1、第1章 傳感與檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)（P26）13用測(cè)量范圍為50150kPa的壓力傳感器測(cè)量140kPa的壓力時(shí)，傳感器測(cè)得示值為142kPa，求該示值的絕對(duì)誤差、實(shí)際相對(duì)誤差、標(biāo)稱相對(duì)誤差和引用誤差。解：已知：真值L140kPa測(cè)量值x142kPa測(cè)量上限150kPa測(cè)量下限50kPa絕對(duì)誤差x-L=142-140=2(kPa)實(shí)際相對(duì)誤差標(biāo)稱相對(duì)誤差引用誤差110對(duì)某節(jié)流元件（孔板）開孔直徑d20的尺寸進(jìn)行了15次測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如下（單位：mm）：120.42120.43120.40120.42120.43120.39120.30120.40120.43120.41120.43120.421

2、20.39120.39120.40試用格拉布斯準(zhǔn)則判斷上述數(shù)據(jù)是否含有粗大誤差，并寫出其測(cè)量結(jié)果。解：對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)列表如下：序號(hào)測(cè)量值殘余誤差殘余誤差1120.420.0160.0092120.430.0260.0193120.400.0040.0114120.420.0160.0095120.430.0260.0196120.390.0140.0217120.300.1048120.400.0040.0119120.430.0260.01910120.410.0060.00111120.430.0260.01912120.420.0160.00913120.390.0140.02114120.

3、390.0140.02115120.400.0040.011當(dāng)n15時(shí)，若取置信概率P0.95，查表可得格拉布斯系數(shù)G2.41。則，所以為粗大誤差數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)剔除。然后重新計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)n14時(shí)，若取置信概率P0.95，查表可得格拉布斯系數(shù)G2.37。則，所以其他14個(gè)測(cè)量值中沒有壞值。計(jì)算算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差所以，測(cè)量結(jié)果為：114交流電路的電抗數(shù)值方程為當(dāng)角頻率，測(cè)得電抗為；當(dāng)角頻率，測(cè)得電抗為；當(dāng)角頻率，測(cè)得電抗為。試用最小二乘法求電感、電容的值。解法1：，設(shè)，則：所以，系數(shù)矩陣為，直接測(cè)得值矩陣為，最小二乘法的最佳估計(jì)值矩陣為。其中，所以，所以所以，解法2：，設(shè)，則：所以，系數(shù)

4、矩陣為，則，由（139）式?jīng)Q定的正規(guī)方程為其中，所以，所以，所以，2-1 什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？它們的作用及相互關(guān)系如何？【答】1、傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。2、傳感器由：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路和輔助的電源組成。3、它們的作用是：（1）敏感元件：是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；（2）轉(zhuǎn)換元件：是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分；（3）信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路：由于傳感器輸出信號(hào)一般都很微弱，需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等；（4）輔助的電源：此外信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以

5、及傳感器的工作必須有輔助的電源。4、最簡單的傳感器由一個(gè)敏感元件(兼轉(zhuǎn)換元件)組成，它感受被測(cè)量時(shí)直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是轉(zhuǎn)換元件。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個(gè)，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。2-2 什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能指標(biāo)？分別說明這些性能指標(biāo)的含義?！敬稹?、傳感器的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出與輸入的關(guān)系。也即當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)，這一關(guān)系就稱為靜態(tài)特性。2、靜態(tài)特性性能指標(biāo)包括：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性和漂移等。3、性能指標(biāo)：（1）靈敏度：輸出量增

6、量y與引起輸出量增量y的相應(yīng)輸入量增量x之比。用S表示靈敏度，即（2）線性度：傳感器的線性度是指在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值Lmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用L表示，即 （3）遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。用H表示，遲滯誤差又稱為回差或變差。即 ：（4）重復(fù)性：重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差，常用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，也可用正反行程中最大重復(fù)差值Rmax計(jì)算，即 或（5）漂移：傳感器的漂移是指在輸入

7、量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度（一般為20）時(shí)的輸出值的變化量與溫度變化量之比()來表示， 即 2-3 什么是傳感器的動(dòng)態(tài)特性？它有哪幾種分析方法？它們各有哪些性能指標(biāo)？【答】1、動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。2、研究動(dòng)態(tài)特性的方法有兩種：時(shí)域法和頻域法。在時(shí)域內(nèi)研究動(dòng)態(tài)特性采用瞬態(tài)響應(yīng)法。輸入的時(shí)間函數(shù)為階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、斜坡函數(shù)，工程上常輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為階躍函數(shù)；在頻域內(nèi)研究動(dòng)態(tài)特性采用頻率響應(yīng)法，輸入的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)為正弦函數(shù)。3、性能指標(biāo)是：（1）傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 時(shí)間常數(shù)：一階傳感器輸出上

8、升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時(shí)間，稱為時(shí)間常數(shù)； 延遲時(shí)間td：傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時(shí)間； 上升時(shí)間tr：傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間； 峰值時(shí)間tp： 二階傳感器輸出響應(yīng)曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需的時(shí)間； 超調(diào)量： 二階傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值； 衰減比d：衰減振蕩的二階傳感器輸出響應(yīng)曲線第一個(gè)峰值與第二個(gè)峰值之比。（2）頻率響應(yīng)特性指標(biāo) 通頻帶0.707： 傳感器在對(duì)數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3 dB 時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍； 工作頻帶0.95（或0.90）：當(dāng)傳感器的幅值誤差為5%（或10%）時(shí)其增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍； 時(shí)間常數(shù)： 用時(shí)間常數(shù)來表征一階傳感器的動(dòng)

9、態(tài)特性。越小，頻帶越寬； 固有頻率n： 二階傳感器的固有頻率n表征其動(dòng)態(tài)特性； 相位誤差：在工作頻帶范圍內(nèi)，傳感器的實(shí)際輸出與所希望的無失真輸出間的相位差值，即為相位誤差； 跟隨角0.707: 當(dāng)=0.707時(shí)，對(duì)應(yīng)于相頻特性上的相角， 即為跟隨角。 2-4 某壓力傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)如表2-1所示，計(jì)算非線性誤差（線性度）、遲滯、重復(fù)性誤差和總精度。表2-1 壓力傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入壓力/MPa輸出電壓/mV第一循環(huán)第二循環(huán)第三循環(huán)正行程反行程正行程反行程正行程反行程0-2.73-2.71-2.71-2.68-2.68-2.690.020.560.660.610.680.640.690.043.96

10、4.063.994.094.034.110.067.407.497.437.537.457.520.0810.8810.9510.8910.9310.9410.990.1014.4214.4214.4714.4714.4614.46解：靈敏度k=1時(shí)，一階傳感器的單位階躍響應(yīng)為。類似地，該測(cè)溫傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)函數(shù)可表示為：。當(dāng)時(shí)，。所以，動(dòng)態(tài)誤差。2-5 當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度為t1，測(cè)溫傳感器示值溫度為t2時(shí)，有下列方程式成立：。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度從25突然變化到300時(shí)，測(cè)溫傳感器的時(shí)間常數(shù)，試確定經(jīng)過350s后的動(dòng)態(tài)誤差。【解】 把輸入看作從0275的階躍輸入信號(hào)，則：X(t)=0,t0X(t)=2

11、75,t0輸入信號(hào)的拉普拉斯變換為： 又因 ，即 所以 ,進(jìn)行拉普拉斯反變換后，有估算 的階躍響應(yīng)值：其動(dòng)態(tài)誤差為：圖2-3一階傳感器階躍響應(yīng)25 當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度為t1，測(cè)溫傳感器示值溫度為t2時(shí)，有下列方程式成立：。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度從25突然變化到300時(shí)，測(cè)溫傳感器的時(shí)間常數(shù)，試確定經(jīng)過350s后的動(dòng)態(tài)誤差。已知：，求：t=350s時(shí)，解：靈敏度k=1時(shí)，一階傳感器的單位階躍響應(yīng)為。類似地，該測(cè)溫傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)函數(shù)可表示為：。當(dāng)時(shí)，。所以，動(dòng)態(tài)誤差。25FR1題36圖3-1 什么是應(yīng)變效應(yīng)？什么是壓阻效應(yīng)？利用應(yīng)變效應(yīng)解釋金屬電阻應(yīng)變片的工作原理。【答】1、所謂應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體在外界作

12、用下產(chǎn)生機(jī)械變形（拉伸或壓縮）時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。2、半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。3、應(yīng)變式傳感器的基本工作原理：當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等作用下發(fā)生形變，變換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，將引起應(yīng)變敏感元件的阻值發(fā)生變化，通過轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映了被測(cè)物理量得大小。3-2 試述溫度誤差的概念、產(chǎn)生的原因和補(bǔ)償?shù)霓k法。【答】1、由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來的附加誤差， 稱為應(yīng)變片的溫度誤差。 2、產(chǎn)生的原因有兩個(gè)：一是敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化帶來

13、的附加誤差；二是當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。3、電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有：線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償 。3-3 電阻應(yīng)變片的直流電橋測(cè)量電路，若按不同的橋臂工作方式可分為哪幾種？各自的輸出電壓如何計(jì)算？【答】1、可分為：單臂電橋、半差動(dòng)電橋和全差動(dòng)電橋三種。2、單臂電橋輸出電壓為：半差動(dòng)電橋輸出電壓為：全差動(dòng)電橋輸出電壓為：3-4 擬在等截面的懸臂梁上粘貼四個(gè)完全相同的電阻應(yīng)變片，并組成差動(dòng)全橋測(cè)量電路，試問：（1）四個(gè)電阻應(yīng)變片怎樣貼在懸臂梁上？（2）畫出相應(yīng)的電橋電路?！敬稹?、在懸臂梁力傳感器中，一般將應(yīng)變片貼在

14、距固定端較近的表面，且順梁的方向上下各貼兩片，上面兩個(gè)應(yīng)變片受壓時(shí)，下面兩個(gè)應(yīng)變片受拉，并將四個(gè)應(yīng)變片組成全橋差動(dòng)電橋。這樣既可提高輸出電壓靈敏度，又可減小非線性誤差。 圖3-1等截面積懸臂梁2、差動(dòng)全橋測(cè)量電路圖3-2差動(dòng)全橋測(cè)量電路3-5 題3-3圖為一直流電橋，圖中E=4V，R1= R2= R3= R4=120，試求：（1）R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)R1的增量為R1=1.2時(shí)，電橋輸出的電壓U0=?（2）R1 、R2都是金屬應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感應(yīng)應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋輸出的電壓U0=?（3）題（2）中，如果R2 與R1感受應(yīng)變的極性相反，且R1=R2=1

15、.2，電橋輸出的電壓U0=?圖3-3直流電橋測(cè)量電路【解】1、電橋輸出電壓為 ：2、電橋輸出電壓為 ：3、當(dāng)R1受拉應(yīng)變，R2受壓應(yīng)變時(shí)，電橋輸出電壓為 ：當(dāng)R1受壓應(yīng)變，R2受拉應(yīng)變時(shí)，電橋輸出電壓為 ：3-6 題3-4圖為等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)，R1為電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏度系數(shù)K=2.05，未受應(yīng)變時(shí)，R1=120。當(dāng)試件受力F時(shí)，應(yīng)變片承受平均應(yīng)變=800m/m，試求：（1）應(yīng)變片電阻變化量R1和電阻相對(duì)變化量R1/R1。（2）將電阻應(yīng)變片R1置于單臂測(cè)量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。（3）若要減小非線性誤差，應(yīng)采取何種措施？分析其電橋輸出電壓及非線性誤差大小

16、。36 題36圖為等強(qiáng)度懸臂梁測(cè)力系統(tǒng)，為電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏系數(shù)K2.05，未受應(yīng)變時(shí)，。當(dāng)試件受力F時(shí)，應(yīng)變片承受平均應(yīng)變，試求： 應(yīng)變片電阻變化量和電阻相對(duì)變化量。 將電阻應(yīng)變片置于單臂測(cè)量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。 若要減小非線性誤差，應(yīng)采取何種措施？分析其電橋輸出電壓及非線性誤差大小。已知：K2.05，求：， 解： 應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量為電阻變化量為設(shè)電橋的倍率n1，則電橋的輸出電壓為電橋的非線性誤差為FR1R2R4R13、減小非線性誤差采取的措施為了減小和克服非線性誤差，常采用差動(dòng)電橋。差動(dòng)電橋無非線性誤差，且半差動(dòng)電橋電壓靈敏度KU=E/2

17、，是單臂工作時(shí)的2倍，全差動(dòng)電橋電壓靈敏度KU=E，是單臂工作時(shí)的4倍。同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。 37 在題36條件下，如果試件材質(zhì)為合金鋼，線膨脹系數(shù)，電阻應(yīng)變片敏感柵材質(zhì)為康銅，其電阻溫度系數(shù)，線膨脹系數(shù)。當(dāng)傳感器的環(huán)境溫度從10變化到50時(shí)，所引起的附加電阻相對(duì)變化量（）為多少？折合成附加應(yīng)變?yōu)槎嗌?？解：已知：試件合金鋼的線膨脹系數(shù)，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為K02.05，電阻溫度系數(shù)，線膨脹系數(shù)，則由溫度變化引起的附加電阻相對(duì)變化為：。折合成附加應(yīng)變?yōu)椤?-8 一個(gè)量程為10KN的測(cè)力傳感器，其彈性元件為薄壁圓筒軸向受力，外徑為20mm，內(nèi)徑為18mm，在其表面粘貼8個(gè)應(yīng)變片，4個(gè)沿軸向粘

18、貼，4個(gè)沿周向粘貼，應(yīng)變片的電阻值為120，靈敏度為2.0，泊松比為0.3，材料彈性模量E=2.11011 Pa。要求：（1）繪出彈性元件貼片位置及全橋電路；（2）計(jì)算傳感器在滿量程時(shí)，各應(yīng)變片的電阻值；（3）當(dāng)橋路的供電電壓為10V，計(jì)算電橋負(fù)載開路時(shí)的輸出電壓?！窘狻?、彈性元件貼片位置及全橋電路如圖3-5所示。 圖3-5應(yīng)變片粘貼位置及電路連接圖2、圓筒截面積：應(yīng)變片1、2、3、4感受軸向應(yīng)變：應(yīng)變片5、6、7、8感受周向應(yīng)變：滿量程時(shí)：3、全受拉力：4-1說明差動(dòng)變間隙式電感傳感器的主要組成、工作原理和基本特性。【答】1、差動(dòng)變隙式電感傳感器由兩個(gè)完全相同的電感線圈合用一個(gè)銜鐵和相應(yīng)磁

19、路組成。圖4-1差動(dòng)變隙式電感傳感器結(jié)構(gòu)圖2、測(cè)量時(shí)，銜鐵與被測(cè)件相連，當(dāng)被測(cè)件上下移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng)，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減小，形成差動(dòng)形式。（1）當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)：（2）當(dāng)銜鐵上移時(shí)：使上氣隙 ，上線圈電感增加 ；使下氣隙 ，下線圈電感減小 。則：3、如果兩個(gè)線圈反接，則傳輸特性為：間隙的改變量/0與 L/L0有理想線性關(guān)系。測(cè)量電路的任務(wù)是將此式轉(zhuǎn)換為電壓或電流。4-3差動(dòng)變壓器式傳感器有哪幾種結(jié)構(gòu)形式？各有什么特點(diǎn)？【答】1、差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式有：有變隙式、變面積式和螺線管式等，在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器。2、特點(diǎn)：（

20、1）變氣隙式：靈敏度較高，但隨氣隙的增大而減小，非線性誤差大，為了減小非線性誤差，量程必須限制在較小的范圍內(nèi)工作，一般為氣隙的1/5以下，用于測(cè)量幾幾百的位移。這種傳感器制作困難；（2）變面積式：靈敏度小于變氣隙式，但為常數(shù)，所以線性好、量程大，使用較廣泛；（3）螺線管式：靈敏度低，但量程大它可以測(cè)量1100mm 機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、便于制作等優(yōu)點(diǎn)，使用廣泛。4-5 差動(dòng)變壓器式傳感器的零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么？怎樣減小和消除它的影響？【答】1、零點(diǎn)殘余電壓主要由基波分量和高次諧波分量組成。（1）產(chǎn)生基波分量的主要原因是：傳感器兩線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸的不對(duì)稱

21、，以及構(gòu)成電橋另外兩臂的電氣參數(shù)不一致。（2）造成高次諧波分量的主要原因是： 磁性材料磁化曲線的非線性，同時(shí)由于磁滯損耗和兩線圈磁路的不對(duì)稱，造成兩線圈中某些高次諧波成分不一樣，不能對(duì)消，于是產(chǎn)生了零位電壓的高次諧波。此外，激勵(lì)信號(hào)中包含的高次諧波及外界電磁場(chǎng)的干擾，也會(huì)產(chǎn)生高次諧波。2、減小電感式傳感器的零點(diǎn)殘余電壓的措施（1）從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性 為保證線圈和磁路的對(duì)稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對(duì)，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)；其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在

22、磁化曲線的線性段；減少激勵(lì)電流的諧波成分與利用外殼進(jìn)行電磁屏蔽也能有效地減小高次諧波。（2）選用合適的測(cè)量線路另一種有效的方法是采用外接測(cè)量電路來減小零位電壓。如相敏檢波電路，它能有效地消除基波正交分量與偶次諧波分量，減小奇次諧波分量，使傳感器零位電壓減至極小。采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。 圖4-2相敏檢波后的輸出特性（3）采用補(bǔ)償線路采用平衡調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，這是一種既簡單又行之有效的方法。 圖4-3補(bǔ)償電路圖4-6 簡述相敏檢波電路的工作原理，保證其

23、可靠工作的條件是什么？【答】1、開關(guān)式全波相敏檢波電路如圖4-4所示：u0usuru3u2u1圖4-4 開關(guān)式全波相敏檢波電路原理圖相敏檢波器工作時(shí)要求參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)頻率相同。（1）與同相參考信號(hào)經(jīng)A1和D組成的整形電路后的輸出是與被測(cè)信號(hào)同頻、反相,占空比11的方波。此方波信號(hào)是控制電路電流流通的開關(guān),為場(chǎng)效應(yīng)管3DJ7J提供柵源偏置電壓,控制電子開關(guān)的動(dòng)作,決定場(chǎng)效應(yīng)管漏極信號(hào)。由場(chǎng)效應(yīng)管工作原理知:當(dāng)時(shí)，V截止： 當(dāng)時(shí)，V導(dǎo)通： （1）差放A2對(duì)信號(hào)和進(jìn)行合成，得到相敏檢波器輸出信號(hào)，其表達(dá)式為: （2）當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管截止時(shí)，運(yùn)放A2工作在跟隨狀態(tài)；當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，A2工作在反相放大狀

24、態(tài)。驗(yàn)證測(cè)量時(shí)取 Rf = R4。把式(1)代入式(2)中，得:當(dāng)時(shí)： 當(dāng)時(shí)： （3）由式(3)知，從相敏檢波器輸出信號(hào)中得到了被測(cè)信號(hào)。對(duì)上述相敏檢波器電路進(jìn)行性能測(cè)試，通過調(diào)整Rf可以改變運(yùn)放A2對(duì)信號(hào)放大的幅度,測(cè)試波形如圖2所示。對(duì)應(yīng)圖1，再對(duì)進(jìn)行濾波，即可取其直流分量，從而得到被測(cè)信號(hào)幅值。圖4-5開關(guān)式全波相敏檢波電路波形圖（2）與反相分析原理同（1），若與反相時(shí)檢波輸出，如圖（b）所示。2、 參考信號(hào)和差動(dòng)變壓器式傳感器激磁電壓由同一振蕩器供電， 保證二者同頻同相（或反相）。37 在題36條件下，如果試件材質(zhì)為合金鋼，線膨脹系數(shù)，電阻應(yīng)變片敏感柵材質(zhì)為康銅，其電阻溫度系數(shù)，線膨脹

25、系數(shù)。當(dāng)傳感器的環(huán)境溫度從10變化到50時(shí)，所引起的附加電阻相對(duì)變化量（）為多少？折合成附加應(yīng)變?yōu)槎嗌?？解：已知：試件合金鋼的線膨脹系數(shù)，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為K02.05，電阻溫度系數(shù)，線膨脹系數(shù)，則由溫度變化引起的附加電阻相對(duì)變化為：。折合成附加應(yīng)變?yōu)椤?mVZ2Z1VD1VD4VD3VD2R1R2R3R4CD題47圖CDZ1Z2R2R1UiUo+圖（b）CDZ2Z1R2R1UiUo+圖（a） 48 已知變隙式電感傳感器的鐵芯截面積A1.5cm2，磁路長度L20cm，相對(duì)磁導(dǎo)率，氣隙，真空磁導(dǎo)率，線圈匝數(shù)，求單端式傳感器的靈敏度。若將其做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，靈敏度將如何變化？解：已知：A01.

26、5cm2，。單端式傳感器的靈敏度為若將其做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，則靈敏度為單線圈式的兩倍，且線性度也會(huì)得到明顯改善。4-10 何謂渦流效應(yīng)？怎樣利用渦流效應(yīng)進(jìn)行位移測(cè)量？【答】1、根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。2、有一通以交變電流的傳感器線圈。由于電流的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)H1。若被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng)H2，H2與H1方向相反，力圖削弱原磁場(chǎng)H1，從而導(dǎo)致線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)

27、率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中的線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離參數(shù)改變，余者皆不變，就能構(gòu)成測(cè)量位移的傳感器。4-12 電渦流傳感器常用的測(cè)量電路有哪幾種？其測(cè)量原理如何？各有什么特點(diǎn)？1、用于電渦流傳感器的測(cè)量電路主要有：調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。 2、測(cè)量原理（1）調(diào)頻式測(cè)量原理傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x), 該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過f-V變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。 圖4-6調(diào)頻式測(cè)量原理圖（2

28、）調(diào)幅式測(cè)量原理由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率（f0）穩(wěn)定的激勵(lì)電流io。當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大， 諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)放大、 檢波后， 由指示儀表直接顯示出x的大小。 圖4-7調(diào)幅式測(cè)量原理圖除此之外， 交流電橋也是常用的測(cè)量電路。 3、特點(diǎn) 調(diào)頻式測(cè)量電路除結(jié)構(gòu)簡單、成本較低外，還具有

29、靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。 調(diào)幅式測(cè)量電路線路較復(fù)雜，裝調(diào)較困難，線性范圍也不夠?qū)挕?-13 利用電渦流式傳感器測(cè)板材厚度，已知激勵(lì)電源頻率f =1MHz，被測(cè)材料相對(duì)磁導(dǎo)率r=1，電阻率=2.910-6 Cm，被測(cè)板材厚度為 =（1+0.2）mm。試求：（1）計(jì)算采用高頻反射法測(cè)量時(shí)，渦流透射深度h為多大？（2） 能否采用低頻透射法測(cè)板材厚度？若可以需采取什么措施？畫出檢測(cè)示意圖?！窘狻?、為了克服帶材不夠平整或運(yùn)行過程中上下波動(dòng)的影響，在帶材的上、下兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)置了兩個(gè)特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。S1和S2與被測(cè)帶材表面之間的距離分別為x1和x2。若帶材厚度不變，則被測(cè)帶材上、下

30、表面之間的距離總有x1+x2=常數(shù)的關(guān)系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo，數(shù)值不變。如果被測(cè)帶材厚度改變量為，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個(gè)，兩傳感器輸出電壓此時(shí)為2UoU。U經(jīng)放大器放大后，通過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測(cè)帶材的厚度。 計(jì)算高頻反射法測(cè)板材厚度時(shí)，渦流穿透深度：可見穿透深度很淺。圖4-8高頻反射法測(cè)量原理圖2、若采用低頻透射法測(cè)板材厚度，必須使渦流穿透深度大于板材厚度。由于、0、r都是常數(shù)，所以必須降低激勵(lì)電源頻率，使之滿足：由此解得穿透板材所需的最高頻率為：當(dāng)滿足激勵(lì)電源頻率小于5.1KHz時(shí)，發(fā)射探頭的信號(hào)才能透

31、過板材，被接收探頭接收。發(fā)射探頭在交變電壓e1的激勵(lì)下，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，透過被測(cè)板材后達(dá)到接收探頭，使之產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2，它是板材厚度的函數(shù)，只要兩個(gè)探頭之間的距離x一定，測(cè)量e2的值即可測(cè)得板材厚度。圖4-9低頻透射法測(cè)量原理圖5-1 根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？每種類型各有什么特點(diǎn)？各適用什么場(chǎng)合？【答】1、電容式傳感器分為：變極距(變間隙)()型、變面積型(S)型、變介電常數(shù)(r)型三種基本類型。2、特點(diǎn)與應(yīng)用（1）變極距(變間隙)()型：只有在d/d0很小時(shí)，才有C與d 近似的線性關(guān)系，所以，這種類型的傳感器一般用來測(cè)量微小變化量。（2）變面積型(S)型：傳感器的電容量

32、C與線位移及角位移呈線性關(guān)系。測(cè)量范圍大，可測(cè)較大的線位移及角位移。（3）變介電常數(shù)(r)型：傳感器電容量C與被測(cè)介質(zhì)的移動(dòng)量成線性關(guān)系。常用來檢測(cè)容器中的液位，或片狀結(jié)構(gòu)材料的厚度等。5-2 如何改善單極式變極距型傳感器的非線性？【答】為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。5-3 圖5-7為電容式液位計(jì)測(cè)量原理圖。請(qǐng)為該測(cè)量裝置設(shè)計(jì)匹配的測(cè)量電路，要求輸出電壓U0與液位h之間成線性關(guān)系?！敬稹坑铆h(huán)形二極管充放電法測(cè)量電容的基本原理是以一高頻方波為信號(hào)源，通過一環(huán)形二極管電橋，對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行充放電， 環(huán)形二極管電橋輸出一個(gè)與被測(cè)電容成正比的微安級(jí)電流。原理線路如圖所示，輸入方波加

33、在電橋的A點(diǎn)和地之間，Cx為被測(cè)電容，Cd為平衡電容傳感器初始電容的調(diào)零電容，C4為濾波電容，1、電容式液位變換器結(jié)構(gòu)設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為h, 變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時(shí)變換器電容值為式中：空氣介電常數(shù)； C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值。 可見，此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。 2、環(huán)形二極管充放電法測(cè)量電路（1）當(dāng)輸入的方波由E1躍變到E2時(shí) 電容Cx和Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。對(duì)電容Cx充電的電流如圖中i1所示的方向，對(duì)Cd充電的電流如i3所示方向。在充電過程中(T1這段時(shí)間)，VD2、 VD4一直處于截止?fàn)顟B(tài)。在T1這段時(shí)間

34、內(nèi)由A點(diǎn)向C點(diǎn)流動(dòng)的電荷量為（2）當(dāng)輸入的方波由E2返回到E1時(shí) Cx、Cd放電，它們兩端的電壓由E2下降到E1，放電電流所經(jīng)過的路徑分別為i2、 i4所示的方向。在放電過程中(T2時(shí)間內(nèi))，VD1、VD3截止。在T2這段時(shí)間內(nèi)由C點(diǎn)向A點(diǎn)流過的電荷量為設(shè)方波的頻率f=1/T0(即每秒鐘要發(fā)生的充放電過程的次數(shù))， 則：由C點(diǎn)流向A點(diǎn)的平均電流為： I2=Cx f (E2-E1) 由A點(diǎn)流向C點(diǎn)的平均電流為： I3=Cd f (E2-E1) 流過此支路的瞬時(shí)電流的平均值為 式中, E為方波的幅值，E=E2-E1。 令Cx的初始值為C0，Cx為Cx的增量，則Cx=C0+Cx, 調(diào)節(jié)Cd=C0則

35、當(dāng)液面在電容器零位，即h=0 時(shí)，調(diào)整調(diào)零電容，Cd=C0 ，從而使輸出電流為零，當(dāng)h0 時(shí)，輸出電流的平均值為：由式可以看出，此電路中若輸入高頻脈沖方波的頻率f及其幅值差E=E2-E1 為定值，則輸出電流平均值I與待測(cè)液位h成正比。利用Rp實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)的變化，并利用放大器對(duì)其放大，實(shí)現(xiàn)輸出電壓U0與液位h之間成線性關(guān)系6-1 什么叫正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？什么叫縱壓電效應(yīng)和橫壓電效應(yīng)？【答】1、正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)（1）正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)） 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)

36、象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。 有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）。（2）逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。 2、縱壓電效應(yīng)和橫壓電效應(yīng)（1）縱向壓電效應(yīng)通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”。（2）橫壓電效應(yīng)把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。 6-4 畫出壓電元件的兩種等效電路。1、電壓源等效電路2、電流源等效電路6-5 電荷放大器所要解決的核心問題是

37、什么？試推導(dǎo)其輸入與輸出的關(guān)系?！敬稹?、傳感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)，更換電纜或使用較長的電纜時(shí)，不用重新校正傳感器的靈敏度。改進(jìn)了電壓放大器的缺點(diǎn)。2、輸入與輸出的關(guān)系電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由運(yùn)算放大器基本特性，可求出電荷放大器的輸出電壓：通常A =104108，因此,當(dāng)滿足(1+A)CfCa+Cc+Ci時(shí)，上式可表示為 6-8 用石英晶體加速度計(jì)測(cè)量機(jī)械的振動(dòng)，已知加速度計(jì)的靈敏度為2.5pC/g（g=9.8m/s2），電荷放大器靈敏度為80mV/pC，當(dāng)機(jī)器達(dá)到最大加速度時(shí)，相應(yīng)的輸出幅值為4V。試計(jì)算機(jī)器的振動(dòng)加速度?！窘狻肯?/p>

38、統(tǒng)靈敏度Sn等于傳感器靈敏度與電荷放大器靈敏度的乘積，即Sn = 2.580=200mV/g系統(tǒng)靈敏度Sn、輸出電壓幅值U0及被測(cè)加速度幅值a的關(guān)系為：所以該機(jī)器的振動(dòng)加速度幅值為：7-4 什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電勢(shì)與哪些因素有關(guān)？【答】1、通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)。2、霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，其靈敏度與霍爾系數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。 7-5 影響霍爾元件輸出零點(diǎn)的因素有哪些？如何補(bǔ)償？1、影響霍爾元件輸出零點(diǎn)的因素當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí)，若元件所處位置磁感

39、應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱為不等位電勢(shì)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有： （1）霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上； （2）半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻； （3）激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。 2、不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至超過霍爾電勢(shì)，而實(shí)用中要消除不等位電勢(shì)是極其困難的，因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒?。可以把霍爾元件等效為一個(gè)電橋，用電橋平衡來補(bǔ)償不等位電勢(shì)。由于A、 B電極不在同一等位面上，此四個(gè)電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢(shì)不等于零。此時(shí)可根據(jù)A、 B兩點(diǎn)電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上

40、并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢(shì)為零。7-8 試分析霍爾元件輸出接有負(fù)載RL 時(shí)，利用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻RT 進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臈l件。補(bǔ)償電路如圖(a)所示，輸入回路與輸出回路的等效電路如圖(b)、(c)所示。設(shè)RL不隨溫度改變，由于霍爾元件輸出電阻Rout隨溫度變化，輸出霍爾電勢(shì)UH也隨溫度變化，使得負(fù)載電阻上的輸出電壓與溫度有關(guān)。RLRT(a) 霍爾元件接有負(fù)載 (b) 輸入回路等效電路 (c) 輸出回路等效電路溫度為T0 時(shí)，負(fù)載電阻上的輸出電壓為 設(shè)RT 的溫度系數(shù)，霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)為，靈敏度溫度系數(shù)為，則溫度升高后，負(fù)載電阻上的電壓為要實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，應(yīng)使，即消去

41、二階小量（即含或的項(xiàng)），解得為了獲得最大的輸出功率，可使，則7-10（補(bǔ)充題） 試對(duì)利用霍爾式傳感器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量進(jìn)行解釋?！敬稹哭D(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少就可確定傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。 N-轉(zhuǎn)速；f-信號(hào)頻率；n-槽數(shù)。8-1 光電效應(yīng)有哪幾種？相對(duì)應(yīng)的光電器件各有哪些？【答】1、光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。2、光電器件（1）基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍

42、增管、光電攝像管等。（2）基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。 （3）基于光生伏特效應(yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、三極管。 8-2 試述光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管和光電池的工作原理，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)各有什么特點(diǎn)？【答】1、光敏電阻的工作原理其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好， 此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻

43、的暗電阻值一般在兆歐量級(jí)， 亮電阻值在幾千歐以下。 2、光敏二極管的工作原理在無光照時(shí)，處于反偏的光敏二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，其反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。當(dāng)有光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，它們?cè)诜聪螂妷汉蛢?nèi)電場(chǎng)的作用下，漂移越過PN結(jié)，形成比無光照時(shí)大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流，此時(shí)，光敏二極管的反向電阻下降。 若入射光的強(qiáng)度增強(qiáng)，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流也響應(yīng)增大，即光電流與光照度成正比。如果外電路接上負(fù)載，便可獲得隨光照強(qiáng)弱變化的信號(hào)。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極

44、管的光照特性是線性的，所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。3、光敏晶體管的工作原理大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓。 當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會(huì)有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍，所以光敏晶體管有放大作用。4、光電池的工作原理硅光電池是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之

45、間出現(xiàn)電位差。 若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。8-3 光電耦合器件分為哪兩類？各有什么用途？【答】 光電耦合器件分為兩類：一類是用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器（又稱光電耦合器），另一類是用于檢測(cè)物體位置或檢測(cè)有無物體的光電開關(guān)（又稱光電斷續(xù)器）。8-5 如何理解電荷耦合器件有“電子自掃描”作用？【答】面陣CCD包括x、y兩個(gè)方向用于攝取平面圖像，它能存儲(chǔ)由光產(chǎn)生的信號(hào)電荷。當(dāng)對(duì)它施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便可在CCD內(nèi)作定向傳輸而實(shí)現(xiàn)自掃描。8-6 光在光纖中是怎樣傳輸?shù)模繉?duì)光纖及入射光的入射角有什么

46、要求？【答】1、光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射進(jìn)行傳輸?shù)?，?shí)際工作時(shí)需要光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍然繼續(xù)前進(jìn)?？梢娺@里的光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由光的全反射所形成的。2、為滿足光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射， 光入射到光纖端面的入射角i應(yīng)滿足 一般光纖所處環(huán)境為空氣，則n0=1，這樣上式可表示為 8-7 光纖數(shù)值孔徑NA的物理意義是什么？對(duì)NA取值大小有什么意義？【答】1、數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領(lǐng)的一個(gè)重要參數(shù)，即反映光纖接收光量的多少。無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2c的光椎角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。如入射角過大，光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。2、光纖的NA越大，表明它的集光能力越強(qiáng)，一般希望有大的數(shù)

47、值孔徑，這有利于提高耦合效率； 但數(shù)值孔徑過大，會(huì)造成光信號(hào)畸變。所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.20.4。 8-8 當(dāng)光纖的n1=1.46，n2=1.45，如光纖外部介質(zhì)的n0=1，求光在光纖內(nèi)產(chǎn)生全內(nèi)反射時(shí)入射光的最大入射角的值？【解】根據(jù)光纖數(shù)值孔徑NA的定義入射臨界角為故，得該種光纖最大入射角為9.80 ，即入射光線必須在與該光纖軸線夾角小于9.80 時(shí)才能傳播。9-9 根據(jù)圖8-43和8-44，說明半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器的工作原理?！敬稹堪雽?dǎo)體吸收式光纖傳感器測(cè)溫系統(tǒng)原理圖(a)所示：(a) 半導(dǎo)體吸收式光纖傳感器測(cè)溫系統(tǒng)原理圖 輸入光纖和輸出光纖兩端

48、面間夾一片厚度約零點(diǎn)幾毫米的半導(dǎo)體光吸收片，并用不銹鋼管加以固定,使半導(dǎo)體與光纖成為一體。它的關(guān)鍵部件是半導(dǎo)體光吸收片。由半導(dǎo)體物理知道，半導(dǎo)體的禁帶寬度 Eg 隨溫度 T 增加近似線性地減小，如圖(b)所示。 (b) 半導(dǎo)體的禁帶寬度與溫度的關(guān)系 (c) 半導(dǎo)體的透射光強(qiáng)與溫度的關(guān)系由圖(c)可以看出：半導(dǎo)體的本征吸收限（或吸收邊）波長隨溫度增加而向長波長的方向位移。 在 T 一定時(shí)的情況下，半導(dǎo)體引起的光吸收隨著吸收邊波長g的變短而急劇增加，也即透過率急劇下降，直至光幾乎不能穿透半導(dǎo)體。反之，隨著吸收邊波長g的變長，半導(dǎo)體的透光率增大。在光源一定的情況下，通過半導(dǎo)體的透射光強(qiáng)隨溫度 T 的

49、增加而減小。9-1 簡述氣敏傳元件的工作原理?！敬稹堪雽?dǎo)體氣敏傳感器的敏感部分是金屬氧化物半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子燒結(jié)體，當(dāng)它的表面吸附被測(cè)氣體時(shí)，半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子接觸表面的導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而使氣敏元件的電阻值隨被測(cè)氣體的濃度而改變。這種反應(yīng)是可逆的，因而是可重復(fù)使用的。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使半導(dǎo)體電阻值增大。 當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則半導(dǎo)體載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。9-2 為什么多數(shù)氣敏元件都附有加熱器？【答】加熱器的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體

50、的吸附，從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在200400左右。 9-3 什么叫濕敏電阻？濕敏電阻有哪些類型？ 【答】1、濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成的。2、工業(yè)上流行的濕敏電阻主要有：半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件、氯化鋰濕敏電阻和有機(jī)高分子膜濕敏電阻。9-6 根據(jù)圖9-23，說明用色敏傳感器測(cè)量光波波長（即顏色）的工作原理?！敬稹繄D9-25所示為檢測(cè)光波長（即顏色）處理電路。它由色敏半導(dǎo)體傳感器、兩路對(duì)數(shù)放大器電路及運(yùn)算放大器OP3構(gòu)成。 要識(shí)別色彩，必須獲得兩只光電二極管的短路電流比。故采用對(duì)數(shù)放大器電路，根據(jù)“虛斷”概念得在電流較小的

51、時(shí)候，二極管兩端加上的電壓和流過電流之間存在近似對(duì)數(shù)關(guān)系：OP3的輸入電壓為, 。OP3取出它們的差，輸出為其正比于短路電流比ISD2/ISD1的對(duì)數(shù)。其中C為比例常數(shù)。將電路輸出電壓經(jīng)A/D變換、 處理后即可判斷出與電平相對(duì)應(yīng)的波長（即顏色）。 9-7 圖9-23為酒精測(cè)試電路，A是顯示驅(qū)動(dòng)器。問：（1）TGS812是什么傳感器？（2）2、5腳是傳感器哪個(gè)部分？有什么作用？（3）分析電路工作原理，調(diào)節(jié)RP有什么意義？【答】1、TGS812是氣敏傳感器。2、2、5腳是氣敏傳感器加熱電極。加熱電極，可以加速還原反應(yīng)，提高氣敏傳感器的靈敏度。燒掉金屬網(wǎng)上的灰塵和油漬，提高響應(yīng)速度。3、電路工作原理

52、（1）當(dāng)氣體傳感器探測(cè)不到酒精時(shí)，加在A的第5腳電平為低電平；當(dāng)氣體傳感器探測(cè)到酒精時(shí)，其內(nèi)阻變低，從而使A的第5腳電平變高。A為顯示推動(dòng)器，它共有10個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管，顯示推動(dòng)器A根據(jù)第5腳電壓高低來確定依次點(diǎn)亮發(fā)光二極管的級(jí)數(shù)，酒精含量越高則點(diǎn)亮二極管的級(jí)數(shù)越大。上面5個(gè)發(fā)光二極管為紅色，表示超過安全水平。 下面5個(gè)發(fā)光二極管為綠色，代表安全水平，酒精含量不超過0.05%。 （2）調(diào)節(jié)RP 使測(cè)試儀適應(yīng)在不同氣體、不同濃度的條件下工作。10-1 超聲波在介質(zhì)中傳播具有哪些特性？【答】（1）超聲波的波型：聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：縱波、橫波和表面波。（2）超聲波的傳播速度：在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系， 通常可認(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%；氣體中縱波聲速為344 m/s。；液體中縱波聲速在9001900m/s。（3）超聲波的反射和折射：聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射, 另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。