傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)習(xí)題解答

解答1.簡(jiǎn)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(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信作用：將被測(cè)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。答：傳感器常用的分類(lèi)方法有兩種，一種是按被測(cè)輸入量來(lái)分，另一種是按傳感器的工作原理按被測(cè)輸入量來(lái)分：這種分類(lèi)方法的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是沒(méi)有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基原理及分析方法。按傳感器的工作原理來(lái)分：這種分類(lèi)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)傳感器的工作原理表達(dá)的比較清楚，而且類(lèi)別少，有利于傳感器專(zhuān)業(yè)工作者對(duì)傳感器進(jìn)行深入的研究分析。其缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用。號(hào)包括哪幾部分？在各種文件中如何應(yīng)用？(1)主題詞——傳感器。(2)第1級(jí)修飾語(yǔ)——被測(cè)量，包括修飾被測(cè)量的定語(yǔ)。(3)第2級(jí)修飾語(yǔ)——轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字。他必須的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。(5)第4級(jí)修飾語(yǔ)——主要技術(shù)指標(biāo)(量程、精確度、靈敏度等)。本命名法在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計(jì)表格、圖書(shū)索引、檢索以及計(jì)算機(jī)漢字處理等特殊場(chǎng)合使用。在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣書(shū)、學(xué)術(shù)論文、教材及書(shū)刊的陳述句子中，作為產(chǎn)品名稱(chēng)應(yīng)采用與上述相反的順序。Pa在側(cè)重傳感器科學(xué)研究的文獻(xiàn)、報(bào)告及有關(guān)教材中，為方便對(duì)傳感器進(jìn)行原理及其分類(lèi)傳感器代號(hào)的標(biāo)記方法：一般規(guī)定用大寫(xiě)漢字拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成傳感器完整代號(hào)。傳感器完整代號(hào)應(yīng)包括以下4個(gè)部分：(1)主稱(chēng)(傳感器)；(2)被測(cè)量；(3)轉(zhuǎn)換原理；(4)(4)序號(hào)(3)轉(zhuǎn)換原理(2)被測(cè)量(1)主稱(chēng)有少數(shù)代號(hào)用其英文的第一個(gè)字母表示，如加速度用“A”表示。及量程范圍等幾種性能指標(biāo)來(lái)描述。含義：線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離理論擬合直線的程度，又稱(chēng)非線性誤差。通常用相對(duì)誤差表示其大小；靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下，輸出增量與輸入增量的比值。對(duì)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(duì)于非線性傳感器，其靈敏度是一個(gè)隨工作點(diǎn)而變的變量，它是特性曲線上某一點(diǎn)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(cè)試時(shí)，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—輸入特性曲線不傳感器的分辯力是在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)的輸入量的最小變化量。有時(shí)也用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示，稱(chēng)為分辨率。閾值通常又稱(chēng)為死區(qū)、失靈區(qū)、靈敏限、靈敏閾、鈍感區(qū)，是輸入量由零變化到使輸出量開(kāi)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(zhǎng)期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長(zhǎng)期穩(wěn)定性表示，它是指在室溫條件下,經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來(lái)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(wú)關(guān)的不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)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(diǎn)或靈敏度傳感器所能測(cè)量的最大被測(cè)量(輸入量)的數(shù)值稱(chēng)為測(cè)量上限，最小被測(cè)量稱(chēng)為測(cè)量下限，上限與下限之間的區(qū)間，則稱(chēng)為測(cè)量范圍。測(cè)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(duì)稱(chēng)的和無(wú)零值的等。測(cè)量上限與下限的代數(shù)和稱(chēng)為量程。通常采用階躍信號(hào)和正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。以階躍信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入，研究系統(tǒng)輸出波形的方 )。特點(diǎn)？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。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。單，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(cè)量較kN應(yīng)變片。變截(4)扭轉(zhuǎn)軸彈性敏感元件主要用來(lái)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(hào)輸出。工作原理是什么？它是如何測(cè)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(lái)工作的。即金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值隨它承受的機(jī)械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象。測(cè)試時(shí)，將應(yīng)變片用粘接劑牢固的粘貼在被測(cè)試件的表面上，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(guò)一定的測(cè)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力應(yīng)變電阻電壓或電流力試件電阻應(yīng)變片測(cè)量電路顯示記錄儀4.電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路有哪些？各有何特點(diǎn)？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(jiǎn)單，交流電橋原理與它相似，所以我們只分析直流破，有電壓輸出，輸出的電壓與被測(cè)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(dòng)雙臂電橋(半橋)、差動(dòng)全橋三種類(lèi)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(cè)5.電阻應(yīng)變片為什么要進(jìn)行溫度補(bǔ)償？補(bǔ)償方法有哪些？但與所測(cè)應(yīng)變電阻的變化比較，仍屬同一量級(jí)。如不補(bǔ)償，會(huì)引起很大測(cè)量誤差。應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有兩種，即線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償。6.應(yīng)變片的粘貼、固化和檢查工藝有哪些？(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3~5倍。(2)確定貼片位置根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(huà)線位置，用手指滾壓，把氣泡和多余的粘接劑擠出。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(shí)間等進(jìn)行固化處理。(5)穩(wěn)定處理粘接劑在固化過(guò)程中會(huì)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20℃，但不用加壓。(6)檢查經(jīng)固化和穩(wěn)定處理后，測(cè)量應(yīng)變片的阻值，以檢查貼片過(guò)程中敏感柵和引線是否損片工作的長(zhǎng)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(shù)脂、有機(jī)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。111o(2)R、R都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電12橋橋的輸出電壓U=?o(3)題(2)中，如果R、R感受應(yīng)變的極性相反，且1212o(4)由題(1)~(3)能得出什么結(jié)論與推論？111圖2-88直流應(yīng)變電橋04Ri4120(2)當(dāng)R、R都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻時(shí)，12根據(jù)電橋的輸出總公式04(R04(RRRR)123404(RRRR)4(12004(RRRR)4(120120120120)1234(3)題(2)中，如果R、R感受應(yīng)變的極性相反，且編R=編R=1.2業(yè)，也就是121212i(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(gè)橋臂為應(yīng)變片工作橋臂時(shí)，感受的應(yīng)變必須是一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，電橋才有輸出。相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，外力去掉后，電荷消失。力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。用于傳感器的壓電材料或元件可分三類(lèi)：一類(lèi)是單晶壓電晶體；另一類(lèi)是極化的多晶壓電陶瓷；第三類(lèi)是高分子壓電材料。9.試用石英晶體為例說(shuō)明壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程。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(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，當(dāng)無(wú)外力作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心重合，對(duì)外不顯電性。當(dāng)在X軸向施加壓力時(shí)，如圖2-25(a)所示，各晶格上的帶電粒子均產(chǎn)生相對(duì)位移，氧離心向B面移動(dòng)，負(fù)電荷中心向負(fù)電荷。若沿Z軸方向施加力的作用時(shí)，由于硅離子和氧離子是對(duì)稱(chēng)的平移，故在表面沒(méi)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(guò)程。答：壓電陶瓷是人工制造的一種多晶壓電體，它有無(wú)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(gè)單晶具有強(qiáng)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(gè)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(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)，使極性軸轉(zhuǎn)動(dòng)到接近電場(chǎng)方向，規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)壓電陶瓷受到力的作用時(shí)，極化強(qiáng)度就發(fā)生變化，在垂直于極化方向上的平面上就會(huì)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(cè)量電路是什么？各有何特點(diǎn)？為什么壓電傳感器不能測(cè)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(hào)，這時(shí)可以把傳感器看作電壓發(fā)生器；也可以是電荷信號(hào)，這時(shí)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(diǎn)：由電壓放大器的輸U(kuò)=dFm出可以看出，放大器輸入電壓與電纜的電容Cc有imC+C+C生變化。在設(shè)計(jì)時(shí)，通常把電纜長(zhǎng)度定為常數(shù)，使用時(shí)如要改變電纜長(zhǎng)度，則必須重新校正電壓靈敏度值。f可以很長(zhǎng)，可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米，甚至上千米，靈敏度卻無(wú)明顯損失。這是電荷放大器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。因此在測(cè)量時(shí)，不必考慮傳感器與放大器配套的問(wèn)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(cè)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(wú)泄露的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的。因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)量時(shí)，放大器的輸入電阻R和傳感器的泄漏電阻R不可能為無(wú)窮大，因此電荷就會(huì)通過(guò)放大器的輸入ia電阻R和傳感器的泄漏電阻R漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測(cè)量。壓電元件在交變力的ia作用下，電荷可以不斷得到補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。0QQZZf0可知,可知,壓電陶瓷上產(chǎn)生的電荷of根據(jù)Q=dF，壓電傳感器所受的力QQ410一9o2-32電荷放大器等效電路13.石英晶體的縱向壓電系數(shù)fyy解答：解答：(1)電荷放大器的輸出a當(dāng)沿機(jī)械軸施加力F時(shí)，產(chǎn)生的由Q=一dFyXYXXbY意，參考石英晶體的切片圖，可以看出a=3bQ根據(jù)式U=一得Q=一UC，即OCOffaQ=Q=一dF=UCXYXXbYOfb1b1求出F=UC=30.0110一64348(N)YOfad3b2.310一12XX14.用壓電式傳感器測(cè)量一正弦變化的作用力，采用電荷放大器，壓電元件用兩片壓電陶瓷并聯(lián)，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(gè)壓電元件電荷的兩倍，即Q=2Q,XXQ根據(jù)電荷放大器的輸出U=，得OCfOfQXX=dZZ.FZ=12Q,得壓電傳感器受到的作用力ZZ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AA也隨之改變。若保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，通過(guò)被測(cè)量的變化改變其中的一個(gè)參數(shù)，就可把被測(cè)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(lèi)：電容式傳感器根據(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(diǎn)：變間隙式電容傳感器：只能測(cè)量微小位移(微米級(jí))；變面積式電容傳感器：可以測(cè)量較大位移的變化，常為厘米級(jí)位移量。變介電常數(shù)式電容式傳感器。可用來(lái)測(cè)量物位或液位，也可測(cè)量位移，可以測(cè)量較大位移的變16.試說(shuō)明差動(dòng)式電容傳感器結(jié)構(gòu)是如何提高測(cè)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(lái)分析。當(dāng)d變化時(shí)，電容量的相對(duì)變化約為CdCdCd0兩個(gè)定極板對(duì)稱(chēng)安裝，中間極板為動(dòng)極板。當(dāng)中間極板不受外力作用時(shí)，由于d=d=d，所120121212d00C2d=Cd(2-37)式(2-37)與式(2-35)相比，輸出靈敏度提高了一倍。答：常見(jiàn)的電容式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路有橋式電路、調(diào)頻電路、充放電脈沖電路、運(yùn)算放大器兩極板間距為d=1mm。當(dāng)動(dòng)極板在原始位置上平移了5mm后，求傳感器電容量的變化C及電電容相對(duì)變化量C/C。(空氣的相對(duì)介電常數(shù)e=1F/m，0r0Cx答：根據(jù)變面積型平板式電容傳感器的電容表達(dá)式：=一Ca0Cx5后，電容的相對(duì)變化量為=一=-=-0.625Ca80傳感器電容量的變化xeeabx18.85410一128125C=一C=一r0=一必一531.24pF0ada18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(cè)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(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)非電感傳感器的分類(lèi)：根據(jù)信號(hào)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(lèi)。答：自感式傳感器常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路有橋式測(cè)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(cè)量電路和調(diào)幅電路。差動(dòng)變壓器輸出電壓可直接用交流電壓表接在反相串聯(lián)的兩個(gè)二次繞組上測(cè)量，此時(shí)空載輸出電壓為U=EE，也可采用電橋電路來(lái)測(cè)量。O2122電渦流傳感器的工作原理是什么？形成電渦流的兩個(gè)必備條件是什么？做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(lèi)似于水中的漩渦，所以稱(chēng)為電渦流。電渦流的存在必然要消耗一部分磁場(chǎng)的能量，從而使激勵(lì)線圈的阻抗發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱(chēng)為電渦流傳感器。要形成電渦流必須具備兩個(gè)條件：(1)存在交變磁場(chǎng)；(2)導(dǎo)體處于交變磁場(chǎng)中。外力或應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。接觸式測(cè)溫：感溫元件與被測(cè)對(duì)象接觸，彼此進(jìn)行熱量交換，使感溫元件與被測(cè)對(duì)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(cè)對(duì)象的溫度。這類(lèi)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有較大的滯后現(xiàn)象(由于與被測(cè)物熱交換需要一定的時(shí)間)，不適于測(cè)量小的物體、腐蝕性強(qiáng)的物體及運(yùn)動(dòng)物體的溫度，并且由于感溫元件與被測(cè)對(duì)象接觸，從而影響被測(cè)環(huán)境溫度的變化，測(cè)溫范圍也受到感溫元件材料特性的限制等。非接觸式測(cè)溫：利用物體表面的熱輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系來(lái)測(cè)量溫度的。通過(guò)測(cè)量一定距離處被測(cè)物體發(fā)出的熱輻射強(qiáng)度來(lái)確定被測(cè)物的溫度。這類(lèi)溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：可以測(cè)量高溫及腐蝕性、有毒物體的溫度。測(cè)溫速度快，不存在滯后現(xiàn)象，測(cè)溫范圍不受限制，可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體、導(dǎo)易受被測(cè)物體與儀表間距離、煙塵、水氣及被測(cè)物熱輻射率的影響，測(cè)量精度較低等。液體膨脹式溫度計(jì)：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(lái)測(cè)量溫度的。一般用于低溫和中溫溫度測(cè)量。特點(diǎn)：不僅比較簡(jiǎn)單直觀，而且還可以避免外部遠(yuǎn)傳溫度計(jì)的誤差。但易破碎，刻度微細(xì)不便讀取，不適于有振動(dòng)和容易受到?jīng)_擊的場(chǎng)合。固體膨脹式溫度計(jì)：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(shí)，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(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)顯示溫度，直觀方便，抗震性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固可靠，使用壽命長(zhǎng)，但精度不氣體膨脹式溫度計(jì)：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(lái)測(cè)量溫度類(lèi)型：按制造材料來(lái)分，一般把由金屬導(dǎo)體鉑、銅、鎳等制成的測(cè)溫元件稱(chēng)為金屬熱電阻，簡(jiǎn)稱(chēng)熱電阻傳感器；把由半導(dǎo)體材料制成的測(cè)溫元件稱(chēng)為熱敏電阻。4.金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有哪幾種？各有何特點(diǎn)？熱電阻傳感器的測(cè)量電路有哪些？說(shuō)明每種測(cè)量電路的特點(diǎn)。答：金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有鉑和銅。質(zhì)極其穩(wěn)定，主要用于高精度溫度測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫裝置，測(cè)溫范圍為-200~850℃。熱電阻傳感器的測(cè)量電路常用電橋電路。外界引線如果較長(zhǎng)時(shí)，引線電阻的變化會(huì)使測(cè)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(cè)量電路或四線制恒流源測(cè)量電路。四線制恒流源測(cè)量電路，四根導(dǎo)線的電阻r對(duì)測(cè)量都沒(méi)影響。但要因?yàn)殡娏髁鬟^(guò)導(dǎo)體時(shí)導(dǎo)體存在發(fā)熱現(xiàn)象，所以供電電流不宜過(guò)大，一般在以下。精確測(cè)量時(shí)，通電電流為。熱電偶回路中總熱電勢(shì)的表達(dá)式。路，若兩接點(diǎn)的溫度不同，則在該回路中將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，兩個(gè)接點(diǎn)的溫差越大，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也越大。組成回路的導(dǎo)體材料不同，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也不一樣，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。熱電勢(shì)的組成：由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成。(1)兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)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(shì)。假設(shè)兩種金屬A、B的自由電子濃度分別為N和N，且N＞N。當(dāng)兩種金屬相接時(shí)，將產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。在ABAB屬B得到電子帶負(fù)電，在接觸面形成電場(chǎng)。此電場(chǎng)阻止電子進(jìn)一步擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在接E數(shù)值取決于兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度，而與導(dǎo)體的形狀及尺寸無(wú)關(guān)。溫度越高，接觸電勢(shì)也越大。接觸電勢(shì)的方向由兩導(dǎo)體材料決定。(2)單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)對(duì)于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為t、t，如圖3-23所示，則導(dǎo)體中的自由電子，在高溫端0體兩端產(chǎn)生了電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)稱(chēng)為單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。ABAB0ABB0AB0A0(3-5)AB0ABB0AB0A0在總熱電勢(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不計(jì)，則熱電偶的熱電勢(shì)可表示為AB0ABAB0(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。回路中總的熱電勢(shì)不變，即第三種導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。中間導(dǎo)體定律的意義：根據(jù)這個(gè)定律，我們可采取任何方式焊接導(dǎo)線，可以將熱電勢(shì)通過(guò)導(dǎo)線接至測(cè)量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量,且不影響測(cè)量精度?？刹捎瞄_(kāi)路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬和金屬壁面進(jìn)行溫度測(cè)量，只要保證兩熱電極插入地方的溫度相同即可。AB0ABAB0中間溫度定律的意義：利用該定律，可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。另外，可以與A、B熱電偶具有相近的熱電勢(shì)特性，便可將熱電偶冷端延長(zhǎng)到溫度恒定的地方再進(jìn)行測(cè)量，使t中，對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正，運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線延長(zhǎng)測(cè)溫距離，消除熱電偶自由端溫度變化影響的道理。AB0AC0BC0參考電極定律的意義：參考電極定律大大簡(jiǎn)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(duì)的熱電勢(shì)，那么任何兩種電極配對(duì)后的熱電勢(shì)均可利用該定理計(jì)算，而不需要逐個(gè)進(jìn)極。答：(1)當(dāng)兩熱電極材料相同時(shí)，不論接點(diǎn)溫度相同與否，回路總熱電勢(shì)均為零。(2)當(dāng)熱電偶兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同時(shí)，不論電極材料相同與否，回路總熱電勢(shì)均為零。(3)只有當(dāng)電極材料不同，兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)，熱電偶回路才有熱電勢(shì)。當(dāng)電極材料選定后，兩接點(diǎn)的溫差越大，熱電勢(shì)也就越大。(4)回路中熱電勢(shì)的方向取決于熱端的接觸電勢(shì)方向或回路電流流過(guò)冷端的方向。8.為什么要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？常用的補(bǔ)償方法有幾種？補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是什么？連接答：由于熱電偶的分度表是在冷端溫度為0℃時(shí)測(cè)得的，如果冷端溫度不為零，測(cè)得的熱電勢(shì)就不能直接去查相應(yīng)的分度表。另外，根據(jù)熱電偶的測(cè)溫原理，熱電偶回路的熱電勢(shì)只與冷端和熱端的溫度有關(guān)，當(dāng)冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才與測(cè)量端溫度成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。但在實(shí)際測(cè)量時(shí)，0要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。常采補(bǔ)償方法：0℃冷端恒溫法、冷端恒溫法、補(bǔ)償導(dǎo)線法(延引電極法)、電橋補(bǔ)償法。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用：補(bǔ)償導(dǎo)線僅起延長(zhǎng)熱電極的作用，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起任何溫度補(bǔ)償作用。但由于補(bǔ)償導(dǎo)線比熱電偶便宜，節(jié)約了測(cè)量經(jīng)費(fèi)。連接補(bǔ)償導(dǎo)線必須注意兩個(gè)問(wèn)題：①兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶相連的接點(diǎn)溫度必須相同；②不同的熱電偶要與其型號(hào)相應(yīng)的補(bǔ)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(cè)溫線路有幾種？試畫(huà)出每種測(cè)溫電路原理圖，并寫(xiě)出熱電勢(shì)表達(dá)式。答：測(cè)溫某一點(diǎn)溫度、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫差電路、測(cè)量多點(diǎn)溫度之和電路、測(cè)量幾點(diǎn)的平均溫度、測(cè)溫電路原理圖：AB0AB10AB20AB1AB21AB10AB20E=AB10AB202E=AB10AB202110.如圖3-53所示，用K型(鎳鉻-鎳硅)熱電123(1)當(dāng)儀表指示為時(shí)，計(jì)算被(2)如果將A′、B′換成銅導(dǎo)線，此時(shí)圖3-53熱電偶測(cè)量煉鋼爐熔融金屬某一點(diǎn)溫儀表指示為，再求被測(cè)點(diǎn)溫度t=?(3)將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來(lái)測(cè)量此點(diǎn)的溫度，是利用了熱電偶的什么定律？如果被答：(1)當(dāng)A′、B′為補(bǔ)償導(dǎo)線，Cu為銅導(dǎo)線時(shí)。熱電偶的冷端溫度為t=0.0℃，此時(shí)儀表2AB (2)如果將A′、B′換成銅導(dǎo)線，此時(shí)熱電偶的冷端溫度即變?yōu)閠=40℃，此時(shí)儀表的指示為ABABABAB(3)將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來(lái)測(cè)量此點(diǎn)的溫度，是利用了熱電偶的中間導(dǎo)體定律，如果被測(cè)液體不是金屬，就不能用此方法來(lái)測(cè)量？因?yàn)椴粷M足熱電偶的基本定律要求。12012答：根據(jù)熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差的電路可知儀表的指示為：AB10AB20AB1AB2出電壓U=。電路工作時(shí)，調(diào)整電阻R使得I=o21txmAR生一個(gè)隨參考端溫01度t變化的補(bǔ)償電壓U=I*R。若熱電偶參考011101AB0就能自動(dòng)補(bǔ)償由于冷端溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤1補(bǔ)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？有何圖3-47熱電偶參考端的補(bǔ)償電路答：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(cè)溫方法，只要將傳感器與被測(cè)對(duì)象對(duì)準(zhǔn)即可測(cè)量其溫度的變化。與接觸式溫度傳感器相比，具有以下特1)傳感器與被測(cè)對(duì)象不接觸，不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)，故可測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，且可進(jìn)2)由于傳感器與被測(cè)對(duì)象不在同一環(huán)境中，不會(huì)受到被測(cè)介質(zhì)性質(zhì)的影響，所以可以測(cè)量腐蝕性、有毒物體、帶電體的溫度，測(cè)溫范圍廣，理論上無(wú)測(cè)溫上限限制。3)在檢測(cè)時(shí)傳感器不必和被測(cè)對(duì)象進(jìn)行熱量交換，所以測(cè)量速度快，響應(yīng)時(shí)間短，適于快速測(cè)4)由于是非接觸測(cè)量，測(cè)量精度不高，測(cè)溫誤差大。1.莫爾條紋的含義是什么？其主要特性有哪些？試畫(huà)圖分析。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過(guò)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線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。(1)位移的方向性：當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示光柵的方向上下移動(dòng)，查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)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(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B。當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角θ較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，WKW9B=W9B=2W=W=W292B1K=W9B1莫爾條紋間距B=11.459mm，K==573(倍)。當(dāng)9=0.5，B115W。由此看出，兩W9個(gè)光柵面夾角越小，莫爾條紋的放大倍數(shù)越大，這樣就可把肉眼看不見(jiàn)的光柵位移變成清晰看見(jiàn)的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)來(lái)測(cè)量光柵的位移，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量。答：磁柵位移傳感器由磁尺(磁柵)、磁頭和檢測(cè)電路組成。其工作原理是電磁感應(yīng)原理，當(dāng)線圈在一個(gè)周期性磁體表面附近勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈上就會(huì)產(chǎn)生不斷變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，既和線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，還和磁性體與線圈接觸時(shí)的磁性大小及變化率有關(guān)。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化情況，就可獲得線圈與磁體相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)的信息。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(gè)以電極為檢測(cè)端的靜電電容式接地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個(gè)組成部分。當(dāng)被檢測(cè)物體接近檢測(cè)電極時(shí)，由于檢測(cè)電極加有電壓，檢測(cè)電極就會(huì)受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測(cè)物體越靠近檢測(cè)電極，檢測(cè)電極上的感應(yīng)電荷就越多，由于檢測(cè)電極的靜電電容為C=Q/V，所以隨著電荷量的增多，使檢測(cè)電1極電容C隨之增大，由于振蕩電路的振蕩頻率f=與電容成反比，所以當(dāng)電容C增大時(shí)振2LC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(cè)電路轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)信號(hào)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電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。檢測(cè)用敏感元件為檢測(cè)線圈，它是振蕩電路的一個(gè)組成部分，振蕩電路的1振蕩頻率為f=。當(dāng)檢測(cè)線圈通以交流電時(shí)，在檢測(cè)線圈的周?chē)彤a(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)，當(dāng)2LC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(cè)電路轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信電容、電感式接近傳感器被測(cè)物體都是金屬導(dǎo)體材料，因?yàn)殡娙菔浇咏鼈鞲衅魇且粋€(gè)以電極為檢測(cè)端的靜電電容式接近開(kāi)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答：答：電容式物位傳感器是利用被測(cè)物不同，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(cè)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(guò)壓力的測(cè)定便可知液面的高度。其介電常數(shù)不同，電容量也不同的特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)6.試分析電磁流量計(jì)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感e定，其大小與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)度L及導(dǎo)體eBD。Q=A=DQ=A=D2=e?vBD44BvB量計(jì)的測(cè)量原理。答：光電效應(yīng)大致可以分為三類(lèi)：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。對(duì)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(jiǎn)述在不同場(chǎng)合下應(yīng)選用哪(2)響應(yīng)時(shí)間：光敏電阻中的光電流的變化滯后于光的變化的時(shí)間，即光敏電阻突然感受光照時(shí)，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(shí)光電流也不會(huì)立刻下降到零，這說(shuō)明光電流的變化對(duì)都存在著這硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間約為106~107s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(gè)數(shù)量級(jí)，而鍺管的響應(yīng)時(shí)間要比硅管小一個(gè)數(shù)量級(jí)。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(shí)，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(chǔ)效應(yīng)，所以在強(qiáng)光照和無(wú)光照時(shí)，光敏晶體管的飽和與截止需要更多的時(shí)間，所以它對(duì)入射調(diào)制光脈沖的響應(yīng)時(shí)間更慢，最高工作頻率更低。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光敏二極管和光敏晶體管：溫度變化對(duì)亮電流影響不大，但對(duì)暗電流影響非常大，并且是非線性的。在微光測(cè)量中有較大誤差。硅管的暗電流比鍺管小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在微光測(cè)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(jí)管靈敏度較高，但是在高精度測(cè)量中應(yīng)選擇硅光敏二極管?？刹捎玫蜏仄?、高精度的運(yùn)算放大器來(lái)提高精度?？梢钥闯觯_(kāi)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－2mV/℃。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(cè)元件時(shí)，應(yīng)考慮溫度漂移的影響，采取相應(yīng)措施進(jìn)行補(bǔ)償。3.光電傳感器有哪些部分組成？被測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)換電路而構(gòu)成。被測(cè)量主要影響光電傳感器的敏感原件。4.簡(jiǎn)述光電倍增管的工作原理。答：光電倍增管由真空管殼內(nèi)的光電陰極、陽(yáng)極以及位于其間的若干個(gè)倍增電極構(gòu)成。工作時(shí)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(shí)，陰極發(fā)射光電子，光電子在電場(chǎng)的作用的次級(jí)電子最后為陽(yáng)極收集，在陽(yáng)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(wàn)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(kāi)關(guān)的工作原理。G1答：白天有光照時(shí)，光敏電阻R阻值很小，晶體管VT、VT2不導(dǎo)通，繼電器G1無(wú)光照時(shí)，光敏電阻R呈現(xiàn)高阻，晶體管VT、VT導(dǎo)通，繼電器K吸合，從而實(shí)現(xiàn)光控開(kāi)關(guān)的G12圖5-50光敏電阻式光控開(kāi)關(guān)解答：圖中VT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(qiáng)，光敏電阻器R呈1G現(xiàn)低阻，它與RP的分壓低于30V(A點(diǎn))，觸發(fā)二極管截止，雙向可控硅無(wú)觸發(fā)電流，VT呈斷開(kāi)狀2態(tài)，燈EL不亮。夜幕來(lái)臨時(shí)，照射在R上的自然光線較弱，R呈現(xiàn)高電阻，A點(diǎn)電壓大于30V，，GG答：掃描筆的前方為光電讀入頭，它由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管組成，當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動(dòng)時(shí)，若遇到黑色線條，發(fā)光二極管發(fā)出的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈現(xiàn)高阻抗，處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)遇到白色間隔時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導(dǎo)通。整個(gè)條形碼被掃描過(guò)之后，光敏三極管將條形碼變成一個(gè)一個(gè)電脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大、整形后便形成了脈沖列，脈沖列的寬窄與條形碼的寬窄及間隔成對(duì)應(yīng)關(guān)系，脈沖列再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，完成對(duì)條形碼信息的識(shí)讀。答：根據(jù)工作原理不同，光纖傳感器可以分為傳感型和傳光型兩大類(lèi)。光纖傳感器調(diào)制方法有強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制及偏振調(diào)制等幾種。電池負(fù)載開(kāi)路時(shí)的開(kāi)路電壓與光照度的關(guān)系和。最大電壓只能達(dá)到，即使在4000lx的光10.設(shè)計(jì)一光電開(kāi)關(guān)用于生產(chǎn)流水線的產(chǎn)量計(jì)數(shù)，畫(huà)出結(jié)構(gòu)圖，并簡(jiǎn)要說(shuō)明，為防止日光燈等其他光源的干擾，設(shè)計(jì)中應(yīng)采取什么措施？式。對(duì)于發(fā)射式計(jì)數(shù)測(cè)量，當(dāng)產(chǎn)品通過(guò)光電開(kāi)關(guān)時(shí)，產(chǎn)品反射光線，接收器接收到一個(gè)光信號(hào)，輸出一系列光脈沖，通過(guò)計(jì)算光脈沖的個(gè)數(shù)就可以得到產(chǎn)品的數(shù)量。對(duì)于遮斷式計(jì)數(shù)器，當(dāng)產(chǎn)品通過(guò)光電發(fā)射器與接收器之間時(shí)，產(chǎn)品擋住了光信號(hào)，接收器接收不到光信號(hào)，從而使輸出信號(hào)發(fā)生變化，信號(hào)的變化同樣以脈沖的形式輸出，通過(guò)計(jì)算光脈沖的個(gè)數(shù)就可以得到產(chǎn)品的數(shù)量。(a)反射式(b)遮斷式11.根據(jù)圖5-47b所示的光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表的工作原理，如果轉(zhuǎn)盤(pán)的孔數(shù)為N，每秒鐘光電二極管的fN12.沖床工作時(shí)，為保護(hù)工人的手指安全。設(shè)計(jì)一安全控制系統(tǒng)，選用兩種以上的傳感器來(lái)同時(shí)探測(cè)工人的手是否處于危險(xiǎn)區(qū)域(沖頭下方)。只要有一個(gè)傳感器輸出有效(即檢測(cè)到手未離開(kāi)該危險(xiǎn)區(qū))，則不讓沖頭動(dòng)作，或使正在動(dòng)作的沖頭慣性輪剎車(chē)。說(shuō)明檢測(cè)控制方案，以及必須同時(shí)設(shè)置兩個(gè)傳感器組成“或”的關(guān)系、必須使用兩只手(左右手)同時(shí)操作沖床開(kāi)關(guān)的好處。解題思路：(1)使用光電傳感器：發(fā)光器發(fā)出的光直射到受光器，形成保護(hù)光幕。當(dāng)光幕被遮產(chǎn)生一控制輸出信號(hào)，控制沖床的制動(dòng)控制回路或其他設(shè)備的報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)沖床停止運(yùn)行或安全報(bào)警。產(chǎn)生通光、遮光信號(hào)，同時(shí)通過(guò)信號(hào)。輸出信號(hào)A輸出信號(hào)A1(2)紅外光電傳感器：光電安全裝置通過(guò)發(fā)射紅外線，產(chǎn)生保護(hù)光幕，當(dāng)操作者的手進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，安全防護(hù)裝置所發(fā)出的紅外線光束受到遮擋，控制裝置發(fā)出緊急剎車(chē)信號(hào)，使目標(biāo)設(shè)備停止運(yùn)行(如沖頭停止動(dòng)作，不能下行)；當(dāng)操作者的手從安全保護(hù)裝置的光幕作用區(qū)域內(nèi)退出時(shí)，紅外線光束立即接通，控制裝置發(fā)出接通信號(hào)，目標(biāo)設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行(如沖頭開(kāi)始運(yùn)行)。0在很多機(jī)器上，由于雙手的不協(xié)調(diào)或其它原因，一只手在起動(dòng)機(jī)器的同時(shí)，另一只手可能處于危險(xiǎn)區(qū)域，經(jīng)常出現(xiàn)安全事故。使用雙手同步控制模塊可以避免由于工人先按住或用物體或身體的一部分去頂住其中一個(gè)按鈕而帶來(lái)的安全問(wèn)題。在同步控制狀態(tài)下，必須兩個(gè)按鈕同時(shí)按下機(jī)床才動(dòng)作(兩個(gè)按鈕按下的時(shí)間差超過(guò)同步控制時(shí)間機(jī)床則不動(dòng)作)，同時(shí)輸出處于自鎖狀態(tài)，只有啟動(dòng)急停按鈕，輸出信號(hào)才斷開(kāi)終止。使用兩只手(左右手)同時(shí)操作沖床開(kāi)關(guān)，這樣可以在很大程度上減少安全事故的發(fā)生。13.思考如何利用熱釋電傳感器及其他元器件實(shí)現(xiàn)商場(chǎng)玻璃大門(mén)的自動(dòng)開(kāi)閉。到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)有到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)有qE=qDBum左右的紅外線通過(guò)菲涅耳透鏡濾光片增強(qiáng)后聚焦到紅外感應(yīng)源(熱釋電元件)上，紅外感應(yīng)源在接收到人體發(fā)出的紅外線后就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，進(jìn)而產(chǎn)生溫度變化，向外圍電路輸出一串脈沖信號(hào)，后續(xù)電路檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生大門(mén)開(kāi)閉信號(hào)。主要組成：熱釋電傳感器+單片機(jī)+電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作過(guò)程：熱釋電傳感器檢測(cè)門(mén)口，如果有人進(jìn)來(lái)，傳感器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)給單片機(jī)，這時(shí)候單1.什么是霍爾效應(yīng)?試分析霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程。一個(gè)霍爾元件在一定的電流控制下，其霍爾電動(dòng)答：霍爾效應(yīng)的概念：在置于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場(chǎng)垂直，則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電動(dòng)勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。子是電子。在圖示方向磁場(chǎng)的作用下，電子將受到一個(gè)由c側(cè)指向d側(cè)方向力的作用，這個(gè)力就是LLd面因電荷積累而建立了一個(gè)電場(chǎng)E,稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)。該電場(chǎng)H對(duì)電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續(xù)積累。當(dāng)電場(chǎng)力(F=qE)與洛侖茲力大小相等時(shí)，達(dá)HHH所以霍爾電場(chǎng)的強(qiáng)度為E=DB(6-2)HU=EW或U=DBWHHHU=EW或U=DBWHHHH設(shè)R=設(shè)R=——霍爾系數(shù)，得U=HIB設(shè)K=H——霍爾靈敏度，則U=HIB=KIB(6-3)I1U=BW=BW=IBnqHWnqHW(6-4)1RHnqHHRRHHHHH(6-5) 式(6-6)中，R為霍爾系數(shù)，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱，是由材料性質(zhì)所決定的一個(gè)常數(shù)；HK為霍爾靈敏度，它表示霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)的大小。H⑴一般來(lái)說(shuō)，金屬材料n較大，導(dǎo)致R和K變小，故不宜做霍爾元件。因材料電阻率p與HHH⑵霍爾電勢(shì)U與元件的尺寸關(guān)系很大，所以生產(chǎn)霍爾元件時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn)：HH太小，會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加，因此，也不宜太薄。②元件的長(zhǎng)寬比對(duì)U也有影響。L/W加大時(shí)，控制電極對(duì)霍爾電勢(shì)影響減小。但如果L/WH過(guò)大，載流子在偏轉(zhuǎn)過(guò)程中的損失將加大，使U下降，通常要對(duì)式(6-6)加以形狀效應(yīng)修正：HHH③霍爾電勢(shì)U與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)式(6-6)，U正比于I及B。當(dāng)控制電流HHHH2.說(shuō)明為什么導(dǎo)體材料和絕緣體材料均不宜做成霍爾元件？為什么霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材答：根據(jù)霍爾電勢(shì)的公式U=BW=IBW=1IB，可知霍爾電勢(shì)的大小與材料的HnqHWnqH電子濃度成反比，導(dǎo)體材料的電子濃度比較大，所產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)比較小，霍爾效應(yīng)不明顯。而絕緣體內(nèi)電子不可自由活動(dòng)，沒(méi)有載流子，不會(huì)產(chǎn)生霍爾效應(yīng)；所以也不宜做成霍爾元件。H爾角大，霍爾效應(yīng)明顯，在很小磁場(chǎng)下，就可以觀察到霍爾效應(yīng)，所以霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料。答：霍爾集成傳感器有分為線性型霍爾傳感器和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器?；魻柧€性集成傳感器工作特點(diǎn)：這種線性型傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量、控制。這種傳感器有單端輸出和雙端輸出(差動(dòng)輸出)兩種電路。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器工作特點(diǎn)：當(dāng)有磁場(chǎng)作用在霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器上時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾元件輸出霍爾電勢(shì)U，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路。當(dāng)放大后的霍爾電勢(shì)H大于“開(kāi)啟”閾值時(shí)，施密特電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使晶體管導(dǎo)通，整個(gè)電路處于開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，霍爾元件輸出的U電壓很小，經(jīng)放大器放大后其值仍小于施密特的“關(guān)閉”閾值時(shí)，H施密特整形器又翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使晶體管截止，電路處于關(guān)狀態(tài)。這樣，一次磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，就使傳感器完成一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作。答：磁敏二極管是PN結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件，有硅磁敏二極管和鍺磁敏二極管兩種。在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個(gè)區(qū)域，在P、N之間有一個(gè)較長(zhǎng)的本征區(qū)I，本征區(qū)I的一面磨成光滑的復(fù)合表面(為I區(qū))，另一面打毛，成為高復(fù)合區(qū)(r區(qū))，因?yàn)殡娮?空穴對(duì)易于在粗糙表面復(fù)合而消失。當(dāng)通以正向電流后就會(huì)在P、I、N結(jié)之間形成電流。由此可知，磁敏二極管是PIN型的。區(qū)的復(fù)合能力之差越大，磁敏二極管的靈敏度就越高。NPN型磁敏晶體管是在弱P型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)結(jié)——即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元件。其最大特點(diǎn)是基區(qū)較長(zhǎng)，在長(zhǎng)基區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合率很高完全相同。在正向或反向磁場(chǎng)作用下，會(huì)引起集電極電流的減少或增加。因此，可以用磁場(chǎng)方向控制集電極電流的增加或減少，用磁場(chǎng)的強(qiáng)弱控制集電極電流的增加或減少的變化量。5.設(shè)計(jì)一個(gè)利用霍爾集成電路檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的電路，要求當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高或過(guò)低時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。答：在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后就可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。如圖6-23所示。轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：解答：當(dāng)鋼球通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)傳感器時(shí)，傳感器輸出電壓增大，該電壓經(jīng)放大器放大，三極管導(dǎo)通，輸出低電平，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)鋼球滾過(guò)傳感器表面時(shí)，霍爾電壓減小，該電壓經(jīng)放大器放表面一次，計(jì)數(shù)器就記錄一次，從而實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)功能。1.思考有哪些可以用霍爾傳感器檢測(cè)的物理量以及霍爾傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域。解答：霍爾傳感器可以用于測(cè)量地球磁場(chǎng)，制成電羅盤(pán)；將它卡在環(huán)形鐵心中，可以制成大電七章波式傳感器解答：超聲波在兩種介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射與折射現(xiàn)象；在不同介質(zhì)中的傳播速度不同；在介質(zhì)中傳播會(huì)產(chǎn)生能量衰減等。2.應(yīng)用超聲波傳感器探測(cè)工件時(shí)，在探頭與工件接觸處要涂有一層耦合劑，請(qǐng)問(wèn)這是為什么？解答：無(wú)論是直探頭還是斜探頭，一般不能直接將其放在試件表面(特別是粗糙金屬表面)來(lái)回移動(dòng)，以防探頭磨損。更重要的是，由于超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，在工件表面不平整的情況下，探頭與被測(cè)物體表面間必然存在一層空氣薄層。由于空氣的密度很小，將引起三種介質(zhì)兩個(gè)減。因此必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能夠順利的入射到被測(cè)介質(zhì)中。在工業(yè)測(cè)量中，經(jīng)常使用一耦合劑有水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)糨糊漿糊等。根據(jù)不同的被測(cè)介質(zhì)而選定。耦合劑的厚度應(yīng)該盡量薄一些，以減小耦合損耗。3.根據(jù)你已學(xué)過(guò)的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波探傷使用裝置(畫(huà)出原理框圖)，并簡(jiǎn)要說(shuō)明它探傷的工作4.比較微波傳感器與超聲波傳感器有何異同？解答：微波傳感器就是指利用微波特性來(lái)檢測(cè)一些非電量的器件和裝置。其原理是：由發(fā)射天線接收到通過(guò)被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來(lái)的微波，將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，即能顯示出波場(chǎng)。微波傳感器的分類(lèi)：反射式微波傳感器、遮斷式微波傳感器超聲波傳感器也即換能器又稱(chēng)超聲波探頭。超聲波換能器根據(jù)其工作原理不同，分為壓電式、，又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面探頭、聚焦探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其它專(zhuān)用探頭等。置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類(lèi)型稱(chēng)為透射型；當(dāng)超聲波發(fā)生器與接受器置于同側(cè)時(shí)，這種類(lèi)型稱(chēng)為反射型。5.多普勒傳感器的工作原理是什么？其應(yīng)用有哪些？解答：多普勒傳感器的工作原理是多普勒效應(yīng)：即由于波源和接收者之間存在著相互運(yùn)動(dòng)而造成接收者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率不同，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。應(yīng)用：測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度，如車(chē)速、船速、衛(wèi)星速度和流體的流速等。也可根據(jù)光學(xué)多普勒頻移測(cè)定天體相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)。八章生物傳感器解答：生物傳感器是在基礎(chǔ)傳感器上再耦合一個(gè)生物敏感膜而形成的，其工作原理如圖8-1所示(教材P170)。圖中生物功能膜上(或膜中)附著有生物傳感器的敏感物質(zhì)，被測(cè)量溶液中待測(cè)定的物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別或發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，其所產(chǎn)生的信息可通過(guò)相應(yīng)的化學(xué)或物理原理轉(zhuǎn)變成可定量和可顯示的電信號(hào)，通過(guò)電信號(hào)的分析就可知道被測(cè)物質(zhì)的成分或2．舉例說(shuō)明酶?jìng)鞲衅鞯膽?yīng)用。解答：利用酶?jìng)鞲衅骺梢詼y(cè)定各種糖、氨基酸、酯質(zhì)和無(wú)機(jī)離子等，在醫(yī)療、食品、發(fā)酵工業(yè)化合物，經(jīng)常通過(guò)煉油和煉焦等工廠的廢水排放到河流和湖泊中。根據(jù)測(cè)定水中酚含量的需要，科學(xué)家利用固定化多酚氧化酶研制成多酚氧化酶?jìng)鞲衅?，這種酶?jìng)鞲衅骺煽焖贉y(cè)定出水中質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅解答：微生物的生存特性對(duì)氧氣有好氣性與厭氣性之分，其傳感器分為好氣性微生物傳感器和厭氣性微生物傳感器兩大類(lèi)。特點(diǎn):好氣性微生物傳感器:好氣性微生物生存在含氧條件下，生長(zhǎng)過(guò)程離不開(kāi)氧，它吸入氧氣而放出二氧化碳，這種微生物的呼吸可用氧電極或二氧化碳電極來(lái)測(cè)定。厭氣性微生物傳感器:厭氣性微生物的生長(zhǎng)會(huì)受到存在氧的妨礙，可由其生成的二氧化碳或代謝產(chǎn)物量來(lái)測(cè)定其生理狀態(tài)。當(dāng)測(cè)定微生物的代謝生成物時(shí)，可用離子選擇電極來(lái)測(cè)定。GOD置，通過(guò)測(cè)CHO+O葡萄糖氧化酶CHO+HO(8-2)61262610622式(8-2)表明可以通過(guò)測(cè)量氧的消耗量、或HO的生成量、或由葡萄糖酸引起的PH值的變化來(lái)測(cè)225．舉例說(shuō)明葡萄糖傳感器的應(yīng)用。解答：糖尿病的診斷。測(cè)量血糖、尿糖等。第九章化學(xué)物質(zhì)傳感器解答：根據(jù)傳感器的氣敏材料以及氣敏材料與氣體相互作用的機(jī)理和效應(yīng)不同主要可分為半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、電化學(xué)式、接觸燃燒式和其他類(lèi)型。半導(dǎo)體氣敏傳感器又可分為電阻型和非電阻型。解答：通常器件工作在空氣中，由于氧化的作用，空氣中的氧被半導(dǎo)體(N型半導(dǎo)體)材料的電子吸附負(fù)電荷，結(jié)果半導(dǎo)體材料的傳導(dǎo)電子減少，電阻增加，使器件處于高阻狀態(tài)；當(dāng)氣敏元件與被測(cè)氣體接觸時(shí)，會(huì)與吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，將束縛的電子釋放出來(lái)，敏感膜表面電導(dǎo)增加，使元件電阻減小。導(dǎo)電機(jī)理用一句話描述：半導(dǎo)體表面因吸附氣體引起半導(dǎo)體元件電阻值變化，根據(jù)這一特性，從阻值的變化測(cè)出氣體的種類(lèi)和濃度。也就相對(duì)濕度是表示空氣中實(shí)際所含水蒸氣的分壓(Pw)和同溫度下飽和水蒸氣的分壓(P)的N5．氯化鋰和陶瓷濕敏電阻各有何特點(diǎn)?解答：氯化鋰濕敏電阻是利用物質(zhì)吸收水分子而使導(dǎo)電率變化來(lái)檢測(cè)濕度。在氯化鋰溶液中，Li和Cl以正負(fù)離子的形式存在，鋰離子(Li+)對(duì)水分子的吸收力強(qiáng)，離子水合成度高，溶液中的離子導(dǎo)電能力與溶液濃度成正比，溶液濃度增加，導(dǎo)電率上升。當(dāng)溶液置于一定濕度場(chǎng)中，若環(huán)境RH升，反之RH下降，電阻率ρ下降。通過(guò)測(cè)量溶導(dǎo)體在高溫1300℃下燒結(jié)成多孔陶瓷，半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻分為兩種，有一種材料的電阻率隨濕度增加而下降，稱(chēng)為負(fù)特性半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻。還有一種材料的電阻率隨著濕度的增加而增大，稱(chēng)為正特性半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻。6．簡(jiǎn)述高分子電阻式濕度傳感器的工作原理。解答：高分子電阻式濕度傳感器使用高分子固體電解質(zhì)材料制作感濕膜，由于膜中的可動(dòng)離子而產(chǎn)生導(dǎo)電性，隨著濕度的增加，其電離作用增強(qiáng)，使可動(dòng)離子的濃度增大，電極間的電阻值減小。反之，電阻值增大。因此，濕度傳感器對(duì)水分子的吸附和釋放情況，可通過(guò)電極間電阻值的變化檢7．利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量濕度的電路。十章機(jī)器人傳感器1.機(jī)器人主要有哪些種類(lèi)？(1)工業(yè)機(jī)器人用于焊接、噴漆、組裝、搬運(yùn)、密封等行