傳感器原理和應用課后習題答案吳建平機械工業(yè)出版.doc

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習題集及答案 第1章 概述 1.1 什么是傳感器？按照國標定義，“傳感器”應該如何說明含義？ 1.2 傳感器由哪幾部分組成？試述它們的作用及相互關系。 1.3 簡述傳感器主要發(fā)展趨勢，并說明現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的特征。 1.4 傳感器如何分類？按傳感器檢測的范疇可分為哪幾種？ 1.5 傳感器的圖形符號如何表示？它們各部分代表什么含義？應注意哪些問題？ 1.6 用圖形符號表示一電阻式溫度傳感器。 1.7 請例舉出兩個你用到或看到的傳感器，并說明其作用。如果沒有傳感器，應該出現(xiàn)哪種狀況。 1.8 空調(diào)和電冰箱中采用了哪些傳感器？它們分別起到什么作用？ 答案 1.1答： 從廣義的角度來說，感知信號檢出器件和信號處理部分總稱為傳感器。我們對傳感器定義是：一種能把特定的信息（物理、化學、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件和裝置。從狹義角度對傳感器定義是：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件。 我國國家標準（GB7665—87）對傳感器（Sensor/transducer）的定義是：“能夠感受規(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和裝置”。定義表明傳感器有這樣三層含義：它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的一種檢測裝置；能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成電信號輸出；傳感器的輸出和輸入之間存在確定的關系。按使用的場合不同傳感器又稱為變換器、換能器、探測器。 1.2答： 組成——由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路組成； 關系，作用——傳感器處于研究對象和測試系統(tǒng)的接口位置，即檢測和控制之首。傳感器是感知、獲取和檢測信息的窗口，一切科學研究和自動化生產(chǎn)過程要獲取的信息都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換成容易傳輸和處理的電信號，其作用和地位特別重要。 1.3答：（略） 1.4答： 按照我國制定的傳感器分類體系表，傳感器分為物理量傳感器、化學量傳感器以及生物量傳感器三大類，含12個小類。按傳感器的檢測對象可分為：力學量、熱學量、流體量、光學量、電量、磁學量、聲學量、化學量、生物量、機器人等等。 1.5 答： 圖形符號（略），各部分含義如下： ①敏感元件：指傳感器中直接感受被測量的部分。 ②傳感器：能感受規(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。 ③信號調(diào)理器：對于輸入和輸出信號進行轉(zhuǎn)換的 裝置。 ④變送器：能輸出標準信號的傳感器 1.6答：（略） 1.7答：（略） 1.8答：（略） 第2章 傳感器的基本特性 2.1傳感器的靜態(tài)特性是什么？由哪些性能指標描述？它們一般可用哪些公式表示？ 2.2傳感器的線性度是如何確定的？確定擬合直線有哪些方法？傳感器的線性度表征了什么含義？為什么不能籠統(tǒng)的說傳感器的線性度是多少。 2.3傳感器動態(tài)特性的主要技術指標有哪些？它們的意義是什么？ 2.4傳遞函數(shù)、頻率響應函數(shù)和脈沖響應函數(shù)的定義是什么？它們之間有何聯(lián)系和區(qū)別？ 2.5有一溫度傳感器，微分方程為，其中為輸出電壓（mV) , 為輸入溫度（℃）。試求該傳感器的時間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。 2.6有一溫度傳感器，當被測介質(zhì)溫度為t1，測溫傳感器顯示溫度為t2時，可用下列方程表示：。當被測介質(zhì)溫度從25℃突然變化到300℃時，測溫傳感器的時間常數(shù)τ0 =120s，試求經(jīng)過350s后該傳感器的動態(tài)誤差。 2.7某力傳感器屬二階傳感器，固有頻率為l000Hz，阻尼比為0.7，試求用它測量頻率為600Hz的正弦交變力時的振幅相對誤差和相位誤差。 2.8已知某二階傳感器系統(tǒng)的固有頻率為20kHz，阻尼比為0.1，若要求傳感器的輸出幅值誤差不大于3%，試確定該傳感器的工作頻率范圍。 2.9設有兩只力傳感器均可作為二階系統(tǒng)處理，固有頻率分別為800Hz和2.2kHz，阻尼比均為0.4，欲測量頻率為400Hz正弦變化的外力，應選用哪一只？并計算所產(chǎn)生的振幅相對誤差和相位誤差。 答案 2.1答： 靜特性是當輸入量為常數(shù)或變化極慢時，傳感器的輸入輸出特性，其主要指標有線性度、遲滯、重復性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)定性。傳感器的靜特性由靜特性曲線反映出來，靜特性曲線由實際測繪中獲得。人們根據(jù)傳感器的靜特性來選擇合適的傳感器。 2.2答： 1）實際傳感器有非線性存在，線性度是將近似后的擬合直線和實際曲線進行比較，其中存在偏差，這個最大偏差稱為傳感器的非線性誤差，即線性度， 2）選取擬合的方法很多，主要有：理論線性度(理論擬合)；端基線性度(端點連線擬合)；獨立線性度(端點平移擬合)；最小二乘法線性度。 3）線性度是表征實際特性和擬合直線不吻合的參數(shù)。 4）傳感器的非線性誤差是以一條理想直線作基準，即使是同一傳感器基準不同時得出的線性度也不同，所以不能籠統(tǒng)地提出線性度, 當提出線性度的非線性誤差時，必須說明所依據(jù)的基準直線。 2.3答： 1）傳感器動態(tài)特性主要有：時間常數(shù)τ；固有頻率；阻尼系數(shù)。 2）含義：τ越小系統(tǒng)需要達到穩(wěn)定的時間越少；固有頻率越高響應曲線上升越快；當為常數(shù)時響應特性取決于阻尼比，阻尼系數(shù)越大，過沖現(xiàn)象減弱，時無過沖，不存在振蕩，阻尼比直接影響過沖量和振蕩次數(shù)。 2.4答：（略） 2.5解： 對微分方程兩邊進行拉氏變換，Y(s)(30s+3)=0.15X(s) 則該傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 該傳感器的時間常數(shù)τ=10，靈敏度k=0.05 2.6解： 動態(tài)誤差由穩(wěn)態(tài)誤差和暫態(tài)誤差組成。先求穩(wěn)態(tài)誤差： 對方程兩邊去拉氏變換得： 則傳遞函數(shù)為 對于一階系統(tǒng)，階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差，再求暫態(tài)誤差： 當t=350s時，暫態(tài)誤差為 故所求動態(tài)誤差為： 2.7解：所求幅值誤差為0.947,相位滯后5270′ 則，頻率為600Hz時的幅值為 相對誤差為 （1-0.947）100%=5.3% 2.8解： 令， 則 解得 代入上式，得 令，則 解得 代入上式，得 由圖2-18二階傳感器系統(tǒng)的幅頻特性曲線知，該傳感器的工作頻率范圍為： 或 2.9解：ξ=0.4＜1，由二階傳感器的頻率特性，固有頻率比被測信號頻率越大越好，故應選固有頻率為2.2kHz的那只。 相對誤差為（1-0.940）100%=6.0% 故相位滯后833′。 第3章 電阻應變式傳感器 3.1 何為電阻應變效應？怎樣利用這種效應制成應變片？ 3.2 什么是應變片的靈敏系數(shù)？它和金屬電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？ 3.3 為什么增加應變片兩端電阻條的橫截面積便能減小橫向效應？ 3.4 金屬應變片和半導體應變片在工作原理上有何不同？半導體應變片靈敏系數(shù)范圍是多少，金屬應變片靈敏系數(shù)范圍是多少？為什么有這種差別，說明其優(yōu)缺點。舉例說明金屬絲電阻應變片和半導體應變片的相同點和不同點。 3.5 一應變片的電阻R=120Ω，靈敏系數(shù)k=2.05，用作應變?yōu)榈膫鞲性? 求：①和；② 若電源電壓U=3V，初始平衡時電橋的輸出電壓U0。 3.6 在以鋼為材料的實心圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120Ω的金屬應變片R1和R2（如圖3-28a所示），把這兩應變片接入電橋（見圖3-28b）。若鋼的泊松系數(shù)，應變片的靈敏系數(shù)k =2，電橋電源電壓U=2V，當試件受軸向拉伸時，測得應變片R1的電阻變化值。試求：①軸向應變；②電橋的輸出電壓。 圖3-29 3.7 一測量吊車起吊重物的拉力傳感器如圖3-29a所示。R1、R2、R3、R4按要求貼在等截面軸上。已知:等截面軸的截面積為0.00196m2，彈性模量E=21011N/m2，泊松比，且R1=R2=R3=R4=120Ω, 所組成的全橋型電路如題圖3-29b所示，供橋電壓U=2V。現(xiàn)測得輸出電壓U0=2.6mV。求：①等截面軸的縱向應變及橫向應變?yōu)槎嗌?？②力F為多少？ 圖3-28 3.8 已知：有四個性能完全相同的金屬絲應變片（應變靈敏系數(shù)）, 將其粘貼在梁式測力彈性元件上，如圖3-30所示。在距梁端處應變計算公式為 設力，，，，。求： 圖 3-30 ①說明是一種什么形式的梁。在梁式測力彈性元件距梁端處畫出四個應變片粘貼位置，并畫出相應的測量橋路原理圖；②求出各應變片電阻相對變化量；③當橋路電源電壓為6V時，負載電阻為無窮大，求橋路輸出電壓U0是多少？ 3.9 圖3-31為一直流電橋，負載電阻RL趨于無窮。圖中E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，試求：① R1為金屬應變片，其余為外接電阻，當R1的增量為ΔR1=1.2Ω時，電橋輸出電壓U0=? ② R1、R2為金屬應變片，感應應變大小變化相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓U0=? ③ R1、R2為金屬應變片，如果感應應變大小相反，且ΔR1=ΔR2 =1.2Ω，電橋輸出電壓U0=? 答案 3.1 答： 導體在受到拉力或壓力的外界力作用時，會產(chǎn)生機械變形，同時機械變形會引起導體阻值的變化，這種導體材料因變形而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應變效應。 當外力作用時，導體的電阻率、長度、截面積都會發(fā)生變化，從而引起電阻值的變化，通過測量電阻值的變化，檢測出外界作用力的大小。 3.2答： 金屬絲靈敏系數(shù)主要由材料的幾何尺寸決定的。受力后材料的幾何尺寸變化為，電阻率的變化為。而實際應變片的靈敏系數(shù)應包括基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應。雖然長度相同，但應變狀態(tài)不同，金屬絲做成成品的應變片（粘貼到試件上）以后，靈敏系數(shù)降低了。 3.3答： 敏感柵越窄，基長越長的應變片，橫向效應越小，因為結(jié)構(gòu)上兩端電阻條的橫截面積大的應變片橫向效應較小。 3.4答： 金屬導體應變片的電阻變化是利用機械形變產(chǎn)生的應變效應，對于半導體而言，應變傳感器主要是利用半導體材料的壓阻效應。金屬電阻絲的靈敏系數(shù)可近似寫為 ，即；半導體靈敏系數(shù)近似為 ≈50～100。 3.5解： 3.6解1： 1） 則軸向應變?yōu)椋? 2）電橋的輸出電壓為： 解2： 3.7解： 3.8解： ①梁為一種等截面懸臂梁；應變片沿梁的方向上下平行各粘貼兩個； ② ③ 3.9解: ① ② ③ 第4章 電容式傳感器 4.1 如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？ 4.2 為什么高頻工作時的電容式傳感器連接電纜的長度不能任意變化？ 4.3 差動式變極距型電容傳感器，若初始容量，初始距離，當動極板相對于定極板位移了時，試計算其非線性誤差。若改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大？ 4.4 電容式傳感器有哪幾類測量電路？各有什么特點？差動脈沖寬度調(diào)制電路用于電容傳感器測量電路具有什么特點？ 4.5 一平板式電容位移傳感器如圖4-5所示，已知：極板尺寸，極板間隙，極板間介質(zhì)為空氣。求該傳感器靜態(tài)靈敏度；若極板沿方向移動，求此時電容量。 4.6 已知：圓盤形電容極板直徑，間距，在電極間置一塊厚的云母片（），空氣（）。求：①無云母片及有云母片兩種情況下電容值及是多少？②當間距變化時，電容相對變化量及是多少？ 4.7 壓差傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-30a所示，傳感器接入二極管雙T型電路，電路原理示意圖如圖4-30b所示。已知電源電壓UE =10V，頻率f = 1MHz，R1=R2=40kΩ，壓差電容C1=C2=10pF，RL=20kΩ。試分析，當壓力傳感器有壓差PH＞PL使電容變化ΔC=1pF時，一個周期內(nèi)負載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓URL平均值的大小和方向。 a) b) 圖4-30 答案 4.1答： 非線性隨相對位移的增加而增加，為保證線性度應限制相對位移的大小；起始極距和靈敏度、線性度相矛盾，所以變極距式電容傳感器只適合小位移測量；為提高傳感器的靈敏度和改善非線性關系，變極距式電容傳感器一般采用差動結(jié)構(gòu)。 4.2答： 低頻時容抗較大，傳輸線的等效電感和電阻可忽略。而高頻時容抗減小，等效電感和電阻不可忽略，這時接在傳感器輸出端相當于一個串聯(lián)諧振，有一個諧振頻率存在，當工作頻率諧振頻率時，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振對傳感器的輸出起破壞作用，使電路不能正常工作。通常工作頻率10MHz以上就要考慮電纜線等效電感的影響。 4.3解：若初始容量，初始距離，當動極板相對于定極板位移了時，非線性誤差為： 改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差為： 4.4（略） 4.5解：對于平板式變面積型電容傳感器，它的靜態(tài)靈敏度為： 極板沿x方向相對移動2mm后的電容量為： 4.6解：1） 2）令，則 4.7解：當時，； 由于，電壓UE的負半周占優(yōu)勢，故的方向下正上負。 第5章 電感式傳感器 5.1 何謂電感式傳感器？電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點？ 5.2 提高電感式傳感器線性度有哪些有效的方法。 5.3 說明單線圈和差動變間隙式電感傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性。 5.4 說明產(chǎn)生差動電感式傳感器零位殘余電壓的原因及減小此電壓的有效措施。 5.5 為什么螺線管式電傳感器比變間隙式電傳感器有更大的測位移范圍？ 5.6 電感式傳感器測量電路的主要任務是什么？變壓器式電橋和帶相敏整流的交流電橋在電感式傳感器測量電路中各可以發(fā)揮什么作用？采用哪種電路可以獲得理想輸出。 5.7 概述變間隙式差動變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特性，試比較單線圈和差動螺線管式電傳感器的基本特性，說明它們的性能指標有何異同？ 5.8 差動變壓器式傳感器的測量電路有幾種類型？試述差動整流電路的組成和基本原理。為什么這類電路可以消除零點殘余電壓？ 5.9 概述差動變壓器式傳感器的使用范圍，并說明用差動變壓器式傳感器檢測振動的基本原理。 5.10 什么叫電渦流效應？說明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。電渦流式傳感器的基本特性有哪些？它是基于何種模型得到的？ 5.11 電渦流式傳感器可以進行哪些物理量的檢測？能否可以測量非金屬物體，為什么？ 5.12 試用電渦流式傳感器設計一在線檢測的計數(shù)裝置，被測物體為鋼球。請畫出檢測原理框圖和電路原理框圖。 答案 5.1答： 電感式傳感器是一種機-電轉(zhuǎn)換裝置，電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的一種裝置，傳感器利用電磁感應定律將被測非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。它可以用來測量位移、振動、壓力、應變、流量、密度等參數(shù)。 電感式傳感器種類：自感式、渦流式、差動式、變壓式、壓磁式、感應同步器。 工作原理：自感、互感、渦流、壓磁。 5.2答： 電感傳感器采用差動形式，轉(zhuǎn)換電路采用相敏檢波電路可有效改善線性度。 5.3（略） 5.4答： 差動變壓器式傳感器的鐵芯處于中間位置時，在零點附近總有一個最小的輸出電壓，將鐵芯處于中間位置時，最小不為零的電壓稱為零點殘余電壓。產(chǎn)生零點殘余電壓的主要原因是由于兩個次級線圈繞組電氣系數(shù)（互感 M 、電感L、內(nèi)阻R）不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保證完全一致。 為減小零點殘余電壓的影響，除工業(yè)上采取措施外，一般要用電路進行補償：①串聯(lián)電阻；②并聯(lián)電阻、電容，消除基波分量的相位差異，減小諧波分量；③加反饋支路，初、次級間加入反饋，減小諧波分量；④相敏檢波電路對零點殘余誤差有很好的抑制作用。 5.5答： 螺線管式差動變壓器傳感器利用互感原理，結(jié)構(gòu)是：塑料骨架中間繞一個初級線圈，兩次級線圈分別在初級線圈兩邊，鐵心在骨架中間可上下移動，根據(jù)傳感器尺寸大小它可測量1~100mm范圍內(nèi)的機械位移。變間隙式電感傳感器是利用自感原理，銜鐵的和鐵芯之間位移（氣隙）和磁阻的關系為非線性關系，可動線性范圍很小，因此測量范圍受到限制。 5.6（略） 5.7（略） 5.8（略） 5.9（略） 5.10答： 1）塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運動時，導體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應。 2）形成渦流必須具備兩個條件：第一存在交變磁場；第二導電體處于交變磁場中。電渦流式傳感器通電后線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，金屬導體置于線圈附近。當金屬導體靠近交變磁場中時，導體內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流，這個渦流同樣產(chǎn)生交變磁場。由于磁場的反作用使線圈的等效電感和等效阻抗發(fā)生變化，使流過線圈的電流大小、相位都發(fā)生變化。通過檢測和阻抗有關的參數(shù)進行非電量檢測。 3）因為金屬存在趨膚效應，電渦流只存在于金屬導體的表面薄層內(nèi)，實際上渦流的分布是不均勻的。渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同，存在徑向分布和軸向分布。所以電渦流傳感器的檢測范圍和傳感器的尺寸（線圈直徑）有關。 4）回路方程的建立是把金屬上渦流所在范圍近似看成一個單匝短路線圈作為等效模型。 5.11答： 1）凡是能引起變化的物理量，均可以引起傳感器線圈 的變化，可以進行非電量檢測；如被測體（金屬）的電阻率，導磁率，厚度，線圈和被測體之間的距離，激勵線圈的角頻率等都可通過渦流效應和磁效應和線圈阻抗發(fā)生關系，使變化；若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個參數(shù)，便可使阻抗成為這個參數(shù)的單值函數(shù)。 2）電渦流傳感器不可以直接測量非金屬物體，這是由于傳感器本身特性決定的。 5.12（略） 第6章 磁電式傳感器 6.1 試述磁電感應式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式。 6.2 說明磁電感應式傳感器產(chǎn)生誤差的原因及補償方法。 6.3 為什么磁電感應式傳感器的靈敏度在工作頻率較高時，將隨頻率增加而下降？ 6.4 什么是霍爾效應？ 6.5 霍爾元件常用材料有哪些？為什么不用金屬做霍爾元件材料？ 6.6 霍爾元件不等位電勢產(chǎn)生的原因有哪些？ 6.7 某一霍爾元件尺寸為，,，沿方向通以電流，在垂直于和的方向加有均勻磁場，靈敏度為，試求輸出霍爾電勢及載流子濃度。 6.8 試分析霍爾元件輸出接有負載時，利用恒壓源和輸人回路串聯(lián)電阻進行溫度補償?shù)臈l件。 6.9 霍爾元件靈敏度，控制電流，將它置于～線性變化的磁場中，它輸出的霍爾電勢范圍有多大？ 6.10列舉l～2個霍爾元件的使用例子。查找l～2個使用磁敏電阻制作的產(chǎn)品實例。 6.11磁敏電阻溫度補償有哪些方法？磁敏二極管溫度補償有哪些方法？有哪些特點？ 6.12 比較霍爾元件、磁敏電阻、磁敏晶體管，它們有哪些相同之處和不同之處？簡述其各自的特點。 答案 6.1（略） 6.2答： 磁電感應式傳感器兩個基本元件，即永久磁鐵和線圈，永久磁鐵在使用前需要有穩(wěn)定性處理，主要是線圈中電流產(chǎn)生的磁場對恒定磁場的作用（稱為線圈磁場效應）是不能忽略的，需要采用補償線圈和工作線圈相串聯(lián)加以補償。當環(huán)境溫度變化較大時傳感器溫度誤差較大，必須加以補償。 6.3答： 因為磁電感應式傳感器的靈敏度為，振動頻率過高時，線圈阻抗增大，使傳感器靈敏度隨振動頻率增加而下降。 6.4答： 通電的導體（半導體）放在磁場中，電流和磁場垂直，在導體另外兩側(cè)會產(chǎn)生感應電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應。 6.5答： 1）任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可以制造霍爾元件。只有半導體材料適于制作霍爾元件。又因一般電子遷移率大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導體制造。 2）金屬材料電子濃度雖然很高，但電阻率很小很小，使霍爾電勢很小，因此不適于做霍爾元件材料。 6.6答： 霍爾電勢不為零的原因是，霍爾引出電極安裝不對稱，不在同一等電位面上；激勵電極接觸不良，半導體材料不均勻造成電阻率不均勻等原因。 6.7解： 6.8（略） 6.9解： 6.10（略） 6.11（略） 6.12答： 霍爾元件具有體積小、外圍電路簡單、動態(tài)特性好、靈敏度高、頻帶寬等許多優(yōu)點，在霍爾元件確定后，可以通過測量電壓、電流、磁場來檢測非電量，如力、壓力、應變、振動、加速度等等，所以霍爾元件使用有三種方式：①激勵電流不變，霍爾電勢正比于磁場強度，可進行位移、加速度、轉(zhuǎn)速測量。②激勵電流和磁場強度都為變量，傳感器輸出和兩者乘積成正比，可測量乘法運算的物理量，如功率。③磁場強度不變時，傳感器輸出正比于激勵電流，可檢測和電流有關的物理量，并可直接測量電流。 磁敏電阻和霍爾元件屬同一類，都是磁電轉(zhuǎn)換元件，兩者本質(zhì)不同是磁敏電阻沒有判斷極性的能力，只有和輔助材料(磁鋼)并用才具有識別磁極的能力。 磁敏二極管可用來檢測交直流磁場，特別是弱磁場?？捎米鳠o觸點開關、作箱位電流計、對高壓線不斷線測電流、小量程高斯計、漏磁儀、磁力探傷儀等設備裝置。磁敏三極管具有較好的磁靈敏度，主要使用于①磁場測量，特別適于10-6T以下的弱磁場測量，不僅可測量磁場的大小，還可測出磁場方向；②電流測量。特別是大電流不斷線地檢測和保護；③制作無觸點開關和電位器，如計算機無觸點電鍵、機床接近開關等；④漏磁探傷及位移、轉(zhuǎn)速、流量、壓力、速度等各種工業(yè)控制中參數(shù)測量。 第7章 壓電式傳感器 7.1 什么是壓電效應？什么是正壓電效應和逆壓電效應？ 7.2 石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應有何不同之處？為什么說PZT壓電陶瓷是優(yōu)能的壓電元件？比較幾種常用壓電材料的優(yōu)缺點，說出各自適用于什么場合？ 7.3 壓電傳感器能否用于靜態(tài)測量？試結(jié)合壓電陶瓷加以說明。 7.4 壓電元件在使用時常采用多片串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。試述在不同接法下輸出電壓、電荷、電容的關系，它們分別適用于何種使用場合？ 7.5 電壓放大器和電荷放大器本質(zhì)上有何不同，電荷放大器和電壓放大器各有何特點？它們各自適用于什么情況？ 7.6 己知電壓前置放大器輸人電阻及總電容分別為，，求和壓電加速度計相配，測振動時幅值誤差是多少？ 7.7 已知電壓式加速度傳感器阻尼比。若其無阻尼固有頻率, 要求傳感器輸出幅值誤差在以內(nèi)，試確定傳感器的最高響應頻率。 7.8 一壓電加速度計，供它專用電纜的長度為，電纜電容為，壓電片本身電容為。出廠標定電壓靈敏度為，若使用中改用另一根長電纜，其電容量為，問其電壓靈敏度如何改變？ 7.9 為什么壓電器件一定要高阻抗輸出？ 7.10 用石英晶體加速度計及電荷放大器測量加速度，已知：加速度計靈敏度為5PC/g，電荷放大器靈敏度為50mV/PC，當機器加速度達到最大值時，相應輸出電壓幅值為2V，試求該機器的振動加速度。 答案 7.1答： 某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，恢復到不帶電的狀態(tài)；而當作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量和外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應 7.2答： 1）石英晶體整個晶體是中性的，受外力作用而變形時沒有體積變形壓電效應，但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。壓電陶瓷PZT是一種多晶鐵電體，原始的壓電陶瓷材料并不具有壓電性，必須在一定溫度下做極化處理后，留下了很強的剩余極化強度，才能使其呈現(xiàn)出壓電特性。 2）比較石英晶體、，壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)大的多，是它們的上百倍。所以壓電陶瓷制作的傳感器靈敏度高。常用的優(yōu)能壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛（PZT），它具有很高的介電常數(shù)，工作溫度可達250℃。 3）（略） 7.3答： 1）由壓電傳感器的等效電路可見，要保證輸出信號和輸入作用力間的線性關系，只有在負載電阻較大，工作頻率較高時，傳感器電荷才能得以保存補充，需要測量電路具有無限大的輸入阻抗。但實際上這是不可能的，故壓電傳感器只能作動態(tài)測量，不宜作靜態(tài)信號測量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補充，并給測量電路一定的電流。 2）（略） 7.4.答： 1）在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個壓電組件。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電芯片的連接關系，可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接，常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。 2）如果按相同極性粘貼，相當兩個壓電片（電容）串聯(lián)。輸出總電容為單片電容的一半，輸出電荷和單片電荷相等，輸出電壓是單片的兩倍；若按不同極性粘貼，相當兩個壓電片（電容）并聯(lián)，輸出電容為單電容的兩倍，極板上電荷量是單片的兩倍，但輸出電壓和單片相等。 7.5答：（略） 7.6解： 幅值誤差為： 相對誤差為： 7.7解： 控制傳感器在5%以內(nèi)的幅值誤差為： 式中f為最高響應頻率： 7.8解： 可見電纜加長后電壓靈敏度下降。 7.9（略） 7.10解： 當輸出幅值為2V時，機器振動加速度為： 第8章 光電效應及器件 8.1什么是內(nèi)光電效應？什么是外光電效應？說明其工作原理并指出相應的典型光電器件。 8.2普通光電器件有哪幾種類型？各有何特點？利用光電導效應制成的光電器件有哪些？用光生伏特效應制成的光電器件有哪些？ 8.3普通光電器件都有哪些主要特性和參數(shù)？ 8.4什么是光敏電阻的亮電阻和暗電阻？暗電阻電阻值通常在什么范圍？ 8.5試述光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光電池的工作原理。如何正確選用這些器件？舉例說明。 8.6光敏二極管由哪幾部分組成，它和普通二極管在使用時有什么不同？請說明原理。 8.7光敏三極管和普通三極管的輸出特性是否相同？主要區(qū)別在哪里？ 8.8何為光電池的開路電壓及短路電流？為什么作為檢測元件時要采用短路電流輸出形式，作為電壓源使用時采用開路電壓輸出形式？ 8.9光電池的結(jié)構(gòu)特征是什么？它如何工作的？ 8.10采用波長為0.8～0.9的紅外光源時，宜采用哪種材料的光電器件做檢測元件？為什么？ 8.11反射式光電傳感器常見的有哪些類型？有什么特點？使用時要注意哪些影響？ 8.12舉出日常生活中的兩個光電式傳感器的使用例子，并說明原理。 8.13試擬定一光電開關用于自動裝配流水線上工件計數(shù)檢測系統(tǒng)（用示意圖表示出裝置結(jié)構(gòu)），并畫出計數(shù)電路原理示意圖， 并說明其工作原理。 8.14試敘述智能小車設計中，如何利用反射式光電傳感器實現(xiàn)“尋跡”功能，并設計出光電傳感器檢測電路原理圖。 圖8-53 8.15光電傳感器控制電路如圖8-53所示，試分析電路工作原理：① GP—IS01是什么器件，內(nèi)部由哪兩種器件組成？② 當用物體遮擋光路時，發(fā)光二極管LED有什么變化？③ R1是什么電阻，在電路中起到什么作用？如果VD二極管的最大額定電流為60mA， R1應該如何選擇？④ 如果GP—IS01中的VD二極管反向連接，電路狀態(tài)如何？晶體管VT 、LED如何變化？ 8.16光柵傳感器的基本原理是什么？莫爾條紋是如何形成的？有何特點？分析光柵傳感器具有較高測量精度的原因。 8.17某光柵的柵線密度為100線/mm ，要使形成莫爾條紋寬度為10mm，求柵線夾角是多少? 答案： 8.1答：當用光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應的電效應（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動勢等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應。 1）當光線照在物體上,使物體的電導率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應，內(nèi)光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應。入射光強改變物質(zhì)導電率的物理現(xiàn)象稱光電導效應，典型的光電器件有光敏電阻；光照時物體中能產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應，光電池、光敏晶體管。 2）在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應，典型的光電器件有光電管、光電倍增管。 8.2答：（略） 8.3答： 光照特性；光譜特性；伏安特性；溫度特性；頻率特性等 8.4答： 暗電阻，無光照時的電阻為暗電阻，暗電阻電阻值范圍一般為0.5～200MΩ； 亮電阻、受光照時的電阻稱亮電阻，亮電阻的阻值一般為0.5～20KΩ。 8.5答：（略） 8.6答：（略） 8.7答：（略） 8.8答： 1）光生電動勢和照度之間關系為開路電壓曲線，短路電流是指外接負載電阻相對于光電池內(nèi)阻很小時的光電流值。 2）短路電流曲線在很大范圍內(nèi)和光照度成線性關系，因此光電池作為檢測元件使用時，一般不作電壓源使用，而作為電流源的形式使用。而開路電壓和光照度關系在照度為2000lx以上趨于飽和呈非線性關系，因此適于作電壓源使用。 8.9答：（略） 8.10答： 1）采用波長為0.8～0.9的紅外光源時，宜采硅光電池或硅光敏管，其光譜響應峰值在0.8附近，波長范圍在0.4～1.2。 2）其中硅光電池適于接受紅外光，可以在較寬的波長范圍內(nèi)使用。 8.11答：（略） 8.12答：（略） 8.13答：（略） 8.14答：（略） 8.15電路分析： 1）GP—IS01是光電開關器件，內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成； 2）當用物體遮擋光路時，Vg無光電流VT截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光； 3）R1是限流電阻，在電路中可起到保護發(fā)光二極管VD的作用；如果VD二極管的最大額定電流為60mA，選擇電阻大于R1 =（12V-0.7）/0.6 = 18.8Ω。 4）如果GP—IS01中的VD二極管反向連接，Vg無光電流VT截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光；電路無狀態(tài)變化。 8.16答：（略） 8.17解： 已知：光柵的柵線密度為100線/mm 即W=0.02mm，B=10mm (即006′53″) 第9章 新型光電傳感器 9.1 象限探測器和PSD光電位置傳感器有什么異同？各有哪些特點？ 9.2 敘述SSPD自掃描光電二極管陣列工作原理及主要參數(shù)特征。 9.3 CCD電荷耦合器主要由哪兩個部分組成？試描述CCD輸出信號的特點。 9.4 試述CCD的光敏元和讀出移位寄存器工作原理。 9.5 用CCD做幾何尺寸測量時應該如何由像元數(shù)確定測量精度。 9.6 CCD信號二值化處理電路主要有哪種電路形式，可起到什么作用？ 9.7說明光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和特點，試述光纖的傳光原理。 9.8 當光纖的折射率N1=1.46，N2=1.45時，如光纖外部介質(zhì)N0=1，求最大入射角θc的值。 9.9 什么是光纖的數(shù)值孔徑？ 物理意義是什么？NA取值大小有什么作用？有一光纖，其纖芯折射率為1.56，包層折射率為1.24，求數(shù)值孔徑為多少？ 9.10光纖傳感器有哪兩大類型？它們之間有何區(qū)別？ 9.11 圖9-36為Y結(jié)構(gòu)型光纖位移測量原理圖，光源的光經(jīng)光纖的一個分支入射，經(jīng)物體反射后光纖的另一分支將信號輸出到光探測器上。光探測器的輸出信號和被測距離有什么樣關系，試說明其調(diào)制原理，畫出位移相對輸出光強的特性曲線。 9.12光纖可以通過哪些光的調(diào)制技術進行非電量的檢測，說明原理。 9.13埋入式光纖傳感器有哪些用途，舉例說明可以解決哪些工程問題。 答案 9.1答： 1）象限探測器它是利用光刻技術，將一個整塊的圓形或方形光敏器件敏感面分隔成若干個面積相等、形狀相同、位置對稱的區(qū)域，這就構(gòu)成了象限探測器。PSD光電位置傳感器是一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的光電器件。兩種器件工作機理不同，但其輸出信號和光點在光敏面上的位置有關。光電位置傳感器被廣泛使用于激光束對準、平面度檢測、二維坐標檢測以及位移和振動測量系統(tǒng)。 2）象限探測器有幾個明顯缺點：它需要分割從而產(chǎn)生死區(qū)，尤其當光斑很小時，死區(qū)的影響更明顯。若被測光斑全部落入某個象限時，輸出的電信號無法表示光斑位置，因此它的測量范圍、控制范圍都不大，測量精度和光強變化及漂移密切相關，因此它的分辨率和精度受到限制。和象限探測器相比PSD傳感器有以下特點： （1）它對光斑的形狀無嚴格要求，即輸出信號和光的聚焦無關，只和光的能量中心位置有關，這給測量帶來很多方便。 （2）光敏面上無須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測量光斑位置，位置分辨率高，一維PSD可達0.2μm。 （3）可同時檢測位置和光強，PSD器件輸出的總光電流和入射光強有關，而各信號電極輸出光電流之和等于總光電流，所以由總光電流可求得相應的入射光強。 9.2答：（略） 9.3答： 1）CCD基本結(jié)構(gòu)由MOS光敏元陣列和讀出移位寄存器兩部分組成。 2）CCD電極傳輸電荷方向（向右或向左）是通過改變?nèi)鄷r鐘脈沖的時序來控制的，輸出的幅值和對應的光敏元件上電荷量成正比。信號電荷的輸出的方式主要有電流輸出和電壓輸出兩種，電流輸出型是輸出電流和電荷成正比，在輸出電路負載上形成輸出電流。 9.4答：（略） 9.5答： 兩個光敏像元的空間尺寸必須小于被測量的最小尺寸。 可測量的范圍是像元總寬度： 如，1024（相元數(shù)）0.014mm（光敏像元的空間尺寸）=14.3mm（測量范圍）。 9.6答： 普遍采用的CCD視頻信號二值化處理電路是電壓比較器，比較器的反相端接一個閾值電平，視頻信號電平高于閾值電平的部分均輸出高電平，而低于閾值電平部分均輸出低電平，在比較器的輸出端就得到只有高低兩種電平的二值信號，二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對待。反映在CCD視頻信號中所對應的圖像尺寸邊界處會有明顯的電平急劇變化，通過二值化處理把CCD視頻信號中圖像尺寸部分和背景部分分離成二值電平。 9.7答：（略） 9.8解： 9.9答： 1）數(shù)值孔徑定義為：，表示了光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只有在2張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進入包層漏光。 2）NA越大集光能力越強，光纖和光源間耦合會更容易，但NA越大光信號畸變越大，所以要選擇適當。 3） 9.10答： 光纖傳感器大致可分為功能型和非功能型兩大類，它們的基本組成相似，有光源、入射光纖、調(diào)制器、出射光纖、光敏器件。 功能型又稱傳感型，這類傳感器利用光纖本身對外界被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測對象作用下使光強、相位、偏振態(tài)等光學特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被測信息。如果外界作用時光纖傳播的光信號發(fā)生變化，使光的路程改變，相位改變，將這種信號接收處理后，可以得到和被測信號相關的變化電信號。 非功能型又稱傳光型，這時光纖只作傳播光媒介，待測對象的調(diào)制功能是由其它轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。 9.11答：（略） 9.12答： 光強度調(diào)制：利用外界物理量改變光纖中的光強度，通過測量光強的變化測量被測信息。根據(jù)光纖傳感器探頭結(jié)構(gòu)形式可分為透射、反射、折射等方式調(diào)制。 相位調(diào)制：一般壓力、張力、溫度可以改變光纖的幾何尺寸（長度），同時由于光彈效應光纖折射率也會由于應變而改變，這些物理量可以使光纖輸出端產(chǎn)生相位變化，借助干涉儀可將相位變化轉(zhuǎn)換為光強的變化。干涉系統(tǒng)的種類很多，可根據(jù)具體情況采用不同的干涉系統(tǒng)。 頻率調(diào)制：當光敏器件和光源之間有相對運動時，光敏器件接收到的光頻率fs和光源頻率f不同，這種現(xiàn)象稱為光的“多普勒效應”。頻率調(diào)制方法可以測量運動物體（流體）的速度、流量等。 9.13答：（略） 第10章 半導體式化學傳感器 10.1 什么是半導體氣體傳感器？它有哪些基本類型？氣體傳感器的發(fā)展動態(tài)如何? 10.2 半導體氣體傳感器主要有哪幾種結(jié)構(gòu)？各種結(jié)構(gòu)氣體傳感器的特點如何？ 10.3 如何提高半導體氣體傳感器的選擇性？根據(jù)文獻舉例說明，目前實用氣體檢測方法常用哪些氣敏傳感器？它有什么特點？ 10.4 半導體氣體傳感器為什么要在高溫狀態(tài)下工作？加熱方式有哪幾種？加熱絲可以起到什么作用？ 10.5 查找文獻說明近年有哪些新性的氣體傳感器。 10.6 什么是絕對濕度？什么是相對濕度？表示空氣濕度的物理量有哪些？如何表示？ 10.7 濕度傳感器的種類有哪些？主要參數(shù)有哪些？簡述氯化鋰濕度傳感器的感濕原理。 10.8 簡述半導體濕敏陶瓷的感濕機理。半導體陶瓷濕敏傳感器有那些特點？ 10.9 離子選擇電極是如何分類的？離子選擇電極分析法有什么特點？試述離子選擇電極的結(jié)構(gòu)和測量原理。 答案： 10.1答：（略） 10.2答： 1）按構(gòu)成氣敏傳感器的材料可分為半導體和非半導體兩大類；按半導體的物理特性，氣敏傳感器可分為電阻型和非電阻型。 2）早期電化學和光學方法，其檢測速度慢、設備復雜、使用不方便；新型金屬氧化物半導體傳感器由于靈敏度高、體積小、使用方便，已廣泛用于檢測、分析領域。電阻型氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應，導致敏感元件阻值變化，電阻型氣敏傳感器是目前使用較廣泛的一種氣敏元件，傳感器主要由敏感元件、加熱器、外殼三部分組成。非電阻型氣敏傳感器有不同類型，如利用MOS二極管的電容-電壓特性變化，利用MOS場效應管的閾值電壓的變化，利用肖特基金屬半導體二極管的勢壘變化進行氣體檢測。 10.3答：（略） 10.4答： 1）因為在常溫下，電導率變化不大，達不到檢測目的，因此以上結(jié)構(gòu)的氣敏元件都有電阻絲加熱器，加熱時間2～3分鐘，最佳工作溫度為200℃～400℃。 2）加熱方式分為直熱式和旁熱式。電阻型氣敏傳感器加熱的目的有兩個方面的因素，一是為了加速氣體吸附和上述的氧化還原反應，提高靈敏度和響應速度，另外使附著在傳感器元件殼面上的油霧、塵埃燒掉。 10.5答：（略） 10.6答： 1）絕對濕度指單位體積空氣內(nèi)所含水汽的質(zhì)量，一般用每立方米空氣中所含水汽的克數(shù)表示 2）相對濕度是指被測氣體中，實際所含水汽蒸汽壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比，一般用符號%RH(Relative Humidity)表示，無量綱。 3）除用絕對濕度、相對濕度表示空氣的水汽含量外，露點溫度是一個和濕度相關的重要物理量，簡稱露點。當空氣中溫度下降到某一溫度時，空氣中的水汽就有可能轉(zhuǎn)化為液相而凝結(jié)成露珠，這一特定溫度稱為空氣的露點或露點溫度。 10.7答：（略） 10.8答： 1）半導體濕敏電阻通常用兩種以上的金屬—氧化物—半導體燒結(jié)成多孔陶瓷，多孔陶瓷表面吸收水分的情況分為三個階段，第一階段是陶瓷在低濕區(qū)域或剛接觸水汽；第二階段是進一步吸收水分子或中等濕度環(huán)境；第三階段大量水汽存在使晶粒界充滿水分子。 2）半導瓷濕敏傳感器有正特性和負特性兩種。負特性半導體瓷濕敏電阻的電阻值隨濕度增加而下降，電阻率低，阻值-濕度特性好。由于水分子中（H2）氫原子具有很強的正電場，當水分子在半導體瓷表面吸附時可能從半導體瓷表面俘獲電子，使半導體表面帶負電，相當表面電勢變負，（P型半導體電勢下降，N型半導體出現(xiàn)反型層）電阻率隨濕度增加而下降。 10.9答： 1）ISFET沒有金屬柵極，而是在絕緣柵上制作了一層敏感膜，敏感膜種類很多，不同敏感膜檢測離子種類不同，具有離子選擇性，如：Si3N4—氮，SiO2、Al2O3（無機膜）可測H+（氫）、PH。 2）器件在SiO2層和柵極間無金屬電極，而是待測溶液，溶液和參比電極同時接觸充當柵極構(gòu)成場效應管，工作原理和場效應管相似。 3）離子敏傳感器是將普通MOSFET的金屬柵去掉，讓絕緣氧化層直接和溶液相接觸，柵極用鉑金屬膜作引線，在鉑膜上涂一層離子敏感膜，構(gòu)成離子敏場效應管ISFET。當離子敏場效應管ISFET插入溶液時，被測溶液和敏感膜接觸處就會產(chǎn)生一定的界面電勢，這個電勢大小取決于溶液中被測離子的濃度。 第11章 波和射線式傳感器 11.1 什么是超聲波？其頻率范圍是多少？ 11.2 超聲波在通過兩種介質(zhì)界面時，將會發(fā)生什么現(xiàn)象？ 11.3 超聲波傳感器的發(fā)射和接收分別利用什么效應，檢測原理是什么？常用的超聲波傳感器（探頭）有哪幾種形式？簡述超聲波測距原理。 11.4 利用超聲波測厚的基本方法是什么？已知超聲波在工件中的聲速為5640m/s，測得的時間間隔t為22，試求工件厚度 11.5 利用EN555集成器件，自行設計一超聲波傳感器控制的遙控開關發(fā)射電路，傳感器中心頻率為40kHz，遙控距離10m，繪出電路原理圖，請說明電路工作原理。 11.6 紅外輻射探測器分為哪兩種類型?這兩種探測器有哪些不同？試比較它們的優(yōu)缺點。 11.7 敘述熱釋電效應，熱釋電元件如何將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?？熱釋電探測器為什么只能探測調(diào)制輻射？ 圖 11-39 11.8 題圖11-39為熱釋電元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，請說明圖中FET是什么元件，Rg和FET在傳感器電路中起到什么作用? 11.9 試設計一個紅外控制的電扇開關自動控制電路，并敘述其工作原理。 11.10 什么是放射性同位素？輻射強度和什么有關系？ 11.11試用核輻射測量方法設計一個測厚儀器系統(tǒng)，請畫出測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖，試說明射線測量物厚的原理。 11.12 放射性探測器有哪幾種？結(jié)構(gòu)如何，各有什么特征？ 答案 11.1答： 1）超聲波是人耳無法聽到的聲波。人耳聽見的聲波稱機械波，頻率在16Hz～20kHz，一般說話的頻率范圍在100Hz～8kHz之間，低于20Hz頻率的波稱為次聲波，高于20kHz頻率的波稱超聲波，頻率在300MHz～300GHz之間的波稱為微波。 2）超聲波頻率范圍在幾十千赫茲到幾十兆赫茲， 11.2答： 當超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，在界面上會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。 11.3答： 1）超聲波傳感器主要利用壓電材料（晶體、陶瓷）的壓電效應，其中超聲波發(fā)射器利用逆壓電效應制成發(fā)射元件，將高頻電振動轉(zhuǎn)換為機械振動產(chǎn)生超聲波；超聲波接收器利用正壓電效應制成接收元件，將超聲波機械振動轉(zhuǎn)換為電信號。 2)按工作形式簡單超聲波傳感器有專用型和兼用型兩種形式，兼用型傳感器是將發(fā)射（TX）和接收（RX）元件制作在一起，器件可同時完成超聲波的發(fā)射和接收；專用型傳感器的發(fā)送（TX）和接收（RX）器件各自獨立。按結(jié)構(gòu)形式有密封性和開放型，超聲波傳感器上一般標有中心頻率（23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz），表示傳感器工作頻率。 3)（略) 11.4 1）通過測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時間間隔t和超聲波在介質(zhì)中傳播速度，便可以求得待測的厚度或物位。 2）解： 11.5（略) 11.6答： 1）紅外探測器主要有兩大類型：熱探測器（熱電型），包括熱釋電、熱敏電阻、熱電偶；光子探測器（量子型），利用某些半導體材料在紅外輻射的照射下產(chǎn)生光電子效應，使材料的電學性質(zhì)發(fā)生變化，其中有光敏電阻、光敏晶體管、光電池等。 2）紅外探測器是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的熱電或光電器件，當器件吸收輻射能時溫度上升，溫升引起材料各種有賴于溫度的參數(shù)變化，檢測其中一種性能的變化，既可探知輻射的存在和強弱。光量子型紅外探測器是能將紅外輻射的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的光敏器件。 3）光子探測器和熱釋電傳感器區(qū)別是，光量子型光電探測器探測的波長較窄，而熱探測器幾乎可以探測整個紅外波長范圍。 11.7答： 1）熱釋電效應首先利用器件溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號，這一過程包括了光→熱→電的兩次信息變換過程，而對波長頻率沒有選擇。光→熱→電轉(zhuǎn)換過程中，光→熱階段，物質(zhì)吸收光能，溫度升高；熱→電階段，利用某種效應將熱轉(zhuǎn)換為電信號。 當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面時，薄片溫度升高使極化強度降低，表面電荷減少，釋放部分電荷，所以稱熱釋電。 2）溫度一定時因極化產(chǎn)生的電荷被附集在外表面的自由電荷慢慢中和掉不顯電性，要讓熱釋電材料顯現(xiàn)出電特性，必需用光調(diào)制器使溫度變化，并且調(diào)制器的入射光頻率必須大于電荷中和時間的頻率。 11.8電路分析： 1）FET為場效應管 2）輸入電阻Rg安裝在管殼中，和FET場效應管起到阻抗變換的作用。由于熱釋電傳感器絕緣電阻很高，幾十至幾百兆歐容易引入噪聲，使用時要求有較高的輸入電阻。 11.9（略) 11.10答： 1）具有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子核稱做核素，凡是原子序數(shù)相同，原子質(zhì)量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，稱同位素。 2）放射性的強弱稱為放射性強度，一般用單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的次數(shù)來表示，也稱核輻射強度。 11.11（略) 11.12（略) 第12章 熱電式傳感器 12.1 什么是熱電效應？熱電偶測溫回路的熱電動勢由哪兩部分組成？由同一種導體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢嗎？ 12.2 為什么熱電偶的參比端在實際使用中很重要？對參比端溫度處理有哪些方法？ 12.3 解釋下列有關熱電偶的名詞： 熱電效應、熱電勢、接觸電勢、溫差電勢、熱電極、測量端、參比端、分度表。 12.4 試比較熱電偶、熱電阻、熱敏電阻三種熱電式傳感器的特點。 12.5 某熱電偶靈敏度為0.04mV/℃，把它放在溫度為1200℃處的溫度場，若指示表（冷端）處溫度為50℃，試求熱電勢的大??？ 12.6 某熱電偶的熱電勢在E(600,0)時，輸出E=5.257 mV，若冷端溫度為0℃時，測某爐溫輸出熱電勢E=5.267 mV。試求該加熱爐實際溫度是多少？ 12.7 已知鉑熱電阻溫度計0℃時電阻為, 100℃時電阻為139Ω，當它和某熱介質(zhì)接觸時，電阻值增至281Ω，試確定該介質(zhì)溫度。 12.8 用分度號為K型鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫度，在未采用冷端溫度補償?shù)那闆r下，儀表顯示500℃，此時冷端為60℃。試問實際測量溫度為多少度？若熱端溫度不變，設法使冷端溫度保持在20℃，此時顯示儀表指示多少度？ 12.9 什么是集成溫度傳感器？P-N結(jié)為什么可以用來作為溫敏元件？ 12.10 AD590是哪一種形式輸出的溫度傳感器，可以測量的溫度范圍是多少？敘述圖12-23電路工作原理。 12.11 用AD590設計一可測量溫度范圍0～100℃的數(shù)字溫度計，畫出電路原理圖。 12.12 DS18B20智能型溫度傳感器和集成溫度傳感器AD590的工作原理和輸出信號有什么不同？如何用DS18B20實現(xiàn)多點測溫的？ 答案 12.1答： 1）兩種不同類型的金屬導體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當兩個結(jié)點有溫差時，導體回路里有電流流動會產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應。 2）熱電偶測溫回路中熱電勢主要是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。 3）熱電偶兩個電極材料相同時，無論兩端點溫度如何變化無熱電勢產(chǎn)生。 12.2答： 1）實際測量時利用這一性質(zhì)，可對參考端溫度不為零度時的熱電勢進行修正。 2）因為熱電偶的分度表均是以參考端T =0℃為標準的，而實際使用的熱電偶參考端往往T≠0℃，一般高于零度的某個數(shù)值，此時可利用中間溫度定律對檢測的熱電勢值進行修正，以獲得被測的真實溫度。 12.3答：（略） 12.4答：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻三種熱電式傳感器特點如下： 熱電偶可以測量上千度高溫，并且精度高、性能好，這是其它溫度傳感器無法替代。 熱電阻結(jié)構(gòu)很簡單，金屬熱電阻材料多為純鉑金屬絲，也有銅、鎳金屬。金屬熱電阻廣泛用于測量-200～+850℃溫度范圍，少數(shù)可以測量1000℃。 熱敏電阻由半導體材料制成，外形大小和電阻的功率有關，差別較大。熱敏電阻用途很廣，幾乎所有家用電器產(chǎn)品都裝有微處理器，這些溫度傳感器多使用熱敏電阻。 12.5解： 已知：熱電偶靈敏度為0.04mV/℃，把它放在溫度為1200℃處的溫度場，若指示表（冷端）處溫度為50℃，則 中間溫度為：1200℃-50℃=1150℃； 熱電勢為： 0.04mV/℃1150℃=46mV 或： EAB（T,0）= EAB（T,1200）+ EAB（50,0）= 1200℃0.04mV/℃-50℃0.04mV/℃=46mV 12.6解： 已知