《傳感器》第2版-余成波-傳感器與自動檢測技術(shù)習(xí)題參考答案

PAGEPAGE65第一章習(xí)題參考解1.1什么是傳感器？傳感器特性在檢測系統(tǒng)中起什么作用？答：傳感器（Transducer/sensor）的定義為：“能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器的基本特性是指傳感器的輸入—輸出關(guān)系特性，是傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)作用關(guān)系的外部特性表現(xiàn)。不同的傳感器有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了它們具有不同的外部特性。對于檢測系統(tǒng)來說存在有靜態(tài)特性和動態(tài)特性。一個高精度的傳感器，必須要有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，從而確保檢測信號（或能量）的無失真轉(zhuǎn)換，使檢測結(jié)果盡量反映被測量的原始特征。1.2畫出傳感器系統(tǒng)的組成框圖，說明各環(huán)節(jié)的作用。答：傳感器一般由敏感元件、變換元件和其他輔助元件組成，組成框圖如圖所示。敏感元件——感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的其他量的元件，如膜片和波紋管，可以把被測壓力變成位移量。若敏感元件能直接輸出電量（如熱電偶），就兼為傳感元件了。還有一些新型傳感器，如壓阻式和諧振式壓力傳感器、差動變壓器式位移傳感器等，其敏感元件和傳感器就完全是融為一體的。變換元件——又稱傳感元件，是傳感器的重要組成元件。它可以直接感受被測量（一般為非電量）而輸出與被測量成確定關(guān)系的電量，如熱電偶和熱敏電阻。傳感元件也可以不直接感受被測量，而只感受與被測量成確定關(guān)系的其他非電量。例如差動變壓器式壓力傳感器，并不直接感受壓力，而只是感受與被測壓力成確定關(guān)系的銜鐵位移量，然后輸出電量。一般情況下使用的都是這種傳感元件。信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路——能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄和控制的有用信號的電路。信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路根據(jù)傳感元件類型的不同有很多種類，常用的電路有電橋、放大器、振蕩器和阻抗變換器等。1.3什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能指標(biāo)？如何用公式表征這些性能指標(biāo)？答：傳感器的靜態(tài)特性是它在穩(wěn)態(tài)信號作用下的輸入—輸出關(guān)系。所描述的是指測量時，檢測系統(tǒng)的輸入、輸出信號不隨時間變化或變化很緩慢。通常用來描述靜態(tài)響應(yīng)特性的指標(biāo)有測量范圍、靈敏度、非線性度、回程誤差、穩(wěn)定度和漂移、精度、可靠性、分辨率、靈敏閥等。測量范圍：檢測系統(tǒng)能正常測量的最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。靈敏度：靈敏度指輸出的增量與輸入的增量之比，即如圖所示。非線性度：如圖所示，標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。如果在全量程A輸出范圍內(nèi)，標(biāo)定曲線偏離擬合直線的最大偏差為B，則定義非線性度為回程誤差：如圖所示，回程誤差也稱為滯后或變差。實(shí)際測量系統(tǒng)在相同的測量條件下，當(dāng)輸入量由小增大，或由大減小時，對于同一輸入量所得到的兩個輸出量存在差值，則定義回程誤差為穩(wěn)定度：穩(wěn)定度通常是相對時間而言，指檢測系統(tǒng)在規(guī)定的條件下保持其測量特性恒定不變的能力。漂移：指檢測系統(tǒng)隨時間的慢變化。在規(guī)定條件下，一個恒定的輸入在規(guī)定時間內(nèi)的輸出在標(biāo)稱范圍最低值處的變化，稱為零點(diǎn)漂移，簡稱零漂。溫度變化引起的漂移叫溫漂。精度：精確度的簡稱。表示隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的綜合評定指標(biāo)。它包含有精密度、正確度和精確度三個指標(biāo)。1）精密度：它說明測量結(jié)果的分散性。即對某一穩(wěn)定的對象（被測量）由同一測量者用同一檢測系統(tǒng)和測量儀表在相當(dāng)短的時間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測量多次（等精度測量），其測量結(jié)果的分散程度。愈小則說明測量愈精密（對應(yīng)隨機(jī)誤差）。2）正確度：它說明測量結(jié)果偏離真值大小的程度，即示值有規(guī)則偏離真值的程度。指所測值與真值的符合程度（對應(yīng)系統(tǒng)誤差）。3）精確度：它含有精密度與正確度兩者之和的意思，即測量的綜合優(yōu)良程度。在最簡單的場合下可取兩者的代數(shù)和，即。通常精確度是以測量誤差的相對值來表示的?？煽啃裕号c檢測系統(tǒng)無故障工作時間長短有關(guān)的一種描述。分辨率：是用來表示檢測系統(tǒng)或儀表裝置能夠檢測被測量最小變化量的能力。通常是以最小量程的單位值來表示。當(dāng)被測量的變化值小于分辨力時，檢測系統(tǒng)對輸入量的變化無任何反應(yīng)。例如電壓表的分辨力是10μv，即能測的最小電壓為10μv，當(dāng)增加7μv或8μv的電壓時，電壓表不會作任何反應(yīng)。靈敏閥：又稱死區(qū)，是用來衡量檢測起始點(diǎn)不靈敏的程度。1.4什么是傳感器的靈敏度？靈敏度誤差如何表示？答：靈敏度指輸出的增量與輸入的增量之比，即如圖所示，線性系統(tǒng)的靈敏度S為常數(shù)，即輸入輸出關(guān)系直線的斜率，斜率越大，其靈敏度就越高。非線性系統(tǒng)的靈敏度S是變量，是輸入輸出關(guān)系曲線的斜率，輸入量不同，靈敏度就不同，通常用擬合直線的斜率表示系統(tǒng)的平均靈敏度。要注意靈敏度越高，就越容易受外界干擾的影響，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越差，測量范圍相應(yīng)就越小。1.5什么是傳感器的線性度？常用的擬合方法有哪幾種？答：傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入成線性關(guān)系的程度。常用的按擬合方法有：切線或割線擬合、過零旋轉(zhuǎn)按擬合、端點(diǎn)平移擬合等。1.6已知某位移傳感器的測量范圍為0~30mm，靜態(tài)測量時，輸入值與輸出值的關(guān)系如題1.6表所示，試求該傳感器的線性度和靈敏度。輸入值（mm）151015202530輸出值（mV）解：線性度靈敏度指輸出的增量與輸入的增量之比，即1.7什么是傳感器的動態(tài)特性？其分析方法有哪幾種？答：傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對動態(tài)激勵（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性，即其輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。傳感器的動態(tài)特性可以從時域和頻域兩個方面分別采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。在采用階躍輸入研究傳感器的時頻動態(tài)特性時，常用延遲時間、上升時間、響應(yīng)時間、超調(diào)量等來表征傳感器的動態(tài)特性。在采用正弦輸入信號研究傳感器的頻域動態(tài)特性時，常用幅頻特性和相頻特性來描述傳感器的動態(tài)特性。1.8為什么說零階傳感器的動態(tài)特性是最理想的？答：因?yàn)榱汶A傳感器的動態(tài)特性它的輸入量無論隨時間如何變化，其輸出量幅值總是與輸入量成確定的比例關(guān)系。在時間上也不滯后，幅角等于零。1.9描述系統(tǒng)的動態(tài)模型有哪些主要形式？各自的特點(diǎn)如何？答：系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性一般通過描述系統(tǒng)的微分方程、傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、單位脈沖響應(yīng)函數(shù)等數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行研究。1.10一只傳感器作二階振蕩系統(tǒng)處理，固有頻率，阻尼比，用它測量頻率為的正弦外力，幅植比，相角各為多少？時，，又為多少？解：所以阻尼比時時1.11某二階傳感器固有頻率，阻尼比，若幅度誤差小于3%，試求決定此傳感器的工作頻率。解：由此可得：上式中僅有正號才有意義，故即：所以：即：故此傳感器的工作頻率為。1.12某位移傳感器，在輸入量變化5mm時，輸出電壓變化為300mV，求其靈敏度。答：靈敏度指輸出的增量與輸入的增量之比，即℃、S2=2.0V/mV、S3=/V，求系統(tǒng)的總的靈敏度。解：1.14檢測系統(tǒng)通常由哪幾部分組成？自動檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式通常可分成哪幾種？答：檢測系統(tǒng)規(guī)模的大小及其復(fù)雜程度與被測量的多少、被測量的性質(zhì)以及被測對象的特性有非常密切的關(guān)系。圖為涵蓋各種功能模塊的檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，由傳感器、模擬信號調(diào)理電路、數(shù)字信號分析與處理部分、顯示部分以及將處理信號傳送給控制器、其他檢測系統(tǒng)或上位機(jī)系統(tǒng)的通信接口部分等，但并不是所有的檢測任務(wù)都包括以上幾個部分。數(shù)據(jù)顯示、記錄、分析、綜合、判斷、決策、監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示、記錄、分析、綜合、判斷、決策、監(jiān)控通信接口和總線底層顯示分析處理信號調(diào)理電路傳感器┅┅┅底層顯示分析處理信號調(diào)理電路傳感器自動檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有串聯(lián)、并聯(lián)和混合三種形式。第二章習(xí)題參考解2.1什么是測量誤差？測量誤差有幾種表示方法？各有什么用途？答：測量誤差是測量過程的不完善或測量條件的不理想，從而使測量結(jié)果偏離真值，即：測量結(jié)果與被測量真值之差。測量誤差=測量結(jié)果-真值測量誤差可表示為四種形式：（1）絕對誤差:被測量的測量值與其真值之差稱之為測量絕對誤差，簡稱誤差，即由于真值是無法求得的，在實(shí)際測量中，常用某一被測量多次測量的平均值，或上一級標(biāo)準(zhǔn)儀器測量所得的示值A(chǔ)代替真值，故A又稱為約定真值。（2）相對誤差:相對誤差常用來表示測量精度的高低，有實(shí)際相對誤差和示值相對誤差兩種。實(shí)際相對誤差是用被測量的絕對誤差與其約定真值之比值的百分比來表示的，即示值相對誤差是用被測量的絕對誤差與儀器示值之比值的百分比來表示的，即（3）引用誤差（又稱滿度相對誤差）引用誤差為測量儀器儀表的絕對誤差與儀器滿度值之比值的百分比來表示的，即（4）分貝誤差分貝誤差定義為：分貝誤差的單位為dB。通常，用絕對誤差來評價相同被測量測量精度的高低，相對誤差可用于評價不同被測量測量精度的高低。儀表的精度等級就是根據(jù)引用誤差來確定，為了減少儀器儀表引用誤差，一般應(yīng)在滿量程2/3范圍以上進(jìn)行測量。2.2按測量手段分類有哪些測量方法？按測量方式分類有哪些測量方法？答：按測量手段有直接測量、間接測量和聯(lián)立測量。在使用測量儀器進(jìn)行測量時，對儀表計數(shù)不需要經(jīng)過任何運(yùn)算，就能直接得到測量的結(jié)果，稱為直接測量；在使用儀器進(jìn)行測量時，首先對與被測物理量有確定的函數(shù)關(guān)系的幾個量進(jìn)行測量，將測量值代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)過計算得到測量所需的結(jié)果，稱為間接測量；在應(yīng)用儀器進(jìn)行測量時，若被測物理量必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程才能得到最后的結(jié)果，稱為聯(lián)立測量。按測量方式有偏差式測量、零位式測量和微差式測量。在測量過程中，用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的測量方法，稱為偏差式測量法；在測量過程中，用指零儀表的零位指示檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，在測量系統(tǒng)達(dá)到平衡時，用已知的基準(zhǔn)決定被測未知量的測量方法，稱為零位式測量法；在測量過程中，將被測的未知量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，并取得差值后，用偏差法測得此值，稱為微差式測量。2.3產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的常見原因有哪些？常見減少系統(tǒng)誤差的方法有哪些？答：產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的常見原因有：測量系統(tǒng)本身的性能不完善、測量方法不完善、測量者對儀器的使用不當(dāng)、環(huán)境條件的變化等。一般來說，消除或減小系統(tǒng)誤差的方法有：1．從產(chǎn)生誤差根源上消除在測量前，通過分析比較盡量發(fā)現(xiàn)并消除（或減?。┊a(chǎn)生系統(tǒng)誤差的來源。2．用修正方法消除恒值系差引用修正值對測量結(jié)果進(jìn)行修正，即對儀器不僅要正確選擇和使用，且要定期檢定和校準(zhǔn)。3．采用一些專門的測量技術(shù)和測量方法典型測量方法有以下幾種：（1）替代法消除恒值系差；（2）交換法消除恒值系差；（3）對稱測量法（交叉讀數(shù)法）消除線性系統(tǒng)誤差；（4）半周期測量法消除周期性系統(tǒng)誤差。2.4什么是準(zhǔn)確度、精密度、精確度？并闡述其與系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的關(guān)系。答：準(zhǔn)確度：測量結(jié)果偏離真值的程度。反映測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差的影響（大?。┏潭取＞芏龋簻y量結(jié)果的分散程度。反映測量結(jié)果中隨機(jī)誤差的影響（大?。┏潭?。精確度：定量特征可用測量的不確定度（或極限誤差）來表示。反映測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差綜合的影響程度。2.5服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機(jī)誤差有哪些特征？答：具有三個特征：單峰性、有界性和對稱性。2.6有三臺測溫儀表，量程均為0~600℃，精度等級分別為2.5級、2.0級和1.5級，現(xiàn)要測量500℃%答：在工程應(yīng)用中，為了簡單表示測量結(jié)果的可靠程度，引入一個精確度等級概念，用A來表示。檢測系統(tǒng)與測量儀表精確度等級A以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分?jǐn)?shù)值進(jìn)行分檔。這個數(shù)值是檢測系統(tǒng)和測量儀表在規(guī)定條件下，其允許的最大絕對誤差值相對于其測量范圍的百分?jǐn)?shù)。它可以用下式表示式中A——檢測系統(tǒng)的精度；——測量范圍內(nèi)允許的最大絕對誤差；YFS——滿量程輸出。檢測系統(tǒng)設(shè)計和出廠檢驗(yàn)時，其精度等級代表的誤差指檢測系統(tǒng)測量的最大允許誤差。最大允許誤差分別為：實(shí)際相對誤差是用被測量的絕對誤差與其約定真值之比值的百分比來表示的，即有三臺測溫儀表的相對誤差分別為：由此可知，%，選精度等級為2.0級儀表較合理。2.7什么是剩余誤差？它與隨機(jī)誤差有何不同？答：剩余誤差為某測量值與測量平均值之差。在相同條件下和短時間內(nèi)，對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量時，受偶然因素影響而出現(xiàn)誤差的絕對值和符號以不可預(yù)知的方式變化著，則此類誤差稱為隨機(jī)誤差。引起隨機(jī)誤差的原因都是一些微小因素，且無法控制。只能用概率論和數(shù)理統(tǒng)計方法計算它出現(xiàn)可能性的大小。隨機(jī)誤差不可能修正，但在了解其統(tǒng)計規(guī)律性之后，可以控制和減少它們對測量結(jié)果的影響。隨機(jī)誤差具有以下特性：絕對值相等、符號相反的誤差在多次重復(fù)測量中出現(xiàn)的可能性相等；在一定測量條件下，隨機(jī)誤差的絕對值不會超出某一限度；絕對值小的隨機(jī)誤差比絕對值大的隨機(jī)誤差在多次重復(fù)測量中出現(xiàn)的機(jī)會多；隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值隨測量次數(shù)的增加而趨于零。2.8標(biāo)定2.5級（即滿度誤差為2.5%）的全量程為100V的電壓表，發(fā)現(xiàn)50V刻度點(diǎn)的示值誤差2V為最大誤差，問該電壓表是否合格？解：在沒有修正值的情況下，通常認(rèn)為在整全測量范圍內(nèi)各處的最大絕對誤差是一個常數(shù)。因此可求得：由于，因此，該電壓表是合格。2.9為什么在使用各種指針式儀表時，總希望指針偏轉(zhuǎn)在全量程的2/3以上范圍內(nèi)使用？答：在儀器儀表的精度等級一定時，由最大示值相對誤差計算公式可知，越接近滿刻度的測量示值，其最大示值相對誤差越小、測量精度越高，故在選用儀表時要兼顧精度等級和量程，通常要求測量示值落在儀表滿刻度的三分之二以上。2.10測量某電路電流共6次，測量數(shù)據(jù)（單位：mA）分別為175.41，175.59，175.40，175.51，175.53，175.44。試求算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差。解：一組測量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值計算為：其標(biāo)準(zhǔn)誤差為：2.11用測量范圍為50~150kPa的壓力傳感器測量140kPa壓力時，傳感器測得示值為140kPa。試求該示值的絕對誤差、相對誤差。解：（1）絕對誤差被測量的測量值與其真值之差稱之為測量絕對誤差，簡稱誤差，即（2）相對誤差相對誤差常用來表示測量精度的高低，有實(shí)際相對誤差和示值相對誤差兩種。實(shí)際相對誤差是用被測量的絕對誤差與其約定真值之比值的百分比來表示的，即示值相對誤差是用被測量的絕對誤差與儀器示值之比值的百分比來表示的，即2.12已知某差壓變送器，其輸入位移和輸出電壓之間的理想特性為，實(shí)測數(shù)據(jù)如題2.12表所示。x（mm）012345U（mV）試求：（1）最大絕對誤差、相對誤差，并指出其測量點(diǎn)；（2）若指示儀表量程為50mV，指出儀表的精度等級。解：（1）由圖可知，在0、1、2、3、4、5點(diǎn)絕對誤差分別為在0、1、2、3、4、5點(diǎn)相對誤差分別為最大絕對誤差是在4點(diǎn)（2）在工程應(yīng)用中，為了簡單表示測量結(jié)果的可靠程度，引入一個精確度等級概念，用A來表示。檢測系統(tǒng)與測量儀表精確度等級A以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分?jǐn)?shù)值進(jìn)行分檔。這個數(shù)值是檢測系統(tǒng)和測量儀表在規(guī)定條件下，其允許的最大絕對誤差值相對于其測量范圍的百分?jǐn)?shù)。它可以用下式表示故指示儀表量程為50mV，儀表的精度等級為。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，引用誤差分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共七個等級，故儀表的精度等級為0.5級。2.13測量某物質(zhì)中的含量為：1.53，1.46，1.60，1.54，1.55，1.49，1.67，1.46，1.83，1.50，1.56（單位略），試用準(zhǔn)則檢查測量值中是否有壞值。解：首先根據(jù)測量值可計算出測量平均值接著計算出標(biāo)準(zhǔn)差的估計值因此，用準(zhǔn)則測量結(jié)果為故在此范圍之外的測量值均為壞值。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)?，故有無應(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較。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表面（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，在圓筒上下表面各固定一個極板（如圖所示）。當(dāng)在固定兩極板之間加入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)靈敏度比較高，目前可測的直線位移，輸出信號比較大、信噪比較好；（2）測量范圍比較小，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?；ジ惺絺鞲衅鲃t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?。划?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?。看穑壕€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、表面溫度、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表面將產(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，所以晶體表面不產(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)果表面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表面上產(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。所以表面無電荷出現(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?，?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)樵诤懔鞴ぷ飨拢瑳]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，只要選擇合適的負(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。或?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較恒定，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，電子逸出物體表面向外發(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表面，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表面上加一層耦合劑，這是為什么？答：用聲波進(jìn)行檢測時，在工件與探頭接觸的表面加一層耦合劑。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比較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、比較。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。在電極表面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)會沉淀在電極表面上，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)電極的還原電流減少，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)抗體固定在傳感器表面，當(dāng)傳感器表面與含有抗原體的溶液接觸時，傳感器表面就會形成抗菌素體的復(fù)合體，比較抗原抗體復(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表面形成復(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成本。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、選擇比較法等方法產(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較導(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)行比較，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”。“增加”是指隸屬曲線向數(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