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

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：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；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。4m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。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1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：灵敏度：输出量增量与引起输出量增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度，即ySx L线性度：传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Δmax与满量程输出值γ表示，即L迟滞：传感器在输入量由小到大L行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性 max100%LH，迟滞误差又称为回差或变差。即：FSH max100%H YFS计算，也可用正反行程中最大重复差值计算， (2~100%R YFS1或 R

Rmax100%YFS（时的输出值的变化量与温度变化量之比(ξ)来表示，即

yty20t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用频率响应法，输入的标准函数为正弦函数。3、性能指标是：传感器的时域动态性能指标τ：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；dt50%所需的时间；drt90%所需的时间；rpt：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间；pσ：二阶传感器输出超过稳态值的最大值；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。频率响应特性指标：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0.9（或0.95（10）频率范围；τ：用时间常数ττ越小，频带越宽；n ωωn 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跟随角Φ0.707:当ω=ω0.707时，对应于相频特性上的相角，即为跟随角。2-1（线性度、迟滞、重复性误差和总精度。输出电压/mV输出电压/mV输入压力第一循环第二循环第三循环/MPa正行程反行程正行程反行程正行程反行程0-2.73-2.71-2.71-2.68-2.68-2.690.020.560.660.610.680.640.690.043.964.063.994.094.034.110.067.407.497.437.537.457.520.0810.8810.9510.8910.9310.9410.990.1014.4214.4214.4714.4714.4614.46【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：

y 14.452.70k 171.5106mV/Pax 0.10按照端点直线y=171.x-2.7y=kx+求各个校准点输出电压的理论值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：y=-0.12mmin差Δy=0mV。max--0.100-2.70图2-1端点直线拟合曲线3端点平移直线拟合端点平移直线拟合是将端点直线平移，让平移后的最大正误差与最大负误差的绝对值相等，即让截距改变为：

b/b

ymin

2

max

2.70

0.122

2.76mV端点平移直线方程即为：y=kx+b/。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：y/i

yi

bb

yi

bΔb=b-b/=0.06mV。结果填入表中。端点平移直线法线性度（非线性误差）为y/

0.06 maxL yFS

100% 100%14.45--0.1014.390-2.70-2.76输入压力xi/MPa输出电压平均值yi/输入压力xi/MPa输出电压平均值yi/mV（∑yi/6）yti/mV端点直线法误差Δy/mVi端点平移直线法误差/mVi0．000.020.040.060.080.10-2.700.644.047.4710.9314.45-2.700.734.167.5911.0214.450.00-0.09-0.12-0.12-0.090.000.06-0.03-0.06-0.06-0.030.0642、重复性i1(yy)in12i1(yy)in12 R Y

max

100%

20.04114.45

100%0.57%FS表2-3求重复数据输入压力xi/MPa00.020.040.060.080.10正行程标准偏差σFi/mV0.0260.0410.0350.0260.0320.027反行程标准偏差σBi/mV0.0160.0160.0260.0210.0310.0273、迟滞性iiii正行程输出电压平均值yFi/mV-2.710.603.997.4310.9014.45反行程输出电压平均值yB/mV-2.690.684.097.5110.9614.45（yBi-yF）/mV0.020.080.100.080.060.00求出各校准点正行程和反行程输出电压平均值，在表2-3中给出。各校准点正行程和反行程输出电压平均值的差值也在表2-3中给出。可知最大差值为0.10mV。 HH Y

max

100%0.10100%0.69%14.45FS4、总精度按照均方根合成法计算总精度：2222L R H0.004220.005720.00692S

0.00990.99%当被测介质温度为t，测温传感器示值温度为t时，有下列方程式成立：t t

dt2。当被测1 2 1

0d介质温度从25℃突然变化到300℃时测温传感器的时间常数 120s试确定经过350s后的动态误05差。【解】把输入看作从0～275的阶跃输入信号，则：X(t)=0,t≤0X(t)=275,t＞0输入信号的拉普拉斯变换为：X(s)

275s又因t1

t 2

dt1d2，即t1

(s)t2

(s)st0

t2

(s)(1s)0所以H(s)

t2(s) 1 ,t(s) 1 s1 0Y(s)H(s)X(s)

1 2751 s s0进行拉普拉斯反变换后，有

y(t)275(1et)120估算350s 的阶跃响应值：120其动态误差为：

t 25e350)250.054)285.15120℃2120℃300285.15e d 300

100%4.95%图2-3一阶传感器阶跃响应什么是应变效应？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）这种现象称为电阻应变效应。625℃2、半导体材料的电阻率ρ随作用应力的变化而发生变化的现象称为压阻效应。3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。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。算？【答】1、可分为：单臂电桥、半差动电桥和全差动电桥三种。2、单臂电桥输出电压为0

ER4 R半差动电桥输出电压为：U0

ER2 R全差动电桥输出电压为：U0

ERR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：四个电阻应变片怎样贴在悬臂梁上？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，上面灵敏度，又可减小非线性误差。7图3-1等截面积悬臂梁2、差动全桥测量电路图3-2差动全桥测量电路1 2 3 3-3E=4V，R=R=R=R1 2 3 1 1 R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R的增量为ΔR=1.2Ω时，电桥输出的电压U1 1 2R1RU0=?22 1 1 2 题（2）中，如果R 与R感受应变的极性相反，且ΔR=ΔR=1.2Ω，电桥输出的电压U2 1 1 2 图3-3直流电桥测量电路【解】1、电桥输出电压为：8 RR R 1201.2 120U E 1 1 3 4( )9.95mV10mV0 (RR)R R R 2401.2 240132、电桥输出电压为：3

1 2 3 4U E

RR1

R 0mV0 (R1

R1

)(R2

R) R R2 3 42(3R1受拉应变，R2(U E

RR1

R 3

4121.21)20mV0 (R1R1

)(R2R) R R2 3 4

240 22R1受压应变，R2 RR R 118.8 1U E 10 (RR

1(R

R)R

3R

4

240

)20mV2 ) 1 1 2 2 3 43-6题3-4

=1201Ω。当试件受力F时，应变片承受平均应变1 应变片电阻变化量和电阻相对变化量ΔR/R1

1试求：1将电阻应变片R置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V差。1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。图3-4等强度悬臂梁【解】11、应变电阻相对变化量ΔR1/R：19RR1K2.058001061.6410311应变片电阻变化量ΔR：1RRR1

1RR 11

K1201.641030.196832、单臂电桥输出电压：3

ERU 0 4 R1

1.641031.23(mV)4非线性误差：1 2 3 =R=R=Rn=11 2 3 R12R2

R 1 1K 1 1.64103100%KL R 2R 2 21 1 12R13、减小非线性误差采取的措施U K=E/22K=E4U 3-8一个量程为10KN18mm，80.3，材料弹性模量E=2.1×1011Pa。要求：绘出弹性元件贴片位置及全桥电路；计算传感器在满量程时，各应变片的电阻值；【解】1、弹性元件贴片位置及全桥电路如图3-5所示。10图3-5应变片粘贴位置及电路连接图2A(R2r2)59.7106m2应变片、、、4感受轴向应变： 1 2 3 4 x应变片、、、8感受周向应变： 5 6 7 8 y满量程时：R R1

R3

R4

Rx

F R2.0AE

1010359.71062.11011

1200.191R R5 6

R7

R8

R1

0.30.1910.05733、全受拉力：

(RR

)(R

R)U E0 (R

1)(R

1 )(R

3R

)(R

R)1 1 3 3 5 5 7 7(R R

)(R

R) (R

6)(R

6 R)(R

8R)(R

R )6 6 8 8 2 2 4 4) (R

) (R

R) E(R1

1R1

1(R5

R)(R5

6 6R)(R6 R2

1mV))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】1、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。11图4-1差动变隙式电感传感器结构图2圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。当衔铁处于初始位置时：

1 2 0LL

L

SW20 01 2 0 0当衔铁上移时：使上气隙

，上线圈电感增加 ；L1 0使下气隙则：

，下线圈电感减小 。L2 0L L

L

SW20 0

2(0

)L L

L

SW20 0x2

2(0

)3、如果两个线圈反接，则传输特性为：LL0

L Lx2x1x2 x1

0Δδ/δ0与ΔL/L04-3【答】1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。122式差动变压器。3、特点：1/5一下，用于测量几μｍ～几百μｍ的位移。这种传感器制作困难；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；灵敏度低，但量程大它可以测量1～100mm性能可靠、便于制作等优点，使用广泛。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。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2、减小电感式传感器的零点残余电压的措施从设计和工艺上保证结构对称性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。选用合适的测量线路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。采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，因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。

而且把压消除线由113图4-2相敏检波后的输出特性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？【答】1、开关式全波相敏检波电路如图4-4所示：us0u u0ru u32u1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u(t和被测信号u(t频率相同。r S（1）u(t与u(t同相r S参考信号u(t)经A1和D组成的整形电路后的输出u(t)是与被测信号u(t)同频、反相,占空比1∶1的r 1 S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u(t314当0t

T时截止： u2

uS

(t)当TtT时导通： u2

(t)0 （1）差放A2对信号u (t)和u(t)进行合成，得到相敏检波器输出信号u(t)，其表达式:S 3 0u(t)Rf0 R4

u(t)S

Rf)uR 4

(t) （2）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，A2工作在反相放大状态。验证测量4时取Rf=R。把式(1)代入式(2)中，得:4当0t

T时： u2

(t)uS

(t)当TtT时： u2

(t)uS

(t) （3）由式(3)知，从相敏检波器输出信号u(t)中得到了被测信号u (t)。0 S对上述相敏检波器电路进行性能测试，通过调整Rf可以改变运放A2对信号放大的幅度,测试波形如图2所示。对应1，再对u(t)进行滤波，即可取其直流分量U ，从而得到被测信号幅值U 。0 0 S图4-5开关式全波相敏检波电路波形图（2）u(t)与u (t)反相r S15分析原理同（1），若ur

(t与uS

(t)反相时检波输出，如图（b）所示。2、参考信号ur

(t)和差动变压器式传感器激磁电压uS

由同一振荡器供电，保证二者同频同相（或反相）。4-10何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？【答】1将产生呈漩涡状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。H2、有一通以交变电流的传感器线圈。由于电流的存在，线圈周围就产生一个交变磁场 。若被测导体H1H H 置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流，也将产生一个新磁场，H H 2 2 1H场 ，从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁H1被测导体间的距离参数改变，余者皆不变，就能构成测量位移的传感器。电涡流传感器常用的测量电路有哪几种？其测量原理如何？各有什么特点？1、用于电涡流传感器的测量电路主要有：调频式、调幅式电路两种。2、测量原理调频式测量原理传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x),该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。16图4-6调频式测量原理图调幅式测量原理由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io。并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。4-7除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。3、特点调频式测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点。调幅式测量电路线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。利用电涡流式传感器测板材厚度，已知激励电源频率f=1MHz，被测材料相对磁导率阻率ρ=2.9×10-6ΩCm，被测板材厚度为=（1+0.2）mm。试求：计算采用高频反射法测量时，涡流透射深度h为多大？能否采用低频透射法测板材厚度？若可以需采取什么措施？画出检测示意图。【解】1、为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特171 S1S2S1S2x1不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x=常数两传感器的输出电压之和为2Uo1 如果被测带材厚度改变量为压此时为2Uo±ΔUΔU定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。计算高频反射法测板材厚度时，涡流穿透深度：h

2.9108

8.57105m0 r深度很浅。

f 3.1443.14107

1106

可见穿透图4-8高频反射法测量原理图2、若采用低频透射法测板材厚度，必须使涡流穿透深度大于板材厚度。由于ρ、μ0、μr都是常数，所以必须降低激励电源频率，使之满足：h/ f/0 r由此解得穿透板材所需的最高频率为： 2.9108f/

5.1103Hz2 3.1443.141070 r

1.210621 当满足激励电源频率小于5.1KHz交变电压ee，它是板x一定，测量e的值即可测得板材厚度21 18图4-9低频透射法测量原理图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？各适用什么场合？【答】1、电容式传感器分为：变极距(变间隙)(δ)型、变面积型(S)型、变介电常数(εr)型三种基本类型。2、特点与应用0δ只有在Δd/dC与Δd传感器一般用来测量微小变化量。0S传感器的电容量C移及角位移。变介电常数(εr)传感器电容量C或片状结构材料的厚度等。如何改善单极式变极距型传感器的非线性？【答】为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。图5-7为电容式液位计测量原理图。请为该测量装置设计匹配的测量电路，要求输出电压U0h之间成线性关系。【答】电容的基本原理是以一高频方波为信号源，通过一环形二极管电桥，对输入方波加在电桥的A为被测电容，为滤波电容，19CxCx+5V18D1U1C3C4L24RC342R6CQV2TRIGDIS7R1RpD5CVoltNGTHR63 CdR4U2C1C2R3C5OUTNE555L11R2R51、电容式液位变换器结构ε1h,变换器总高度为Hd此时变换器电容值为2hC 1

2(Hh)1

2H

2h(1

)C

)D D D D 0 Dd d d d d式中：ε——空气介电常数；C——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值。C0可见，此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。2、环形二极管充放电法测量电路E1E2时2CxCdE1E2。对电容Cxi1所示的方向，对Cd充i3T1VD、VD4T1这段时间AC点流动的电荷量为2qC(E1 d 1

E)220E2E1时1 2 CxCd放电，它们两端的电压由E2E，放电电流所经过的路径分别为i、iT2VD1VD3T2CA点流过的电荷量为1 2 qC(E2 x 1

E)2CA点的平均电流为：AC点的平均电流为：流过此支路的瞬时电流的平均值为

则：设方波的频率f=1/T0(即每秒钟要发生的充放电过程的次数)，I2=Cxf(E设方波的频率f=1/T0(即每秒钟要发生的充放电过程的次数)，I3=Cdf(E2-E1)ICx

f(E2

E)C1

f(E2

E)fE(C1

C)d1式中,ΔE为方波的幅值，ΔE=E2-E。1令Cx的初始值为C0，ΔCx为Cx的增量，则Cx=C0+ΔCx,调节Cd=C0则IfE(Cx

C)d xh=0，从而使输出电流为零，当出电流的平均值为：IfE(C

C)fECx d

2(1)(E0 r 2ln(D/d)

E)h1h02 f-E为定值，则输出电流IhRpUh02 6-1什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵压电效应和横压电效应？【答】1、正压电效应和逆压电效应正压电效应（顺压电效应）变。这种现象称压电效应。有时人们把这种机械能转换为电能的现象称为正压电效应（顺压电效应。21逆压电效应（电致伸缩效应）场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。2、纵压电效应和横压电效应纵向压电效应通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”。横压电效应把沿机械轴y6-4画出压电元件的两种等效电路。1、电压源等效电路2、电流源等效电路6-5电荷放大器所要解决的核心问题是什么？试推导其输入与输出的关系。【答】1进了电压放大器的缺点。2、输入与输出的关系22C电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容和高增益运算放大器构成。由运Cf算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压：u Aqo C CCa c i f通常A=104~108，因此,当满足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时，上式可表示为u qo Cf6-8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=9.8m/280mV/pC。试计算机器的振动加速度。【解】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=2.5×80=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：S U0n aaU0Sn

4200103

20g196m/s2什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？【答】1霍尔电势。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RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。23为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。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电流为I产生这一现象的原因有：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；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；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。2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A、B电极不在同一等位面上，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A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。7-8试分析霍尔元件输出接有负载RL时，利用恒压源和输入回路串联电阻RT进行温度补偿的条件。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LU R UL与温度有关。

R R HL outRLRT霍尔元件接有负载24UHERT RoutUHERin RL输入回路等效电路 (c)输出回路等效电路T0时，负载电阻上的输出电压为LLU R U RLL

K IB

RK BEL H00 R R H0 R

H0

(R R )(R

R )L out0

out

L out0 T

in0R设 的温度系数，霍尔元件内阻温度系数为，灵敏度温度系数为，RT则温度升高T后，负载电阻上的电压为U R LL

K )BER R T) RL out0 T

1H0T)R 1T)in0要实现温度补偿，应使UU，即0R K )BELL

R K BE 00R

T)

1

T)

T) R R

R H R L out0 T0

in0

L out

T0 in0阶小量（即含2或 的项，解得R

)(RL

Rout

)RRoutRT0 )(RL

Rout

)Rout

in0为了获得最大的输出功率，可使R R ，则L outR T0

23

Rin07-10（补充题）试对利用霍尔式传感器实现转速测量进行解释。25【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。Nf60(转/分)nN-转速；f-信号频率；n-槽数。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。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。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。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时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。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，亮电阻值在几千欧26以下。2、光敏二极管的工作原理电流称为暗电流。当有光照射到光敏二极管的PN们在反向电压和内电场的作用下，漂移越过PN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。光电流I关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。3、光敏晶体管的工作原理就是反向偏压。—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，β所以光敏晶体管有放大作用。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如硼PN结。当光照到PN结区将在结区附近激发出电子空穴对，在NNP区之间出现电位差。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。光电耦合器件分为哪两类？各有什么用途？【答】（又称光电耦合器（又称光电断续器。如何理解电荷耦合器件有“电子自扫描”作用？【答】面阵CCD包括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27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。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θi应满足arcsin1 n n2 2i c n 1 20一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样上式可表示为i c

arcsinn2n21 2n2n21 2【答】1无论光源发射功率有多大，只有入射角处于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0.2~0.4。1 2 n=1.46，n=1.45n=11 2 入射角 的值？c【解】根据光纤数值孔径NA的定义NAsin 1

n2n2

1.4621.4621.452入射临界角 为c

c n 1 20 arcsinNAar170680c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】28半导体吸收式光纤传感器测温系统原理图(a)所示：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Eg随温度T(b)所示。2.42.22.01.81.6

禁带宽度/eVGaP1.41.21.41.2Si1.00.8InP0.60.40.20200400600 T/K半导体的禁带宽度与温度的关系 (c)半导体的透射光强与温度的关系由图(c)可以看出：半导体的本征吸收限（或吸收边）波长随温度增加而向长波长的方向位移。(

ch)在Tg收随着吸收边波长g剧下降，直至光几乎不能穿透半导体。反之，随着吸收边波长λg的变长，半导体的透光率增大。在光源λ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浓度而改变。这种反应是可逆的，因而是可重复使用的。当氧化型气体吸附到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。29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。为什么多数气敏元件都附有加热器？【答】灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200~400℃左右。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电阻。9-23，说明用色敏传感器测量光波波长（即颜色）的工作原理。【答】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。3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，根据“虚断”概念得ISD1

ID1

IS

UD1eUTUD2ISD2

ID2

ISeUT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：IUD1UTln

SD1IUD2UTln

SISD2IOP3的输入电压为UI1

SD1,UI1D1。OP3取出它们的差，输出为Uo

R U )RI2 I1 I2 I1 2

SD2SD2 30ISD2/ISD1的对数。其中CA/D变换、处理后即可判断出与电平相对应的波长（即颜色。9-23A（1）TGS—812是什么传感器？（2）2、5脚是传感器哪个部分？有什么作用？P（3）分析电路工作原理，调节R有什么意义？P【答】1、TGS—812是气敏传感器。312、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A5阻变低，从而使A5A10发光二极管，显示推动器A5550.05%。调节RP10-1超声波在介质中传播具有哪些特性？【答】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90344m/s900～1900m/s。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。的扩散、散射及吸收等因素有关。简述超声波测量流量的工作原理，并推导出数学表达式。【答】采用时差法测流速。v为液体的平均速度，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，超声波探头2为接收探头，超声波传播的速度为cvsin，则顺流传播时间为：

Dt coscvsin再以超声波探头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cvsin，则逆流传播时间为：32为

Dt coscvsintt

Dt

2vsin由于cv，可以近似有：

2 1 cos c2

v2sin2t

D 2vsin2Dvtancos c2 c2则液体的平均速度为

v c2 t2Dtan这种测量方法的精度取决于t的测量精度，同时应注意c并非常数，而是温度的函数。28μs，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t2hc则物位高度为

hct146028103

20.44m2 233简述微波传感器的测量机理。【答】即可以显示出被测量，实现了微波检测。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：有极宽的频谱（=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；环境下工作；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；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；实现遥测和遥控；微波无显著辐射公害。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。反射式微波传感器它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。遮断式微波传感器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射的类很多，按探测机理的物理效应可分为两大类：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；34比于吸收的光子数。12-3试说明、射线的特性。【答】α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。βα射线相比，透射能力大，电离作用小。在检测中主要是根据β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β粒子很大的电离能力来测量气体流的。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γ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断功能的传感器。即“电五官”+“电脑”。2、智能传感器主要形式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。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(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，即其中

E (t,t)=E (t)+E (t)+E (t)ABC 0 AB BC 0 CA 035E (t)+E (t)=-E (t)35BC 0 CA 0 AB 0将上两式联立得

ABC AB AB E (t,t)=E (t)-E (t)=E (t,tABC AB AB 0 0 0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。具有三种导体的热电偶回路如图(b势之和，即EABC

(t,t0

,t)E1

(t)E (tBA

)EAC

(t)E1

(t)E1

(t)EAB

(t)E

(t)E

(t)1E (t)EAB

(t)E0

(t,t)0(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，组成相应的温度测量或控制回路。36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ABtt时：c 0E (t,tAB

)EAB

(t)EAB

(t)E0

(t)EAB

(t)Ec

(t)Ec

(t)0E (t,tAB c

)EAB

(t,t)c 0( ) ( ) (, 热电势E t,t 等于热电偶AB在接点温度t和tt时的热电势E t,t和( ) ( ) (, AB 0 c c 0 AB c ABc 0和2、中间温度定律在热电偶实际测温中的意义0℃的热电势进行修正。P和Q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。原理？【答】1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0℃为依据，否则会产生误差。2、补偿的方法有：补偿导线法计算修正法冰点槽法冷端补偿器法补正系数法软件处理法3、补偿原理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。37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0～100℃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E (t,tAB

)EAB

(t)E (tBQ

)EQC

(t)