傳感器習題與答案

1、第一章習題答案1什么是傳感器？它由哪幾個部分組成？分別起到什么作用？解：傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置，能完成檢測任務；傳感器由敏感元件，轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換電路組成。敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的物理量；轉(zhuǎn)換元件把敏感元件的輸出作為它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量；上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。2傳感器技術的發(fā)展動向表現(xiàn)在哪幾個方面？解：（1）開發(fā)新的敏感、傳感材料：在發(fā)現(xiàn)力、熱、光、磁、氣體等物理量都會使半導體硅材料的性能改變，從而制成力敏、熱敏、光敏、磁敏和氣敏等敏感元件后，尋找發(fā)現(xiàn)具有新原理、新效

2、應的敏感元件和傳感元件。（2）開發(fā)研制新型傳感器及組成新型測試系統(tǒng) MEMS技術要求研制微型傳感器。如用于微型偵察機的CCD傳感器、用于管道爬壁機器人的力敏、視覺傳感器。 研制仿生傳感器 研制海洋探測用傳感器 研制成分分析用傳感器 研制微弱信號檢測傳感器（3）研究新一代的智能化傳感器及測試系統(tǒng)：如電子血壓計，智能水、電、煤氣、熱量表。它們的特點是傳感器與微型計算機有機結(jié)合，構(gòu)成智能傳感器。系統(tǒng)功能最大程度地用軟件實現(xiàn)。（4）傳感器發(fā)展集成化：固體功能材料的進一步開發(fā)和集成技術的不斷發(fā)展，為傳感器集成化開辟了廣闊的前景。（5）多功能與多參數(shù)傳感器的研究：如同時檢測壓力、溫度和液位的傳感器已逐步走

3、向市場。3傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的什么關系？靜態(tài)參數(shù)有哪些？各種參數(shù)代表什么意義？動態(tài)參數(shù)有那些？應如何選擇？解：在生產(chǎn)過程和科學實驗中，要對各種各樣的參數(shù)進行檢測和控制，就要求傳感器能感受被測非電量的變化并將其不失真地變換成相應的電量，這取決于傳感器的基本特性，即輸出輸入特性。衡量靜態(tài)特性的重要指標是線性度、 靈敏度，遲滯和重復性等。1）傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關系的線性程度；2）傳感器的靈敏度S是指傳感器的輸出量增量y與引起輸出量增量y的輸入量增量x的比值；3）傳感器的遲滯是指傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象；4）傳

4、感器的重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。5）傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等。傳感器的動態(tài)特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性：頻率響應、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。1）瞬態(tài)響應特性：傳感器的瞬態(tài)響應是時間響應。在研究傳感器的動態(tài)特性時，有時需要從時域中對傳感器的響應和過渡過程進行分析。這種分析方法是時域分析法，傳感器對所加激勵信號的響應稱瞬態(tài)響應。常用激勵信號有階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)等。2）頻率響應特性：傳感器對正弦輸入信號的響應特性，稱為頻率響應特性。頻率

5、響應法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。為了減小動態(tài)誤差和擴大頻率響應范圍，一般是提高傳感器固有頻率n。4某位移傳感器，在輸入量變化5 mm時，輸出電壓變化為300 mV，求其靈敏度。解：其靈敏度第二章習題答案1什么是應變效應？什么是壓阻效應？什么是橫向效應？解：應變效應，是指在導體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應發(fā)生變化。壓阻效應，是指半導體材料在某一軸向受外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。橫向效應，是指將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度不變，應變狀態(tài)相同，但由于應變片敏感柵的電阻變化較小，因而其靈敏系數(shù)k較電阻絲的靈敏系數(shù)k0小的現(xiàn)象。2、試說明金屬應變片與半導體應變片的相同和

6、不同之處。解：金屬應變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。金屬電阻應變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。箔式應變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，其優(yōu)點是散熱條件好，允許通過的電流較大，便于批量生產(chǎn)，可制成各種所需的形狀；缺點是電阻分散性大。薄膜式應變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1m以下的金屬電阻薄膜的敏感柵，最后再加上保護層。它的優(yōu)點是應變靈敏度系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣。半導體應變片是用半導體材料制成的，其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。半導體應變片的突出優(yōu)點是靈敏度高，比金屬絲式應變片高5080倍，尺寸小，橫向效應小，動態(tài)響

7、應好。但它有溫度系數(shù)大，應變時非線性比較嚴重等缺點。3、 應變片產(chǎn)生溫度誤差的原因及減小或補償溫度誤差的方法是什么？解：電阻應變片產(chǎn)生溫度誤差的原因：當測量現(xiàn)場環(huán)境溫度變化時，由于敏感柵溫度系數(shù)及柵絲與試件膨脹系數(shù)之差異性而給測量帶來了附加誤差。電阻應變片的溫度補償方法：通常有線路補償法和應變片自補償兩大類。1）電橋補償是最常用的且效果較好的線路補償法。電橋補償法簡單易行，而且能在較大的溫度范圍內(nèi)補償，但上面的四個條件不一滿足，尤其是兩個應變片很難處于同一溫度場。 2）應變片的自補償法是利用自身具有溫度補償作用的應變片。4、鋼材上粘貼的應變片的電阻變化率為0.1%，鋼材的應力為10kg/mm2

8、。試求求鋼材的應變。鋼材的應變?yōu)?00×10-6時，粘貼的應變片的電阻變化率為多少?解：是R/R=2（l/l）。因為電阻變化率是R/R=0.001，所以l/l（應變）=0.0005=因5、如系題圖1-1所示為等強度梁測力系統(tǒng)，為電阻應變片，應變片靈敏度系數(shù)，未受應變時，當試件受力時，應變片承受平均應變，求 （1）應變片電阻變化量和電阻相對變化量。（2）將電阻應變片置于單臂測量電橋，電橋電源電壓為直流3，求電橋 輸出電壓是多少。 （a） （b）習題圖1-1等強度梁測力系統(tǒng)解： （1），解：（2）設橋臂比，分母中可忽略，并考慮到平衡條件，則上式可寫為：6、單臂電橋存在非線性誤差，試說明解

9、決方法。解：為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋在試件上安裝兩個工作應變片，一個受拉應變，一個受壓應變，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動電路，由教材中的式（2-42）可知，Uo與R1/R1呈線性關系，差動電橋無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KV=E/2，比單臂工作時提高一倍，同時還具有溫度補償作用。第三章習題答案1 為什么電感式傳感器一般都采用差動形式? 解：差動式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性，提高靈敏度外，對電源電壓、頻率的波動及溫度變化等外界影響也有補償作用；作用在銜鐵上的電磁力，是兩個線圈磁力之差，所以對電磁力有一定的補償作用，從而提高了測量的準確性。2. 交流電橋的平衡條件是什么？解：由

10、交流電路分析可得 要滿足電橋平衡條件，即，則有：3渦流的形成范圍和滲透深度與哪些因素有關?被測體對渦流傳感器的靈敏度有何影 響? 解：電渦流的徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑的1.82.5倍范圍內(nèi)，且分布不均勻。渦流貫穿深度，定義在渦流密度最大值的處。被測體的平面不應小于傳感器線圈外D的2倍，厚度大于2倍貫穿度h時，傳感器靈敏度幾乎不受影響。4渦流式傳感器的主要優(yōu)點是什么? 解：電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、 應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小，靈敏度高，頻率響應寬等特點，應用極其廣泛。5電渦流傳感器除了能測量位移外，還能測量哪些非電量？解：還可

11、以對厚度、表面溫度、速度、 應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量。第四章習題答案1某電容傳感器（平行極板電容器）的圓形極板半徑，工作初始極板間距離，介質(zhì)為空氣。問：（1）如果極板間距離變化量，電容的變化量是多少？（2）如果測量電路的靈敏度，讀數(shù)儀表的靈敏度（格mV）在時，讀數(shù)儀表的變化量為多少？解：（1）根據(jù)公式，其中S=（2）根據(jù)公式，可得到=2寄生電容與電容傳感器相關聯(lián)影響傳感器的靈敏度，它的變化為虛假信號影響傳感器的精度。試闡述消除和減小寄生電容影響的幾種方法和原理。解：電容式傳感器內(nèi)極板與其周圍導體構(gòu)成的“寄生電容”卻較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（如電纜電容）常常是隨機

12、變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測量精度。因此對電纜的選擇、安裝、接法都有要求。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應影響時，其等效電路如圖4-8所示。圖中L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；C0為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實用性能的關鍵之一；Rg為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗；Rs為高濕、高溫、高頻激勵工作時的串聯(lián)損耗電組，它包含導線、極板間和金屬支座等損耗電阻。此時電容傳感器的等效靈敏度為 （4-28）當電容式傳感器的供電電源頻率較高時，傳感器的

13、靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關，且隨變化而變化。在這種情況下，每當改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統(tǒng)重新進行標定。3簡述電容式傳感器的優(yōu)缺點。解：優(yōu)點：(1) 溫度穩(wěn)定性好(2) 結(jié)構(gòu)簡單(3) 動態(tài)響應好（4）可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應缺點：（1）輸出阻抗高，負載能力差（2）寄生電容影響大4電容式傳感器測量電路的作用是什么？ 解：電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，這樣微小的電容量還不能直接被目前的顯示儀表顯示，也很難被記錄儀接受，不便于傳輸。這就必須借助于測量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關系的電壓、電流或

14、者頻率。電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等5下圖為變極距型平板電容傳感器的一種測量電路，其中CX為傳感器電容，C為固定電容，假設運放增益A=，輸入阻抗Z=；試推導輸出電壓U0與極板間距的關系，并分析其工作特點。題圖4-1式中負號表示輸出電壓的相位與電源電壓反相。上式說明運算放大器的輸出電壓與極板間距離d線性關系。運算放大器電路解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題。但要求Zi及放大倍數(shù)K足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。第五章習題答案1簡述正、逆壓電效應。解：某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于

15、內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，恢復到不帶電的狀態(tài)；而當作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應。2壓電材料的主要特性參數(shù)有哪些？解：壓電材料的主要特性參數(shù)有：（1）壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應強弱的參數(shù)，它直接關系到壓電輸出的靈敏度。（2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。（3）介電常數(shù)：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關；而固有電容又影

16、響著壓電傳感器的頻率下限。（4） 機械耦合系數(shù)：在壓電效應中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根； 它是衡量壓電材料機電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。（5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。3簡述電壓放大器和電荷放大器的優(yōu)缺點。解：電壓放大器的應用具有一定的應用限制，壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。優(yōu)點：微型電壓放大電路可以和傳感器做成一體，這樣這一問題就可以得到克服，使它具有廣泛的應用前景。缺點：電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的

17、電壓靈敏度降低。不過由于固態(tài)電子器件和集成電路的迅速發(fā)展， 電荷放大器的優(yōu)點：輸出電壓Uo與電纜電容Cc無關，且與Q成正比，這是電荷放大器的最大特點。但電荷放大器的缺點：價格比電壓放大器高，電路較復雜，調(diào)整也較困難。要注意的是，在實際應用中，電壓放大器和電荷放大器都應加過載放大保護電路，否則在傳感器過載時，會產(chǎn)生過高的輸出電壓。4能否用壓電傳感器測量靜態(tài)壓力？為什么？解：不可以，壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，為了保證壓電傳感器的測量誤差較小，它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，所以不能用來測量靜態(tài)壓力。5題圖5-1所示電荷放大器中Ca=100 PF，Ra=，Rf=

18、 ，Ri= ，CF=10 PF。若考慮引線電容CC 影響，當A0=104時，要求輸出信號衰減小于1%，求使用90 PF/m的電纜，其最大允許長度為多少？題圖5-1解：因此若滿足時，式（6-4）可表示為第六章習題答案1說明霍爾效應的原理？解：置于磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應。2某霍爾元件為沿方向通以電流，在垂直面方向加有均勻磁場，傳感器的靈敏度系數(shù)為，試求其輸出霍爾電勢及載流子濃度。 （） 解：，式中KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度所以輸出的霍爾電勢為，因為，式中令RH=-1/（ne），稱之為霍

19、爾常數(shù)，其大小取決于導體載流子密度,所以濃度= 3磁電式傳感器與電感式傳感器有何不同？解：磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。磁電感應式傳感器也稱為電動式傳感器或感應式傳感器。磁電感應式傳感器是利用導體和磁場發(fā)生相對運動產(chǎn)生電動式的，它不需要輔助電源就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是有源傳感器。電感式傳感器是利用電磁感應原理將被測非電量如位移、壓力、流量、重量、振動等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的裝置。4霍爾元件在一定電流的控制下，其霍爾電勢與哪些因素有關？解：根據(jù)下面這個公式可以得到

20、，霍爾電勢還與磁感應強度B, KH為霍爾片的靈敏度,霍爾元件的長度L和寬度b有關。第七章習題答案1什么是熱電勢、接觸電勢和溫差電勢？解：兩種不同的金屬A和B構(gòu)成的閉合回路，如果將它們的兩個接點中的一個進行加熱，使其溫度為T，而另一點置于室溫T0中，則在回路中會產(chǎn)生的電勢就叫做熱電勢。由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢叫做接觸電勢。溫差電勢（又稱湯姆森電勢）是同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。2說明熱電偶測溫的原理及熱電偶的基本定律。解：熱電偶是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，它利用傳感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化的特征來達到測量的目的。通常將被測溫度轉(zhuǎn)換為敏感

21、元件的電阻、磁導或電勢等的變化，通過適當?shù)臏y量電路，就可由電壓電流這些電參數(shù)的變化來表達所測溫度的變化。熱電偶的基本定律包括以下三種定律：1）中間導體定律：在熱電偶回路中，只要中間導體兩端的溫度相同，那么接入中間導體后，對熱電偶的回路的總電勢無影響。2）參考電極定律：如果導體C熱電極作為參考電極，并已知標準電極與任意導體配對時的熱電勢，那么在相同結(jié)點溫度（T,T0）下，任意兩導體A、B組成的熱電偶，其電勢可由下式求得3）中間溫度定律：在熱電偶回路中，兩接點溫度為T，T0時的熱電勢，等于該熱電偶在接點T、Ta和Ta、T0時的熱電勢之和，即3 已知在其特定條件下材料A與鉑配對的熱電勢，材料B與鉑配

22、對的熱電勢，試求出此條件下材料A與材料B配對后的熱電勢。解：根據(jù)熱電偶基本定律中的參考電極定律可知，當結(jié)點溫度為T，T0時，用導體A，B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的代數(shù)和，即：4Pt100和Cu50分別代表什么傳感器？分析熱電阻傳感器測量電橋之三線、四線連接法的主要作用。解：Pt100代表鉑熱電阻傳感器，Cu50代表銅熱電阻傳感器。三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響，用于高精度溫度檢測。工業(yè)用鉑電阻測溫常采用三線制和四線制連接法。5將一只靈敏度為0.08mv/ 的熱電偶與毫伏表相

23、連,已知接線端溫度為50,毫伏表的輸出為60 mv, 求熱電偶熱端的溫度為多少?解：6試比較熱電阻與熱敏電阻的異同。解：熱電阻將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值大小的熱電式傳感器,熱電阻傳感器是利用導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻傳感器的測量精度高；有較大的測量范圍，它可測量200500的溫度；易于使用在自動測量和遠距離測量中。熱電阻由電阻體、保護套和接線盒等部件組成。其結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)實際使用制作成各種形狀。熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷、錳、鎳等的氧化物，采用不同比例的配方，經(jīng)高溫燒結(jié)而成，然后采用不同的封裝形式制成珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等各種形狀。熱敏電阻具有以下優(yōu)點：電阻溫度系數(shù)

24、大，靈敏度高；結(jié)構(gòu)簡單；電阻率高，熱慣性小；但它阻值與溫度變化呈非線性，且穩(wěn)定性和互換性較差。第八章習題答案1什么是光電效應，依其表現(xiàn)形式如何分類，并予以解釋。解：光電效應首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號,光電效應分為外光電效應和內(nèi)光電效應兩大類：a)在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應;b)受光照的物體導電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的效應叫內(nèi)光電效應。2分別列舉屬于內(nèi)光電效應和外光電效應的光電器件。解：外光電效應，如光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應，如光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。3簡述CCD的工作原理。解：CCD的工作原理如下：首

25、先構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器，如果MOS電容器中的半導體是P型硅，當在金屬電極上施加一個正電壓時，在其電極下形成所謂耗盡層，由于電子在那里勢能較低，形成了電子的勢阱，成為蓄積電荷的場所。CCD的最基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷腗OS電容器，這些電容器用同一半導體襯底制成，襯底上面覆蓋一層氧化層，并在其上制作許多金屬電極，各電極按三相（也有二相和四相）配線方式連接。CCD的基本功能是存儲與轉(zhuǎn)移信息電荷，為了實現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)換：必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合；控制相鄰MOC電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處

26、；在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。4說明光纖傳輸?shù)脑怼＝猓汗庠诳臻g是直線傳播的。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨光纖能傳送到很遠的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。當光纖的直徑比光的波長大很多時，可以用幾何光學的方法來說明光在光纖內(nèi)的傳播。設有一段圓柱形光纖，它的兩個端面均為光滑的平面。當光線射入一個端面并與圓柱的軸線成i角時，根據(jù)斯涅耳（Snell）光的折射定律，在光纖內(nèi)折射成j，然后以k角入射至纖芯與包層的界面。若要在界面上發(fā)生全反射，則纖芯與界面的光線入射角k應大于臨界角c（處于臨界狀態(tài)時，r=90º），即:且在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復逐次反射，直至傳播到另一端

27、面。5光纖傳感器常用的調(diào)制原理有哪些？解：1）強度調(diào)制原理2）相位調(diào)制原理3）頻率調(diào)制原理4）偏振調(diào)制原理6紅外線的最大特點是什么？什么是紅外傳感器？解：紅外線的最大特點是具有光熱效應，可以輻射熱量，它是光譜中的最大光熱效應區(qū)。能將紅外輻射量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置稱為紅外探測器或紅外傳感器。紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。7光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管在性能上有什么差異，它們分別在什么情況下選用最合適？解：光敏電阻 （1） 伏安特性：在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱為光敏電阻的伏安特性。光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I

28、-U曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關，而與電壓、電流無關。在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關。（2）光譜特性：光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關系稱為光譜特性，亦稱為光譜響應。光敏電阻的靈敏度是不同的。從圖中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應的峰值在可見光區(qū)域，常被用作光度量測量（照度計）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區(qū)，常用做火焰探測器的探頭。（3）光照特性：由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動控制系

29、統(tǒng)中常用作開關式光電信號傳感元件。（4）溫度特性：光敏電阻受溫度的影響較大。當溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降。溫度變化影響光敏電阻的光譜響應，尤其是響應于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。光敏二極管（1）光譜特性：一般來講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對紅外光進行探測時，鍺管較為適宜。（2）伏安特性：光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。（3）溫度特性：從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大，所以在電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。光電池（1）光譜特性：光電池對不同波長的光的

30、靈敏度是不同的。光譜響應峰值所對應的入射光波長是不同的，硅光電池在0.8m附近，硒光電池在0.5m附近?？梢姽韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL范圍內(nèi)得到應用。（2）光照特性：光電池在不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關系就是光照特性。短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強度成線性關系，開路電壓（負截電阻RL無限大時）與光照度的關系是非線性的，并且當照度在2000 lx時就趨于飽和了。因此光把電池作為測量元件時，應把它當作電流源的形式來使用，不能用作電壓源。（3）溫度特性：光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關系到應用光電池的儀器或設備的溫度漂移，影響到測量精度

31、或控制精度等重要指標，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對光電池的工作有很大影響，因此把它作為測量器件應用時，最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。第九章習題答案1 超聲波在介質(zhì)中有哪些傳播特性？解：超聲波在各種介質(zhì)中的波速不同，超聲波會被傳播介質(zhì)吸收及散射，從而造成波動能量的損失。一般稱為吸收損失，也稱衰減，頻率愈低的超聲波衰減愈小。當超聲波經(jīng)過性質(zhì)不同的介質(zhì)交界面時，一部分會反射，其余的會穿透過去。這種反射或穿透的強度，由這兩個交界介質(zhì)的特性阻抗Z 決定。介質(zhì)的特性阻抗差越大，反射率也就越大。超聲波射入交界面除了

32、部分反射外，其余的全部穿透過去，2 什么是超聲波的干涉現(xiàn)象？解：如果在一種介質(zhì)中傳播幾個聲波，于是會產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。由不同波源發(fā)出的頻率相同、振動方向相同、相位相同或相位差恒定的兩個波在空間相遇時，某些點振動始終加強，某些點振動始終減弱或消失，這種現(xiàn)象稱為超聲波的干涉現(xiàn)象。第十章習題答案1什么是絕對濕度和相對濕度？解：絕對濕度是指單位空間中所含水蒸汽的絕對含量或者濃度或者密度，一般用符號AH表示。相對濕度是指被測氣體中蒸汽壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比，一般用符號RH表示。2 說明半導體色敏傳感器的基本原理。解：半導體色敏傳感器是由結(jié)深不同的兩個PN結(jié)二極管，淺結(jié)的二極管是PN結(jié)

33、組成的；深結(jié)的二極管是PN結(jié)。當有入射光照射時，P、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子吸收，但效果不同。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離已基本吸收完畢。在此，淺結(jié)的即是光電二極管對紫外光的靈敏度高，而紅外部分吸收系數(shù)較小，這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。因此，深結(jié)的那只光電二極管對紅外光的靈敏度較高。3什么是水分子親和力型濕敏傳感器？解：根據(jù)水分子易于吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部的這種特性（即水分子親和力）所制成的傳感器叫做水分子親和力型濕敏傳感器。第十一章習題答案1用測量范圍為-50150KPa的壓力傳感器測量140KPa壓力時，傳感器測得示值為142KPa，求該示值的絕對誤差、

34、實際相對誤差、標稱相對誤差和引用誤差。解：絕對誤差：=142-140=2相對誤差=標稱相對誤差即=引用誤差=2試問下列測量數(shù)據(jù)中，哪些表示不正確：100±0.1，100±1，100±1%，100±0.1%?解：不正確的是100±0.1，100±1%3壓力傳感器測量砝碼數(shù)據(jù)如題表11-1，試解釋這是一種什么誤差，產(chǎn)生這種誤差的原因是什么。題表11-1M（g）012345正向測量值（mv）01.522.533.5反向測量值（mv）00.5122.53.5解：這是系統(tǒng)誤差，標準量值的不準確及儀表刻度的不準確而引起的誤差。對于系統(tǒng)誤差應通過理

35、論分析和實驗驗證找到誤差產(chǎn)生的原因和規(guī)律以減少和消除誤差。4什么是粗大誤差？如何判斷測量系統(tǒng)中含有粗大誤差？解：明顯偏離測量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差，又稱疏忽誤差。這類誤差是由于測量者疏忽大意或環(huán)境條件的突然變化而引起的。對于粗大誤差，首先應設法判斷是否存在，然后將其剔除。5在對量程為10MPa的壓力傳感器進行標定時，傳感器輸出電壓值與壓力值之間的關系如題表11-2所示，簡述最小二乘法準則的幾何意義，并討論下列電壓-壓力直線中哪一條最符合最小二乘法準則？（10分）題表11-2測量次數(shù)I12345壓力xi（MPa）245810電壓yi（V）10.04320.09330.15340.12850.07

36、2（1）y=5.00x-1.05（2）y=7.00x+0.09（3）y=50.00x-10.50（4）y=-5.00x-1.05（5）y=5.00x+0.07解：最小二乘法準則的幾何意義在于擬和直線精密度高即誤差小。將幾組x分別帶入以上五式，與y值相差最小的就是所求，很明顯（5）為所求。6測得某檢測裝置的一組輸入輸出數(shù)據(jù)如題表11-3，試用最小二乘法擬合直線，求其線性度和靈敏度；題表11-3x0.92.53.34.55.76.7y1.11.62.63.24.05.0解： Y=kx+b 代入數(shù)據(jù)得到：k=0.68, b=0.25所以，y=0.68x+0.257設5次測量某物體的長度，其測量的結(jié)果

37、分別為：9.8，10.0，10.1，9.9，10.2厘米，若忽略粗大誤差和系統(tǒng)誤差，試求在99.73的置信概率下，對被測物體的最小估計區(qū)間。解： 分別為-0.2-0.2 0 0.1 -0.1 0.2第十二章習題答案1 虛擬儀器的特點是什么？解：具有圖形化的編程方式，設計者無需編寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師語言。提供豐富的數(shù)據(jù)采集，分析及存儲的庫函數(shù)。提供傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)試手段，如設置斷點，單步運行，同時提供獨具特色的執(zhí)行工具，使程序動畫式進行，利于設計者觀察到程序運行的細節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。囊括了PCI,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USB等各種儀器通信總線標

38、準的所有功能函數(shù)，使得不懂得總線標準的開發(fā)者也能驅(qū)動不同總線標準接口設備與儀器。提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，諸如DLL（動態(tài)鏈接庫），DDE（共享庫），Activex等。具有強大的Internet功能，支持常用的網(wǎng)絡協(xié)議，方便網(wǎng)絡，遠程測控儀器開發(fā)。2 LabVIEW可支持那些儀器通信總線標準？解：LabVIEW 包括了PCI,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USB等各種儀器通信總線標準的所有功能函數(shù)。3 什么是數(shù)據(jù)采樣原理？解：數(shù)據(jù)采樣原理是根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最

39、大頻率叫做奈奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。4 模擬輸入信號源包括哪幾種？它們有什么區(qū)別？解：1) 浮動信號源：浮動信號源不以任何形式與建筑物地相連接，2) 接地信號源：接地信號源即電源以某種方式連接到建筑物地，非孤立輸出端的設備或器件（已連接到電源系統(tǒng)）就可認為是接地信號源。5假設采樣頻率 fs 是150HZ,，信號中含有50 、70、160、和 510 Hz的成分，將產(chǎn)生畸變的頻率成分是哪些？新產(chǎn)生的畸變頻率為多少？解：產(chǎn)生畸變的頻率成分F3,F4, 新產(chǎn)生的畸變頻率為10和60Hz。第十三章習題答案1、 單臂電

40、橋存在非線性誤差，試說明解決方法。解：提高橋臂比：提高了橋臂比，非線性誤差可以減小，但從電壓靈敏度考慮，靈敏度將降低，這是一種矛盾，因此，采用這種方法的時候應該適當?shù)奶岣吖螂妷篣i。采用差動電橋：根據(jù)被測試件的受力情況，若使一個應變片受拉，另一個受壓，則應變符號相反；測試時，將兩個應變片接入電橋的相鄰臂上，成為半橋差動電路，則電橋輸出電壓Uo為 （13-15）若R1=R2,R1=R2,R3=R4,則有 （13-16）由此可知，Uo和R1/R1成線性關系，差動電橋無非線性誤差。而起電壓靈敏度為，比使用一只應變片提高了一倍，同時可以起到溫度補償?shù)淖饔?。因為采用的是金屬應變片測量，所以本設計采用全

41、橋電路，能夠有比較好的靈敏度并且不存在非線性誤差。2、 根據(jù)應變傳感器的原理說明本設計中應變模型的建立過程。解：1)傳感器模型的建立：電阻應變片的工作原理是基于電阻應變效應，即在導體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應發(fā)生變化。應變片是由金屬導體或半導體制成的電阻體，其阻值將隨著壓力所產(chǎn)生的變化而變化。在外力作用下,應變片產(chǎn)生變化,同時應變片電阻也發(fā)生相應變化。當測得阻值變化為R時，可得到應變值，根據(jù)應力與應變關系，得到應力值為 由此便得出了應變片電阻變化與重物質(zhì)量的關系，即 2)橋路部分電路原理：電阻應變計把機械應變轉(zhuǎn)換成R/R后，應變電阻變化一般都很微小，這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不

42、便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應變計的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。通常采用惠斯登電橋電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。3)放大電路原理：該放大電路具有很強的共模抑制比。它由兩級放大器組成，第一級由集成運放A1、A2，由于他們采用同一型號的運放，所以可進一步降低漂移。電阻R1、R2和R3組成同相輸入式并聯(lián)差分放大器，具有非常高的輸入阻抗。第二級式由A3和4個電阻R4、R5、R6和R7組成的反向比例放大器，它將雙端輸入變成單端輸出，并使阻值R1=R3,R4=R5,R6=R7。4）綜合電路設計：至此，基于金屬電阻應變片的壓力測量電路設計完成，可以參考書中圖13-5所示。圖中V1、V2、V3、V4指代的是

43、同一電壓V（因考慮電路繪制的方便及電路元件的符號不能重復，所以分開標號），它用來模擬物體重量m。由以上分析可知采用全橋電路能夠有比較好的靈敏度，并且不存在非線性誤差，所以由四個應變片兩個受拉兩個受壓可組成全橋電路。3、 試分析最終顯示的重量值誤差產(chǎn)生的原因。解：每個設計過程中的失誤和疏忽都可能導致電路仿真的失誤，可是一些人為因素方面的失誤在設計仿真制作時都應該要盡量避免。但是可能由于現(xiàn)實器件與理想器件之間有一定的誤差，所以導致實際的電路分析的結(jié)果與仿真電路的結(jié)果存在一定的誤差。第十四章習題答案1、 在-2600的范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度的關系不再服從式（14-1），查閱相關資料，在Multisim

44、中完成該溫度范圍內(nèi)鉑電阻模型的建立。解：參考本教材的原理圖在Multisim中可以建立鉑電阻模型。2、 試說明穩(wěn)壓環(huán)節(jié)中電壓跟隨器的作用。解：穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的輸出端接電壓跟隨器來穩(wěn)定輸出電壓。電壓跟隨器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的優(yōu)點。3、 根據(jù)圖14-17的分析結(jié)果，將電阻RW1在89K100 K的范圍內(nèi)再進行參數(shù)掃描，確定使輸出電壓近似為0的電阻值。解：將滑動變阻器RW1用一個任意大小的電阻代替，然后對該電阻進行參數(shù)掃描分析，觀察RW1變化時，輸出電壓在什么時候接近于零。RW1阻值的掃描范圍為1K到100K，從圖14-17的分析結(jié)果可知，RW1取大約90K左右時，輸出端電壓才接近于零，

45、所以應取100K的滑動變阻器來進行調(diào)零。最后調(diào)節(jié)滑動變阻器RW1使其兩端阻值約為93.1 K圖1 RW1大小的確定4、 分析最終測量誤差的產(chǎn)生有哪些原因。解：1）鉑電阻在實際使用時都會有電流流過，電流流過會使電阻發(fā)熱，使電阻阻值增大，這可能會引起的一定得誤差。2）傳感器本身性能不十分優(yōu)良，測量方法不十分完善，外界干擾的影響等，都會造成被測參數(shù)的測量值與真實值不一致，3）在進行測量時環(huán)境的溫度，濕度，電源電壓的穩(wěn)定性都會影響測量電路存在一定得誤差。第十五章習題答案1、 熱電偶補償電橋中，若沒有所提到的三極管，請用其它元件代替，并調(diào)整電橋電路，使補償后的輸出誤差最小。解：三極管可選用9013，由于

46、Multisim器件庫中沒有，選用三極管2N2222代替。電橋中R3的值應和R4的值相等，調(diào)節(jié)滑動變阻器使上面的左右兩橋臂的總電阻值也相等，才能使電橋平衡。調(diào)整電橋上下兩臂的電阻的比值，可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，即補償電壓的大小，合理選擇這個比值，可使補償電路的電壓正好等于熱電偶自由端溫度上升而降低的電壓值，從而起到電壓補償?shù)淖饔?。而且還應注意電橋調(diào)零時，應使三極管2N2222的參數(shù)測量溫度為0攝氏度，即此時自由端溫度為0攝氏度，不用進行溫度補償。2、 試在MATLAB中用最小二乘法對表15-1的數(shù)據(jù)進行擬和，以得到熱電偶的近似模型。解：在MATLAB 中輸入如下指令即可得到熱電偶的近似模型，&g

47、t;> clear all>>x=0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200,210,220,230,240,250,260,270,280,290,300,310,320,330,340,350,360,370,380,390,400,410,420,430,440,450,460,470,480,490,500,510,520,530,540,550,560,570,580,590,600,610,620,630,640,650,660,670,680,690;>&

48、gt;y=0,0.397,0.798,1.203,1.611,2.022,2.436,2.850,3.266,3.681,4.095,4.508,4.919,5.327,5.733,6.137,6.539,6.939,7.338,7.737,8.137,8.537,8.938,9.341,9.745,10.151,10.560,10.969,11.381,11.793,12.207,12.623,13.039,13.456,13.874,14.292,14.712,15.132,15.552,15.974,16.395,16.818,17.241,17.664,18.088,18.513,18

49、.938,19.363,19.788,20.214,20.640,21.066,21.493,21.919,22.346,22.772,23.198,23.624,24.050,24.476,24.902,25.327,25.751,26.176,26.599,27.022,27.445,27.876,28.288,28.709;>> ceof=polyfit(x,y,1);>> a1=ceof(1);a2=ceof(2);>> ybest=a1*x+a2;sum_eqert=sum(y-ybest).2);>> axis(0,700,-1,30

50、);>> plot(x,y,x,ybest);title('二次回歸');grid;回車即可得到利用數(shù)據(jù)進行擬合的圖形，具體圖形如下。3、 本設計中LabVIEW虛擬儀器是如何對Multisim輸出的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換的？解：把Multisim安裝目錄下Sampling>>LabVIEW Instruments>>Templates>>Input文件夾拷貝到另外一個地方。在LabVIEW 中打開步驟中所拷貝的StarterInputInstrument .lvproj工程。打開Starter Input Instrument.

51、vit的框圖面板，完成接口框圖的設計。在數(shù)據(jù)處理部分，選擇CASE結(jié)構(gòu)下拉菜單中的Update DATA選項進行修改。按框圖中的說明，在結(jié)構(gòu)框中右鍵選擇Select a VI，把在LabVIEW完成的子VI添加在Update DATA框中即可。此時只能添加功能，不可修改框圖面板的原狀，如圖15-18所示。由于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換在子VI的設計中已經(jīng)實現(xiàn)，所以子VI的輸入直接與Multisim的輸出數(shù)據(jù)相連即可。為子VI的輸出創(chuàng)建指示器，并設置室溫T0為25。 注意虛擬儀器信息的設置也可在Instrument Template下proj3.vit的程序框圖里設計，打開Multisim Instr Info

52、子程序設置各項，在儀器ID中和顯示名稱中填入唯一的標識，同時把輸入端口數(shù)設為1，因為只有一個電壓輸入；把輸出端口設為0，此模塊不需要向Multisim輸出。修改后選另存為后把它重命名為proj3_multisimInformation.vi。保存后查看工程文件StarterInputInstrument.lvproj下的SubVIs，它下面的子程序已被修改。打開Build Specifications，右鍵點擊Source Distribution，選擇屬性設置，在保存目錄和支持目錄中，都將編譯完成后要生成的庫文件重命名。同時在原文件設置中選擇總是包括所有包含的條目，屬性設置完成并保存后，再在

53、Source Distribution上點擊右鍵，在彈出的菜單中選擇Build即可。第十六章習題答案1、霍爾傳感器的原理是什么？解：一塊半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場(磁場方向垂直于薄片)中，當有電流I流過時，電子受到洛侖茲力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。結(jié)果在半導體的后端面上電子有所積累。而前端面缺少電子，因此后端面帶負電，前端面帶正電，在前后端面形成電場，該電場產(chǎn)生的力阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)當兩力相平衡時，電子積累也平衡，這時在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電場，相應的電勢稱為霍爾電勢UH。2、硬件電路與數(shù)據(jù)采集卡連接時，選擇非參考單端方式連接的原因是什么？解：NRSE模式是NI 6013/6014器件支

54、持的唯一的一種信號單端連接方式。對于浮動信號源和接地信號源，AISENSE的連接方式不同。 對于浮動信號源，AISENSE 直接連接到AIGND，并且NI 6013/6014 為外部信號提供參考接地點。對于接地信號源，AISENSE被連接到外部信號參考接地點，用于預防電流回流和測量誤差。第十七章習題答案1、本設計中的光電傳感器仿真電路中，哪部分電路完成了電壓到頻率的轉(zhuǎn)換？解：在這里P的輸入電壓和輸出頻率的關系為1:1，所以通過P模塊電壓大小的變化轉(zhuǎn)化成了頻率的變化，輸出的壓控方波幅值為±2V，頻率根據(jù)控制電壓的變化而變化，具體由以下電路構(gòu)成2、簡述本設計中三種測量頻率方法的基本思想。

55、解：功率譜法測量頻率：取波形Y軸的值，求出波形Y軸的平均值，并與Y軸值相減，利用功率譜分析模塊進行功率譜分析，根據(jù)功率譜的最大值求出頻率，設置波形顯示。把從Multisim里取出的信號通過For Loop ，利用For Loop對數(shù)組的自動索引功能，對于輸入波形，每次循環(huán)自動讀出一個數(shù)組波形。接著再取出這個波形的Y值。利用求平均值模塊，對Y求平均值。緊接著求取Y 與Y的平均值的差，之所以要求取Y 與Y的平均值的差是為了防止如果波形的平均值不為零，則有可能在0(HZ)處出現(xiàn)功率最大的可能性，這就給功率法測量頻率帶來了很大誤差的可能。而這一個步驟相當于把波形平移使其關于X軸對稱，所以能避免這一可能

56、性誤差的出現(xiàn)。利用Build Waveform 這一節(jié)點對原來的波形進行整形。這樣到了這一步就實現(xiàn)了對原波形的按比縮放及平移，使其關于X軸對稱。把整形后的波形通過Get Waveform Component 取出波形的Y值及采樣間隔時間。通過功率譜的分析模塊和Build Waveform節(jié)點可以求得功率譜波形。定周法測量頻率：定周法是因為它的設計思想是在低頻時固定測量周期，測量固定周期內(nèi)的時間。它與功率譜法相比，在低頻時測量快且準確度高。頻率的測量部分、波形的顯示設計部分。因為波形的顯示設計跟功率譜法測頻率的設計方法是雷同的，所以這里就不再重復介紹。關于頻率測量部分，最核心的部分是利用了While循環(huán)的移位寄存器，當循環(huán)條件滿足時，每次的輸入與敏感值比較后的結(jié)果都會送入移位寄存器中,移位寄存器保存了當前的比較結(jié)果及上一次的比較結(jié)果。如果這兩個結(jié)果不同時表明有一次跳變，這時Case Structure執(zhí)行True