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第一章 檢測(cè)技術(shù)的基本知識(shí)思考題答案 l.檢測(cè)系統(tǒng)由哪幾部分組成? 說(shuō)明各部分的作用。 答：一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)裝置通常是由傳感器、測(cè)量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。當(dāng)然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。下圖給出了檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖。 檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖 傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的裝置，顯然，傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)與被測(cè)對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測(cè)系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，檢測(cè)系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能確定的，因?yàn)闄z測(cè)系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)無(wú)法添加新的檢測(cè)信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。 測(cè)量電路的作用是將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓或電流信號(hào)。通常傳感器輸出信號(hào)是微弱的，就需要由測(cè)量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。根據(jù)需要測(cè)量電路還能進(jìn)行阻抗匹配、微分、積分、線性化補(bǔ)償?shù)刃盘?hào)處理工作。 顯示記錄裝置是檢測(cè)人員和檢測(cè)系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，主要作用是使人們了解被測(cè)量的大小或變化的過(guò)程。 2.傳感器的型號(hào)有幾部分組成，各部分有何意義? 依次為主稱（傳感器） 被測(cè)量—轉(zhuǎn)換原理—序號(hào) 主稱——傳感器，代號(hào)C； 被測(cè)量——用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記。見附錄表2； 轉(zhuǎn)換原理——用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記。見附錄表3； 序號(hào)——用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，廠家自定，用來(lái)表征產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。若產(chǎn)品性能參數(shù)不變，僅在局部有改動(dòng)或變動(dòng)時(shí)，其序號(hào)可在原序號(hào)后面順序地加注大寫字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。 例：應(yīng)變式位移傳感器： C WY-YB-20；光纖壓力傳感器：C Y-GQ-2。 3.測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載變化的情況時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用何種測(cè)量方法? 如何進(jìn)行? 答：測(cè)定穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載電阻變化的情況時(shí)，最好采用微差式測(cè)量。此時(shí)輸出電壓認(rèn)可表示為U0，U0=U+△U，其中△U是負(fù)載電阻變化所引起的輸出電壓變化量，相對(duì)U來(lái)講為一小量。如果采用偏差法測(cè)量，儀表必須有較大量程以滿足U0的要求，因此對(duì)△U，這個(gè)小量造成的U0的變化就很難測(cè)準(zhǔn)。測(cè)量原理如下圖所示： 圖中使用了高靈敏度電壓表——毫伏表和電位差計(jì)，Rr和E分別表示穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)，凡表示穩(wěn)壓電源的負(fù)載，E1、R1和Rw表示電位差計(jì)的參數(shù)。在測(cè)量前調(diào)整R1使電位差計(jì)工作電流I1為標(biāo)準(zhǔn)值。然后，使穩(wěn)壓電源負(fù)載電阻R1為額定值。調(diào)整RP的活動(dòng)觸點(diǎn)，使毫伏表指示為零，這相當(dāng)于事先用零位式測(cè)量出額定輸出電壓U。正式測(cè)量開始后，只需增加或減小負(fù)載電阻RL的值，負(fù)載變動(dòng)所引起的穩(wěn)壓電源輸出電壓U0的微小波動(dòng)值ΔU，即可由毫伏表指示出來(lái)。根據(jù)U0=U+ΔU，穩(wěn)壓電源輸出電壓在各種負(fù)載下的值都可以準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)。微差式測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，特別適合于在線控制參數(shù)的測(cè)量。 用微差式測(cè)量方法測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載的變化 5.某測(cè)溫系統(tǒng)由以下四個(gè)環(huán)節(jié)組成，各自的靈敏度如下： 鉑電阻溫度傳感器： 0.45Ω/℃ 電橋： 0.02V/Ω 放大器： 100(放大倍數(shù)) 筆式記錄儀： 0.2cm/V 求：(1)測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度； (2)記錄儀筆尖位移4cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度變化值。 解： （1）測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度為 cm/℃ （2）記錄儀筆尖位移4cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度變化值為 ℃ 6.有三臺(tái)測(cè)溫儀表，量程均為0~800℃，精度等級(jí)分別為2.5級(jí)、2.0級(jí)和1.5級(jí)，現(xiàn)要測(cè)量500℃的溫度，要求相對(duì)誤差不超過(guò)2.5％，選那臺(tái)儀表合理? 解：2.5級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為20℃，測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為4％；2.0級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為16℃，測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為3.2％；1.5級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為12℃，測(cè)量500℃時(shí)的相對(duì)誤差為2.4％。因此，應(yīng)該選用1.5級(jí)的測(cè)溫儀器。 7.什么是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差?正確度和精密度的含義是什么? 它們各反映何種誤差? 答：系統(tǒng)誤差是指在相同的條件下，多次重復(fù)測(cè)量同一量時(shí)，誤差的大小和符號(hào)保持不變，或按照一定的規(guī)律變化的誤差。隨機(jī)誤差則是指在相同條件下，多次測(cè)量同一量時(shí)，其誤差的大小和符號(hào)以不可預(yù)見的方式變化的誤差。正確度是指測(cè)量結(jié)果與理論真值的一致程度，它反映了系統(tǒng)誤差的大小，精密度是指測(cè)量結(jié)果的分散程度，它反映了隨機(jī)誤差的大小。 8.服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機(jī)誤差有哪些特性? 答：服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機(jī)誤差的特性有：對(duì)稱性 隨機(jī)誤差可正可負(fù)，但絕對(duì)值相等的正、負(fù)誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)相等。也就是說(shuō)f(δ)- δ曲線對(duì)稱于縱軸。有界性 在一定測(cè)量條件下，隨機(jī)誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過(guò)一定的范圍，即絕對(duì)值很大的隨機(jī)誤差幾乎不出現(xiàn)。抵償性 在相同條件下，當(dāng)測(cè)量次數(shù)n→∞時(shí)，全體隨機(jī)誤差的代數(shù)和等于零，即。單峰性 絕對(duì)值小的隨機(jī)誤差比絕對(duì)值大的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)多，即前者比后者的概率密度大，在δ=0處隨機(jī)誤差概率密度有最大值。 9.等精度測(cè)量某電阻10次，得到的測(cè)量列如下： R1＝167.95Ω R2＝167.45Ω R3＝167.60Ω R4＝167.60Ω R5＝167.87Ω R6＝167.88Ω R7＝168.00Ω R8＝167.850Ω R9＝167.82Ω R10＝167.61Ω (1)求10次測(cè)量的算術(shù)平均值，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。 (2)若置信概率取99.7％，寫出被測(cè)電阻的真值和極限值。 解：(1)求10次測(cè)量的算術(shù)平均值，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。 (2)若置信概率取99.7％，被測(cè)電阻的真值為： 極限值為： 10.試分析電壓輸出型直流電橋的輸入與輸出關(guān)系。 答：如圖所示，電橋各臂的電阻分別為R1、 R2、R3、R4。U為電橋的直流電源電壓。當(dāng)四臂電阻R1=R2=R3=R4=R時(shí)，稱為等臂電橋；當(dāng)R1=R2=R,R3=R4=R’(R≠R’)時(shí)，稱為輸出對(duì)稱電橋；當(dāng)R1=R4=R，R2=R3 =R’(R≠R’)時(shí)，稱為電源對(duì)稱電橋。 直流電橋電路 當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無(wú)窮大，這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達(dá)式為 (1) 設(shè)電橋?yàn)閱伪酃ぷ鳡顟B(tài)，即R1為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻。當(dāng)R1感受被測(cè)量產(chǎn)生電阻增量ΔR1時(shí)，由初始平衡條件R1R3=R2R4得，代入式（1），則電橋由于ΔR1產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為 (2) 對(duì)于輸出對(duì)稱電橋，此時(shí)R1=R2=R,R3=R4=R’，當(dāng)R1臂的電阻產(chǎn)生變化ΔR1=ΔR，根據(jù)（2）可得到輸出電壓為 (3) 對(duì)于電源對(duì)稱電橋，R1=R4=R,R2=R3=R’。當(dāng)R1臂產(chǎn)生電阻增量ΔR1=ΔR時(shí)，由式（2）得 (4) 對(duì)于等臂電橋R1=R2=R3=R4=R，當(dāng)R1的電阻增量ΔR1=ΔR時(shí)，由式（2）可得輸出電壓為 (5) 由上面三種結(jié)果可以看出，當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出電壓也隨著變化。當(dāng)ΔR< t0)。在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)由熱端指向冷端的靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動(dòng)，最后也達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。 3．簡(jiǎn)述熱電偶的幾個(gè)重要定律，并分別說(shuō)明它們的實(shí)用價(jià)值。 答：一是勻質(zhì)導(dǎo)體定律：如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)為零。根據(jù)這個(gè)定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。 二是中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度測(cè)量。 三是標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就已知。只要測(cè)得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)可直接計(jì)算出來(lái)。 四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。 4．試述熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)膸追N主要方法和補(bǔ)償原理。 答：熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕校阂皇抢涠撕銣胤ā＿@種方法將熱電偶的冷端放在恒溫場(chǎng)合，有0℃恒溫器和其他恒溫器兩種；二是補(bǔ)償導(dǎo)線法。將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所(如儀表室)，其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個(gè)接點(diǎn)溫度一致，是不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)輸出的；三是計(jì)算修正法。修正公式為：；四是電橋補(bǔ)償法。利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端波動(dòng)引起的熱電動(dòng)勢(shì)的變化，工作原理如下圖所示。 圖中，e為熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)，U為回路的輸出電壓?；芈分写恿艘粋€(gè)補(bǔ)償電橋。R1~R5及RCM均為橋臂電阻。RCM是用漆包銅絲繞制成的，它和熱電偶的冷端感受同一溫度。R1~R5均用錳銅絲繞成，阻值穩(wěn)定。在橋路設(shè)計(jì)時(shí)，使R1=R2，并且R1、R2的阻值要比橋路中其他電阻大得多。這樣，即使電橋中其他電阻的阻值發(fā)生變化，左右兩橋臂中的電流卻差不多保持不變，從而認(rèn)為其具有恒流特性。線路設(shè)計(jì)使得I1=I2=I/2=0.5mA。 回路輸出電壓U為熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)e、橋臂電阻RCM的壓降URCM及另一橋臂電阻R5的壓降UR5三者的代數(shù)和： 當(dāng)熱電偶的熱端溫度一定，冷端溫度升高時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)將會(huì)減小。與此同時(shí)，銅電阻RCM的阻值將增大，從而使URCM增大，由此達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康摹? 自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臈l件應(yīng)為 5．用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測(cè)量溫度，已知冷端溫度為40℃，用高精度毫伏表測(cè)得這時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為29.188mV，求被測(cè)點(diǎn)的溫度。 解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(40，0)=1.638mV，根據(jù)式(5-2-1)計(jì)算出 再通過(guò)分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為 ℃ 6．已知鉑銠10-鉑(S)熱電偶的冷端溫度t0＝25℃，現(xiàn)測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)E(t，t0)＝11.712mV，求熱端溫度是多少度? 解：由鉑銠10-鉑熱電偶分度表查出E(25，0)=0.161mV，根據(jù)式(5-2-1)計(jì)算出 再通過(guò)分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為 ℃ 7．已知鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶的熱端溫度t＝800℃，冷端溫度t0＝25℃，求E(t，to)是多少毫伏? 解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表可查得E(800，0)=33.275mV，E(25，0)=1.024 mV，故可得 E(800，5)=33.275-1.024=32.251mV 8．現(xiàn)用一支鎳鉻-康銅(E)熱電偶測(cè)溫。其冷端溫度為30℃，動(dòng)圈顯示儀表(機(jī)械零位在0℃)指示值為400℃，則認(rèn)為熱端實(shí)際溫度為430℃，對(duì)不對(duì)?為什么?正確值是多少? 解：不對(duì)，因?yàn)閮x表的機(jī)械零位在0℃，正確值為400℃。 9．如圖5.14所示之測(cè)溫回路，熱電偶的分度號(hào)為K，毫伏表的示值應(yīng)為多少度? 答：毫伏表的示值應(yīng)為(t1-t2-60)℃。 10．用鎳鉻-鎳硅(K)熱電偶測(cè)量某爐溫的測(cè)量系統(tǒng)如圖5.15所示，已知：冷端溫度固定在0℃，t0＝30℃，儀表指示溫度為210℃，后來(lái)發(fā)現(xiàn)由于工作上的疏忽把補(bǔ)償導(dǎo)線，相互接錯(cuò)了，問(wèn)：爐溫的實(shí)際溫度t為多少度? 解：實(shí)際溫度應(yīng)為270℃，因?yàn)榻臃春蟛坏珱](méi)有補(bǔ)償?shù)剑€抵消了30℃，故應(yīng)該加上60℃。 圖5.14 圖5.15 第八章 光電式傳感器 1．光電效應(yīng)有哪幾種?與之對(duì)應(yīng)的光電元件各有哪些? 答：光電效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等；基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等；基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。 2．常用的半導(dǎo)體光電元件有哪些?它們的電路符號(hào)如何? 答：常用的半導(dǎo)體光電元件有光敏二極管、光敏三極管和光電池三種。 它們的電路符號(hào)如下圖所示： 3．對(duì)每種半導(dǎo)體光電元件，畫出一種測(cè)量電路。 答：光敏二極管、三極管及光電池的測(cè)量電路如下圖所示。 4．什么是光電元件的光譜特性? 答：光電元件的光譜特性是指入射光照度一定時(shí)，光電元件的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化，一種光電元件只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感，這就是光電元件的光譜特性。 5．光電傳感器由哪些部分組成?被測(cè)量可以影響光電傳感器的哪些部分? 答：光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，如圖所示。圖中Ф1是光源發(fā)出的光信號(hào)，Ф2是光電器件接受的光信號(hào)，被測(cè)量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號(hào)I。光電傳感器設(shè)計(jì)靈活，形式多樣，在越來(lái)越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。 6．模擬式光電傳感器有哪幾種常見形式? 答：模擬式光電傳感器主要有四種。一是光源本身是被測(cè)物，它發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)，如圖a所示。這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計(jì)和照度計(jì)；二是恒定光源發(fā)射的光通量穿過(guò)被測(cè)物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上，吸收量取決于被測(cè)物的某些參數(shù)。如圖b所示?？捎糜跍y(cè)量透明度、混濁度；三是恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測(cè)物上，由被測(cè)物表面反射后再投射到光電元件上，如圖c所示。反射光的強(qiáng)弱取決于被測(cè)物表面的性質(zhì)和狀態(tài)，因此可用于測(cè)量工件表面粗糙度、紙張的白度等；四是從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達(dá)光電元件的途中受到被測(cè)物的遮擋，使投射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測(cè)物的尺寸或位置。如圖d所示。這種傳感器可用于工件尺寸測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量等場(chǎng)合。 第九章 霍爾傳感器習(xí)題答案 1. 什么是霍爾效應(yīng)？ 答：在置于磁場(chǎng)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中通入電流，若電流與磁場(chǎng)垂直，則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生的電勢(shì)差稱為霍爾電壓。 2. 為什么導(dǎo)體材料和絕緣體材料均不宜做成霍爾元件？ 答：因?yàn)閷?dǎo)體材料的μ雖然很大，但ρ很小，故不宜做成元件，而絕緣材料的ρ雖然很大，但μ很小，故也不宜做成元件。 3. 為什么霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料？ 答：因?yàn)樵贜型半導(dǎo)體材料中，電子的遷移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料。 4. 霍爾靈敏度與霍爾元件厚度之間有什么關(guān)系？ 答：霍爾靈敏度與霍爾元件厚度成反比，。 5. 什么是霍爾元件的溫度特性？如何進(jìn)行補(bǔ)償？ 答：霍爾元件的溫度特性是指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的關(guān)系。與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內(nèi)阻、輸出電壓等參數(shù)也將隨溫度而變化?；魻栐囟妊a(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕欣幂斎牖芈返拇?lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償和利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償兩種。 1）利用輸入回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償。下圖是輸入補(bǔ)償?shù)幕揪€路，圖中的四端元件是霍爾元件的符號(hào)。兩個(gè)輸入端串聯(lián)補(bǔ)償電阻R并接恒電源，輸出端開路。根據(jù)溫度特性，元件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為 RHt=RH0(1+αt) Rit=Ri0(1+βt) 式中，RHt為溫度為ｔ時(shí)霍爾系數(shù)；RH0為0℃時(shí)的霍爾系數(shù)；Rit為溫度為ｔ時(shí)的輸入電阻；Ri0為0℃時(shí)的輸入電阻；α為霍爾電壓的溫度系數(shù), β為輸入電阻的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化Δt時(shí)，其增量為: ΔRH=RH0αΔt ΔRi=Ri0βΔt 根據(jù)及I=E/(R+Ri)，可得出霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為 對(duì)上式求溫度的導(dǎo)數(shù)，可得增量表達(dá)式 (1) 要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使 即 (2) 式(1)中的第一項(xiàng)表示因溫度升高霍爾系數(shù)引起霍爾電壓的增量，第二項(xiàng)表示輸入電阻因溫度升高引起霍爾電壓減小的量。很明顯，只有當(dāng)?shù)谝豁?xiàng)時(shí)，才能用串聯(lián)電阻的方法減小第二項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償。 將元件的α、β值代入式(2)，根據(jù)Ri0的值就可確定串聯(lián)電阻R的值。 (2) 利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。上圖為補(bǔ)償原理電路圖，霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電流Ｉ穩(wěn)定不變。這樣，可以不考慮輸入回路的溫度影響。輸出回路的輸出電阻及霍爾電壓與溫度之間的關(guān)系為UHt=UH0(1+αt) Rvt=Rv0(1+βt) 式中，UHt為溫度為t時(shí)的霍爾電壓；UH0為0時(shí)的霍爾電壓；Rvt為溫度為t時(shí)的輸出電阻；Rv0為０時(shí)的輸出電阻。負(fù)載RL上的電壓UL為 UL=[UH0(1+αt) ] RL/[Rv0(1+βt)+RL] (3) 為使UL不隨溫度變化，可對(duì)式(3)求導(dǎo)數(shù)并使其等于零，可得 RL/Rv0≈β/α.1≈β/α (4) 最后，將實(shí)際使用的霍爾元件的α、β值代入，便可得出溫度補(bǔ)償時(shí)的RL值。當(dāng)RL= Rv0時(shí)，補(bǔ)償最好。 6. 集成霍爾傳感器有什么特點(diǎn)？ 答：集成霍爾傳感器的特點(diǎn)主要是取消了傳感器和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。 7. 寫出你認(rèn)為可以用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)的物理量。 答：可以用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)的物理量有力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、轉(zhuǎn)速、磁場(chǎng)量等等。 8. 設(shè)計(jì)一個(gè)采用霍爾傳感器的液位控制系統(tǒng)。 答：液位控制系統(tǒng)原理如圖所示，霍爾元件固定不動(dòng)，磁鐵與探測(cè)桿固定在一起，連接到裝液體的容器旁邊，通過(guò)管道與內(nèi)部連接。當(dāng)液位達(dá)到控制位置時(shí)霍爾元件輸出控制信號(hào)，通過(guò)處理電路和電磁閥來(lái)控制液壓閥門的開啟和關(guān)閉，如液位低于控制位置時(shí)開啟閥門，超過(guò)控制位置時(shí)則關(guān)閉閥門。 第十一章 新型傳感器習(xí)題答案 1．超聲波發(fā)生器種類及其工作原理是什么?它們各自特點(diǎn)是什么? 答：超聲波發(fā)生器有壓電式超聲波發(fā)生器和磁致伸縮超聲波發(fā)生器兩種。壓電式超聲波發(fā)生器就是利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成的。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等。在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動(dòng)，而產(chǎn)生超聲波，如下圖所示，它可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的高頻超聲波，產(chǎn)生的聲強(qiáng)可達(dá)幾十W／cm2。 磁致伸縮超聲波發(fā)生器把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化，即機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。磁致伸縮超聲波發(fā)生器是用厚度為0.1～0.4mm的鎳片疊加而成的，片間絕緣以減少渦流電流損失。其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等，如下圖所示，它只能用在幾萬(wàn)Hz的頻率范圍以內(nèi)，但功率可達(dá)十萬(wàn)W，聲強(qiáng)可達(dá)幾千W／cm2，能耐較高的溫度。 磁致伸縮超聲波發(fā)生器 2．超聲波有哪些傳播特性? 答：超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的。振蕩源在介質(zhì)中可產(chǎn)生兩種形式的振蕩，即橫向振蕩和縱向振蕩。橫向振蕩只能在固體中產(chǎn)生，而縱向振蕩可在固體、液體和氣體中產(chǎn)生。 超聲波的一種傳播特性是在通過(guò)兩種不同的介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象， 超聲波的另一種傳播特性是在通過(guò)同種介質(zhì)時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度因介質(zhì)吸收能量而減弱。 3．應(yīng)用超聲波傳感器探測(cè)工件時(shí)，在探頭與工件接觸處要有一層耦合劑，請(qǐng)問(wèn)這是為什么? 答：主要是為了使超聲波更好地穿透到工件內(nèi)，減少反射量，達(dá)到更好的測(cè)量效果。 4．根據(jù)你已學(xué)過(guò)的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波探傷實(shí)用裝置(畫出原理框圖)，并簡(jiǎn)要說(shuō)明它探傷的工作過(guò)程? 答：可采用穿透法探傷，原理框圖如下圖。穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來(lái)判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個(gè)探頭，置于工件相對(duì)面，一個(gè)發(fā)射超聲波，一個(gè)接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。在探測(cè)中，當(dāng)工件內(nèi)無(wú)缺陷時(shí)，接收能量大，儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時(shí)，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個(gè)變化，就可以把工件內(nèi)部缺陷檢測(cè)出來(lái)。 5．紅外線溫度傳感器有哪些主要類型？它與別的溫度傳感器有什么顯著區(qū)別？ 答：能把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器，主要有熱敏型和光電型兩大類。 熱敏型是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，其核心是熱敏元件。由于熱敏元件的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，一般在毫秒數(shù)量級(jí)以上。另外，在加熱過(guò)程中，不管什么波長(zhǎng)的紅外線，只要功率相同，其加熱效果也是相同的，假如熱敏元件對(duì)各種波長(zhǎng)的紅外線都能全部吸收的話，那么熱敏探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)基本上都具有相同的響應(yīng)，所以稱其為“無(wú)選擇性紅外傳感器”。這類傳感器主要有熱釋電紅外傳感器和紅外線溫度傳感器兩大類。 光電型是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，其核心是光電元件。因此它的響應(yīng)時(shí)間一般比熱敏型短得多，最短的可達(dá)到毫微秒數(shù)量級(jí)。此外，要使物體內(nèi)部的電子改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，入射輻射的光子能量必須足夠大，它的頻率必須大于某一值，也就是必須高于截止頻率。由于這類傳感器以光子為單元起作用，只要光子的能量足夠，相同數(shù)目的光子基本上具有相同的效果，因此常常稱其為“光子探測(cè)器”。這類傳感器主要有紅外二極管、三極管等。 6．紅外線光電開關(guān)有哪些優(yōu)越的開關(guān)特性？ 答：紅外線光電開關(guān)具有表面反射率低、環(huán)境特性優(yōu)越、回差距離遠(yuǎn)、響應(yīng)頻率高、輸出狀態(tài)靈活、檢測(cè)方式多樣、輸出形式多等許多優(yōu)越的開關(guān)特性。 7．激光器主要用于哪些非電量的檢測(cè)？有何特點(diǎn)？主要的激光測(cè)速儀有哪些？ 答：激光器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)遠(yuǎn)距離的測(cè)量，可以測(cè)量速度、位置、長(zhǎng)度等物理量的測(cè)量，具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的特點(diǎn)，而且速度高、精度高，測(cè)量范圍廣，抗光、電干擾能力強(qiáng)，因此應(yīng)用十分廣泛。主要的激光測(cè)速儀有加拿大的LRM1500SPD型、德國(guó)的ASTECH-vlm200白光測(cè)速儀及西安儀器儀表的MWK11-HH型等等。 第十二章 信號(hào)處理及抗干擾技術(shù)習(xí)題答案 1. 對(duì)傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，為什么要采用測(cè)量放大器？ 答：因?yàn)闇y(cè)量放大器不但具有很高的放大倍數(shù)，而且具有十分穩(wěn)定的輸出特性，符合傳感器微弱信號(hào)放大的要求。 2. 在模擬量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中常用的線性化處理方法有哪些？ 答：線性化方法主要有在模擬量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中可采用三種方法：①縮小測(cè)量范圍，取近似值。②采用非均勻的指示刻度。③增加非線性校正環(huán)節(jié)。 3. 說(shuō)明檢測(cè)系統(tǒng)中非線性校正環(huán)節(jié)(線性化器)的作用。 答：檢測(cè)系統(tǒng)中非線性校正環(huán)節(jié)(線性化器)的作用是是利用它本身的非線性補(bǔ)償傳感器的非線性，從而使整臺(tái)儀表的輸出u0和輸入x之間具有線性關(guān)系。。 4. 如何得到非線性校正環(huán)節(jié)的曲線？ 答：一般主要是利用非線性元件或利用某種元件的非線性區(qū)域，例如將二極管或三極管置于運(yùn)算放大器的反饋回路中構(gòu)成的對(duì)數(shù)運(yùn)算放大器就能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算，構(gòu)成非線性函數(shù)運(yùn)算放大器，它可以用于射線測(cè)厚儀的非線性校正電路中。目前最常用的是利用二極管組成非線性電阻網(wǎng)絡(luò)，配合運(yùn)算放大器產(chǎn)生折線形式的輸入-輸出特性曲線。由于折線可以分段逼近任意曲線，從而就可以得非線性校正環(huán)節(jié)（線性化器）所需要的特性曲線。 5．檢測(cè)裝置中常見的干擾有幾種?采取何種措施予以防止? 答：檢測(cè)裝置中常見的干擾有外部噪聲和內(nèi)部噪聲兩大類。外部噪聲有自然界噪聲源(如電離層的電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲)和人為噪聲源(如電氣設(shè)備、電臺(tái)干擾等)；內(nèi)部噪聲又名固有噪聲，它是由檢測(cè)裝置的各種元件內(nèi)部產(chǎn)生的，如熱噪聲、散粒噪聲等。采用的抑制技術(shù)主要有屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、浮置技術(shù)、平衡電路、濾波技術(shù)和光電隔離技術(shù)等。 6．屏蔽有幾種型式?各起什么作用? 答：屏蔽主要有靜電屏蔽、電磁屏蔽、低頻磁屏蔽和驅(qū)動(dòng)屏蔽四種。靜電屏蔽能防止靜電場(chǎng)的影響，電磁屏蔽能削弱高頻電磁場(chǎng)的影響，低頻磁屏蔽主要是為了抗低頻磁場(chǎng)的干擾，驅(qū)動(dòng)屏蔽能有效地抑制通過(guò)寄生電容的耦合干擾。 7．接地有幾種型式?各起什么作用? 答：接地有信號(hào)地、電源地和保護(hù)地三種。信號(hào)地主要將信號(hào)的零電位接地，電源地是電源的零電位，保護(hù)地則是系統(tǒng)的零電平。 8．脈沖電路中的噪聲抑制有哪幾種方法?請(qǐng)扼要表達(dá)它的抑制原理? 答：脈沖電路中的噪聲抑制有積分電路、脈沖干擾隔離門和相關(guān)量法三種。積分電路的抑制原理是由于脈沖寬度大的信號(hào)輸出大，而脈沖寬度小的噪聲脈沖輸出也小，所以能將噪聲干擾濾除掉；脈沖干擾隔離門的抑制原理是用硅二極管的正向壓降對(duì)幅度較小的干擾脈沖加以阻擋，而讓幅度較大的脈沖信號(hào)順利通過(guò)；相關(guān)量法的抑制原理是找出脈沖信號(hào)相關(guān)量(同步脈沖)，以此量與脈沖信號(hào)同時(shí)作用到與門上，當(dāng)兩輸入皆有信號(hào)時(shí)，才能使與門打開送出脈沖信號(hào)，這樣就抑制了脈沖中的干擾。