第一章 檢測技術(shù)的基本知識思考題答案l.檢測系統(tǒng)由哪幾部分組成? 說明各部分的作用。答：一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。當然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。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，以滿足顯示記錄裝置的要求。根據(jù)需要測量電路還能進行阻抗匹配、微分、積分、線性化補償?shù)刃盘柼幚砉ぷ鳌ｏ@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.傳感器的型號有幾部分組成，各部分有何意義?依次為主稱（傳感器） 被測量轉(zhuǎn)換原理序號主稱傳感器，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記。見附錄表3；序號用一個阿拉伯數(shù)字標記，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。若產(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： C WY-YB-20；光纖壓力傳感器：C Y-GQ-2。3.測量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負載變化的情況時，應(yīng)當采用何種測量方法? 如何進行?答：測定穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負載電阻變化的情況時，最好采用微差式測量。此時輸出電壓認可表示為U0，U0=U+U，其中U是負載電阻變化所引起的輸出電壓變化量，相對U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U0的要求，因此對U，這個小量造成的U0的變化就很難測準。測量原理如下圖所示：圖中使用了高靈敏度電壓表毫伏表和電位差計，Rr和E分別表示穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻和電動勢，凡表示穩(wěn)壓電源的負載，E1、R1和Rw表示電位差計的參數(shù)。在測量前調(diào)整R1使電位差計工作電流I1為標準值。然后，使穩(wěn)壓電源負載電阻R1為額定值。調(diào)整RP的活動觸點，使毫伏表指示為零，這相當于事先用零位式測量出額定輸出電壓U。正式測量開始后，只需增加或減小負載電阻RL的值，負載變動所引起的穩(wěn)壓電源輸出電壓U0的微小波動值U，即可由毫伏表指示出來。根據(jù)U0=U+U，穩(wěn)壓電源輸出電壓在各種負載下的值都可以準確地測量出來。微差式測量法的優(yōu)點是反應(yīng)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載的變化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： 鉑電阻溫度傳感器： 0.45/ 電橋： 0.02V/ 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 cm/（2）記錄儀筆尖位移4cm時，所對應(yīng)的溫度變化值為6.有三臺測溫儀表，量程均為0800，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，要求相對誤差不超過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?正確度和精密度的含義是什么? 它們各反映何種誤差?答：系統(tǒng)誤差是指在相同的條件下，多次重復(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。隨機誤差則是指在相同條件下，多次測量同一量時，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，精密度是指測量結(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，但絕對值相等的正、負誤差出現(xiàn)的機會相等。也就是說f()- 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 在相同條件下，當測量次數(shù)n時，全體隨機誤差的代數(shù)和等于零，即。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)的機會多，即前者比后者的概率密度大，在=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： R1167.95 R2167.45 R3167.60 R4167.60 R5167.87 R6167.88 R7168.00 R8167.850 R9167.82 R10167.61(1)求10次測量的算術(shù)平均值，測量的標準誤差和算術(shù)平均值的標準誤差s。(2)若置信概率取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，測量的標準誤差和算術(shù)平均值的標準誤差s。(2)若置信概率取99.7，被測電阻的真值為：極限值為：10.試分析電壓輸出型直流電橋的輸入與輸出關(guān)系。答：如圖所示，電橋各臂的電阻分別為R1、 R2、R3、R4。U為電橋的直流電源電壓。當四臂電阻R1=R2=R3=R4=R時，稱為等臂電橋；當R1=R2=R,R3=R4=R(RR)時，稱為輸出對稱電橋；當R1=R4=R，R2=R3 =R(RR)時，稱為電源對稱電橋。直流電橋電路 當電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認為電橋的負載電阻為無窮大，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 (1)設(shè)電橋為單臂工作狀態(tài)，即R1為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻。當R1感受被測量產(chǎn)生電阻增量R1時，由初始平衡條件R1R3=R2R4得，代入式（1），則電橋由于R1產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為 (2)對于輸出對稱電橋，此時R1=R2=R,R3=R4=R，當R1臂的電阻產(chǎn)生變化R1=R，根據(jù)（2）可得到輸出電壓為 (3)對于電源對稱電橋，R1=R4=R,R2=R3=R。當R1臂產(chǎn)生電阻增量R1=R時，由式（2）得 (4)對于等臂電橋R1=R2=R3=R4=R，當R1的電阻增量R1=R時，由式（2）可得輸出電壓為 (5)由上面三種結(jié)果可以看出，當橋臂應(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R<<R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)生相同變化的情況下，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，R1=R+R,R2=R-R,R3=R+R,R4=R-R，將上述條件代入式(1)得 (6)由式(6)看出，由于充分利用了雙差動作用，它的輸出電壓為單臂工作時的4倍，所以大大提高了測量的靈敏度。第二章 電阻式傳感器思考題答案1.金屬電阻應(yīng)變片與半導體材料的電阻應(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。為了克服環(huán)境溫度的影響常采用下圖所示的三導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阻值被分配在兩個相鄰的橋臂中，如果，則由于環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被相互抵消。熱電阻的測量電路4.采用阻值為120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定負載電阻無窮大。當應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1 000時，試求單臂、雙臂和全橋工作時的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。解：單臂時，所以應(yīng)變?yōu)?時/V，應(yīng)變?yōu)?000時應(yīng)為/V；雙臂時，所以應(yīng)變?yōu)?時/V，應(yīng)變?yōu)?000時應(yīng)為/V；全橋時，所以應(yīng)變?yōu)?時/V，應(yīng)變?yōu)?000時應(yīng)為/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R=120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為10V。當應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時，若要使輸出電壓大于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：mV得n要小于2，故應(yīng)采用全橋工作方式。6.如圖所示為一直流電橋，供電電源電動勢E=3V，R3=R4=100，R1和R2為同型號的電阻應(yīng)變片，其電阻均為50，靈敏度系數(shù)K=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U0。題6圖解：此電橋為輸出對稱電橋，故/mV第三章 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：如圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。當動極板移動x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為C=b（a-x）/d=C0-bx/d （1）電容因位移而產(chǎn)生的變化量為其靈敏度為 可見增加b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特性是非線性的?采取什么措施可改善其非線性特征?答：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d發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量C。設(shè)極板面積為A，其靜態(tài)電容量為，當活動極板移動x后，其電容量為 (1)當x<<d時 則 (2)由式（1）可以看出電容量C與x不是線性關(guān)系，只有當 x<<d時，才可認為是最近似線形關(guān)系。同時還可以看出，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d過小時。但當d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，可采用差動式結(jié)構(gòu)。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，結(jié)構(gòu)組成如圖所示。電容傳感器起始時b1=b2=b=200mm，a1=a2=20mm極距d=2mm，極間介質(zhì)為空氣，測量電路u1=3sintV，且u=u0。試求當動極板上輸入一位移量x=5mm時,電橋輸出電壓u0。題3圖解：根據(jù)測量電路可得/mV4.變間隙電容傳感器的測量電路為運算放大器電路，如圖所示。C0=200pF，傳感器的起始電容量Cx0=20pF,定動極板距離d0=1.5mm,運算放大器為理想放大器(即K,Zi),Rf極大,輸入電壓u1=5sintV。求當電容傳感動極板上輸入一位移量x=0.15mm使d0減小時,電路輸出電壓u0為多少? 解：由測量電路可得 /V5.如圖3-22所示正方形平板電容器,極板長度a=4cm,極板間距離=0.2mm.若用此變面積型傳感器測量位移x,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,。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。 /pF (x的單位為米) /pF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、磁性材料的殘余應(yīng)力、測量電路零點殘余電動勢等。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體的電導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵電流頻率以及線圈到被測導體間的距離等因素影響。電渦流式傳感結(jié)構(gòu)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：如圖所示，設(shè)差動電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當銜鐵處于中間位置時，Z1=Z2=Z，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。當銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+Z，則下部線圈阻抗減少，Z2=Z-Z。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，二極管V1、V4導通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C點電位由于Z1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Z2的降低而比平衡時D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半周，A點電位為負，B點電位為正，二極管V2、V3導通，V1、V4截止，則在A-F-C-B支中中，C點電位由于Z2減少而比平衡時降低（平衡時，輸入電壓若為負半周，即B點電位為正，A點電位為負，C點相對于B點為負電位，Z2減少時，C點電位更負）；而在A-E-D-B支路中，D點電位由于Z1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：當銜鐵下移時，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負。4.如圖所示的差動電感式傳感器的橋式測量電路，L1、L2為傳感器的兩差動電感線圈的電感，其初始值均為L0。R1、R2為標準電阻，u為電源電壓。試寫出輸出電壓u0與傳感器電感變化量L間的關(guān)系。解：輸出與輸入的關(guān)系是若電感增量無窮小，且兩個電阻均為R，則： 題4圖 題5圖5.如圖所示為一差動整流電路，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。第五章 壓電傳感器習題答案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，得到足夠強的輸出信號。 3一壓電式傳感器的靈敏度K110pCMPa，連接靈敏度K2=0.008VpC的電荷放大器，所用的筆式記錄儀的靈敏度K3=25mmV，當壓力變化p=8MPa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 S=100.008258=16/mm4某加速度計的校準振動臺，它能作50Hz和1g的振動，今有壓電式加速度計出廠時標出靈敏度K100mVg，由于測試要求需加長導線，因此要重新標定加速度計靈敏度，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，標定時晶體管毫伏表上指示為9.13V，試畫出標定系統(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 mV/g標定系統(tǒng)框圖如下：第七章 熱電偶傳感器習題答案1什么是金屬導體的熱電效應(yīng)?試說明熱電偶的測溫原理。答：熱電效應(yīng)就是兩種不同的導體或半導體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)進行的，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試分析金屬導體產(chǎn)生接觸電動勢和溫差電動勢的原因。答：當A和B兩種不同材料的導體接觸時，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)導體A的自由電子密度大于導體B的自由電子密度，則導體A擴散到導體B的電子數(shù)要比導體B擴散到導體A的電子數(shù)大。所以導體A失去電子帶正電荷，導體B得到電子帶負電荷，于是，在A、B兩導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行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴散作用的繼續(xù)進行。當擴散作用與阻礙擴散作用相等時，即自導體A擴散到導體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導體B到導體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兩導體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電動勢。對于導體A或B，將其兩端分別置于不同的溫度場t、t0中(t> t0)。在導體內(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，冷端得到電子帶負電荷。這樣，導體兩端便產(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，最后也達到了動態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導體兩端便產(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：一是勻質(zhì)導體定律：如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢為零。根據(jù)這個定律，可以檢驗兩個熱電極材料成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。二是中間導體定律：在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體的兩接點溫度相同，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表面進行溫度測量。三是標準電極定律：如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。只要測得各種金屬與純鉑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、t0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為t、tn和tn、t0時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。中間溫度定律為補償導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ā＿@種方法將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：；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。回路中串接了一個補償電橋。R1R5及RCM均為橋臂電阻。RCM是用漆包銅絲繞制成的，它和熱電偶的冷端感受同一溫度。R1R5均用錳銅絲繞成，阻值穩(wěn)定。在橋路設(shè)計時，使R1=R2，并且R1、R2的阻值要比橋路中其他電阻大得多。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，從而認為其具有恒流特性。線路設(shè)計使得I1=I2=I/2=0.5mA?；芈份敵鲭妷篣為熱電偶的熱電動勢e、橋臂電阻RCM的壓降URCM及另一橋臂電阻R5的壓降UR5三者的代數(shù)和：當熱電偶的熱端溫度一定，冷端溫度升高時，熱電動勢將會減小。與此同時，銅電阻RCM的阻值將增大，從而使URCM增大，由此達到了補償?shù)哪康摹Ｗ詣友a償?shù)臈l件應(yīng)為 5用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測量溫度，已知冷端溫度為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：由鎳鉻-鎳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6已知鉑銠10-鉑(S)熱電偶的冷端溫度t025，現(xiàn)測得熱電動勢E(t，t0)11.712mV，求熱端溫度是多少度?解：由鉑銠10-鉑熱電偶分度表查出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7已知鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶的熱端溫度t800，冷端溫度t025，求E(t，to)是多少毫伏?解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表可查得E(800，0)=33.275mV，E(25，0)=1.024 mV，故可得 E(800，5)=33.275-1.024=32.251mV8現(xiàn)用一支鎳鉻-康銅(E)熱電偶測溫。其冷端溫度為30，動圈顯示儀表(機械零位在0)指示值為400，則認為熱端實際溫度為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?答：毫伏表的示值應(yīng)為(t1-t2-60)。10用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測量某爐溫的測量系統(tǒng)如圖5.15所示，已知：冷端溫度固定在0，t030，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線，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)剑€抵消了30，故應(yīng)該加上60。圖5.14 圖5.15第八章 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?；谕夤怆娦?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常用的半導體光電元件有哪些?它們的電路符號如何?答：常用的半導體光電元件有光敏二極管、光敏三極管和光電池三種。它們的電路符號如下圖所示：3對每種半導體光電元件，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光電傳感器由哪些部分組成?被測量可以影響光電傳感器的哪些部分?答：光電傳感器通常由光源、光學通路和光電元件三部分組成，如圖所示。圖中1是光源發(fā)出的光信號，2是光電器件接受的光信號，被測量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學通路的變化，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四種。一是光源本身是被測物，它發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸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，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上，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，由被測物表面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表面的性質(zhì)和狀態(tài)，因此可用于測量工件表面粗糙度、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，光電元件的輸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。第九章 霍爾傳感器習題答案1. 什么是霍爾效應(yīng)？答：在置于磁場的導體或半導體中通入電流，若電流與磁場垂直，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. 為什么導體材料和絕緣體材料均不宜做成霍爾元件？答：因為導體材料的雖然很大，但很小，故不宜做成元件，而絕緣材料的雖然很大，但很小，故也不宜做成元件。3. 為什么霍爾元件一般采用N型半導體材料？答：因為在N型半導體材料中，電子的遷移率比空穴的大，且n>p，所以霍爾元件一般采用N型半導體材料。4. 霍爾靈敏度與霍爾元件厚度之間有什么關(guān)系？答：霍爾靈敏度與霍爾元件厚度成反比，。5. 什么是霍爾元件的溫度特性？如何進行補償？答：霍爾元件的溫度特性是指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的關(guān)系。與一般半導體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內(nèi)阻、輸出電壓等參數(shù)也將隨溫度而變化?；魻栐囟妊a償?shù)姆椒ㄖ饕欣幂斎牖芈返拇?lián)電阻進行補償和利用輸出回路的負載進行補償兩種。1）利用輸入回路的串聯(lián)電阻進行補償。下圖是輸入補償?shù)幕揪€路，圖中的四端元件是霍爾元件的符號。兩個輸入端串聯(lián)補償電阻R并接恒電源，輸出端開路。根據(jù)溫度特性，元件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為RHt=RH0(1+t) Rit=Ri0(1+t)式中，RHt為溫度為時霍爾系數(shù)；RH0為0時的霍爾系數(shù)；Rit為溫度為時的輸入電阻；Ri0為0時的輸入電阻；為霍爾電壓的溫度系數(shù), 為輸入電阻的溫度系數(shù)。當溫度變化t時，其增量為: RH=RH0t Ri=Ri0t根據(jù)及I=E/(R+Ri)，可得出霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為對上式求溫度的導數(shù)，可得增量表達式 (1)要使溫度變化時霍爾電壓不變，必須使 即 (2)式(1)中的第一項表示因溫度升高霍爾系數(shù)引起霍爾電壓的增量，第二項表示輸入電阻因溫度升高引起霍爾電壓減小的量。很明顯，只有當?shù)谝豁棔r，才能用串聯(lián)電阻的方法減小第二項，實現(xiàn)自補償。將元件的、值代入式(2)，根據(jù)Ri0的值就可確定串聯(lián)電阻R的值。 (2) 利用輸出回路的負載進行補償。上圖為補償原理電路圖，霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電流穩(wěn)定不變。這樣，可以不考慮輸入回路的溫度影響。輸出回路的輸出電阻及霍爾電壓與溫度之間的關(guān)系為UHt=UH0(1+t) Rvt=Rv0(1+t)式中，UHt為溫度為t時的霍爾電壓；UH0為0時的霍爾電壓；Rvt為溫度為t時的輸出電阻；Rv0為時的輸出電阻。負載RL上的電壓UL為 UL=UH0(1+t) RL/Rv0(1+t)+RL (3)為使UL不隨溫度變化，可對式(3)求導數(shù)并使其等于零，可得 RL/Rv0/.1/ (4)最后，將實際使用的霍爾元件的、值代入，便可得出溫度補償時的RL值。當RL= Rv0時，補償最好。6. 集成霍爾傳感器有什么特點？答：集成霍爾傳感器的特點主要是取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點。7. 寫出你認為可以用霍爾傳感器來檢測的物理量。答：可以用霍爾傳感器來檢測的物理量有力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、轉(zhuǎn)速、磁場量等等。8. 設(shè)計一個采用霍爾傳感器的液位控制系統(tǒng)。答：液位控制系統(tǒng)原理如圖所示，霍爾元件固定不動，磁鐵與探測桿固定在一起，連接到裝液體的容器旁邊，通過管道與內(nèi)部連接。當液位達到控制位置時霍爾元件輸出控制信號，通過處理電路和電磁閥來控制液壓閥門的開啟和關(guān)閉，如液位低于控制位置時開啟閥門，超過控制位置時則關(guān)閉閥門。第十一章 新型傳感器習題答案1超聲波發(fā)生器種類及其工作原理是什么?它們各自特點是什么?答：超聲波發(fā)生器有壓電式超聲波發(fā)生器和磁致伸縮超聲波發(fā)生器兩種。壓電式超聲波發(fā)生器就是利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成的。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等。在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動，而產(chǎn)生超聲波，如下圖所示，它可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的高頻超聲波，產(chǎn)生的聲強可達幾十Wcm2。磁致伸縮超聲波發(fā)生器把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機械尺寸的交替變化，即機械振動，從而產(chǎn)生超聲波。磁致伸縮超聲波發(fā)生器是用厚度為0.10.4mm的鎳片疊加而成的，片間絕緣以減少渦流電流損失。其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等，如下圖所示，它只能用在幾萬Hz的頻率范圍以內(nèi)，但功率可達十萬W，聲強可達幾千Wcm2，能耐較高的溫度。磁致伸縮超聲波發(fā)生器2超聲波有哪些傳播特性?答：超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的。振蕩源在介質(zhì)中可產(chǎn)生兩種形式的振蕩，即橫向振蕩和縱向振蕩。橫向振蕩只能在固體中產(chǎn)生，而縱向振蕩可在固體、液體和氣體中產(chǎn)生。超聲波的一種傳播特性是在通過兩種不同的介質(zhì)時，產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象， 超聲波的另一種傳播特性是在通過同種介質(zhì)時，隨著傳播距離的增加，其強度因介質(zhì)吸收能量而減弱。3應(yīng)用超聲波傳感器探測工件時，在探頭與工件接觸處要有一層耦合劑，請問這是為什么?答：主要是為了使超聲波更好地穿透到工件內(nèi)，減少反射量，達到更好的測量效果。4根據(jù)你已學過的知識設(shè)計一個超聲波探傷實用裝置(畫出原理框圖)，并簡要說明它探傷的工作過程?答：可采用穿透法探傷，原理框圖如下圖。穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個探頭，置于工件相對面，一個發(fā)射超聲波，一個接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。在探測中，當工件內(nèi)無缺陷時，接收能量大，儀表指示值大；當工件內(nèi)有缺陷時，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個變化，就可以把工件內(nèi)部缺陷檢測出來。5紅外線溫度傳感器有哪些主要類型？它與別的溫度傳感器有什么顯著區(qū)別？答：能把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器，主要有熱敏型和光電型兩大類。 熱敏型是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，其核心是熱敏元件。由于熱敏元件的響應(yīng)時間長，一般在毫秒數(shù)量級以上。另外，在加熱過程中，不管什么波長的紅外線，只要功率相同，其加熱效果也是相同的，假如熱敏元件對各種波長的紅外線都能全部吸收的話，那么熱敏探測器對各種波長基本上都具有相同的響應(yīng)，所以稱其為“無選擇性紅外傳感器”。這類傳感器主要有熱釋電紅外傳感器和紅外線溫度傳感器兩大類。 光電型是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，其核心是光電元件。因此它的響應(yīng)時間一般比熱敏型短得多，最短的可達到毫微秒數(shù)量級。此外，要使物體內(nèi)部的電子改變運動狀態(tài)，入射輻射的光子能量必須足夠大，它的頻率必須大于某一值，也就是必須高于截止頻率。由于這類傳感器以光子為單元起作用，只要光子的能量足夠，相同數(shù)目的光子基本上具有相同的效果，因此常常稱其為“光子探測器”。這類傳感器主要有紅外二極管、三極管等。6紅外線光電開關(guān)有哪些優(yōu)越的開關(guān)特性？答：紅外線光電開關(guān)具有表面反射率低、環(huán)境特性優(yōu)越、回差距離遠、響應(yīng)頻率高、輸出狀態(tài)靈活、檢測方式多樣、輸出形式多等許多優(yōu)越的開關(guān)特性。7激光器主要用于哪些非電量的檢測？有何特點？主要的激光測速儀有哪些？答：激光器可以實現(xiàn)無觸點遠距離的測量，可以測量速度、位置、長度等物理量的測量，具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的特點，而且速度高、精度高，測量范圍廣，抗光、電干擾能力強，因此應(yīng)用十分廣泛。主要的激光測速儀有加拿大的LRM1500SPD型、德國的ASTECH-vlm200白光測速儀及西安儀器儀表的MWK11-HH型等等。 第十二章 信號處理及抗干擾技術(shù)習題答案1. 對傳感器輸出的微弱電壓信號進行放大時，為什么要采用測量放大器？答：因為測量放大器不但具有很高的放大倍數(shù)，而且具有十分穩(wěn)定的輸出特性，符合傳感器微弱信號放大的要求。2. 在模擬量自動檢測系統(tǒng)中常用的線性化處理方法有哪些？答：線性化方法主要有在模擬量自動檢測系統(tǒng)中可采用三種方法：縮小測量范圍，取近似值。采用非均勻的指示刻度。增加非線性校正環(huán)節(jié)。3. 說明檢測系統(tǒng)中非線性校正環(huán)節(jié)(線性化器)的作用。答：檢測系統(tǒng)中非線性校正環(huán)節(jié)(線性化器)的作用是是利用它本身的非線性補償傳感器的非線性，從而使整臺儀表的輸出u0和輸入x之間具有線性關(guān)系。4. 如何得到非線性校正環(huán)節(jié)的曲線？答：一般主要是利用非線性元件或利用某種元件的非線性區(qū)域，例如將二極管或三極管置于運算放大器的反饋回路中構(gòu)成的對數(shù)運算放大器就能對輸入信號進行對數(shù)運算，構(gòu)成非線性函數(shù)運算放大器，它可以用于射線測厚儀的非線性校正電路中。目前最常用的是利用二極管組成非線性電阻網(wǎng)絡(luò)，配合運算放大器產(chǎn)生折線形式的輸入-輸出特性曲線。由于折線可以分段逼近任意曲線，從而就可以得非線性校正環(huán)節(jié)（線性化器）所需要的特性曲線。5檢測裝置中常見的干擾有幾種?采取何種措施予以防止?答：檢測裝置中常見的干擾有外部噪聲和內(nèi)部噪聲兩大類。外部噪聲有自然界噪聲源(如電離層的電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲)和人為噪聲源(如電氣設(shè)備、電臺干擾等)；內(nèi)部噪聲又名固有噪聲，它是由檢測裝置的各種元件內(nèi)部產(chǎn)生的，如熱噪聲、散粒噪聲等。采用的抑制技術(shù)主要有屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、浮置技術(shù)、平衡電路、濾波技術(shù)和光電隔離技術(shù)等。6屏蔽有幾種型式?各起什么作用?答：屏蔽主要有靜電屏蔽、電磁屏蔽、低頻磁屏蔽和驅(qū)動屏蔽四種。靜電屏蔽能防止靜電場的影響，電磁屏蔽能削弱高頻電磁場的影響，低頻磁屏蔽主要是為了抗低頻磁場的干擾，驅(qū)動屏蔽能有效地抑制通過寄生電容的耦合干擾。 7接地有幾種型式?各起什么作用?答：接地有信號地、電源地和保護地三種。信號地主要將信號的零電位接地，電源地是電源的零電位，保護地則是系統(tǒng)的零電平。 8脈沖電路中的噪聲抑制有哪幾種方法?請扼要表達它的抑制原理?答：脈沖電路中的噪聲抑制有積分電路、脈沖干擾隔離門和相關(guān)量法三種。積分電路的抑制原理是由于脈沖寬度大的信號輸出大，而脈沖寬度小的噪聲脈沖輸出也小，所以能將噪聲干擾濾除掉；脈沖干擾隔離門的抑制原理是用硅二極管的正向壓降對幅度較小的干擾脈沖加以阻擋，而讓幅度較大的脈沖信號順利通過；相關(guān)量法的抑制原理是找出脈沖信號相關(guān)量(同步脈沖)，以此量與脈沖信號同時作用到與門上，當兩輸入皆有信號時，才能使與門打開送出脈沖信號，這樣就抑制了脈沖中的干擾。