传感器技术及应用(陈艳红)思考题与课后答案7-12章

PAGE314传感器与检测技术第7章7-1光电效应有哪几种？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以下两大类：①光电导效应，②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，及在实际应用时各种特点。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，当没有光照射时，反向电流很小，处于截止状态；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β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？答：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）。答：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”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。7-5什么是光电元件的光谱特性？答：光电元件的光谱特性是指入射光照度一定时，光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光电元件只对一定波长范围的入射光敏感。7-6常用的半导体光电元件有哪些?它们的电路符号如何?答：常用的半导体光电元件有光电管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光电池三种。它们的电路符号如下图所示：光电管光敏电阻光电管光敏电阻第8章8-1什么是热电效应？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，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。8-2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。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。8-3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60.25Ω、Ω329.51Ω。8-4已知铜热电阻—Cul00的百度电阻比W(100)=1.42，当用此热电阻测量50℃温度时，其电阻值为多少?若测温时的电阻值为92Ω，则被测温度是多少?解：由W（100）=R100/R0=1.42，则其灵敏度为则温度为50℃时，其电阻值为R50=R0+K×50=100+0.42×50=121(W)当Rt=92W时，由Rt=R0+Kt，得t=(Rt﹣R0)/K=(92﹣100)/0.42=﹣19(℃)8-5用镍铬-镍硅(K)热电偶测量炉温时，其冷端温度为30℃，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为38.505mV，试求炉温为多少?解：查镍铬-镍硅热电偶K分度表可知E(30，0)=1.203mV根据式中间温度定律可计算出反查分度表可知其对应的实际温度为℃8-6热电偶温度传感器的输入电路如图所示，已知铂铑—铂热电偶在温度0~100℃之间变化时，其平均热电势波动为6µV/℃，桥路中供桥电压为4V，三个锰铜电阻(Rl、R2、R3)的阻值均为1Ω，铜电阻的电阻温度系数为α=0.004/℃，已知当温度为0℃时电桥平衡，为了使热电偶的冷端温度在0~50℃范围其热电势得到完全补偿，试求可调电阻的阻值只R5。解：热电偶冷端补偿电势E(t,0)=kt，式中，k为热电偶灵敏度(k=6mV/℃)，而补偿电桥输出电压（见习题图7-20）冷端补偿时有=6mV根据电桥电路，其等效电路为R1、Rcu和R2、R3分别串联后再并联，然后与电源、R串联，桥臂电阻串并联后为1Ω，由此可得1×Ui=1´E/(R+1)所以R=E/Ui﹣1=4000/6﹣1=665.7(Ω)题8-6图第9章9-1什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：两块栅距相等的光栅叠合在一起，并使它们的刻线之间的夹角为θ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；2）位移的放大特性；3）移动特性；4）光强与位置关系。9-2什么是细分？什么是辨向？它们各有何用途？答：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是四倍频细分法，这种细分法也是许多其它细分法的基础。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。在实际应用中，被测物体的移动方向往往不是固定的。无论主光栅向前或向后移动，在一固定点观察时，莫尔条纹都是作明暗交替变化。因此，只根据一条莫尔条纹信号，则无法判别光栅移动方向，也就不能正确测量往复移动时的位移。为了辨向，需要两个一定相位差的莫尔条纹信号。9-3用四个光敏二极管接收长光栅的莫尔条纹信号，如果光敏二极管的响应时间为10-6s，光栅的栅线密度为50线/mm，试计算一下光栅所允许的运动速度。解：设光栅移动速度为v，当移动一条栅线的时间³光敏二极管的响应时间时，能保证二极管能正常反应采样，所以v=2×104mm/s=20m/s9-4试分析四倍频电路，当传感器做反向移动时，其输出脉冲的状况（画图表示之），该电路的作用是什么？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π/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。1、2—光电元件；3—指示光栅；4—莫尔条纹；

、—光栅移动方向；、—对应的莫尔条纹移动方向9-5二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=Ci⊕Ci+19-6一个21码道的循环码码盘，其最小分辨力α=?若每一个α角所对应的圆弧长度至少为0.001mm，且码道宽度为1mm，则码盘直径多大?解：α=2p/221=0.2996×10-5radD=2×0.001/(0.2996×10-5)=667.5mm9-7感应同步器有哪几种？试述它们的工作原理。答：感应同步器有直线式和旋转式两种，分别用于直线位移和角位移测量，两者原理相同。直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成。旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成。在定尺和转子上的是连续绕组，在滑尺和定子上的则是分段绕组。分段绕组分为两组，在空间相差90°相角，故又称为正、余弦绕组。工作时如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺（或转子与定子）的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化，再通过对此信号的检测处理，便可测量出直线或转角的位移量。第10章10-1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三部分组成：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。10-2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200～400℃左右。加热方式一般有直热式和旁热式两种10-3什么叫湿敏电阻?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。氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±5%，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。半导体陶瓷湿敏元件具有灵敏度高、稳定性高、耐湿性好、抗干扰能力强等优点，但是响应速率慢、需要加热清洗，不能用于易燃易爆环境，也不能实现湿度的连续测量。第11章11-1光纤传感器的性能有何特殊之处？主要有哪些应用？答：光纤传感器具有灵敏度高，不受电磁波干扰，传输频带宽，绝缘性能好，耐水抗腐蚀性，体积小，柔软等优点，可用于位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电压、电流、磁场、核辐射等方面的测量。11-2用超声测厚仪测量工件的厚度，若已知超声波在工件中的声速c=5640m/s，测得的时间间隔t为22µs，试求其工件厚度。解：工件厚度H=ct/2=5640m/s×22μs/2=0.06204m=62.04mm11-3根据学过的知识设计一个超声波探伤实用装置（画出原理框图），并简要说明它探伤的工作过程?答：直探头探伤示意图下图所示。将直探头涂抹耦合剂后，在工件上来回移动。探头发出5MHz左右的超声波，以一定速度向工件内部传播。如工件中没有缺陷，则超声波传到工件底部便产生反射，反射波到达表面后再次向下反射，周而复始，在荧光屏上出现发射波T和一系列底脉冲B1、B2、B3、…。B波的高度与材料对超声波的衰减程度有关，因此可以用来判断试件的材质、内部晶体的微观缺陷。（a）（b）（a）无缺陷时超声波的反射及显示波形（b）有缺陷时超声波的反射及显示波形如工件中有缺陷，一部分声脉冲在缺陷处产生反射，另一小部分继续传播到工件底面产生反射，在荧光屏上除出现始脉冲T和底脉冲B外，还出现缺陷脉冲F，如图所示。荧光屏上的水平亮线为扫描线，其长度与工件的厚度成正比，通过判断缺陷脉冲在荧光屏上的位置可确定缺陷在工件中的深度。通过缺陷脉冲幅度的高低差别可以判断缺陷的大小。如缺陷面积大，则缺陷脉冲F的幅度就高，而B脉冲的幅度就低。通过移动探头还可确定缺陷大致长度和走向。11-4常用的光探测型红外传感器有哪些？答：光探测型传感器常用的有红外发光二极管、红外接收二极管、光敏二极管和光敏晶体管等。11-5红外线光电开关有哪些优越的开关特性？答：红外线光电开关具有表面反射率低、环境特性优越、回差距离远、响应频率高、输出状态灵活、检测方式多样、输出形式多等许多优越的开关特性。11-6常用的四种核辐射源是什么？核辐射的特性有哪些？答：在测量技术中，常用四种核辐射源，即、、射线源和X射线。核辐射是放射性同位素衰变时，放射具有一定能量和较高速度的粒子束或射线。核辐射的特性有吸收、散射、反射以及电离作用。射线是带正电荷的高速粒子流。粒子由于能量、质量和电荷大，故电离作用最强，但射程（带电粒子在物质中穿行时，能量耗尽前所经过的直线距离）较短。射线主要用于气体分析、气体压力和流量的测量。射线是带负电荷的高速粒子流——电子流。粒子的质量最小，电离能力比同样能量的a粒子要弱；由于粒子易于散射，所以其行程是弯弯曲曲的。射线可用来测量带材厚度、密度、覆盖层厚度等。射线是从原子核内放射出来的，是种光子流，不带电，以光速运动。粒子几乎没有直接电离的作用。射线用于测量大厚度、物位、密度，检测材料缺陷等。X射线是由原子核外的内层电子被激发。产生的不带电的粒子流，因此能产生干涉、衍射现象。X射线具有很强的穿透力，医学上常用作透视检查，工业中用来探伤。长期受X射线辐射对人体有伤害。X射线可激发荧光、使气体电离、使感光乳胶感光，故X射线可用电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用，X射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段。第12章12-1现代检测系统一般由哪几部分组成？答：现代检测系统包括硬件和软件两大部分。硬件主要都是由传感器、信号调理电路、数据采集、信号处理、信号记录、传输及显示等部分组成。基本结构如下图所示：12-2带计算机的检测系统可分为哪些类型？有哪些特点？答：利用计算机组成的现代检测系统主要有两种形式：一种是能用于各种测量对象的通用计算机检测系统；另一种是构成针对专门测量对象的各类智能检测仪器。计算机检测系统有以下特点：（1）利用微处理器不仅能提高传感器的线性度，而且能够对各种特性进行补偿。（2）提高了测量可靠性，测量数据可以存取，使用方便。（3）测量精度高。（4）灵敏度高，可进行微小信号的测量。（5）具有数字通信接口，能与微型计算机直接连接，相互交换信息。（6）多功能。（7）超小型化，微型化，微功耗。12-3什么是自动测试系统？答：自动测试系统采用一定通信方式，在上位计算机的控制下完成数据采集任务，并将数据发送给上位计算机。现代化工业生产中多使用计算机自动测试系统，利用远离现场处于控制室中的主控计算机和现场安装的各种智能仪表就可以监测工业现场中所需的参数信息，大大改善了工作条件，提高了生产效率。12-4试列举汽车中的所应用的传感器及其作用。答：汽车中的传感器有用来测定各种流体温度和压力的传感器（如进气温度、气道压力、冷却水温和燃油喷射压力等）；有用来确定各部分速度和位置的传感器（如车速、节气门开度、凸轮轴、曲轴、变速器的角度和速度、排气再循环阀的位置等）；还有用于测量发动机负荷、爆燃、断火及废气中含氧量的传感器；确定座椅位置的传感器；在防抱死制动系统和悬架控制装置中测定车轮转速、路面高差和轮胎气压的传感器；在防撞系统中控制保护前排乘员的气囊不仅需要较多的碰撞传感器和加速度传感器，还需要乘员位置、体重等传感器来保证其及时和准确的工作。还有其它很