《现代检测技术及仪表》习题解答

1、严正声明：孙传友是高等教育出版社出版的?现代检测技术及仪表?第1版和第2版教材及其习题解答的唯一著作权人。该教材的习题解答仅供读者和网友下载阅读。任何其他人将该习题解答的内容冠以其他文档名称以自的己名义在任何网站发布，都侵犯了作者的著作权，如不自行删除，必将承当侵权的后果和法律责任。?现代检测技术及仪表?第2版习题解答孙传友 编第1章 1-1答：钱学森院士对新技术革命的论述中说：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三局部组成。测量技术那么是关键和根底。如果没有仪器仪表作为测量的工具，就不能获取生产、科学、环境、社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可

2、能的。因此可以说，仪器技术是信息的源头技术。仪器工业是信息工业的重要组成局部。1-2答：同非电的方法相比，电测法具有无可比较的优越性：1、便于采用电子技术，用放大和衰减的方法灵活地改变测量仪器的灵敏度，从而大大扩展仪器的测量幅值范围(量程)。2、电子测量仪器具有极小的惯性，既能测量缓慢变化的量，也可测量快速变化的量，因此采用电测技术将具有很宽的测量频率范围(频带)。3、把非电量变成电信号后，便于远距离传送和控制，这样就可实现远距离的自动测量。4、把非电量转换为数字电信号，不仅能实现测量结果的数字显示，而且更重要的是能与计算机技术相结合，便于用计算机对测量数据进行处理，实现测量的微机化和智能化。

3、1-3答：各类仪器仪表都是人类获取信息的手段和工具。尽管各种仪器仪表的型号、原理和用途不同，但都由三大必要的局部组成：信息获取局部、信息处理局部、信息显示局部。从“硬件方面来看，如果把常见的各类仪器仪表“化整为零地解剖开来，我们会发现它们内部组成模块大多是相同的。从“软件方面来看，如果把各个模块“化零为整地组装起来，我们会发现它们的整机原理、总体设计思想、主要的软件算法也是大体相近的。这就是说，常见的各类仪器仪表尽管用途、名称型号、性能各不相同，但它们有很多的共性，而且共性和个性相比，共性是主要的，它们共同的理论根底和技术根底实质就是“检测技术。常见的各类仪器仪表只不过是作为其“共同根底的“检

4、测技术与各个具体应用领域的“特殊要求相结合的产物。1-4答：“能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置或“能把非电量转换成电量的器件或装置叫做传感器。能把被测非电量转换为传感器能够接受和转换的非电量(即可用非电量)的装置或器件，叫做敏感器。如果把传感器称为变换器，那么敏感器那么可称作预变换器。敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量，而不是象传感器那样把非电量转换成电量。1-5答：目前，国内常规常用的检测仪表与系统按照终端局部的不同，可分为以下三种类型：1、普通模拟式检测仪表根本上由模拟传感器、模拟测量电路、和模拟显示器三局部组成，如题1-5图1所

5、示。题1-5图12、普通数字式检测仪表根本上由模拟传感器、模拟测量电路、和数字显示器三局部组成，如题1-5图2所示。按照显示数字产生的方式，普通数字式检测仪表又可分为模数转换式和脉冲计数式两种类型。题1-5图23、微机化检测仪表其简化框图题1-5图3所示。微机化检测仪表通常为多路数据采集系统，能巡回检测多个测量点或多种被测参数的静态量或动态量。每个测量对象都通过一路传感器和测量通道与微机相连，测量通道由模拟测量电路又称信号调理电路和数字测量电路又称数据采集电路组成。传感器将被测非电量转换成电量，测量通道对传感器信号进行信号调理和数据采集，转换成数字信号，送入微机进行必要的处理后，由显示器显示出

6、来，并由记录器记录下来。在某些对生产过程进行监测的场合，如果被测参数超过规定的限度时，微机还将及时地起动报警器发出报警信号。题1-5图3第2章2-1 解：灵敏度为。2-2 求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。 解：1测温系统的总灵敏度为 cm/2记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为:2-3 解：据公式解此方程得2-4 解：据公式2-1-18，二阶传感器的幅频特性为：。当时，无幅值误差。当时，一般不等于1，即出现幅值误差。由题意知，要确定满足也就是满足的传感器工作频率范围。解方程，得；解方程，得，。由于，根据二阶传感器的特性曲线可知，上面三个解

7、确定了两个频段，即0和。前者在特征曲线的谐振峰左侧，后者在特征曲线的谐振峰右侧。对于后者，尽管在该频段内也有幅值误差不大于3，但是该频段的相频特性很差而通常不被采用。所以，只有0频段为有用频段。由可得，即工作频率范围为0。2-5 解：据题意知，阻尼比，代入公式得幅频特性为，故测量频率为600Hz时幅值比为据公式得相位差为同理可得测量频率为400Hz时幅值比和相位差分别为0.99和33.7°2-6解： 按式2-3-6)求此电流表的最大引用误差 2.01.5即该表的根本误差超出1.5级表的允许值。所以该表的精度不合格。但该表最大引用误差小于2.5级表的允许值，假设其它性能合格可降作2.5

8、级表使用。2-7 解：据公式23计算，用四种表进行测量可能产生的最大绝对误差分别为：A表%=1.5%V=0.45VB表%=1.5%V=0.75VC表%=1.0%V=0.50VD表%=0.2%V=0.72V四者比较可见，选用A表进行测量所产生的测量误差较小。第3章3-1答：线绕式电位器的电阻器是由电阻系数很高的极细的绝缘导线，整齐地绕在一个绝缘骨架上制成的。在电阻器与电刷相接触的局部，导线外表的绝缘层被去掉并抛光，使两者在相对滑动过程中保持可靠地接触和导电。电刷滑过一匝线圈，电阻就增加或减小一匝线圈的电阻值。因此电位器的电阻随电刷位移呈阶梯状变化。只要精确设计绝缘骨架尺寸按一定规律变化，如图3-

9、1-2(b)所示，就可使位移电阻特性呈现所需要的非线性曲线形状。由31-2(a)可见，只有当电刷的位移大于相邻两匝线圈的间距时，线绕式电位器的电阻才会变化一个台阶。而非线绕式电位器电刷是在电阻膜上滑动，电阻呈连续变化，因此线绕式电位器分辨力比非线绕式电位器低。3-2 解：据公式3-1-4，对于空载电位器，其输出电压与输入位移呈线性关系，由上式可见，电位器灵敏度的提高几乎是完全依靠增加电源电压来得到。但是电源电压不可能任意增加，它是由电位器线圈的细电阻丝允许的最大消耗功率P决定的。所以，允许的电源电压为 由题意知，L=4mm，x=1.2mm，代人公式3-1-4计算得，电位器空载输出电压为 3-3

10、 答：应变片的灵敏系数k是指应变片的阻值相对变化与试件外表上安装应变片区域的轴向应变之比，而应变电阻材料的应变灵敏系数k0是指应变电阻材料的阻值的相对变化与应变电阻材料的应变之比。实验说明：kk0，究其原因除了黏结层传递应变有损失外，另一重要原因是存在横向效应的缘故。应变片的敏感栅通常由多条轴向纵栅和圆弧横栅组成。当试件承受单向应力时，其外表处于平面应变状态，即轴向拉伸x和横向收缩y。粘贴在试件外表的应变片，其纵栅承受x电阻增加，而横栅承受y电阻却减小。由于存在这种横向效应，从而引起总的电阻变化为，按照定义，应变片的灵敏系数为，因，横向效应系数，故。3-4解：应变片用导线连接到测量系统的前后，

11、应变片的应变量相同，都为 应变片用导线连接到测量系统后，导线电阻将使应变电阻的相对变化减小，从而使应变片的灵敏度降低为 3-5 解：将题中给出的参数值，代人书上的公式3-1-23，计算得由温度变化引起的附加电阻相对变化为：。折合成附加应变为。3-6 解：由题知 W100=R100 /R0 =1.42，代入公式3-1-26，计算得电阻温度系数为当温度为50时，代入公式3-1-26计算得，此时的电阻值为 当Rt=92W时，代入公式3-1-26计算得，此时的温度值为 3-7 解：T0 =0=273K，R0 =500kW；T=100=373K，代人公式3-1-30计算得热敏电阻的阻值为3-8答：采用金

12、属材料制作的电阻式温度传感器称为金属热电阻，简称热电阻。一般说来，金属的电阻率随温度的升高而升高，从而使金属的电阻也随温度的升高而升高。因此金属热电阻的电阻温度系数为正值。采用半导体材料制作的电阻式温度传感器称为半导体热敏电阻，简称热敏电阻。按其电阻温度特性，可分为三类：(1)负温度系数热敏电阻(NTC)；(2)正温度系数热敏电阻(PTC)；(3)临界温度系数热敏电阻(CTC)。因为在温度测量中使用最多的是NTC型热敏电阻，所以，通常所说的热敏电阻一般指负温度系数热敏电阻。3-9 答：题3-9图是日本生产的某电冰箱温控电路。该电冰箱的温控范围由窗口 题3-9图比较器的窗口电压和决定。调节电位器

13、可调整。图中为热敏电阻，当温度上升时，减小，升高。当冰箱内温度时，窗口比较器使RS触发器的S端为低电平，R端为高电平，Q输出端为高电平，晶体管导通，继电器J线圈通电而动作，继电器常开触点闭合，电冰箱压缩机启动制冷。冰箱内温度降低。当冰箱内温度时，窗口比较器使RS触发器的S端为高电平，R端为低电平，Q输出端为低电平，晶体管截止，继电器线圈失电而动作，继电器常开触点复位，电冰箱压缩机停机。当冰箱内温度时，窗口比较器使RS触发器的S端和R端均为高电平，RS触发器保持原状态不变，压缩机继续运转或继续停机。 3-10答：气敏电阻是利用半导体陶瓷与气体接触而电阻发生变化的效应制成的气敏元件。气敏电阻都附有

14、加热器，以便烧掉附着在探测部位处的油雾、尘埃，同时加速气体的吸附，从而提高元件的灵敏度和响应速度。半导瓷气敏电阻元件一般要加热到200400，元件在加热开始时阻值急剧地下降，然后上升，一般经210分钟才到达稳定，称之为初始稳定状态，元件只有在到达初始稳定状态后才可用于气体检测。3-11 答：下列图为一个简易的家用有害气体报警电路。图中变压器次级绕组为气敏电阻QM-N6提供加热器电源。变压器初级中心抽头产生的110V交流电压，加到由1k电位器、气敏电阻和蜂鸣器串联组成的测量电路。当CO等复原性有害气体的浓度上升时，气敏电阻减小，流过蜂鸣器的电流增大，当有害气体的浓度使蜂鸣器的电流增大到一定值时，

15、蜂鸣器就鸣叫报警。调整电位器可调整蜂鸣器灵敏度，即产生报警的有害气体最低浓度。图中氖灯LD用作电源指示。为防止意外短路，变压器初级安装了0.5A的保险丝。3-12解：图3-1-18中电表为电流表，其中电流为： 为电流表满量程为负特性湿敏电阻。湿度。湿度测量范围 RH RH，Rd为湿度 RH时RX的值，因要求即，所以增大可减小，即扩大测湿量程 RH。3-13答：测湿电路通常为湿敏电阻构成的电桥电路。如果采用直流电源供电，湿敏电阻体在工作过程中会出现离子的定向迁移和积累，致使元件失效或性能降低，因此所有湿敏电阻的供电电源都必须是交流或换向直流(注意：不是脉动直流)。3-14 答：温度变化时，电阻应

16、变片的电阻也会变化，而且，由温度所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎具有相同数量级，如果不采取温度补偿措施，就会错误地把温度引起的电阻变化当作应变引起的电阻变化，即产生“虚假视应变。把两个承受相同应变的应变片接入电桥的相对两臂，并不能补偿温度误差。从表3-1-1所列图3-b计算公式可知，电桥输出电压为，由此可见，温度引起的电阻变化也影响电桥输出电压，此时，从电桥输出电压测出的应变并不是真实应变，而是，其中包含有虚假视应变即温度误差。3-15 解：一个应变片接入等臂电桥，属于单臂工作的情况，将3-1-19式代入3-1-36式得 1由上式可见，电源电压越高，输出电压越大，但是电源电压受应

17、变片允许电流的限制，由题意知，应变片允许工作电流是15mA，因此鼓励电源电压应选为 代入1式计算得，电桥输出电压为5mV时钢制试件上应变片的应变为 3-16 答：据公式3图3-2-1c所示电容传感器的初始电容为如果空气隙减小了，那么电容值变为双层介质差动式变极距型电容传感器的电容与动极板位移的关系式为 题3-17图 3-17 答：题3-17图所示为变介质式电容传感器，设极板宽为，长为。极板间无介质块时的电容为，极板间有介质块时的电容为，上式说明传感器电容与介质块位移x成线性关系。3-18题3-18图解：由题3-18图和题中参数可求得初始电容 C1=C2=C0=eS/d=e0pr2/d0 变压器

18、电桥输出端电压 其中Z1 ,Z2 分别为差动电容传感器C1 ,C2 的阻抗.，将公式3-2-9代入上式计算得 3-19答：自感传感器有三种类型：变气隙式、变面积式和螺管式。变气隙式灵敏度最高，螺管式灵敏度最低。变气隙式的主要缺点是：非线性严重，为了限制非线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程受铁心限制，制造装配困难。变面积式和螺管式的优点是具有较好的线性，因而示值范围可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便。此外，螺管式与变面积式相比，批量生产中的互换性好。由于具备上述优点，而灵敏度低的问题可在放大电路方面加以解决，因此目前螺管型自感传感器的应用越来越多。3-20 解：设纸页厚度为，

19、磁导率为，其磁阻远大于铁心和衔铁的磁阻，因此据公式35可推得，题3-20图所示自感式传感器的自感为，电流表的读数为可见电流表的读数与纸页厚度成线性关系。3-21 解：将题中参数代人书上的公式3-3-2，分别计算铁芯磁路磁阻和气隙磁阻，计算结果证明，铁芯磁路磁阻远小于气隙磁阻，因此该变隙式电感传感器的电感可采用书上的公式3-3-5近似计算。由公式3-3-6和3-3-7可知，当衔铁移动时，传感器的电感变化为 将公式3-3-6代人上式得，变隙式电感传感器的灵敏度为 据题意知：A1.5cm2，。代人上式计算得变隙式电感传感器的灵敏度为假设将其做成差动结构形式，那么灵敏度为单一式的两倍，且线性度也会得到

20、明显改善。3-22答：由自感传感器的等效电路图3-3-3可见，自感传感器工作时，并不是一个理想的纯电感L，还存在线圈的匝间电容和电缆线分布电容组成的并联寄生电容C。更换连接电缆后，连接电缆线分布电容的改变会引起并联寄生电容C的改变，从而导致自感传感器的等效电感改变，因此在更换连接电缆后应重新校正或采用并联电容加以调整。3-23答：差动自感式传感器与差动变压器式传感器的相同点是都有一对对称的线圈铁心和一个共用的活动衔铁，而且也都有变气隙式、变面积式、螺管式三种类型。不同点是，差动自感式传感器的一对对称线圈是作为一对差动自感接入交流电桥或差动脉冲调宽电路，将衔铁位移转换成电压。而差动变压器式传感器

21、的一对对称线圈是作为变压器的次级线圈，此外，差动变压器式传感器还有初级线圈差动自感式传感器没有，初级线圈接鼓励电压，两个次级线圈差动连接，将衔铁位移转换成差动输出电压。3-24答：图(a)和图(b)的输出电流为Iab=I1-I2，图(c)和图(d)的输出电压为Uab=Uac-Ubc。当衔铁位于零位时，I1I2,Uac=Ubc，故Iab=0,Uab=0;当衔铁位于零位以上时，I1>I2，Uac>Ubc，故Iab>0，Uab>0;当衔铁位于零位以下时，I1<I2,Uac<Ubc,故Iab<0,Uab<0。因此通过Iab和Uab的正负可判别衔铁移动方向

22、。又因为Iab和Uabde 大小与衔铁位移成正比，因此通过Iab和Uab的大小可判别衔铁位移的大小。调整图中电位器滑动触点的位置，可以使差动变压器两个次级线圈的电路对称，在衔铁居中即位移为零时，图3-电路输出电流或电压为零。3-25 题3-25图1解：题3-25图1中为平衡电阻。在Ui的正半周，,即，题3-25图1中二极管D1和D3导通，D2和D4截止，题3-25图1等效为题3-25图2(a),由图可见， (1)(a) (b)题3-25图2在Ui的负半周，,即，题3-25图1中二极管D2和D4导通，D1和D3截止，题3-25图1等效为题3-25图2 (b),由图可见， (2)当时，由式和都可得

23、，。当时，式中括号项为正，而也为正，故；式中括号项为负，而也为负，故。因此由式和都可得，。同理，当时，由式和都可得，。单向脉动电压经过阻容滤波后得到直流输出电压。的正负决定于衔铁位移的方向，的大小决定于衔铁位移的大小。3-26答：温度变化时，金属的电阻率会发生变化，据公式3，将使涡流的渗透深度随之变化，据公式3可知，这将使透射式涡流传感器接收线圈中的感应电压随温度变化。为了防止温度变化产生的电压变化同金属板厚度变化产生的电压变化相混淆，采用涡流传感器测量金属板厚度时，需要采取恒温措施或考虑温度变化的影响。3-27答：其主要优点是可实现非接触式测量。反射式涡流传感器常用于测量物体位移、距离、振动

24、和转速、温度、应力、硬度等。可做成接近开关、计数器、探伤装置等；还可以判别材质。透射式涡流传感器常用于测量金属板厚度。3-28答：相同点：都包含有产生交变磁场的传感器线圈鼓励线圈和置于该线圈附近的金属导体，金属导体内，都产生环状涡流。不同点：反射式涡流传感器只有产生一个交变磁场的传感器线圈，金属板外表感应的涡流产生的磁场对原鼓励磁场起抵消削弱作用，从而导致传感器线圈的电感量、阻抗和品质因数都发生变化。而透射式涡流传感器有两个线圈：发射线圈鼓励线圈L1、接收线圈L2，分别位于被测金属板的两对侧。金属板外表感应的涡流产生的磁场在接收线圈L2中产生感应电压，此感应电压与金属板厚度有关。第4章4-1答

25、：相同点：都有线圈和活动衔铁。不同点：图4-1-1(a)磁电式传感器的线圈是绕在永久磁钢上，图3-3-1(a)自感式传感器的线圈是绕在不带磁性的铁心上。自感式传感器的线圈的自感取决于活动衔铁与铁心的距离，磁电式传感器线圈的感应电压取决于活动衔铁的运动速度。当衔铁不动时，气隙磁阻不变化，线圈磁通不变化，线圈就没有感应电压，因此后者可测量静位移或距离而前者却不能。4-2答：根据电磁感应定律，磁电感应式传感器的线圈感应电压与线圈磁通对时间的导数成正比，而实现磁通变化有两种方式：活动衔铁相对磁铁振动或转动，线圈相对磁铁振动或转动。这两种方式产生的感应电压都与振动或转动的速度成正比，因此磁电感应式传感器

26、又叫做速度传感器。由图4-可见，在磁电感应式传感器后面接积分电路可以测量位移，后面接微分电路可以测量加速度。因为位移是速度的积分，而加速度是速度的微分。4-3答：磁电感应式传感器有两种类型结构：变磁通式和恒磁通式。相同点：都有线圈、磁铁、活动衔铁。不同点：变磁通式是线圈和永久磁铁(俗称磁钢)均固定不动，与被测物体连接而运动的局部是利用导磁材料制成的动铁心(衔铁)，它的运动使气隙和磁路磁阻变化引起磁通变化，而在线圈中产生感应电势，因此变磁通式结构又称变磁阻式结构。在恒磁通式结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线而产生的。这类结构有两种：一种是线圈不

27、动，磁铁运动，称为动铁式，另一种是磁铁不动，线圈运动，称为动圈式。4-4答：不能。因为当作用于压电元件上的力为静态力即时，据公式4-2-20可知，压电元件产生的电流为零，据公式(4-2-25)和(4-2-29)式也可知，压电传感器输出电压也为零。与电容充放电的过程一样，静态力产生的电荷会通过负载电阻和压电元件本身的漏电阻放电而泄漏掉，因而该电荷在压电传感器电容上形成的电压也很快衰减至零。所以不管采用电压放大还是电荷放大，压电式传感器都不能测量频率极低的被测量，特别是不能测量静态参数(即=0)，因此压电传感器多用来测量加速度和动态力或压力。4-5答：由(4-2-18)和(4-2-28)式可知，连

28、接电缆电容Cc改变会引起C改变,进而引起灵敏度改变，所以当更换传感器连接电缆时必须重新对传感器进行标定，这是采用电压放大器的一个弊端。由(4-2-31)式可见，在采用电荷放大器的情况下，灵敏度只取决于反应电容CF，而与电缆电容Cc无关，因此在更换电缆或需要使用较长电缆(数百米)时，无需重新校正传感器的灵敏度。因此，压电式传感器多采用电荷放大器而不采用电压放大器。4-6答：串联使压电传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适用于电压输出、高频信号测量的场合；并联使压电传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适用于电荷输出、低频信号测量的场合。4-7答：设压电晶体的介电常数为，图4-2-8中每片压电片的电

29、容为，据(4-2-13)、4-2-15式，每片压电片的电压为上下压电晶片串联时总电荷与单片相同，总电压为单片的两倍即；上下压电晶片并联时总电压与单片相同，总电荷为单片的两倍即4-8解： ，。， ，据公式4-2-21，4-9解：根据4-2-12式 ，或 。，。4-10 答：据(4-式和定积分性质可知中间温度定律证毕。据(4-式和对数性质、定积分性质可知 4-11 解：图4-3-7可简化为题4-12图(a)。我们仿照书上介绍的“巡游一周法， 从热端出发沿回路一周，按照遇到的导体和温度的顺序，依次写出各接触电势和温差电势，并将它们相加起来便是图(a)中整个回路的总热电势： 1依据公式4-3-3和对数

30、的性质，很容易证明： (2) 3因，故(2)、3式代入1式并整理可得： 4补偿导线满足公式4-3-12)的条件，将4-3-12)式代入上式，并引用中间温度定律4-3-8)式，可得 5从以上推导过程可以看出，图4-3-7即题4-12图(a) 中补偿导线AB满足公式43-12)的条件，故可将热电偶的冷端延伸，而保证整个回路的热电势仍然不变。 题4-12 图如果改用普通的铜导线来延伸热电偶的冷端，如图题4-12 图(b)所示，那么整个回路的热电势为：6依据积分的性质可知 ， 7依据公式4-3-3和对数的性质，很容易证明： 87、8式代入6式得 9从以上推导过程可以看出，普通的铜导线不能用来延伸热电偶

31、的冷端。4-12解：由题意可知：50，或，。4-13 解：采用与其相配的补偿导线时，将公式4-3-13代入公式4-3-9得，仪表测得的电压为 从K型热电偶的分度表上查得对应400和20的热电势，代入上式计算得 假设错用了分度号为E的热电偶的补偿导线，那么仪表测得的电压为 查E型和K型热电偶的分度表上对应400、30和20的热电势，代入上式计算得 仪表指示的变化为 4-14答：不可接反。因为图4-3-9中补偿电桥的电压为，毫伏表读数为如果4V直流电源的极性接反，那么补偿电桥的电压也会改变极性，即，此时。4-15 解：由题意知，此题所求解的补偿电桥就是书上图4-3-10所示电路。而且，题中给出了：

32、铜电阻Rt的电阻温度系数=0.004/,热电偶的电压温度系数/，T0=50时。代入书上公式4-3-27计算，直接求得可调电阻的阻值RS 或代入公式4-3-26计算得 因为是0100之间变化时的平均值，故据此计算出的RS要比按分度表查出的计算出的RS精确度低一些。4-16 解：因为该温度显示仪表是按照镍铬镍硅热电偶分度表刻度的，所以只有在冷端温度为0的情况下，仪表显示的温度才与实际温度相符。查镍铬镍硅热电偶分度表可知，500对应的热电势是20.640mV。由此我们可推断：既然显示仪表指示温度为500，说明此时仪表所加的电压为20.640mV。因为此时冷端温度是60而不是0，所以此时仪表所加的电压

33、应该是而不是。将仪表测得的=20.640mV，和查表得到的=2.436mV代入公式4-3-9计算得再反查镍铬镍硅热电偶分度表，与此热电势=23.076mV对应的温度在557和558中间即557.5。这个温度值才是实际的温度值，因此此时仪表显示的温度误差为500-557.5=-57.5。如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20，此时仪表所加的电压将变为，将前面计算得的=23.070mV和查表得到的=0.798mV代人公式4-3-9计算得 再反查镍铬镍硅热电偶分度表可知，此电压加到仪表上，仪表显示温度将是与对应的温度值，应当在538与539中间约538.4，而此时的实际温度依然是557.5，因此

34、此时仪表显示的温度误差为538.4-557.5=-19.1。通过以上计算比照可见，冷端温度降低时，显示仪表的指示温度值更接近实际温度值。 4-17答：基于光电效应原理工作的光电转换元件称为光电器件或光敏元件。光电效应一般分为外光电效应、光导效应和光生伏特效应，相对应的光电器件也有以下三种类型：、光电发射型光电器件，有光电管符号见图4-2和光电倍增管符号见图4-4b；、光导型光电器件，有光敏电阻符号见图4-6，、光伏型光电器件，有光电池符号见图4-12。4-18答：有种常见形式。、透射式，可用于测量液体、气体和固体的透明度和混浊度；、反射式，可用于测量外表粗糙度等参数；、辐射式，可用于光电高温计

35、和炉子燃烧监视装置；、遮挡式，可用于测量物体面积、尺寸和位移等参量；、开关式，可用于开关，如光电继电器；计数，将光脉冲转换为电脉冲进行产品计数或是测量转速等；编码，利用不同的码反映不同的参数。4-19答：光电器件输出的光电流与入射光波长的关系I=F()为光谱特性。在同样的电压和同样幅值的光强度下，当以不同的正弦交变频率调制时，光电器件输出的光电流I或灵敏度S与入射光强度变化频率f的关系I=F1(f)或S=F2(f)称为频率特性。光谱特性对选择光电器件和辐射能源有重要意义。当光电器件的光谱特性与光源辐射能量的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率较高。在检测时，光电器件的最正确灵敏度最好

36、在需要测量的波长处。选用光电元件时，应考虑其频率特性是否能适应于入射光强度变化的情况。也就是说，光电元件的频率响应特性的上限频率应远高于入射光强度变化的频率。4-20 答：将题3-9图的电冰箱温控电路这样改装：热敏电阻改为光敏电阻，并与串联电阻互换位置，压缩机改为路灯。4-21答：由公式(4-5-13)可见，增大或减少霍尔片控制电流可增大或减少霍尔式钳形电流表的灵敏度；图4-5-7中被测电流导线如果在硅钢片圆环上绕几圈，电流表灵敏度便会增大几倍。用这种方法可成倍地改变霍尔式钳形电流表的灵敏度和量程。4-22 解：输出的霍尔电势为：由可得载流子浓度为：4-23答：如图4-5-9所示，由于工艺上的

37、原因，很难保证霍尔电极、装配在同一等位面上,这时即使不加外磁场，只通以额定鼓励电流I，在两电极间也有电压U0输出，这就是不等位电压。U0的数值是由、两截面之间的电阻R0决定的，即U0=IR。此外霍尔元件电阻率不均匀或厚度不均匀也会产生不等位电压。不等位电压是霍尔传感器的一个主要的零位误差，其数值甚至会超过霍尔电压，所以必须从工艺上设法减小，并采用电路补偿措施。补偿的根本思想是把矩形霍尔元件等效为一个四臂电桥，如图4-5-所示。不等位电压相当于该电桥在不满足理想条件R1=R2=R3=R4情况下的不平衡输出电压。因而一切使桥路平衡的方法均可作为不等位电压的补偿措施。图4-5-所示为三种补偿方案，图

38、(a)是在阻值较大的臂上并联电阻，图(b)(c)是在两个臂上同时并联电阻，显然方案(c)调整比较方便。4-24答：不能。因为热敏电阻Rt具有负温度系数，在图4-5-13(a)中，当温度升高时，Rt减小，流过霍尔元件的控制电流增大，从而使霍尔元件输出电压增大，这就可补偿负温度系数的随温度升高而减小的作用。如果把图4-5-13(a)中热敏电阻换成金属电阻丝，因为金属电阻丝具有正温度系数，当温度升高时，金属电阻丝电阻增大，流过霍尔元件的控制电流减小，从而使霍尔元件输出电压也减小，这只能补偿正温度系数的使随温度升高而增加的作用，不能补偿负温度系数的使随温度升高而减小的作用。如果图4-5-13(b)中金

39、属电阻丝换成热敏电阻Rt，当温度升高时，Rt减小，流过Rt电流增大，流过霍尔元件的控制电流减小，从而使霍尔元件输出电压减小，这也只能补偿正温度系数的使随温度升高而增加的作用，不能补偿负温度系数的使随温度升高而减小的作用。第5章5-1答：相同点：磁敏二极管和磁敏三极管都是PN结型的磁敏元件，都有本征区I，本征区I的长度较长，其一个侧面磨成光滑面，另一面打毛。粗糙的外表处容易使电子空穴对复合而消失，称为r(recombination)面(或r区)，不同点：磁敏二极管的结构是在高阻半导体芯片(本征型)I两端，分别制作P、N两个电极，形成P-I-N结。当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压，那么

40、有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有大量电子注入P区，形成电流。当磁敏二极管受到外界磁场H+(正向磁场)作用时，电子和空穴受到洛伦兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合消失速度比光滑面I区快，因此形成的电流因复合速度快而减小。当磁敏二极管受到外界磁场H-(反向磁场)作用时，电子空穴对受到洛伦兹力作用向光滑面偏转，电子空穴的复合率明显减小，因而形成的电流变大。磁敏二极管反向偏置时，仅流过很微小电流，几乎与磁场无关。磁敏三极管的结构是在弱P型近本征半导体本征区I上，用合金法或扩散法形成三个结，即发射结、基极结、集电结。当磁敏三极管未受到磁场作用时，基极电流大于集电极电流，使=Ic

41、/Ib<1。受到正向磁场(H+)作用时，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降，当反向磁场(H-)作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。5-2 题5-2 图 简易高斯计电路图解：图中左侧虚线框内是两对互补的磁敏二极管，四只温度特性一致的磁敏二极管按磁场极性互相相反组成磁敏桥作为探头，探头通过导线与机身插接。插接开关为量程选择开关，接入8个不同的电阻，得到8个不同的量程。两只晶体管组成差分放大电路。没有磁场时(H0)，磁敏桥平衡无输出。加磁H+时，磁敏桥有输出电压加在差分对管基极上，集电极电位发生变化，有电流通过电表。使表针指示所测磁场强度值。当加磁场H-时，

42、由于磁场方向与H+加时相反，表针向“0位置反方向偏转。5-3 题5-3图 光敏二极管光控开关电路解：题5-3图(a)是亮通光控电路。当有光照射时，光敏二极管的阻值变小，VT1、VT2导通，继电器K工作，从而带动执行机构。图(b)是暗通光控电路，当有光照射时，光敏二极管的阻值变小。VT1、VT2截止，继电器K不工作；只有当无光照时，VT1、VT2才导通，继电器工作。5-4 解：采用图51-16(a)所示温敏硅二极管电桥和测量放大器及数字电压表组成的数字温度计电路如题5-4图所示。 题5-4图 采用温敏硅二极管电桥的数字温度计电路图中测量放大器输出电压为 据公式51-5)可知， 调节电位器，使，从

43、而使时，。完成调零后，测量放大器输出电压为 再调节电位器，使时，。这样就使数字电压表DVM读数1mV代表1温度，100mV代表100。5-5 题5-5图解：图中求和放大器输出电压为因热电偶正极接地，故,据公式,代入上式得 调节电位器R4,使,从而使时，完成调零后，输出电压为 选取适当的、，使，此时输出电压为 调节电位器，使，从而使。5-6 解：该说明书上提供的TMP35用于热电偶冷端补偿的电路如题5-6图所示。 题5-6图据公式52-7和TMP35说明书，图中电压输出型集成温度传感器TMP35的输出电压分压产生的冷端补偿电压为 1将，代入1式计算得 2据TMP35说明书，K型热电偶的塞贝克(S

44、eebeck)系数，代入公式4-3-17得K型热电偶的热电势为 3因此同相放大器输入电压为 4据TMP35说明书，当T=250时，K型热电偶的热电势。为了使T=0250时，同相放大器输出电压为02.50V, 同相放大器的放大倍数为 调节电位器RP,使T=250时，同相放大器输出电压为2.50V。5-7 解：该说明书上提供的AD592用于热电偶冷端补偿的电路如题5-7图所示。 题5-7图据公式52-5)和AD592，图中电流输出型集成温度传感器AD592输出电流在电阻R上形成的补偿电压为 1该补偿电压与热电偶热电势相加成为同相放大器输入电压： 2依据叠加原理，放大器输出电压为 3将1、2式代入3

45、式，整理得 4AD592的，。选择电阻R,，使 5选定热电偶的类型后，将该型热电偶的塞贝克(Seebeck)系数 代人上式可计算得所需的电阻值。例如K型热电偶的塞贝克(Seebeck)系数，代入上式计算得。调节电位器RP，使基准电压源AD1403提供的2.5V稳定电压分压产生的满足调零条件： 6将5式和6式代入4式得 7 根据所需的输出电压灵敏度S.，可依据7式计算出的放大器放大倍数和相应的增益电阻RG1、RG2 。 5-8 解：满度输出电压的典型值为 满度输出电压的最大值为 满度输出电压的最小值为 5- 9 答：据公式(6-2-9) H在0100%RH范围时，对应的为098.93%RH。代入

46、公式(6-2-8)计算得=V5-10答：线性集成霍尔传感器的输出电压与输入的磁感应强度成线性关系，因此常用来测量磁场的磁感应强度或能转换成磁场的磁感应强度的其他非电量。这些非电量是连续变化的模拟量。开关型集成霍尔传感器的输出只有高电平和低电平两种状态，常用来测量磁场的有或无，也可用来测量能转换成磁场的其他开关型非电量。第6章6-1答：有三条码道。码盘上最外圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲将给计数系统提供一个初始的零位(清零)信号；中间一圈码道称为增量码道，最内一圈码道称为辨向码道。这两圈码道都等角距地分布着m个透光与不透光的扇形区，但彼此错开半个扇形区即90

47、76;/m。所以增量码道产生的增量脉冲与辨向码道产生的辨向脉冲在时间上相差四分之一个周期，即相位上相差90°。增量码道产生的增量脉冲的个数用于确定码盘的转动角度，辨向脉冲与增量脉冲的相位关系用于确定码盘的转动方向。6-2答：因为主光栅沿栅线垂直方向(即x轴方向)移动一个光栅栅距W，莫尔条纹沿y轴正好移动一个条纹间距HH>>W，光电元件的输出电压变化一个周期，光栅辩向电路产生一个脉冲计数，采用电子细分技术后，主光栅移动一个光栅栅距W，细分电路将产生m个计数脉冲，光栅的分辨率即一个脉冲计数代表的位移就从W变成W/m。光栅的栅距一般为0.010.1mm，电子细分数在1260甚至

48、更多，因此光栅传感器能测量很微小的位移。光栅传感器中有两个相距四分之一莫尔条纹间距的光电元件，这两个光电元件的输出信号u1和u2的相位差正好等于/2。当位移反方向时，正向位移时原来相位超前的那个光电元件的输出信号的相位，就从相对超前变为相对迟后，这就会使相关的辨向电路控制计数器从脉冲加计数变成脉冲减计数，因此计数器的计数结果反映位移正负两抵后的净位移。6-3答：长光栅所允许的移动速度受光敏二极管响应时间的限制故6-4 解：六位循环码码盘测量角位移的最小分辨率为：。码盘半径应为：循环码101101的二进制码为110110，十进制数为54；循环码110100的二进制码为100111，十进制数为39

49、。码盘实际转过的角度为：。6-5 答：莫尔条纹宽度为因为标尺光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹就移动一个条纹宽度H的距离,所以当标尺光栅移动100微米时，莫尔条纹移动的距离为6-6答：相邻正弦绕组与余弦绕组的间距为(n/2+1/4)W。相邻正弦绕组和正弦绕组，相邻余弦绕组与余弦绕组的间距都为n倍节距W。6-7答：感应同步器测量系统对位移的分辨率是由节距W和细分数m决定的，因此要提高位移分辨率，就要选用节距W小的感应同步器和增大细分数m。6-8答：感应同步器设置正弦绕组与余弦绕组是为了能在测量位移大小的同时还能判别位移的方向。6-9试分析环境温度变化，对振弦式传感器灵敏度的影响。解： 在温度变化时，

50、振弦的有效长度也随之变化： 式中t和分别为温度和温度膨胀系数，为温度时的弦长。由于振弦的截面积很小，可认为当温度变比时其截面积A不变。振弦的应力=F/A代人教材上公式5-3-3得振弦的振荡频率可表示为 取振弦式传感器灵敏度，那么由上式可得 由上式可见，温度增加，振弦灵敏度降低。6-10答：振弦、振筒两种频率式传感器的共同的特点是都由振动体、激振器、拾振器和放大振荡电路组成一个反应振荡系统，作为振动体的振弦、振筒都是用具有导磁性的恒弹性合金制成，当激振器使振动体振动时，磁路的磁阻交替变化，在拾振器中产生感应电压，感应电压的变化频率等于振动体振动频率。它们共同的工作原理是，被测非电量如力、压力、密度等使振动体振动频率即拾振器感应电压的频率改变，因此测量拾振器感应电压的频率就可测出被测非电量。第7章7-1 答：光导纤维简称光纤，由透光的纤芯和包层以及不透光的尼龙外套组成。纤芯内传播的光入射到纤芯和包层的交界面时，由于纤芯的折射率比包层的折射率大，只要入射角1大于临界角c，即，光就不会穿过两个介质的分界面，而只会完全反射回来，这种只有反射没有透射的情况称为全反射。在光纤的入射端，光线从空气(折射率为n0=1)中以入射角射入光纤纤芯，当入射角时，就会使1