当前位置： >>
课后习题参考答案
1.1 什么是传感器？传感器特性在检测系统中起什么作用？ 答：传感器（Transducer/sensor）的定义为： “能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用 输出信号的器件或装Z，通常由敏感元件和转换元件组成” 。 传感器的基本特性是指传感器的输入―输出关系特性，是传感器的内部结构参数作用关系的外部特性表现。不 同的传感器有不同的内部结构参数，这些内部结构参数决定了它们具有不同的外部特性。对于检测系统来说存在有 静态特性和动态特性。一个高精度的传感器，必须要有良好的静态特性和动态特性，从而确保检测信号（或能量） 的无失真转换，使检测结果尽量反映被测量的原始特征。 1.2 画出传感器系统的组成框图，说明各环节的作用。 答：传感器一般由敏感元件、变换元件和其他辅助元件组成，组成框图如图所示。 敏感元件――感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件，如膜片和波纹管，可以把被测压力变 成位移量。若敏感元件能直接输出电量（如热电偶） ，就兼为传感元件了。还有一些新型传感器，如压阻式和谐振式 压力传感器、差动变压器式位移传感器等，其敏感元件和传感器就完全是融为一体的。 变换元件――又称传感元件，是传感器的重要组成元件。它可以直接感受被测量（一般为非电量）而输出与被 测量成确定关系的电量，如热电偶和热敏电阻。传感元件也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系 的其他非电量。例如差动变压器式压力传感器，并不直接感受压力，而只是感受与被测压力成确定关系的衔铁位移 量，然后输出电量。一般情况下使用的都是这种传感元件。 信号调理与转换电路――能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。信号调 理与转换电路根据传感元件类型的不同有很多种类，常用的电路有电桥、放大器、振荡器和阻抗变换器等。1.3 什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？如何用公式表征这些性能指标？ 答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入―输出关系。所描述的是指测量时，检测系统的输入、输 出信号不随时间变化或变化很缓慢。 通常用来描述静态响应特性的指标有测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差、稳定度和漂移、精度、可靠性、 分辨率、灵敏阀等。 测量范围：检测系统能正常测量的最小输入量和最大输入量之间的范围。 灵敏度：灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即S ? ?y ?x如图所示。非线性度：如图所示，标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。如果在全量程 A 输出范围内，标定曲线 偏离拟合直线的最大偏差为 B，则定义非线性度为非线性度 ?B ? 100 % A1回程误差：如图所示，回程误差也称为滞后或变差。实际测量系统在相同的测量条件下，当输入量由小增大， 或由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输出量存在差值，则定义回程误差为回程误差 ?hmax ? 100% A稳定度：稳定度通常是相对时间而言，指检测系统在规定的条件下保持其测量特性恒定不变的能力。 漂移：指检测系统随时间的慢变化。在规定条件下，一个恒定的输入在规定时间内的输出在标称范围最低值处 的变化，称为零点漂移，简称零漂。温度变化引起的漂移叫温漂。 精度：精确度的简称。表示随机误差和系统误差的综合评定指标。它包含有精密度、正确度和精确度三个指标。 1）精密度?：它说明测量结果的分散性。即对某一稳定的对象（被测量）由同一测量者用同一检测系统和测量仪表在相当短的时间内连续重复测量多次（等精度测量） ，其测量结果的分散程度。 ? 愈小则说明测量愈精密（对应随 机误差） 。2）正确度 ? ：它说明测量结果偏离真值大小的程度，即示值有规则偏离真值的程度。指所测值与真值的 符合程度（对应系统误差） 。3）精确度 ? ：它含有精密度与正确度两者之和的意思，即测量的综合优良程度。在最 简单的场合下可取两者的代数和，即 ??? ??。通常精确度是以测量误差的相对值来表示的。可靠性：与检测系统无故障工作时间长短有关的一种描述。 分辨率：是用来表示检测系统或仪表装Z能够检测被测量最小变化量的能力。通常是以最小量程的单位值来表 示。当被测量的变化值小于分辨力时，检测系统对输入量的变化无任何反应。例如电压表的分辨力是 10μv，即能测 的最小电压为 10μv，当增加 7μv 或 8μv 的电压时，电压表不会作任何反应。 灵敏阀：又称死区，是用来衡量检测起始点不灵敏的程度。 1.4 什么是传感器的灵敏度？灵敏度误差如何表示？ 答：灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即S ??y ?x如图所示，线性系统的灵敏度 S 为常数，即输入输出关系直线的斜率，斜率越大，其灵敏度就越高。非线性系 统的灵敏度 S 是变量，是输入输出关系曲线的斜率，输入量不同，灵敏度就不同，通常用拟合直线的斜率表示系统 的平均灵敏度。要注意灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，系统的稳定性就越差，测量范围相应就越小。1.6 已知某位移传感器的测量范围为 0~30mm，静态测量时，输入值与输出值的关系如题 1.6 表所示，试求该传感器2的线性度和灵敏度。 题 1.6 表 输入值 （mm） 输出值 （mV） 解： 1 1.50 5 3.51 10 6.02 15 8.53 20 11.04 25 13.47 30 15.98线性度非线性度 ? B 1 ? 100% ? ? 100% ? 6.26% A 15.98灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即S??y 15.98 ? 1.50 14.48 ? ? ? 0.499?mV / mm? ?x 30 ? 1 291.12 某位移传感器，在输入量变化 5 mm 时，输出电压变化为 300 mV，求其灵敏度。 答：灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即S?求系统的总的灵敏度。 解： S?y 300 ? ? 60?mV / mm? ?x 51.13 某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，? S1 ? S 2 ? S3 ? 0.2 ? 2.0 ? 5.0 ? 2.0?mm / 0 C ?1.14 检测系统通常由哪几部分组成？自动检测系统的结构形式通常可分成哪几种？ 答：检测系统规模的大小及其复杂程度与被测量的多少、被测量的性质以及被测对象的特性有非常密切的关系。图 为涵盖各种功能模块的检测系统的结构框图，由传感器、模拟信号调理电路、数字信号分析与处理部分、显示部分 以及将处理信号传送给控制器、其他检测系统或上位机系统的通信接口部分等，但并不是所有的检测任务都包括以 上几个部分。3数据显示、记录、分析、综合、判断、决策、监控通信接口和总线底层显示分析处理┅底层显示分析处理信号调理电路┅信号调理电路传感器┅传感器自动检测系统的结构形式有串联、并联和混合三种形式。 2.2 按测量手段分类有哪些测量方法？按测量方式分类有哪些测量方法？ 答：按测量手段有直接测量、间接测量和联立测量。在使用测量仪器进行测量时，对仪表计数不需要经过任何运算， 就能直接得到测量的结果，称为直接测量；在使用仪器进行测量时，首先对与被测物理量有确定的函数关系的几个 量进行测量，将测量值代入函数关系式，经过计算得到测量所需的结果，称为间接测量；在应用仪器进行测量时， 若被测物理量必须经过求解联立方程才能得到最后的结果，称为联立测量。 按测量方式有偏差式测量、零位式测量和微差式测量。在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定被测 量的测量方法，称为偏差式测量法；在测量过程中，用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态，在测量系统 达到平衡时，用已知的基准决定被测未知量的测量方法，称为零位式测量法；在测量过程中，将被测的未知量与已 知的标准量进行比较，并取得差值后，用偏差法测得此值，称为微差式测量。 2.6 有三台测温仪表，量程均为 0~600℃ ，精度等级分别为 2.5 级、2.0 级和 1.5 级，现要测量 500℃的温度，要求 相对误差不超过 2.5%，选哪台仪表合理？为什么？ 答：在工程应用中，为了简单表示测量结果的可靠程度，引入一个精确度等级概念，用 A 来表示。检测系统与测量 仪表精确度等级 A 以一系列标准百分数值进行分档。这个数值是检测系统和测量仪表在规定条件下，其允许的最大 绝对误差值相对于其测量范围的百分数。它可以用下式表示 ?A A? ?100% YF ?S 式中 A――检测系统的精度；? A ――测量范围内允许的最大绝对误差；YFS――满量程输出。检测系统设计和出厂检验时，其精度等级代表的误差指检测系统测量的最大允许误差。 精度等级分别为 2.5 级、2.0 级和 1.5 级时各最大允许误差分别为： ?A1 ? 2.5% ? 600 ? 0.025 ? 600 ? 15 ?A2 ? 2.0% ? 600 ? 0.02 ? 600 ? 12?A3 ? 1.5% ? 600 ? 0.015 ? 600 ? 9实际相对误差 ? A 是用被测量的绝对误差与其约定真值 A 之比值的百分比来表示的，即有三台测温仪表的相对 误差分别为：?A1 15 ? 100 % ? ? 100 % ? 3.0% A 500 ?A3 9 ?3 ? ? 100 % ? ? 100 % ? 1.8% A 500?1 ??2 ??A2 12 ? 100 % ? ? 100 % ? 2.4% A 500由此可知，要求相对误差不超过 2.5%，选精度等级为 2.0 级仪表较合理。 2.8 标定 2.5 级（即满度误差为 2.5%）的全量程为 100V 的电压表，发现 50V 刻度点的示值误差 2V 为最大误差，问 该电压表是否合格？ 解：在没有修正值的情况下，通常认为在整全测量范围内各处的最大绝对误差是一个常数。因此 ?A 2 可求得：A?由于 2% ?YFS? 100 % ?100? 100 % ? 2%2.5% ，因此，该电压表是合格。42.9 为什么在使用各种指针式仪表时，总希望指针偏转在全量程的 2/3 以上范围内使用？ 答：在仪器仪表的精度等级一定时，由最大示值相对误差计算公式Am??AYFS ? 100% 可知，越接近满刻 Y度的测量示值，其最大示值相对误差越小、测量精度越高，故在选用仪表时要兼顾精度等级和量程，通常要求测量 示值落在仪表满刻度的三分之二以上。 2.10 测量某电路电流共 6 次，测量数据（单位：mA）分别为 175.41，175.59，175.40，175.51，175.53，175.44。 试求算术平均值和标准误差。 解：一组测量数据 x1 , x2 ,?, x N 的算术平均值计算为：x?1 N 1 xi ? ? x1 ? x2 ? ? ? x N ? ? N i ?1 N 1 ? ?175.41 ? 175.59 ? 175.40 ? 175.51 ? 175.53 ? 175.44 ? 6 ? 175.48其标准误差为：??? ?? ?xi ? x ?2i ?1NN?175.41? 175.48?2 ? ?175.59 ? 175.48?2 ? ?175.40 ? 175.48?2 ? ?175.51? 175.48?2 ? ?175.53 ? 175.48?2 ? ?175.44 ? 175.48?26 0.0284 ? 0.0688 62.11 用测量范围为 50~150kPa 的压力传感器测量 140 kPa 压力时，传感器测得示值为 140kPa。试求该示值的绝对 误差、相对误差。 解： （1）绝对误差 被测量的测量值 X 与其真值 A0 之差称之为测量绝对误差 ?X ，简称误差，即?X ? X ? A0 ? 140 ? 140 ? 0（2）相对误差 相对误差常用来表示测量精度的高低，有实际相对误差和示值相对误差两种。 实际相对误差 ? A 是用被测量的绝对误差 ?X 与其约定真值 A 之比值的百分比来表示的，即?A ??X ?示值相对误差 ? X 是用被测量的绝对误差 ?X 与仪器示值 X 之比值的百分比来表示的，即?X ? 100% ? 0 A?X ? 100% ? 0 X 2.12 已知某差压变送器，其输入位移和输出电压之间的理想特性为 U ? 8x ，实测数据如题 2.12 表所示。题 2.12 表x（mm）0123 24.14 31.65 39.70.1 8.0 16.3 （mV） 试求： （1）最大绝对误差、相对误差，并指出其测量点； （2）若指示仪表量程为 50mV，指出仪表的精度等级。 解： （1）由图可知，在 0、1、2、3、4、5 点绝对误差分别为U?X 2 ? X ? A0 ? 16 ? 16.3 ? ?0.3?X 4 ? X ? A0 ? 32 ? 31.6 ? 0.4?X 0 ? X ? A0 ? 0 ? 0.1 ? ?0.1?X 1 ? X ? A0 ? 8 ? 8 ? 0?X 3 ? X ? A0 ? 24 ? 24.1 ? ?0.1 ?X 5 ? X ? A0 ? 40 ? 39.7 ? 0.35在 0、1、2、3、4、5 点相对误差分别为?X 0 0 .1 ? 100 % ? ? 100 % ? ? A 0 ?X 1 0 ? A1 ? ? 100 % ? ? 100 % ? 0 A 8 ?X 2 ? 0 .3 ? A2 ? ? 100 % ? ? 100 % ? ?1.875 % A 16 ?X 3 ? 0 .1 ? A3 ? ? 100 % ? ? 100 % ? 0.417 % A 24 ?X 4 0.4 ? A4 ? ? 100 % ? ? 100 % ? 1.25% A 32 ?X 5 0 .3 ? A5 ? ? 100 % ? ? 100 % ? 0.75% A 40? A0 ?最大绝对误差是在 4 点?X max ? X ? A0 ? 32 ? 31.6 ? 0.4（2）在工程应用中，为了简单表示测量结果的可靠程度，引入一个精确度等级概念，用 A 来表示。检测系统与测量 仪表精确度等级 A 以一系列标准百分数值进行分档。这个数值是检测系统和测量仪表在规定条件下，其允许的最大 绝对误差值相对于其测量范围的百分数。它可以用下式表示A?故指示仪表量程为 50mV，仪表的精度等级为。?A ?100% YF ?SA??A 0.4 ? 100 % ? ? 100 % ? 0.8% YFS 50根据国家标准规定，引用误差分为 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5 和 5.0 共七个等级，故仪表的精度等级为 0.5 级。 3.1 电阻式传感器有哪些重要类型？ 答：常用的电阻式传感器有电位器式、电阻应变式、热敏效应式等类型的电阻传感器。63.2 说明电阻应变片的工作原理。它的灵敏系数 K 与应变丝的灵敏系数 K 有何差别，为什么？ 答：金属电阻应变片的工作原理是利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应 的变化。 它的灵敏系数 K 是指把单位应变所引起的电阻相对变化，即? d? ? ? K ? ?(1 ? 2? ) ? dl l ? ? ?由部分组成：受力后由材料的几何尺寸变化引起的d? ?(1 ? 2? )?；由材料电阻率变化引起的 ? ?? ? dl l ???。应变丝的灵敏系数 K 为 K ? ?E ，指与材料本身的弹性模量有关。 3.3 金属电阻式应变片和半导体电阻应变片在工作原理上有何不同？ 答：金属电阻应变片的工作原理是利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应 的变化。 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指半导体材 料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率 ? 发生变化的现象。 3.4 假设电阻应变片的灵敏度 K=2，R=120Ω。问：在试件承受600??时，电阻变化值ΔR=？若将此应变片与 2V 直流电源组成回路，试分别求取无应变时和有应变时回路的电流。?R R ，故有 解：因为 K ??x?R ? K? x R ? 2 ?120 ? 600 ? 0.144?无应变时回路电流为i1 ? i2 ?U 2 ? ? 0.0167 A R 120 U 2 ? ? 0.0166 A R ? ?R 120 ? 0.144R3 ? R4 ? 100?，有应变时回路电流为3.5 题 3.5 图所示为一直流电桥，供电电源电动势 E ? 3V ，R1和R2为相同型号的电阻应变片，其电阻均为 100? ，灵敏度系数 K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后 产生的应变为 5000??，试求此时电桥输出端电压U0。解：根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉，一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电 桥的相邻臂上，如题 3.5 图所示。该电桥输出电压 U O 为R4R4R3R3U0 U0 R1 FR1R2FR1R2R1R2R2EE题 3.5 图 7R R1R ?? ?R 1R ? UU E( ? ? 3R3 ) ) 1 1 O ?? ER ( ? ?R ? O R ? ? R R ?? R4R 1R ? ? 1R ? 2 R ? ?2R 3R1 1 2 2 3 4因为 ?R1? ?R2 , R1 ? R2 ? 100, R3 ? R4 ? 100 ,则得1 ?R 1 1 U 0 ? E 1 ? EK ? x ? ? 3 ? 2 ? 5000 ? 0.015 V 2 R1 2 23.6 哪些因素引起应变片的温度误差，写出相对误差表达式，并说明电路补偿法的原理。 答：产生电阻应变片温度误差的主要因素有电阻温度系数的影响和试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。 由温度变化引起应变片总电阻的相对变化量为?Rt ? ?? 0 ? K ?? g ? ? s ???t R0（Rt , R0 分别为温度为 t 0C 和 0 0 C 时的电阻值； ? 0 为金属丝的电阻温度系数； ?t 为变化的温度差值；） ? s , ? g 分别为电阻丝和试件线膨胀系数。 最常用、最有效的电阻应变片温度误差补偿方法是电桥补偿法，其原理如图所示。R4R4R3R3U0 U0 R1 FR1R2FR1R2R1R2R2EE根据电路分析，可知电桥输出电压 U 0 与桥臂参数的关系为? 0 ? Ua ? Ub ? U R1 ? ? R3 U ? ? R1 R4 ? R2 R3 U ? U ?R1 ? R2 ??R3 ? R4 ? R1 ? R2 R3 ? R4? 0 ? g ?R1 R4 ? R2 R3 ? U ? U g? ?R1 ? R2 ??R3 ? R4 ?? 0 的作用 即 g 是由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由此可知，当 R3 , R4 为常数时， R1 , R2 对电桥输出电压 U效果相反。利用这一关系即可对测量结果进行补偿。 3.7 根据电容式传感器的工作原理说明它的分类，电容式传感器能够测量哪些物理参量？ 答：以平板式电容器为例（如图 3.9 所示） ，它主要由两个金属极板、中间夹一层电介质构成。 若在两极板间加上电压，电极上就贮存有电荷，所以电容器实际上是一种贮存电场能的元件。平板式电容器在 忽略其边缘效应时的电容量可用下式表示：8C?式中：S――电容器两极板遮盖面积(m )；2?Sl?? r? 0 SlΕ――介质的介电常数(F／m)； εr――介质的相对介电常数； ε0――真空的介电常数(8.85×10－2F／m)；l ――极板间距离(m)。由式可知，若三个变量中任意两个为常数而改变另外一个，电容量就发生变化，根据这个原理电容传感器分为变极 距型、变面积式、变介质式三种类型。 它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、 料面、成分含量等方面的测量。 3.8 电容传感器的测量电路有哪些？叙述二极管双 T 型交流电桥工作原理。 答：与电容式传感器配用的测量电路很多，常用的有二极管双 T 型交流电桥电路、调频振荡电路、运算放大器式电 路和脉冲调宽型电路等几种。 二极管双 T 型交流电桥如图（a）所示，高频电源 e 提供幅值为 E 的方波，如图（b）所示， VD 1 ,VD2 为两? R2 ? R, C1 、 C2 为传感器的两个差动电容。 1）当传感器没有输入时（ C1 ? C2 ） 电路工作原理：当电源 e 为正半周时， VD 1 导通、 VD2 截止，即对电容 C1 充电，其等效电路如图（c）所 示。 然后在负半周时， 电容 C1 上的电荷通过电阻 R1 、 负载电阻 RL 放电， 流过负载的电流为 I1 。 在负半周内， VD2 导通、VD 1 截止，即对电容 C 2 充电，其等效电路如图（d）所示。随后出现正半周时， C 2 通过电阻 R2 、负载电 阻 RL 放电，流过负载的电流为 I 2 。 根据上述条件，则电流 I1 ? I 2 ，且方向相反，在一个周期内流过 RL 的平个特性完全相同的二极管， R1 均电流为 0。 2）当传感器有输入时（ C1 为 ，此时 I1 ? I 2 ， RL 上必定有信号输出，其输出在一个周期内的平均值 ? C2 ）U 0 ? I L RL ?R ? R ? 2 RL ? R Ef ?C1 ? C2 ? （式中 f ?R ? RL ?2 L为电源频率）R ? R ? 2 RL ? R ） ?R ? RL ?2 L 由此式可知：输出电压 U 0 不仅与电源电压的幅值和频率有关，也与 T 型网络中的电容 C1 、 C2 的差值的有关。当 电源确定后（即电源电压的幅值 E 和频率 f 确定） ，输出电压 U 0 就是电容 C1 、 C2 的函数。在 RL 已知的情况下，上式可改为U 0 ? KEf ?C1 ? C2 ?（式中 K ?3.9 推导差动式电容式传感器的灵敏度，并与单极式电容传感器相比较。 答：推导过程参见教材 P57 页。平板型差动电容传感器的灵敏度为：9?C ?d ?2 ?l l平板型改变极距的线位移传感器的灵敏度为：?C ? S ? 2 ?l l由以上分析可知，差动式电容传感器与非差动式传感器相比，灵敏度可提高 1 倍，且非线性误差也可有所减小。 3.10 有一个直径为 2m、高 5m 的铁桶，往桶内连续注水，当注水数量达到桶容量的 80%时就应当停止，试分析用电 阻应变片式或电容式传感器系统来解决该问题的途径和方法。 解：将 4 片特性相同的电阻应变片对称地贴在圆筒外表面（如图所示） ，并将 4 片应变片接成全桥形式。然后，由此 装Z测量出注水数量达到桶容量的 80%时，给出一个停止注水的信号。介质时，电容量也随之变化。忽略边界效应，假设空气相对介电常数为 ? ，液体介质相对介电常数为 ? ? ，电容量为采用电容式传感器时，在圆筒上下表面各固定一个极板（如图所示） 。当在固定两极板之间加入空气以外的液体C?假设两极板间距离为 l ，则 l1S? 0 l1 ? ? l 2 ? ?? l ? l 2 ，电容量为： S? 0 S? 0 C? ? (l ? l 2 ) ? ? l 2 ? ? l ? ? l 2 (1 ? ? ? 1 ? ) 由式可得，当极板面积 S 和极板间距 l 一定时，电容量大小和被测液体材料的厚度 l 2 和被测液体材料的介电常数有关。然后，由此装Z测量出注水数量达到桶容量的 80%时，给出一个停止注水的信号。 3.11 试设计电容式差压测量方案，并简述其工作原理。 答：电容式差压测量方案其结构原理如图所示。当动极板移动后，C1 和 C2 成差动变化，即其中一个电容量增大，而 另一个电容量则相应减小，这样可以消除外界因素所造成的测量误差。在零点位Z上设Z一个可动的接地中心电极，它离两块极板的距离均为 l0 ，当中心电极在机械位移的作用下发 生位移 ?l 时，则传感器电容量分别为： 10? ? ? ? ? ? ? ?S ?S 1 1 ? ? ? ＝ C0 ? ? C1 ? ＝ l0 ? ?l l0 ?1 ? ?l ? ?1 ? ?l ? ? ? l0 ? l0 ? ? ? ? ? ? ? ? 1 ? ?S C2 ? ? C0 ? ? l0 ? ?l ?1 ? ?l ? l ? ?若位移量 ?l 很小，且?l ? 1 ，上两式可按级数展开，得： l0 ? ?l ?l ? ?l C1 ? C0 ?1 ? ? ( )2 ? ( )3 ? ???? l0 l0 ? l0 ? ? ?l ?l ? ?l C2 ? C0 ?1 ? ? ( )2 ? ( )3 ? ???? l0 l0 ? l0 ?电容量总的变化为：? ?l ? ?l ?C ? C1 ? C2 ? C0 ? 2 ? 2( )3 ? ???? l l 0 ? 0 ?电容量的相对变化为：? ?C ?l ? ?l ?l ? 2 ?1 ? ( )2 ? ( )4 ? ???? C0 l ? l0 l0 ?略去高次项，则?C C0与?l 近似成线性关系： l0?C ?l ?2 C0 l03.12 电感式传感器有几大类？各有何特点？ 答：根据电感的类型不同，可分为自感系数变化型和互感系统变化型两类。 要将被测非电量的变化转化为自感的变化，在线圈形状不变的情况下可以通过改变线圈匝数 N 使得线圈的自感 系数产生变化，相应的就可制成线圈匝数变化型自感式传感器。要将被测量的变化转变为线圈匝数的变化是很不方 便的，实际极少用。当线圈匝数一定时，被测量可以通过改变磁路的磁阻的变化来改变自感系数。因此这类传感器 又称为可变磁阻型自感式传感器。根据结构形式不同，可变磁阻型自感式传感器又分为气隙厚度变化型、气隙面积 变化型和螺管型三种类型。具有如下几个特点:(1)灵敏度比较高，目前可测 0.1?m 的直线位移，输出信号比较大、信噪比较好； （2）测量范围比较小，适用于测量较小位移； （3）存在非线性； （4）功耗较大； （4）工艺要求不高， 加工容易。 互感式传感器则是把被测量的变化转换为变压器的互感变化。变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则互感 应出电势。由于变压器的次级线圈常接成差动形式，故又称为差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式较多，但其工作原理基本一样，下面仅介绍螺管形差动变压器。它可以测量 1 ~ 100mm的机械 位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点，因此也被广泛用于非电量的测量。 3.13 什么叫零点残余电压？产生的原因是什么？ 答：螺管形差动变压器结构如图所示。它由初级线圈 P、两个次级线圈 S1、S2 和插入线圈中央的圆柱形铁芯 b 组成， 结构形式又有三段式和两段式等之分。 差动变压器线圈连接如图所示。 次级线圈 S1 和 S2 反极性串联。 当初级线圈 P 加上某一频率的正弦交流电压 U i 后， 次级线圈产生感应电压为 U 1 和 U 2 ， 它们的大小与铁芯在线圈内的位Z有关。U 1 和 U 2 反极性连接便得到输出电 压 U0。 11? ?????当铁芯位于线圈中心位Z时， U 1?? U 2 ,U 0 ? 0 ；??当铁芯向上移动（如图（c） ）时， U 1 小； 当铁芯向下移动（如图（c） ）时， U 2??? U 2 , U 0 ? 0, M 大，M1??2? U 1 , U 0 ? 0 ，M??1小，M2 大。铁芯偏离中心位Z时，输出电压 U 0 随铁芯偏离中心位Z， U 1 或? ?U 2 逐渐加大，但相位相差 180? ，如图所示。实际上，铁芯位于中心位Z，输出电压 U 0 并不是零电位，而是 Ux，Ux 被称为零点残余电压。 零点残余电压的产生原因： （1）传感器的两个二次绕组的电气参数与几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电 动势幅值不等、相位不同，构成了零点残余电压的基波； （2）由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞） ，产 生了零点残余电压的高次谐波（主要是三次谐波） ； （3）励磁电压本身含高次谐波。 3.14 题 3.14 图所示是一种差动整流的电桥电路，电路由差动电感传感器 组成。桥的一个对角线接有交流电源??L1、L2以及平衡电阻R1、R2（R1 ? R2）Ui，另一个对角线为输出端U0。试分析该电路的工作原理。L L11R1R1U0 u0u0L2L2R2UiR2uu解：由图可得：z1 ? j?L1z3 ? j?L2z2 ? R1z4 ? R2即，此时电桥的输出电压为12? z ? ? z4 ? R1 R2 u0 ? u ? 2 ? ? u ? ? ? j?L ? R j?L2 ? R2 ? ? ? 1 1 ? z1 ? z 2 z3 ? z 4 ? R1 j?L2 ? R2 j?L1 ?u ? j?L1 ? R1 ?? j?L2 ? R2 ? L L R R R ? R2 由于电路由差动电感传感器 1 、 2 以及平衡电阻 1 、 2 （ 1 ）组成，即有： L1 ? L2 ， ?L1 ? ?L2则有： 即有： u0?0R1 j?L2 ? R2 j?L13.15 影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？ 答：(参见课本 P67)传感器的灵敏度为：N 2 ?0 S0 2L0 dL kL ? ?? ? dx x2 x故灵敏度k L 与衔铁最初居中两侧初始电感为 L0 和衔铁有位移 x 有关。3.16 在膜厚传感器上，厚度 l 越大，线圈的自感系数是变大还是变小？ 答：线圈的自感系数是变小。 3.17 电涡流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响？它的主要优点是什么？ 答：电涡流式传感器原理结构如图所示。它由传感器激励线圈和被测金属体组 成。根据法拉电磁感应定律，当传感器激励线圈中通以正弦交变电流时，线圈 周围将产生正弦交流磁场，使位于该磁场中的金属导体产生感应电流，该感应 电流又产生新的交变磁场。新的交变磁场的作用是为了反抗原磁场，这就导致 传感器线圈的等效阻抗发生变化。传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z ? F ??, ?, r, f , x? （其中： ? 为被测体的电阻率； ? 为被测体的磁导率；r 为线圈与被测体的尺寸因子； f为线圈中激磁电流的频率；x 为线圈与导体间的距离） 。由此可见，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应，与以上因素有关。 它主要特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，还具有体积小、 灵敏度高、频带响应宽等特点。 3.18 什么是压电效应？以石英晶体为例说明压电晶体是怎样产生压电效应的？ 答：当某些物质沿其一定方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。 当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。 为了直观地了解石英晶体压电效应和各向异性的原因，将一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在 垂直于 z 轴的 xy 平面上的投影，等效为图中的正六边形排列。图中阳离子代表 Si 离子，阴离子代表氧离子 2O 。＋4 －213当石英晶体未受外力作用时，带有 4 个正电荷的硅离子和带有 2×2 个负电荷的氧离子正好分布在正六边形的顶 角上，形成 3 个大小相等，互成 120°夹角的电偶极矩 P1、P2 和 P3，如图（a）所示。P = ql，q 为电荷量，l 为正、 负电荷之间距离。电偶极矩方向从负电荷指向正电荷。此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1＋P2 ＋P3 = 0，电荷平衡，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。 当石英晶体受到沿 x 轴方向的压力作用时，将产生压缩变形，正、负离子的相对位Z随之变动，正、负电荷中 心不再重合，如图(b)所示。硅离子（1）被挤入氧离子（2）和（6）之间，氧离子（4）被挤入硅离子（3）和（5） 之间，电偶极矩在 x 轴方向的分量（P1＋P2 ＋P3）x＜0，结果表面 A 上呈负电荷，B 面呈正电荷；如果在 x 轴方向 施加拉力，结果 A 面和 B 面上电荷符号与图（b）所示相反。这种沿 x 轴施加力，而在垂直于 x 轴晶面上产生电荷的 现象，即为前面所说的“纵向压电效应” 。 当石英晶体受到沿 y 轴方向的压力作用时，晶体如图（c）所示变形。电偶极矩在 x 轴方向的分量（P1＋P2 ＋ P3）x＞0，即硅离子（3）和氧离子（2）以及硅离子（5）和氧离子（6）都向内移动同样数值；硅离子（1）和氧离 子（4）向 A，B 面扩伸，所以 C，D 面上不带电荷，而 A，B 面分别呈现正、负电荷。如果在 y 轴方向施加拉力，结 果在 A，B 表面上产生如图（c）所示相反电荷。这种沿 y 轴施加力，而在垂直于 x 轴的晶面上产生电荷的现象被称 为“横向压电效应” 。 当石英晶体在 z 轴方向受力作用时，由于硅离子和氧离子是对称平移，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极 矩在 x，y 方向的分量为零。所以表面无电荷出现，因而沿光轴(z)方向施加力，石英晶体不产生压电效应。 图表示晶体切片在 x 轴和 y 轴方向受拉力和压力的具体情况。图 (a)是在 x 轴方向受压力，图 (b)是在 x 轴方 向受拉力，图(c)是在 y 轴方向受压力，图 (d) 是在 y 轴方向受拉力。如果在片状压电材料的两个电极面上加以交流电压，那么石英晶体片将产生机械振动，即晶体片在电极方向有 伸长和缩短的现象。这种电致伸缩现象即为前述的逆压电效应。 3.19 压电式传感器能否用于静态测量？为什么？ 答：可以用于静态测量。因为压电式传感器是以具有压电效应的元件作为转换元件的有源传感器，它既可以把机械 能转化为电能，也可以把电能转化为机械能。这样的特性使其可用于与力有关的物理量的测量，如力、压力、加速 度、机械冲击和振动等，也被用于超声波的发射与接受装Z。 3.20 某压电式压力传感器的灵敏度为 器总电容量。 解：传感器总电容量为8 ?10?4 pC Pa5 ，假设输入压力为 3 ?10 Pa 时的输出电压式 1V，试确定传感C ? 8 ? 10 ?4 ? 3 ? 105 ? 2.4 ? 10 2 pC143.21 题 3.21 图所示是用压电式传感器和电荷放大器测量某种机器的振动，已知传感器的灵敏度为 100pC/g，电荷放 大器的反馈电容C f ? 0.01uF，测得输出电压峰值为U 0m ? 0.4V，振动频率为 100Hz。（1）求机器振动的加速度最大值am；1（2）假定振动为正弦波，求振动的速度 （3）求出振动的幅度的最大值 解： （1）因为 U 0 所以v (t )；122xm0。? ?3题 3.21 1－传感器 2－机器?q Cf3q ? U0 ? C f ? 0.4 ? 0.01?10?6 ? 4 ?10?9 (C)3－底座由传感器的灵敏度可得机器振动的加速度最大值（2） am? ? 2 xm 0q 4 ? 10 ?9 am ? ? ? 40 g ? 40 ? 9.8 ? 392 m / s 2 ?12 k 100 ? 10即 xm 0??am2?am 392 ? ? 0.99mm 2 ?2?f ? ?2 ? 3.14 ? 100 ?2即振动的速度为：v?t ? ? ?xm0 sim?t ? 2 ? 3.14 ? 100 ? 0.99 ? 10 ?3 sim2 ? 3.14 ? 100t ? 0.624 sim628txm0为：（3）振动的幅度的最大值xm 0 ??am2?am 392 ? ? 0.99mm 2 ?2?f ? ?2 ? 3.14 ? 100 ?2x x3.22 根据题 3.22 所示石英晶体切片上的受力方向，标出晶体切片上产生电荷的符号。xxFx FxyxxFx FxyxFx FxyxFy FyyFy Fyyyyy题 3.22 图 解：如图所示3.23 压电式传感器测量电路的作用是什么？其核心是解决什么问题？ 答：由于压电式传感器产生的电量非常小，所以要求测量电路输入级的输入电阻非常大以减小测量误差。因此，在 压电式传感器的输出端，总是先接入高输入阻抗的前Z放大器，然后再接入一般的放大电路。15前Z放大器作用是：1）将压电传感器的输出信号放大；2）将高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式传感器的 测量电路有电荷型与电压型两种，相应的前Z放大器也有电荷型与电压型两种形式。 3.24 一压电式传感器的灵敏度 的灵敏度 解： ?K1 ? 10pC/mPa，连接灵敏度K 2 ? 0.008Ｖ/pC的电荷放大器，所用的笔式记录仪K3 ? 25mm /Ｖ，当压力变化?p ? 8mPa时，纪录笔在记录纸上的偏移为多少？? ? K1K2 K3?p ? 10 ? 0.008 ? 25 ? 8 ? 16mm? f ? 1000 转/秒3.25 采用 SZMB-3 型磁电式传感器测量转速，当传感器输出频率为 1kHz 的正弦波信号时，被测轴的转速是多少？ 解：被测轴的转速为： n3.26 请你设计一种霍尔式液位控制器，要求： （1）画出磁路系统示意图； （2）画出电路原理简图； （3）简要说明其工作原理。 答：在所要控制的液位中放Z一霍尔传感器，在其正下放Z一块带有永久磁铁的浮子，当磁铁随浮子移动到距传感 器几毫米到十几毫米（此距离由设计确定）时，传感器的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释 放，运动部件停止移动（有关图略） 。 3.27 什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？ 答：如图所示在金属或半导体薄片相对两侧面 ab 通以控制电流 I，在薄片垂直方向上施加磁场 B， 则在垂直于电流和磁场的方向上， 即另两侧面 cd 会产生一个大小与控制电流 I 和磁场 B 乘积成正比的电动势 UH， 这一现象称为霍尔效应。即U H ? KH IB式中：KH――霍尔元件的灵敏度。KH ?RH d式中：RH――霍尔系数，它反应元件霍尔效应的强弱，由材料性质决定。单位体积内导电粒子数越 少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强，所以常采用半导体材料做霍尔元 件；d――霍尔元件的厚度。由式可知，对于材料和尺寸确定的元件, KH 保持常数，霍尔电势 UH 仅与 I B 的乘积成正比。163.28 什么是霍尔元件的温度特性？如何进行补偿？ 答：当霍尔元件的工作温度发生变化时，它的一些技术参数，如输入电阻、输出电阻和霍尔电势都要随着发生变化， 从而使霍尔元件产生温差电势。这种特性称为温度特性。 为了减少由温度变化所引起的温差电势对霍尔元件输出的影响，可根据不同情况，采取一些不同的补偿方法。 1）恒流源补偿 当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得很多时，输出电阻的变化对输出电势 的影响很小，故只需考虑在输入端进行补偿。这种补偿可以采用恒流源供电， 因为在恒流工作下，没有霍尔元件输入电阻的影响。也可采用在电压源供电的 电路中串入一个比输入电阻大得多的电阻 R，这对霍尔元件的输入端来说，相 当于恒流源供电，如图所示。这时，当输入电阻随温度变化时，控制电流的变 化很小，从而实现了对输入端的温度补偿。电阻 R 可由下式计算： 图 恒流源补偿R?式中：β――内阻温度系数；Ri ( ? ? ? )?α――霍尔电势温度系数； Ri――输入电阻。将元件的α、β值代入式，根据 Ri 的值就可确定串联电阻 R 的值。例如，对于国产 HZ-1 型霍尔元件，查表 3-11 得α―0.04％，β－0.5％，Ri = 110 ? ，则 R =1265 ? 。 2）利用输出回路的负载进行补偿 在输入端控制电流恒定，即输入电流随温度变化可以忽略的情况下，如果输出电阻随温度增高而增大测会引起 负载 RL 上的电压随温度上升而减小，而 HZ-1 型霍尔元件的输出电势却是随温度的上升而增大。利用这一关系，如 图所示，只要选择合适的负载电阻 RL，就有可能补偿这种温度影响。能实现温度补偿的 RL 可按下式计算：RL ? R0通常 RL? ?? (10 ~ 50) R0 。图输出回路负载补偿（a）基本电路； (b) 等效电路 3.29 要进行两个电压乘法演运算，若采用霍尔元件作为运算器，请提出设计方案，并画出测量系统的原理图。 答：方案如图所示 图(a)为直流供电情况，控制电流端并联，调节 RP1，RP2 可使两元件输出的霍尔电压相等。A、B 为输出端，它的 输出电压值为单个元件的两倍。 图(b)为交流供电情况，控制电流端串联，各元件的输出端接至输出变压器的初级绕组，变压器的次级绕组便有 霍尔电压信号的叠加值输出。17霍尔元件输出的叠加连接 （a）直流代电 （b）交流供电3.30 简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。 答： （1）中间导体定律 若在热电偶回路中插入中间导体，无论插入导体的温度分布如何，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回 路的总电动势无影响――这就是中间导体定律。 如图 3.65 所示只要 M1、M2 端的温度相同，则总电动势在插入 C 与未插入 C 时一样。即EABC (T , T0 ) ? EAB (T , T0 )EAC(T1)，ECA(T1)，且（3-113）这是因为导体 C 与导体 A 接触，两个接触点 M1，M2 的温度都为 T1，因而它们没有温差电动势，只有接触电动势EAC (T1 ) ? ?ECA (T1 )故（3-114）E ABC (T , T0 ) ? E AB (T ) ? E AB (T0 ) ? E AC (T1 ) ? ECA (T1 ) ? EAB (T ) ? EAB (T0 ) ? EAB (T ,T0 )中间导体定律的使用价值在于： 利用热电偶实际测温时，可以将连接导线和显示仪表看成是中间导体，只要保证中间导体两端温度相同，则对 （3-115）热电偶的热电动势没有影响。图 3.65 热电偶中间导体定律示意图图 3.66 热电偶中间温度定律示意图（2）中间温度定律 如图 3.66 所示热电偶在结点温度为 T、T0 时的热电动势 EAB(T，T0)等于该热电偶在(T，Tn)及(Tn，T0)时的热电动 势 EAB(T，Tn)与 EAB(Tn，T0)之和――这就是中间温度定律。其中 Tn 称为中间温度。 中间温度定律的实用价值在于：当自由端温度不为 0℃时，可利用该定律及分度表求得工作端温度 T，另外热电 偶中补偿导线的使用也依据了以上定律。18例 3.4 用镍铬―镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度 T = 30℃，在直流电位计上测得的热电势 EAB (T，30℃)为 30.839mV，试求炉温为多少。 分析：EAB (T，T0) = EAB (T，Tn)+ EAB (Tn，T0) EAB (T，Tn)已知，EAB (Tn，T0)已知，先求 EAB (T，T0)再查分度表得出炉温了。解：(1) 查镍铬――镍硅热电偶 K 分度表EAB (Tn，0℃) = EAB (30℃，0℃)= 1.203mv(2) EAB (T，0℃) = EAB (T，Tn)+ EAB ( Tn，0℃) = EAB (T，30℃)+ EAB (30℃,0℃) =30.839+1.203=32.042(mv) (3) 再查分度表EAB (T，0℃) =32.042mv 的温度值为 770℃（3） 参考电极定律(也称组成定律) 如图 3.67 所示已知热电极 A、 B 与参考电极 C 组成的热电偶在结点 温度为(T，T0)时的热电动势分别为 EAC (T，T0)与 EBC (T，T0)，则相同温 度下，由 A、B 两种热电极配对后的热电动势 EAB(T，T0)可按下面公式计算： 图 3.67 热电偶参考电极定律示意图EAB (T，T0) = EAC (T，T0)－ EBC (T，T0)两种热电极配对时的电动势均可利用该定律计算，而不需逐个进行测定。（3-116）参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何 例 3.5 当 T 为 100℃， T0 为 0℃时， 铬合金－铂热电偶的 E(100℃， 0℃)=+3.13mV， 铝合金－铂热电偶 E(100℃， 0℃)为－1.02mV，求铬合金一铝合金组成热电偶材料的热电势 E(100℃，0℃)。 解：设铬合金为 A，铝合金为 B，铂为 C 即 则EAC (100℃，0℃)=3.13 EBC (100℃，0℃)=1.02 EAB (100℃，0℃)= EAC (100℃，0℃) ― EBC (100℃，0℃) = 3.13－（-1.02）= 4.15mV3.31 用镍铬-镍硅（K 型）热电偶测温度，已知冷端温度为 40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为 29.188mV， 求被测点温度。 解：分析：EAB (T，T0) = EAB (T，Tn)+ EAB (Tn，T0) EAB (T，Tn)已知，EAB (Tn，T0)已知，先求 EAB (T，T0)再查分度表得出炉温了。(1) 查镍铬――镍硅热电偶 K 分度表EAB (Tn，0℃) = EAB (40℃，0℃)= 1.611mv(2) EAB (T，0℃) = EAB (T，Tn)+ EAB ( Tn，0℃) = EAB (T，40℃)+ EAB (30℃,0℃) =29.188+1.611=30.799(mv) (3) 再查分度表EAB (T，0℃) =30.799mv 的温度值为 740℃3.32 试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理。 解：1) 冷端恒温法 将热电偶的冷端Z于冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持 0℃不变。 2) 计算修正法 利用中间温度定律计算修正。此时应使冷端维持在某一恒定(或变化较小)的温度上。可以将热电偶的冷端Z于 电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限。或将热电偶的冷端Z于大油槽或空气不流动的大容器中，利 用其热惯性，使冷端温度变化较为缓慢。193) 仪表机械零点调整法 当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求又不太高时，可将动圈式 仪表的机械零点调至热电偶冷端所处的温度 T0 处， 这相当于在输入热电偶的热电动势前就给仪表输入一个热电动势 E (T0，0℃)。 4) 电桥补偿法 如图所示，R1 、R2 、R3 和限流电阻 Rg（由温度系数很小的锰铜丝做成） ，Rcu 由电阻温度系数较大的铜线或镍线 绕制而成。U0 = E (T, T0 )+Uad当环境温度为 20℃ 时，设计电桥处于平衡状态，此时 Uab=0，电 桥无补偿作用。当环境温度升高，热电偶冷端温度也随之升高， 此时热电偶的热电动势就有所降低。 这时 Rcu 的阻值随环境温度升 高而增大，电桥失去平衡，U ab 上升并与 EAB (T，T0))迭加，若适 当选择桥臂电阻和电流的数值， 可以使 Uab 正好补偿热电偶冷端温 度升高所降低的热电动势值。由于电桥设计在 20℃时平衡，则测 温仪表的机械零点要预先调到 20℃处。 3.33 将一灵敏度为 0.08mV/℃的热电偶和电压表相连接， 电压表 接线端是 50℃，若电位计读数是 60mV，热电偶的热端温度是多少？ 答：参考题 3.31 3.34 请说明热电偶的参考端在实际应用中的意义和处理方法。 答：由热电偶的测温原理可知，热电偶产生的热电动势大小与两端温度的有关，热电偶的输出电动势只有在参考端 温度不变的条件下，才与工作端温度成单值函数。 热电偶的在实际应用中选用应根据被测温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护管，其安装 位Z要有代表性，安装方法要正确。 3.35 光电效应有哪几种？与之对应的光电元件各是哪些？请简述其特点。 答：光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应。 1．外光电效应 在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射效应。其中，向外发射的电子称 为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。 物体在光的照射下，电子吸收光子的能量后，一部分用于克服物质对电子的束缚，另一部分转化为逸出电子的动能。 当光子的能量大于电子逸出功时，物质内的电子脱离原子核的吸引向外逸出，就产生了外光电效应。 2．内光电效应 在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电 效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。 1）光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量后而引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效应。 绝大多数的高电阻率半导体材料都存在这种效应，当光照射到半导体材料上时，材料中处于价带的电子吸收光子能 量后，从价带越过禁带激发到导带，从而形成自由电子，同时，价带也会因此形成自由空穴，即激发出电子―空穴 对，从而使导带的电子和价带的空穴浓度增加，引起材料的电阻率减小，导电性能增强。 2）光生伏特效应 在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起 PN 结两端产生电动势的现象称为光生伏特效应。 当 PN 结两端没有外加电压时，在 PN 结势垒区存在着内电场，其方向是从 N 区指向 P 区，如图所示。当光照射到 PN 结上时，如果光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能够从价带激发到导带成为自由电子，价带成为自由 空穴。从而在 PN 结内产生电子―空穴对。这些电子―空穴对在 PN 结的内部电场作用下，电子移向 N 区，空穴移向 P 区，电子在 N 区积累，空穴在 P 区积累，从而使 PN 结两端形成电位差，PN 结两端便产生了光生电动势。20图 3．外光电效应器件PN 结产生光生伏特效应基于外光电效应工作原理制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。 1）光电管的结构及原理 光电管由―个涂有光电材料的阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极通常是用逸出功小的 光敏材料涂敷在玻璃泡内壁上做成，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形Z于玻璃管的中央。真空光电管的结构如 图所示。当光电管的阴极受到适当波长的光线照射时便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电 管内形成空间电子流。如果在外电路中串入一适当阻值的电阻，则在光电管组成的回路中形成电流，并在负载电阻 上产生输出电压。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压与入射光通量成正比。图光直空电管的结构2）光电倍增管的结构及原理 光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成，如图所示。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成， 次阴极是在镍或铜―铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达 30 级，通常为 12 级～14 级。阳极是最后 用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。图光电倍增管的结构当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，很不容易探测。为了提高光电管的灵 敏度，这时常用光电倍增管对电流进行放大。光电倍增管的光电转换过程为：当入射光的光子打在光电阴极上时， 光电阴极发射出电子，该电子流又打在电位较高的第一倍增极上，于是又产生新的二次电子；第一倍增极产生的二 次电子又打在比第一倍增极电位高的第二倍增极上，该倍增极同样也会产生二次电子发射，如此连续进行下去，直 到最后一级的倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，从而在整个回路里形成光电流。 3.36 某光敏三极管在强光照时的光电流为 2.5mA，选用的继电器吸合电流为 50mA，直流电阻为 250Ω 。现欲设计两 个简单的光电开关，其中一个是有强光照时继电器吸合，另一个相反，是有强光照时继电器释放。请分别画出两个 光电开关的电路图（采用普通三极管放大） ，并标出电源极性及选用的电压值。 3.37 某光电开关电路如题 3.37 图所示， 请分析其工作原理， 并说明各元件的 作用，该电路在无光照的情况下继电器 K 是处于吸合还是释放状态？?5V ?5VRP RPR1R11 1VD 2 VD 2 R 2R 2KK21VD 1 VD 1VV 1 1CC 40106 CC 40106题 3.37 图3.38 请用激光传感器设计一台激光测量汽车速度的装置（画出示意图） ，并论述其测速的基本工作原理。 答：汽车上安定一个反光体，当激光照射时，反光体将激光反射反回来，将会产生多普勒效应。发射机发射出的激 光向被测物体辐射，被测物体以速度 v 运动，如图（a）所示，被测物体作为接收机接收到的频率为：f1 ? f 0 ? v ?0式中：v ――被物体的运动速度； ?0 ――激光波长， ?0 ? C f 0 ， C 为激光的传播速度。f1 作为反射波向接收机发射信号，如图（b）所示。接收机接收到的信号频率为： f 2 ? f1 ? v ?1 ? f 0 ? v ?0 ? v ?1 由于被测物体的运动速度远小于激光光速，则可认为 ?0 ? ?1 ，即 f 2 ? f 0 ? 2 v ?0如果将 由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即f 0 ――发射机发射信号的频率；Fd ? f 2 ? f 0 ? 2由此可见，被测物体的运动速度 v 可以用多普勒频率来描述。v?03.39 什么是超声波？超声波通过两种介质界面时，会发生什么现象？ 答：波是振动在弹性介质中的传播，振动频率 20kHz 以上的机械波称为超声波。 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介绍中的传播速度不同，在异质界面上将会产生反射、 折射和波型转换等现象。 3.40 用超声波探头测工件时，往往要在工件与探头接触的表面上加一层耦合剂，这是为什么？ 答：用声波进行检测时，在工件与探头接触的表面加一层耦合剂。相当于声波由一种介质内传来、通过第二种介质 传到第三种介质中去的时候。 质入射到 ? 2 C 2 和 ? 3 C 3 二种介质的交界面上，最后进入声阻抗为 ? 3 C 3 的介质，如图所示。由物理学可知，进入 第三介质的声波声压与第一介质的声压的比为： 假设声波由声阻抗为 ?1C1 的介质中入射到声阻抗为 ?1C1 和 ? 2 C 2 二种介质的交界面上，然后透过第二种介p3 4 ? 2 C 2 ? ? 3 C3 ? j ?? C2 ?d p1 ?? 2 C2 ? ? 3C3 ??? 2 C2 ? ?1C1 ?e ? ?? 2 C2 ? ?1C1 ??? 3C3 ? ? 2 C2 ?e ? j ?? C2 ?d式中： d ――耦合剂的厚度。则由透射系数 T 定义（进入第三介质的声强与入射波声强的比值）可得：? ? ?1C1 ? 2 C 2 ? ?1C1 ? ? 2 ? ? ? ? ? 1 ? cos d ? ? sin 2 d ? ? ? ? ? 3C3 ? C2 C2 ? ? ? 2 C 2 ? 3C3 ? ?1C1 ? 2?d ? 若令 d? ? ?2n ? 1?, n ? 0,1,2,?? 时，上式可简化为： ? m ，当 C2 ?2 2 ? 2C2T?4 ?1C1 ? 3C322（3-135）22T?1 ? m2 ? 1? ? ? 2m ? ? ? ?2（3-136）这时若有 ? 2 C 2? ?1C1 ? ? 3C3，得到 T? 1 。其物理意义是：当声波垂直通过声阻抗分别 ?1C1 、 ? 2 C 2 、? 3C3 的介质所组成的界面时，只要耦合剂的声阻抗为介质 1 和介质 3 的几何平均值时，则选取耦合剂的厚度为声波波长的?2n ? 1? 4 时，就能获得声波的全透射。3.41 请你依据已学过的知识设计一个超声波液位计（画出原理框图，并简要说明它的工作原理、优缺点） 。 答：采用单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器，如图所示结构示意图。 超声波发射和接收换能器安装在液面的上方，让超声波在空气中传播。超声波从发射到液面，又从液面反射到 换能器的时间为 t，则换能器距液面的距离 h 为：h?vt 2式中，v 为超声波在介质中传播的速度。由此可知，只要测量从液面反射到换能器的时间为 t，即可液位情况。3.42 微波传感器分为哪两种？其工作原理是什么？ 答：微波传感器就是指利用微波特性来检测某些物理量的器件或装Z。由发射天线发出微波，遇到被测物体时将被 吸收或反射，使其功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成 为电信号，再经过信号调理电路后，即可显示出被测量，从而实现微波检测过程。根据上述原理，微波传感器可以 分为反射式和遮断式两类。 3.43 比较微波传感器与超声波传感器有何异同。 答：参见题 3.41 和 3.42 两题，如表所示 项 波类型 反射特性 压力影响 温度影响 传播速度 测量盲区 传播环境 目 电磁波 在不同介电常数的界面上反射 微不足道 微不足道 约 3 ? 108微波传感器 机械波超声波传感器在不同声阻抗的界面上反射 很小 需温度补偿m / s （真空中）约 314 m / s （空气中， 20 离辐射面大于 250 mm 要求均一的气体环境0C）到天线顶端 很少受气相环境影响3.44 请用红外传感器设计一台红外防盗装置（画出它的示意图） ，并说明其工作原理？ 答：红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成。一般 人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会发出特定波长 10μm 左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发 射的 10μm 左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10μm 左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应 源上。其结构框图如图所示。图中，菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生 交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是报警器 设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出 23的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较。待 测 目 标光 学 系 统 （菲涅尔透镜）热释电红 外传感器报警器结构框图信 号 处 理报 警 电 路3.45 在精密车床上使用刻线为 5400 条/周围光栅作长度检测时， 其检测精度为 0.01mm， 问该车床丝杆的螺距为多少？ 3.46 动态读磁头与静态读磁头有何区别？ 答：动态磁头又称速度响应式磁头，它只有一组输出绕组，只有当磁头磁栅有相对运动时，才有信号输出。运动速 度不同，输出信号的大小也不同，静止时没有信号输出，故不适用于长度测试。图 3.239 所示为动态磁头外形。磁 芯材料为铁镍合金（含 Ni80%）片，每片厚度为 0.2mm ，叠成需要有厚度。图 3.240 所示为该类磁头读取信号的示 意图。图中 W 为磁信号节距，读出信号为正弦信号，在 N 和 N 相重叠处为正的最强，S 和 S 相重叠处为负的最强。 静态磁头又称磁通响应式磁头，它在磁头与磁栅间没有相对运动的情况下也有信号输出。图 3.241 所示为静态 磁头实例，磁芯材料为高磁导率材料，如坡莫合金，单片厚度等于 ? 4 。磁芯由三种不同形式的薄膜叠合而成，叠 合顺序为 A → B → C → B → D → B → C → B → A 反复循环，组成一个多间隙磁头。磁芯上绕有两个绕组，一个励磁绕组 N1 ? 4 ? 15 ~ 4 ? 20 匝，它由一交变的励磁电压激励，产生的磁感应强度沿图中虚线所示的途径流通。另一个为输 出绕组 N 2 ? 100 ~ 200 匝，它根据励磁绕组所产生的磁感应强度和磁尺上的磁化强度的变化情况，输出一个与磁尺 位Z相对应的信号。 两个绕组的线径 d1 ? d 2 ? 0.1mm 。 在励磁绕组中通入交变的励磁电流， 使磁芯的可饱和部分 （截 面较小）在每周内两次被电流产生的磁场饱和。这时磁芯的磁阻很大，磁栅上的漏磁通就不能由磁芯流过输出绕组 产生感应电势。只有在励磁电流每周两次过零时，可饱和磁芯不被饱和，磁栅上的漏磁通才能渡过输出绕组的磁芯 而产生电势，其频率为励磁电流频率的两倍，输出幅值与磁栅进入磁芯漏磁通的大小成正比例。为了增大输出，实 际使用时，常将这种磁头多个串联起来做成一体（称为多间隙静态磁头） ，如图 3.242 所示。图 3.239动态磁头外形图 3.240动态磁头读取信号的示意图图 3.241 静态磁头外形及磁头读取信号的示意图243.47 机械工业中常用的数字式传感器有哪几种？各利用了什么原理？它们各有何特点？ 答：按照输出信号的形式，常用的数字式传感器可分为三类：脉冲输出式数字传感器（如光栅传感器、感应同步器、 增量编码器等） ，编码输出式数字传感器（如绝对编码器等） ，频率输出式数字传感器。 此外，数字式传感器也可分为直接数字式传感器和准数字式传感器两大类。其中，直接数字式传感器是指它的 输出为二元形式（0-1）的信号，它包括各种编码器（直接编码器、光栅、磁栅、感应同步器、CCD 或类似的光敏器 件以及触发器式的传感器） 。准数字式传感器是指以频率形式输出的谐振式传感器。它们输出信号可以为频率脉冲个 数、位相或脉冲宽度，它包括机械式的（振弦、振杆、振膜、振筒、振壳等） 、声学的（SAW） 、光学的（包括激光器） 以及电学的（各种 L、C、R 组合形成的振荡器） 。 3.48 数字式传感器及数显表采用微机后，有什么好处？ 答：具有处理更方便、抗干扰能力强、数据可以高速远距离传输、而且可实现网络测控、便于实现动态及多路测量、 数据共享及易于与计算机接口等。 3.49 生物传感器有哪些类型？有什么特点？ 答：按照敏感膜材料（分子识别元件）和敏感元件（电信号转换元件）的不同，生物传感器有多种分类方法，但主 要有两种分类法。 （1）敏感膜材料 按照敏感膜材料的不同，生物传感器可分为细胞器传感器（ organall sensor ） 、微生物传感器（ microbial sensor） 、免疫传感器（immunol sensor） 、酶传感器（enzyme sensor）和组织传感器（tissue sensor）等五大类 （如图 3.255） 。图 3.255 生物传感器按敏感膜分类 （2）敏感元件 按照敏感元件的工作原理不同，生物传感器可分为生物电极（ bioelectrode） 、热生物传感器（ calorimetric biosensor） 、压电晶体生物传感器（ piezoelectric biosensor） 、半导体生物传感器（semiconduct biosensor） 、 光生物传感器（optical biosensor）和介体生物传感器（medium biosensor）等（如图 3.256） 。图 3.256 生物传感器按敏感元件分类 与通常的化学分析法相比，生物传感器具有以下特点： 1） 分析速度快，可以在较短的时间内得到结果； 2） 准确度高，一般相对误差可以达到 1%； 3） 操作较简单，容易实现自动分析； 生物传感器的主要缺点是使用寿命较短。 3.50 酶传感器的检测方式有哪几种？试举例说明。 答：常见的酶传感器有电流型和电位型两种。其中，电流型是由与酶催化反应有关物质电极反应所得到的电流来确 定反应物质的浓度，一般采用氧电极、 H 2O2 电极等；而电位型是通过电化学传感器件测量敏感膜电位来确定与催 化反应有关的各种物质的浓度，一般采用 NH 3 电极、 CO2 电极、 H 2 电极等。 25下面以葡萄糖酶传感器为例说明其工作原理与检测过程。图所示为葡萄糖酶传感器的结构原理图，它的敏感膜 为葡萄糖氧化酶，固定在聚乙烯酰胺凝胶上。敏感元件由阴极 Pt ，阳极pb 和中间电解液（强碱溶液）组成。在电极 Pt 表面上覆盖一层透氧化的聚四氟乙烯膜，形成封闭式氧电极，它避免了电极与被测液直接接触，防止电极毒化。 当电极 Pt 浸入含蛋白质的介质中，蛋白质会沉淀在电极表面上，从而减小电极有效面积，使两电极之间的电流减小， 传感器受到毒化。 测量时，葡萄糖酶传感器插入到被测葡萄糖溶液中，由于酶的催化作用而耗氧（过氧化氢 H 2O2 ） ，其反应式 为H 2O ? O2 GOD 葡萄糖酸+ H 2O2 式中，GOD 为葡萄糖氧化酶。由式可知，葡萄糖氧化时产生 H 2O2 ，而 H 2O2 通过选择性透气膜，使聚四氟乙葡萄糖+ 烯膜附近的氧化量减少，相应电极的还原电流减少，从而通过电流值的变化来确定葡萄糖的浓度。3.51 免疫传感器有哪两种类型？其工作原理分别是什么？ 答：免疫传感器的基本原理是免疫反应。利用抗体能识别抗原并与抗原结合的功能的生物传感器称为免疫传感器。 它利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应，反应的结果使生物敏感膜的电位发生变化。 免疫传感器一般可分为非标识免疫传感器和标识免疫传感器。当抗体固定在传感器表面，当传感器表面与含有 抗原体的溶液接触时，传感器表面就会形成抗菌素体的复合体，比较抗原抗体复合体形成前后的特性，即可知发生 的物理变化，此种结构的传感器称为非标识免疫传感器。而标识免疫传感器是利用酶的标识剂来增加免疫传感器的 检测灵敏度。前者适合于定量检测，后者适用于如荷尔蒙、胰岛素等高灵敏度检测。 图所示为梅毒抗体传感器的结构原理图，它由三个容器组成，1 为基准容器，2 为测试容器，3 为抗原容器。梅 毒抗菌抗体传感器使用脂质抗菌素原固定化膜，将乙酰纤维素和抗原溶于二氯乙烷与乙醇混合溶液中，然后将它摊 在玻璃板上，形成厚度为 10 ? m 的膜。将抗原在膜中进行包裹固定化，干燥后将膜剥下，通过支持物将它固定在容 器内。参考膜（不含有抗原的纯乙酰纤维素膜）与抗原膜由容器 1 和容器 3 分开。血清注入容器 2 中，抗原膜作为 带电膜而工作，如果血清中存在抗体，则抗体被吸附于抗原表面形成复合体。因抗体带正电荷，所以膜的负电荷减 少，引起膜电位变化，最后通过测定两个电极间的电位差，来判断血清中是否存在梅毒抗体。3.52 什么是智能传感器？传感器的智能化主要包括什么内容？ 答：智能传感器是基于人工智能、信息处理技术实现的具有分析、判断、量程自动转换，漂移、非线性和频率响应 等自动补偿，对环境影响量的自适应，自学习以及超限报警、故障诊断等功能的传感器。 传感器智能化主要包括：逻辑判断和统计处理、自诊断和自校准、自适应和自调整、组态、记忆和存储、数据 通信等功能。 3.53 微传感器的特点是什么？有什么应用？ 答：微传感器具有以下特点：26（1）空间占有率小。对被测对象的影响少，能在不扰乱周围环境，接近自然的状态下获取信息。 （2）灵敏度高，响应速度快。由于惯性、热容量极小，仅用极少的能量即可产生动作或温度变化。分辨率， 响应快，灵敏度高，能实时地把握局部的运动状态。 （3）便于集成化和多功能化。能提高系统的集成密度，可以用多种传感器的集合体把握微小部位的综合状态 量；也可以把信号处理电路和驱动电路与传感元件集成于一体，提高系统的性能，并实现智能化和多功能化。 （4）可靠性提高。可通过集成，构成伺服系统，用零位法检测；还能实现自诊断、自校正功能。把半导体微 加工技术应用于微传感器的制作，能避免因组装引起的特性偏差。与集成电路集成在一起可以解决寄生电容和导线 过多的问题。 （5）消耗电力小，节省资源和能量。 （6）价格低廉。能多个传感器制作在一起且无须组装，可以在一块晶片上同时制作几个传感器，大大降低了材 料和制造成本。 3.54 模糊传感器具有哪些基本功能？其基本结构是怎样的？ 答：模糊传感器作为一种智能传感器，它应该具有智能传感器的基本功能，即学习、推理、联想、感知和通信功能。 模糊传感器的基本功能决定了其基本结构。 1．逻辑结构与物理结构 所谓模糊传感器的逻辑结构就是在逻辑上要完成的功能，图 3.306 所示是模糊传感器的简化逻辑结构框图。一 般来说，模糊传感器逻辑上可分为转换部分和符号处理与通信部分。从功能上看，有信号调理与转换层、数值―符 号转换层、符号处理层、有指导信息层和通信层。这些功能有机地集成在一起，完成数值―符号转换功能。 与模糊传感器逻辑功能相对应，一种典型的物理结构如图 3.307 所示。由图可知，模糊传感器是以计算机为核 心，以传统测量为基础，采用软件实现符号的生成和处理，在硬件支持下可实现有导师学习功能，通过通信单元实 现与外部的通信。图 3.306 模糊传感器的基本逻辑 图 3.307 模糊传感器的基本物理结构 2．多维模糊传感器结构 图 3.308 所示为多维模糊传感器结构框图。由图可知，由敏感元件、信号调理以及 A/D 转换器组成的基础测量 单元完成传统的传感测量任务。由数值预处理、数值―符号转换器、概念生成器、数据库、知识库构成的符号生成 与处理单元实现模糊传感器核心工作――数值―符号转换。单一被测量的一维情况只能是多维模糊传感器的一个特 殊情况。 数值符号的模糊化必须有知识库中专家知识的支持，知识库中存放的知识主要有符号量及其隶属函数、合成概 念的推理合成规则、被测对象的背景知识以及测量系统的有关情况等。知识库经验隶属函数可以通过模糊统计法、 选择比较法等方法产生，而对于不同的测量对象具体实现时的输入信息模糊化过程，则可以在知识库经验指导下， 通过语义关系自动产生，也可以在导师指导下通过学习和训练来产生并修正隶属函数曲线，这正是设计学习单元的 主要目的。调整好的符合量和隶属关系放入知识库中。通过调整符号量的隶属，可使模糊传感器适合不同的测量目 的。 通过对一组采样样本的训练， 模糊传感器可以自动产生一个概念序列放在数据库中， 当有数值测量结果送入时， 按最大隶属度原则选一符号量输出，即实现了数值―符号转换。 学习系统主要是为了调整概念而设计的，当测量系统用于不同的测量目的时，或不同用户有不同要求时，用户 通过学习系统来调整符号量的隶属关系，满足自己的测量目的，调整好的符号量放入知识库中。 推理器主要是用来实现复合概念的生成。 由于复合概念是建立在经验知识基础上， 测量结果不能通过公式计算， 必须利用知识库中的经验知识通过模糊推理来实现。为实现有导师学习，还必须具有输入设备，用户通过它实现对 传感器的控制和调整概念。 通信接口实现模糊传感器与上级系统之间的信息交换，把测量结果（数值量与符号量）输出到系统总线，并从 系统总线上接收上级系统的命令。人机接口是模糊传感器与操作者进行信息交流的通道。 管理器主要是对测量系统自身的管理，接收上级系统的命令，开启 /关闭测量系统，调节放大器的放大倍数， 根据上级系统的要求决定输出量的类型（数值量或者语言符号量）等。27图 3.308 多维模糊传感器结构框图 3．有导师学习结构的实现 具有学习功能使得模糊传感器的智能化水平提高。图 3.309 所示为具有学习功能的模糊传感器示意图。由图可 知，有导师学习法的基本原理是基于比较导师和传感器对同一被测值 x 的定性描述的差别进行学习的。对同一被测 值 x ，如果导师的语言描述符号为 l （1）如果 l?x ? ? l ' ?x ? ，则 e ? 正，那么 u ? 增加； （2）如果 l ?x ? ? l ' ?x ? ，则 e ? 负，那么 u ? 减少； （3）如果 l ?x ? ? l ' ?x ? ，则 e ? 0，那么 u ? 保持。?x ? ，模糊传感器结构的描述为 l ' ?x? ，则 l ?x ? 与 l ' ?x? 进行比较，结果如下：其中， e 为误差， u 为控制量，被控量为概念的隶属函数，控制行为是“增加” 、 “减少”和“保持” 。 “增加”是指 隶属曲线向数值小的方向平移或扩展， “减少”指向数值量大的方向平移或扩展， “保持”指隶属函数保持不变。 基于上述有导师学习的基本原理，可以看出，实现模糊传感器有导师学习功能的结构，关键在于导师信号的获 取。 导师信号可以分为经验知识信号和直观感觉信号两类。所谓经验知识信号是指在某些测量任务下，经过长期的 实践经验总结，导师对被测量的描述符号隶属度为 1 的相应数值已经可以事先确定；而直观感觉信号是指导师对被 测量状态的直接描述符号，其间不经过数值描述符号这一过程。可以采用人机接口的方式将上述这两种导师信号输 入至模糊传感器内部，以便进行学习。图 3.309 有导师学习的模糊传感器示意图 3.55 网络传感器的一般组成单元是什么？其核心是什么？ 答：网络传感器主要是由信号采集单元、数据处理单元及网络接口单元组成。28敏 感 元 件调 理 电 路A/D 转 换微 处 理 器网 络 接 口信号采集单元数据处理单元网络接口单元网络传感器的核心是使传感器本身实现网络通信协议。目前，可以通过软件方式或硬件方式实现传感器的网络 化。其中，软件方式是指将网络协议嵌入到传感器系统的 ROM 中；硬件方式是指采用具有网络协议的网络芯片直接 用做网络接口。 3.56 请画出利用网络传感器的测控系统的基本结构图。 答：图所示为利用网络化传感器进行网络化测控的基本系统结构。其中： 测量服务器：主要对各测量基本功能单元的任务分配和对基本功能单元采集来的数据进行计算、处理与综合， 数据存储、打印等。 测量浏览器：为 Web 浏览器或别的软件接口，可以浏览现场测量节点测量、分析、处理的信息和测量服务器收 集、产生的信息。 系统中，传感器不仅可以与测量服务器进行信息交换，而且符合 IEEE1451 标准的传感器、执行器之间也相互 进行信息交换，以减少网络中传输的信息量，这有利于系统实时性的提高。第六章习题参考解 6.1 按产生干扰的物理原因，通常可将干扰分成哪几类？分别采取什么抑制措施？ 答：电和磁干扰，常采用屏蔽技术、接地技术和浮Z；机械干扰，主要采取减震措施；热干扰，常采用热屏蔽、恒 温法、对称平衡结构和温度补偿元件；光干扰，常采用封装在不透光的壳体内；湿度干扰，通常采取的措施是避免 将其放在潮湿处、仪器装Z定时通电加热去潮，电子器件和印刷电路浸漆或用环氧树脂封灌等；化学干扰，采取防 腐措施，将关键的元器件密封并保持仪器设备清洁干净；射线辐射干扰，采用专门的技术。 6.2 干扰信号进入被干扰对象的主要通道有哪些？ 答：干扰的引入和传播主要有以下几种： 静电耦合：又称静电感应，即干扰经杂散电容耦合到电路中去。 电磁耦合：又称电磁感应，即干扰经互感耦合到电路中去。 共阻抗耦合：即电流经两个以上电路之间的公共阻抗耦合到电路中去。 辐射电磁干扰和漏电流耦合：即在电能频繁交换的地方和高频换能装Z周围存在的强烈电磁辐射对系统产生的 干扰和由于绝缘不良由流经绝缘电阻的电流耦合到电流中去的干扰。 6.3 什么是电磁兼容性？电磁干扰窜入系统的耦合方式主要有哪几种？试举例说明。 答：有串模干扰和共模干扰两种。 6.4 形成干扰的三要素是什么？研究他们的目的是什么？ 29答：形成干扰的三要素是存在干扰源、耦合通道及有对干扰敏感的接收电路。 研究他们的目的是保证测量装Z或测量系统在各种复杂的环境条件下正常工作。 6.5 在电子技术种的“接地”概念是什么？一般有哪几种地线？什么情况下可以采用多地点接地，什么情况下应采 用一点接地？ 答：接地技术起源于强电，其概念是将电网的零线及各种设备的外壳接大地，以起到保障人身和设备安全的目的。 在电子装Z与计算机系统中，接地又有了新的内涵，这里的“地”是指输入信号与输出信号的公共零电位，它本身 可能是与大地相隔离。 电测装Z的地线有安全接地、信号接地、信号源接地和负载接地。测量系统至少有三个分开的地线，即信号地 线、保护地线和电源地线。 检测系统的接地主要有两种类型。保护接地：保护接地是为了避免当设备的绝缘损坏或性能下降时，系统操作 人员遭受触电危险和保证系统安全而采取的安全措施。工作接地：工作接地是为了保证系统稳定可靠地运行，防止 地环路引起干扰而采取的防干扰措施。 一般来说，系统内印制电路板接地的基本原则是高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地。因为在低频 电路中，布线和元件间的电感并不是大问题，而公共阻抗耦合干扰的影响较大，因此，常以一点为接地点。高频电 路中各地线电路形成的环路会产生电感耦合，增加了地线阻抗，同时各地线之间也会产生电感耦合。在高频、甚高 频时，尤其是当线长度等于 1/4 波长的奇数倍时，地线阻抗就会变得很高。这时的地线就变成了天线，可以向外辐 射噪声信号。所以这时的地线长度应小于 1/2 信号波长，才能防止辐射干扰，并降低地线阻抗。实验证明，在超高 频时，地线长度应小于 25mm，并要求地线镀银处理。 一般来说，频率在 1MHz 以下，可用一点接地；而高于 10MHz 时，则应多点接地。在 1～10MHz 之间时，如果采 用一点接地的方式，其地线长度就不要超过波长的 1/20。否则，应采用多点接地的方式。 6.6 什么是共模干扰、串模干扰和共模干扰抑制比？ 答：共模干扰对检测系统的放大电路的干扰较大。是指相对公共地电位为基准点，在系统的两个输入端上同时出现 的干扰，即两个输入端和地之间存在地电压。 串模干扰是使信号接收器的一个输入端电位相对另一个输入端电位发生变化，即干扰信号与有用信号是叠加在 一起的。 共模干扰抑制比是指作用于电路（或系统）的共模干扰信号使电路（系统）产生同样输出所需的差模信号之比。 也定义为检测系统差模增益与共模增益之比。 6.7 仪器电源的变压器制造工艺及结构是否与仪器的抗干扰能力有关？ 答：有关。 6.8 仪器内部电子元件造成的干扰能否通过采取屏蔽措施解决？如果不行，一般采用何种措施解决？ 答：不行。通常方法有变压器隔离和光电耦合隔离。 6.9 仪器机壳接大地后是否一定能够提高仪器的电磁兼容性？ 答：不一定能够提高仪器的电磁兼容性。但可以提高测量系统的安全防护，通常接地电阻在10 ? 以下。 6.10 常用的交流电源滤波器有哪些？各有什么特点？ 答：常用高频干扰电压滤波电路和低频干扰电压滤波电路。其中，前者用于抑制制中频带的噪声干扰，后者用于抑 制电源波形失真而含有较多高次谐波的干扰。 6.11 试分析一台你所熟悉的测量仪器在工作过程中经常受到的干扰及应采取的防护措施。 答：参考教材 P391 6.12 如题 6.12 图所示控温电路中，放大器 A1 和 A2 用以放大热电偶的低电平信号，利用开关 S 周期性通断把大功率 负载接到一个电源上，试说明噪声源、耦合通道和被干扰电路。题 6.12 图 3031
第1 章 绪论 习题参考答案 (3 1、试述数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统的概念。 3、4、5 页) 试述数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统的概...《基础会计》练习参考答案 第二章 会计科目和账户(59―61) 习题一 内容资产 固定资产 实收资本 银行存款 短期借款 原材料 应付账款 其他应收款 应收账款 应交...解答: 5n 2+8 n = O (n 2);1 3n 2/11 + 3 n = O (3 n) ; 参考答案 5 56 + 3/ n = O (1) logn 5 = O (logn); 6 log4 n= O ...胡泽洪逻辑学课后练习题参考答案_理学_高等教育_教育专区。《逻辑学〉教材练习题参考答案(仅供参考)
第二章 一、 1、违反同一律, “讲究语言形式”...初中数学教材课后习题参考答案(人教版七年级下册)_数学_初中教育_教育专区。初中数学教材课后习题参考答案(人教版七年级下册) 数学七年级下册习解答(全) 1 2 3 4...23页 2财富值 《标准C语言》课后习题参考... 26页 2财富值 C课后习题参考答案(1-6) 暂无评价 9页 1财富值 C语言程序设计课后习题参考... 4页 1财富值喜...课后习题参考答案-OS_理学_高等教育_教育专区。课后习题参考答案-OS第 三章 操作系统结构 3.1 操作系统关于进程管理的五个主要活动是什么? (1)创建和删除用户进程...发展经济学课后习题参考答案第一章 一、名词解释 经济世界:按照法国年鉴派史学大师布罗代尔的解释,经济世界是在全球形成一个经 济整体的情况下,地球上一个部分的...单片机-习题 8页 免费如要投诉违规内容,请到百度文库投诉中心;如要提出功能问题或意见建议,请点击此处进行反馈。 单片机课后习题参考答案 阿斯顿发生阿斯顿发生隐藏&&...西方经济学课后习题参考答案_经济学_高等教育_教育专区。《西方经济学简明教程》参考答案 《西方经济学简明教程》参考答案冯剑亮 尹伯成 编 习题一 1. 简释下列概念...
All rights reserved Powered by
www.tceic.com
copyright &copyright 。文档资料库内容来自网络，如有侵犯请联系客服。}