傳感器原理與傳感器技術(shù)賈石峰課后答案

1、第1章 傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ)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(dāng)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(xué)量的裝置，顯然，傳感器是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，檢測系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能確定的，因?yàn)闄z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

2、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(jìn)行阻抗匹配、微分、積分、線性化補(bǔ)償?shù)刃盘柼幚砉ぷ?。顯示記錄裝置是檢測人員和檢測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，主要作用是使人們了解被測量的大小或變化的過程。2什么是傳感器？它由哪幾個部分組成？分別起到什么作用？解：傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置，能完成檢測任務(wù)；傳感器由敏感元件，轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換電路組成。敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的物理量；轉(zhuǎn)換元件把敏感元件的輸出作為它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量；上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)

3、換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。3傳感器技術(shù)的發(fā)展動向表現(xiàn)在哪幾個方面？解：（1）開發(fā)新的敏感、傳感材料：在發(fā)現(xiàn)力、熱、光、磁、氣體等物理量都會使半導(dǎo)體硅材料的性能改變，從而制成力敏、熱敏、光敏、磁敏和氣敏等敏感元件后，尋找發(fā)現(xiàn)具有新原理、新效應(yīng)的敏感元件和傳感元件。（2）開發(fā)研制新型傳感器及組成新型測試系統(tǒng) MEMS技術(shù)要求研制微型傳感器。如用于微型偵察機(jī)的CCD傳感器、用于管道爬壁機(jī)器人的力敏、視覺傳感器。 研制仿生傳感器 研制海洋探測用傳感器 研制成分分析用傳感器 研制微弱信號檢測傳感器（3）研究新一代的智能化傳感器及測試系統(tǒng)：如電子血壓計，智能水、電、煤氣、熱量表。它們的特點(diǎn)是傳感器與微型

4、計算機(jī)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成智能傳感器。系統(tǒng)功能最大程度地用軟件實(shí)現(xiàn)。（4）傳感器發(fā)展集成化：固體功能材料的進(jìn)一步開發(fā)和集成技術(shù)的不斷發(fā)展，為傳感器集成化開辟了廣闊的前景。（5）多功能與多參數(shù)傳感器的研究：如同時檢測壓力、溫度和液位的傳感器已逐步走向市場。4傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的什么關(guān)系？靜態(tài)參數(shù)有哪些？解：在生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，要對各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測和控制，就要求傳感器能感受被測非電量的變化并將其不失真地變換成相應(yīng)的電量，這取決于傳感器的基本特性，即輸出輸入特性。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、 靈敏度，遲滯和重復(fù)性等。5某位移傳感器，在輸入量變化5 mm時，輸出電壓變化為300 mV

5、，求其靈敏度。解：其靈敏度6.某線性位移測量儀，當(dāng)被測位移由4.5mm變到5.0mm時，位移測量儀的輸出電壓由3.5V減至2.5V，求該儀器的靈敏度。解：該儀器的靈敏度為mV/mm7.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8.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，

6、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。9.什么是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)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(jī)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

7、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(jī)誤差的大小。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(dāng)四臂電阻R1=R2=R3=R4=R時，稱為等臂電橋；當(dāng)R1=R2=R,R3=R4=R(RR)時，稱為輸出對稱電橋；當(dāng)R1=R4=R，R2=R3 =R(RR)時，稱為電源對稱電橋。直流電橋電路 當(dāng)電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無窮大，這時電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達(dá)式為 (1)設(shè)電橋?yàn)閱伪酃?/p>

8、作狀態(tài)，即R1為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時，電橋的輸出電壓也隨著變化。當(dāng)R<<

9、;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(shí)際使用中為了進(jìn)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。11. 用測量范圍為-50150KPa的壓力傳感器測量140KPa壓力時，傳感器測得示值為142KPa，求該

10、示值的絕對誤差、實(shí)際相對誤差、標(biāo)稱相對誤差和引用誤差。解：絕對誤差：=142-140=2相對誤差=標(biāo)稱相對誤差即=引用誤差=第2章 電阻式傳感器思考題答案1.金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)有什么不同?答：金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)則主要取決于材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化產(chǎn)生的。2.直流測量電橋和交流測量電橋有什么區(qū)別?答：它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，交流電橋用交流電源，適用于所有電路元件。3.熱電阻測量時采用何種測量電路?為什么要采用這種測量電路?說明這種電路的工作原理。答：通常采用電橋電路作為測量電路。為了

11、克服環(huán)境溫度的影響常采用下圖所示的三導(dǎo)線四分之一電橋電路。由于采用這種電路，熱電阻的兩根引線的電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(fù)載電阻無窮大。當(dāng)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

12、/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(dāng)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(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)?

13、 000，試求此時電橋輸出端電壓U0。題6圖解：此電橋?yàn)檩敵鰧ΨQ電橋，故/mV7.光敏電阻有哪些重要特性，在工業(yè)應(yīng)用中是如何發(fā)揮這些特性的？答：光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它的重要特性是在無光照時阻值非常大，相當(dāng)于斷路，有光照時阻值變得很小，相當(dāng)于通路。在工業(yè)應(yīng)用中主要就是通過光的變化來各種電路的控制。8. 應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因及減小或補(bǔ)償溫度誤差的方法是什么？解：電阻應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因：當(dāng)測量現(xiàn)場環(huán)境溫度變化時，由于敏感柵溫度系數(shù)及柵絲與試件膨脹系數(shù)之差異性而給測量帶來了附加誤差。電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法：通常有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。1）電

14、橋補(bǔ)償是最常用的且效果較好的線路補(bǔ)償法。電橋補(bǔ)償法簡單易行，而且能在較大的溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償，但上面的四個條件不一滿足，尤其是兩個應(yīng)變片很難處于同一溫度場。 2）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片。9. 如系題圖1-1所示為等強(qiáng)度梁測力系統(tǒng)，為電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏度系數(shù)，未受應(yīng)變時，當(dāng)試件受力時，應(yīng)變片承受平均應(yīng)變，求 （1）應(yīng)變片電阻變化量和電阻相對變化量。（2）將電阻應(yīng)變片置于單臂測量電橋，電橋電源電壓為直流3，求電橋 輸出電壓是多少。 （a） （b）習(xí)題圖1-1等強(qiáng)度梁測力系統(tǒng)解： （1），解：（2）設(shè)橋臂比，分母中可忽略，并考慮到平衡條件，則上式可寫為：10單臂電橋存在非

15、線性誤差，試說明解決方法。解：為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋在試件上安裝兩個工作應(yīng)變片，一個受拉應(yīng)變，一個受壓應(yīng)變，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動電路，由教材中的式（2-42）可知，Uo與R1/R1呈線性關(guān)系，差動電橋無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KV=E/2，比單臂工作時提高一倍，同時還具有溫度補(bǔ)償作用。第3章 電容式傳感器思考題答案1.試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度?為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應(yīng)注意什么問題?答：如圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。當(dāng)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-b&#

16、183;x/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(dāng)活動極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時，兩極板間的距離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(dāng)活動極板移動x后，其電容量為 (1)當(dāng)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(dāng) x<<d時，才可認(rèn)為是最近似線形關(guān)系。同時還

17、可以看出，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d過小時。但當(dāng)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(shí)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(dāng)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(yùn)算放大器電路，如圖所示。C

18、0=200pF，傳感器的起始電容量Cx0=20pF,定動極板距離d0=1.5mm,運(yùn)算放大器為理想放大器(即K,Zi),Rf極大,輸入電壓u1=5sintV。求當(dāng)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) /pF6. 某電容傳感器（平行極板電容器）的圓形極板半徑，工作初始極

19、板間距離，介質(zhì)為空氣。問：（1）如果極板間距離變化量，電容的變化量是多少？（2）如果測量電路的靈敏度，讀數(shù)儀表的靈敏度（格mV）在時，讀數(shù)儀表的變化量為多少？解：（1）根據(jù)公式，其中S=（2）根據(jù)公式，可得到=7. 簡述電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。解：優(yōu)點(diǎn)：(1) 溫度穩(wěn)定性好(2) 結(jié)構(gòu)簡單(3) 動態(tài)響應(yīng)好（4）可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)缺點(diǎn)：（1）輸出阻抗高，負(fù)載能力差（2）寄生電容影響大8. 下圖為變極距型平板電容傳感器的一種測量電路，其中CX為傳感器電容，C為固定電容，假設(shè)運(yùn)放增益A=，輸入阻抗Z=；試推導(dǎo)輸出電壓U0與極板間距的關(guān)系，并分析其工作特點(diǎn)。題圖4-1式中負(fù)號表示輸出電壓

20、的相位與電源電壓反相。上式說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d線性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題。但要求Zi及放大倍數(shù)K足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。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(diǎn)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(diǎn)是什么？答：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵電流頻率以

21、及線圈到被測導(dǎo)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(qiáng)，特別是有非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。3.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(biāo)準(zhǔn)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3圖 4. 為什么電感式傳感器一般都采用差動形式? 解：差動式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性，提高靈敏度外，對電源電壓、頻率的波動及溫度變化等外界影響也有補(bǔ)償作用；

22、作用在銜鐵上的電磁力，是兩個線圈磁力之差，所以對電磁力有一定的補(bǔ)償作用，從而提高了測量的準(zhǔn)確性。第5章 熱電偶傳感器習(xí)題答案1什么是金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)?試說明熱電偶的測溫原理。答：熱電效應(yīng)就是兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，回路中就會產(chǎn)生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。熱電偶測溫就是利用這種熱電效應(yīng)進(jìn)行的，將熱電偶的熱端插入被測物，冷端接進(jìn)儀表，就能測量溫度。2試分析金屬導(dǎo)體產(chǎn)生接觸電動勢和溫差電動勢的原因。答：當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同(即電子密度不同)，因此，電

23、子在兩個方向上擴(kuò)散的速率就不一樣?，F(xiàn)假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷，于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場。該電場的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時，即自導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導(dǎo)體B到導(dǎo)體A的自由電子數(shù)相等時，便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導(dǎo)體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電動勢。對于導(dǎo)體A或B，將其兩端分別置于不同的溫度場t、t0

24、中(t> t0)。在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場。該電場阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動，最后也達(dá)到了動態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動勢。3簡述熱電偶的幾個重要定律，并分別說明它們的實(shí)用價值。答：一是勻質(zhì)導(dǎo)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(diǎn)的溫度如何，熱電動勢為零。根據(jù)這個定律，可以檢驗(yàn)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(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第

25、三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)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(jìn)行溫度測量。三是標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。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(diǎn)溫度t、t0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點(diǎn)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(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。

26、4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。答：熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕校阂皇抢涠撕銣胤?。這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(bǔ)償導(dǎo)線法。將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)，其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個接點(diǎn)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(bǔ)償法。利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動勢補(bǔ)償熱電偶因冷端波動引起的熱電動勢的變化。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(diǎn)的溫度。解：由鎳鉻-鎳硅熱電

27、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(shí)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(shí)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，=32.251mV8現(xiàn)用一支鎳鉻-康

28、銅(E)熱電偶測溫。其冷端溫度為30，動圈顯示儀表(機(jī)械零位在0)指示值為400，則認(rèn)為熱端實(shí)際溫度為430，對不對?為什么?正確值是多少?解：不對，因?yàn)閮x表的機(jī)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(bǔ)償導(dǎo)線，相互接錯了，問：爐溫的實(shí)際溫度t為多少度?解：實(shí)際溫度應(yīng)為270，因?yàn)榻臃春蟛坏珱]有補(bǔ)償?shù)?，還抵消了30，故應(yīng)該加上60。圖5.14 圖

29、5.1511. 試比較熱電阻與熱敏電阻的異同。解：熱電阻將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值大小的熱電式傳感器,熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。熱電阻傳感器的測量精度高；有較大的測量范圍，它可測量200500的溫度；易于使用在自動測量和遠(yuǎn)距離測量中。熱電阻由電阻體、保護(hù)套和接線盒等部件組成。其結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)實(shí)際使用制作成各種形狀。熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷、錳、鎳等的氧化物，采用不同比例的配方，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，然后采用不同的封裝形式制成珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等各種形狀。熱敏電阻具有以下優(yōu)點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高；結(jié)構(gòu)簡單；電阻率高，熱慣性??；但它阻值與溫度變化呈非線性

30、，且穩(wěn)定性和互換性較差。第6章 壓電傳感器習(xí)題答案1為什么說壓電式傳感器只適用于動態(tài)測量而不能用于靜態(tài)測量?答：因?yàn)閴弘娛絺鞲衅魇菍⒈蛔訙y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(qiáng)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(dāng)壓力變化p=8MP

31、a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=10×0.008×25×8=16/mm4某加速度計的校準(zhǔn)振動臺，它能作50Hz和1g的振動，今有壓電式加速度計出廠時標(biāo)出靈敏度K100mVg，由于測試要求需加長導(dǎo)線，因此要重新標(biāo)定加速度計靈敏度，假定所用的阻抗變換器放大倍數(shù)為1，電壓放大器放大倍數(shù)為100，標(biāo)定時晶體管毫伏表上指示為9.13V，試畫出標(biāo)定系統(tǒng)的框圖，并計算加速度計的電壓靈敏度。解：此加速度計的靈敏度為 mV/g標(biāo)定系統(tǒng)框圖如下：5. 簡述電壓放大器和電荷放大器的優(yōu)缺點(diǎn)。解：電壓放大器的應(yīng)用具有一定的應(yīng)用限制，壓電式傳感器在與電壓

32、放大器配合使用時，連接電纜不能太長。優(yōu)點(diǎn)：微型電壓放大電路可以和傳感器做成一體，這樣這一問題就可以得到克服，使它具有廣泛的應(yīng)用前景。缺點(diǎn)：電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。不過由于固態(tài)電子器件和集成電路的迅速發(fā)展， 電荷放大器的優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓Uo與電纜電容Cc無關(guān)，且與Q成正比，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。但電荷放大器的缺點(diǎn)：價格比電壓放大器高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也較困難。要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，電壓放大器和電荷放大器都應(yīng)加過載放大保護(hù)電路，否則在傳感器過載時，會產(chǎn)生過高的輸出電壓。6. 簡述正、逆壓電效應(yīng)。解：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

33、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(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，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。第7章 光電式傳感器1光電效應(yīng)有哪幾種?與之對應(yīng)的光電元件各有哪些?答：光電效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種?；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(dǎo)體光電元件有哪些?它們的電路符號如何?

34、答：常用的半導(dǎo)體光電元件有光敏二極管、光敏三極管和光電池三種。它們的電路符號如下圖所示：3對每種半導(dǎo)體光電元件，畫出一種測量電路。答：光敏二極管、三極管及光電池的測量電路如下圖所示。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(xué)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

35、光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號I。光電傳感器設(shè)計靈活，形式多樣，在越來越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。6模擬式光電傳感器有哪幾種常見形式?答：模擬式光電傳感器主要有四種。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(qiáng)弱取決于被測物表面的

36、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(dá)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。7. 光纖傳感器常用的調(diào)制原理有哪些？解：1）強(qiáng)度調(diào)制原理2）相位調(diào)制原理3）頻率調(diào)制原理4）偏振調(diào)制原理8. 紅外線的最大特點(diǎn)是什么？什么是紅外傳感器？解：紅外線的最大特點(diǎn)是具有光熱效應(yīng)，可以輻射熱量，它是光譜中的最大光熱效應(yīng)區(qū)。能將紅外輻射量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置稱為紅外探測器或紅外傳感器。紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及

37、顯示系統(tǒng)等組成。第8章 霍爾傳感器習(xí)題答案1. 什么是霍爾效應(yīng)？答：在置于磁場的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中通入電流，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(xué)家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電壓。2. 為什么導(dǎo)體材料和絕緣體材料均不宜做成霍爾元件？答：因?yàn)閷?dǎo)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(dǎo)體材料？答：因?yàn)樵贜型半導(dǎo)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(dǎo)體材料。4. 霍爾靈敏度與霍爾元件厚度

38、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(jìn)行補(bǔ)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(dǎo)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(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕欣幂斎牖芈返拇?lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償和利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償兩種。1）利用輸入回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償。下圖是輸入補(bǔ)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(bǔ)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=R

39、i0(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(dāng)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(dǎo)數(shù)，可得增量表達(dá)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(xiàng)表示因溫度升高霍爾系數(shù)引起霍爾電壓的增量，第二項(xiàng)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(dāng)?shù)谝豁?xiàng)時，才能用串聯(lián)電阻的方法減小第二項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償。將元件的、值代入式(2)，根據(jù)Ri0的值就可確

40、定串聯(lián)電阻R的值。 (2) 利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。上圖為補(bǔ)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(fù)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(dǎo)數(shù)并使其等于零，可得 RL/Rv0/.1/ (4)最后，將實(shí)際使用的霍爾元件的、值代入，便可得出溫度補(bǔ)償時的RL值。當(dāng)RL= Rv0時，補(bǔ)償最好。6. 集成霍爾傳感器有什么特點(diǎn)？答：集成霍爾傳感器的特點(diǎn)主要是取消了傳感器和測量電路之間的界限，實(shí)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(diǎn)，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(diǎn)。7. 寫出你認(rèn)為可以用霍爾傳感器來檢