D點電位由于Z的降低而比平衡BtD點的電位增高，所以D點電位高于C點電位，直流電壓

表正向偏轉(zhuǎn)。

如果輸入交流電壓為負(fù)半周，A點電位為負(fù)，B點電位為正，二極管Vz、V3導(dǎo)通，”、

V,棧止，則在A-F-C-B支中中，C點電位由于Z減少而比平衡時降低〔平衡時，輸入電壓假

設(shè)為負(fù)半周，即B點電位為正，A點電位為負(fù)，C點相對于B點為負(fù)電位，Z減少時，C點

電位更負(fù)〕：而在A-E-D-B支路中，D點電位由于Z的增加而比平衡時的電位增高，所以仍

然是D點電位高于C點電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。

同樣可以得出結(jié)果：當(dāng)銜鐵下移時，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，榆出為負(fù)。

4.如以以以下圖的差動電感式傳感器的橋式測量電路，口、上為傳感器的兩差動電感線圖的

電感，其初始值均為右。用、8為標(biāo)準(zhǔn)電阻，〃為電源電壓。試寫出輸出電壓的與傳感器電

感變化量間的關(guān)系。

解：輸出與輸入的關(guān)系是

假設(shè)電感增量無窮小，且兩個電忸均為尺則：

題4圖題5圖

5.如以以以下圖為一差動整流電路，試分析電路的工作原理。

答：這是簡單的電壓輸出型，動鐵芯移動時引起上下兩個全波整流電路輸出差動電壓，中間

可調(diào)整零位，輸出電壓與鐵芯位移成正比。這種電路由二極管的非線性影響以及二極管正向

飽和壓降和反向漏電流的不利影響較大。

第5章熱電偶傳感器習(xí)題答案

1.什么是金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)？試說明熱電偶的測溫原理。

答：熱電效應(yīng)就是兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要

兩結(jié)點處的溫度不同，回路中就會產(chǎn)生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及

兩接點的溫度有關(guān)。熱電偶測溫就是利用這種熱電效應(yīng)進展的，將熱電偶的熱端插入被測物，

冷端接進儀表，就能測量溫度。

2.試分析金屬導(dǎo)體產(chǎn)生接觸電動勢和溫差電動勢的原因。

答：當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即

電子密度不同），因此，電子在兩個方向上擴散的速率就不一樣?，F(xiàn)假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子

密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴散到導(dǎo)體A

的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷，于是，在A、B兩

導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場。該電場的方向與擴散進展的方向相反，它將

引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴散作用的繼續(xù)進展。當(dāng)擴散作用與阻礙擴散作用相等時，即

自導(dǎo)體A擴散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導(dǎo)體B到導(dǎo)體A的自由電子數(shù)相等時，

便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導(dǎo)體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，稱為接

觸電動勢。對于導(dǎo)體A或B,將其兩端分別寬于不同的溫度場t、tot(t>to)o在導(dǎo)體內(nèi)部，

熱端的自由電子具有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電

子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場。該電場阻止電子從熱

端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動，最后也到達了動態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生

了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動勢。

3.簡述熱電偶的幾個重要定律，并分別說明它們的實用價值。

答：一是句質(zhì)導(dǎo)體定律：如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料一樣，無論兩接點的溫度假設(shè)

何，熱電動勢為零。根據(jù)這個定律，可以檢臉兩個熱電極材料成分是否一樣，也可以檢查熱

電極材料的均勻性。

二是中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度一

樣，則回路中總的熱電動勢不變。它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀

表或調(diào)節(jié)器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬外表進展

溫度測量。

三是標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢，

則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就。只要測得各種金屬與純鈾組成的熱電

偶的熱電動勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可直接計算出來。

四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點溫度t、to時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度

為t、tn和tn、to時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。中間溫度定律為補償導(dǎo)線的使用提供了理論

依據(jù)。

4.試述熱電偶冷端溫度補償?shù)膸追N主要方法和補償原理。

答：熱電偶冷端溫度補償?shù)姆椒ㄖ饕校阂皇抢涠撕銣胤?。這種方法籽熱電偶的冷端放在恒

溫場合，有0℃恒溫器和其他恒溫器兩種；二是補償導(dǎo)線法。將熱電偶的冷端延伸到溫度恒

定的場所(如儀表室)，其實質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補

償導(dǎo)線的二個接點溫度一致，是不會影響熱電動勢輸出的；三是計算修正法。修正公式為：

EAB(t,t0)=EAB(tJ,)+EAB(t1,t0);四是電橋補償法。利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動勢補償熱

電偶因冷端波動引起的熱電動勢的變化，工作原理如以以以下圖所示。

圖中，e為熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢，U為回路的輸出電壓?；芈分写恿艘粋€補償電橋。

R；Rs及M均為橋臂電阻。Rs是用漆包銅絲繞制成的，它和熱電,偶的冷端感受同一溫度。R；R$

均用鏤銅絲繞成，阻值穩(wěn)定。在橋路設(shè)計時，使R產(chǎn)R2,并且R、RZ的阻值要比橋路中其他

也阻大得多。這樣，即使電橋中其他電阻的阻值發(fā)生變化，左右兩橋臂中的電流卻差不多保

持不變，從而認(rèn)為其具有恒流特性。線路設(shè)計使得I尸1*1/2=。.5mA。

回路揄出電壓U為熱電偶的熱電動勢e、橋臂電阻電的壓降URO,及另一橋臂電阻R5的壓

降卜三者的代數(shù)和：

當(dāng)熱電偶的熱端溫度一定，專端溫度升高時，熱電動勢將會減小。與此同時，銅電阻

電的阻值將增大，從而使URCM增大，由此到達了補償?shù)哪康摹?/p>

自動補償?shù)臈l件應(yīng)為

5.用銀格-鑲硅(K)熱電偶測量溫度，冷端溫度為40℃,用高精度毫伏表測得這時的熱電動

勢為29.188mV,求被測點的溫度。

解：由鍥格-銀硅熱電偶分度表查出E(40,0)=1.638mV,根據(jù)式(5-2-1)計算出

再通過分度表查出其對應(yīng)的實際溫度為

t=70Q+(30.826-29J29)x100=74()9Ic

33.275-29.129

6.鈾錢IOT白⑸熱電偶的冷端溫度to=25℃,現(xiàn)測得熱電動勢E(t,to)=11.712mV,求熱

端溫度是多少度？

解：由銷錢KT銷熱電偶分度表查出E(25,0)=0.161mV,根據(jù)式(5-2-1)計算出

再通過分度表查出其對應(yīng)的實際溫度為

(11.873-11.851)x100

t=1ZUUH----------------------=1210.0C

13.159-11.851

7.鍥格-探硅(K)熱電偶的熱端溫度t=800℃,冷端溫度to=25℃,求E(t,t。)是多少毫

伏？

解：由鍥絡(luò)-鍥硅熱電偶分度表可查得E(800,0)=33.275mV,E(25,0)=1.024mV,故可得

E(800,5)=33.275-1.024=32.251mV

8.現(xiàn)用一支銀格-康銅(E)熱電偶測溫。其冷端溫度為30℃,動圖顯示儀表(機械零位在0℃)

指示值為400℃,則認(rèn)為熱端實際溫度為430℃,對不對？為什么？正確值是多少？

解：不對，因為儀表的機械零位在0℃,正確值為400℃。

9.如圖5.14所示之測溫回路，熱電偶的分度號為K,毫伏表的示值應(yīng)為多少度？

停：亳伏表的示值應(yīng)為(亡廠22-60)七。

10.用鎂絡(luò)-鑲硅(K)熱電偶測量某爐溫的測量系統(tǒng)如圖5.15所示，：冷端溫度固定在0℃,

to=3O℃,儀表指示溫度為210℃,后來發(fā)現(xiàn)由于工作上的疏忽把補償導(dǎo)線A'和B',相互

接錯了，問：爐溫的實際溫度t為多少度？

解：實際溫度應(yīng)為270℃,因為接反后不但沒有補償?shù)?，還抵消了30C,故應(yīng)該加上60七。

圖5.14圖5.15

第6章壓電傳感器習(xí)題答案

1.為什么說壓電式傳感器只適用于動態(tài)測量而不能用于靜態(tài)測量？

答：因為壓電式傳感器是將被子測量轉(zhuǎn)換成壓電晶體的電荷量，可等效成一定的電容，如被

測量為靜態(tài)時，很難將電荷轉(zhuǎn)換成一定的電壓信號輸出，故只能用于動態(tài)測量。

2.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：壓電式傳感器測量電路的作用是將壓電晶體產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，其核心是

要解決微弱信號的轉(zhuǎn)換與放大，得到足夠強的榆出信號。

3.一壓電式傳感器的靈敏度Ki=10pC/MPa,連接靈敏度2=0.008V/pC的電荷放大器，所

用的筆式記錄儀的靈敏度K3=25mm/V,當(dāng)壓力變化AhSMPa時，記錄筆在記錄紙上的偏移

為多少？

解：記錄筆在記錄紙上的偏移為

5^10X0.008X25X8=16/mm

4.某加速度計的校準(zhǔn)振動臺，它能作50Hz和1g的振動，今有壓電式加速度計出廠時標(biāo)出

靈敏度K=100mV/g,由于測試要求需加長導(dǎo)線，因此要重新標(biāo)定加速度計靈敏度，假定所

用的阻抗變換器放大倍數(shù)為1,電壓放大器放大倍數(shù)為100,標(biāo)定時晶體管毫伏表上指示為

9.13V,試畫出標(biāo)定系統(tǒng)的框圖，并計算加速度計的電壓靈敏度。

解：此加速度計的靈敏度為

r=^91^30=91.3mV/g

100

標(biāo)定系統(tǒng)框圖如下:

第7章光電式傳感器

1.光電效應(yīng)有哪幾種？與之對應(yīng)的光電元件各有哪些？

答：光電效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種。基于外光電效應(yīng)的光電元件

有光電管、光電倍增管等；基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等；基于光

生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。

2.常用的半導(dǎo)體光電元件有哪些？它們的電路符號假設(shè)何？

答：常用的半導(dǎo)體光電元件有光敏二極管、光敏三極管和光電池三種。

它們的電路符號如以以以下圖所示：

3.對每種半導(dǎo)體光電元件，畫出一種測量電路。

答：光敏二極管、三極管及光電池的測量電路如以以以下圖所示。

4.什么是光電元件的光譜特性？

答：光電元件的光譜特性是指入射光照度一定時，光電元件的相對靈敏度隨光波波長的變化

而變化，一種光電元件只對一定波長范圍的人射光敏感，這就是光電元件的光譜特性。

5.光電傳感器由哪些局部組成?被測量可以影響光電傳感器的哪些局部？

答：光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三局部組成，如以以以下圖。圖中3是

光源發(fā)出的光信號，①2是光電器件承接的光信號，被測量可以是L或者X2,它們能夠分別

造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號I。光電傳感器設(shè)計靈活，

形式多樣，在越來越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。

6.模擬式光電傳感器有哪幾種常見形式？

答：模擬式光電傳感器主要有叫種。一是光源本身是被測物，它發(fā)出的光投射到光電元件上，

光電元件的揄出反映了光源的某些物理參數(shù)，如圖a所示。這種型式的光電傳感器可用于光

電比色高溫計和照度計；二是恒定光源發(fā)射的光通量穿過被測物，其中一局部被吸收，剩余

的局部投射到光電元件上，吸收量取決于被測物的某些參數(shù)。如圖b所示?？捎糜跍y量透明

度、混濁度：三是恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測物上，由被測物外表反射后再投射到光

電元件上，如圖c所示。反射光的強弱取決于被測物外表的性質(zhì)和狀態(tài)，因此可用于測量工

件外表粗糙度、紙張的白度等：四是從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達光電元件的途中受到

被測物的遮擋，使投射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的揄出反映了被測物的尺寸或

位置。如圖d所示。這種傳感器可用于工件尺寸測量、振動測量等場合。

第8章霍爾傳感器習(xí)題答案

1.什么是霍爾效應(yīng)

答：在置于磁場的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中通入電流，假設(shè)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(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文?霍爾在1879

年發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電壓。

2.為什么導(dǎo)體材料和絕緣體材料均不宜做成霍爾元件

答：因為導(dǎo)體材料的〃雖然很大，但Q很小，故不宜做成元件，而絕緣材料的Q雖然很大，

但〃很小，故也不宜做成元件。

3.為什么霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料

答：因為在N型半導(dǎo)體材料中，電子的迂移率比空穴的大，且〃)〃.，所以霍爾元件一般采

用N型半導(dǎo)體材料。

4.霍爾靈敏度與霍爾元件厚度之間有什么關(guān)系

1

答：霍爾靈敏度與霍爾元件犀度成反比，K=