检测与传感技术思考题答案

1、第一章思考题和习题参考答案11 什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的相互作用及相互关系如何？答：传感器是把被测量转换成电化学量的装置，传感器由敏感元件和转换元件组成，其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要信号调理与转换电路进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。12 什么是传感器的静态特性？它有那些性能指标？分别说明这些指标的含义？答：传感器的静态特性是指被测量

2、的值处于稳定状态时的输入与输出的关系。灵敏度是输入量Dy与引起输入量增量Dy的相应输入量增量Dx之比。传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。迟滞是指传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象。重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随时间变化，此现象称为漂移。精度是评价系统的优良程度。13 什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：绝对误差可定义为测量值与真值之差，实际相对误差的定义式为绝对误差与真值的百分比。引用误差是仪表中通

3、用的一种误差表示方法。它是相对于仪表满量程的一种误差，又称满量程相对误差。14 什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常适用于什么场合？答：测量误差是测得值减去被测量的真值。有五种表示方法：绝对误差、相对误差、基本误差、引用误差、附加误差。对工程技术及科学研究中，对被测量进行测量时，测量的可靠性至关重要，不同的场合对测量结果的可靠性要求也不同。例如：在量值传递、经济核算、产品检验场合应保证测量结果有足够的准确度。15 什么是随机误差？产生随机误差的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：随机误差是指在同一测量条件下，多次测量被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差。

4、随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素，如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。16什么是系统误差？系统误差可分为哪几类？系统误差有哪些检验方法？如何减小和消除系统误差？答：在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律（如线性、多项式、周期性等函数规律）变化的误差称为系统误差。前者为恒值系统误差，后者为变值系统误差。对于系统误差，首先要查找误差根源，并设法减小和消除，而对于无法消除的恒值系统误差，可以在测量结果中加以修正。17 什么是粗大误差？如何判断测量数

5、据中存在的粗大误差？答：超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差，这类误差的发生是由于测量者疏忽大意，测错、读错或环境条件的突然变化等引起的。18 什么是间接测量、直接测量和组合测量？答：用按已知标准标定好的测量仪器，对某一未知量直接进行测量，得出未知量的值，这类测量称为直接测量。对几个被测量有确切函数关系的物体物理量进行直接测量，然后通过已知函数关系的公式、曲线或表格，求出该未知量，这类测量称为间接测量。在测量中，使各个未知量以不同的组合形式出现（或改变测量条件来获得这种不同的组合），根据直接测量和间接测量所得到的数据，通过解一组联立方程而求出未知量的数值，这类测量称为组合测量。第二章思考题和

6、习题参考答案2-1 什么叫应变效应?利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。答：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。应变式传感器主要用来测量物体的受力，由测量电路求出电阻的变化量，再求出应变，从而求出物体所受的力。2-2 试述应变片温度误差的概念、产生原因和补偿办法。答：由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。（1）电阻温度系数的影响。（2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。补偿方法：（1）线路补偿法。（2）应变片的自补偿法。这种温度补偿法是利用自身具

7、有温度补偿作用的应变片（称之为温度自补偿应变片）来补偿的。2-3 什么是直流电桥？若按不同的桥臂工作方式分类，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？答：直流电桥是测量小电阻的一种电路，分为单臂电桥、半桥和全桥。半桥输出电压为单臂电桥的2倍，全桥输出电压为半桥的2倍。2-4 拟在等截面的悬臂梁上粘贴4个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥电路，试问： 4个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？ 画出相应的电桥电路图。答：相对桥臂的一对电阻粘贴在悬臂梁的同一表面，而另一对电阻粘贴在悬臂梁的另一表面相对的位置。2-5 图2-5为一直流应变电桥。图中E = 4V，R1 = R2 = R3 = R4 = 120W

8、，试求：R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为DR1 = 1.2W时，电桥输出电压Uo为多少？R1、R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压Uo为多少？ 题中，如果R2与R1感受应变的极性相反，且DR1 = DR2 = 1.2W，电桥输出电压Uo为多少？解：=V U0=0V=V图2-14 题2-6图2-6 图2-14为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片灵敏系数K = 2.05，未受应变时，R1 = 120W。当试件受力F时，应变片承受平均应变e = 800mm/m，试求： 应变片电阻变化量DR1及电阻相对变化量D

9、R1/R1。 将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥输出电压及电桥非线性误差。 若要减小非线性误差，应采取何种措施?分析其电桥输出电压及非线性误差大小。解：=V=可以采用全桥的方式，输出电压为单臂电桥的4倍，即4.92×10-3V2-7 在题2-6条件下，如果试件材质为合金钢，线膨胀系数bg = 11 ´ 106/，电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数a = 15 ´ 106/，线膨涨系数bs = 14.9 ´ 106/。当

10、传感器的环境温度从10变化到50时，所引起的附加电阻相对变化量(DR/R )t为多少?折合成附加应变et为多少?解： =15×10-6+2（11×10-614.9×10-6）×40=2.88×10-6第三章思考题和习题参考答案3-1 根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？答：变极距型电容传感器, 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间，极板间距离在25200mm的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。变面积型电容式传感器, 能够进行力、位移和转

11、角的测量。变介质型电容式传感器，变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。3-2 如何改善单极式变极距型传感器的非线性？ 答：采用差动式结构即可大大降低非线性误差。3-3 如图3-7所示为电容式液位计测量原理图。请为该测量装置设计匹配测量电路，要求输出电压Uo与液位h之间呈线性关系。答：，C与h成线性关系，采用调频式、运算放大器式和环形二极管充放电法皆可。3-4 有一个以空气为介质的变面积型平板电容传感器，如图3-5所示，其中a = 8mm，b = 12mm，两极板间

12、距离为1mm。一块板在原始位置上平移了5mm后，求该传感器的位移灵敏度K（已知空气相对介电常数e =1F/m，真空时的介电常数e0 = 8.854×10-12F/m）。 解：3-5 图3-11为电容式传感器的双T电桥测量电路，已知R1=R2=R=40kW，RL=20kW。e=10V，f=1MHz，C1=10pF，C2=10pF，C1=1pF。求UL的表达式及对应上述已知参数的UL值。解：M=UL=U f M(C1C2)=10×1×106×2×10-12×V3-6 差动电容式传感器接入变压器交流电桥，当变压

13、器二次侧两绕组电压有效值均为U时，试推导电桥空载输出电压Uo与Cx1、Cx2的关系式。若采用变极距型电容传感器，设初始截距均为d0，改变d后，求空载输出电压Uo与d的关系式。解：3-7 简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。 答：电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。第4章

14、思考题及习题参考答案4.1 说明差动变磁阻式电感传感器的主要组成、工作原理和基本特性。答：差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈和磁路组成, 测量时, 衔铁通过导杆与被测位移量相连, 当被测体上下移动时, 导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动, 使两个磁回路中磁阻发生大小相等, 方向相反的变化, 导致一个线圈的电感量增加, 另一个线圈的电感量减小, 形成差动形式。差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸和材料完全相同、两个线圈的电气参数和几何尺寸等方面均应完全一致。差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。4.2

15、已知变气隙电感传感器的铁芯截面积S=1.5cm2，磁路长度L=20cm，相对磁导率1=5000，气隙0=0.5cm，=±0.1mm，真空磁导率0=4×10-7H/m，线圈匝数W =3000，求单端式传感器的灵敏度L/。若将其做成差动结构形式，灵敏度将如何变化？解：方法1：当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0，则此时输出电感为当/0<<1时（台劳级数）：可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即对上式作线性处理，即忽略高次项后，可得单端式传感器的灵敏度： 差动结构形式的灵敏度是单端式传感器的灵敏度的2倍。方法2：单端式传感器的灵敏度L/=169.56 差动结构

16、形式的灵敏度是单端式传感器的灵敏度的2倍。4.3差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？答：零点残余电压主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波中起主要作用的是三次谐波，其产生的原因是磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。零点残余电压的克服办法主要是提高次级两绕组的对称性(包括结构和匝数等)，另外输出端用相敏检测和采用电路补偿方法，可以减小零点残余电压影响。4.4根据螺管型差动变压器的基本特性，说

17、明其灵敏度和线性度的主要特点。答：差动变压器的结构如图所示，主要由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。差动变压器传感器中的两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，当衔铁位于中心位置时，两个次级线圈感应电压大小相等、方向相反，差动输出电压为零，但实际情况是差动变压器输出电压往往并不等于零。差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致，使传感器的灵敏度降低，分辨率变差和测量误差增大。4.5概述差动变压器的应用范围，并说明用差动变压器式传感器检测振动的基本原理。答：差

18、动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。图为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。它由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。4.6什么叫电涡流效应？怎样利用电涡流效应进行位移测量？答：根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，金属导体内将会产生旋

19、涡状的感应电流，该旋涡状的感应电流称为电涡流。电涡流位移计是根据高频反射式涡流传感器的基本原理制作的。电涡流位移计可以用来测量各种形状试件的位移量，如图所示，当被测物体的位置发生变化时，传感器与金属导体之间的距离发生改变，从而引起涡流的大小发生变化，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z发生变化。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该物体位移的测量。4.7简述电涡流式传感器的工作原理、特性、和基本结构。答：根据电涡流效应原理制成的传感器称为电涡流式传感器。将一个通以正弦交变电流I1，频率为f，外半径为r的扁平线圈置于金属导体附近，则线圈周围空间将产生一个正弦交变磁场H1，使金

20、属导体中感应电涡流I2，I2又产生一个与H1方向相反的交变磁场H2，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。而电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关，还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率f有关，同时还与线圈与导体间的距离x有关。如果保持上述其他参数不变，而只使其中一个参数发生变化，则传感器线圈的阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。利用电涡流传感器可以实现对位移、材料厚度、金属表面温度、应力、速度以及材料损伤等进行非接触式的连续测量，并且这种测量方法具有灵敏度高、频率响应范围宽

21、、体积小等一系列优点。4.8电涡流式传感器测厚度的原理是什么？具有哪些特点？答：图示的是应用高频反射式电涡流传感器检测金属带材厚度的原理框图。S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。两传感器的输出电压之和为2Uo，数值不变。如果被测带材厚度改变量为d，则两传感器与带材之间的距离也改变一个d，两传感器输出电压此时为2Uo±U，U经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。高频反射式电涡流测厚仪在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完

22、全相同的涡流传感器S1和S2，可以克服带材不够平整或运行过程中上、下波动的影响。第五章 思考题和习题参考答案一、答: 当晶体材料受到压力或拉力作用而发生机械形变时，在其表面产生电荷；当去掉外力作用时，晶体表面电荷又消失，这一现象称为压电效应；当在晶体上加上交流电压时，晶体材料将在某个方向上产生机械振动，即产生伸缩变形，这一现象称为逆压电效应。二、答：石英晶体是单晶体，各向异性。晶体上产生电荷的极性与受力的方向有关；压电陶瓷是一种人工合成的多晶体压电材料。其内部是由无数个细微的单晶组成的，每个晶粒具有一定的极化方向，压电陶瓷要具有压电效应，必须要有外加电场和压力的共同作用。三、答：利用石英晶体或

23、压电陶瓷材料的压电效应制成的传感器，叫压电传感器。压电式传感器具有结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点。适用于动态力学的测量，但不适用于静态测量。既可以将机械能转换成电能，也可将电能转换成机械能。它的主要用途：用于与力相关的动态参数的测量，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。四、答：压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。当传感器与被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可认为质量块的惯性很小，因此，质量块与传感器基座感受到相同的振动，并受到与加速度方向相反

24、的惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力为传感器输出的电荷与作用力成正比，即 因此，只要测得传感器输出的电荷量Q大小，即可知加速度的大小。第六章 思考题和习题参考答案一、答：因为磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动，而在导体两端产生感应电动势原理而制成的。它能将机械能转换成电能，因此，它是一种有源传感器。二、答：有恒磁通式和变磁通式两种。两种传感器均是由工作线圈和磁体两部分组成。（1）恒磁通式传感器结构组成如图所示（图略）。当线圈和磁体两部分发生相对运动时，线圈中便产生出感应电动势。（2）变磁通式传感器结构组成如图所示（图略）。在工作时，由于磁路的磁通大小不断变化，线圈中便产生相应的感应

25、电动势信号。三、答： 磁电式传感器不需要供电电源，电感式传感器需要电源电路，；磁电式传感器可以直接把被测量转换成电信号，电感式传感器是先把被测量转换成线圈的L或M的变化，然后通过测量电路再转换成相应电信号；磁电式传感器电路简单，而电感式传感器的电路较复杂。能够测量位移、振动、转速、扭矩等。四、答：当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端产生电压，这一现象称为霍尔效应。它是由通电半导体簿片和磁场构成，主要用于电磁、压力、加速度和振动方面的测量。五、答：与霍尔元件中的电流和磁场有关；由于霍尔元件多是用半导体材料制成的，所以霍尔电动势受温度影响较大。六、答：有位移、转速、压力、加速度等

26、。 霍尔元件在额定控制电流作用下，若元件不加外磁场，输出的霍尔电压的理想值应为零，但由于存在电极的不对称、材料电阻率不均衡等因素，霍尔元件会输出电压，该电压称为不等位电压U，其值与输入电压、电流成正比。U一般很小，不大于1mV.七、答：测量微位移、测量转速、接近开关、构成金属计数器等。第七章 思考题和习题参考答案7-1 光电效应有那几种？相对应的光电器件各有哪些？答：外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管等。内光电效应在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应可以分为

27、一下两大类：光电导效应，光生伏特效应。基于内光电效应的器件有：光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏晶体管7-2 试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应用时各有什么特点？答：1、光敏电阻是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，无光照时，光敏电阻阻值（暗电阻）很大，电路中的电流（暗电流）很小。光敏电阻具有光谱特性。光敏电阻的暗电阻阻值一般在兆欧数量级，亮电阻阻值在几千欧以下。光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外光谱区工作。2、 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明的玻璃外壳中，可以直接受到光的照射，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，

28、当没有光照射时，反向电流很小；当光线照射在PN结上，形成光电流。处于导通状态。光敏晶体管发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电极就是反向偏压，当光照射便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管具有放大作用。适合于开关状态或位式信号的光电转换。3、光电池光电池在有光线作用时实质就是电源，光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射在PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就会产生一对自由电子和

29、空穴，电子空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜作电压源。7-3 光电耦合器分为哪两类？各有什么用途？光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。根据结构和用途不同，它又可以分为实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。7-4 试述光电开关的工作原理（拟定光电开关用于自动装配流水线上工作的计数装置检测系统）。光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关

30、”信号的器件。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样就起了检测的作用。7-5 光在光纤中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求？光在光纤中的传输基于光的全内反射。为满足光在光纤内全内反射，光入射到光纤端面的入射角qi应满足：7-6 光纤数值孔径NA的物理意义是什么？对NA的取值大小有什么要求？数值孔径（NA）：数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光亮的多少。其意义是：无论光源的发射功率有多大，只有入射角处于2C 的光椎角内，光纤才能导光。第八章 思考题和习题答案8-1 超声波在介质中传播具有哪些特性? 答：当超声波由

31、一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象，传播方式有纵波、横波和表面波，在不同介质中传播衰减也不同。8-2 超声波物位测量有几种方式?各有什么特点? 答：传感器可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，由于超声波在液体中的衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰

32、减比较厉害。 8-3 简述超声波传感器测量流量的工作原理，并推导出数学表达式。 答：超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。 如果在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L，如图8-6所示。如设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为t2，流体静止时的超声波传播速度为c，流体流动速度为v，则一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，因此超声波传播时间差为流体的流速为： 8-4 已知超声波传感器垂直安装在被测介质底部，

33、超声波在被测介质中的传播速度为1460m/s，测得时间间隔为28ms，试求物位高度。解：h=第九章 思考题和习题参考答案9-1 简述气敏元件的工作原理，气敏传感器的组成。答：半导体气敏传感器一般由3部分组成：敏感元件、加热器和外壳。半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力（气体的吸附和渗透特性）时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离

34、子吸附，半导体表面呈现电荷层。从而使半导体的电阻阻值发生变化。9-2 为什么多数气敏元件都附有加热器?加热方式有哪些？答：加热器的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200400左右。加热方式一般有直热式和旁热式两种9-3 什么叫湿敏电阻?湿敏电阻有哪些类型?各有什么特点？答：湿敏电阻是指元件的阻值随大气中水蒸气质量的变化而变化的电阻。常用湿敏电阻有氯化锂湿敏电阻、半导体陶瓷湿敏电阻。第十章 思考题和习题参考答案10-1 红外探测器有哪些类型？说明它们的工作原理。答：红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热

35、探测器和光子探测器两大类。热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。光子探测器的工作机理是：利用人射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象这种现象称为光子效应。10-2 什么是放射性同位素？辐射强度与什么有关系？答：具有相同的核电荷数Z而有不同的质子数A的原子所构成的元素称同位素。放出射线的同位素称为放射性同位素。放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即 J=J0elt式中：J0开始时的放射源强度；J经过时间为t以

36、后的放射源强度；l放射性衰变常数。10-3 试说明a、b、g射线的特性。答：a射线的电离效应、透射效应和散射效应都有应用，但以电离效应为主，用a 粒子来使气体电离比其他辐射强得多。a 粒子的射程长度在空气中为几厘米到十几厘米。b射线与a射线相比，透射能力大，电离作用小。与b射线相比，g射线的吸收系数小，它透过物质的能力最大，在气体中的射程为几百米，并且能穿透几十厘的固体物质，其电离作用最小。10-4 试说明用b射线测量物体厚度的原理。答：在检测中主要是根据b辐射吸收来测量材料的厚度、密度或重量，根据辐射的反射来测量覆盖层的厚度，利用b粒子很大的电离能力来测量气体流的。10-

37、5 如图10-4所示的红外线气体分析仪中，什么要设置滤波气室？答：设置了滤波气室，其目的是为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在4mm5mm波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。10-6 试用核辐射原理设计一个物体探伤仪，并说明其工作原理。答：可以利用穿透法也可以利用反射法，穿透法是根据射线穿透被

38、测工件后能量的变化状况来判断工件内部质量的方法。在探测中，当工件内部无缺陷时，探测器接受的射线强，仪表指示值大，当工件内部有缺陷时，因部分射线被吸收，探测器接受到的射线弱，仪表指示值小。第11章 思考题及习题参考答案11.1 微波传感器有哪些特点？微波传感器如何分类？答：微波具有下列特点：定向辐射的装置容易制造；遇到各种障碍物易于反射；绕射能力差；传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。11.2 微波无损检测是如何进行测量的？答：微波无损检测是综合利用微

39、波与物质的相互作用，一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响，通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。11.3什么是热电效应？热电阻温度传感器和热电偶各有何特点？答：将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如图所示。当两个接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应。热电偶传感器是工业中使用最为普遍的接触式测温装置。热电偶具有性能稳定、测温范围大、信号可以远距离传输等特点，并且结构简单、使用方便。热电偶能够将热能直接转换为电信号，并且输出直流电压信号

40、，使得显示、记录和传输都很容易。热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。铂热电阻的特点是在氧化性介质中，甚至高温下的物理化学性能稳定，精度高、稳定性好、电阻率较大、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铜热电阻的电阻温度系数比铂高，电阻与温度的关系R-t曲线几乎是线性的，并且铜价格便宜、易于提纯、工艺性好。因此，在一些测量精度要求不高、测温范围不大且温度较低的测温场合，可采用铜热电阻进行测温。11.4为什么用热电偶测温时要进行冷端温度补偿？常用的补偿方法有哪些？答：当热电偶材料选定以后，热电动势只与热端和冷端温度有关

41、。因此只有当冷端温度恒定时，热电偶的热电势和热端温度才有单值的函数关系。此外热电偶的分度表是以冷端温度为0作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为0，所以必须对冷端温度进行处理，以消除冷端温度的影响。对热电偶冷端温度进行处理的方法主要有冷端0恒温法、补偿导线法、补偿电桥法和冷端温度修正法。11.5用分度号为Pt100的铂热电阻测温，当被测温度分别为100和650时，求铂热电阻的阻值Rt1和Rt2分别为多大？答：查分度号为Pt100的铂热电阻分度表可知，当被测温度分别为100和650时，铂热电阻的阻值Rt1和Rt2分别为60.25、329.51。11.6求用分度号为Cu100的铜

42、热电阻测量50温度时的铜热电阻的阻值。答：查分度号为Cu100的铜热电阻分度表可知，当被测温度为50时，铜热电阻的阻值为121.4。11.7用K型热电偶(镍铬-镍硅)测量炉温，已知热电偶冷端温度为T0=30，EAB(30，0)=1.203mV，用电子电位差计测得EAB(T，30)37.724 mV。求炉温T。解： EAB(T，0)=EAB(T，T0)EAB(T0，0) 37.7241.20338.927 mV查K型热电偶(镍铬-镍硅)分度表可知，炉温T为940.311.8 光栅传感器的组成及工作原理是什么？答：光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件。光栅主要由标尺光栅和光栅读数头

43、两部分组成。读数头和标尺光栅之间有相对移动时，光栅上就会出现若干条明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。两块光栅相对移动时，从固定点观察到莫尔条纹光强的变化近似为余弦波形变化，这种正弦波形的光强变化照射到光电元件上，即可转换成电信号关于位置的正弦变化。光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，为了辨别位移的方向，进一步提高测量的精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理。11.9 什么是光栅的莫尔条纹？莫尔条纹是怎样产生的？它具有什么特点？答：两块栅距相等的

44、光栅叠合在一起，并使它们的刻线之间的夹角为时，这时光栅上就会出现若干条明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。莫尔条纹的形成是由两块和光栅的遮光和透光效应形成的。莫尔条纹有如下几个重要特性：消除光栅刻线的不均匀误差位移的放大特性移动特性光强与位置关系11.10 试述光栅传感器中莫尔条纹的辨向和细分的原理。答：图示为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔BH/4的位置上安装两个光电元件，得到两个相位差/2的电信号U01和U02，经过整形后得到两个方波信号U'01和U'02，从图中波形的对应关系可以看出，在光栅向A方向移动时，U'01经微分电路后产生的脉冲(如图中实线所示)正好发生在

45、U'02的“1”电平时，从而经与门Y1输出一个计数脉冲。而U'01经反相微分后产生的脉冲(如图中虚线所示)则与U'02的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，没有脉冲输出。在光栅作A方向移动时，U'01的微分脉冲发生在U'02为“0”电平时，故与门Y1无脉冲输出；而U'01反相微分所产生的脉冲则发生在U'02的“1”电平时，与门Y2输出一个计数脉冲。因此，U'02的电平状态可作为与门的控制信号，来控制U'01所产生的脉冲输出，从而就可以根据运动的方向正确地给出加计数脉冲和减计数脉冲。BB、A、A1、2光电元件 3指示光栅 4莫尔

46、条纹 光栅移动方向； 对应的莫尔条纹移动方向所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量。细分方法有机械细分和电子细分两类。电子细分法中常用的四倍频细分法，这种细分法也是许多其它细分法的基础。在上述辨向原理中可知，在相差BH/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差/2的电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。11.11 二进制码与循环码各有何特点？说明它们相互转换的原理？答：采用二进制编码器时, 任何微小的制作误差, 都可能造成读数的粗误差。循环码是一种无权码, 从任何数变到相邻数时, 仅有一位编码发生变化。只要适当限制各码道的制造误差和安装误差, 不会产生粗误差。按四位二进制码与循环码对照表, 可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为: Rn=CnRi=CiCi+111.12