传感器原理及工程应用第三版答案--郁有文西安电子科技大学出版

1、_(23)二YFS100%2-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的作用及相互关系如何?【答】1、传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。2、传感器由：敏感元件、转换元件、信号调理与转换电路和辅助的电源组成。3、它们的作用是：(1)敏感元件：是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；(2)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；(3)信号调理与转换电路：由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等；(4)辅助的电源：此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源。4、最简

2、单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块 m m 是敏感元件，压电片(块)是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。2-2 什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？分别说明这些性能指标的含义。【答】1、传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。也即当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系就称为静态特性。2、静态特性性能指标包括：线性度、灵敏度、迟滞、重复性和漂移等。3、性能指标：(1)灵敏度：输出量增量 AyAy 与引起输出量增量

3、AyAy 的相应输入量增量 AxAx 之比。用 S 表示灵敏度，即S=B(2)线性度：传感器的线性度是指在全量程范围内嫔际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值 Y YFS 之比。线性度也称为非线性误差，用 YL 表示，即(3)迟滞：传感器在输入量由小到大(正行邛)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性L二:Jmax100%曲线不重合的现象称为迟滞。用丫 H 表示Y滞误差又称为回差或变差。即：出咏100%YFS(4)重复性：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。重复性误差属于随机误差，常用标准差 b 计算，也可用正反行程中最大重

4、复差值 ARmax 计算，即ALALmaxR二-Rmax100%YFS（5）漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为 20C）时的输出值的变化量与温度变化量之比（E）来表示，即_yt-y20一t2-3 什么是传感器的动态特性？它有哪几种分析方法？它们各有哪些性能指标？【答】1、动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。2、研究动态特性的方法有两种：时域法和频域法。在时域内研究动态特性采用瞬态响应法。输入的时间函数为阶跃函数、脉冲函数、斜坡函数，工程上常输入标准信号为阶跃函数；在频域内研究

5、动态特性采用频率响应法，输入的标准函数为正弦函数。3、性能指标是：（1）传感器的时域动态性能指标时间常数 t 一阶传感器输出上升到稳态值的 63.2%所需的时间，称为时间常数；延迟时间 5 传感器输出达到稳态值的 50 断需的时间；上升时间 tr：传感器输出达到稳态值的 90%所需的时间；峰值时间 tp：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间；超调量 a 二阶传感器输出超过稳态值的最大值；衰减比 d:衰减振荡的二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。（2）频率响应特性指标通频带0.707:传感器在对数幅频特性曲线上幅值衰减 3dB 时所对应的频率范围；工作频带 30.95（或

6、0.90）:当传感器的幅值误差为5%（或土 10%时其增益保持在一定值内的频率范围；时间常数 t 用时间常数。来表征一阶传感器的动态特性。越小，频带越宽；固有频率 con：二阶传感器的固有频率/表征其动态特性；相位误差：在工作频带范围内，传感器的实际输出与所希望的无失真输出间的相位差值，即为相位误差；2-4 某压力传感器测试数据如表 2-1 所示，计算非线性误差(线性度)表 2-1 压力传感器校准数据输入压力/MPa输出电压/mVA 循环第二循环第三循环正行程反行程正行程反行程正行程反行程0-2.73-2.71-2.71-2.68-2.68-2.690.020.560.660.610.680.

7、640.690.043.964.063.994.094.034.110.067.407.497.437.537.457.520.0810.8810.9510.8910.9310.9410.990.1014.4214.4214.4714.4714.4614.46【解】1、端点平移法线性度(1)端点直线拟合求出各个校准点正、反程 6 个输出电压的算术平均值。由两个端点的数据，可知端点直线的截距为b=-2.70mV,斜率为：H二-tt-JH-1-y14.452.70上k=171.510mV/Pax0.1-0按照端点直线 y y=171.5x x-2.7(y=kx+b),求各个校准点输出电压的理论值

8、yti,如表 2-2 所示。根据表中的数据可知，考虑符号时，实际输出电压平均值与理论值的最小误差：Aymin=-0.12mV,最大误差 A Ayma=0mV跟随角0.707:3=的.707 时，对应于相频特性上的相角,即为跟随角。、迟滞、重复性误差和总精度。14.450-2.70图 2-1 端点直线拟合曲线（2）端点平移直线拟合端点平移直线拟合是将端点直线平移，截距改变为：HriM.，-jj Hrb/=bymin，：ymax=-2.70-020=-2.76mV22端点平移直线方程即为：y=kx+b/o按照端点平移直线方程重新求实际输出电压平均值与理论值的误差，有：-a-.-a-.,”-*.%;

9、yb-b7=y-0275输入信号的拉普拉斯变换为：X(s)=275s出2又因t1=t2+%，即t1(s)=t2(s)+70st2(s)=t2(s)(1+%s)d.t2(s)1所以H(s)=,ti(s)1.0s1275X(s)fTt进行拉普拉斯反变换后，有y(t)=275(1e120)估算弋=350s的阶跃响应值：350t2=25+275(1-e而)=25+275(1-0.054)=285.15C其动态误差为：图 2-3 一阶传感器阶跃响应3-1 什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。【答】1、所谓应变效应是指金属导体在外界作用下产生机械变形(拉伸或压缩)时，

10、其电阻值相应发生变化,这种现象称为电阻应变效应。2、半导体材料的电阻率p随作用应力的变化而发生变化的现象称为压阻效应。3、应变式传感器的基本工作原理：当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等作用300-285.15300100%=4.95%下发生形变，变换成相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，将引起应变敏感元件的阻值发生变化，通过转换电路变成电量输出。输出的电量大小反映了被测物理量得大小。3-2 试述温度误差的概念、产生的原因和补偿的办法。【答】1、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。2、产生的原因有两个：一是敏感栅的电阻丝阻值随温

11、度变化带来的附加误差；二是当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。3、电阻应变片的温度补偿方法通常有：线路补偿和应变片自补偿。3-3 电阻应变片的直流电桥测量电路，若按不同的桥臂工作方式可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？【答】1、可分为：单臂电桥、半差动电桥和全差动电桥三种。人一ER2、单臂电桥输出电压为：U0=4R，ER半差动电桥输出电压为：U0=2R人“一人一，R全差动电桥输出电压为：U0=ER3-4 拟在等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥测量电路，试问：(1)四个电阻应变片怎样贴在悬臂梁上？(2)

12、画出相应的电桥电路。【答】1、在悬臂梁力传感器中，一般将应变片贴在距固定端较近的表面，且顺梁的方向上下各贴两片，上面两个应变片受压时，下面两个应变片受拉，并将四个应变片组成全桥差动电桥。这样既可提高输出电压灵敏度，又可减小非线性误差。2、差动全桥测量电路E图 3-2 差动全桥测量电路3-5 题 3-3 图为一直流电桥，图中 E=4V,R 产 R2=R3=R4=120，试求：(1)Ri为金属应变片，其余为外接电阻，当 Ri的增量为 ARi=1.2时，电桥输出的电压 U0=?(2)Ri、R2都是金属应变片，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，电桥输出的电压 Uo=?(3)题(2

13、)中，如果 R2与 Ri感受应变的极性相反，且 ARi=AR2=1.2Q,电桥输出的电压 U=?图 3-3 直流电桥测量电路m2、电桥输出电压为3、当 R1受拉应变，R2受压应变时，电桥输出电压为当 Ri受压应变，R2受拉应变时，电桥输出电压为U0=E|(R-AR1)+(R2+AR2)R3+R43-6 题 3-4 图为等强度梁测力系统，R 为电阻应变片，应变片灵敏度系数 K=2.05,未受应变时，Ri=120Q。当试件受力 F 时，应变片承受平均应变=800 科 m/m 试求：(1)应变片电阻变化量ARi和电阻相对变化量AR1/R10(2)将电阻应变片 Ri 置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直

14、流 3V,求电桥输出电压及电桥非线性误差。(3)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。1、应变电阻相对变化量 ARi/Ri：U=ERH(RR1)R2人二4(R3R1201.21202401.2240)1:9.95mV：10mVU0=R3EL(R1土AR1)+(R2土AR2)R3+R4L0mVU0R3=E；R+ARR3【XR1+AR1)+(R2-AR2)-R3+R41，,121.21、=4()=20mV2402,118.81=4()=-20mV2402也=K;=2.0580010，=1.6410工R应变片电阻变化量AR1：.R=旦小=R1K;=1201.6410

15、,=0.1968，】Ri2、单臂电桥输出电压:非线性误差:R1=R2=R3=R4,即 n=1,则电桥的非线性误差:R12R1R111工L=11K1.6410100%=0.082%1由2R222R3、减小非线性误差采取的措施为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥。差动电桥无非线性误差，且半差动电桥电压灵敏度KU=E/2,是单臂工作时的 2 倍，全差动电桥电压灵敏度KU=E,是单臂工作时的 4 倍。同时还具有温度补偿作用。3-8 一个量程为 10KN 的测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径为 20mm,内径为 18mm,在其表面粘贴8 个应变片，4 个沿轴向粘贴，4 个沿周向粘贴，应变

16、片的电阻值为 120，灵敏度为 2.0,泊松比为 0.3,材料弹性模量E=2.1X1011Pa。要求：(1)绘出弹性元件贴片位置及全桥电路；(2)计算传感器在满量程时，各应变片的电阻值；(3)当桥路的供电电压为 10V,计算电桥负载开路时的输出电压。【解】1、弹性元件贴片位置及全桥电路如图 3-5 所示。U0ER14R133=-1.6410=1.23(mV)如果是四等臂电桥,图 3-5 应变片粘贴位置及电路连接图2、圆筒截面积：A=-：(R2-r2)=59.710m2应变片 1、2、3、4 感受轴向应变：a=无=鼻=%=馥应变片 5、6、7、8 感受周向应变：/=%=%=%=%满量程时：_3_

17、F_1010-.R,旧2=.旧3=枳4=k；xR=kR=2.07T120:0.1911234xAE59.7102.11011R5=R=R7=R8=-JR=-0.30.191=-0.05733、全受拉力:(R迅)(RR)(RRe)(R8R8)(R2R2)(R4R4)4-1 说明差动变间隙式电感传感器的主要组成、工作原理和基本特性。【答】U0(RIR)(R3R)=E_(RR)(R3E(R5，R5)(R7，R7)二E一叱一_(RR)(R5R5)(Re&)(ReRe)(R2R2)TmV1、差动变隙式电感传感器由两个完全相同的电感线圈合用一个衔铁和相应磁路组成。2、测量时，衔铁与被测件相连，当被测件上下

18、移动时，带动衔铁也以相同的位移上下移动，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。(1)当衔铁处于初始位置时：=1=:2二二0(2)当衔铁上移A8时:使上气隙61ro上线圈电感增加；L_使下气隙=6。+下线圈电感减小。AL则：L。一2(、o、)3、如果两个线圈反接，则传输特性为:L1=L2=L0oSoW22、：o二Lo：二L;oSW22(o-)|2图 4-1 差动变隙式电感传感器结构图L一Lx2-Lx1AZ 而与AL/L。有理想线性关系。测量电路的任务是将此式转换为电压或电流。4-3 仕么,叫差动变压器一?一差动变压器式传感器有哪几种结构形式？各有什么特点?【答】1、 把

19、被测的非电量转化为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器， 理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。LoLx2Lx1间隙的改变量这种传感器是根据变压器的基本原2、差动变压器结构形式有：有变隙式、变面积式和螺线管式等，在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器。3、特点：(1)变气隙式：灵敏度较高，但随气隙的增大而减小，非线性误差大，为了减小非线性误差，量程必须限制在较小的范围内工作，一般为气隙的 1/5 一下，用于测量几科 m几百科 m 的位移。这种传感器制作困难；(2)变面积式：灵敏度小于变气隙式，但为常数，所以线性好、量程大，使用较广泛；(3)螺线管式：灵敏度低，但

20、量程大它可以测量 1100mm 机械位移，并具有测量精度高、结构简单、性能可靠、便于制作等优点，使用广泛。4-5 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】1、零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。(1)产生基波分量的主要原因是：传感器两线圈的电气参数和几何尺寸的不对称，以及构成电桥另外两臂的电气参数不一致。(2)造成高次谐波分量的主要原因是：磁性材料磁化曲线的非线性，同时由于磁滞损耗和两线圈磁路的不对称，造成两线圈中某些高次谐波成分不一样，不能对消，于是产生了零位电压的高次谐波。此外，激励信号中包含的高次谐波及外界电磁场的干扰，也会产生高次谐波。

21、2、减小电感式传感器的零点残余电压的措施(1)从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构；其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段；减少激励电流的谐波成分与利用外壳进行电磁屏蔽也能有效地减小高次谐波。(2)选用合适的测量线路米用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，衔铁在中间位置时，卤高次谐波引起的零点残余电掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲变到 2,从而消除了零点残余电压。1Uq而且把一压

22、消除1线由 1j13另一种有效的方法是采用外接测量电路来减小零位电压。如相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。图 4-2 相敏检波后的输出特性(3)采用补偿线路采用平衡调节网络，这是一种既简单又行之有效的方法。图 4-3 补偿电路图4-6 简述相敏检波电路的工作原理，保证其可靠工作的条件是什么?图 4-4 开关式全波相敏检波电路原理图相敏检波器工作时要求参考信号ur(t)和被测信号uS(t)频率相同。1、开关式全波相敏检波电路如图4-4 所示:(1)ur(t)与uS(t)同相参考信号ur(t)经 A1 和 D 组成的整形电路后的输出

23、u1(t)是与被测信号uS(t)同频、反相，占空比 1：1 的方波。此方波信号是控制电路电流流通的开关，为场效应管 3DJ7J 提供栅源偏置电压，控制电子开关的动作，决定场效应管漏极信号u3(t)。由场效应管工作原理知：当0WtWT时，V 截止：U36=Us(t)2当二MtT时，V导通：u3(t)=0(1)2差放 A2 寸信号Us(t)和U3(t)进行合成，得到相敏检波器输出信号Uo(t),其表达式为RfUs(t)(1)U3(t)R4当场效应管截止时，运放 A2 工作在跟随状态；当场效应管导通时,时取 Rf=R40把式(1)代入式(2)中，得：当0Ca+Cc+Ci 时，上式可表示为UoqCf6

24、-8 用石英晶体加速度计测量机械的振动，已知加速度计的灵敏度为2.5pC/g(g=9.8m/s2),电荷放大器灵敏度为 80mV/pC,当机器达到最大加速度时，相应的输出幅值为4V。试计算机器的振动加速度。系统灵敏度 Sn 等于传感器灵敏度与电荷放大器灵敏度的乘积，即Sn=2.580=200mV/g系统灵敏度 Sn、输出电压幅值U0及被测加速度幅值 a 的关系为:RH成正比而与霍尔片厚度 d 成反比。2、霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。7-5 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？如何补偿?1、影响霍尔元件输出零点的因素当霍尔元件的激励

25、电流为 I 时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。产生这一现象的原因有：fllfrfrr-rw-rrfJ一(1)霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；(2)半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；(3)激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。2、 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级,其困难的，因而必须采用补偿的方法。可以把霍尔元件等效为一个电桥，用电桥平衡来补偿不等位电势。由于上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。此时可根据判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使

26、不等位电势为零。7-8 试分析霍尔元件出接有负载RL时，利用恒压源和输入回路串联电阻补偿电路如图(a)所示，输入回路与输出回路的等效电路如图(b)、(c)所示。设RL不随温度改变，由于霍尔元件输出电阻 Rout 随温度变化，输出霍尔电势UH也随温度变化，使得负载电阻上的输出电压RLRLRout与温度有关。RT*RLI(a)霍尔元件接有负载有时甚至超过霍尔电势,而实用中要消除不等位电势是极A、B 电极不在同一等位面A、B 两点电位的高低,RT进行温度补偿的条件。(b)输入回路等效电路(c)输出回路等效电路遢以为.10 一时_,负载电阻上的输出电压为RTO(1+&T)+Rn(1+PAT)要实现温度

27、补偿，应使 U=Uo,即 o阶小量(即含 P2或 P&的项)，解得(一)(RLRout)RoutR(-)(RLRouto)Rout7-10(补充题)试对利用霍尔式传感器实现转速测量进行解释。RT三ERinRoutRL三UHRLKHO(11T)BERLRLRouto(1：T)RTO(1T)Rno(1T)RLRout。消去RTO+Rno为了获得最大的输出功率，可使RL=Rout,则RTO2-3：2、2:：“。URLRLUHORLRLRouto(RL渡Rno)设RT的温度系数6,霍尔元件内阻温度系数为P,灵敏度温度系数为 a,则温度升高 AT 后,负载电阻上的电压为RLKHO(1=T)BERLRut

28、o(1：T)RTO1 一输入轴；2 一转盘；3小磁铁 14 一霍尔传感器【答】转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。N=fx60（转/分）nN-转速；f-信号频率；n-槽数。8-1 光电效应有哪几种？相对应的光电器件各有哪些？【答】1、光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。2、光电器件（1）基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。（2）基

29、于光电导效应的光电器件有光敏电阻。（3）基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。8-2 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、光敏电阻的工作原理其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照一它的.阻值鼠亮电阻）.急剧一减小,电路空电流迅速增.太二_一一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级

30、，亮电阻值在几千欧以下。g)2、光敏二极管的工作原理在无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，其反向电阻很大，反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。当有光照射到光敏二极管的 PN 结时，PN 结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，它们在反向电压和内电场的作用下，漂移越过PN 结，形成比无光照时大得多的反向电流，该反向电流称为光电流，此时，光敏二极管的反向电阻下降。若入射光的强度增强，产生的电子,一-空穴对数量也随之增加，光电流也响应增大，即光电流与光照度成正比。,一如果外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的信号。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特

31、性是线性的，所以适合检测等方面的应用。3、光敏晶体管的工作原理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，集电结就是反向偏压。当一光照射在集电结时就会在结附近产生生壬二空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留.上空久工使基极与发射极间的电压升高，这样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一值 2所以光敏晶体管有放大作用。一4、光电池的工作原理硅光电池是在一块 N 型硅片上用扩散的办法掺入一些 P 型杂质（如硼）形成 PN 结。当光照到 PN 结区时,如果光子能量足够大,将在结区附近?t 发出电子一-空穴对，在 N 区聚积负电荷,.P 区

32、聚积正电荷，这SLN.区租上区之间出现电位差一。一一若将 PN 结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由 P 区流经外电路至 N 区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。8-3 光电耦合器件分为哪两类？各有什么用途？【答】光电耦合器件分为两类：一类是用于实现电隔离的光电耦合器（又称光电耦合器），另一类是用于检测物体位置或检测有无物体的光电开关（又称光电断续器）。8-5 如何理解电荷耦合器件有“电子自扫描”作用？【答】面阵 CCD 包才 x、y 两个方向用于摄取平面图像，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在 CCD 内作定向传输而实现自扫描。8

33、-6 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？【答】1、光在光纤内的全内反射进行传输的，实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。2、为满足光在光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的入射角 0i 应满足4E=arcsin工,n12-n2ln。)一般光纤所处环境为空气，则 n0=1,这样上式可表示为“1c=arcsinn12-n；8-7 光纤数值孔径 NA 的物理意义是什么？对 NA 取值大小有什么意义？【答】1、数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。无论光源发射功率有多大，只

34、有入射角处于 20c 的光椎角内，光纤才能导光。如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光。2、光纤的 NA 越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率；但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.20.4。8-8 当光纤的 ni=i.46,n2=1.45,如光纤外部介质的 n0=1,求光在光纤内产生全内反射时入射光的最大入射角，的值？【解】根据光纤数值孔径 NA 的定义InnccNA=sin-c=、2-n；=.1.462-1.452=0.1706n0入射临界角 6c为0c九二arcsinNA=arc0.1706=9.

35、8c故，得该种光纤最大入射角为 9.80,即入射光线必须在与该光纤轴线夹角小于 9.80时才能传播。9-9 根据图 8-43 和 8-44,说明半导体光吸收型光纤温度传感器的工作原理。【答】半导体吸收式光纤传感器测温系统原理图(a)所示:(a)半导体吸收式光纤传感器测温系统原理图输入光纤和输出光纤两端面间夹一片厚度约零点几毫米的半导体光吸收片,使半导体与光纤成为一体。它的关键部件是半导体光吸收片。由半导体物理知道，半导体的禁带宽度 E Eg随温度 T 增加近似线性地减小,.如图(b)所示。(b)半导体的禁带宽度与温度的关系Ch)收边波长入 g 的变短而急剧增加，也即透过率急目剧下降，直至光几乎

36、不能穿透半导体。反之，随着吸收边波长 1g 的变长，半导体的透光率增大。在光源入一定的情况下，通过半导体的透射光强随温度 T 的增加而减小。9-1 简述气敏传元件的工作原理。【答】半导体气敏传感器的敏感部分是金属氧化物半导体微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附被测气体时，半导体微结晶粒子接触表面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度而改变。这种反应是可逆的，因而是可重复使用的。N 型半导体上，还原型气体吸附到 P 型半导体上时，将使半导体载流子减少,而使半导体电阻值增大。并用不锈钢管加以固定在 T 一定时的情况下当氧化型气体吸附到稳压管ZCW7C光纤数字面板表0.B0.

37、91.0波长.Uu(c)半导体的透射光强与温度的关系由图(c)可以看出:当还原型气体吸附到 N 型半导体上，氧化型气体吸附到 P 型半导体上时，则半导体载流子增多,使半导体电阻值下降。9-2 为什么多数气敏元件都附有加热器?【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。力口热器的温度一般控制在 200400C 左右。9-3 什么叫湿敏电阻？湿敏电阻有哪些类型?【答】1、湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。2、工业上流行的湿敏电阻主要有：半导体陶瓷湿敏元件、氯化锂湿敏电阻和有机高分子膜湿敏

38、电阻。9-6 根据图 9-23,说明用色敏传感器测量光波波长（即颜色）的工作原理。图 9-25 所示为检测光波长（即颜色）处理电路。它由色敏半导体传感器、两路对数放大器电路及运算放大器 OP构成。要识别色彩，必须获得两只光电二极管的短路电流比。故采用对数放大器电路,得UD11SD11D1=1SeUTUD21SD2ID2=1Se0,在电流较小的时候，二极管两端加上的电压和流过电流之间存在近似对数关系：UDI-In?ISOB.的输入.电压为.U|1=-UD1iU|1=-UD1。OR取出它们的差，输出为Uo=R2(U|2 一U|1)=C1nR1根据“虚断”概念1nISD21nISD2其正比于短路电流

39、比 I ISD2/I ISD1的对数。其中 C 为比例常数。将电路输出电压经 A/D 变换、处理后即可判断出与电平相对应的波长(即颜色)对数二极管(18。02)9-7 图 9-23 为酒精测试电路，A 是显示驱动器。问:(1)TGS812 是什么传感器？(2)2、5 脚是传感器哪个部分？有什么作用？(3)分析电路工作原理，调节RP有什么意义？1、TGS-812 是气敏传感器。2、2、5 脚是气敏传感器加热电极。加热电极，可以加速还原反应，提高气敏传感器的灵敏度。烧掉金属网上的灰尘和油渍，提高响应速度。3、电路工作原理(1)当气体传感器探测不到酒精时，加在 A 的第 5 脚电平为低电平；当气体传

40、感器探测到酒精时，其内阻变低，从而使 A 的第 5 脚电平变高。A 为显示推动器，它共有 10 个输出端，每个输出端可以驱动一个发光二极管，显示推动器 A根据第 5 脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数，酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上面 5 个发光二极管为红色，表示超过安全水平。下面 5 个发光二极管为绿色，代表安全水平，酒精含量不超过 0.05%。(2)调节RP使测试仪适应在不同气体、不同浓度的条件下工作。10-1 超声波在介质中传播具有哪些特性？【答】(1)超声波的波型：声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有：纵波、横波和表面波。(2)超声波的

41、传播速度：在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的 90%气体中纵波声速为 344m/s。；液体中纵波声速在9001900m/s。(3)超声波的反射和折射：声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。(4)超声波的衰减，声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。10-4 简述超声波测量流量的工作原理，并推导出数学表达式。【答】一采出时羞法测流速?一V为液体的平

42、均速度，C为超声波的液体中传播速度。设超声波探头 1 为发射探头工超声波探头 2 为接收探头 2 超声波传播的速度为c+vsin8,则顺流传播时间为：Dttcos-1cvsinu&以超声波探头一 2.为发射探头,超声波探头1 为接收探头.超声波传播的速度为c-vsin,则逆流传播时间为:2c.vt2Dtam这种测量方法的精度取决于At的测量精度，同时应注意c并非常数，而是温度的函数。WhrWWWlWWWWWWWWWIWWWWWWWVWWWWWWWWVWrWWWWWCUlWIWWWWWIWWWMWWWWWWWMIWWWWIWWWWUrWWWWMWI10-5 已知超声波探头垂直安装在被测介质底部，

43、超声波在被测介质中的传播速度为 1460m/s,测得时间为 28 科 s,试求物位高度。【解】对于单探头来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到探头的时间为则物位高度为时差 At 为由于 CAAV,可以近似有:则液体的平均速度为t2Dcosic-vsiniD2vsim222.cos?cvsin1工D2vsn2Dvtant1二1coscc14602810”=20.44m11-1 简述微波传感器的测量机理。【答】由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示

44、出被测量，实现了微波检测。11-2 微波传感器有哪些特点？微波传感器如何分类？【答】1、微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有如下特点：(1)有极宽的频谱(波长=1.0mm-1.0m)可供选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；(2)在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣环境下工作；(3)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；(4)时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制；(5)测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控；(6)微波

45、无显著辐射公害。微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很好的解决。其次，使用时外界环境因素影响较多，如温度、气压、取样位置等。2、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。(1)反射式微波传感器反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。(2)遮断式微波传感器遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、含水量等参数的。12-1 红外探测器有哪些类型？【答】红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐

46、射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的物理效应可分为两大类：(1)一类是器件的某些性能参数随入射的辐射通量作用引起的温度变化的热探测器；测器材料的束缚电子相互作用，从而释放出自由电子和自由空穴参与导电的器件。光子探测器的响应正比于吸收的光子数。12-3 试说明 a、0、射线的特性。【答】(1)在检测技术中，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它辐射强得多。其贯穿本领小，但有很强的电离作用。(2)3 射线与 a 射线相比，透射能力大，电离作用小。在检测中主要是根据 3 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

47、度，利用 3 粒子很大的电离能力来测量气体流的。(3)与 3 射线相比，丫射线的吸收系数小，它透过物质的能力最大，在气体中的射程为几百米，并且能穿透几十厘米的固体物质，其电离作用最小。在测量仪表中，根据丫辐射穿透力强这一特性来制作探伤仪、金属厚度计和物位计等。14-1 什么是智能传感器？它包含哪几种主要形式？【答】1、所谓智能式传感器，就是一种带有微处理器的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。即“电五官”+“电脑”。2、智能传感器主要形式(1)一是采用微处理机或微型计算机系统以强化和提高传统传感器的功能，即传感器与微处理机可分为两个独立部分，传感器的输出信号经处理和

48、转化后由接口送到微处理机部分进行运算处理。这就是我们指的一般意义上的智能传感器，又称传感器的智能化。(2)二是借助于半导体技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成电路智能传感器，简称集成智能传感器。15-2 试证明热电偶的中间导体定律，说明该定律在热电偶实际测温中的意义。【答】1、中间导体定律(1)如图(a)所示的回路中，由于温差电势可忽略不计，则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和，即(2)另一类是利用各种光子效应的光子探测器,即入射到探测器上的红外辐射能以光子的形式与光电探EABC(t,t0)=EAB(t)+EBC(t0)+EcA(

49、t0)其中EBC（to）+EcA（to）=-EAB（to）35EABC(t,t0)=EAB(t)-EAB&)=EAB(t,t0)上式表明，接入第三种导体后，并不影响热电偶回路的总热电势。(a)具有三种导体的热电偶回路(2)如图(b)所示的回路中，由于温差电势可忽略不计，则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和，即EABc(t,t,ti)=EAB(DEBAEAC(L)ECA(L)=EAB(D一EAB。)EAC(L)一EAC(t1)=EAB(D-EAB(t)=EAB(t,t)(b)具有三种导体的热电偶回路2、这样就可以用导线从热电偶冷端引出，并接到温度显示仪表或控制仪表,将上两式联立得组成相应的

50、温度测量或控制回路。15-3 试证明热电偶的中间温度定律，说明该定律在热电偶实际测温中的意义。【答】1、中间温度定律在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶 AB 在接点温度为 t、t0时：EAB(t,to)=EAB(t)-EAB。)=EAB(D-EABOJEAB(&)-EAB。)=EAB(t,tc)EAB(tc,to)热电势 EAB(t,t0)等于热电偶 AB 在接点温度 t、tc和 tc、to时的热电势 EAB(t,tc)和 EAB(tc,t0)的代数和2、中间温度定律在热电偶实际测温中的意义(1)该定律是参考端温度计算修正法的理论依据，在实际热电偶测温回路中，利用热电偶这一

51、性质，可对参考端温度不为 0c 的热电势进行修正。(2)另外根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体片 P 和 Q,将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。15-4 用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿？常用的冷端温度补偿的方法有哪几种？说明补偿原理？【答】1、热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定。热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度 0c 为依据，否则会产生误差。2、补偿的方法有：(1)补偿导线法(2)计算修正法(3)冰点槽法(4)冷端补偿器法(5)补正系数法(6)软件处理

52、法3、补偿原理(1)补偿导线法原理由于热电偶的长度有限，在实际测温时，热电偶的冷端一般离热源较近，冷端温度波动较大，需要把冷端延伸到温度变化较小的地方；另外，热电偶输出的电势信号也需要传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表o工程中采用一种补偿导线，它通常由两种不同性质的导线制成，也有正极和负极，而且在 0100C 温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。接入补偿导线后的总热电势为EAB(t,t)=EAB(t)EBQ(tn)EQc(to)Ecp(t)EpA(tn)如果 B、Q 的性质相同，则EBQ(tn)=0如果 A、P 的性质相同，则EPA(tn)=0LAn/又因：EQc(t0)Ecp(t0)=EQP(t0)=EBA(t0)=-EAB(t0)则：EAB(t,t0)=EAB(D-EABH。)(2)冷端温度修正法(计算修正法)冷端温度修正法是对热电偶实际测得的热电动势EAB(t,to)根据冷端温度进行修正，修正值为EAB低低,0.一),.这里的 t 为热电偶的热端温度，t0为冷端温度。分度表所对应的热电势 EAB(t,0)与热电偶的热电势EAB(t,to)之间的关系可根据中间温度定律得到工式；EAB(t,0)=EAB(t,to)