傳感器原理及工程應(yīng)用_(第三版)_((郁有文))_(西安電子科技大學(xué)出版)_詳細(xì)答案

1、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(guò)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）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

2、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(jiǎn)單、成本較低外，還具有靈敏度高、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

3、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(huà)出檢測(cè)示意圖?！窘狻?、為了克服帶材不夠平整或運(yùn)行過(guò)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

4、輸出電壓此時(shí)為2UoU。U經(jīng)放大器放大后，通過(guò)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(jiàn)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)才能透過(guò)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(guò)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

5、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 6-4 畫(huà)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(wèn)題是什么？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(wú)關(guān)，更換電纜或使用較長(zhǎng)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)

6、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?！窘狻肯到y(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

7、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(guò)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??？梢园鸦魻栐?/p>

8、效為一個(gè)電橋，用電橋平衡來(lái)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

9、) 輸出回路等效電路溫度為T(mén)0 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。【答】轉(zhuǎn)盤(pán)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(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤(pán)附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)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(pán)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

10、？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(méi)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(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中

11、電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)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(wú)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(guò)PN結(jié)，形成比無(wú)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)

12、，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(wú)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

13、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)之間出現(xiàn)電位差。 若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來(lái)，電路中有電流流過(guò)，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(kāi)，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(wú)物體的光電開(kāi)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

14、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)?？?duì)光纖及入射光的入射角有什么要求？【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?jiàn)這里的光線“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

15、收光量的多少。無(wú)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(guò)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)值孔徑，這有利于提高耦合效率； 但數(shù)值孔徑過(guò)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。8-9 根據(jù)圖8-

16、43和8-44，說(shuō)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(zhǎng)隨溫度增加而向長(zhǎng)波長(zhǎng)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

17、著吸收邊波長(zhǎng)g的變短而急劇增加，也即透過(guò)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(zhǎng)g的變長(zhǎng)，半導(dǎo)體的透光率增大。在光源一定的情況下，通過(guò)半導(dǎo)體的透射光強(qiáng)隨溫度 T 的增加而減小。9-1 簡(jiǎn)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，

18、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(shuō)明用色敏傳感器測(cè)量光波波長(zhǎng)（即顏色）的工作原理?！敬稹繄D9-25所示為檢測(cè)光波長(zhǎng)（即

19、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時(shí)候，二極管兩端加上的電壓和流過(guò)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(zhǎng)（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(wèn)：（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

20、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（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(lái)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(guò)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(guò)0.05%。 （2）調(diào)節(jié)

21、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?？烧J(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(guò)界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反

22、射和折射。（4）超聲波的衰減，聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。10-4 簡(jiǎn)述超聲波測(cè)量流量的工作原理，并推導(dǎo)出數(shù)學(xué)表達(dá)式?！敬稹?采用時(shí)差法測(cè)流速。為液體的平均速度，為超聲波的液體中傳播速度。 設(shè)超聲波探頭1為發(fā)射探頭，超聲波探頭2為接收探頭，超聲波傳播的速度為，則順流傳播時(shí)間為：再以超聲波探頭2為發(fā)射探頭，超聲波探頭1為接收探頭，超聲波傳播的速度為，則逆流傳播時(shí)間為：時(shí)差為由于，可以近似有：則液體的平均速度為這種測(cè)量方法的精度取決于的測(cè)量精度，同時(shí)應(yīng)注意并非常數(shù)，而是溫度的函數(shù)。10-5 已知超聲波探頭垂直安裝在被測(cè)介質(zhì)底

23、部，超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度為1460m/s，測(cè)得時(shí)間為28s，試求物位高度?！窘狻繉?duì)于單探頭來(lái)說(shuō)，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到探頭的時(shí)間為則物位高度為11-1 簡(jiǎn)述微波傳感器的測(cè)量機(jī)理?！敬稹坑砂l(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過(guò)被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，即可以顯示出被測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。11-2 微波傳感器有哪些特點(diǎn)？微波傳感器如何分類？【答】1、微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點(diǎn)：（1）有極寬的頻譜（波長(zhǎng)=1.0mm1.0m）可供選用，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象

24、的特點(diǎn)選擇不同的測(cè)量頻率；（2）在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高、低溫環(huán)境中對(duì)檢測(cè)信號(hào)的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作；（3）介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)；（4）時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制； （5）測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無(wú)須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器間的接口，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控；（6） 微波無(wú)顯著輻射公害。微波傳感器存在的主要問(wèn)題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未得到很好的解決。其次，使用時(shí)外界環(huán)境因素影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。 2、根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。（1

25、）反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量被測(cè)量的。通常它可以測(cè)量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。（2）遮斷式微波傳感器遮斷式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)接收天線收到的微波功率大小來(lái)判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無(wú)被測(cè)物體或被測(cè)物體的厚度、含水量等參數(shù)的。 12-1 紅外探測(cè)器有哪些類型？ 【答】紅外探測(cè)器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來(lái)探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的物理效應(yīng)可分為兩大類：（1）一類是器件的某些性能參數(shù)隨入射的輻射通量作用引起的溫度變化的熱探測(cè)器；（2）另一類是利用各種光子效應(yīng)的光子探測(cè)器，即入射到探測(cè)器上的

26、紅外輻射能以光子的形式與光電探測(cè)器材料的束縛電子相互作用，從而釋放出自由電子和自由空穴參與導(dǎo)電的器件。光子探測(cè)器的響應(yīng)正比于吸收的光子數(shù)。 12-3 試說(shuō)明、射線的特性?！敬稹浚?）在檢測(cè)技術(shù)中，射線的電離效應(yīng)、透射效應(yīng)和散射效應(yīng)都有應(yīng)用， 但以電離效應(yīng)為主，用粒子來(lái)使氣體電離比其它輻射強(qiáng)得多。其貫穿本領(lǐng)小，但有很強(qiáng)的電離作用。（2）射線與射線相比，透射能力大，電離作用小。在檢測(cè)中主要是根據(jù)輻射吸收來(lái)測(cè)量材料的厚度、 密度或重量，根據(jù)輻射的反射來(lái)測(cè)量覆蓋層的厚度，利用粒子很大的電離能力來(lái)測(cè)量氣體流的。 （3）與射線相比，射線的吸收系數(shù)小，它透過(guò)物質(zhì)的能力最大， 在氣體中的射程為幾百米，并且能穿

27、透幾十厘米的固體物質(zhì)，其電離作用最小。 在測(cè)量?jī)x表中，根據(jù)輻射穿透力強(qiáng)這一特性來(lái)制作探傷儀、 金屬厚度計(jì)和物位計(jì)等。 14-1 什么是智能傳感器？它包含哪幾種主要形式？ 【答】1、所謂智能式傳感器，就是一種帶有微處理器的，兼有信息檢測(cè)、信號(hào)處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。即“電五官”+“電腦”。2、智能傳感器主要形式（1） 一是采用微處理機(jī)或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以強(qiáng)化和提高傳統(tǒng)傳感器的功能， 即傳感器與微處理機(jī)可分為兩個(gè)獨(dú)立部分，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)算處理。這就是我們指的一般意義上的智能傳感器, 又稱傳感器的智能化。（2）二是借助于半導(dǎo)體技術(shù)把傳感器

28、部分與信號(hào)預(yù)處理電路、輸入輸出接口、 微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器，簡(jiǎn)稱集成智能傳感器。15-2 試證明熱電偶的中間導(dǎo)體定律，說(shuō)明該定律在熱電偶實(shí)際測(cè)溫中的意義。【答】1、中間導(dǎo)體定律（1）如圖(a)所示的回路中，由于溫差電勢(shì)可忽略不計(jì)，則回路中的總熱電勢(shì)等于各接點(diǎn)的接觸電勢(shì)之和，即 EABC(t,t0)=EAB(t)+EBC(t0)+ECA(t0)EBC(t0)+ECA(t0)= - EAB(t0) 其中 將上兩式聯(lián)立得 EABC(t,t0) =EAB(t)-EAB(t0)=EAB(t,t0) 上式表明， 接入第三種導(dǎo)體后， 并不影響熱電偶回路的總熱電勢(shì)。 (

29、a) 具有三種導(dǎo)體的熱電偶回路 （2）如圖(b)所示的回路中，由于溫差電勢(shì)可忽略不計(jì)，則回路中的總熱電勢(shì)等于各接點(diǎn)的接觸電勢(shì)之和，即(b) 具有三種導(dǎo)體的熱電偶回路 2、這樣就可以用導(dǎo)線從熱電偶冷端引出，并接到溫度顯示儀表或控制儀表， 組成相應(yīng)的溫度測(cè)量或控制回路。 15-3 試證明熱電偶的中間溫度定律，說(shuō)明該定律在熱電偶實(shí)際測(cè)溫中的意義。【答】1、中間溫度定律在熱電偶測(cè)溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)：熱電勢(shì)EAB(t, t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)EAB(t, tc)和EAB(tc, t0)的代數(shù)和2、中間溫度定律在熱電

30、偶實(shí)際測(cè)溫中的意義（1）該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)，在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中, 利用熱電偶這一性質(zhì), 可對(duì)參考端溫度不為0的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。（2）另外根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體片P和Q，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。 15-4 用熱電偶測(cè)溫時(shí)，為什么要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？常用的冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？說(shuō)明補(bǔ)償原理？【答】1、熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定。熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)是以冷端溫度0為依據(jù)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。2、補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ校海?

31、） 補(bǔ)償導(dǎo)線法（2） 計(jì)算修正法（3） 冰點(diǎn)槽法（4） 冷端補(bǔ)償器法（5） 補(bǔ)正系數(shù)法（6） 軟件處理法3、補(bǔ)償原理（1）補(bǔ)償導(dǎo)線法原理由于熱電偶的長(zhǎng)度有限， 在實(shí)際測(cè)溫時(shí)， 熱電偶的冷端一般離熱源較近， 冷端溫度波動(dòng)較大，需要把冷端延伸到溫度變化較小的地方； 另外， 熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)也需要傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表。 工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線， 它通常由兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)線制成， 也有正極和負(fù)極， 而且在0100溫度范圍內(nèi)， 要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。 接入補(bǔ)償導(dǎo)線后的總熱電勢(shì)為如果B、Q的性質(zhì)相同，則 如果A、P的性質(zhì)相同，則 又因： 則：（2）

32、冷端溫度修正法（計(jì)算修正法） 冷端溫度修正法是對(duì)熱電偶實(shí)際測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)EAB（t，t0）根據(jù)冷端溫度進(jìn)行修正，修正值為EAB(t0，0 )，這里的t為熱電偶的熱端溫度，t0為冷端溫度。分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)EAB(t, 0)與熱電偶的熱電勢(shì)EAB(t, t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式： EAB(t, 0)= EAB(t, t0)+ EAB(t0，0) 由熱電偶分度表就可得到熱電偶熱端對(duì)應(yīng)的溫度值。 15-7 使用K型熱電偶，參考端為0、測(cè)量端為30和900時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)分別為1.203mV 和37.326mV。當(dāng)參考端為30，測(cè)量端為900時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)為多少？【解】由題意得由中間溫度定律，當(dāng)參考端為30，測(cè)量端為900時(shí)15-8 一只分度號(hào)為Cu100的熱電阻，在130時(shí)它的電阻Rt是多少？要求比較精確計(jì)算和估算?！窘狻?、精確計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)銅電阻體電阻-溫度特性公式，計(jì)算公式如下：式中，R0為Cu100銅電阻在0時(shí)的阻