《传感器与自动检测技术习题参考答案余成波 .doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与自动检测技术习题参考答案余成波 .doc（38页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第三章习题参考解3.1 电阻式传感器有哪些重要类型？答：常用的电阻式传感器有电位器式、电阻应变式、热敏效应式等类型的电阻传感器。3.2 说明电阻应变片的工作原理。它的灵敏系数K与应变丝的灵敏系数K有何差别，为什么？答：金属电阻应变片的工作原理是利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。它的灵敏系数K是指把单位应变所引起的电阻相对变化，即由部分组成：受力后由材料的几何尺寸变化引起的；由材料电阻率变化引起的。应变丝的灵敏系数K为，指与材料本身的弹性模量有关。3.3 金属电阻式应变片和半导体电阻应变片在工作原理上有何不同？答：金属电阻应变片的工作原理是利用金属材料
2、的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。3.4 假设电阻应变片的灵敏度K=2，R=120。问：在试件承受时，电阻变化值R=？若将此应变片与2V直流电源组成回路，试分别求取无应变时和有应变时回路的电流。解：因为，故有无应变时回路电流为 有应变时回路电流为 3.5 题3.5图所示为一直流电桥，供电电源电动势，和 为相同型号的电阻应变片，其电阻均为，灵敏度系数K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为5
3、000，试求此时电桥输出端电压。解：根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉，一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电桥的相邻臂上，如题3.5图所示。该电桥输出电压为题3.5图因为,则得 V3.6 哪些因素引起应变片的温度误差，写出相对误差表达式，并说明电路补偿法的原理。答：产生电阻应变片温度误差的主要因素有电阻温度系数的影响和试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。由温度变化引起应变片总电阻的相对变化量为（分别为温度为和时的电阻值；为金属丝的电阻温度系数；为变化的温度差值；分别为电阻丝和试件线膨胀系数。）最常用、最有效的电阻应变片温度误差补偿方法是电桥补偿法，其原理如图所示。根
4、据电路分析，可知电桥输出电压与桥臂参数的关系为即是由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由此可知，当为常数时，对电桥输出电压的作用效果相反。利用这一关系即可对测量结果进行补偿。3.7 根据电容式传感器的工作原理说明它的分类，电容式传感器能够测量哪些物理参量？答：以平板式电容器为例（如图3.9所示），它主要由两个金属极板、中间夹一层电介质构成。若在两极板间加上电压，电极上就贮存有电荷，所以电容器实际上是一种贮存电场能的元件。平板式电容器在忽略其边缘效应时的电容量可用下式表示：式中：S电容器两极板遮盖面积(m2)； 介质的介电常数(Fm)； r介质的相对介电常数；0真空的介电常数(8.85102Fm)；
5、极板间距离(m)。由式可知，若三个变量中任意两个为常数而改变另外一个，电容量就发生变化，根据这个原理电容传感器分为变极距型、变面积式、变介质式三种类型。它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。3.8 电容传感器的测量电路有哪些？叙述二极管双T型交流电桥工作原理。答：与电容式传感器配用的测量电路很多，常用的有二极管双T型交流电桥电路、调频振荡电路、运算放大器式电路和脉冲调宽型电路等几种。二极管双T型交流电桥如图（a）所示，高频电源e提供幅值为E的方波，如图（b）所示，为两个特性完全相同的二极管，、为传感器的两个
6、差动电容。1）当传感器没有输入时（）电路工作原理：当电源e为正半周时，导通、截止，即对电容充电，其等效电路如图（c）所示。然后在负半周时，电容上的电荷通过电阻、负载电阻放电，流过负载的电流为。在负半周内， 导通、截止，即对电容充电，其等效电路如图（d）所示。随后出现正半周时，通过电阻、负载电阻放电，流过负载的电流为。 根据上述条件，则电流，且方向相反，在一个周期内流过的平均电流为0。2）当传感器有输入时（），此时，上必定有信号输出，其输出在一个周期内的平均值为（式中为电源频率）在已知的情况下，上式可改为（式中）由此式可知：输出电压不仅与电源电压的幅值和频率有关，也与T型网络中的电容、的差值的有
7、关。当电源确定后（即电源电压的幅值E和频率确定），输出电压就是电容、的函数。3.9 推导差动式电容式传感器的灵敏度，并与单极式电容传感器相比较。答：推导过程参见教材P57页。平板型差动电容传感器的灵敏度为：平板型改变极距的线位移传感器的灵敏度为：由以上分析可知，差动式电容传感器与非差动式传感器相比，灵敏度可提高1倍，且非线性误差也可有所减小。3.10 有一个直径为2m、高5m的铁桶，往桶内连续注水，当注水数量达到桶容量的80%时就应当停止，试分析用电阻应变片式或电容式传感器系统来解决该问题的途径和方法。解：将4片特性相同的电阻应变片对称地贴在圆筒外表面（如图所示），并将4片应变片接成全桥形式。
8、然后，由此装置测量出注水数量达到桶容量的80%时，给出一个停止注水的信号。采用电容式传感器时，在圆筒上下表面各固定一个极板（如图所示）。当在固定两极板之间加入空气以外的液体介质时，电容量也随之变化。忽略边界效应，假设空气相对介电常数为，液体介质相对介电常数为，电容量为假设两极板间距离为，则，电容量为：由式可得，当极板面积和极板间距一定时，电容量大小和被测液体材料的厚度和被测液体材料的介电常数有关。然后，由此装置测量出注水数量达到桶容量的80%时，给出一个停止注水的信号。3.11 试设计电容式差压测量方案，并简述其工作原理。答：电容式差压测量方案其结构原理如图所示。当动极板移动后，C1和C2成差
9、动变化，即其中一个电容量增大，而另一个电容量则相应减小，这样可以消除外界因素所造成的测量误差。在零点位置上设置一个可动的接地中心电极，它离两块极板的距离均为，当中心电极在机械位移的作用下发生位移时，则传感器电容量分别为：若位移量很小，且，上两式可按级数展开，得：电容量总的变化为：电容量的相对变化为：略去高次项，则与近似成线性关系：3.12 电感式传感器有几大类？各有何特点？答：根据电感的类型不同，可分为自感系数变化型和互感系统变化型两类。要将被测非电量的变化转化为自感的变化，在线圈形状不变的情况下可以通过改变线圈匝数N使得线圈的自感系数产生变化，相应的就可制成线圈匝数变化型自感式传感器。要将被
10、测量的变化转变为线圈匝数的变化是很不方便的，实际极少用。当线圈匝数一定时，被测量可以通过改变磁路的磁阻的变化来改变自感系数。因此这类传感器又称为可变磁阻型自感式传感器。根据结构形式不同，可变磁阻型自感式传感器又分为气隙厚度变化型、气隙面积变化型和螺管型三种类型。具有如下几个特点:(1)灵敏度比较高，目前可测的直线位移，输出信号比较大、信噪比较好；（2）测量范围比较小，适用于测量较小位移；（3）存在非线性；（4）功耗较大；（4）工艺要求不高，加工容易。互感式传感器则是把被测量的变化转换为变压器的互感变化。变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则互感应出电势。由于变压器的次级线圈常接成差动形式，故又
11、称为差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多，但其工作原理基本一样，下面仅介绍螺管形差动变压器。它可以测量的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点，因此也被广泛用于非电量的测量。3.13 什么叫零点残余电压？产生的原因是什么？答：螺管形差动变压器结构如图所示。它由初级线圈P、两个次级线圈S1、S2和插入线圈中央的圆柱形铁芯b组成，结构形式又有三段式和两段式等之分。 差动变压器线圈连接如图所示。次级线圈S1和S2反极性串联。当初级线圈P加上某一频率的正弦交流电压后，次级线圈产生感应电压为和，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关。反极性连接便得到输出电压。当铁芯位于线圈中心
12、位置时，； 当铁芯向上移动（如图（c）时，M1大，M2小； 当铁芯向下移动（如图（c）时，M1小，M2大。铁芯偏离中心位置时，输出电压随铁芯偏离中心位置，或逐渐加大，但相位相差，如图所示。实际上，铁芯位于中心位置，输出电压并不是零电位，而是Ux，Ux被称为零点残余电压。零点残余电压的产生原因：（1）传感器的两个二次绕组的电气参数与几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电动势幅值不等、相位不同，构成了零点残余电压的基波；（2）由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞），产生了零点残余电压的高次谐波（主要是三次谐波）；（3）励磁电压本身含高次谐波。3.14 题3.14图所示是一种差动整流的电桥电路，
13、电路由差动电感传感器、以及平衡电阻、（）组成。桥的一个对角线接有交流电源，另一个对角线为输出端。试分析该电路的工作原理。U0Ui解：由图可得：即，此时电桥的输出电压为由于电路由差动电感传感器、以及平衡电阻、（）组成，即有：，则有：即有：3.15 影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？答：(参见课本P67)传感器的灵敏度为：故灵敏度与衔铁最初居中两侧初始电感为和衔铁有位移有关。3.16 在膜厚传感器上，厚度越大，线圈的自感系数是变大还是变小？答：线圈的自感系数是变小。3.17 电涡流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响？它的主要优点是什么？答：电涡流式传感器原理结构如图所示。它由传感器
14、激励线圈和被测金属体组成。根据法拉电磁感应定律，当传感器激励线圈中通以正弦交变电流时，线圈周围将产生正弦交流磁场，使位于该磁场中的金属导体产生感应电流，该感应电流又产生新的交变磁场。新的交变磁场的作用是为了反抗原磁场，这就导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗（其中：为被测体的电阻率；为被测体的磁导率；为线圈与被测体的尺寸因子；为线圈中激磁电流的频率；为线圈与导体间的距离）。由此可见，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应，与以上因素有关。它主要特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，还具有体积小、灵敏度高、频带响应宽
15、等特点。3.18 什么是压电效应？以石英晶体为例说明压电晶体是怎样产生压电效应的？答：当某些物质沿其一定方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。为了直观地了解石英晶体压电效应和各向异性的原因，将一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z 轴的xy平面上的投影，等效为图中的正六边形排列。图中阳离子代表Si4离子，阴离子代表氧离子2O2。当石英晶体未受外力作用时，带有4个正电荷的硅离子和带有22个负电荷的氧离子正好分布在正六边形的顶角上，形成3个大小相等，互成120夹角的电偶极矩P1、P
16、2 和P3，如图（a）所示。P = ql，q为电荷量，l为正、负电荷之间距离。电偶极矩方向从负电荷指向正电荷。此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1P2 P3 = 0，电荷平衡，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，将产生压缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重合，如图(b)所示。硅离子（1）被挤入氧离子（2）和（6）之间，氧离子（4）被挤入硅离子（3）和（5）之间，电偶极矩在x轴方向的分量（P1P2 P3）x0，结果表面A上呈负电荷，B面呈正电荷；如果在x轴方向施加拉力，结果A面和B面上电荷符号与图（b）所示相反。这种沿
17、x轴施加力，而在垂直于x轴晶面上产生电荷的现象，即为前面所说的“纵向压电效应”。当石英晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体如图（c）所示变形。电偶极矩在x轴方向的分量（P1P2 P3）x0，即硅离子（3）和氧离子（2）以及硅离子（5）和氧离子（6）都向内移动同样数值；硅离子（1）和氧离子（4）向 A，B面扩伸，所以C，D面上不带电荷，而A，B面分别呈现正、负电荷。如果在y轴方向施加拉力，结果在A，B表面上产生如图（c）所示相反电荷。这种沿y轴施加力，而在垂直于x轴的晶面上产生电荷的现象被称为“横向压电效应”。当石英晶体在z轴方向受力作用时，由于硅离子和氧离子是对称平移，正、负电荷中心始终保持重
18、合，电偶极矩在x，y方向的分量为零。所以表面无电荷出现，因而沿光轴(z)方向施加力，石英晶体不产生压电效应。图表示晶体切片在x 轴和y轴方向受拉力和压力的具体情况。图 (a)是在x轴方向受压力，图 (b)是在x轴方向受拉力，图(c)是在y轴方向受压力，图 (d) 是在y轴方向受拉力。如果在片状压电材料的两个电极面上加以交流电压，那么石英晶体片将产生机械振动，即晶体片在电极方向有伸长和缩短的现象。这种电致伸缩现象即为前述的逆压电效应。3.19 压电式传感器能否用于静态测量？为什么？答：可以用于静态测量。因为压电式传感器是以具有压电效应的元件作为转换元件的有源传感器，它既可以把机械能转化为电能，也
19、可以把电能转化为机械能。这样的特性使其可用于与力有关的物理量的测量，如力、压力、加速度、机械冲击和振动等，也被用于超声波的发射与接受装置。3.20 某压电式压力传感器的灵敏度为，假设输入压力为时的输出电压式1V，试确定传感器总电容量。解：传感器总电容量为题3.211传感器 2机器 3底座3.21 题3.21图所示是用压电式传感器和电荷放大器测量某种机器的振动，已知传感器的灵敏度为100pC/g，电荷放大器的反馈电容，测得输出电压峰值为，振动频率为100Hz。（1）求机器振动的加速度最大值；（2）假定振动为正弦波，求振动的速度；（3）求出振动的幅度的最大值。解：（1）因为所以 由传感器的灵敏度可
20、得机器振动的加速度最大值（2）即即振动的速度为：（3）振动的幅度的最大值为：3.22 根据题3.22所示石英晶体切片上的受力方向，标出晶体切片上产生电荷的符号。 题3.22图解：如图所示3.23 压电式传感器测量电路的作用是什么？其核心是解决什么问题？答：由于压电式传感器产生的电量非常小，所以要求测量电路输入级的输入电阻非常大以减小测量误差。因此，在压电式传感器的输出端，总是先接入高输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大电路。前置放大器作用是：1）将压电传感器的输出信号放大；2）将高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式传感器的测量电路有电荷型与电压型两种，相应的前置放大器也有电荷型与电压型两种
21、形式。3.24 一压电式传感器的灵敏度，连接灵敏度的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度，当压力变化时，纪录笔在记录纸上的偏移为多少？解：3.25 采用SZMB-3型磁电式传感器测量转速，当传感器输出频率为1kHz的正弦波信号时，被测轴的转速是多少？解：被测轴的转速为：转/秒3.26 请你设计一种霍尔式液位控制器，要求：（1）画出磁路系统示意图；（2）画出电路原理简图；（3）简要说明其工作原理。答：在所要控制的液位中放置一霍尔传感器，在其正下放置一块带有永久磁铁的浮子，当磁铁随浮子移动到距传感器几毫米到十几毫米（此距离由设计确定）时，传感器的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放
22、，运动部件停止移动（有关图略）。3.27 什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？答：如图所示在金属或半导体薄片相对两侧面ab通以控制电流I，在薄片垂直方向上施加磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上，即另两侧面cd会产生一个大小与控制电流I和磁场B乘积成正比的电动势UH，这一现象称为霍尔效应。即式中：KH霍尔元件的灵敏度。式中：RH霍尔系数，它反应元件霍尔效应的强弱，由材料性质决定。单位体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强，所以常采用半导体材料做霍尔元件；d霍尔元件的厚度。由式可知，对于材料和尺寸确定的元件, KH保持常数，霍尔电势UH仅与I B的乘积成正比。3.28
23、 什么是霍尔元件的温度特性？如何进行补偿？答：当霍尔元件的工作温度发生变化时，它的一些技术参数，如输入电阻、输出电阻和霍尔电势都要随着发生变化，从而使霍尔元件产生温差电势。这种特性称为温度特性。图 恒流源补偿为了减少由温度变化所引起的温差电势对霍尔元件输出的影响，可根据不同情况，采取一些不同的补偿方法。1）恒流源补偿 当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得很多时，输出电阻的变化对输出电势的影响很小，故只需考虑在输入端进行补偿。这种补偿可以采用恒流源供电，因为在恒流工作下，没有霍尔元件输入电阻的影响。也可采用在电压源供电的电路中串入一个比输入电阻大得多的电阻R，这对霍尔元件的输入端来说，相当于恒流源供
24、电，如图所示。这时，当输入电阻随温度变化时，控制电流的变化很小，从而实现了对输入端的温度补偿。电阻 R可由下式计算：式中：内阻温度系数； 霍尔电势温度系数； Ri输入电阻。 将元件的、值代入式，根据Ri的值就可确定串联电阻R的值。例如，对于国产HZ-1型霍尔元件，查表3-11得0.04，0.5，Ri = 110，则R =1265。 2）利用输出回路的负载进行补偿 在输入端控制电流恒定，即输入电流随温度变化可以忽略的情况下，如果输出电阻随温度增高而增大测会引起负载RL上的电压随温度上升而减小，而HZ-1型霍尔元件的输出电势却是随温度的上升而增大。利用这一关系，如图所示，只要选择合适的负载电阻RL
25、，就有可能补偿这种温度影响。能实现温度补偿的RL可按下式计算：通常。图 输出回路负载补偿（a）基本电路； (b) 等效电路3.29 要进行两个电压乘法演运算，若采用霍尔元件作为运算器，请提出设计方案，并画出测量系统的原理图。答：方案如图所示图(a)为直流供电情况，控制电流端并联，调节RP1，RP2可使两元件输出的霍尔电压相等。A、B为输出端，它的输出电压值为单个元件的两倍。 图(b)为交流供电情况，控制电流端串联，各元件的输出端接至输出变压器的初级绕组，变压器的次级绕组便有霍尔电压信号的叠加值输出。霍尔元件输出的叠加连接（a）直流代电 （b）交流供电3.30 简述热电偶的几个重要定律，并分别说
26、明它们的实用价值。答：（1）中间导体定律 若在热电偶回路中插入中间导体，无论插入导体的温度分布如何，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总电动势无影响这就是中间导体定律。如图3.65所示只要M1、M2端的温度相同，则总电动势在插入C与未插入C时一样。即 （3-113）这是因为导体C与导体A接触，两个接触点M1，M2的温度都为T1，因而它们没有温差电动势，只有接触电动势EAC(T1)，ECA(T1)，且 （3-114）故 （3-115） 中间导体定律的使用价值在于：利用热电偶实际测温时，可以将连接导线和显示仪表看成是中间导体，只要保证中间导体两端温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。图3
27、.66 热电偶中间温度定律示意图图3.65 热电偶中间导体定律示意图 （2）中间温度定律 如图3.66所示热电偶在结点温度为T、T0时的热电动势EAB(T，T0)等于该热电偶在(T，Tn)及(Tn，T0)时的热电动势EAB(T，Tn)与EAB(Tn，T0)之和这就是中间温度定律。其中Tn称为中间温度。中间温度定律的实用价值在于：当自由端温度不为0时，可利用该定律及分度表求得工作端温度T，另外热电偶中补偿导线的使用也依据了以上定律。 例3.4 用镍铬镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度T = 30，在直流电位计上测得的热电势EAB (T，30)为30.839mV，试求炉温为多少。 分析： EAB (T
28、，T0) = EAB (T，Tn)+ EAB (Tn，T0) EAB (T，Tn)已知，EAB (Tn，T0)已知，先求EAB (T，T0)再查分度表得出炉温了。解：(1) 查镍铬镍硅热电偶K分度表EAB (Tn，0) = EAB (30，0)= 1.203mv (2) EAB (T，0) = EAB (T，Tn)+ EAB ( Tn，0) = EAB (T，30)+ EAB (30,0) =30.839+1.203=32.042(mv) (3) 再查分度表EAB (T，0) =32.042mv的温度值为 770图3.67 热电偶参考电极定律示意图（3） 参考电极定律(也称组成定律)如图3.6
29、7所示已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T，T0)时的热电动势分别为EAC (T，T0)与EBC (T，T0)，则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)可按下面公式计算： EAB (T，T0) = EAC (T，T0) EBC (T，T0) （3-116）参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的电动势均可利用该定律计算，而不需逐个进行测定。 例3.5 当T为100，T0为0时，铬合金铂热电偶的E(100，0)=+3.13mV， 铝合金铂热电偶E(100，0)为1.02mV，求
30、铬合金一铝合金组成热电偶材料的热电势E(100，0)。 解：设铬合金为A，铝合金为B，铂为C 即 EAC (100，0)=3.13 EBC (100，0)=1.02 则 EAB (100，0)= EAC (100，0) EBC (100，0) = 3.13（-1.02）= 4.15mV3.31 用镍铬-镍硅（K型）热电偶测温度，已知冷端温度为40，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV，求被测点温度。解：分析： EAB (T，T0) = EAB (T，Tn)+ EAB (Tn，T0) EAB (T，Tn)已知，EAB (Tn，T0)已知，先求EAB (T，T0)再查分度表得出炉温了
31、。(1) 查镍铬镍硅热电偶K分度表EAB (Tn，0) = EAB (40，0)= 1.611mv (2) EAB (T，0) = EAB (T，Tn)+ EAB ( Tn，0) = EAB (T，40)+ EAB (30,0) =29.188+1.611=30.799(mv) (3) 再查分度表EAB (T，0) =30.799mv的温度值为 7403.32 试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理。解：1) 冷端恒温法将热电偶的冷端置于冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持0不变。 2) 计算修正法利用中间温度定律计算修正。此时应使冷端维持在某一恒定(或变化较小)的温度上。可以将热
32、电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限。或将热电偶的冷端置于大油槽或空气不流动的大容器中，利用其热惯性，使冷端温度变化较为缓慢。3) 仪表机械零点调整法 当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求又不太高时，可将动圈式仪表的机械零点调至热电偶冷端所处的温度T0处，这相当于在输入热电偶的热电动势前就给仪表输入一个热电动势E (T0，0)。 4) 电桥补偿法如图所示，R1 、R2 、R3和限流电阻Rg（由温度系数很小的锰铜丝做成），Rcu由电阻温度系数较大的铜线或镍线绕制而成。U0 = E (T, T0 )+U ad当环境温度为20 时，设计电
33、桥处于平衡状态，此时Uab=0，电桥无补偿作用。当环境温度升高，热电偶冷端温度也随之升高，此时热电偶的热电动势就有所降低。这时Rcu的阻值随环境温度升高而增大，电桥失去平衡，U ab上升并与EAB (T，T0)迭加，若适当选择桥臂电阻和电流的数值，可以使Uab正好补偿热电偶冷端温度升高所降低的热电动势值。由于电桥设计在20时平衡，则测温仪表的机械零点要预先调到20处。3.33 将一灵敏度为0.08mV/的热电偶和电压表相连接，电压表接线端是50，若电位计读数是60mV，热电偶的热端温度是多少？ 答：参考题3.313.34 请说明热电偶的参考端在实际应用中的意义和处理方法。答：由热电偶的测温原理
34、可知，热电偶产生的热电动势大小与两端温度的有关，热电偶的输出电动势只有在参考端温度不变的条件下，才与工作端温度成单值函数。热电偶的在实际应用中选用应根据被测温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护管，其安装位置要有代表性，安装方法要正确。3.35 光电效应有哪几种？与之对应的光电元件各是哪些？请简述其特点。答：光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应。1外光电效应在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。物体在光的照射下，电子吸收光子的能量后，一部分用于克服物质对电子的
35、束缚，另一部分转化为逸出电子的动能。当光子的能量大于电子逸出功时，物质内的电子脱离原子核的吸引向外逸出，就产生了外光电效应。2内光电效应在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。1）光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量后而引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效应。绝大多数的高电阻率半导体材料都存在这种效应，当光照射到半导体材料上时，材料中处于价带的电子吸收光子能量后，从价带越过禁带激发到导带，从而形成自由电子，同时，价带也会因此形成自由空穴，即激发出电子空穴对，从而使导带的电子和价
36、带的空穴浓度增加，引起材料的电阻率减小，导电性能增强。2）光生伏特效应在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起PN结两端产生电动势的现象称为光生伏特效应。当PN结两端没有外加电压时，在PN结势垒区存在着内电场，其方向是从N区指向P区，如图所示。当光照射到PN结上时，如果光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能够从价带激发到导带成为自由电子，价带成为自由空穴。从而在PN结内产生电子空穴对。这些电子空穴对在PN结的内部电场作用下，电子移向N区，空穴移向P区，电子在N区积累，空穴在P区积累，从而使PN结两端形成电位差，PN结两端便产生了光生电动势。 图 PN结产生光生伏特效应3外光电效应器件基于
37、外光电效应工作原理制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。1）光电管的结构及原理光电管由个涂有光电材料的阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡内壁上做成，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央。真空光电管的结构如图所示。当光电管的阴极受到适当波长的光线照射时便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。如果在外电路中串入一适当阻值的电阻，则在光电管组成的回路中形成电流，并在负载电阻上产生输出电压。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压与入射光通量成正比。 图 光
38、直空电管的结构2）光电倍增管的结构及原理光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成，如图所示。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级，通常为12级14级。阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。 图 光电倍增管的结构当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，很不容易探测。为了提高光电管的灵敏度，这时常用光电倍增管对电流进行放大。光电倍增管的光电转换过程为：当入射光的光子打在光电阴极上时，光电阴极发射出电子，该电子流又打在电位较高的第一倍增极上，于是又产生新的二次电子；第一倍增极产生的二次电
39、子又打在比第一倍增极电位高的第二倍增极上，该倍增极同样也会产生二次电子发射，如此连续进行下去，直到最后一级的倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，从而在整个回路里形成光电流。3.36 某光敏三极管在强光照时的光电流为2.5mA，选用的继电器吸合电流为50mA，直流电阻为250。现欲设计两个简单的光电开关，其中一个是有强光照时继电器吸合，另一个相反，是有强光照时继电器释放。请分别画出两个光电开关的电路图（采用普通三极管放大），并标出电源极性及选用的电压值。题3.37图3.37 某光电开关电路如题3.37图所示，请分析其工作原理，并说明各元件的作用，该电路在无光照的情况下继电器K是处于吸合
40、还是释放状态？ 3.38 请用激光传感器设计一台激光测量汽车速度的装置（画出示意图），并论述其测速的基本工作原理。答：汽车上安定一个反光体，当激光照射时，反光体将激光反射反回来，将会产生多普勒效应。发射机发射出的激光向被测物体辐射，被测物体以速度运动，如图（a）所示，被测物体作为接收机接收到的频率为：式中： 发射机发射信号的频率；被物体的运动速度；激光波长，为激光的传播速度。如果将作为反射波向接收机发射信号，如图（b）所示。接收机接收到的信号频率为：由于被测物体的运动速度远小于激光光速，则可认为，即由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即由此可见，被测物体的运动速度可以用多普勒频率来描述。
41、3.39 什么是超声波？超声波通过两种介质界面时，会发生什么现象？答：波是振动在弹性介质中的传播，振动频率20kHz以上的机械波称为超声波。当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介绍中的传播速度不同，在异质界面上将会产生反射、折射和波型转换等现象。3.40用超声波探头测工件时，往往要在工件与探头接触的表面上加一层耦合剂，这是为什么？答：用声波进行检测时，在工件与探头接触的表面加一层耦合剂。相当于声波由一种介质内传来、通过第二种介质传到第三种介质中去的时候。假设声波由声阻抗为的介质中入射到声阻抗为和二种介质的交界面上，然后透过第二种介质入射到和二种介质的交界面上，最后进入声阻抗为的介质
42、，如图所示。由物理学可知，进入第三介质的声波声压与第一介质的声压的比为： 式中：耦合剂的厚度。则由透射系数定义（进入第三介质的声强与入射波声强的比值）可得： （3-135）若令，当时，上式可简化为： （3-136）这时若有，得到。其物理意义是：当声波垂直通过声阻抗分别、的介质所组成的界面时，只要耦合剂的声阻抗为介质1和介质3的几何平均值时，则选取耦合剂的厚度为声波波长的时，就能获得声波的全透射。3.41 请你依据已学过的知识设计一个超声波液位计（画出原理框图，并简要说明它的工作原理、优缺点）。答：采用单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器，如图所示结构示意图。超声波发射和接收换能器安
43、装在液面的上方，让超声波在空气中传播。超声波从发射到液面，又从液面反射到换能器的时间为t，则换能器距液面的距离h为：式中，v为超声波在介质中传播的速度。由此可知，只要测量从液面反射到换能器的时间为t，即可液位情况。3.42 微波传感器分为哪两种？其工作原理是什么？答：微波传感器就是指利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使其功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成为电信号，再经过信号调理电路后，即可显示出被测量，从而实现微波检测过程。根据上述原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。3.43 比
44、较微波传感器与超声波传感器有何异同。答：参见题3.41和3.42两题，如表所示项 目微波传感器超声波传感器波类型电磁波机械波反射特性在不同介电常数的界面上反射在不同声阻抗的界面上反射压力影响微不足道很小温度影响微不足道需温度补偿传播速度约（真空中）约（空气中，）测量盲区到天线顶端离辐射面大于传播环境很少受气相环境影响要求均一的气体环境3.44 请用红外传感器设计一台红外防盗装置（画出它的示意图），并说明其工作原理？答：红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成。一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10m左右的红外线，被动式红外
45、探头就是靠探测人体发射的10m左右的红外线而进行工作的。人体发射的10m左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。其结构框图如图所示。图中，菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较。待 测目 标光 学 系 统（菲涅尔透镜）热释电红外传感器信 号处 理报 警电 路 报警器结构框图3.45 在精密车床上使用刻线为5400条/周围光栅作长度检测时，其检测精度为0.01mm，问该车床丝杆的螺距为多少？3.46