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传感器原理及应用课后习题答案

发布日期:2020-07-03 23:36

  传感器原理及应用课后习题答案_理学_高等教育_教育专区。传感器原理及应用课后答案 第 1 章 概述 1.1 什么是传感器?按照国标定义, “传感器”应该如何说明含义? 1.2 传感器由哪几部分组成?试述它们的作用及相互关系。 1.3 简述传感器主要发展趋势

  传感器原理及应用课后答案 第 1 章 概述 1.1 什么是传感器?按照国标定义, “传感器”应该如何说明含义? 1.2 传感器由哪几部分组成?试述它们的作用及相互关系。ag官方手机登录, 1.3 简述传感器主要发展趋势,并说明现代检测系统的特征。 1.4 传感器如何分类?按传感器检测的范畴可分为哪几种? 1.5 传感器的图形符号如何表示?它们各部分代表什么含义?应注意哪些问 题? 1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。 1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器,并说明其作用。如果没有传感器, 应 该出现哪种状况。 1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器?它们分别起到什么作用? 答案 1.1 答: 从广义的角度来说,感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。我们 对传感器定义是:一种能把特定的信息(物理、化学、生物)按一定规律转换成 某种可用信号输出的器件和装置。从狭义角度对传感器定义是:能把外界非电信 息转换成电信号输出的器件。 我国国家标准(GB7665—87)对传感器(Sensor/transducer)的定义是: “能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置” 。 定义表明传感器有这样三层含义: 它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装 置;能按一定规律将被测量转换成电信号输出;传感器的输出与输入之间存在确 定的关系。按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。 1.2 答: 组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成; 关系,作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即检测与控制 之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口,一切科学研究与自动化生产过程 要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号, 其 作用与地位特别重要。 1.3 答: (略)答: 按照我国制定的传感器分类体系表,传感器分为物理量传感器、化学量传感 器以及生物量传感器三大类,含 12 个小类。按传感器的检测对象可分为:力学 量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器 人等等。 1.5 答: 图形符号(略) ,各部分含义如下: ①敏感元件:指传感器中直接感受被测量的部分。 ②传感器: 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件 或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。 ③信号调理器:对于输入和输出信号进行转换的装置。 ④变送器:能输出标准信号的传感器答: (略)答: (略)答: (略) 第 1 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 第 2 章 传感器的基本特性 2.1 传感器的静态特性是什么?由哪些性能指标描述?它们一般可用哪些公式 表示? 2.2 传感器的线性度是如何确定的?确定拟合直线有哪些方法?传感器的线性 度 ? L 表征了什么含义?为什么不能笼统的说传感器的线 传感器动态特性的主要技术指标有哪些?它们的意义是什么? 2.4 传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数的定义是什么?它们之间有何联系 与区别? 2.5 有一温度传感器, 微分方程为 30dy / dt ? 3 y ? 0.15 x , 其中 y 为输出电压 (mV) , x 为输入温度(℃) 。试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。 2.6 有一温度传感器,当被测介质温度为 t1,测温传感器显示温度为 t2 时,可用 下列方程表示:t1 ? t2 ? ? 0 ? dt2 / d? ? 。当被测介质温度从 25℃突然变化到 300 ℃时,测温传感器的时间常数τ0 =120s,试求经过 350s 后该传感器的动态 误差。 2.7 某力传感器属二阶传感器,固有频率为 l000Hz,阻尼比为 0.7,试求用它测 量频率为 600Hz 的正弦交变力时的振幅相对误差和相位误差。 2.8 已知某二阶传感器系统的固有频率为 20kHz,阻尼比为 0.1,若要求传感器 的输出幅值误差不大于 3%,试确定该传感器的工作频率范围。 2.9 设有两只力传感器均可作为二阶系统处理, 固有频率分别为 800Hz 和 2.2kHz, 阻尼比均为 0.4,欲测量频率为 400Hz 正弦变化的外力,应选用哪一只?并 计算所产生的振幅相对误差和相位误差。 答案 2.1 答: 静特性是当输入量为常数或变化极慢时,传感器的输入输出特性,其主要指 标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。 传感器的静特性由静特性曲线反映出来,静特性曲线由实际测绘中获得。人们根 据传感器的静特性来选择合适的传感器。 2.2 答: 1)实际传感器有非线性存在,线性度是将近似后的拟合直线与实际曲线进 行比较,其中存在偏差,这个最大偏差称为传感器的非线)选取拟合的方法很多,主要有:理论线性度(理论拟合);端基线性度(端 点连线拟合);独立线性度(端点平移拟合);最小二乘法线)线性度 ? L 是表征实际特性与拟合直线)传感器的非线性误差是以一条理想直线作基准,即使是同一传感器基准 不同时得出的线性度也不同, 所以不能笼统地提出线性度, 当提出线性度的非线 性误差时,必须说明所依据的基准直线)传感器动态特性主要有:时间常数τ;固有频率 ?n ;阻尼系数 ? 。 2)含义:τ越小系统需要达到稳定的时间越少;固有频率 ?n 越高响应曲线 上升越快;当 ?n 为常数时响应特性取决于阻尼比 ? ,阻尼系数 ? 越大,过冲现象 第 2 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 减弱, ? ? 1 时无过冲,不存在振荡,阻尼比直接影响过冲量和振荡次数。 2.4 答: (略) 2.5 解: 对微分方程两边进行拉氏变换,Y(s)(30s+3)=0.15X(s) 则该传感器系统的传递函数为: H (s) ? Y (s) 0.15 0.05 ? ? X ( s ) 30 s ? 3 10 s ? 1 该传感器的时间常数τ=10,灵敏度 k=0.05 2.6 解: 动态误差由稳态误差和暂态误差组成。先求稳态误差: 对方程两边去拉氏变换得: T 1( s ) ? T 2 ( s ) ? ? 0 sT 2 ( s ) 则传递函数为 T 2( s ) 1 ? T 1( s ) ? 0 s ? 1 对于一阶系统,阶跃输入下的稳态误差 ess ? 0 ,再求暂态误差: 当 t=350s 时,暂态误差为 e(t ) ? (300 ? 25)e ?350/120 ? 14.88?C 故所求动态误差为: e ? ess ? e( t ) ? 14.88?C 2.7 解:所求幅值误差为 0.947,相位滞后 52°70′ G ? j? ? ? ?n2 2 s 2 ? 2??n s ? ?n s ? j? ? 1 ?? ? ? 1 ? ? ? ? 2 j? ?n ? ?n ? 1 600 2 2 600 2 [1 ? ( ) ] ? [2 ? 0.7 ? ] 1000 1000 2 则,频率为 600Hz 时的幅值为 G ( j? ) ? 1 ? ? [1 ? ( ) 2 ]2 ? [2? ]2 ?n ?n ? ? 0.947 相对误差为 (1-0.947)×100%=5.3% ? 600 ) 2 ? 0.7 ? ? 1000 ? ?52?70 n ? ? ?tg ?1 ? ?tg ?1 ? 2 600 2 1? ( ) 1? ( ) ? 1000 2? ( 第 3 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 2.8 解: G ? j? ? ? ?n2 2 s 2 ? 2??n s ? ?n 1 [1 ? ( s ? j? ? 1 ?? ? ? 1 ? ? ? ? 2 j? ?n ? ?n ? ? 1 [1 ? ( ) 2 ]2 ? [2 ? 0.1? ]2 10000 10000 2 G ( j? ) ? ? 2 2 ? ) ] ? [2? ]2 ?n ?n 1 ? ? ? [1 ? ( ) 2 ]2 ? [2 ? 0.1? ]2 10000 10000 ? ? ) 2 ? ?′ 则 令 G ( jw) ? 1.03 , ( 10000 2 ?′ ? 1.96?′ ? 0.0574 ? 0 ? ? 1.93,? 2′ ? 0.03 代入上式,得 解得 ?1′ ?1 ? 1389 Hz,? 2 ? 173Hz 令 G ( jw) ? 0.97 ,则 2 ?′ ? 1.96?′ ? 0.0628 ? 0 ? 1.99 (舍负) 代入上式,得 解得 ? 3′ ? 3 ? 1411Hz 由图 2-18 二阶传感器系统的幅频特性曲线知,该传感器的工作频率范围 为: 1389 Hz<?<1411Hz 或 ?<173Hz 2.9 解:ξ=0.4<1,由二阶传感器的频率特性,固有频率比被测信号频率越大 越好,故应选固有频率为 2.2kHz 的那只。 G ? j? ? ? ?n2 2 s 2 ? 2??n s ? ?n s ? j? ? 1 ?? ? ? 1 ? ? ? ? 2 j? ?n ? ?n ? 1 400 2 2 400 2 [1 ? ( ) ] ? [2 ? 0.4 ? ] 2200 2200 2 G ( jw) ? 1 ? ? [1 ? ( ) 2 ]2 ? [2? ]2 ?n ?n ? ? 0.940 相对误差为(1-0.940)×100%=6.0% ? 400 ) 2 ? 0.4 ? ?n 2200 ? ?8?33 ? ? ?tg ?1 ? ?tg ?1 ? 400 2 1 ? ( )2 1? ( ) ? 2200 2? ( 故相位滞后 8°33′。 第 4 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 第 3 章 电阻应变式传感器 3.1 何为电阻应变效应?怎样利用这种效应制成应变片? 3.2 什么是应变片的灵敏系数?它与金属电阻丝的灵敏系数有何不同?为什 么? 3.3 为什么增加应变片两端电阻条的横截面积便能减小横向效应? 3.4 金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同?半导体应变片灵敏系 数范围是多少,金属应变片灵敏系数范围是多少?为什么有这种差别,说明 其优缺点。举例说明金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。 3.5 一应变片的电阻 R=120Ω,灵敏系数 k=2.05,用作应变为 800 ? m / m 的传感 元件。 求:① ?R 和 ?R / R ;② 若电源电压 U=3V,初始平衡时电桥的输出电压 U0。 3.6 在以钢为材料的实心圆柱形试件上,沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为 120 Ω的金属应变片 R1 和 R2(如图 3-28a 所示),把这两应变片接入电桥(见 图 3-28b)。若钢的泊松系数 ? ? 0.285 ,应变片的灵敏系数 k =2,电桥电 源电压 U=2V,当试件受轴向拉伸时,测得应变片 R1 的电阻变化值 ?R1 ? 0.48? 。试求:①轴向应变;②电桥的输出电压。 3.7 一测量吊车起吊重物的拉力传感器如图 3-29a 所示。R1、R2、R3、R4 按要求 贴在等截面轴上。已知:等截面轴的截面积为 0.00196m2,弹性模量 E=2× 11 2 10 N/m ,泊松比 ? ? 0.3 ,且 R1=R2=R3=R4=120Ω, 所组成的全桥型电路如题 图 3-29b 所示,供桥电压 U=2V。现测得输出电压 U0=2.6mV。求:①等截面 轴的纵向应变及横向应变为多少?②力 F 为多少? 图 3-28 图 3-29 3.8 已知:有四个性能完全相同的金属丝应变片(应变灵敏系数 k ? 2 ), 将其 粘贴在梁式测力弹性元件上,如图 3-30 所示。在距梁端 l0 处应变计算公式 为 6 Fl0 Eh 2b 设力 F ? 100 N ,l0 ? 100mm , h ? 5mm ,b ? 20mm , E ? 2 ? 105 N / mm 2 。求: ?? ①说明是一种什么形式的梁。 在梁式测力弹性元件距梁端 l0 处画出四个应变 片粘贴位置, 并画出相应的测量桥路原理图;②求出各应变片电阻相对变化 量;③当桥路电源电压为 6V 时,负载电阻为无穷大,求桥路输出电压 U0 是 第 5 页 共 26 页 图 3-30 传感器原理及应用课后答案 多少? 3.9 图 3-31 为一直流电桥,负载电阻 RL 趋于无穷。图中 E=4V,R1=R2=R3=R4=120 Ω,试求:① R1 为金属应变片,其余为外接电阻,当 R1 的增量为ΔR1=1.2 Ω时,电桥输出电压 U0=? ② R1、R2 为金属应变片,感应应变大小变化相同, 其余为外接电阻,电桥输出电压 U0=? ③ R1、R2 为金属应变片,如果感应应 变大小相反,且ΔR1=ΔR2 =1.2Ω,电桥输出电压 U0=? 答案 3.1 答: 导体在受到拉力或压力的外界力作用时,会产生机械变形,同时机械变形会 引起导体阻值的变化, 这种导体材料因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电 阻应变效应。 当外力作用时,导体的电阻率 ? 、长度 l 、截面积 S 都会发生变化,从而引起电 阻值 R 的变化,通过测量电阻值的变化,检测出外界作用力的大小。 3.2 答: 金属丝灵敏系数 k0 主要由材料的几何尺寸决定的。 受力后材料的几何尺寸变 化为 (1 ? 2 ? ) ,电阻率的变化为 ? ?? / ? ? / ? 。而实际应变片的灵敏系数应包括基 片、粘合剂以及敏感栅的横向效应。虽然长度相同,但应变状态不同,金属丝做 成成品的应变片(粘贴到试件上)以后,灵敏系数降低了。 3.3 答: 敏感栅越窄,基长越长的应变片,横向效应越小,因为结构上两端电阻条的 横截面积大的应变片横向效应较小。 3.4 答: 金属导体应变片的电阻变化是利用机械形变产生的应变效应, 对于半导体而 言,应变传感器主要是利用半导体材料的压阻效应。金属电阻丝的灵敏系数可近 似写为 k0 ? 1 ? 2 ? , 即 k0 ? 1.5~2 ; 半导体灵敏系数近似为 k0 ? ? ?? / ? ? / ? ? ? E ≈50~100。 3.5 解: ? k ? 2.05; ? ? 800 ? m / m ??R / R ? k ? ? ? 0.0164; 应变引起的电阻变化?R ? 0.2? 3 ?R 当电源电压U ? 3V 时,电桥输出电压 U 0 ? ? ? 1.23mV 4 R 3.6 解 1: 1) k ? ?R1 / R1 ? 则轴向应变为: 第 6 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 ?R1 / R 0.48 /120 ? ? 0.002 k 2 2)电桥的输出电压为: 1 1 U 0 ? Uk? (1 ? ? ) ? ? 2 ? 2 ? 0.002 ? 1.285 ? 5.14mV 2 2 ?? 解 2: ? k ? 2; R1 ? 120?; ?R1 ? 0.48?;U ? 2V ?R1/R1 0.002 k U 电桥输出电压: U 0 ? ? ?R1/R1 ? 4mV 2 轴向应变: ? ? 3.7 解: ? R1 ? R2 ? R3 ? R4 ? 120?; ? ? 0.3; S ? 0.00196m 2 ; E ? 2 ? 1011 N / m 2 ;U ? 2V ;U 0 ? 2.6mV U0 R ? 0.156? U ?l ?R / R ?R / R 轴向应变:? ? ? ? ? 0.0008125 l k 1 ? 2? ?r ?l 横向应变: ? ? ? ? ?0.0004875 r l 力:F ? ? SE ? 3.185 ? 105 N 按全桥计算:?R ? 3.8 解: ①梁为一种等截面悬臂梁;应变片沿梁的方向上下平行各粘贴两个; ②? k ? 2; F ? 100 N ; l0 ? 100mm; h ? 5mm; b ? 2mm; E ? 2 ? 105 N / m 2 6 Fl ?R ? 应变片相对变化量为: ? k ? ? 2 2 0 ? 0.012 R Eh b ?R ③ 桥路电压6V 时,输出电压为:U 0 ? 6 ? ? 0.072V R 3.9 解: ① 因为只有R1为应变片,电桥输出按单臂电桥计算,U 0 ? E ? ?R ? 0.010V 4 R ② 因为两应变片变化大小相同,相互抵消无输出,U 0 ? 0V ③ 因为R1 , R2应变时大小变化相反,电桥输出按半桥计算,U 0 ? E ? ?R ? 0.02V 2 R 第 7 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 第 4 章 电容式传感器 4.1 如何改善单极式变极距型电容传感器的非线 为什么高频工作时的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变化? 4.3 差动式变极距型电容传感器,若初始容量 C1 ? C2 ? 80 pF ,初始距离 ? 0 ? 4mm ,当动极板相对于定极板位移了 ?? ? 0.75mm 时,试计算其非线性 误差。若改为单极平板电容,初始值不变,其非线 电容式传感器有哪几类测量电路?各有什么特点?差动脉冲宽度调制电路 用于电容传感器测量电路具有什么特点? 4.5 一平板式电容位移传感器如图 4-5 所示,已知:极板尺寸 a ? b ? 4mm ,极 板间隙 ? 0 ? 0.5mm ,极板间介质为空气。求该传感器静态灵敏度;若极板沿 x 方向移动 2mm ,求此时电容量。 4.6 已知:圆盘形电容极板直径 D ? 50mm ,间距 ? 0 ? 0.2mm ,在电极间置一块 厚 0.1mm 的云母片( ? r ? 7 ) ,空气( ? 0 ? 1 ) 。求:①无云母片及有云母片两 种情况下电容值 C1 及 C2 是多少?②当间距变化 ?? ? 0.025mm 时,电容相对 变化量 ?C1 / C1 及 ?C2 / C2 是多少? a) 图 4-30 b) 4.7 压差传感器结构如图 4-30a 所示,传感器接入二极管双 T 型电路,电路原理 示意图如图 4-30b 所示。已知电源电压 UE =10V,频率 f = 1MHz,R1=R2=40k Ω,压差电容 C1=C2=10pF,RL=20kΩ。试分析,当压力传感器有压差 PH>PL 使电容变化ΔC=1pF 时, 一个周期内负载电阻上产生的输出电压 URL 平均值的 大小与方向。 答案:4.1 答: 非线性随相对位移 ?? / ? 0 的增加而增加, 为保证线性度应限制相对位移的大 小;起始极距 ? 0 与灵敏度、线性度相矛盾,所以变极距式电容传感器只适合小位 移测量; 为提高传感器的灵敏度和改善非线性关系,变极距式电容传感器一般采 用差动结构。 4.2 答: 第 8 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 低频时容抗 X c 较大,传输线的等效电感 L 和电阻 R 可忽略。而高频时容抗 X c 减小,等效电感和电阻不可忽略,这时接在传感器输出端相当于一个串联谐 振, 有一个谐振频率 f 0 存在, 当工作频率 f ? f 0 谐振频率时, 串联谐振阻抗最小, 电流最大,谐振对传感器的输出起破坏作用,使电路不能正常工作。通常工作频 率 10MHz 以上就要考虑电缆线 pF ,初始距离 ? 0 ? 4mm ,当动极板相对于定极 板位移了 ?? ? 0.75mm 时,非线性误差为: ?L ? ( ?? ?0 ) 2 ? 100% ? ( 0.75 2 ) ? 100% ? 3.5% 4 改为单极平板电容,初始值不变,其非线性误差为: ?L ? ?? ?0 ? 100% ? 0.75 ? 100% ? 18.75% 4 4.4(略) 4.5 解:对于平板式变面积型电容传感器,它的静态灵敏度为: C0 ?b kg ? ? ? 8 ? 8.85 ? 10?12 ? 7.08 ? 10?11 Fm ?1 a ?0 极板沿 x 方向相对移动 2mm 后的电容量为: C? ? b(a ? ?x) 8.85 ?10?12 ? 0.004 ? 2 ? ? 1.416 ? 10?13 F ?0 0.5 ? S 8.85 ?10?12 ? 3.14 ? 2.5 ?10?3 ? ? 3.47 ? 10?10 F ?0 2 ? 10?4 4.6 解:1) C1 ? 8.85 ? 10?12 ? 3.14 ? 2.5 ? 10?3 C2 ? ? ? 6.08 ? 10?10 F ?4 1? 10 ? 0 ?d ? d ?r 1? 10?4 ? 7 ??0?d ?d 2)令 ?′ ?S ? r ,则 ?? ?C1 ? 0 ? ?? ? 0.025 ? 0.143 ? C1 1 ? ?? ? 0 ? ?? 0.2 ? 0.025 ?0 ?? ?C 2 0.025 ?′ ? ?? ? ? ? 0.280 ? ? C2 1? ?′ ? ?? 0.1143 ? 0.025 ?′ 4.7 解:当 PH ? PL 时, C1 ? C 2 ; C 2 ? C1 ? 2 ? ?C U RL ? R ( R ? 2 RL ) 40 ? 80 RLUEf (C1 ? C 2) ? ? 2 ? 104 ? 10 ? 106 ? 2 ? 10?12 ? ?0.36V 2 ( R ? RL ) 60 ? 60 由于 C1 ? C 2 ,电压 UE 的负半周占优势,故 U RL 的方向下正上负。 第 9 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 第 5 章 电感式传感器 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 何谓电感式传感器?电感式传感器分为哪几类?各有何特点? 提高电感式传感器线性度有哪些有效的方法。 说明单线圈和差动变间隙式电感传感器的结构、工作原理和基本特性。 说明产生差动电感式传感器零位残余电压的原因及减小此电压的有效措施。 为什么螺线管式电传感器比变间隙式电传感器有更大的测位移范围? 电感式传感器测量电路的主要任务是什么?变压器式电桥和带相敏整流的 交流电桥在电感式传感器测量电路中各可以发挥什么作用?采用哪种电路 可以获得理想输出。 5.7 概述变间隙式差动变压器的结构、工作原理和输出特性,试比较单线圈和差 动螺线管式电传感器的基本特性,说明它们的性能指标有何异同? 5.8 差动变压器式传感器的测量电路有几种类型?试述差动整流电路的组成和 基本原理。为什么这类电路可以消除零点残余电压? 5.9 概述差动变压器式传感器的应用范围, 并说明用差动变压器式传感器检测振 动的基本原理。 5.10 什么叫电涡流效应?说明电涡流式传感器的基本结构与工作原理。电涡流 式传感器的基本特性有哪些?它是基于何种模型得到的? 5.11 电涡流式传感器可以进行哪些物理量的检测?能否可以测量非金属物体, 为什么? 5.12 试用电涡流式传感器设计一在线检测的计数装置,被测物体为钢球。请画 出检测原理框图和电路原理框图。 答案 5.1 答: 电感式传感器是一种机-电转换装置,电感式传感器是利用线圈自感和互感 的变化实现非电量电测的一种装置, 传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换 为电感或互感的变化。它可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等 参数。 电感式传感器种类:自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步 器。 工作原理:自感、互感、涡流、压磁。 5.2 答: 电感传感器采用差动形式,转换电路采用相敏检波电路可有效改善线 答: 差动变压器式传感器的铁芯处于中间位置时, 在零点附近总有一个最小的输 出电压 ?U 0 ,将铁芯处于中间位置时,最小不为零的电压称为零点残余电压。 产 生零点残余电压的主要原因是由于两个次级线圈绕组电气系数(互感 M 、电感 L、内阻 R)不完全相同,几何尺寸也不完全相同,工艺上很难保证完全一致。 为减小零点残余电压的影响, 除工业上采取措施外, 一般要用电路进行补偿: 第 10 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 ①串联电阻;②并联电阻、电容,消除基波分量的相位差异,减小谐波分量; ③ 加反馈支路,初、次级间加入反馈,减小谐波分量;④相敏检波电路对零点残余 误差有很好的抑制作用。 5.5 答: 螺线管式差动变压器传感器利用互感原理,结构是:塑料骨架中间绕一个初 级线圈,两次级线圈分别在初级线圈两边,铁心在骨架中间可上下移动,根据传 感器尺寸大小它可测量 1~100mm 范围内的机械位移。 变间隙式电感传感器是利用 自感原理,衔铁的与铁芯之间位移(气隙)与磁阻的关系为非线性关系,可动线 性范围很小,因此测量范围受到限制。 5.6(略) 5.7(略) 5.8(略) 5.9(略) 5.10 答: 1)块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时,导 体内部会产生一圈圈闭和的电流, 这种电流叫电涡流, 这种现象叫做电涡流效应。 2)形成涡流必须具备两个条件:第一存在交变磁场;第二导电体处于交变 磁场中。 电涡流式传感器通电后线圈周围产生交变磁场, 金属导体置于线圈附近。 当金属导体靠近交变磁场中时, 导体内部就会产生涡流,这个涡流同样产生交变 磁场。 由于磁场的反作用使线圈的等效电感和等效阻抗发生变化,使流过线圈的 电流大小、相位都发生变化。通过检测与阻抗有关的参数进行非电量检测。 3)因为金属存在趋肤效应,电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,实际 上涡流的分布是不均匀的。 涡流区内各处的涡流密度不同,存在径向分布和轴向 分布。所以电涡流传感器的检测范围与传感器的尺寸(线)回路方程的建立是把金属上涡流所在范围近似看成一个单匝短路线、M 变化的物理量,均可以引起传感器线 的 变化,可以进行非电量检测;如被测体(金属)的电阻率 ? ,导磁率 ? ,厚度 d , 线圈与被测体之间的距离 x , 激励线圈的角频率 ? 等都可通过涡流效应和磁效应 与线圈阻抗 Z 发生关系,使 R1、L1 变化;若控制某些参数不变,只改变其中一个 参数,便可使阻抗 Z 成为这个参数的单值函数。 2)电涡流传感器不可以直接测量非金属物体,这是由于传感器本身特性决 定的。 5.12(略) 第 11 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 第 6 章 磁电式传感器 6.1 试述磁电感应式传感器的工作原理和结构形式。 6.2 说明磁电感应式传感器产生误差的原因及补偿方法。 6.3 为什么磁电感应式传感器的灵敏度在工作频率较高时,将随频率增加而下 降? 6.4 什么是霍尔效应? 6.5 霍尔元件常用材料有哪些?为什么不用金属做霍尔元件材料? 6.6 霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些? 6.7 某一霍尔元件尺寸为 L ? 10mm , b ? 3.5mm , d ? 1.0mm ,沿 L 方向通以电流 I ? 1.0mA ,在垂直于 L 和 b 的方向加有均匀磁场 B ? 0.3T ,灵敏度为 22V /( A ? T ) ,试求输出霍尔电势及载流子浓度。 6.8 试分析霍尔元件输出接有负载 RL 时,利用恒压源和输人回路串联电阻 RT 进 行温度补偿的条件。 6.9 霍尔元件灵敏度 K H ? 40V /( A ? T ) ,控制电流 I ? 3.0mA ,将它置于 1? 10?4 ~ 5 ? 10?4 T 线性变化的磁场中,它输出的霍尔电势范围有多大? 6.10 列举 l~2 个霍尔元件的应用例子。查找 l~2 个应用磁敏电阻制作的产品 实例。 6.11 磁敏电阻温度补偿有哪些方法?磁敏二极管温度补偿有哪些方法?有哪些 特点? 6.12 比较霍尔元件、 磁敏电阻、 磁敏晶体管, 它们有哪些相同之处和不同之处? 简述其各自的特点。 答案 6.1(略) 6.2 答: 磁电感应式传感器两个基本元件,即永久磁铁和线圈,永久磁铁在使用前需 要有稳定性处理, 主要是线圈中电流产生的磁场对恒定磁场的作用(称为线圈磁 场效应)是不能忽略的,需要采用补偿线圈与工作线圈相串联加以补偿。当环境 温度变化较大时传感器温度误差较大,必须加以补偿。 6.3 答: 因为磁电感应式传感器的灵敏度为 (e / ? ) , 振动频率过高时, 线圈阻抗增大, 使传感器灵敏度随振动频率增加而下降。 6.4 答: 通电的导体(半导体)放在磁场中,电流与磁场垂直,在导体另外两侧会产 生感应电动势,这种现象称霍尔效应。 6.5 答: 1) 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势,但不是都可以制造霍尔元件。 只有半导体材料适于制作霍尔元件。又因一般电子迁移率大于空穴的迁移率, 所 以霍尔元件多采用 N 型半导体制造。 第 12 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 2)金属材料电子浓度虽然很高,但电阻率很小很小,使霍尔电势 U H 很小, 因此不适于做霍尔元件材料。 6.6 答: 霍尔电势不为零的原因是, 霍尔引出电极安装不对称, 不在同一等电位面上; 激励电极接触不良,半导体材料不均匀造成电阻率 ? 不均匀等原因。 6.7 解: ? K H ? 22V /( A ? T ), I ? 1.0mA, B ? 0.3T ? 输出霍尔电势: U H ? K H IB ? 6.6mV ? L ? 10mm, b ? 3.5mm, de ? 1.0mm,e ? 1.6 ? 10?19 ? 载流子浓度为: n?? IB 0.001? 0.3 ? ? 28.41? 1019 ?19 U H ed 0.0066 ? 1.6 ? 10 ? 0.001 6.8(略) 6.9 解: ? K H ? 40V /( A ? T ), I ? 3.0mA, B ? 1? 10?4 ? 5 ? 10?4 T ? 输出霍尔电势范围是: 低端:U H ? K H IB ? 12 ?V 高端:U H ? K H IB ? 60 ?V 6.10(略) 6.11(略) 6.12 答: 霍尔元件具有体积小、外围电路简单、动态特性好、灵敏度高、频带宽等许 多优点,在霍尔元件确定后,可以通过测量电压、电流、磁场来检测非电量, 如 力、压力、应变、振动、加速度等等,所以霍尔元件应用有三种方式:①激励电 流不变,霍尔电势正比于磁场强度,可进行位移、加速度、转速测量。②激励电 流与磁场强度都为变量,传感器输出与两者乘积成正比,可测量乘法运算的物理 量,如功率。③磁场强度不变时,传感器输出正比于激励电流,可检测与电流有 关的物理量,并可直接测量电流。 磁敏电阻与霍尔元件属同一类,都是磁电转换元件,两者本质不同是磁敏电 阻没有判断极性的能力,只有与辅助材料(磁钢)并用才具有识别磁极的能力。 磁敏二极管可用来检测交直流磁场,特别是弱磁场。可用作无触点开关、 作 箱位电流计、对高压线不断线测电流、小量程高斯计、漏磁仪、磁力探伤仪等设 备装置。磁敏三极管具有较好的磁灵敏度,主要应用于①磁场测量,特别适于 -6 10 T 以下的弱磁场测量,不仅可测量磁场的大小,还可测出磁场方向;②电流 测量。特别是大电流不断线地检测和保护;③制作无触点开关和电位器,如计算 机无触点电键、机床接近开关等;④漏磁探伤及位移、转速、流量、压力、速度 等各种工业控制中参数测量。 第 13 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 第 7 章 压电式传感器 7.1 什么是压电效应?什么是正压电效应和逆压电效应? 7.2 石英晶体和压电陶瓷的压电效应有何不同之处?为什么说 PZT 压电陶瓷是 优能的压电元件?比较几种常用压电材料的优缺点, 说出各自适用于什么场 合? 7.3 压电传感器能否用于静态测量?试结合压电陶瓷加以说明。 7.4 压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。 试述在不同接法下输 出电压、电荷、电容的关系,它们分别适用于何种应用场合? 7.5 电压放大器和电荷放大器本质上有何不同, 电荷放大器和电压放大器各有何 特点?它们各自适用于什么情况? 7.6 己知电压前置放大器输人电阻及总电容分别为 Ri ? 1M ? , Ci ? 100 pF ,求 与压电加速度计相配,测 1Hz 振动时幅值误差是多少? 7.7 已知电压式加速度传感器阻尼比 ? ? 0.1 。若其无阻尼固有频率 f 0 ? 32kHz , 要求传感器输出幅值误差在 5% 以内,试确定传感器的最高响应频率。 7.8 一压电加速度计,供它专用电缆的长度为 1.2m ,电缆电容为 100 pF ,压电 片本身电容为 1000 pF 。出厂标定电压灵敏度为 100V / g ,若使用中改用另 一根长 2.9m 电缆,其电容量为 300 pF ,问其电压灵敏度如何改变? 7.9 为什么压电器件一定要高阻抗输出? 7.10 用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度,已知:加速度计灵敏度为 5PC/g,电荷放大器灵敏度为 50mV/PC,当机器加速度达到最大值时,相应 输出电压幅值为 2V,试求该机器的振动加速度。 答案 7.1 答: 某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时, 由于内部电极化现象同 时在两个表面上产生符号相反的电荷,当外力去掉后,恢复到不带电的状态; 而 当作用力方向改变时,电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的 大小成正比。这种现象称为正压电效应。如对晶体施加一定变电场,晶体本身将 产生机械变形,外电场撤离,变形也随之消失,称为逆压电效应 7.2 答: 1)石英晶体整个晶体是中性的,受外力作用而变形时没有体积变形压电效应, 但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电陶瓷 PZT 是一种多晶铁电 体,原始的压电陶瓷材料并不具有压电性,必须在一定温度下做极化处理后, 留 下了很强的剩余极化强度,才能使其呈现出压电特性。 2)比较石英晶体 d12 、 d11 ,压电陶瓷的纵向压电常数 d33 大的多,是它们的上百 倍。所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度高。常用的优能压电陶瓷是锆钛酸铅 (PZT) ,它具有很高的介电常数,工作温度可达 250℃。 第 14 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 3) (略) 7.3 答: 1)由压电传感器的等效电路可见,要保证输出信号与输入作用力间的线性 关系,只有在负载电阻较大,工作频率较高时,传感器电荷才能得以保存补充, 需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的,故压电传感器只 能作动态测量,不宜作静态信号测量,只能在其上加交变力,电荷才能不断得到 补充,并给测量电路一定的电流。 2) (略) 7.4.答: 1)在压电式传感器中,为了提高灵敏度,往往采用多片压电芯片构成一个 压电组件。其中最常用的是两片结构;根据两片压电芯片的连接关系,可分为串 联和并联连接,常用的是并联连接,可以增大输出电荷,提高灵敏度。 2)如果按相同极性粘贴,相当两个压电片(电容)串联。输出总电容为单 片电容的一半,输出电荷与单片电荷相等,输出电压是单片的两倍;若按不同极 性粘贴,相当两个压电片(电容)并联,输出电容为单电容的两倍,极板上电荷 量是单片的两倍,但输出电压与单片相等。 7.5 答: (略) 7.6 解: ? 信号频率f ? 1Hz; 放大器输入电阻Ri ? 1M ?,电容Ci ? 100 pF 幅值误差为: U im (? ) ? U im (?) ? dFm? Ri 1 ? ? 2 Ri 2Ci 2 dFm Ci U im (? ) ? U im (?) U im (? ) ? ? 1 ? ?0.99 U im (?) U im (?) 相对误差为: (1 ? 0.99) ? 100% ? 1% 7.7 解: ?已知阻尼比? ? 0.1,固有频率f 0 ? 32kHz; 控制传感器在 5%以内的幅值误差为: u ( j? ) ? 1 ? ? [1 ? ( ) 2 ]2 ? [2? ]2 ?n ?n ? 1 f f [1 ? ( ) 2 ]2 ? [2 ? 0.1? ]2 32kHz 32kHz ? 0.95 第 15 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 式中 f 为最高响应频率: f ? 45.40kHz 7.8 解: 已知压电加速度计电缆长度为1.2m,电缆电容Cc =100pF , 传感器电容Ca =1000pF ; 电压灵敏度为K u ? 100V / g ?电压灵敏度K u ? d d ? ? 100V / g Cc ? Ca ? Ci 100pF ? 1000pF ? Ci d d ? ? 100V / g Cc ? Ca 100pF ? 1000pF 因Ci 较小忽略前置电路输入电容 电压灵敏度为:K u ? 求出:d ? 0.11? 106 更换2.9m电缆,电容Cc =300pF 电压灵敏度为:K u ? d 0.11? 106 ? ? 84.62V / g Cc ? Ca 300pF ? 1000pF 可见电缆加长后电压灵敏度下降。 7.9(略) 7.10 解: 已知加速度计灵敏度为5PC / g,电荷放大器灵敏度为50mV / PC 当输出幅值为 2V 时,机器振动加速度为: g? 2V / 50mV / PC ? 0.8 g 5 PC / g 第 16 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 第 8 章 光电效应及器件 8.1 什么是内光电效应?什么是外光电效应?说明其工作原理并指出相应的典 型光电器件。 8.2 普通光电器件有哪几种类型?各有何特点?利用光电导效应制成的光电器 件有哪些?用光生伏特效应制成的光电器件有哪些? 8.3 普通光电器件都有哪些主要特性和参数? 8.4 什么是光敏电阻的亮电阻和暗电阻?暗电阻电阻值通常在什么范围? 8.5 试述光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光电池的工作原理。如何正确选 用这些器件?举例说明。 8.6 光敏二极管由哪几部分组成,它与普通二极管在使用时有什么不同?请说明 原理。 8.7 光敏三极管与普通三极管的输出特性是否相同?主要区别在哪里? 8.8 何为光电池的开路电压及短路电流?为什么作为检测元件时要采用短路电 流输出形式,作为电压源使用时采用开路电压输出形式? 8.9 光电池的结构特征是什么?它如何工作的? 8.10 采用波长为 0.8~0.9 ? m 的红外光源时,宜采用哪种材料的光电器件做检 测元件?为什么? 8.11 反射式光电传感器常见的有哪些类型?有什么特点?应用时要注意哪些影 响? 8.12 举出日常生活中的两个光电式传感器的应用例子,并说明原理。 8.13 试拟定一光电开关用于自动装配流水线上工件计数检测系统(用示意图表 示出装置结构),并画出计数电路原理示意图, 并说明其工作原理。 8.14 试叙述智能小车设计中,如何利用反射式光电传感器实现“寻迹”功能, 并设计出光电传感器检测电路原理图。 8.15 光电传感器控制电路如图 8-53 所 示,试分析电路工作原理:① GP —IS01 是什么器件, 内部由哪两种 器件组成?② 当用物体遮挡光路 时, 发光二极管 LED 有什么变化? ③ R1 是什么电阻,在电路中起到 什么作用?如果 VD 二极管的最大 额定电流为 60mA, R1 应该如何选 择?④ 如果 GP—IS01 中的 VD 二极 图 8-53 管反向连接, 电路状态如何?晶体 管 VT 、LED 如何变化? 8.16 光栅传感器的基本原理是什么?莫尔条纹是如何形成的?有何特点?分析 光栅传感器具有较高测量精度的原因。 8.17 某光栅的栅线 线/mm ,要使形成莫尔条纹宽度为 10mm,求栅线 夹角 ? 是多少? 答案: 8.1 答:当用光照射物体时,物体受到一连串具有能量的光子的轰击,于是物体 第 17 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应(如电阻率变化、发射电子或产 生电动势等) 。这种现象称为光电效应。 1)当光线照在物体上,使物体的电导率发生变化,或产生光生电动势的现象 叫做内光电效应, 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。入射光强改变 物质导电率的物理现象称光电导效应,典型的光电器件有光敏电阻;光照时物体 中能产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应,光电池、光敏晶体管。 2)在光线作用下,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,典型的光电器件有光电管、光电倍增管。 8.2 答: (略) 8.3 答: 光照特性;光谱特性;伏安特性;温度特性;频率特性等 8.4 答: 暗电阻, 无光照时的电阻为暗电阻, 暗电阻电阻值范围一般为 0.5~200MΩ; 亮电阻、受光照时的电阻称亮电阻,亮电阻的阻值一般为 0.5~20KΩ。 8.5 答: (略) 8.6 答: (略) 8.7 答: (略) 8.8 答: 1)光生电动势与照度之间关系为开路电压曲线,短路电流是指外接负载电 阻相对于光电池内阻很小时的光电流值。 2)短路电流曲线在很大范围内与光照度成线性关系,因此光电池作为检测 元件使用时,一般不作电压源使用,而作为电流源的形式应用。而开路电压与光 照度关系在照度为 2000lx 以上趋于饱和呈非线性关系, 因此适于作电压源使用。 8.9 答: (略) 8.10 答: 1)采用波长为 0.8~0.9 ? m 的红外光源时,宜采硅光电池或硅光敏管,其 光谱响应峰值在 0.8 ? m 附近,波长范围在 0.4~1.2 ? m 。 2)其中硅光电池适于接受红外光,可以在较宽的波长范围内应用。 8.11-8.15 答: (略) 8.15 电路分析: 1)GP—IS01 是光电开关器件,内部由发光二极管和光敏晶体管组成; 2)当用物体遮挡光路时,Vg 无光电流 VT 截止,发光二极管 LED 不发光; 3)R1 是限流电阻,在电路中可起到保护发光二极管 VD 的作用;如果 VD 二极 管的最大额定电流为 60mA,选择电阻大于 R1 =(12V-0.7)/0.6 = 18.8Ω。 4)如果 GP—IS01 中的 VD 二极管反向连接,Vg 无光电流 VT 截止,发光二极 管 LED 不发光;电路无状态变化。 8.16 答: (略) 8.17 解: 已知:光栅的栅线mm ? B ? W /? ?? ? W / B ? 0.02 /10 ? 0.002rad 第 18 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 (即 0°06′53″) 第 9 章 新型光电传感器 9.1 象限探测器与 PSD 光电位置传感器有什么异同?各有哪些特点? 9.2 叙述 SSPD 自扫描光电二极管阵列工作原理及主要参数特征。 9.3 CCD 电荷耦合器主要由哪两个部分组成?试描述 CCD 输出信号的特点。 9.4 试述 CCD 的光敏元和读出移位寄存器工作原理。 9.5 用 CCD 做几何尺寸测量时应该如何由像元数确定测量精度。 9.6 CCD 信号二值化处理电路主要有哪种电路形式,可起到什么作用? 9.7 说明光纤传感器的结构和特点,试述光纤的传光原理。 9.8 当光纤的折射率 N1=1.46,N2=1.45 时,如光纤外部介质 N0=1,求最大入射角 θc 的值。 9.9 什么是光纤的数值孔径? 物理意义是什么?NA 取值大小有什么作用?有 一光纤,其纤芯折射率为 1.56,包层折射率为 1.24,求数值孔径为多少? 9.10 光纤传感器有哪两大类型?它们之间有何区别? 9.11 图 9-36 为 Y 结构型光纤位移测量原理图, 光源的光经光纤的一个分支入射, 经物体反射后光纤的另一分支将信号输出到光探测器上。光探测器的输出信 号与被测距离有什么样关系,试说明其调制原理,画出位移相对输出光强的 特性曲线 光纤可以通过哪些光的调制技术进行非电量的检测,说明原理。 9.13 埋入式光纤传感器有哪些用途,举例说明可以解决哪些工程问题。 答案 9.1 答: 1)象限探测器它是利用光刻技术,将一个整块的圆形或方形光敏器件敏感 面分隔成若干个面积相等、 形状相同、 位置对称的区域, 这就构成了象限探测器。 PSD 光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件。两种 器件工作机理不同,但其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。光电位置传感 器被广泛应用于激光束对准、 平面度检测、二维坐标检测以及位移和振动测量系 统。 2)象限探测器有几个明显缺点:它需要分割从而产生死区,尤其当光斑很 小时,死区的影响更明显。若被测光斑全部落入某个象限时,输出的电信号无法 表示光斑位置,因此它的测量范围、控制范围都不大,测量精度与光强变化及漂 移密切相关, 因此它的分辨率和精度受到限制。与象限探测器相比 PSD 传感器有 以下特点: (1)它对光斑的形状无严格要求,即输出信号与光的聚焦无关,只与光的 能量中心位置有关,这给测量带来很多方便。 (2)光敏面上无须分割,消除了死区,可连续测量光斑位置,位置分辨率 高,一维 PSD 可达 0.2μm。 (3)可同时检测位置和光强,PSD 器件输出的总光电流与入射光强有关, 而各信号电极输出光电流之和等于总光电流, 所以由总光电流可求得相应的入射 光强。 9.2 答: (略) 第 19 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 9.3 答: 1)CCD 基本结构由 MOS 光敏元阵列和读出移位寄存器两部分组成。 2)CCD 电极传输电荷方向(向右或向左)是通过改变三相时钟脉冲的时序 来控制的, 输出的幅值与对应的光敏元件上电荷量成正比。信号电荷的输出的方 式主要有电流输出和电压输出两种,电流输出型是输出电流与电荷成正比,在输 出电路负载上形成输出电流。 9.4 答: (略) 9.5 答: 两个光敏像元的空间尺寸必须小于被测量的最小尺寸。 可测量的范围是像元总宽度: 如, 1024 (相元数) ×0.014mm (光敏像元的空间尺寸) =14.3mm (测量范围) 。 9.6 答: 普遍采用的 CCD 视频信号二值化处理电路是电压比较器, 比较器的反相端接 一个阈值电平, 视频信号电平高于阈值电平的部分均输出高电平,而低于阈值电 平部分均输出低电平,在比较器的输出端就得到只有高低两种电平的二值信号, 二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。 反映在 CCD 视频信号中所 对应的图像尺寸边界处会有明显的电平急剧变化, 通过二值化处理把 CCD 视频信 号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。 9.7 答: (略) 9.8 解: 已知:N1 ? 1.46, N 2 ? 1.45, N 0 ? 1 ?? c ? arcsin( 9.9 答: 1 N0 2 N12 ? N 2 ) ? arcsin 0.1706 ? 9?49 2 1)数值孔径定义为: NA ? N12 ? N 2 ,表示了光纤的集光能力,无论光源 的发射功率有多大,只有在 2 ? c 张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入 射角超出这一范围,光线)NA 越大集光能力越强,光纤与光源间耦合会更容易,但 NA 越大光信号 畸变越大,所以要选择适当。 2 3)已知:N1 ? 1.56,N 2 ? 1.24, ? NA ? N12 ? N 2 ? 0.9466 9.10 答: 光纤传感器大致可分为功能型和非功能型两大类,它们的基本组成相似, 有 光纤传感器大致可分为功能型和非功能型两大类,它们的基本组成相似, 光源、入射光纤、调制器、出射光纤、光敏器件。 功能型又称传感型, 这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力 和检测功能,光纤不仅起到传光作用,而且在被测对象作用下使光强、相位、 偏 振态等光学特性得到调制, 调制后的信号携带了被测信息。如果外界作用时光纤 传播的光信号发生变化,使光的路程改变,相位改变,将这种信号接收处理后, 可以得到与被测信号相关的变化电信号。 非功能型又称传光型, 这时光纤只作传播光媒介, 非功能型又称传光型, 这时光纤只作传播光媒介,待测对象的调制功能是由 其它转换元件实现的,光纤的状态是不连续的,光纤只起传光作用。 第 20 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 9.12 答: 光强度调制: 利用外界物理量改变光纤中的光强度,通过测量光强的变化测 量被测信息。 根据光纤传感器探头结构形式可分为透射、 反射、 折射等方式调制。 相位调制:一般压力、张力、温度可以改变光纤的几何尺寸(长度) ,同时 由于光弹效应光纤折射率也会由于应变而改变, 这些物理量可以使光纤输出端产 生相位变化, 借助干涉仪可将相位变化转换为光强的变化。 干涉系统的种类很多, 可根据具体情况采用不同的干涉系统。 频率调制: 当光敏器件与光源之间有相对运动时,光敏器件接收到的光频率 fs 与光源频率 f 不同,这种现象称为光的“多普勒效应” 。频率调制方法可以测 量运动物体(流体)的速度、流量等。 第 10 章 半导体式化学传感器 10.1 什么是半导体气体传感器?它有哪些基本类型?气体传感器的发展动态如 何? 10.2 半导体气体传感器主要有哪几种结构?各种结构气体传感器的特点如何? 10.3 如何提高半导体气体传感器的选择性?根据文献举例说明,目前实用气体 检测方法常用哪些气敏传感器?它有什么特点? 10.4 半导体气体传感器为什么要在高温状态下工作?加热方式有哪几种?加热 丝可以起到什么作用? 10.5 查找文献说明近年有哪些新性的气体传感器。 10.6 什么是绝对湿度?什么是相对湿度?表示空气湿度的物理量有哪些?如何 表示? 10.7 湿度传感器的种类有哪些?主要参数有哪些?简述氯化锂湿度传感器的感 湿原理。 10.8 简述半导体湿敏陶瓷的感湿机理。半导体陶瓷湿敏传感器有那些特点? 10.9 离子选择电极是如何分类的?离子选择电极分析法有什么特点?试述离子 选择电极的结构与测量原理。 答案: 10.1 答:(略) 10.2 答: 1)按构成气敏传感器的材料可分为半导体和非半导体两大类;按半导体的 物理特性,气敏传感器可分为电阻型和非电阻型。 2)早期电化学和光学方法,其检测速度慢、设备复杂、使用不方便;新型 金属氧化物半导体传感器由于灵敏度高、体积小、使用方便,已广泛用于检测、 分析领域。 电阻型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,电阻型气敏传感器是目前使用较广泛的一种气敏元件,传感 器主要由敏感元件、 加热器、 外壳三部分组成。 非电阻型气敏传感器有不同类型, 如利用 MOS 二极管的电容-电压特性变化, 利用 MOS 场效应管的阈值电压的变化, 利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测。 10.3 答:(略) 第 21 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 10.4 答: 1)因为在常温下,电导率变化不大,达不到检测目的,因此以上结构的气 敏元件都有电阻丝加热器, 加热时间 2~3 分钟, 最佳工作温度为 200℃~400℃。 2)加热方式分为直热式和旁热式。电阻型气敏传感器加热的目的有两个方 面的因素, 一是为了加速气体吸附和上述的氧化还原反应,提高灵敏度和响应速 度,另外使附着在传感器元件壳面上的油雾、尘埃烧掉。 10.5 答:(略) 10.6 答: 1)绝对湿度指单位体积空气内所含水汽的质量,一般用每立方米空气中所 含水汽的克数表示 AH ? mV ( g / m3 ) V 2)相对湿度是指被测气体中,实际所含水汽蒸汽压和该气体在相同温度下 饱和水蒸气压的百分比,一般用符号%RH(Relative Humidity)表示,无量纲。 3)除用绝对湿度、相对湿度表示空气的水汽含量外,露点温度是一个与湿 度相关的重要物理量,简称露点。当空气中温度下降到某一温度时,空气中的水 汽就有可能转化为液相而凝结成露珠,这一特定温度称为空气的露点或露点温 度。 10.7 答:(略) 10.8 答: 1)半导体湿敏电阻通常用两种以上的金属—氧化物—半导体烧结成多孔陶 瓷,多孔陶瓷表面吸收水分的情况分为三个阶段,第一阶段是陶瓷在低湿区域或 刚接触水汽; 第二阶段是进一步吸收水分子或中等湿度环境;第三阶段大量水汽 存在使晶粒界充满水分子。 2)半导瓷湿敏传感器有正特性和负特性两种。负特性半导体瓷湿敏电阻的 电阻值随湿度增加而下降,电阻率低,阻值-湿度特性好。由于水分子中(H2) 氢原子具有很强的正电场, 当水分子在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面 俘获电子,使半导体表面带负电,相当表面电势变负,(P 型半导体电势下降, N 型半导体出现反型层)电阻率随湿度增加而下降。 10.9 答: 1)ISFET 没有金属栅极,而是在绝缘栅上制作了一层敏感膜,敏感膜种类 很多, 很多,不同敏感膜检测离子种类不同, 不同敏感膜检测离子种类不同,具有离子选择性, 具有离子选择性,如:Si3N4— Si3N4—氮,SiO2、 SiO2、 Al2O3(无机膜)可测 、PH。 Al2O3(无机膜)可测 H+(氢) (氢) 2)器件在 SiO2 层与栅极间无金属电极,而是待测溶液,溶液与参比电极同 时接触充当栅极构成场效应管,工作原理与场效应管相似。 3) 离子敏传感器是将普通 MOSFET 的金属栅去掉,让绝缘氧化层直接与溶液 相接触,栅极用铂金属膜作引线,在铂膜上涂一层离子敏感膜,构成离子敏场效 应管 ISFET。当离子敏场效应管 ISFET 插入溶液时,被测溶液与敏感膜接触处就 会产生一定的界面电势,这个电势大小取决于溶液中被测离子的浓度。 第 22 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 第 11 章 波与射线 什么是超声波?其频率范围是多少? 11.2 超声波在通过两种介质界面时,将会发生什么现象? 11.3 超声波传感器的发射与接收分别利用什么效应,检测原理是什么?常用的 超声波传感器(探头)有哪几种形式?简述超声波测距原理。 11.4 利用超声波测厚的基本方法是什么?已知超声波在工件中的声速为 5640m/s,测得的时间间隔 t 为 22 ? s ,试求工件厚度 11.5 利用 EN555 集成器件, 自行设计一超声波传感器控制的遥控开关发射电路, 传感器中心频率为 40kHz,遥控距离 10m,绘出电路原理图,请说明电路工作 原理。 11.6 红外辐射探测器分为哪两种类型?这两种探测器有哪些不同?试比较它们 的优缺点。 11.7 叙述热释电效应,热释电元件如何将光信号转变为电信号输出?热释电探 测器为什么只能探测调制辐射? 11.8 题图 11-39 为热释电元件 内部结构图,请说明图中 FET 是什么元件,Rg 与 FET 在传感器电路中起到什么作 用? 11.9 试设计一个红外控制的电 扇开关自动控制电路,并叙 述其工作原理。 11.10 什么是放射性同位素? 图 11-39 辐射强度与什么有关系? 11.11 试用核辐射测量方法设计一个测厚仪器系统,请画出测量系统结构原理示 意图,试说明射线 放射性探测器有哪几种?结构如何,各有什么特征? 答案 11.1 答: 1) 超声波是人耳无法听到的声波。 人耳听见的声波称机械波, 频率在 16Hz~ 20kHz, 一般说线Hz 频率的波称为次声 波,高于 20kHz 频率的波称超声波,频率在 300MHz~300GHz 之间的波称为微波。 2)超声波频率范围在几十千赫兹到几十兆赫兹, 11.2 答: 当超声波从一种介质入射到另一种介质时,在界面上会产生反射、折射和波 形转换。 11.3 答: 1)超声波传感器主要利用压电材料(晶体、陶瓷)的压电效应,其中超声 波发射器利用逆压电效应制成发射元件, 将高频电振动转换为机械振动产生超声 波;超声波接收器利用正压电效应制成接收元件,将超声波机械振动转换为电信 号。 第 23 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 2)按工作形式简单超声波传感器有专用型和兼用型两种形式 , 兼用型传感器 2)按工作形式简单超声波传感器有专用型和兼用型两种形式, 是将发射( ( TX ) 和接收( ( RX ) 元件制作在一起, , 器件可同时完成超声波的发射与 是将发射 和接收 元件制作在一起 接收; ; 专用型传感器的发送( ( 接收 专用型传感器的发送 TX)和接收( 和接收(RX)器件各自独立。 器件各自独立。按结构形式有密 封性和开放型, 超声波传感器上一般标有中心频率 (23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 封性和开放型, 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz) ,表示传感器工作频率。3) (略) ) 400kHz) ,表示传感器工作频率。3)(略 11.4 1)通过测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔 t 和超声波在介质中传播 速度,便可以求得待测的厚度或物位。 2)解: 已知:? ? 5640m / s, t1 ? t2 ? 22 ? s ?由?t ? 2?h / ?,得到工件厚度?h ? ?t? / 2 ? 62.04m 11.5(略) 11.6 答: 1)红外探测器主要有两大类型:热探测器(热电型) ,包括热释电、热敏电 阻、热电偶;光子探测器(量子型) ,利用某些半导体材料在红外辐射的照射下 产生光电子效应,使材料的电学性质发生变化,其中有光敏电阻、光敏晶体管、 光电池等。 2)红外探测器是能将红外辐射能转换为电能的热电或光电器件,当器件吸 收辐射能时温度上升,温升引起材料各种有赖于温度的参数变化,检测其中一种 性能的变化, 既可探知辐射的存在和强弱。光量子型红外探测器是能将红外辐射 的光能直接转换为电能的光敏器件。 3)光子探测器与热释电传感器区别是,光量子型光电探测器探测的波长较 )光子探测器与热释电传感器区别是,光量子型光电探测器探测的波长较 窄,而热探测器几乎可以探测整个红外波长范围。 窄,而热探测器几乎可以探测整个红外波长范围。 11.7 答: 1)热释电效应首先利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号,这一 热释电效应首先利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号,这一 过程包括了光→ 过程包括了光→热→电的两次信息变换过程, 电的两次信息变换过程,而对波长频率没有选择。 而对波长频率没有选择。光→热→ 电转换过程中, 电转换过程中,光→热阶段, 热阶段,物质吸收光能, 物质吸收光能,温度升高; 温度升高;热→电阶段, 电阶段,利用某种 效应将热转换为电信号。 当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面时, 薄片温度升高使极化强度 降低,表面电荷减少,释放部分电荷,所以称热释电。 2)温度一定时因极化产生的电荷被附集在外表面的自由电荷慢慢中和掉不 显电性,要让热释电材料显现出电特性,必需用光调制器使温度变化,并且调制 器的入射光频率 f 必须大于电荷中和时间的频率。 11.8 电路分析: 1)FET 为场效应管 2)输入电阻 Rg 安装在管壳中,与 FET 场效应管起到阻抗变换的作用。由于 热释电传感器绝缘电阻很高, 几十至几百兆欧容易引入噪声,使用时要求有较高 的输入电阻。 11.10 答: 1)具有确定质子数和中子数的原子核称做核素,凡是原子序数相同,原子 质量不同的元素,在元素周期表中占同一位置,称同位素。 2)放射性的强弱称为放射性强度,一般用单位时间内发生衰变的次数来表 示,也称核辐射强度。 第 24 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 第 12 章 热电式传感器 12.1 什么是热电效应?热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成?由同一种 导体组成的闭合回路能产生热电势吗? 12.2 为什么热电偶的参比端在实际应用中很重要?对参比端温度处理有哪些方 法? 12.3 解释下列有关热电偶的名词: 热电效应、热电势、接触电势、温差电势、热电极、测量端、参比端、分 度表。 12.4 试比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器的特点。 12.5 某热电偶灵敏度为 0.04mV/℃,把它放在温度为 1200℃处的温度场,若指 示表(冷端)处温度为 50℃,试求热电势的大小? 12.6 某热电偶的热电势在 E(600,0)时,输出 E=5.257 mV,若冷端温度为 0℃时, 测某炉温输出热电势 E=5.267 mV。试求该加热炉实际温度是多少? 12.7 已知铂热电阻温度计 0℃时电阻为 100? , 100℃时电阻为 139Ω,当它与某 热介质接触时,电阻值增至 281Ω,试确定该介质温度。 12.8 用分度号为 K 型镍铬-镍硅热电偶测温度,在未采用冷端温度补偿的情况 下,仪表显示 500℃,此时冷端为 60℃。试问实际测量温度为多少度?若热 端温度不变,设法使冷端温度保持在 20℃,此时显示仪表指示多少度? 12.9 什么是集成温度传感器?P-N 结为什么可以用来作为温敏元件? 12.10 AD590 是哪一种形式输出的温度传感器,可以测量的温度范围是多少?叙 述图 12-23 电路工作原理。 12.11 用 AD590 设计一可测量温度范围 0~100℃ 100℃的数字温度计,画出电路原理 图。 12.12 DS18B20 智能型温度传感器与集成温度传感器 AD590 的工作原理和输出信 号有什么不同?如何用 DS18B20 实现多点测温的? 答案 12.1 答: 1)两种不同类型的金属导体两端分别接在一起构成闭合回路,当两个结点 有温差时,导体回路里有电流流动会产生热电势,这种现象称为热电效应。 2)热电偶测温回路中热电势主要是由接触电势和温差电势两部分组成。 3)热电偶两个电极材料相同时,无论两端点温度如何变化无热电势产生。 12.2 答: 1)实际测量时利用这一性质,可对参考端温度不为零度时的热电势进行修 正。 2)因为热电偶的分度表均是以参考端 T =0℃为标准的,而实际应用的热电 偶参考端往往 T≠0℃,一般高于零度的某个数值,此时可利用中间温度定律对 检测的热电势值进行修正,以获得被测的线 答:热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器特点如下: ? 热电偶可以测量上千度高温,并且精度高、性能好,这是其它温度传感 器无法替代。 第 25 页 共 26 页 传感器原理及应用课后答案 ? 热电阻结构很简单,金属热电阻材料多为纯铂金属丝,也有铜、镍金属。 金属热电阻广泛用于测量-200~+850℃温度范围,少数可以测量 1000 ℃。 ? 热敏电阻由半导体材料制成,外形大小与电阻的功率有关,差别较大。 热敏电阻用途很广,几乎所有家用电器产品都装有微处理器,这些温度 传感器多使用热敏电阻。 12.5 解: 已知:热电偶灵敏度为 0.04mV/℃,把它放在温度为 1200℃处的温度场,若指示 表(冷端)处温度为 50℃,则 中间温度为:1200℃-50℃=1150℃; 热电势为: 0.04mV/℃×1150℃=46mV 或: EAB(T,0)= EAB(T,1200)+ EAB(50,0)= 1200℃×0.04mV/℃-50℃×0.04mV/ ℃=46mV 12.6 解: 已知:热电偶的热电势 E(600.0,0)=5.257 mV,冷端温度为 0℃时,输出热电 势 E=5.267 mV, 热电偶灵敏度为:K = 5.257 mV/600 = 0.008762 mV/℃ 该加热炉实际温度是:T= E/K = 5.267 mV/0.008762 mV/0℃ = 601.14℃ 12.7 解: 已知:铂热电阻温度计 0℃时电阻为 100? ,100℃时电阻为 139Ω; 可通过查表得:当电阻值增至 281Ω时,介质温度为 500℃。 12.8 用分度号为 K 型镍铬-镍硅热电偶测温度, 在未采用冷端温度补偿的情况下, 仪表显示 500℃, 此时冷端为 60℃。试问实际测量温度为多少度?若热端温度不 变,设法使冷端温度保持在 20℃,此时显示仪表指示多少度? 12.9 答: 1)集成温度传感器多采用匹配的差分对管作为温度敏感元件; 2)根据绝对温度比例关系,利用两个晶体管发射极的电流密度在恒定比率 下工作时,一对晶体管的基极与发射极(P-N 结)之间电压差 ?VBE 与温度呈线性 关系进行温度测量。 12.10 答: 1)AD590 是典型的电流输出型集成温度传感器,测温范围是-50~+150℃; 2)该电路是一温度控制电路。AD311 为比较器,温度达到限定值时比较器 输出电压极性翻转,控制复合晶体管导通截止,从而控制加热器电流变化。 12.11 答: (略) 12.12 答: 1)DS18B20 智能型温度传感器是将温度系数通过振荡器转换为频率信号, 相当于 T/f(温度/频率)转换器,将被测温度 T 转换成频率信号 f,输出为数字 信号;AD590 是利用 P-N 结电压随温度的变化进行测温,输出为模拟信号。 2)DS18B20 支持多点组网功能,多个 DS18B20 可并联在唯一的总线上实现 多点测温;使用中不需要任何外围器件,测量结果以 9 位数字量方式串行传送。 第 26 页 共 26 页

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