《傳感器與自動檢測技術(shù)》習(xí)題解答

1、傳感器與自動檢測技術(shù)習(xí)題解答第1章 傳感器的基本知識1. 簡述傳感器的概念、作用及組成。答：傳感器的定義是：“能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。作用：將被測量轉(zhuǎn)換成與其有一定關(guān)系的易于處理的電量。組成：敏感元器件、轉(zhuǎn)換元器件、轉(zhuǎn)換電路及輔助電源。2. 傳感器的分類有哪幾種？各有什么優(yōu)缺點？答：傳感器常用的分類方法有兩種，一種是按被測輸入量來分，另一種是按傳感器的工作原理來分。按被測輸入量來分：這種分類方法的優(yōu)點是比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用。其缺點是沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分

2、析方法。按傳感器的工作原理來分：這種分類的優(yōu)點是對傳感器的工作原理表達(dá)的比較清楚，而且類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對傳感器進(jìn)行深入的研究分析。其缺點是不便于使用者根據(jù)用途選用。3. 傳感器是如何命名的？其代號包括哪幾部分？在各種文件中如何應(yīng)用？答：一種傳感器產(chǎn)品的名稱，應(yīng)由主題詞及4級修飾語構(gòu)成。（1） 主題詞傳感器。（2）第1級修飾語被測量，包括修飾被測量的定語。（3）第2級修飾語轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字。（4）第3級修飾語特征描述，指必須強調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必須的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。（5）第4級修飾語主要技術(shù)指標(biāo)（量程、精確度、靈敏度等）。本

3、命名法在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計表格、圖書索引、檢索以及計算機漢字處理等特殊場合使用。例1： 傳感器，絕對壓力，應(yīng)變式，放大型，13500kPa；例2： 傳感器，加速度，壓電式，20g。在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣書、學(xué)術(shù)論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產(chǎn)品名稱應(yīng)采用與上述相反的順序。例3： 13500kPa放大型應(yīng)變式絕對壓力傳感器；例4： 20g壓電式加速度傳感器。在側(cè)重傳感器科學(xué)研究的文獻(xiàn)、報告及有關(guān)教材中，為方便對傳感器進(jìn)行原理及其分類的研究，允許只采用第2級修飾語，省略其他各級修飾語。傳感器代號的標(biāo)記方法：一般規(guī)定用大寫漢字拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成傳感器完整代號。傳感器完整代號應(yīng)包括以下4個部分：（

4、1）主稱（傳感器）；（2）被測量；（3）轉(zhuǎn)換原理；（4）序號。4部分代號格式為：在被測量、轉(zhuǎn)換原理、序號3部分代號之間有連字符“-”連接。例5：應(yīng)變式位移傳感器，代號為：CWY-YB-10；例6：光纖壓力傳感器，代號為：CY-GQ-1；例7：溫度傳感器，代號為：CW-01A；例8：電容式加速度傳感器，代號為：CA-DR-2。有少數(shù)代號用其英文的第一個字母表示，如加速度用“A”表示。4. 傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)有哪些？其含義是什么？答：傳感器的靜態(tài)特性主要由線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、分辨力和閾值、穩(wěn)定性、漂移及量程范圍等幾種性能指標(biāo)來描述。含義：線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏

5、離理論擬合直線的程度，又稱非線性誤差。通常用相對誤差表示其大??；靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下，輸出增量與輸入增量的比值。對于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性曲線的斜率，對于非線性傳感器，其靈敏度是一個隨工作點而變的變量，它是特性曲線上某一點切線的斜率。重復(fù)性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度。遲滯是傳感器在正向行程(輸入量增大)和反向行程(輸入量減小)期間，輸出輸入特性曲線不一致的程度。傳感器的分辯力是在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測的輸入量的最小變化量。有時也用該值相對滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示，稱為分辨率。閾值通常又稱為死區(qū)、失靈區(qū)、靈敏限、靈敏閾、鈍感區(qū)，是輸

6、入量由零變化到使輸出量開始發(fā)生可觀變化的輸入量的值。穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長期穩(wěn)定性表示，它是指在室溫條件下,經(jīng)過相當(dāng)長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來表征其輸出的穩(wěn)定度。傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移。零點漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間而緩慢變化的情況；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的變化。傳感器所能測量的最大被測量（輸入量）的數(shù)值稱為測量上限，最小被測量稱為測量下限，

7、上限與下限之間的區(qū)間，則稱為測量范圍。測量范圍可能是單向的（只有正向與負(fù)向）、也可能是雙向的、或雙向不對稱的和無零值的等。測量上限與下限的代數(shù)和稱為量程。5. 傳感器的動態(tài)特性主要從哪兩方面來描述？采用什么樣的激勵信號？其含義是什么？答：傳感器的動態(tài)特性主要從時域和頻域兩方面來描述，采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。通常采用階躍信號和正弦信號作為激勵信號。以階躍信號作為系統(tǒng)的輸入，研究系統(tǒng)輸出波形的方法稱為瞬態(tài)響應(yīng)法（時域）；以正弦信號作為系統(tǒng)的輸入，研究系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的方法稱為頻率響應(yīng)法（頻域）。第2章 力、壓力傳感器1. 力傳感器的組成是什么？答：力傳感器主要由力敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路

8、組成。2. 彈性敏感元件的作用是什么？其分類有幾種？各有何特點？答：作用：彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移。分類：變換力的彈性敏感元件和變換壓力的彈性敏感元件。常用的變換力的彈性敏感元件有圓柱式、圓環(huán)式、懸臂梁、扭轉(zhuǎn)軸等。其特點：（1）圓柱式彈性敏感元件，根據(jù)截面形狀可分為實心圓柱及空心圓柱等。結(jié)構(gòu)簡單，可承受較大的載荷，便于加工，實心圓柱形可測量大于10kN的力，空心圓柱形可測量110kN的力，應(yīng)力變化均勻。（2） 圓環(huán)式彈性敏感元件比圓柱式輸出的位移量大，因而具有較高的靈敏度，適用于測量較小的力。但它的工藝性較差，加工時不易得到較高的精度。（3）懸臂梁式彈性敏感元件。它的一端固定，

9、一端自由，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，應(yīng)變和位移較大，適用于測量15kN的力。等截面懸臂梁，梁上各處的變形大小不同，不便于粘貼應(yīng)變片。變截面懸臂梁（也稱等強度懸臂梁），梁上各處的截面不等，但沿整個長度方向上各處的應(yīng)變相等，便于粘貼應(yīng)變片。（4）扭轉(zhuǎn)軸彈性敏感元件主要用來制作扭矩傳感器，它利用扭轉(zhuǎn)軸彈性體把扭矩變換為角位移，再把角位移變換為電信號輸出。3. 電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是什么？它是如何測量試件的應(yīng)變的？答：電阻應(yīng)變片式傳感器是利用了金屬和半導(dǎo)體材料的“應(yīng)變效應(yīng)”的原理來工作的。即金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值隨它承受的機械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象。測試時，將應(yīng)變片用粘接劑牢固的粘貼在被測試件的表

10、面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻的變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過一定的測量線路將這種電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就能知道被測試件應(yīng)變量的大小。其原理圖如圖2-7所示。圖2-7 電阻應(yīng)變片測試與原理圖4. 電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路有哪些？各有何特點？答：電阻應(yīng)變片傳感器輸出電阻的變化較小，一般為，要精確的測量出這些微小電阻的變化，常采用橋式測量電路。根據(jù)電橋電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋，可采用恒壓源或恒流源供電。由于直流電橋比較簡單，交流電橋原理與它相似，所以我們只分析直流電

11、橋的工作原理。其特點是，當(dāng)被測量無變化時，電橋平衡，輸出為零。當(dāng)被測量發(fā)生變化時，電橋平衡被打破，有電壓輸出，輸出的電壓與被測量的變化成比例。 根據(jù)電橋工作橋臂的不同，分為單臂電橋、差動雙臂電橋（半橋）、差動全橋三種類型。雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，全橋輸出是雙臂電橋的兩倍。并且采用雙臂和全橋測量，可以補償由于溫度變化引起的測量誤差。5. 電阻應(yīng)變片為什么要進(jìn)行溫度補償？補償方法有哪些？答：電阻應(yīng)變片傳感器是靠電阻值來度量應(yīng)變的，所以希望它的電阻只隨應(yīng)變而變，不受任何其他因素影響。但實際上，雖然用作電阻絲材料的銅、康銅溫度系數(shù)很小(大約在a=(2.55.0)/)， 但與所測應(yīng)變電阻的變

12、化比較，仍屬同一量級。如不補償，會引起很大測量誤差。應(yīng)變片的溫度補償方法通常有兩種，即線路補償和應(yīng)變片自補償。6. 應(yīng)變片的粘貼、固化和檢查工藝有哪些？答：應(yīng)變片的粘貼工藝如下：（1）試件表面的處理 粘貼之前，應(yīng)先將試件表面清理干凈，用細(xì)砂紙將試件表面打磨平整，再用丙酮、四氯化碳或佛利昂徹底清洗試件表面的灰塵、油漬，清理面積約為應(yīng)變片的35倍。（2）確定貼片位置 根據(jù)實驗要求在試件上劃線，以確定貼片的位置。（3）粘貼 在清理的試件表面上均勻涂刷一薄層粘接劑作為底層，待其干燥固化后，再在此底層及應(yīng)變片基地的地面上均勻涂刷一薄層粘接劑，等粘接劑稍干，即將應(yīng)變片貼在畫線位置，用手指滾壓，把氣泡和多余

13、的粘接劑擠出。注意，應(yīng)變片的底面也要清理。（4）固化 粘貼好的應(yīng)變片按規(guī)定壓力、升降溫度速率及保溫時間等進(jìn)行固化處理。（5）穩(wěn)定處理 粘接劑在固化過程中會膨脹和收縮，致使應(yīng)變片產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為使應(yīng)變片的工作性能良好，還應(yīng)進(jìn)行一次穩(wěn)定處理，稱為后固化處理，即將應(yīng)變片加溫至比最高工作溫度高1020，但不用加壓。（6）檢查 經(jīng)固化和穩(wěn)定處理后，測量應(yīng)變片的阻值，以檢查貼片過程中敏感柵和引線是否損壞。另外還應(yīng)測量引線和試件之間的絕緣電阻，一般情況下，絕緣電阻為50兆歐即可，對于高精度測量，則需在2000兆歐以上。7）引線的焊接與防護(hù) 應(yīng)變片引線最好采用中間連接片應(yīng)出，引線要適當(dāng)固定，為了保證應(yīng)變片工作

14、的長期穩(wěn)定性，應(yīng)采取防潮、防水等措施，如在應(yīng)變片及其引線上涂以石蠟、石蠟松香混合劑、環(huán)氧樹脂、有機硅、清漆等保護(hù)層，或在試件上焊上金屬箔，將應(yīng)變片全部覆蓋。7. 圖2-88為一直流應(yīng)變電橋。，試求：（1） 為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)變化量為時，電橋輸出電壓圖 2-88 直流應(yīng)變電橋（2）都是應(yīng)變片，且批號相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋的輸出電壓（3） 題（2）中，如果感受應(yīng)變的極性相反，且，電橋的輸出電壓（4） 由題（1）（3）能得出什么結(jié)論與推論？答：（1）當(dāng)為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻時，電橋為單臂工作電橋，當(dāng)變化量為時，電橋輸出電壓： （2）當(dāng)都是應(yīng)變片，且

15、批號相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻時，根據(jù)電橋的輸出總公式 可知，此時，。電橋的輸出：（3） 題（2）中，如果感受應(yīng)變的極性相反，且，也就是，此時電橋為差動雙臂電橋（半橋），電橋輸出電壓：此時電橋。（4） 由題（1）（3）可知雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，電橋的相鄰兩個橋臂為應(yīng)變片工作橋臂時，感受的應(yīng)變必須是一個受拉，一個受壓，電橋才有輸出。8. 壓電式傳感器的工作原理是什么？壓電材料有哪些？答：壓電式傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)，即某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)生機械變形時，相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號相反的電荷，外力去掉后，電荷消失。力的方向改變時，電荷的符號也隨之

16、改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。用于傳感器的壓電材料或元件可分三類：一類是單晶壓電晶體；另一類是極化的多晶壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。9. 試用石英晶體為例說明壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過程。答：石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，圖2-24是天然石英晶體的外形圖，它為規(guī)則的正六角棱柱體。在正常情況下，石英晶體的每一個晶體單元中，有三個硅離子和六個氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，當(dāng)無外力作用時，正、負(fù)電荷中心重合，對外不顯電性。當(dāng)在X軸向施加壓力時，如圖2-25(a)所示，各晶格上的帶電粒子均產(chǎn)生相對位移，氧離子擠入兩個硅離子之間，而硅離子也擠入兩個氧離子之間，正電荷中心向B面

17、移動，負(fù)電荷中心向A面移動，因而B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)在X軸向施加拉力時，如圖2-25(b)所示，各晶格上的帶電粒子均沿X軸向外產(chǎn)生位移，因而A面呈現(xiàn)正電荷， B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。在Y方向施加壓力時，如圖2-25（c）所示，晶格沿y軸被向內(nèi)壓縮，A面呈現(xiàn)正電荷， B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。在Y方向施加拉力時，如圖2-25（d）所示，晶格在y向被拉長，X向縮短，B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。若沿Z軸方向施加力的作用時，由于硅離子和氧離子是對稱的平移，故在表面沒有電荷出現(xiàn)，因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這就是石英晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過程。 10. 壓電陶瓷有何特點？答：壓電陶瓷是人工制造的一種多晶壓電體，它有

18、無數(shù)的單晶組成，各單晶的自發(fā)極化方向是任意排列的。因此，雖然每個單晶具有強的壓電性質(zhì)，但組成多晶后，各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了，所以，原始的壓電陶瓷是一個非壓電體，不具有壓電效應(yīng)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，就必須進(jìn)行極化理。即在一定的溫度條件下，對壓電陶瓷施加強電場，使極性軸轉(zhuǎn)動到接近電場方向，規(guī)則排列，這時壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場去除后，留下了很強的剩余極化強度。當(dāng)壓電陶瓷受到力的作用時，極化強度就發(fā)生變化，在垂直于極化方向上的平面上就會出現(xiàn)電荷。壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)比石英晶體的壓電系數(shù)大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器靈敏度較高。11. 壓電傳感器的測量電路是什么？

19、各有何特點？為什么壓電傳感器不能測量靜態(tài)的力？答：根據(jù)壓電傳感器的工作原理和等效電路，壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，這時可以把傳感器看作電壓發(fā)生器；也可以是電荷信號，這時可以把傳感器看作電荷發(fā)生器。因此前置放大器也有兩種形式：電電壓放大器壓放大器和電荷放大器。特點：由電壓放大器的輸出可以看出，放大器輸入電壓與電纜的電容Cc有關(guān)系，當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時，Cc將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化。在設(shè)計時，通常把電纜長度定為常數(shù)，使用時如要改變電纜長度，則必須重新校正電壓靈敏度值。電荷放大器輸出電壓， 可以看出電荷放大器輸出電壓與電纜電容無關(guān)。因此電纜可以很長，可長達(dá)數(shù)

20、百米，甚至上千米，靈敏度卻無明顯損失。這是電荷放大器的一個突出優(yōu)點。因此在測量時，不必考慮傳感器與放大器配套的問題，放大器與傳感器可以任意互換。為什么壓電傳感器不能測量靜態(tài)的力？由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄露的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的。因為在實際測量時，放大器的輸入電阻和傳感器的泄漏電阻不可能為無窮大，因此電荷就會通過放大器的輸入電阻和傳感器的泄漏電阻漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測量。 壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷得到補充，可以供給測量電路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量。12. 如圖2-32b所示電荷放大器等效電路

21、。壓電元件為壓電陶瓷，壓電陶瓷的壓電系數(shù)，反饋電容，若輸出電壓，求壓電傳感器所受力的大??？2-32 電荷放大器等效電路答：根據(jù)電荷放大器的輸出可知, 壓電陶瓷上產(chǎn)生的電荷根據(jù)，壓電傳感器所受的力13. 石英晶體的縱向壓電系數(shù)，晶體的長度是的寬2倍，是厚的3倍，求：（1） 當(dāng)沿電軸方向施加的力時，用反饋電容為的電荷放大器測量的輸出電壓是多少？（2） 當(dāng)沿機械軸施加力時，用同樣的電荷放大器測出的輸出電壓為3V，為多少？解答： （1）電荷放大器的輸出 (2) 根據(jù)題意，參考石英晶體的切片圖，可以看出當(dāng)沿機械軸施加力時，產(chǎn)生的由根據(jù)式得，即 求出14. 用壓電式傳感器測量一正弦變化的作用力，采用電荷放

22、大器，壓電元件用兩片壓電陶瓷并聯(lián)，壓電系數(shù)，放大器為理想運放，反饋電容，實際測得放大器輸出電壓為，試求此時的作用力解答：根據(jù)題意壓電元件是兩片壓電陶瓷并聯(lián)，所以總電荷是單個壓電元件電荷的兩倍，即,根據(jù)電荷放大器的輸出，得，,得壓電傳感器受到的作用力15. 電容式傳感器的工作原理是什么？可分成幾種類型？各有個特點？答：根據(jù)平行極板的電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，則電容器的電容量為 由上式可知，電容C是A、的函數(shù)，即。當(dāng)A、改變時，電容量C也隨之改變。若保持其中兩個參數(shù)不變，通過被測量的變化改變其中的一個參數(shù)，就可把被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。這就是電容傳感器的基本工作原理。分類：電容式傳感器

23、根據(jù)工作原理不同，可分為變間隙式、變面積式、變介電常數(shù)式三種；按極板形狀不同有平板形和圓柱形兩種。特點：變間隙式電容傳感器：只能測量微小位移（微米級）；變面積式電容傳感器：可以測量較大位移的變化，常為厘米級位移量。變介電常數(shù)式電容式傳感器?？捎脕頊y量物位或液位，也可測量位移，可以測量較大位移的變化。16. 試說明差動式電容傳感器結(jié)構(gòu)是如何提高測量靈敏度，減小非線性誤差的？答：以變間隙式電容傳感器為例來分析。當(dāng)變化時，電容量的相對變化約為 （2-35） 為了提高測量的靈敏度，減小非線性誤差，實際應(yīng)用時常采用差動式結(jié)構(gòu)。如圖2-44所示，兩個定極板對稱安裝，中間極板為動極板。當(dāng)中間極板不受外力作用

24、時，由于，所以。當(dāng)中間極板向上移動x時， 增加，減小，總電容的變化量為圖2-44 差動式電容器結(jié)構(gòu) （2-37）式（2-37）與式（2-35）相比，輸出靈敏度提高了一倍。17. 電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路主要有哪些？答：常見的電容式傳感器測量轉(zhuǎn)換電路有橋式電路、調(diào)頻電路、充放電脈沖電路、運算放大器電路等。圖2-45 變面積式電容傳感器結(jié)構(gòu)原理18. 有一個以空氣為介質(zhì)的變面積型平板電容傳感器，如圖2-45a所示，其中，兩極板間距為。當(dāng)動極板在原始位置上平移了后，求傳感器電容量的變化及電容相對變化量。（空氣的相對介電常數(shù)，真空的介電常數(shù)）答：根據(jù)變面積型平板式電容傳感器的電容表達(dá)式：可得當(dāng)動極板

25、在原始位置上平移了，也就是公式中后，電容的相對變化量為傳感器電容量的變化19. 電感傳感器的基本原理是什么？可分成幾種類型？答：電感傳感器的基本原理是電磁感應(yīng)原理。利用電磁感應(yīng)將被測非電量(如壓力、位移等)轉(zhuǎn)換成電感量的變化輸出，再經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路，將電感量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，來實現(xiàn)非電量電測的。 電感傳感器的分類：根據(jù)信號的轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。20. 電感傳感器的常用的測量電路有哪些？答：自感式傳感器常用的測量轉(zhuǎn)換電路有橋式測量電路、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路，在自感式傳感器中，用得較多的是橋式測量電路和調(diào)幅電路。 差動變壓器輸出電壓可直接用交流電壓表接在反

26、相串聯(lián)的兩個二次繞組上測量，此時空載輸出電壓為，也可采用電橋電路來測量。21. 電渦流傳感器的工作原理是什么？形成電渦流的兩個必備條件是什么？ 答：電渦流傳感器的工作原理是電渦流效應(yīng)。即塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中做切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，類似于水中的漩渦，所以稱為電渦流。電渦流的存在必然要消耗一部分磁場的能量，從而使激勵線圈的阻抗發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流傳感器。要形成電渦流必須具備兩個條件：（1）存在交變磁場；（2）導(dǎo)體處于交變磁場中。22. 壓阻式壓力傳感器的工作原理是什么？主要應(yīng)用是

27、什么？答：壓阻式壓力傳感器的工作原理是基于壓阻效應(yīng)工作的。所謂壓阻效應(yīng)就是指半導(dǎo)體材料的受外力或應(yīng)力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。主要應(yīng)用是：用于壓力、加速度、重量、應(yīng)變、拉力、流量等參數(shù)的測量。第3章 溫度傳感器1. 溫度的測量方法有幾種？各有何特點？答：按照感溫元件是否與被測溫對象相接處，溫度測量可以分為接觸式和非接觸式測溫兩種。接觸式測溫：感溫元件與被測對象接觸，彼此進(jìn)行熱量交換，使感溫元件與被測對象處于同一環(huán)境溫度下，感溫元件感受到的冷熱變化即是被測對象的溫度。這類傳感器的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量精度高、價格便宜、可測得被測對象的真實溫度及物體內(nèi)部某一點的溫度；缺點是：有較大

28、的滯后現(xiàn)象（由于與被測物熱交換需要一定的時間），不適于測量小的物體、腐蝕性強的物體及運動物體的溫度，并且由于感溫元件與被測對象接觸，從而影響被測環(huán)境溫度的變化，測溫范圍也受到感溫元件材料特性的限制等。非接觸式測溫：利用物體表面的熱輻射強度與溫度的關(guān)系來測量溫度的。通過測量一定距離處被測物體發(fā)出的熱輻射強度來確定被測物的溫度。這類溫度傳感器的優(yōu)點是：可以測量高溫及腐蝕性、有毒物體的溫度。測溫速度快，不存在滯后現(xiàn)象，測溫范圍不受限制，可以測量運動物體、導(dǎo)熱性差、微小目標(biāo)、熱容量小的物體、固體、液體表面的溫度，不影響被測物環(huán)境溫度。缺點是:易受被測物體與儀表間距離、煙塵、水氣及被測物熱輻射率的影響，

29、測量精度較低等。2. 膨脹式溫度計有幾種？其工作原理是什么？各有何特點？答：膨脹式溫度計可分為液體膨脹式溫度計、固體膨脹式溫度計、氣體膨脹式溫度計3種類型。液體膨脹式溫度計：利用玻璃感溫泡內(nèi)的液體受熱體積膨脹與玻璃體積膨脹之差來測量溫度的。一般用于低溫和中溫溫度測量。特點：不僅比較簡單直觀，而且還可以避免外部遠(yuǎn)傳溫度計的誤差。但易破碎，刻度微細(xì)不便讀取，不適于有振動和容易受到?jīng)_擊的場合。固體膨脹式溫度計：利用膨脹系數(shù)不同的兩種金屬材料牢固地粘貼在一起制成的。當(dāng)溫度變化時，由于兩種金屬線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生彎曲，彎曲的程度與溫度的高低成比例的原理工作的。特點：現(xiàn)場顯示溫度，直觀方便，抗震性能好，結(jié)

30、構(gòu)簡單，牢固可靠，使用壽命長，但精度不高。氣體膨脹式溫度計：是基于密封在容器中的氣體或液體受熱后體積膨脹，壓力隨溫度變化而變化的原理測溫的。特點：主要用于遠(yuǎn)距離設(shè)備的氣體、液體、蒸汽的溫度測量，也能用于溫度控制和有爆炸危險場所的溫度測量。3. 電阻式溫度傳感器的工作原理是什么？有幾種類型？答：電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化而變化的原理來測量溫度的，即材料的電阻率隨溫度的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。類型：按制造材料來分，一般把由金屬導(dǎo)體鉑、銅、鎳等制成的測溫元件稱為金屬熱電阻，簡稱熱電阻傳感器；把由半導(dǎo)體材料制成的測溫元件稱為熱敏電阻。4. 金屬熱電阻溫度傳感器

31、常用的材料有哪幾種？各有何特點？熱電阻傳感器的測量電路有哪些？說明每種測量電路的特點。答：金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有鉑和銅。特點：鉑金屬熱電阻：鉑易于提純、復(fù)制性好，在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，主要用于高精度溫度測量和標(biāo)準(zhǔn)測溫裝置，測溫范圍為-200850。銅金屬熱電阻：銅易于提純，價格低廉，電阻-溫度特性線性較好。但電阻率僅為鉑的幾分之一。因此，銅電阻所用阻絲細(xì)而且長，機械強度較差，熱慣性較大，在溫度高于100以上或腐蝕性介質(zhì)中使用時，易氧化，穩(wěn)定性較差。因此，只能用于低溫及無腐蝕性的介質(zhì)中。熱電阻傳感器的測量電路常用電橋電路。外界引線如果較長時，引線電阻的變化

32、會使測量結(jié)果有較大誤差，為減小誤差，可采用三線制電橋連接法測量電路或四線制恒流源測量電路。特點：三線制電橋連接法測量電路，導(dǎo)線電阻r對測量毫無影響。四線制恒流源測量電路，四根導(dǎo)線的電阻r對測量都沒影響。但要因為電流流過導(dǎo)體時導(dǎo)體存在發(fā)熱現(xiàn)象，所以供電電流不宜過大，一般在0.6mA以下。精確測量時，通電電流為0.25mA。5. 熱電偶溫度傳感器的工作原理是什么？熱電勢的組成有幾種？說明熱電勢產(chǎn)生的過程，并寫出熱電偶回路中總熱電勢的表達(dá)式。答：熱電偶溫度傳感器的工作原理是熱電效應(yīng)。即兩種不同材料的導(dǎo)體A和B組成一個閉和回路，若兩接點的溫度不同，則在該回路中將會產(chǎn)生電動勢，兩個接點的溫差越大，所產(chǎn)生

33、的電動勢也越大。組成回路的導(dǎo)體材料不同，所產(chǎn)生的電動勢也不一樣，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電勢的組成：由兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成。熱電勢產(chǎn)生的過程：（1）兩種導(dǎo)體的接觸電勢接觸電勢是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子濃度不同而在接觸面形成的電勢。假設(shè)兩種金屬A、B的自由電子濃度分別為 NA和 NB，且NA NB。當(dāng)兩種金屬相接時，將產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。在同一瞬間，由A擴(kuò)散到B中去的電子比由B擴(kuò)散到A中去的多，從而使金屬A失去電子帶正電；金屬B得到電子帶負(fù)電，在接觸面形成電場。此電場阻止電子進(jìn)一步擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時，在接觸面的兩側(cè)就形成了穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢E，如圖3-22所

34、示。接觸電勢的數(shù)值取決于兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點的溫度，而與導(dǎo)體的形狀及尺寸無關(guān)。溫度越高，接觸電勢也越大。接觸電勢的方向由兩導(dǎo)體材料決定。（2） 單一導(dǎo)體的溫差電勢對于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為t、t0，如圖3-23所示，則導(dǎo)體中的自由電子，在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴(kuò)散；高溫端因失去電子帶正電，低溫端獲得電子帶負(fù)電，即在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生了電勢，這個電勢稱為單一導(dǎo)體的溫差電勢。圖3-24 熱電偶回路總熱電勢NA NB圖3-22 兩種導(dǎo)體的接觸電勢圖3-23 單一導(dǎo)體的溫差電動勢由圖3-24可知，熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢為 （3-5）式中, 為熱電偶電路的總熱電勢；為熱端接觸電勢；為B

35、導(dǎo)體的溫差電勢；為冷端接觸電勢；為A導(dǎo)體的溫差電勢。 在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示為 （3-6）6. 熱電偶的基本定律有哪些？其含義是什么？每種定律的意義何在？并證明每種定律。答：熱電偶的基本定律有: 中間導(dǎo)體定律、中間溫度定律、參考電極定律。含義：中間導(dǎo)體定律-在熱電偶電路中接入第三種導(dǎo)體，只要保持該導(dǎo)體兩接入點的溫度相等，回路中總的熱電勢不變，即第三種導(dǎo)體的引入對熱電偶回路的總熱電勢沒有影響。中間導(dǎo)體定律的意義：根據(jù)這個定律，我們可采取任何方式焊接導(dǎo)線，可以將熱電勢通過導(dǎo)線接至測量儀表進(jìn)行測量,且不影響測量精度?？刹捎瞄_路熱電偶對液態(tài)金屬和金屬

36、壁面進(jìn)行溫度測量，只要保證兩熱電極插入地方的溫度相同即可。中間溫度定律含義：在熱電偶測量電路中，測量端溫度為t，自由端為t0，中間溫度為t，則E（t、t0）的熱電勢等于E（t、t）與E（t、t0）熱電勢代數(shù)和。即中間溫度定律的意義：利用該定律，可對參考端溫度不為0的熱電勢進(jìn)行修正。另外，可以選用廉價的熱電偶A、B代替t到t0段的熱電偶A、B，只要在 t、t0溫度范圍內(nèi)A、B與A、B熱電偶具有相近的熱電勢特性，便可將熱電偶冷端延長到溫度恒定的地方再進(jìn)行測量，使測量距離加長，還可以降低測量成本，而且不受原熱電偶自由端溫度t的影響。這就是在實際測量中，對冷端溫度進(jìn)行修正，運用補償導(dǎo)線延長測溫距離，消

37、除熱電偶自由端溫度變化影響的道理。參考電極定律含義：已知熱電極A,B與參考電極C組成的熱電偶在接點溫度為（t，t0）時的熱電勢分別為 、 ，則相同溫度下，由A，B兩種熱電極配對后的熱電勢 可按下式計算為： 參考電極定律的意義：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)電極與參考電極配對的熱電勢，那么任何兩種電極配對后的熱電勢均可利用該定理計算，而不需要逐個進(jìn)行測定。由于純鉑絲的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點較高，易提純，所以目前常用純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極。7. 熱電偶的性質(zhì)有哪些？答：（1）當(dāng)兩熱電極材料相同時，不論接點溫度相同與否，回路總熱電勢均為零。（2）當(dāng)熱電偶兩個接點溫度相同時，不論

38、電極材料相同與否，回路總熱電勢均為零。（3）只有當(dāng)電極材料不同，兩接點溫度不同時，熱電偶回路才有熱電勢。當(dāng)電極材料選定后，兩接點的溫差越大，熱電勢也就越大。（4）回路中熱電勢的方向取決于熱端的接觸電勢方向或回路電流流過冷端的方向。8. 為什么要對熱電偶進(jìn)行冷端溫度補償？常用的補償方法有幾種？補償導(dǎo)線的作用是什么？連接補償導(dǎo)線要注意什么？答：由于熱電偶的分度表是在冷端溫度為0時測得的，如果冷端溫度不為零，測得的熱電勢就不能直接去查相應(yīng)的分度表。另外，根據(jù)熱電偶的測溫原理，熱電偶回路的熱電勢只與冷端和熱端的溫度有關(guān)，當(dāng)冷端溫度保持不變時，熱電勢才與測量端溫度成單值對應(yīng)關(guān)系。但在實際測量時，冷端溫度

39、常隨環(huán)境溫度變化而變化，不能保持恒定，因而會產(chǎn)生測量誤差。為了消除測量誤差，要對熱電偶進(jìn)行冷端溫度補償。常采補償方法： 0冷端恒溫法、冷端恒溫法、補償導(dǎo)線法（延引電極法）、電橋補償法。補償導(dǎo)線的作用：補償導(dǎo)線僅起延長熱電極的作用，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起任何溫度補償作用。但由于補償導(dǎo)線比熱電偶便宜，節(jié)約了測量經(jīng)費。連接補償導(dǎo)線必須注意兩個問題：兩根補償導(dǎo)線與熱電偶相連的接點溫度必須相同；不同的熱電偶要與其型號相應(yīng)的補償導(dǎo)線配套使用，且必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用，極性不能接反。9. 熱電偶測溫線路有幾種？試畫出每種測溫電路原理圖，并寫出熱電勢表達(dá)式。答：測溫某一點溫度、測量

40、兩點間溫差電路、測量多點溫度之和電路、測量幾點的平均溫度、多點溫度測量線路。圖3-37 熱電偶測量某一點溫度圖3-38 熱電偶測量兩點溫差測溫電路原理圖：圖3-41 一臺儀表分別測量多點溫度圖3-39 測量兩點溫度之和圖3-40 測量兩點平均溫度圖3-53 熱電偶測量煉鋼爐熔融金屬某一點溫度10. 如圖3-53所示，用K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶測量煉鋼爐熔融金屬某一點溫度，A、B為補償導(dǎo)線，Cu為銅導(dǎo)線。已知， ，。（1）當(dāng)儀表指示為39.314mV時，計算被測點溫度t = ?（2）如果將A、B換成銅導(dǎo)線，此時儀表指示為37.702mV，再求被測點溫度t = ? （3）將熱電偶直接插到熔融金屬同

41、一高度來測量此點的溫度，是利用了熱電偶的什么定律？如果被測液體不是金屬，還能用此方法測量嗎？為什么？答：（1）當(dāng)A、B為補償導(dǎo)線，Cu為銅導(dǎo)線時。熱電偶的冷端溫度為 t2=0.0，此時儀表的指示39.314mV即為熱端溫度t相對于0.0熱電勢，即,查分度表可得被測點溫度t 950。（2）如果將A、B換成銅導(dǎo)線，此時熱電偶的冷端溫度即變?yōu)閠1=40，此時儀表的指示為，根據(jù)中間溫度定律即可求得測量端相對于0的熱電勢：，查分度表可得被測點溫度t 950。（3）將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來測量此點的溫度，是利用了熱電偶的中間導(dǎo)體定律，如果被測液體不是金屬，就不能用此方法來測量？因為不滿足熱電偶的

42、基本定律要求。圖3-38熱電偶測量兩點溫差CuU3tABAAB接線盒1 t1接線盒2 t2接線盒3 t3CuOOOOOO11. 用兩只K型熱電偶測量兩點溫差，如圖3-38所示。已知，試求兩點的溫差。答：根據(jù)熱電偶測量兩點溫差的電路可知儀表的指示為：查分度表可知12. 試分析圖3-47所示集成溫度傳感器AD590用于熱電偶參考端溫度補償電路的工作原理。答：由圖3-47所示，AD590與熱電偶參考端處于同一溫度下。AD580是一個三端穩(wěn)壓器，其輸出電壓Uo = 2.5V。電路工作時，調(diào)整電阻R2使得I1 = t0x10-3mA，這樣在電阻R1上便產(chǎn)生一個隨參考端溫度t0變化的補償電壓U1 =I1

43、* R1。若熱電偶參考端溫度為t0，工作時應(yīng)使U1EAB（t0，0）。這樣就能自動補償由于冷端溫度變化帶來的測量誤差。不同分度號的熱電偶，R1的阻值亦不同。這種圖 3-47 熱電偶參考端的補償電路補償電路靈敏、準(zhǔn)確、可靠、調(diào)整方便。13. 輻射式溫度傳感器的工作原理是什么？有何特點？答：輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能隨溫度變化的原理制成的。是一種非接觸式測溫方法，只要將傳感器與被測對象對準(zhǔn)即可測量其溫度的變化。與接觸式溫度傳感器相比，具有以下特點：1）傳感器與被測對象不接觸，不會干擾被測對象的溫度場，故可測量運動物體的溫度，且可進(jìn)行遙測。2）由于傳感器與被測對象不在同一環(huán)境中，不會受到被測

44、介質(zhì)性質(zhì)的影響，所以可以測量腐蝕性、有毒物體、帶電體的溫度，測溫范圍廣，理論上無測溫上限限制。3）在檢測時傳感器不必和被測對象進(jìn)行熱量交換，所以測量速度快，響應(yīng)時間短，適于快速測溫。4）由于是非接觸測量，測量精度不高，測溫誤差大。第4章 位移、物位傳感器1. 莫爾條紋的含義是什么？其主要特性有哪些？試畫圖分析。答：莫爾條紋含義:如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，如圖4-10所示。圖4-9 莫爾條紋莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，圖4-10中d-d線區(qū)所示。f-f

45、 線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。 莫爾條紋有兩個重要的特性：（1）位移的方向性：當(dāng)指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示光柵的方向上下移動，查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方向。（2）放大作用：莫爾條紋有位移的放大作用。當(dāng)主光柵沿著與刻線垂直的方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距B。當(dāng)兩個等距光柵的柵間夾角較小時，主光柵移動一個柵距W，莫爾條紋移動KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)，可由下式確定，即圖4-10 莫爾條紋 例如：每毫米有50根線的光柵，當(dāng)兩光柵間的夾角時，莫爾條紋間距，。當(dāng)，。由此看出，兩個光柵面夾角越小，莫爾條紋的放大倍數(shù)越大，這樣就可

46、把肉眼看不見的光柵位移變成清晰看見的莫爾條紋移動，可以用測量莫爾條紋的移動來測量光柵的位移，從而實現(xiàn)高靈敏的位移測量。2. 磁柵位移傳感器的工作原理是什么？答：磁柵位移傳感器由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測電路組成。其工作原理是電磁感應(yīng)原理，當(dāng)線圈在一個周期性磁體表面附近勻速運動時，線圈上就會產(chǎn)生不斷變化的感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小，既和線圈的運動速度有關(guān)，還和磁性體與線圈接觸時的磁性大小及變化率有關(guān)。根據(jù)感應(yīng)電動勢的變化情況，就可獲得線圈與磁體相對位置和運動的信息。3. 電容式、電感式接近傳感器的工作原理是什么？被測物體是什么材料？為什么？答：電容式接近傳感器的工作原理：電容式接近傳感器是一個以

47、電極為檢測端的靜電電容式接近開關(guān)，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，平時檢測電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個組成部分。當(dāng)被檢測物體接近檢測電極時，由于檢測電極加有電壓，檢測電極就會受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測物體越靠近檢測電極，檢測電極上的感應(yīng)電荷就越多，由于檢測電極的靜電電容為C=Q/V，所以隨著電荷量的增多，使檢測電極電容C隨之增大，由于振蕩電路的振蕩頻率與電容成反比，所以當(dāng)電容C增大時振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號后向外輸出。電感式接近傳感器的工作原理：電感式接近傳感器由高頻振蕩

48、電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。檢測用敏感元件為檢測線圈，它是振蕩電路的一個組成部分，振蕩電路的振蕩頻率為。當(dāng)檢測線圈通以交流電時，在檢測線圈的周圍就產(chǎn)生一個交變的磁場，當(dāng)金屬物體接近檢測線圈時，金屬物體就會產(chǎn)生電渦流而吸收磁場能量，使檢測線圈的電感L發(fā)生變化，從而使振蕩電路的振蕩頻率減小，以至停振。振蕩與停振這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號輸出。電容、電感式接近傳感器被測物體都是金屬導(dǎo)體材料，因為電容式接近傳感器是一個以電極為檢測端的靜電電容式接近開關(guān)，只有金屬導(dǎo)體材料才能產(chǎn)生電荷。電感式接近傳感器工作原理是電渦流效應(yīng)，只有在金屬導(dǎo)體內(nèi)才能產(chǎn)生電渦流。4. 試分析圖4-2

49、2所示壓力傳感器是如何測量液位高度的？圖4-22 開放型儲液罐壓力示意圖答：圖4-22為壓差式液位傳感器，其工作原理是根據(jù)液面的高度與液壓成比例的原理制成的。如果液體的密度恒定，則液體加在測量基準(zhǔn)面上的壓力與液面到基準(zhǔn)面的高度成正比，因此通過壓力的測定便可知液面的高度。5. 電容式物位傳感器是如何測量物體位置的？答：電容式物位傳感器是利用被測物不同，其介電常數(shù)不同，電容量也不同的特點進(jìn)行檢測的。6. 試分析電磁流量計的工作原理，并推導(dǎo)流量的表達(dá)式。答：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場中運動切割磁力線時，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場的磁感應(yīng)強度B，導(dǎo)體在

50、磁場內(nèi)的長度L及導(dǎo)體的運動速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，則.與此相仿，在磁感應(yīng)強度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速流動時，導(dǎo)電流體就切割磁力線。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極，如圖4-33所示。圖4-33 電磁流量計原理簡圖可以證明，只要管道內(nèi)流速分布均勻，兩電極之間也將產(chǎn)生感生電動勢： 。式中，為管道截面上的平均流速。由此可得管道的體積流量為： 由上式可見，體積流量與感應(yīng)電動勢e和測量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系，與磁場的磁感應(yīng)強度B成反比，與其它物理參數(shù)無關(guān)這就是電磁流量計的測量原理。第5章 光電傳感器1. 光電效應(yīng)

51、有哪幾種？分別對應(yīng)什么光電元件？答：光電效應(yīng)大致可以分為三類：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。對應(yīng)的光電元件：用外光電效應(yīng)制成的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等；內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電元器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管和光敏晶閘管等；基于光生伏特效應(yīng)的光電元器件是光電池。2. 試比較光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏晶體管的性能差異，并簡述在不同場合下應(yīng)選用哪種元件最為合適。答：（1）光譜特性： 圖5-11 光敏二極管的光譜特性圖5-6 光敏電阻的光譜特性曲線圖5-15 光電池的光譜特性（2）響應(yīng)時間：光敏電阻中的光電流的變化滯后于光的變化的時間，即光敏電阻突然感受光照時，

52、光電流并不是立刻上升到其穩(wěn)定數(shù)值，且當(dāng)光突然消失時光電流也不會立刻下降到零，這說明光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后。盡管不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時間，但都存在著這種時延特性，因此，光敏電阻不能用在要求快速響應(yīng)的場合。硅光敏二極管的響應(yīng)時間約為s左右，光敏晶體管的響應(yīng)速度則比相應(yīng)的二極管大約慢一個數(shù)量級，而鍺管的響應(yīng)時間要比硅管小一個數(shù)量級。因此在要求快速響應(yīng)或入射光調(diào)制頻率（明暗交替頻率）較高時，應(yīng)選用硅光敏二極管。由于光敏晶體管基區(qū)的電荷存儲效應(yīng)，所以在強光照和無光照時，光敏晶體管的飽和與截止需要更多的時間，所以它對入射調(diào)制光脈沖的響應(yīng)時間更慢，最高工作頻率更低。光電池：

53、由于光電池受照射產(chǎn)生電子一空穴對需要一定的時間，因此當(dāng)入射光的調(diào)制頻率太高時，光電池輸出的光電流將下降。硅光電池的面積越小，PN結(jié)的極間電容也越小，頻率響應(yīng)就越好，硅光電池的頻率響應(yīng)可達(dá)數(shù)十千赫茲至數(shù)兆赫茲，硒光電池的頻率特性較差，目前已較少使用。（3）溫度特性：光敏電阻和其他半導(dǎo)體器件一樣，受溫度的影響較大，隨著溫度的升高，它的暗電阻與靈敏度都下降的特性。光敏二極管和光敏晶體管：溫度變化對亮電流影響不大，但對暗電流影響非常大，并且是非線性的。在微光測量中有較大誤差。硅管的暗電流比鍺管小幾個數(shù)量級，所以在微光測量中應(yīng)采用硅管。另外由于硅光敏晶體管的溫漂大，所以盡管光敏三級管靈敏度較高，但是在高

54、精度測量中應(yīng)選擇硅光敏二極管?？刹捎玫蜏仄⒏呔鹊倪\算放大器來提高精度。光電池：溫度特性是描述光電池的開路電壓UO和短路電流Isc隨溫度變化的特性。從圖5-17中可以看出，開路電壓隨溫度增加而下降的速度較快，電壓溫度系數(shù)約為2/。而短路電流隨溫度上升而緩慢增加，溫度系數(shù)較小。當(dāng)光電池作為檢測元件時，應(yīng)考慮溫度漂移的影響，采取相應(yīng)措施進(jìn)行補償。3. 光電傳感器有哪些部分組成？被測量可以影響光電傳感器的哪些部分？ 答：光電式傳感器由光源、光學(xué)元器件和光電元器件組成光路系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換電路而構(gòu)成。被測量主要影響光電傳感器的敏感原件。4. 簡述光電倍增管的工作原理。答：光電倍增管由真空管殼內(nèi)

55、的光電陰極、陽極以及位于其間的若干個倍增電極構(gòu)成。工作時在各電極之間加上規(guī)定的電壓。當(dāng)光或輻射照射陰極時，陰極發(fā)射光電子，光電子在電場的作用下加速逐級轟擊發(fā)射倍增電極，在末級倍增電極形成數(shù)量為光電子的倍的次級電子。眾多的次級電子最后為陽極收集，在陽極電路中產(chǎn)生可觀的輸出電流。通常光電倍增管的靈敏度比光電管要高出幾萬倍，在微光下就可產(chǎn)生較大的電流。5. 試述圖5-50所示光敏電阻式光控開關(guān)的工作原理。 答：白天有光照時，光敏電阻阻值很小，晶體管、不導(dǎo)通，繼電器斷開；夜晚無光照時，光敏電阻呈現(xiàn)高阻，晶體管、導(dǎo)通，繼電器吸合，從而實現(xiàn)光控開關(guān)的作用。 圖5-50 光敏電阻式光控開關(guān)6. 試分析圖5-51所示光控自動照明燈電路的工作原理。 圖5-51 光控自動照明燈解答：圖中VT1為觸發(fā)二極管，觸發(fā)電壓約為30V左右。白天自然光線較強，光敏電阻器RG呈現(xiàn)低阻，它與RP的分壓低于30V（A點），觸發(fā)二極管截止，雙向可控硅無觸發(fā)電流，VT2呈斷開狀態(tài)，燈EL不亮。夜幕來臨時，照射在RG上的自然光線較弱，RG呈現(xiàn)高電阻，A點電壓大于30V，觸發(fā)二極管導(dǎo)通，雙向可控硅導(dǎo)通，燈EL點亮。R1、C1為保護(hù)雙向可控硅的吸收電路。7. 試分析光電掃描筆是如何工作的？答：掃描筆的前方為光電讀入頭，它由一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管組成，當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動時，若遇到黑色線條，