《自动检测与转换技术》 习题答案分析汇总 梁森 第1-13章

方案二：利用光电效应，对用水量进行非接触式测量：可以使叶轮带动一只供观察旋转用的六齿塑料薄片（也可以是三角形）。光电开关安装在其齿轮的上方，叶轮每转一圈，产生6个（或3个）反射脉冲。若以0.0001m3累积，数字显示器最低位为0.1m3，六位显示器最大可显示999999m3。超过999999m3后，显示器“归零”，重新开始新一轮计数。图10-10光电式电子水表的传感器原理IC卡预付费水表系统：传统的机械水表的抄表非常浪费人力。IC卡预付费水表由基表和控制器构成。基表采用标准旋翼“湿式”（没有隔离装置）水表作为基础计量表，保留了原先用户熟悉的水表字轮显示模式。控制、显示器集液晶显示屏、电子控制单元为一体。用户预先使用IC卡“购水”，再将卡中的数据输入水表中，水表自动开阀供水。预付款耗光后，自动关阀断水。IC卡预付费水表可以显示预存吨位（与水价无关）或预存水费（与水价有关）。付费即将告罄（低水量）报警：凡是预付费型式的仪表，最好都能设计一个“付费即将告罄”的提示程序。当IC卡预付费水表剩余水量达到预设的报警水量时，产生声光报警信号，提醒持卡人及时购水，以免产生断水的麻烦。失电状态控制：应该设计为干电池电压降低到设定值以下时，产生报警声音，提醒用户更换电池。在电池耗尽时，应该是自动“切断”自来水阀门，而不是“开通”。也就是说，在阀门中，设计了一个弹簧。在阀门失电时，弹簧会将阀门的活塞推向“切断”自来水阀门的状态；来电后，活塞才能够转到“开通”状态。为了省电，应该设计一种“开通瞬间耗电、开通之后不再耗电”的电磁阀。读者可以上网参考“双稳态电磁铁”的资料。智能无线抄表系统：采用远传数据方式，保留机械显示读数，可以人工直接读取，同时定期（节省能源，延长电池寿命）通过WIFI、GSM、CDMA、电力载波等系统发送数字信息，让集中抄表主机读取水表的计数值。主机要能远程控制开、关阀门，实现远程操控水表的目的。还能够记录用户的用水习惯，从而判断异常。如果没有条件建立“电力线载波集中器”，还可以采用“手持器”抄表。可以慢速开车通过每一幢楼的楼下马路，发射特定频率的无线电信号，逐一“唤醒”每一台智能水表，让智能水表排队，短暂发射无线电调制信号，达到抄表和省电的目的。拓展思考：1）预付卡充值的方法有哪些？2）请论述什么情况下需要使用预付费电表？有何缺陷？3）请上网查阅有关资料，对“电力线载波远程抄电表系统”、“光导纤维远程抄电表系统”进行论述。8．请观察宾馆的玻璃大门，谈谈如何利用热释电传感器及其它元器件实现宾馆玻璃大门的自动开闭。JG/T177-2005对“自动门”的定义：自动门（Automaticdoor）是由各种信号控制，自动启闭出入口，并具备运行装置、感应装置及门体部件的总称。感应自动门可以将人接近门的动作识别为开门信号，通过驱动系统将门开启，在人离开后再将门自动关闭。自动门的作用：自动门在有人走到门口（出口和入口）时，能够构成出入通道；在无人走到门口（出口和入口）时，封闭出入通道，以便减小热空气或冷空气溢出或进入，减少尘土侵入。夜间或停业时间，自动门可以处于封闭状态，提高安全性。自动门的分类：自动门有卷帘门、单开门、双开门、平开门和旋转门等。旋转门的分类：按门扇数量分类有：两翼、三翼和四翼等。按使用功能分类有：门扇可折叠（适应疏散人群）、不可折叠门。常见的酒店旋转门有以下几种：1）手推式旋转门：宾客推动旋转门，按照正常的步速走进去即可。2）电动旋转门：按照一定的转速旋转，无须人力推动。3）电动感应门：在感应到有人走到旋转门门口时才开始转动；没有人时停止（需要转到能够密封空气的位置）。旋转门的转速曲线可以预先设定；可以先慢速，再快速，再慢速，再停止。人体感应器分类：常见的是微波传感器。也可以用红外反射式传感器、红外热释电式传感器、超声波传感器等作辅助感应器。旋转门的组成：旋转门主要由：玻璃门、变频器、电动机、减速器、PLC、人体感应器等组成。红外线传感器：旋转门的进口与出口顶部（以及内部）有一个辅助用的红外线传感器。传感器内部的一侧为红外线发射器，另一侧为红外线接收器。它们的轴线向下，夹角的大小影响到探测距离的远近。当发射出的红外线被人体的头、肩部反射时，就有信号到达红外接收器，从而向PLC发送“有人”信号。接着电动机得电，通过“同步带”或减速齿轮箱驱动玻璃门打开或旋转。为了防止太阳光的红外线干扰，红外线发射器的驱动电流必须用中频（约30~40kHz）电流进行调制，发射出断续的红外线。电流的占空比通常小于50%，可以减小功耗，延长LED的寿命。在红外线接收电路中，要设置相应频率的中频带通滤波器，以滤除直流信号、50Hz、100Hz以及晶闸管、IGBT的高次谐波等低频干扰信号，也滤除电火花、手机等辐射的高频干扰信号。图10-010红外线反射式光电自动门红外线传感器的优、缺点：红外线传感器适用于有行动迟缓的人员出入的场所。但是，当自动门的门口堆放较高的物体时，也将反射红外光，自动门将一直是打开着。当然，也可以设置一定的时间常数，达到设定的时间后，如果仍然有红外线反射信号，就自动停止自动门的运转。防夹条：为了防止将人夹住，可以在两个自动门的边缘各设置一条“防夹条”（也称“安全边缘开关”，遇阻“防夹胶条”）。防夹条内部有两根距离很近的导电橡胶条，其长度与自动门相等，外面用柔软的橡胶包裹。如果自动门的边缘夹到人体，防夹条内部的开关被短路，输出信号传递到PLC，自动门被自动开启。拓展思考：1）请观察地铁、火车的自动门是怎样保护人体不被夹住的？（地铁、火车的自动门并没有“防夹条”）2）如果自动门半路被卡住，电动机的电流将如何变化？3）自动门正常关闭后，PLC依据什么信号来切断电动机的电流？4）如何防止人的脚后跟被旋转门夹住？5）人员进入旋转门后，旋转门的门口就没有反射信号了，为什么旋转门就不会停止下来呢？6）如何防止残障人士的轮椅碰坏旋转门的玻璃？7）如何使旋转门由低速缓缓启动，最后达到正常运行转速？8）当行人或物体走出出口时，如何使旋转门由较高的转速缓慢减速，最后达到零转速？9）人员走出旋转门后，旋转门停止的位置和角度是如何控制的？（必须停止在能够封闭空调的角度位置）10）如何防止在发生紧急情况时，应对大量人群快速通过旋转门？（考虑如何让人群直线通过，而不必旋转出门）11）在发生儿童的手被夹住时，应该如何立即让旋转门停下来？如何解锁（齿轮箱的大齿轮是无法逆转的）？12）深夜如何不让外人进入？13）刮大风时，如何不让旋转门被吹动？热释电传感器工作原理：热释电红外传感器的工作原理是基于红外线的热电效应。其内部的热电单元由高热电系数的铁钛酸铅陶瓷或钽酸锂、硫酸三甘铁等组成。热电单元上方有红外滤光镜片窗口，波长约为7.5~14m（相当于人体外表温度为36℃时的辐射波长），只让人体产生的红外线通过。阻抗变换：为了抑制热电单元因自身温度变化而产生的热电动势干扰，在制造热释电传感器时，将两个工艺特征一致的热电单元反向串联构成平衡电路，因而能非接触式检测出物体放出的红外线能量的变化，并将其差值转换为电荷信号。由于热电单元的输出信号的内阻非常高，因此需要接到“N沟道结型场效应管”组成的“源极跟随器”来完成阻抗变换。菲涅尔透镜：热释电传感器用于红外人体感应器时，其表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜。若从热释电元件来看，它前面的每一透镜单元都只有一个不大的视场角，而且相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔着一个盲区。当人体在透镜总的监视范围（视野约70°角）中运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场，又走出这一视场。热释电元件对运动物体一会儿“看得见”，一会儿又变得“看不见”，如此循环往复。传感器晶片上的两个反向串联热释电元件是轮流“看到”运动物体的，所以人体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变两个热释电元件的温度，使它输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。图10-011红外热释电传感器的内部结构与菲涅尔透镜热释电传感器的优缺点：能够排除太阳光的干扰，只对移动的人体产生输出信号。当人体移动较慢时，热释电传感器的输出信号很弱，不适合老人或其他慢速移动的目标。图10-012旋转门的主要传感器图10-013几种旋转门的传感器布置图10-014四翼紧急逃生旋转门微波感应器：微波：微波是指频率在300MHz-300GHz范围内极高频电磁波，其波长范围从1m到1mm。微波具有直线（视距）传播，不受温度、灰尘影响，体积小等特点，在通信和移动物体识别方面得到广泛应用。微波感应器即功率：微波感应器又称微波雷达，应用多普勒（DopplerRadar）原理。微波式物体感应器模块（包括天线）只有火柴盒大小。微波发射天线发射一束低功率（约6dBm左右，4mW左右）微波，可以是连续波或断续波，以光速传导。微波接收天线在极短的时间里接收到被测物体反射的能量。微波的多普勒效应：静止物体反射回来的微波频率与发射的微波频率相同（f0）；向着微波天线运动的物体反射回来的微波频率比发射的微波频率略高（f0+Δf）；背着微波天线运动的物体反射回来的微波频率比发射的微波频率略低（f0-Δf）。运动物体反射回来的微波与发射的微波混合在一起，通过一个非线性元件（例如肖特基二极管），产生差频（与混频类似）。再经过低通滤波器，就得到与被测物体运动速度v成正比的低频率信号Δf，称多普勒信号。如果检测到多普勒信号，则判定在微波发射的有效区域有移动目标。图10-015旋转门微波感应器示意图图10-016微波多普勒雷达原理常用多普勒感应器的工作频率：过去多数是选择在X-频段（10.525GHz）。随着技术进步，新的多普勒雷达开始使用更高频段的K-波段频率（24.125GHz）。对于同一运动目标，K-波段的多普勒频率是X-波段的2.3倍，对于探测运动速度低于2km/h的目标十分有利。而波长较长的多普勒雷达对于较小的运动目标不产生多普勒信号，适合需要防止诸如猫狗引起误报的场合使用。多普勒频率：对于24.125GHz频段，如果目标移动速度不超过40km/h，多普勒频率的变化范围是0~6000Hz。在此范围内，多普勒频率和目标移动速度大体呈线性关系。过低的运动速度将导致多普勒信号的频率太低，很难处理。所以将多普勒信号的低通滤波器的下限限制在100Hz，可以让慢速（1km/h，0.3m/s）的人体运动的多普勒信号通过。微波感应器的适应场合与缺点：微波感应器适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的缺点是：一旦在旋转门微波感应器有效范围内的人员静止不动时，就不会有多普勒信号，自动门就会停转。拓展思考：1）火车向着听者运动的声音是变尖还是变低？火车背着听者运动呢？2）请上网查阅微波的波长与频率之间的换算公式。3）微波的频率越高，天线的尺寸就越长还是越短？4）微波的频率越高，能够检测到的物体的尺寸是越大还是越小？能够检测到高速运动的物体？还是低速运动的物体？5）如何应用微波来测量汽车的时速？6）如果在军事上要判断物体的运动速度、角度、高低位置等参数，应该如何设置微波天线？《自动检测与转换技术》（“十四五”职业教育国家规划教材）统一书号：ISBN978-7-111-62119-5第十一章数字式位置传感器思考题与习题分析说明：填空中的“红色文字”以及分析题中的“提示”并不等于就是答案，只是给出了怎样解题的思路和分析方法，给读者一点启发。作者还在有关题目中，增加了一些新的技术和应用型知识。限于篇幅的限制，有的传感器的内容无法在本教材正文中展开来讲的，现在有了这个“思考题与习题分析”，就可以在此展开介绍，希望对读者有一点帮助。展开的知识可能有一部分超过本教材的深度，读者可以上网对照有关资料来理解和提高。希望读者看完本分析之后，就其中的疑难、错误等问题，来信与作者进行探讨，邮箱为liangsen2@126.com，上海电机学院的梁森老师以及作者团队与大家交流。谢谢大家。思考题及习题1．单项选择题1）数字式位置传感器不能用于____可以用于带有机械结构的角位移、直线位移的测量____的测量。A．机床刀具的位移B．机械手的旋转角度Ｃ．人体步行速度D．机床的位置控制2）不能直接用于直线位移测量的传感器是____注意“直接”这两个字____。A．长光栅B．长磁栅C．角编码器3）绝对式位置传感器输出的信号是____注意：必须是“一一对应”的编码____，增量式位置传感器输出的信号是____注意：不应该是“模拟信号”____。A．电流信号B．电压信号C．脉冲信号D．二进制格雷码4）有一只十码道绝对式角编码器，其分辨率为____等于1除以“2的10次幂”______，能分辨的最小角位移为____等于360°除以“2的10次幂”____。A．1/10B．1/210Ｃ．1/102D．3.6°E．0.35°F．0.01°5）有一只1024p/r增量式角编码器，在零位脉冲之后，光敏元件连续输出10241个脉冲。则该编码器的转轴从零位开始转过了___1024p是1圈，那么10240p是10圈，1个脉冲代表（1/1024）圈______。A．10241圈B．1/10241圈C．10又1/1024圈D．11圈6）有一只2048p/r增量式角编码器，光敏元件在30秒内连续输出了204800个脉冲。则该编码器转轴的转速为____204800个脉冲代表100圈，是在30秒里完成的，所以每秒钟旋转了(100/30)圈，每分钟的转速就是再乘以60，等于……____。A．204800r/minB．60×204800r/minC．(100/30)r/minD．200r/min7）某直线光栅每毫米刻线数为50线，采用4细分技术，则该光栅的分辨力为____如果不采取细分技术，则分辨力为(1mm/50)。再除以4，就是4细分后的分辨力_____。A．5mB．50mC．4mD．20m8）不能将角位移变成直线位移的机械装置是___“蜗轮-蜗杆”是将较细的蜗杆的旋转转换成为较大的蜗轮的旋转，两者都是旋转，但旋转的轴线相互垂直_____。A．丝杠-螺母B．齿轮-齿条C．蜗轮-蜗杆D．传输带-皮带轮9）光栅中采用sin和cos两套光电元件是为了____得到两个相位差为90°的系统频率的正弦波信号____。A．提高信号幅度B．辩向C．抗干扰D．作三角函数运算10）光栅传感器利用莫尔条纹来达到____如果不采用莫尔条纹的方法来“放大”光栅线的变化，就无法看清每毫米几十根这种细微的光栅线。使用莫尔条纹的“光学放大”方法，“指示光栅”与主光栅相互位移一根光栅线的距离，莫尔条纹的变化距离就有十几倍于光栅线的变化，就使得光电传感器容易分辨莫尔条纹的明暗变化____。A．提高光栅的分辨力B．辩向的目的Ｃ．使光敏元件能分辨主光栅移动时引起的光强变化D．细分的目的11）当主光栅与指示光栅的夹角为θ（夹角的单位一定要预先换算为rad，弧度，其数值远小于1）、主光栅与指示光栅相对移动一个栅距时，莫尔条纹移动____L≈W/θ____。A．一个莫尔条纹间距LB．θ个LC．(1/θ)个LD．一个W的间距12）磁带录音机中应采用_____磁带与磁头不相对运动，就不会产生变化的磁场，磁头中的线圈就不会产生感应电动势____；磁栅传感器中应采用____磁带与磁头即使不相对运动（静态），磁头也会有信号____。A．动态磁头B．静态磁头C．电涡流探头D．光电传感器13）容栅传感器是根据电容的_____极距必须基本不变____工作原理来工作的。A．变极距式B．变面积式C．变介质式14）粉尘较多的场合不宜采用_____光学元件最害怕灰尘_____；直线位移测量超过1m时，为减少接长误差，不宜采用___容栅的行程较短_____。A．光栅B．磁栅C．容栅D．感应同步器15）测量超过40m的位移量应选用____30m以上的直线位移传感器非常昂贵，最好是采用机械转换的方法，将直线位移先转化为角位移，再予以测量____，属于接触式测量的是____磁栅的磁头是与磁尺接触的____。A．光栅B．磁栅C．容栅D．光电式角编码器2．在检修某机械设备时，发现某金属齿轮的两侧各有A、B检测元件，如图11-27a所示。请分析填空。图11-27机械设备中的旋转参数测量原理分析a）安装简图b）输出波形1）根据已学过的知识，可以确认A、B两个检测元件是______非接触的_____（行程开关/接近开关），其检测原理是属于_____电涡流或光电等非接触的____传感器。2）齿轮每转过一个齿，则A、B各输出____不会是2个____个脉冲。在设定的时间内，对脉冲进行计数，就可以测量齿轮的______转速____和_____转向____。3）若齿轮的齿数z=36，在2s内测得A（或B）输出的脉冲数为1026个，则说明齿轮转过了_____无论经历了多长的测量时间，旋转的圈数等于脉冲数除以每一圈的齿数，与时间无关_____圈。4）若齿轮正转时A、B的输出脉冲如图11-27b所示，由b图可以看出，设置A、B两个检测元件是为了判别______齿轮旋转的……___________。5）若齿轮反转，请以A的波形为基准，画出B的输出波形（应考虑相位差）。提示：若齿轮反转，则A的波形滞后于B的波形（角度差为90°，相位差为π/2）。6）若发现A或B无信号输出，产生故障的可能原因为：________、_________、____________、____________等。提示：不外乎电源、引线、设备本身……7）可用____如果是电涡流式传感器，铁片可以引起接近开关动作；如果是光电式传感器，能够反光的物体都能引起光电开关动作______（塑料/铁片）来判断A或B是否损坏。3．一个透射式3600线/圈的圆光栅，采用4细分技术，求：1）角节距θ为多少度？或多少分？2）分辨力为多少度？3）该圆光栅数显表每产生一个脉冲，说明主光栅旋转了多少度？4）若测得主光栅顺时针旋转时产生加脉冲1200个，然后又测得减脉冲200个，则主光栅的角位移为多少度？提示：1）角节距θ为：θ=360°/3600=？？？2）分辨力为：采用4细分技术后的分辨力=θ/4=360°/(3600×4)=？？？3）该圆光栅数显表每产生一个脉冲，说明主光栅旋转了θ/4=……4）若测得主光栅顺时针旋转时产生加脉冲1200个，然后又测得减脉冲200个，则主光栅的角位移为：[(1200个脉冲×(θ/4)]-[200个脉冲×(θ/4)]=？？4．图11-28a所示为一人体身高和体重测量装置外观，图11-28b所示为测量身高的传动机构简图，请分析填空并列式计算。图11-28测量身高的装置示意图a）测量装置外观b）传动机构简图1－底座2－标杆3－原点4－立柱5－大带轮6－传动带7－小带轮8－电动机9－光电编码器1）测量体重的荷重传感器应该选择____静态的、准确度的数值小于1/1000的____（压电/应变片/超声波）传感器，该传感器应安装在____底座的内部____部位。2）电动机与角编码器及小带轮联轴，再带动大带轮及标杆，且两根传动带外表面的线速度v处处相同。设小带轮的直径D1=79.6mm，则电动机及小带轮每转一圈，传动带及标杆就上升或下降____πD1=250____mm。3）若角编码器的参数为1024p/r，不采用细分技术，则电动机每转动一圈，光电编码器产生____1024___个脉冲。则每测得一个光电编码器产生的脉冲，就说明标杆上升或下降___250÷1024=0.244__mm。4）设标杆原位（基准位置）距踏脚平面的高度h0=2.2m，当标杆从图中的原位下移碰到人的头部时，共测得2048个脉冲，则标杆位移了___500____mm，该人的身高h=___h0-0.5____m。提示：答案必须是有现实意义的，不可能高于或低于正常的大人或小孩的高度。5）每次测量完毕，标杆回到原位的目的是____为了下一次……______。5．有一增量式光电角编码器，其参数为1024p/r，采用4细分技术，编码器与丝杠同轴连接，丝杠螺距t=6mm，如图11-29所示。当丝杠从图中所示的位置开始旋转，在5s时间里，光电编角码器后续的细分电路共产生了N=4×51456个脉冲。请列式计算：1）丝杠共转过______(4×51456)÷4÷1024=……，考虑到后面的提问，圈数取整数_____圈，又____90__度。提示：旋转的角度与时间无关。2）丝杠的平均转速n为________50.25÷5×60__（r/min）。3）螺母从图中所示的位置移动了_____50.25×t______mm。4）螺母移动的平均速度v为____301.5÷5=60.3_____mm/s，或___301.5÷5÷1000×60=3.618_______m/min。提示：工业中，直线位移的单位多数采用米每分钟（m/min）。图11-29光电编码器与丝杠的连接1－光电角编码器2－联轴器3－导轨4－轴承5－滚珠丝杠6－工作台7－螺母（和工作台连在一起）8－电动机《自动检测与转换技术》（“十四五”职业教育国家规划教材）统一书号：ISBN978-7-111-62119-5第十二章检测系统的抗干扰技术思考题与习题分析说明：填空中的“红色文字”以及分析题中的“提示”并不等于就是答案，只是给出了怎样解题的思路和分析方法，给读者一点启发。作者还在有关题目中，增加了一些新的技术和应用型知识。限于篇幅的限制，有的传感器的内容无法在本教材正文中展开来讲的，现在有了这个“思考题与习题分析”，就可以在此展开介绍，希望对读者有一点帮助。展开的知识可能有一部分超过本教材的深度，读者可以上网对照有关资料来理解和提高。希望读者看完本分析之后，就其中的疑难、错误等问题，来信与作者进行探讨，邮箱为liangsen2@126.com，上海电机学院的梁森老师以及作者团队与大家交流。谢谢大家。1.单项选择题1）测得某检测仪表的输入信号中，有用信号为20mV，干扰电压亦为20mV，则此时的信噪比为______S/N=10lgPS/PN=20loUS/UN_______。A．20dBB．1dBC．0dBD．40dB2）附近建筑工地的打桩机一开动，数字仪表的显示值就乱跳，这种干扰属于______地板也会抖一抖_______，应采取____橡胶、海绵之类的……_____措施。一进入类似我国南方的黄梅天气，仪表的数值就明显偏大，这属于_______潮气大______，应采取_____不让潮气进入____措施。盛夏一到，某检测装置中的计算机就经常死机，这属于___CPU太烫了引起的_____，应采取_____散热____措施。车间里的一台电焊机一工作，计算机就可能死机，这属于____与电焊机的闪光、振动、高温等无关____，在不影响电焊机工作的条件下，应采取____在仪表电源进线端串接……___措施。A．电磁干扰B．固有噪声干扰C．热干扰D．湿度干扰E．机械振动干扰F．改用指针式仪表G．降温或移入空调房间H．重新启动计算机I．在仪表电源进线上串接电源滤波器J．立即切断仪器电源K．不让它在车间里电焊L．关上窗户M.将机箱密封或保持微热N．将机箱用橡胶-弹簧垫脚支撑3）调频（FM）收音机未收到电台时，喇叭发出烦人的“流水”噪声，这是_____由于放大器的放大倍数很大，前级晶体管自身的工作电流引起的“噪声”叠加在有用信号上，经过多级放大___造成的。A．附近存在电磁场干扰B．固有噪声干扰C．机械振动干扰D．空气中的水蒸气流动干扰提示：调频电台（FM）电路：当调频（FM）收音机收到电台后，调频信号被放大很多倍（上千倍），基本上变成了方波。调频信号的正、负顶部的电压（噪声信号处于幅值位置）被“限幅器”所“限幅”（俗称“切顶”）。噪声信号也就被“限幅器”所“限幅”，限幅器输出的信号就是很“干净”的方波。再经过“音频鉴频器”，将调频信号“解调”成与FM信号的频率变化成正比的低频信号（音频）。晶体管所引起的噪声就这样被“滤除”了，不会出现在音频放大器中。如果调频电台的信号较小，放大后，还达不到限幅器的“限幅阈值”，叠加在电台信号顶部的噪声电压就不会得到“切除”，使用者就会在喇叭中听到较大的噪声。电台的信号越小，噪声就越大。搜索FM电台的基本过程：单片机输出一个从90MHz逐渐升高到120MHz的方波信号。经过带通滤波器，变成接近于正弦波的100mV的信号，称为“本地振荡信号”（简称“本振”）。本振接到“混频器”的发射极；天线接收到的电台信号接到“混频电路”的基极。两者在非线性的混频器电路里面就会产生“混频”，混频的结果会产生“和频”和“差频”以及它们的高次谐波。如果本振与天线所接收到的电台信号之差恰好等于混频器集电极的负载（中频变压器）一次侧的谐振频率，就能够被中频变压器的二次侧耦合到“中频放大器”去加以放大；与中频变压器的谐振频率相差很大的“和频”信号以及其他高次谐波都被中频变压器的一次侧所短路，无法耦合到中频放大电路。我国的国家标准规定，FM收音机的中频频率是10.7MHz。例如，如果本振信号逐渐扫描到114.6MHz，而天线所接收到的几十个电台中（幅值必须达到几毫伏），刚好有一个电台的频率是103.9MHz（北京市的交通台频率），它们的频率之差就恰好为10.7MHz，混频器的集电极就会产生一个10.7MHz的中频电流，它能被传输到中频放大器中，被放大上千倍，再经过“音频鉴频器”，得到所调制的语音、音乐信号。在扫描电路中，还需要将一部分中频信号加以整流，得到一个幅值大于设定值（例如1V）的直流电压，“通知”单片机“已经接收到电台了”，单片机就停止提升本振频率，使用者就能够很稳定地收听这个电台。如果本振信号扫描到114.6MHz时，不存在预想的103.9MHz的电台（例如停止广播了），单片机就继续提高本振的频率，直到遇到一个比本振低10.7MHz的电台为止。如果本振达到120MHz（最高本振），还是没有遇到“如意郎君”，单片机就从最低频率（90MHz）开始新一轮的扫描。跳台功能：如果本振信号已经遇到一个较强的电台（可以产生正确的“差频”信号，使其能够通过中频滤波和放大电路，并听到电台的广博），但使用者不想收听这个电台，就可以按一下“UP键”，单片机就继续提高本振的频率，直到遇到下一个频率更高的电台，而不再提高本振的频率。记忆功能：使用者也可以按一下“DOWN键”，单片机就降低本振的频率，直到遇到下一个频率更低的电台，就不再降低本振的频率。此外，单片机还能记住所有搜索到的电台频率（实际上是记住对应于某些电台的本振频率），以后就可以“阶跃性”地快速跳跃到这些电台的位置，供使用者选择。电台的阈值：当电台信号小于某个设定的毫伏值时，单片机就认为这个电台“不存在”，扫频电路就自动提高本振频率（俗称为“跳过去”），继续搜索其他频率更高的电台。电台信号的阈值是可以预先设定的。如果阈值设定得很小，就可以搜索到很多调频电台。但是，由于限幅器未起作用，所以伴随在微弱电台信号上的晶体管噪声（固有噪声）也就很大。如果阈值设定得很大，就仅能搜索到几个信号很强的电台。静噪功能：在扫描过程中，FM收音机会产生比较大的噪声，这是晶体管的“固有噪声”引起的。有的FM收音机电路会设置一个“静噪电路”。当没有收到电台时，暂时切断音频放大电路，在耳机或者扬声器中就听不到噪声。大家注意观察一下保安所使用的“对讲机”。有的是设定了“静噪模式”，有的没有设定“静噪模式”。如果没有进入“静噪模式”，会感觉很吵；如果进入“静噪模式”，会感觉很安静，但有可能在信号比较微弱时，静噪自动切断音频放大器的输入，造成语音断续现象（俗称“结巴”）。AM电台的搜索过程：与上述FM的搜索过程类似，只是AM收音机的中频是465kHz（国外的是455kHz）。AM收音机的收听范围是530kHz~1650kHz。对应地，AM收音机的本振频率是995kHz~2115kHz。调幅电台（AM）的AGC电路：在调幅电台的接收电路中，由于音频信号是调制在基波的幅度上的（频率只有微小的变化），所以不能使用“限幅器”。由于没有限幅功能，所以伴随在微弱调幅电台信号上的噪声也会很大。收音机的设计者通常会在AM收音机中设计一个“自动增益控制电路”（缩写AGC）。AGC能够将调幅电台被放大后的交流信号整流成为一个负的直流电压（整流电路的输入电压必须大于二极管的死区电压，0.5V）。负的AGC电压通过“非线性电路”去控制“中频放大电路”的“增益”（也就是放大倍数）。通常是将负的AGC电压接到一个工作电流很小的晶体管的基极。负的AGC电压会使晶体管的工作电流进一步减小，进入严重的非线性区，晶体管的β值就会大幅度减小。由于收音机的中频放大电路后面还要再经过“中频变压器”（中频滤波器），中频滤波器会将中频放大器的非线性引起的高次谐波滤除掉，所以AGC不会带来所要收听音乐的“非线性失真”。读者可以自行上网阅读有关调幅收音机的原理。调幅电台的信号越大，负的AGC电压也就越大，中频放大器的增益就越小，从而使晶体管产生的噪声（固有噪声）也被“压缩”。在接收到较强的调幅电台的时候，喇叭里头听到的晶体管噪声就较小，音频的“饱和失真”及“截止失真”也会减小。如果接收到的调幅电台信号较小，放大后还小于0.5V，小于二极管的死区电压，AGC电路就基本不起作用，中频放大器的增益越大，喇叭里头听到的晶体管噪声也就越大，收听效果就较差。模拟式（线性）传感器内部不应有AGC：某些模拟式（线性）传感器被设计为调幅式时（线性传感器多数是调幅式的，而不是调频式的），是不允许采用AGC电路（会自动改变传感器的放大倍数，类似于对数压缩），否则被测的非电量与传感器输出电压就不成线性关系了。4）减小放大器的输入电阻时，放大器受到的____各种干扰都会减小，但是，要求该放大器的前级电路必须是低输出阻抗型的。也就是说，需要考虑阻抗匹配。否则，当放大器的输入电阻较小时，例如75Ω时，可能会将前级电路的输出电压“拉低”，带来非线性等等的问题___。A．热干扰减小，电磁干扰也减小B．热干扰减小，电磁干扰增大C．热干扰增大，电磁干扰也增大D．热干扰增大，电磁干扰减小提示：阻抗：在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用称为阻抗。电路两端的电压与流过电路的电流（必须考虑相位关系）的比值称为该电路的“复阻抗”。如果电阻与电感、电容串联，当流过各个元件中的电流为正弦量时，则串联后的复阻抗Z=R+j(XL-XC)=R+[jωL-1(/jωC)]上式中的实部为串联电路的电阻，虚部X为串联电路的“电抗”。阻抗匹配：阻抗匹配是高频和微波电子学中一个常用概念，主要用于高频传输，使高频信号能以纯电阻性负载的形式传输至“负载点”，而不会有信号反射回到“源点”，减小了干扰。阻抗匹配也指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，从而得到最大功率输出的一种工作状态。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，负载得到的功率为最大，这种工作状态称为“匹配”，否则称为“失配”。在阻抗失配的情况下，传输线上将同时存在入射波和反射波。在输送功率较高、波长较短的情况下，电压或电流的“波腹”有可能损坏传输线的介质。阻抗匹配的程度常用“电压反射系数”来衡量。同轴电缆与有线电视信号分配器：有线电视信号的频率可达1GHz，必须使用阻抗为75Ω同轴电缆来传输电视信号。电视机的输入阻抗必须与同轴电缆的阻抗匹配（两者均为75Ω，在200m内基本与同轴电缆的线材长度无关），信号衰减才最小。若想让一根有线电视的同轴电缆接两台或更多台电视，就需要在同轴电缆末端安装“有线电视信号分配器”（“2分配器”的信号损耗大约为-4dB）。如果直接将两台或多台电视机的输入电缆并联到同轴电缆末端，则阻抗不匹配，将产生电视信号的反射和畸变，多台电视都会受到干扰（例如图像有不规则条纹、画面质量下降等）。低频电路的阻抗匹配：虽然阻抗匹配在高频电路中非常重要，但是在低频电路中，只有在信号源内阻较大时，才需要考虑负载阻抗与信号源阻抗的匹配。当功率放大器输出电路的内阻很低时，不必太在意阻抗匹配。例1：假如放大器的输出电压为10V，输出级的内阻是1Ω，则当负载为1Ω时，负载得到的输出功率为25W（P=I2R），但放大器内阻上的功耗与负载上获得的功率相等，亦为25W。阻抗是匹配了，但放大器可能会严重发热。例2：假如放大器的输出电压仍为10V，负载大于1Ω（例如3Ω），则放大器输出电流变小，导致负载得到的输出功率下降到阻抗匹配时的75%（18.75W）。放大器内阻上的功耗则下降到阻抗匹配时的25%（6.25W），功率放大器的发热降低很多。例3：假如放大器的输出电压仍为10V，负载小于1Ω（例如0.25Ω），则放大器的输出电流等于8A。但是，由于负载电阻较小，导致负载得到的输出功率下降到阻抗匹配时的64%（16W）。放大器内阻上的功耗则增大到阻抗匹配时的2.56倍（64W），发热非常严重。例4：现代集成功率放大器的内阻远小于1Ω（例如0.1Ω），若放大器的输出电压仍为10V，负载亦为1Ω，负载得到的输出功率可高达为82.6W，而放大器内阻上的功耗却很小（8.26W）。将例1、2、3、4比较，可见阻抗匹配并非理想的接法，应尽量使低频信号源的内阻降低。由于音频信号电流的波长的数值很大（例如，1kHz正弦信号电流的电磁波波长为3×105m），可以不考虑电磁波的反射和畸变。在上个世纪70年代之前（例如玻璃管制作的“电子管”时代），放大器的内阻很大，可能高达千欧数量级，负载（例如喇叭）只有几个欧姆，所以必须利用“输出变压器”进行“交流阻抗变换”。5）考核计算机的电磁兼容是否达标是指____既不干扰别人，也不受别人干扰____。A．计算机能在规定的电磁干扰环境中正常工作的能力B．该计算机不产生超出规定数值的电磁干扰C．两者必须同时具备D．两者只要具备一种即可6）发现某检测仪表机箱有麻电感，必须采取____将“绝缘漏电”引起的“漏电流"引导到earth__措施。A．接到“工作接地”或“配电系统接地”B．将机箱接大地（earth）C．抗电磁干扰D．将机箱接220V的零线（Neutral）7）发现某检测缓变信号的仪表输入端存在50Hz差模干扰，应采取____与电源无关___措施。A．提高前置级的共模抑制比B．在输入端串接高通滤波器C．在输入端串接低通滤波器D．在电源进线侧串接电源滤波器提示：对于检测缓变信号的仪表的输入端而言，50Hz干扰信号属于“高频干扰”。8）检测仪表附近存在一个漏感很大的50Hz电源变压器（例如电焊机变压器）时，该仪表的机箱和信号线必须采用___导磁的外壳，例如“铁壳”___。A．静电屏蔽B．低频磁屏蔽C．电磁屏蔽D．机箱接大地提示：有的变压器设计不合理，或者铁心安装不够紧密，会有磁力线从铁心的气隙和一次侧的没有铁心的侧面泄漏出来，通过空气形成闭合磁路。产生漏磁的电感称为漏感。漏感会使得变压器一次侧的感抗减小，交流激磁电流增大，铜耗（也称铜损）增大，变压器发热，而且交变磁场还会干扰其他带有线圈的电路，包括印制电路板的半圆弧形走线，使之产生与漏感同频率的感应电动势干扰。考虑到磁场的干扰，印制电路板不应该有半圆弧形甚至环状的走线。但是，在交通卡等非接触卡中，需要设计出多圈印制电路，以便接收主机的问答信号能量，整流之后，作为非接触卡内部芯片的电源。9）飞机上的仪表接地端必须___不可能接大地____。A．接大地B．接飞机的金属构架及蒙皮C．接飞机的天线D．接到计算机的外壳10）经常看到数字集成电路的VDD端（或VCC端）与地线之间并联一个0.01F的独石电容器，这是为了___与IC电源有关的___。A．滤除50Hz锯齿波B．滤除模拟电路对数字电路的干扰信号C．滤除印制板数字IC电源走线上的的脉冲尖峰电流D．滤除50Hz交流电压提示：数字电路的输出电压幅值较大，通常可达3~5V，而且电压的上升沿和下降沿很陡。上升和下降时间可小于1μs，可能形成很大的高频干扰。上升沿和下降沿越陡，由傅立叶转换可知，所包含的高次谐波就越多。高频干扰会产生辐射电磁波，从而干扰距离较远的模拟电路。图12-01多个奇次波与基波合成方波的示意图（在偶次谐波的位置的直线代表零电压）多个正弦波合成的动态图形链接：/wiki/File:Fourier_series_square_wave_circles_animation.gifCMOS数字集成电路的脉冲电流：CMOS数字集成电路在静态时的电源电流是很微小的（微安数量级）。但是，在CMOS数字集成电路的输出从低电平翻转到高电平，或者从高电平翻转到低电平的瞬间，CMOS数字集成电路末级的“推挽”N型和P型场效应管可能在短暂时间（大约是纳秒级）里同时导通，需要电源电路提供很大、持续时间很短的脉冲电流。该电流会在电源的内阻上会产生电压降，从而干扰其他电路。退耦：在数字集成电路（以下简称数字IC）的输出翻转的瞬间，需要有很低内阻的电源来提供瞬间大电流。最简单的方法是在电源两端并联电容器，利用电容器的放电特性来减小电源的内阻，称为“退耦”。电解电容：电解电容是由较长的铝箔绕制而成，所以有较大的电感量。在高频段，电解电容呈现出较大的感抗，不能为集成电路提供瞬间大电流。电解电容还依靠电解液来减小正负极的极距（正负极板的绝缘厚度仅相当于阳极的氧化铝膜），交流损耗较大，只适宜于工频电路的锯齿波退耦和滤波。在高频电路（或者中频逆变电路）中，多数情况下，在电解电容两端并联若干个高频特性较好的“磁介电容器”（又称独石电容）来达到退耦的目的。磁介电容器不是绕制而成，而是采用平板多层烧结工艺，只有容抗，所包含的高频感抗很小，可以为数字IC提供瞬间大电流。又由于数字IC的瞬间大电流持续的时间很短（小于10ns），只需要1000pF（0.001μF）的磁介电容就能满足“退耦”的要求。由于脉冲电流是从数字IC的电源端流入，从数字IC的地线端流出，为了减小数字IC脉冲电流对外电路的影响，应该在数字IC的电源端与地线端就近并联磁介电容器，而不应该将磁介电容器焊接在远离数字IC电源端的位置。如果数字IC的印刷电路板是“多层板”，需要将磁介电容器就近焊接在距离数字IC附近，尽量降低“电源层”和“接地层”的高频阻抗。模拟电路对数字电路的干扰：除非是功率放大器，模拟电路的输出电压和电流均较小，不容易干扰输入阈值大于1V的数字式集成电路。还因模拟电路的输出多数是低频信号，甚至是直流电，不太会产生高频的高次谐波，因而不会产生辐射和干扰。11）光耦合器（也称光电耦合器）是将__*__信号转换为__*__信号再转换为__*___信号的耦合器件。A．光→电压→光B．电流→光→电流C．电压→光→电压提示：“光耦合器”也称“光电耦合器”，简称“光耦”。其本质不是光学器件（光耦合的含义是：实现对同一波长的光功率进行“分路”或“合路”），也不是“光导纤维耦合器”，是一种依靠红外LED将电流信号变成红外线光信号，再由光敏晶体管变为与红外LED“隔离”的电流信号电器元件（电→光→电转换器件）。在工程中，常将这类电子器件称为“光电耦合器”，而不称其正规名称——“光耦合器”（有可能与光导纤维的器件相混淆）。图12-24光耦示意图a）管形轴向封装剖面图b）贴片封装剖面图c）图形符号d）双列直插封装外形1－发光二极管2－输入引脚3－输出引脚4－金属外壳5－光敏元件6－不透明玻璃绝缘材料7－气隙8－黑色不透光塑料外壳9－透明树脂10－红外线12）在图12-25a中，流过R1、R2的电流较小，R1、R2的功耗小于1/4W。若将接在380V上的R1、R2换成1/4W，会出现______击穿____问题；若VD1开路，将使光耦中的VL1在电源的负半周_____击穿______；图12-25b中，若IC1的1、2脚与3、4脚走线靠得太近，会出现_______也是同一个______问题；A．烧毁B．信号减小C．击穿D．开路图12-25光耦用于强电信号的检测、隔离

a）电路b）对应的印制电路板13）在图13-9中（是第13章的图），当现场开关S（例如行程开关）闭合时，___VL1、VL3有电流，V1导通，Ui为高电平，经IC2翻转为低电平，+5V电压经R4，流经VL4，……_______。A．VL1亮，Ui为高电平，VL4亮B．VL1暗，Ui为高电平，VL4暗C．VL1亮，Ui为低电平，VL4亮D．VL1暗，Ui为低电平，VL4暗图13-9开关量光耦输入电路1－现场开关盒2－传输线3－电源4－光耦提示：如果忽略5.1kΩ的旁路作用，流入光耦的红外发光二极管的电流：ID=(Ui-UVL1-UVL2)÷(R1+R2)=(24V-1.7V-1.2V)÷(3kΩ+3kΩ)=3.5mA。如果光耦的光敏晶体管饱和，流过光敏晶体管V1的电流：IV1=(VCC-UV1CES)÷RE=(5V-0.3V)÷5.1kΩ≈0.9mA。2．在一个热电动势放大器的输入端，测得热电势为10mV，差模交流（50Hz）干扰信号电压有效值为1mV。1）求施加在该输入端信号的信噪比。2）要采取什么措施才能提高放大器输入端的信噪比？提示：1）求施加在该输入端信号的信噪比：S/N=10lgPS/PN=20loUS/UN，绝对不是等于“1:1”。2）要采取什么措施才能提高放大器输入端的信噪比：由于该干扰属于差模交流（50Hz）干扰（也称“串模干扰”），所以无法利用“高抗共模抑制比放大器”来减小干扰，而应该在放大器的输入端串联一个“低通滤波器”，其转折截止频率可以为50Hz的1/5（10Hz），甚至更低。如果被测热电动势的变化非常缓慢，可以采用低于1Hz的低通滤波器。3．在图12-27中，设光耦中的红外发光二极管的管压降为1.2V，即UVL1=1.2V，NPN晶体管输出传感器的饱和压降UOUT=0.3V，光敏晶体管的饱和压降UV1=0.3V，光敏晶体管的集电极电阻RC=1.2k，光耦的限流电阻R1=3k，求：在有金属物体靠近接近开关时的IVL1、UC及IV1。图12-27接近开关与光耦的连接电路提示：在有金属物体靠近接近开关时，流过光耦中的红外发光二极管的电流：IVL1=(VCC1-UVL1-UOUT)/R1=(24V-1.3V-0.3V)/3kΩ=……mA光耦中的光敏晶体管的集电极对地饱和压降：UC=0.3V光耦中的光敏晶体管的集电极（或发射极）对地饱和电流：IV1=(VCC1-UC)/RC=(5V-0.3V)/1.2kΩ=3.9mA4．某检测系统由热电偶和放大器A/D转换器、数显表等组成，如图12-28所示。请指出与接地有关的错误之处并画出正确的接线图。图12-28热电偶测温电路接线图改错提示：图12-28存在两大错误：1）共阻抗耦合干扰：图12-28中，数码显示器的模拟量输入Ui的负极属于“模拟地线”（简称模拟地），而电源5V的负极属于“数字地线”（简称数字地）。数字地有较大的电流“流出”，可能会在一小段“共用地线”的内阻上产生微小的压降，这个压降“叠加”在数码显示器的模拟输入Ui上，会造成所显示的数字的“跳变”，称为“共阻抗耦合干扰”。干扰的过程分析如下：由于数字地的电流与所显示的“段”有较大的关系，而“段”是随着所显示的数字而变化的，所以“段电流”也是会随机跳变的，“共用地线”的内阻上产生的微小压降也随之跳变。图12-28所示的数字显示器的分辨率为1/999≈0.1%，只要“共用地线”内阻上的压降有千分之一的变化，数字显示器所显示的最后一位数字就会跳动。而且段电流与Ui相互影响，会使显示值跳动不止。当数码管是LED时，“段电流”约有几毫安以上，共阻抗耦合干扰会涉及数码显示器倒数第二位的示值，使数字显示器失去实用价值。2）大地电位差干扰：大地电位：工业中，通常将大地的电位当作零电位。这是因为导电的地球质量很大，相当于一个很大的电容，即使外界（例如闪电）往地球加进去很多电荷，也不会使大地的电位发生显著的变化。虽然地球与月球或其他天体有不同的电位，但由于我们生活在地球上，我们可以将地球当作参考物，视其为零电位。地壳表层（离地表几百米以内）有大量水的存在，很多可溶性盐溶解在水里，就形成导体。从广义看，地球的表层是一个等电位的导体。但是大地的导电性并不好。干燥的土壤、岩石都不是导体。从发电厂的地线和你家的地线之间不是以大地为导体连接的。接地电阻：工业中，要求设备的“接地电阻”等于零是不可能的。根据国家有关电气规范，要求“交流工作地”、“安全保护地”、“逻辑工作地”、“电源避雷器接地”、“信号避雷器接地”、“静电接地”、“屏蔽接地”、“天线基座接地”、“金属屏蔽层接地”等的电阻小于4Ω，重要场合要求接地电阻小于1Ω。如果一个变电站的地基是一大块花岗岩，就必须打井一百多米，到达地下水层，才能符合接地的电气规范要求。大地电位差：如果某一电器设备对地有较大的漏电流，则以漏电点为圆心，在很大的一个范围内，电位沿半径方向向外逐渐降低。图12-17给出了漏电设备产生“跨步电压”的示意图。接地电阻越小，跨步电压就越小。假设电气设备A的“U相”对地漏电，而电气设备B的“V相”对地漏电，则在它们附近的其他设备的接地棒之间就存在较大的电位差，我们将它称为“大地电位差”。有的地方大地电位差只有几十毫伏；而在工业现场，由于电气设备很多，大地电流十分复杂，所以大地电位差有时可能高达几百毫伏，甚至几伏。图12-17跨步电压及大地电位差若将传感器及二次仪表的零电位参考点的安装地点分别接各自的大地，则可能在二次仪表的输入端测得较为可观的50Hz干扰电压。大地环流：在图12-28中，热电偶的接地点为G1，热电动势放大器的接地点为G2，两点之间就存在不稳定的50Hz大地电位差。如果将G1接到屏蔽层（屏蔽线外层）的左端，将G2接到屏蔽层的右端，由于屏蔽层的电阻值很小，就会在屏蔽层上产生较大数值的“大地环流”，并在屏蔽层上产生降压。这个降压对放大器而言，相当于在输入端串联了一个50Hz的差模干扰电压，经放大后得到一个相当可观的干扰，会导致测量数据跳动不止。屏蔽层正确的接地方法：屏蔽层可以接传感器端的大地，也可以接仪表端的大地，但左右两侧不能够同时接不同的大地（称为“一点接地”）。在图12-28中，由于“传感器侧”的屏蔽层已经被传感器生产商接到传感器的外壳了，又由于多数传感器的外壳是必须接大地的，为了防止屏蔽层“两端接地”，“仪表侧”的屏蔽层最好是什么也不接（俗称“荡空”）。5．图12-30为电力助动车充电电压检测电路，电路中的线性光耦既可以传输充电电压信号，又能将220V有危险性的强电回路与计算机回路隔离开来。请指出与接地有关的错误，并画出正确的接线图。图12-29电力助动车充电电压检测电路改错提示：图12-29存在两大错误：1）光耦的接地错误：该电路的光耦输入侧（红外发光二极管侧）是与220V充电器连接的，有带电的可能。利用光耦，既能够将正在充电的蓄电池端电压按设定的比例传送到测量回路的单片机里，又能够将220V强电回路与单片机弱电回路隔离开来，提高了测量的安全性。在图12-29中，错误地将弱电的地线GND3与强电的地线GND2连接在一起，就可能将强电引入到弱电回路，引起触电事故。2）光耦的电源错误：在图12-29中，错误地将弱电的电源VCC2与强电的电源VCC1连接在一起，就可能将强电引入到弱电回路，引起触电事故。3）强电回路的外壳不能与零线短路：需要注意的还有，千万不能给将220V充电器的外壳（GND1）接到220V的零线，而需要真正地接大地，才能保证安全。如果存在外壳与零线短路，可能会造成“漏电保护器”跳闸。6．图12-30a、b分别为三菱和西门子PLC的输入接口电路示意图，请回答以下问题：1）无源输入电路和有源输入电路有何区别？2）请参考图4-16、图4-17，说明什么是NPN常开、PNP常开和PNP常闭传感器？3）分析开关S0闭合后，两类PLC的电流途径，以及X0或I0.0信号灯与输入信号之间的关系。4）说明光耦在PLC的输入接口电路中使用的意义。图12-30两种PLC的传感器输入接口电路示意图a）低电平有效无源输入电路b）高电平有效有源输入电路1）无源输入电路和有源输入电路的区别：电子学中的“有源元件”与“无源元件”：在电子学中，不需要外加电源就能正常工作的电子元件属于无源元件，例如电阻、电容、电感、触点开关等；需要外加电源才能正常工作的电子元件属于有源元件，例如二极管、晶体管、场效应管以及由上述元件组成的集成电路等。电气领域的“有源”与“无源”的含义：在电气领域，“有源”与“无源”的含义与电子学不太一致。例如，具有“内置放大器”，需要接220V电源（或12V蓄电池）才能工作的音箱称为“有源音箱”；内部有晶体管放大器的蜂鸣器称为“有源蜂鸣器”；用集成电路与RC（或LC）元件组成的电子滤波器称为“有源滤波器”；需要提供电源才能工作的隔离电路称为“有源隔离电路”……综上所述，有源的含义大都与“需要外界提供电源”有关。PLC简介：PLC（ProgrammableLogicController）是一种可编程逻辑控制器，专为在工业环境中应用而设计。其内部存储有程序，能够执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出，控制各类机械或生产过程。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间可达数万小时，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。PLC的输入/输出接口：PLC的输入接口电路把外部设备（如开关、按钮、传感器）的状态或信息读入CPU，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出接口，传递给执行机构（如电磁阀、继电器、接触器等）。在输入接口电路中，一般均配有光耦和阻容滤波等电路，以实现外部现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和电平转换。PLC的输出接口分为“交流输出接口”（晶闸管型MT，1ms）、“直流输出接口”（晶体管型MS，0.1ms）、“交直流输出接口”（继电器型MR，10ms）。PLC的“有源”、“无源”输入：PLC的输入电路有多种，例如“交流输入电路”、“低电平有效无源输入电路”、“低电平有效有源输入电路”、“高电平有效无源输入电路”、“高电平有效有源输入电路”等。PLC输入端的所谓“有源”和“无源”，是按照输入元件是否需要接到外接电源来划分的。“有源电路”的输入元件需要外接24V电源，对于高电平有效的传感器而言，+24V电源（M端）是输入元件的公共端。“无源电路”不需要外接24V电源。对于低电平有效的传感器而言，PLC的地线（COM端）是公共端。以上论述，这与电子学里面的“有源”、“无源”的概念有较大的不同。图12-30a的输入端电流流向分析：在图12-30a中，NPN常开型传感器（低电平有效）相当于一个接地的“按键开关”。PLC内部的24V电源经过续流电阻以及PLC内部的输入光耦，再经过PLC的输入端子（接口），流到PLC外部的NPN常开型传感器集电极，再到发射极，最终流入到PLC的公共地线COM端。如果该NPN常开型传感器处于“有效状态”，该传感器的集电极对地导通，PLC输入端子内部的光耦就可以得到较大的电流（例如5mA以上），PLC就认为这个接线端子处于“有效状态”，PLC就按照程序设定的任务，完成设定的操作。在图12-30a中，如果NPN常开型传感器的集电极与发射极之间为高阻态，PLC内部对应的光耦就得不到驱动电流，PLC就认为该输入端子处于“无效状态”。图12-30b的输入端电流流向分析：在图12-30b中，PNP常开型传感器（高电平有效）相当于一个接到外部+24V的“按键开关”。外部+24V电源经过PNP常开型传感器的集电极，再到发射极，流入到PLC接线端子，经PLC内部的限流电阻，再到PLC内部的输入光耦（如果是“双向光耦”，就可以响应“交流电流输入”），流入PLC的COM端。如果该PNP常开型传感器处于“有效状态”，该传感器的集电极对发射极是导通的，PLC输入端子内部的光耦就可以得到较大的电流（例如5mA以上），PLC认为这个接线端子处于“有效状态”，PLC就按照程序设定的任务，完成设定的操作。如果PNP常开型传感器的集电极与发射极之间为高阻态，PLC内部对应的光耦得不到驱动电流，PLC就认为该输入端子处于“无效”状态。总结：对于PLC的输入端子，判断PLC的输入是“有源”、“无源”的最基本区别是：需要或不需要给传感器提供额外的24V电源（不是指传感器自己配套的工作电源），可以完全不理睬电子学中的有源、无源元件的定义。2）请参考图4-16、图4-17，说明什么是NPN常开、PNP常开和PNP常闭传感器：图4-16典型三线制接近开关的原理、接线及特性a）三线制接近开关原理框图b）NPN、OC门常开型继电器输出电路c）NPN型接近开关的迟滞特性图4-17工件的定位与计数a）接近开关的安装位置b）感辨头及调幅式转换电路c）PNP型接近开关的动作滞差特性1－加工机床2－刀具3－导电工件4-加工位置5－减速接近开关6－定位接近开关7－传送机构8－计数器-位置控制器开关型传感器按输出方式的分类：开关型传感器常见的输出型式有4种：NPN常开型、NPN常闭型、PNP常开型、PNP常闭型。常开型传感器：“常开”是指在“平常状态”下，OUT端（信号的输出端）为“断开”；在“动作状态”下，信号的OUT端为“闭合”。NPN开关型传感器：NPN开关型传感器采用NPN晶体管作为传感器的输出级。其特征是：集电极相对于发射极为正电压。多数NPN型晶体管是接成“共发射极”电路，也就是发射极接地，集电极通过负载电阻或继电器接到正电源，所以NPN型晶体管组成的“共发射极”电路在“饱和状态”时的输出是低电平（相当于对地短接），可以驱动继电器等负载。NPN开关型传感器的优点是：即使将OUT端对地短路，也不会烧毁输出级的晶体管。NPN常开型传感器：NPN常开型传感器也称为“NPN-NO”，其末级晶体管的发射极接地。在“平常状态”下的输出为高阻态，OUT端相当于开路；在“动作状态”下，OUT端为低电平，相当于对地短路，是工业中最常用的一种开关型传感器。常闭型传感器：“常闭”是指在“平常状态”下，OUT端为“闭合”；在“动作状态”下，信号的OUT端为“断开”。NPN常闭型传感器：NPN常闭型传感器也称为“NPN-NC”，其末级晶体管的发射极接地。在“平常状态”下的输出为低电平，OUT端相当于对地短路。在“动作状态”下，输出为高阻态，OUT端相当于对地开路。PNP开关型传感器：PNP开关型传感器采用PNP晶体管作为传感器的输出级。其特征是：发射极相对于集电极为正电压。多数PNP开关型传感器的末级是接成“共集电极电路”。发射极接到正电源，而集电极通过负载电阻或继电器接地，所以PNP型晶体管组成的共集电极电路在“饱和状态”时的输出是高电平（相当于与正电源短接），可以驱动继电器等负载。PNP传感器的缺点是：如果误将OUT端对地短路，会烧毁输出级晶体管。PNP常闭型传感器：PNP常闭型传感器也称“PNP-NC”。在“平常状态”下，OUT端为高电平，可以驱动继电器等负载；在“动作状态”下的输出为高组态。PNP常开型传感器：PNP常开型传感器也称“PNP-NO”。在“平常状态”下，OUT端为高阻态，相当于开路，无法驱动继电器；在“动作状态”下的输出为高电平，继电器动作。常见的几种开关型传感器的接线方式如图12-02所示，使用者可以根据实际需要选用不同的电路。图12-02开关型传感器的6种接线方式a）NPN型常开二线制b）PNP型常闭二线制c）NPN型常开三线制d）PNP型常开三线制e）NPN型常开、常闭四线制f）PNP型常开、常闭四线制3）分析开关S0闭合后，两类PLC的电流途径，以及X0或I0.0信号灯与输入信号之间的关系：图12-30a低电平有效无源输入电路①在图12-30a中，开关S0闭合后，有电流从内部的24V经VL1、VLX0（信号灯）和限流电阻流出X0端子，再经开关S0流到COM端，X0信号灯亮。图12-30b高电平有效有源输入电路②在图12-30b中，开关S0闭合后，有电流从外部的24V电源经S0流入IO.0端子，再经限流电阻、VL1、VLIO0（信号灯）流到COM端，IO.0信号灯亮。4）说明光耦在PLC的输入接口电路中使用的意义：光耦在PLC的输入接口电路中起到隔离、抗干扰和电平转换的作用。①隔离作用：当外电路与强电回路存在漏电时，传感器的信号仍然可以通过光耦传送到PLC，但PLC内部的微处理器却是安全的（与强电回路不导通）。②抗共模干扰作用：当传感器的传输线附近有很大的电磁干扰时，传输线就可能感应到较大的干扰电压。但是，由于两根传输线上的干扰的幅度与相位基本相同（称为“共模干扰”），在光耦的红外发光二极管上无法产生干扰电流，就起到了抗共模干扰作用。如果共模干扰转变成“差模干扰”，光耦就起不到抗干扰作用。③抗接地系统混乱干扰：PLC的地线包括“系统地”、“屏蔽地”、“交流地”、“保护地”以及“传感器地”，各个接地点电位分布不一定相同。若不同接地点之间存在“地电位差”，就可能引起“接地环路电流”，可能影响PLC系统正常工作。如果在PLC的输入端设置了光耦电路，就切断了一部分接地环路，减小了干扰。④电平转换作用：如果传感器电路的高/低电平是0/24V，但PLC内部的微处理器的高/低电平却是0/3.3V，如果没有光耦，两者之间就无法传递信号。设置了光耦后，只要光耦的输入电流达到设定值（本题中大于5mA），PLC内部的微处理器就认为在该输入端子得到了一个高电平信号。《自动检测与转换技术（“十四五”职业教育国家规划教材）统一书号：ISBN978-7-111-62119-5第十三章检测技术的综合应用思考题与习题分析说明：填空中的“红色文字”以及分析题中的“提示”并不等于就是答案，只是给出了怎样解题的思路和分析方法，给读者一点启发。作者还在有关题目中，增加了一些新的技术和应用型知识。限于篇幅的限制，有的传感器的内容无法在本教材正文中展开来讲的，现在有了这个“思考题与习题分析”，就可以在此展开介绍，希望对读者有一点帮助。展开的知识可能有一部分超过本教材的深度，读者可以上网对照有关资料来理解和提高。希望读者看完本分析之后，就其中的疑难、错误等问题，来信与作者进行探讨，邮箱为liangsen2@126.com，上海电机学院的梁森老师以及作者团队与大家交流。谢谢大家。1．单项选择题1）图13-10所示的结构方式属于____使用了工控机，带有键盘、存储器、输入输出接口等_____；而图13-11所示的结构方式属于____使用了单片机或微处理器、人机对话设备、模拟量及数字量输入和输出接口等_____；一个现代化电厂的检测、控制系统应该采用_____有许多台计算机组成测控系统____。A．个人仪器B．智能仪器C．自动检测系统D．DCS图13-1智能传感器的硬件结构图图13-2个人仪器的硬件结构框图图13-10隧道窑计算机检测控制系统框图图13-11智能化流量积算仪单片机接口电路原理框图图13-3自动测试系统的原理框图2）在计算机的检测系统中，对多个传感器送来的信号分时、快速轮流读取采样方式称为____巡回检测______。A．抽样检测B．快速检测C．数字滤波D．巡回检测3）CMOS模拟开关的缺点是_____继电器的动合触点不易击穿，但动作速度慢；半导体的耗电少，速度快，但击穿电压比较低_____。A．速度慢B．耗电大C．集成度低C．易击穿4）欲测量动态应力，应选用___双积分型和串行A-D转换器（过去也称A/D转换器）完成一个转换周期比较花费时间____A-D转换器。A．逐位比较型B．双积分型C．串行5）某带计算机的检测系统对32路模拟信号进行巡回检测，共需____25_____根地址选通线。A．32B．3C．8D．52．图13-4c所介绍的干簧管还可用于位置检测，如图13-37（或13-01）所示。当干簧管与永久磁铁靠得较近（例如3mm左右）时，干簧管中的两根簧片被磁化，镀金触点处的极性恰好相反，异性相吸而接通，KA得电。当图13-37（或13-01）中的隔磁板（软铁片）向下运动，到达干簧管与永久磁铁之间时，KA失电。请说明：1）KA失电的原因。2）如将该装置用于电梯平层，请说明隔磁板、电梯平层感应器与电梯轿厢、巷道之间的安装关系。3）除了电梯平层外，请举两个例子说明干簧管还能在哪些场合起位置检测作用。图13-01平层感应器在电梯平层中的应用a）平层感应器基本原理b）平层感应器与隔磁板的侧视图c）隔磁板插入平层感应器时的状态d）轿厢顶部（底部）的平层感应器与隔磁板的关系1－干簧管玻壳2－铁磁性簧片3－镀金触点4－安装在电梯巷道壁的隔磁板a5－永久磁铁6－安装在轿厢顶部的平层感应器a7－隔磁板插槽b8－安装在轿厢顶部的平层感应器b9－安装在电梯巷道壁的隔磁板b10－安装在轿厢底部的平层感应器11－电梯巷道壁1）KA失电的原因：当图13-01中的隔磁板（软铁片）向下运动，到达干簧管与永久磁铁之间时，从永久磁铁的N极发出的磁力线顺着导磁性较好的隔磁板传送到永久磁铁的S极，形成闭合磁路。磁力线不再（或减少）通过干簧管，所以干簧管内部的触点之间的吸合力小于复位弹力而断开，与干簧管串联的继电器就得不到驱动电流，所以继电器就……2）如将该装置用于电梯平层，请说明隔磁板、电梯平层感应器与电梯轿厢、巷道之间的安装关系：①先分析电梯轿厢向上运动（称为“上行”）的检测和控制过程：将第1套“电梯平层感应器”（带有外壳的干簧管与永久磁铁组件，两者的间隙约为20mm），安装在电梯轿厢外部的顶部外侧。第2套平层感应器安装在第1套感应器的下方约300mm的位置，两者的气隙轴线处于一条线上。在巷道的适当位置固定一片隔磁板1（每一层都有几个隔磁板，起不同的平层作用，每一个隔磁板的典型长度为250mm），其轴线与感应器1、2的气隙对准。当电梯轿厢向上运动，第1套感应器的气隙进入隔磁板1的下部边缘时，隔磁板隔断了干簧管1的磁力线，感应器1输出高阻态，PLC使电梯减速，进入“125mm爬行”；当第2套感应器的气隙也进入隔磁板1的下部边缘时，隔磁板隔断了干簧管2的磁力线，感应器2输出高阻态，PLC使电梯刹车停