傳感器原理和應(yīng)用課后習(xí)題答案吳建平機(jī)械工業(yè)出版.doc

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習(xí)題集及答案 第1章 概述 1.1 什么是傳感器？按照國(guó)標(biāo)定義，“傳感器”應(yīng)該如何說(shuō)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(guān)系。 1.3 簡(jiǎn)述傳感器主要發(fā)展趨勢(shì)，并說(shuō)明現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的特征。 1.4 傳感器如何分類(lèi)？按傳感器檢測(cè)的范疇可分為哪幾種？ 1.5 傳感器的圖形符號(hào)如何表示？它們各部分代表什么含義？應(yīng)注意哪些問(wèn)題？ 1.6 用圖形符號(hào)表示一電阻式溫度傳感器。 1.7 請(qǐng)例舉出兩個(gè)你用到或看到的傳感器，并說(shuō)明其作用。如果沒(méi)有傳感器，應(yīng)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(lái)說(shuō)，感知信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理部分總稱為傳感器。我們對(duì)傳感器定義是：一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置。從狹義角度對(duì)傳感器定義是：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—87）對(duì)傳感器（Sensor/transducer）的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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(cè)裝置；能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；傳感器的輸出和輸入之間存在確定的關(guān)系。按使用的場(chǎng)合不同傳感器又稱為變換器、換能器、探測(cè)器。 1.2答： 組成——由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路組成； 關(guān)系，作用——傳感器處于研究對(duì)象和測(cè)試系統(tǒng)的接口位置，即檢測(cè)和控制之首。傳感器是感知、獲取和檢測(cè)信息的窗口，一切科學(xué)研究和自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息都要通過(guò)傳感器獲取并通過(guò)它轉(zhuǎn)換成容易傳輸和處理的電信號(hào)，其作用和地位特別重要。 1.3答：（略） 1.4答： 按照我國(guó)制定的傳感器分類(lèi)體系表，傳感器分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器以及生物量傳感器三大類(lèi)，含12個(gè)小類(lèi)。按傳感器的檢測(cè)對(duì)象可分為：力學(xué)量、熱學(xué)量、流體量、光學(xué)量、電量、磁學(xué)量、聲學(xué)量、化學(xué)量、生物量、機(jī)器人等等。 1.5 答： 圖形符號(hào)（略），各部分含義如下： ①敏感元件：指?jìng)鞲衅髦兄苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分。 ②傳感器：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 ③信號(hào)調(diào)理器：對(duì)于輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的 裝置。 ④變送器：能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(biāo)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(shuō)傳感器的線性度是多少。 2.3傳感器動(dòng)態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？它們的意義是什么？ 2.4傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)和脈沖響應(yīng)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(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。 2.6有一溫度傳感器，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度為t1，測(cè)溫傳感器顯示溫度為t2時(shí)，可用下列方程表示：。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度從25℃突然變化到300℃時(shí)，測(cè)溫傳感器的時(shí)間常數(shù)τ0 =120s，試求經(jīng)過(guò)350s后該傳感器的動(dòng)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(cè)量頻率為600Hz的正弦交變力時(shí)的振幅相對(duì)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(shè)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(cè)量頻率為400Hz正弦變化的外力，應(yīng)選用哪一只？并計(jì)算所產(chǎn)生的振幅相對(duì)誤差和相位誤差。 答案 2.1答： 靜特性是當(dāng)輸入量為常數(shù)或變化極慢時(shí)，傳感器的輸入輸出特性，其主要指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)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(lái)，靜特性曲線由實(shí)際測(cè)繪中獲得。人們根據(jù)傳感器的靜特性來(lái)選擇合適的傳感器。 2.2答： 1）實(shí)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(shí)際曲線進(jìn)行比較，其中存在偏差，這個(gè)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(diǎn)連線擬合)；獨(dú)立線性度(端點(diǎn)平移擬合)；最小二乘法線性度。 3）線性度是表征實(shí)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(zhǔn)，即使是同一傳感器基準(zhǔn)不同時(shí)得出的線性度也不同，所以不能籠統(tǒng)地提出線性度, 當(dāng)提出線性度的非線性誤差時(shí)，必須說(shuō)明所依據(jù)的基準(zhǔn)直線。 2.3答： 1）傳感器動(dòng)態(tài)特性主要有：時(shí)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(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越少；固有頻率越高響應(yīng)曲線上升越快；當(dāng)為常數(shù)時(shí)響應(yīng)特性取決于阻尼比，阻尼系數(shù)越大，過(guò)沖現(xiàn)象減弱，時(shí)無(wú)過(guò)沖，不存在振蕩，阻尼比直接影響過(guò)沖量和振蕩次數(shù)。 2.4答：（略） 2.5解： 對(duì)微分方程兩邊進(jìn)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(shí)間常數(shù)τ=10，靈敏度k=0.05 2.6解： 動(dòng)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(duì)方程兩邊去拉氏變換得： 則傳遞函數(shù)為 對(duì)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(dāng)t=350s時(shí)，暫態(tài)誤差為 故所求動(dòng)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(shí)的幅值為 相對(duì)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(cè)信號(hào)頻率越大越好，故應(yīng)選固有頻率為2.2kHz的那只。 相對(duì)誤差為（1-0.940）100%=6.0% 故相位滯后833′。 第3章 電阻應(yīng)變式傳感器 3.1 何為電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？ 3.2 什么是應(yīng)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(yīng)變片兩端電阻條的橫截面積便能減小橫向效應(yīng)？ 3.4 金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何不同？半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少，金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少？為什么有這種差別，說(shuō)明其優(yōu)缺點(diǎn)。舉例說(shuō)明金屬絲電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。 3.5 一應(yīng)變片的電阻R=120Ω，靈敏系數(shù)k=2.05，用作應(yīng)變?yōu)榈膫鞲性? 求：①和；② 若電源電壓U=3V，初始平衡時(shí)電橋的輸出電壓U0。 3.6 在以鋼為材料的實(shí)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(yīng)變片R1和R2（如圖3-28a所示），把這兩應(yīng)變片接入電橋（見(jiàn)圖3-28b）。若鋼的泊松系數(shù)，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k =2，電橋電源電壓U=2V，當(dāng)試件受軸向拉伸時(shí)，測(cè)得應(yīng)變片R1的電阻變化值。試求：①軸向應(yīng)變；②電橋的輸出電壓。 圖3-29 3.7 一測(cè)量吊車(chē)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?，F(xiàn)測(cè)得輸出電壓U0=2.6mV。求：①等截面軸的縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變?yōu)槎嗌?？②力F為多少？ 圖3-28 3.8 已知：有四個(gè)性能完全相同的金屬絲應(yīng)變片（應(yīng)變靈敏系數(shù)）, 將其粘貼在梁式測(cè)力彈性元件上，如圖3-30所示。在距梁端處應(yīng)變計(jì)算公式為 設(shè)力，，，，。求： 圖 3-30 ①說(shuō)明是一種什么形式的梁。在梁式測(cè)力彈性元件距梁端處畫(huà)出四個(gè)應(yīng)變片粘貼位置，并畫(huà)出相應(yīng)的測(cè)量橋路原理圖；②求出各應(yīng)變片電阻相對(duì)變化量；③當(dāng)橋路電源電壓為6V時(shí)，負(fù)載電阻為無(wú)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(fù)載電阻RL趨于無(wú)窮。圖中E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，試求：① R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)R1的增量為ΔR1=1.2Ω時(shí)，電橋輸出電壓U0=? ② R1、R2為金屬應(yīng)變片，感應(yīng)應(yīng)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(yīng)變片，如果感應(yīng)應(yīng)變大小相反，且ΔR1=ΔR2 =1.2Ω，電橋輸出電壓U0=? 答案 3.1 答： 導(dǎo)體在受到拉力或壓力的外界力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，同時(shí)機(jī)械變形會(huì)引起導(dǎo)體阻值的變化，這種導(dǎo)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(yīng)變效應(yīng)。 當(dāng)外力作用時(shí)，導(dǎo)體的電阻率、長(zhǎng)度、截面積都會(huì)發(fā)生變化，從而引起電阻值的變化，通過(guò)測(cè)量電阻值的變化，檢測(cè)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(shí)際應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)包括基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng)。雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，金屬絲做成成品的應(yīng)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(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，橫向效應(yīng)越小，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上兩端電阻條的橫截面積大的應(yīng)變片橫向效應(yīng)較小。 3.4答： 金屬導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化是利用機(jī)械形變產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)，對(duì)于半導(dǎo)體而言，應(yīng)變傳感器主要是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。金屬電阻絲的靈敏系數(shù)可近似寫(xiě)為 ，即；半導(dǎo)體靈敏系數(shù)近似為 ≈50～100。 3.5解： 3.6解1： 1） 則軸向應(yīng)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(yīng)變片沿梁的方向上下平行各粘貼兩個(gè)； 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(shí)的電容式傳感器連接電纜的長(zhǎng)度不能任意變化？ 4.3 差動(dòng)式變極距型電容傳感器，若初始容量，初始距離，當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了時(shí)，試計(jì)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(lèi)測(cè)量電路？各有什么特點(diǎn)？差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路用于電容傳感器測(cè)量電路具有什么特點(diǎn)？ 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(dòng)，求此時(shí)電容量。 4.6 已知：圓盤(pán)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(wú)云母片及有云母片兩種情況下電容值及是多少？②當(dāng)間距變化時(shí)，電容相對(duì)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(dāng)壓力傳感器有壓差PH＞PL使電容變化ΔC=1pF時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)負(fù)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(duì)位移的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對(duì)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(cè)量；為提高傳感器的靈敏度和改善非線性關(guān)系，變極距式電容傳感器一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。 4.2答： 低頻時(shí)容抗較大，傳輸線的等效電感和電阻可忽略。而高頻時(shí)容抗減小，等效電感和電阻不可忽略，這時(shí)接在傳感器輸出端相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)諧振，有一個(gè)諧振頻率存在，當(dāng)工作頻率諧振頻率時(shí)，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振對(duì)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(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了時(shí)，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(duì)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(duì)移動(dòng)2mm后的電容量為： 4.6解：1） 2）令，則 4.7解：當(dāng)時(shí)，； 由于，電壓UE的負(fù)半周占優(yōu)勢(shì)，故的方向下正上負(fù)。 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(lèi)？各有何特點(diǎn)？ 5.2 提高電感式傳感器線性度有哪些有效的方法。 5.3 說(shuō)明單線圈和差動(dòng)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(shuō)明產(chǎn)生差動(dòng)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(cè)位移范圍？ 5.6 電感式傳感器測(cè)量電路的主要任務(wù)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(cè)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(dòng)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(dòng)螺線管式電傳感器的基本特性，說(shuō)明它們的性能指標(biāo)有何異同？ 5.8 差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電路有幾種類(lèi)型？試述差動(dòng)整流電路的組成和基本原理。為什么這類(lèi)電路可以消除零點(diǎn)殘余電壓？ 5.9 概述差動(dòng)變壓器式傳感器的使用范圍，并說(shuō)明用差動(dòng)變壓器式傳感器檢測(cè)振動(dòng)的基本原理。 5.10 什么叫電渦流效應(yīng)？說(shuō)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(jìn)行哪些物理量的檢測(cè)？能否可以測(cè)量非金屬物體，為什么？ 5.12 試用電渦流式傳感器設(shè)計(jì)一在線檢測(cè)的計(jì)數(shù)裝置，被測(cè)物體為鋼球。請(qǐng)畫(huà)出檢測(cè)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(jī)-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(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置，傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。它可以用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、密度等參數(shù)。 電感式傳感器種類(lèi)：自感式、渦流式、差動(dòng)式、變壓式、壓磁式、感應(yīng)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(dòng)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(dòng)變壓器式傳感器的鐵芯處于中間位置時(shí)，在零點(diǎn)附近總有一個(gè)最小的輸出電壓，將鐵芯處于中間位置時(shí)，最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的主要原因是由于兩個(gè)次級(jí)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(diǎn)殘余電壓的影響，除工業(yè)上采取措施外，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)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(jí)間加入反饋，減小諧波分量；④相敏檢波電路對(duì)零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。 5.5答： 螺線管式差動(dòng)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(gè)初級(jí)線圈，兩次級(jí)線圈分別在初級(jí)線圈兩邊，鐵心在骨架中間可上下移動(dòng)，根據(jù)傳感器尺寸大小它可測(cè)量1~100mm范圍內(nèi)的機(jī)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(guān)系為非線性關(guān)系，可動(dòng)線性范圍很小，因此測(cè)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(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)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(yīng)。 2）形成渦流必須具備兩個(gè)條件：第一存在交變磁場(chǎng)；第二導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中。電渦流式傳感器通電后線圈周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬導(dǎo)體置于線圈附近。當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流同樣產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)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(guò)線圈的電流大小、相位都發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)和阻抗有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行非電量檢測(cè)。 3）因?yàn)榻饘俅嬖谮吥w效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)，實(shí)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(cè)范圍和傳感器的尺寸（線圈直徑）有關(guān)。 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(gè)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(jìn)行非電量檢測(cè)；如被測(cè)體（金屬）的電阻率，導(dǎo)磁率，厚度，線圈和被測(cè)體之間的距離，激勵(lì)線圈的角頻率等都可通過(guò)渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)和線圈阻抗發(fā)生關(guān)系，使變化；若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，便可使阻抗成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。 2）電渦流傳感器不可以直接測(cè)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(yīng)式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式。 6.2 說(shuō)明磁電感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生誤差的原因及補(bǔ)償方法。 6.3 為什么磁電感應(yīng)式傳感器的靈敏度在工作頻率較高時(shí)，將隨頻率增加而下降？ 6.4 什么是霍爾效應(yīng)？ 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(shì)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(chǎng)，靈敏度為，試求輸出霍爾電勢(shì)及載流子濃度。 6.8 試分析霍爾元件輸出接有負(fù)載時(shí)，利用恒壓源和輸人回路串聯(lián)電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)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(chǎng)中，它輸出的霍爾電勢(shì)范圍有多大？ 6.10列舉l～2個(gè)霍爾元件的使用例子。查找l～2個(gè)使用磁敏電阻制作的產(chǎn)品實(shí)例。 6.11磁敏電阻溫度補(bǔ)償有哪些方法？磁敏二極管溫度補(bǔ)償有哪些方法？有哪些特點(diǎn)？ 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(jiǎn)述其各自的特點(diǎn)。 答案 6.1（略） 6.2答： 磁電感應(yīng)式傳感器兩個(gè)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(chǎng)對(duì)恒定磁場(chǎng)的作用（稱為線圈磁場(chǎng)效應(yīng)）是不能忽略的，需要采用補(bǔ)償線圈和工作線圈相串聯(lián)加以補(bǔ)償。當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí)傳感器溫度誤差較大，必須加以補(bǔ)償。 6.3答： 因?yàn)榇烹姼袘?yīng)式傳感器的靈敏度為，振動(dòng)頻率過(guò)高時(shí)，線圈阻抗增大，使傳感器靈敏度隨振動(dòng)頻率增加而下降。 6.4答： 通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場(chǎng)中，電流和磁場(chǎng)垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。 6.5答： 1）任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是都可以制造霍爾元件。只有半導(dǎo)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(dǎo)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(shì)很小，因此不適于做霍爾元件材料。 6.6答： 霍爾電勢(shì)不為零的原因是，霍爾引出電極安裝不對(duì)稱，不在同一等電位面上；激勵(lì)電極接觸不良，半導(dǎo)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(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性好、靈敏度高、頻帶寬等許多優(yōu)點(diǎn)，在霍爾元件確定后，可以通過(guò)測(cè)量電壓、電流、磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)非電量，如力、壓力、應(yīng)變、振動(dòng)、加速度等等，所以霍爾元件使用有三種方式：①激勵(lì)電流不變，霍爾電勢(shì)正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度，可進(jìn)行位移、加速度、轉(zhuǎn)速測(cè)量。②激勵(lì)電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度都為變量，傳感器輸出和兩者乘積成正比，可測(cè)量乘法運(yùn)算的物理量，如功率。③磁場(chǎng)強(qiáng)度不變時(shí)，傳感器輸出正比于激勵(lì)電流，可檢測(cè)和電流有關(guān)的物理量，并可直接測(cè)量電流。 磁敏電阻和霍爾元件屬同一類(lèi)，都是磁電轉(zhuǎn)換元件，兩者本質(zhì)不同是磁敏電阻沒(méi)有判斷極性的能力，只有和輔助材料(磁鋼)并用才具有識(shí)別磁極的能力。 磁敏二極管可用來(lái)檢測(cè)交直流磁場(chǎng)，特別是弱磁場(chǎng)?？捎米鳠o(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、作箱位電流計(jì)、對(duì)高壓線不斷線測(cè)電流、小量程高斯計(jì)、漏磁儀、磁力探傷儀等設(shè)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(chǎng)測(cè)量，特別適于10-6T以下的弱磁場(chǎng)測(cè)量，不僅可測(cè)量磁場(chǎng)的大小，還可測(cè)出磁場(chǎng)方向；②電流測(cè)量。特別是大電流不斷線地檢測(cè)和保護(hù)；③制作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)和電位器，如計(jì)算機(jī)無(wú)觸點(diǎn)電鍵、機(jī)床接近開(kāi)關(guān)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(cè)量。 第7章 壓電式傳感器 7.1 什么是壓電效應(yīng)？什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？ 7.2 石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)有何不同之處？為什么說(shuō)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(diǎn)，說(shuō)出各自適用于什么場(chǎng)合？ 7.3 壓電傳感器能否用于靜態(tài)測(cè)量？試結(jié)合壓電陶瓷加以說(shuō)明。 7.4 壓電元件在使用時(shí)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(guān)系，它們分別適用于何種使用場(chǎng)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(diǎn)？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(jì)相配，測(cè)振動(dòng)時(shí)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(wú)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(yīng)頻率。 7.8 一壓電加速度計(jì)，供它專用電纜的長(zhǎng)度為，電纜電容為，壓電片本身電容為。出廠標(biāo)定電壓靈敏度為，若使用中改用另一根長(zhǎng)電纜，其電容量為，問(wèn)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(jì)及電荷放大器測(cè)量加速度，已知：加速度計(jì)靈敏度為5PC/g，電荷放大器靈敏度為50mV/PC，當(dāng)機(jī)器加速度達(dá)到最大值時(shí)，相應(yīng)輸出電壓幅值為2V，試求該機(jī)器的振動(dòng)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(shí)，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時(shí)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)作用力方向改變時(shí)，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(yīng)。如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng) 7.2答： 1）石英晶體整個(gè)晶體是中性的，受外力作用而變形時(shí)沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。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(qiáng)的剩余極化強(qiáng)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(dá)250℃。 3）（略） 7.3答： 1）由壓電傳感器的等效電路可見(jiàn)，要保證輸出信號(hào)和輸入作用力間的線性關(guān)系，只有在負(fù)載電阻較大，工作頻率較高時(shí)，傳感器電荷才能得以保存補(bǔ)充，需要測(cè)量電路具有無(wú)限大的輸入阻抗。但實(shí)際上這是不可能的，故壓電傳感器只能作動(dòng)態(tài)測(cè)量，不宜作靜態(tài)信號(hào)測(cè)量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，并給測(cè)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(gè)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(guān)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(dāng)兩個(gè)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(dāng)兩個(gè)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(duì)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(yīng)頻率： 7.8解： 可見(jiàn)電纜加長(zhǎng)后電壓靈敏度下降。 7.9（略） 7.10解： 當(dāng)輸出幅值為2V時(shí)，機(jī)器振動(dòng)加速度為： 第8章 光電效應(yīng)及器件 8.1什么是內(nèi)光電效應(yīng)？什么是外光電效應(yīng)？說(shuō)明其工作原理并指出相應(yīng)的典型光電器件。 8.2普通光電器件有哪幾種類(lèi)型？各有何特點(diǎn)？利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件有哪些？用光生伏特效應(yīng)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(shuō)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(shí)有什么不同？請(qǐng)說(shuō)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(kāi)路電壓及短路電流？為什么作為檢測(cè)元件時(shí)要采用短路電流輸出形式，作為電壓源使用時(shí)采用開(kāi)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(zhǎng)為0.8～0.9的紅外光源時(shí)，宜采用哪種材料的光電器件做檢測(cè)元件？為什么？ 8.11反射式光電傳感器常見(jiàn)的有哪些類(lèi)型？有什么特點(diǎn)？使用時(shí)要注意哪些影響？ 8.12舉出日常生活中的兩個(gè)光電式傳感器的使用例子，并說(shuō)明原理。 8.13試擬定一光電開(kāi)關(guān)用于自動(dòng)裝配流水線上工件計(jì)數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)（用示意圖表示出裝置結(jié)構(gòu)），并畫(huà)出計(jì)數(shù)電路原理示意圖， 并說(shuō)明其工作原理。 8.14試敘述智能小車(chē)設(shè)計(jì)中，如何利用反射式光電傳感器實(shí)現(xiàn)“尋跡”功能，并設(shè)計(jì)出光電傳感器檢測(cè)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(dāng)用物體遮擋光路時(shí)，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(yīng)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(diǎn)？分析光柵傳感器具有較高測(cè)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(dāng)用光照射物體時(shí)，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(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 1）當(dāng)光線照在物體上,使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)，典型的光電器件有光敏電阻；光照時(shí)物體中能產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)，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(yīng)，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(wú)光照時(shí)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(shí)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(dòng)勢(shì)和照度之間關(guān)系為開(kāi)路電壓曲線，短路電流是指外接負(fù)載電阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小時(shí)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(guān)系，因此光電池作為檢測(cè)元件使用時(shí)，一般不作電壓源使用，而作為電流源的形式使用。而開(kāi)路電壓和光照度關(guān)系在照度為2000lx以上趨于飽和呈非線性關(guān)系，因此適于作電壓源使用。 8.9答：（略） 8.10答： 1）采用波長(zhǎng)為0.8～0.9的紅外光源時(shí)，宜采硅光電池或硅光敏管，其光譜響應(yīng)峰值在0.8附近，波長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)關(guān)器件，內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成； 2）當(dāng)用物體遮擋光路時(shí)，Vg無(wú)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(hù)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(wú)光電流VT截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光；電路無(wú)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(cè)器和PSD光電位置傳感器有什么異同？各有哪些特點(diǎn)？ 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(gè)部分組成？試描述CCD輸出信號(hào)的特點(diǎn)。 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(cè)量時(shí)應(yīng)該如何由像元數(shù)確定測(cè)量精度。 9.6 CCD信號(hào)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(shuō)明光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，試述光纖的傳光原理。 9.8 當(dāng)光纖的折射率N1=1.46，N2=1.45時(shí)，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(lèi)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(cè)量原理圖，光源的光經(jīng)光纖的一個(gè)分支入射，經(jīng)物體反射后光纖的另一分支將信號(hào)輸出到光探測(cè)器上。光探測(cè)器的輸出信號(hào)和被測(cè)距離有什么樣關(guān)系，試說(shuō)明其調(diào)制原理，畫(huà)出位移相對(duì)輸出光強(qiáng)的特性曲線。 9.12光纖可以通過(guò)哪些光的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行非電量的檢測(cè)，說(shuō)明原理。 9.13埋入式光纖傳感器有哪些用途，舉例說(shuō)明可以解決哪些工程問(wèn)題。 答案 9.1答： 1）象限探測(cè)器它是利用光刻技術(shù)，將一個(gè)整塊的圓形或方形光敏器件敏感面分隔成若干個(gè)面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱的區(qū)域，這就構(gòu)成了象限探測(cè)器。PSD光電位置傳感器是一種對(duì)入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的光電器件。兩種器件工作機(jī)理不同，但其輸出信號(hào)和光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。光電位置傳感器被廣泛使用于激光束對(duì)準(zhǔn)、平面度檢測(cè)、二維坐標(biāo)檢測(cè)以及位移和振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。 2）象限探測(cè)器有幾個(gè)明顯缺點(diǎn)：它需要分割從而產(chǎn)生死區(qū)，尤其當(dāng)光斑很小時(shí)，死區(qū)的影響更明顯。若被測(cè)光斑全部落入某個(gè)象限時(shí)，輸出的電信號(hào)無(wú)法表示光斑位置，因此它的測(cè)量范圍、控制范圍都不大，測(cè)量精度和光強(qiáng)變化及漂移密切相關(guān)，因此它的分辨率和精度受到限制。和象限探測(cè)器相比PSD傳感器有以下特點(diǎn)： （1）它對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格要求，即輸出信號(hào)和光的聚焦無(wú)關(guān)，只和光的能量中心位置有關(guān)，這給測(cè)量帶來(lái)很多方便。 （2）光敏面上無(wú)須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑位置，位置分辨率高，一維PSD可達(dá)0.2μm。 （3）可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)，PSD器件輸出的總光電流和入射光強(qiáng)有關(guān)，而各信號(hào)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(yīng)的入射光強(qiáng)。 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(guò)改變?nèi)鄷r(shí)鐘脈沖的時(shí)序來(lái)控制的，輸出的幅值和對(duì)應(yīng)的光敏元件上電荷量成正比。信號(hào)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(fù)載上形成輸出電流。 9.4答：（略） 9.5答： 兩個(gè)光敏像元的空間尺寸必須小于被測(cè)量的最小尺寸。 可測(cè)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(cè)量范圍）。 9.6答： 普遍采用的CCD視頻信號(hào)二值化處理電路是電壓比較器，比較器的反相端接一個(gè)閾值電平，視頻信號(hào)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(hào)，二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對(duì)待。反映在CCD視頻信號(hào)中所對(duì)應(yīng)的圖像尺寸邊界處會(huì)有明顯的電平急劇變化，通過(guò)二值化處理把CCD視頻信號(hào)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(wú)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(huì)進(jìn)入包層漏光。 2）NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖和光源間耦合會(huì)更容易，但NA越大光信號(hào)畸變?cè)酱?，所以要選擇適當(dāng)。 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(lèi)，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(lèi)傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下使光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。如果外界作用時(shí)光纖傳播的光信號(hào)發(fā)生變化，使光的路程改變，相位改變，將這種信號(hào)接收處理后，可以得到和被測(cè)信號(hào)相關(guān)的變化電信號(hào)。 非功能型又稱傳光型，這時(shí)光纖只作傳播光媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它轉(zhuǎn)換元件實(shí)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(qiáng)度調(diào)制：利用外界物理量改變光纖中的光強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)的變化測(cè)量被測(cè)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(zhǎng)度），同時(shí)由于光彈效應(yīng)光纖折射率也會(huì)由于應(yīng)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(qiáng)的變化。干涉系統(tǒng)的種類(lèi)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(dāng)光敏器件和光源之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yīng)”。頻率調(diào)制方法可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體（流體）的速度、流量等。 9.13答：（略） 第10章 半導(dǎo)體式化學(xué)傳感器 10.1 什么是半導(dǎo)體氣體傳感器？它有哪些基本類(lèi)型？氣體傳感器的發(fā)展動(dòng)態(tài)如何? 10.2 半導(dǎo)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(diǎn)如何？ 10.3 如何提高半導(dǎo)體氣體傳感器的選擇性？根據(jù)文獻(xiàn)舉例說(shuō)明，目前實(shí)用氣體檢測(cè)方法常用哪些氣敏傳感器？它有什么特點(diǎn)？ 10.4 半導(dǎo)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(xiàn)說(shuō)明近年有哪些新性的氣體傳感器。 10.6 什么是絕對(duì)濕度？什么是相對(duì)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(lèi)有哪些？主要參數(shù)有哪些？簡(jiǎn)述氯化鋰濕度傳感器的感濕原理。 10.8 簡(jiǎn)述半導(dǎo)體濕敏陶瓷的感濕機(jī)理。半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器有那些特點(diǎn)？ 10.9 離子選擇電極是如何分類(lèi)的？離子選擇電極分析法有什么特點(diǎn)？試述離子選擇電極的結(jié)構(gòu)和測(cè)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(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類(lèi)；按半導(dǎo)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(xué)和光學(xué)方法，其檢測(cè)速度慢、設(shè)備復(fù)雜、使用不方便；新型金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器由于靈敏度高、體積小、使用方便，已廣泛用于檢測(cè)、分析領(lǐng)域。電阻型氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)，導(dǎo)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(lèi)型，如利用MOS二極管的電容-電壓特性變化，利用MOS場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓的變化，利用肖特基金屬半導(dǎo)體二極管的勢(shì)壘變化進(jìn)行氣體檢測(cè)。 10.3答：（略） 10.4答： 1）因?yàn)樵诔叵?，電?dǎo)率變化不大，達(dá)不到檢測(cè)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(shí)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(gè)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(yīng)，提高靈敏度和響應(yīng)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(duì)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(duì)濕度是指被測(cè)氣體中，實(shí)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(hào)%RH(Relative Humidity)表示，無(wú)量綱。 3）除用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度表示空氣的水汽含量外，露點(diǎn)溫度是一個(gè)和濕度相關(guān)的重要物理量，簡(jiǎn)稱露點(diǎn)。當(dāng)空氣中溫度下降到某一溫度時(shí)，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(diǎn)或露點(diǎn)溫度。 10.7答：（略） 10.8答： 1）半導(dǎo)體濕敏電阻通常用兩種以上的金屬—氧化物—半導(dǎo)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(gè)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(jìn)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(dǎo)瓷濕敏傳感器有正特性和負(fù)特性兩種。負(fù)特性半導(dǎo)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(qiáng)的正電場(chǎng)，當(dāng)水分子在半導(dǎo)體瓷表面吸附時(shí)可能從半導(dǎo)體瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)體表面帶負(fù)電，相當(dāng)表面電勢(shì)變負(fù)，（P型半導(dǎo)體電勢(shì)下降，N型半導(dǎo)體出現(xiàn)反型層）電阻率隨濕度增加而下降。 10.9答： 1）ISFET沒(méi)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(lèi)很多，不同敏感膜檢測(cè)離子種類(lèi)不同，具有離子選擇性，如：Si3N4—氮，SiO2、Al2O3（無(wú)機(jī)膜）可測(cè)H+（氫）、PH。 2）器件在SiO2層和柵極間無(wú)金屬電極，而是待測(cè)溶液，溶液和參比電極同時(shí)接觸充當(dāng)柵極構(gòu)成場(chǎng)效應(yīng)管，工作原理和場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管ISFET。當(dāng)離子敏場(chǎng)效應(yīng)管ISFET插入溶液時(shí)，被測(cè)溶液和敏感膜接觸處就會(huì)產(chǎn)生一定的界面電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)大小取決于溶液中被測(cè)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(guò)兩種介質(zhì)界面時(shí)，將會(huì)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(yīng)，檢測(cè)原理是什么？常用的超聲波傳感器（探頭）有哪幾種形式？簡(jiǎn)述超聲波測(cè)距原理。 11.4 利用超聲波測(cè)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(cè)得的時(shí)間間隔t為22，試求工件厚度 11.5 利用EN555集成器件，自行設(shè)計(jì)一超聲波傳感器控制的遙控開(kāi)關(guān)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(qǐng)說(shuō)明電路工作原理。 11.6 紅外輻射探測(cè)器分為哪兩種類(lèi)型?這兩種探測(cè)器有哪些不同？試比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。 11.7 敘述熱釋電效應(yīng)，熱釋電元件如何將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出？熱釋電探測(cè)器為什么只能探測(cè)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(qǐng)說(shuō)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(shè)計(jì)一個(gè)紅外控制的電扇開(kāi)關(guān)自動(dòng)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(qiáng)度和什么有關(guān)系？ 11.11試用核輻射測(cè)量方法設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)厚儀器系統(tǒng)，請(qǐng)畫(huà)出測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖，試說(shuō)明射線測(cè)量物厚的原理。 11.12 放射性探測(cè)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(wú)法聽(tīng)到的聲波。人耳聽(tīng)見(jiàn)的聲波稱機(jī)械波，頻率在16Hz～20kHz，一般說(shuō)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(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在界面上會(huì)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(yīng)，其中超聲波發(fā)射器利用逆壓電效應(yīng)制成發(fā)射元件，將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波；超聲波接收器利用正壓電效應(yīng)制成接收元件，將超聲波機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 2)按工作形式簡(jiǎn)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(shí)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(dú)立。按結(jié)構(gòu)形式有密封性和開(kāi)放型，超聲波傳感器上一般標(biāo)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(guò)測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t和超聲波在介質(zhì)中傳播速度，便可以求得待測(cè)的厚度或物位。 2）解： 11.5（略) 11.6答： 1）紅外探測(cè)器主要有兩大類(lèi)型：熱探測(cè)器（熱電型），包括熱釋電、熱敏電阻、熱電偶；光子探測(cè)器（量子型），利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下產(chǎn)生光電子效應(yīng)，使材料的電學(xué)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(cè)器是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的熱電或光電器件，當(dāng)器件吸收輻射能時(shí)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(cè)其中一種性能的變化，既可探知輻射的存在和強(qiáng)弱。光量子型紅外探測(cè)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(cè)器和熱釋電傳感器區(qū)別是，光量子型光電探測(cè)器探測(cè)的波長(zhǎng)較窄，而熱探測(cè)器幾乎可以探測(cè)整個(gè)紅外波長(zhǎng)范圍。 11.7答： 1）熱釋電效應(yīng)首先利用器件溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這一過(guò)程包括了光→熱→電的兩次信息變換過(guò)程，而對(duì)波長(zhǎng)頻率沒(méi)有選擇。光→熱→電轉(zhuǎn)換過(guò)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(yīng)將熱轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面時(shí)，薄片溫度升高使極化強(qiáng)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(shí)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(shí)間的頻率。 11.8電路分析： 1）FET為場(chǎng)效應(yīng)管 2）輸入電阻Rg安裝在管殼中，和FET場(chǎng)效應(yīng)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(shí)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(qiáng)弱稱為放射性強(qiáng)度，一般用單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的次數(shù)來(lái)表示，也稱核輻射強(qiáng)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(yīng)？熱電偶測(cè)溫回路的熱電動(dòng)勢(shì)由哪兩部分組成？由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢(shì)嗎？ 12.2 為什么熱電偶的參比端在實(shí)際使用中很重要？對(duì)參比端溫度處理有哪些方法？ 12.3 解釋下列有關(guān)熱電偶的名詞： 熱電效應(yīng)、熱電勢(shì)、接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)、熱電極、測(cè)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(diǎn)。 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(chǎng)，若指示表（冷端）處溫度為50℃，試求熱電勢(shì)的大??？ 12.6 某熱電偶的熱電勢(shì)在E(600,0)時(shí)，輸出E=5.257 mV，若冷端溫度為0℃時(shí)，測(cè)某爐溫輸出熱電勢(shì)E=5.267 mV。試求該加熱爐實(shí)際溫度是多少？ 12.7 已知鉑熱電阻溫度計(jì)0℃時(shí)電阻為, 100℃時(shí)電阻為139Ω，當(dāng)它和某熱介質(zhì)接觸時(shí)，電阻值增至281Ω，試確定該介質(zhì)溫度。 12.8 用分度號(hào)為K型鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)溫度，在未采用冷端溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，儀表顯示500℃，此時(shí)冷端為60℃。試問(wèn)實(shí)際測(cè)量溫度為多少度？若熱端溫度不變，設(shè)法使冷端溫度保持在20℃，此時(shí)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(lái)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(cè)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(shè)計(jì)一可測(cè)量溫度范圍0～100℃的數(shù)字溫度計(jì)，畫(huà)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(hào)有什么不同？如何用DS18B20實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫的？ 答案 12.1答： 1）兩種不同類(lèi)型的金屬導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)有溫差時(shí)，導(dǎo)體回路里有電流流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 2）熱電偶測(cè)溫回路中熱電勢(shì)主要是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成。 3）熱電偶兩個(gè)電極材料相同時(shí)，無(wú)論兩端點(diǎn)溫度如何變化無(wú)熱電勢(shì)產(chǎn)生。 12.2答： 1）實(shí)際測(cè)量時(shí)利用這一性質(zhì)，可對(duì)參考端溫度不為零度時(shí)的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。 2）因?yàn)闊犭娕嫉姆侄缺砭且詤⒖级薚 =0℃為標(biāo)準(zhǔn)的，而實(shí)際使用的熱電偶參考端往往T≠0℃，一般高于零度的某個(gè)數(shù)值，此時(shí)可利用中間溫度定律對(duì)檢測(cè)的熱電勢(shì)值進(jìn)行修正，以獲得被測(cè)的真實(shí)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(diǎn)如下： 熱電偶可以測(cè)量上千度高溫，并且精度高、性能好，這是其它溫度傳感器無(wú)法替代。 熱電阻結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)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(cè)量-200～+850℃溫度范圍，少數(shù)可以測(cè)量1000℃。 熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，外形大小和電阻的功率有關(guān)，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(chǎng)，若指示表（冷端）處溫度為50℃，則 中間溫度為：1200℃-50℃=1150℃； 熱電勢(shì)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