传感器与检测技术 复习提纲

传感器与检测技术习题答案 第一章 1.1 答：随着我国工业化、信息化步伐加快，现代化建设中的各行各业高效生产对传感器也检测技术的依赖逐步加深。比如：先进的传感器技术助力现代化石油钻井平台建设。 为了能够可靠地采集钻井平台钴机塔架上运动部件的终点位置，使用了感应式传感器。在整个新型钻井中共使用了 60 个这样的感应式传感器，方形的接近开关对钢质目标的感应距离增大到 20mm, 满足了近海海上勘探工作环境极为恶劣的所有要求。 1.2 自动检测系统的组成及对传感器的要求 答：自动检测系统组成框图如下： 对于传感器，一般要求是： 准确性：输出信号必须反映其输入量，即被测量的变化。因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，最好是线性关系。 稳定性：传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随时间和温度二变化，受外界其他因素的干扰影响亦很小，重复性要好。 灵敏度：即被测参量较小的变化就可使传感器获得较大的输出信号。 其他：如耐腐蚀性、功耗、输出信号形式、体积、售价等。 1.3 答：功能： 信号调理：在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续 处理或显示。 信号处理：信号处理时自动检测仪表，检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人类的大脑相类似。 区别： 信号调理作用是把信号规格化，滤除干扰，信号处理则是提取信号中的信息，并对这些信息按照功能要求进行处理。可以说，信号调理是进行信号处理的基础。 组成： 信号调理：信号放大、信号滤波、 A/D 转换 信号处理：主要是各种信号的嵌入式微控制器、专用高速数据处理器（ DSP）等 1.4 答：分类见表 1-1(P8) 1.5 按照被测参量，检测系统的分类 被测对象 传感器 信号调理数据采集 信号处理 输入设备 信号存储 信号输出 信号显示 稳压电源 答：按照被测参量分类，可以分成测量：电工量、 热工量、机械量、物性和成分量、光学量、状态量等。 1.6 传感器与检测技术的主要发展趋势 答： 1.不断拓展测量范围，提高管检测精度和可靠性 2 重视非接触式检测技术研究 3 检测系统智能化 第二章 2.1 随机误差，系统误差，粗大误差的原因及处理 答：随机误差：检测仪器或者测量过程中某些未知或无法控制的随机因素（如仪器某些原件器件性能不稳定、外界温度、湿度变化，空中电磁波扰动等）综合作用的结果。随机误差的变化通常难以预测，因此也无法通过实验的方法确定、修正和消除。但是通过足够多的测量比较可以发现随机误差服从某种 统计规律。从而进行消除。 系统误差：产生原因大体有：测量所用的工具本身性能不完善或者安装、布置、调整不当；在测量过程中的温度湿度、气压、电磁干扰等环境条件发生变化；测量方法不完善、或者测量所依据的理论本身不完善；操作人员视读方式不当等。系统误差产生的原因和变化规律一般可以通过实验和分析查出，因此系统误差可以设法确定并消除。 粗大误差：一般由外界重大干扰或者仪器故障或不正确的操作引起。存在粗大误差的测量值一般容易发现，发现后应当立即剔除。 2.2 工业仪表的精度等级 答：工业检测仪器（系统）常以最大引用误差作 为判断其准确度等级的尺度，仪表准确度习惯上称精度，准确度等级习惯称为精度等级。人为规定，取最大引用误差百分数的分子作为检测仪器（系统）精度等级的标志，即用最大引用误差去掉正负号和百分比号后的数字来表示精度等级。 2.3 已知有 20V， 0.5 级； 150V,0.1 级的两个仪表，测 5V 电压，哪个合理？ 答： 20*0.005=0.1（ V） 150*0.001=0.15（ V） 由计算结果知，表一不仅有更小的绝对误差，并且其量程对于测量 5V 的电压更合理。所以选择表一。 2.4 答：马利科夫准则 X = 28.0300 28.0100 27.9800 27.9400 27.9600 28.0200 28.0000 27.9300 27.9500 27.9000 972.27X i = 0.0580 0.0380 0.0080 -0.0320 -0.0120 0.0480 0.0280 -0.0420 -0.0220 -0.0720 D=0.12 i 所系系统存在线性系统误差 阿贝 赫梅特准则 A=0.0047 2 =0.00166 A=0.0047 2 1n =0.0054 系统中不存在周期性系统误差 2.5 要求 8.2| 0 RRi 的概率，已知标准差 =1.5 经过标准正态分布变换， 8.2| 0 RRi , 8.2| , 8.2|0| =1.8667 1.87 经过查表可知 dttx ex 2221 (x) x 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 x 0 0.5 0.504 0.508 0.512 0.516 0.5199 0.5239 0.5279 0.5319 0.5359 0.1 0.5398 0.5438 0.5478 0.5517 0.5557 0.5596 0.5636 0.5675 0.5714 0.5753 0.2 0.5793 0.5832 0.5871 0.591 0.5948 0.5987 0.6026 0.6064 0.6103 0.6141 0.3 0.6179 0.6217 0.6255 0.6293 0.6331 0.6368 0.6406 0.6443 0.648 0.6517 0.4 0.6554 0.6591 0.6628 0.6664 0.67 0.6736 0.6772 0.6808 0.6844 0.6879 0.5 0.6915 0.695 0.6985 0.7019 0.7054 0.7088 0.7123 0.7157 0.719 0.7224 0.6 0.7257 0.7291 0.7324 0.7357 0.7389 0.7422 0.7454 0.7486 0.7517 0.7549 0.7 0.758 0.7611 0.7642 0.7673 0.7703 0.7734 0.7764 0.7794 0.7823 0.7852 0.8 0.7881 0.791 0.7939 0.7967 0.7995 0.8023 0.8051 0.8078 0.8106 0.8133 0.9 0.8159 0.8186 0.8212 0.8238 0.8264 0.8289 0.8315 0.834 0.8365 0.8389 1 0.8413 0.8438 0.8461 0.8485 0.8508 0.8531 0.8554 0.8577 0.8599 0.8621 1.1 0.8643 0.8665 0.8686 0.8708 0.8729 0.8749 0.877 0.879 0.881 0.883 1.2 0.8849 0.8869 0.8888 0.8907 0.8925 0.8944 0.8962 0.898 0.8997 0.9015 1.3 0.9032 0.9049 0.9066 0.9082 0.9099 0.9115 0.9131 0.9147 0.9162 0.9177 1.4 0.9192 0.9207 0.9222 0.9236 0.9251 0.9265 0.9278 0.9292 0.9306 0.9319 1.5 0.9332 0.9345 0.9357 0.937 0.9382 0.9394 0.9406 0.9418 0.943 0.9441 1.6 0.9452 0.9463 0.9474 0.9484 0.9495 0.9505 0.9515 0.9525 0.9535 0.9545 1.7 0.9554 0.9564 0.9573 0.9582 0.9591 0.9599 0.9608 0.9616 0.9625 0.9633 在区间概率等 P=0.9693*2-1=0.9386 按照 95%的置信区间概率查找标准正太分布表，得到 P=0.975(X=1.96)， 由公式 96.1| 0 xRR i 得到区间应该为 0R -1.96 , 0R +1.96 =505.2960,514.7040 2.6 未剔除前 183X ， 24.224 当 a=0.05， ( , ) 2 .1 8GK n a |kX =23 ,12 ,60 ,9 ,30 ,3 ,20 ,6 ,12 ,5 ( , ) * ( )GK n a x =52.81 根据 Grubbs 准则，将 243 剔除 剔除以后， 176.3X ， 14.4 2.7 909.8X ， 4.045 查找标准正态分布表得到当置信区间 P=0.98， X=2.33 经过变换得到区间为 909.8-9.4, 909.8+9.4 2.8 简述不确定度和误差的关系 答：测量误差总是客观存在的，但是真值一般是无法准确得到的，因此也就不可能准确的知道测量误差的准确值，由此引出测量不确定度的概念。 2.9 答： A 类不确定度的评定时应用统计的方法，一般对同一被测参量进行 n 次等精度测量得到。 B 类不确定度是在测量次数较少，不能用统计方法计算测量结果的不确定度时。 2.10 18.18X ， 0.42 1( ) ( )Au x xn =1/3*0.42=0.14(cm) 22C A Bu u u=0.17(cm) 选取置信率为 P=0.95， k=1.65 1.8 0.9641 0.9648 0.9656 0.9664 0.9671 0.9678 0.9686 0.9693 0.97 0.9706 1.9 0.9713 0.9719 0.9726 0.9732 0.9738 0.9744 0.975 0.9756 0.9762 0.9767 则 U=k* Cu =0.28(cm) 该工件结果为 X=18.2 0.3（ cm）（ P=0.95） 第三章 3.1 仪表的测量范围，上下限，量程以及他们的关系 答：测量范围：是传感器或检测仪器按规定的精度对被测变量进行测量的允许范围。 上下限：测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限。 量程：用来表示测量范围大小，用测量上限和下限值的代数差表示。 关系：给出传感器或者检测仪器的测量范围便值其测量上下限及量程，反之只给出传感器或者检测仪器的量程，却无法确定其上下限及测量范围。 3.2 仪表的灵敏度和 分辨力 答：灵敏度：是指测量系统在静态测量时，输出量的增量与输入量的增量之比。 分辨力：输出量发生变化时，输入量的最小变化量 二者不存在必然联系。 3.3 评价线性度的方法 答：有理论直线法、端基法和最小二乘法。精度最高的是最小二乘法，最差的是理论直线法。 3.4 系统的动态特性的参数 答：对于一阶系统，决定于时间常数 ，对于二阶系统，取决于固有角频率 n ，阻尼比 ，放大倍数 k.。对于一个系统而言，延迟时间 st 、上升时间 rt ，响应时间 st ，峰值时间 pt 等，是一个系统动态性能好坏的反映。 3.5 答：121)()()(22 ssksXsYsHnn 幅度特性表 达式为 222 )(2)(1|)(|)(nnkjHA kA )1000( kkA 11.1413)500( ，误差为 11% kkA 14.1254 8 1)8 0 0( ，误差为 14% 3.6 答：不失真测量，需要检测系统的频率响应形为： jj eAXYeAH 0)( )( )()()( 3.7 答：条件：没有加速度、振动、冲击及室温环境（ 20 5 C），相对湿度不大于 85%，大气压力为（ 101 7） kPa。 步骤：略（ P54） 3.8 略 3.9 影响传感器与检测系统的可靠性的主要因素 答：主要因素：元器件本身的性能和可靠性；系统结构设计；安装与调试；外部的环境条件 可靠性指标：可靠度、失效率、平均寿命。 第四章 4.1 金属丝的应变效应和灵敏度效应 答：金属电阻丝的应变 效应是指金属材料的电阻相对变化与其线应变 成正比的这种效应。 金属电阻丝的应变灵敏度系数是指公式 mKCRdR )21()21(中电阻应变量与几何应变量之间的比例系数 )21()21( CK m 。 同理，由教程公式（ 4-9）知半导体丝材的应变灵敏度系数为： EK s )21( 4.2 横向效应 答：横向效应：将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化要比直的金属丝要小；横向效应使得测试的灵敏系数降低了；为了减小横向效应的影响可采用短接式或直角式横栅，采用箔式应变片也可有效地克服横向效应的影响。 4.3 电阻应变片的温度 误差，原因及补偿 答：电阻应变片温度误差是指当应变片的工作温度变化时应变计的输出会在正常输出基础上发生偏移的效应。 产生原因主要有两点：（ 1）温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变。（ 2）试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。 补偿方法可采用 3 中方法：（ 1）应变片自补偿可采用单丝自补偿或者双丝自补偿（ 2）桥路补偿法（ 3）热敏电阻补偿法。 4.4 直流电桥。不同的桥臂 答：直流电桥的基本形式如教程 P75 图 4-10 所示。 按桥臂工作方式的不同可分为：单 臂工作电桥、双臂工作电桥和全臂工作电桥，分别如图本教材 4-12、 4-14、 4-15 所示。 电压输出计算公式： 单臂工作电桥： 111111120 )1( R RKR RKR RnnUU 其中 4312 RRRRn 。此公式是忽略次要因素的简化公式。 双臂工作电桥： 110 2 RRUU ，此公式为精确公式。 全臂工作电桥： 110 RRUU ，此公式为精确公式。 4.5 解：杨氏模量SFLdLSFE （ 1） sKRdR （ 2） 由公式（ 1）（ 2）得： FSERdRK s = 2105.0 105.0102.01001 5412 4.6 解： 由图（ a)所示，当重力 F 作用梁端部后，梁上表面 R1 和 R3 产生正应变电阻变化而下表面 R2 和 R4 则产生负应变电阻变化，其应变绝对值相等。 mVUEbtFlKUKURRUKRRRRRRRRRREbtFl8.1761023111008.95.06266422044223311242314.7 在一个等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥电路。 解：如图所示等截面悬梁臂，在外力 F 作用下，悬梁臂产生变形，梁的上表面受拉应变，而梁的下表面受压应变。当选用四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，则应变片如图所示粘贴。 （ a）等截面悬臂梁 应变片应变片(b)应变片粘贴方式 (c)测量电路 电阻应变片所构成的差动 全桥电路接线如图 3-4所示， 41 R、R 所受应变方向相同，32 R、R 所受应变方向相同，但与 41 R、R 所受应变方向相反。 该电路可采用桥路补偿法克服温度误差。 4.8 电容式传感器的分类和各自的特点 答： 变极距型电容传感器 , 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20 100pF 之间，极板间距离在 25 200 m 的范围内。最大位移应小于间距的 1/10，故在微位移测量中应用最广。 变面积型电容式传感器，能够进行力、位移和转角的测量。 变介质型电容式传感器，变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘 薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。 4.9 电容式传感器的测量电路 答：电容式传感器的测量电路主要有调频电路、运算放大式电路、二极管双 T 形电路、差动脉冲调宽电路等。 调频电路特点： （ 1）转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。 （ 2）具有较高的灵敏度，可以测量高至 0.01 m 级位移变化量。 （ 3）但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。 运算放大式电路特点： （ 1）解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题 （ 2）要求 Zi 及放大倍数 足够大 （ 3）为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容稳定 （ 4）由于 Cx 变化小，所以该电路实现起来困难 （ 5）输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器） 二极管双 T 形电路特点和使用要求参见本教材 P92p93。 差动脉冲调宽电路特点参见本教材 P94。 4.10 分布和寄生电容的存在对电容传感器的影响，措施 答：改变传感器总的电容量，甚至有时远大于应该传递的信号引起的电容的变化；使传感器电容变的不稳定，易随外界因素的变化而变化。可以采取静电屏蔽措施和电缆驱动技术。 4.11 电容式传感器的绝 缘，屏蔽，电缆问题 边缘效应使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性，绝缘结构可消除边缘效应的影响；屏蔽和电缆，消除寄生电容的影响，抗干扰。 解决办法： 1、驱动电缆法； 2、整体屏蔽法； 3、采用组合式与集成技术。 4.12 如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性 答：采用可以差动式结构，可以使非线性误差减小一个数量级，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。 4.13 答 : 参见本教材 P93P94。 4.14 答：低频时容抗 cX 较大，传输线的等效电感 L 和电阻 R 可 忽略。而高频时容抗 cX 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 0f存在，当工作频率 0ff 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等效电感 0L 的影响。 4.15 解：变极距平板型电容传感器输出的线性表达式 0ddCC 忽略高阶项非线性表达式为 100 ddddCC 线性度 0ddCCCCCCe l 由题意得测量允许变化量 mmded L 0 0 1.00 4.16 解： 4.17 简述差动式电 容测厚传感器的的工作原理 答：电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器 C1、 C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为 C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。 4.18 电感式传感器的分类及特点 答：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。详细参看教材相关章节。 4.19 答：略 4.20 答：略 4.21 解： 20112114 * 4 * 0 . 7 0 7 ( / )* 3 . 6 * * 4 * * 3 . 6 * 3 . 1 4 * 0 . 5 *2 * 4 * 0 . 1 4 2 ( )3 . 6 * * 4 * * 3 . 6 * 3 . 1 4 * 0 . 5 *101 0 1 0101 0 1 0rrSK P F c ma a dSC P FdC =16mH 4.22 涡流效应 答：电涡流效应：有一通以交变电流 1i 的传感器线圈，其周围产生一个交变磁场 H1。使该磁场范围内的被测导体内产生电涡流 2i ， 2i 将产生一个新磁场 H2， H2 与 H1 方向相反，力图削弱原磁场 H1,从而导致线圈的电感 L 、阻抗 Z 和品质因数 Q 发生变化。测量原理：通过等效电路分析，能够引起这三者变化的因素有，传感器线圈与 导体之间的距离 x，导体的几何形状，导体的材质，控制其中某一个参数改变，余者皆不变，就能构成测量该参数的传感器，例如位移测量、探伤、材质检测、测厚等。测量电路：被测量引起变化的电参量有：线圈电感 L、阻抗 Z、或品质因数 Q 值，针对不同参量测量电路有三种：谐振电路、电桥电路、 Q 值测试电路 4.23 答：特点见本教材 P107 页第二段。原理图见本教材 P112 图 4-63。 第五章 5.1 压阻效应，压阻系数，晶向 答：当固体在某一方向上承受应力时，电阻率发生显著变化，这种现象称为压阻效应。 单位应力作用下电阻率的相对变 化称为压阻系数。 晶向的表示方法有两种，一种是截距法，一种是法线法。 5.2 正压电效应和逆压电效应 答：一些离子型晶体电介质，当沿着一定方向受到机械力作用而产生形变时，就会引起它内部正负电荷中心相对位移产生电的极化，从而导致其两个相对表面上出现符号相反的电荷；当外力去掉后，恢复到不带电状态。这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种将机械能转换为电能的现象称为“正压电效应”。当在电介质方向施加电厂时，这些电解质也会产生几何形变，这种现象称为“逆压电效应”。 通常把沿压电晶体电轴方 向的力作用下产生的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴方向的力作用下产生的压电效应称为“横向压电效应” 5.3 简述石英晶体的结构特点 答：石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分，天然结构的石英晶体是一个正六边形的晶柱。 其 z 轴称为光轴，也成为中性轴，当光线沿此轴通过石英晶体时，无折射； 经过六面体棱线并垂直于光轴的 X 轴称为电轴，在垂直于此轴的面上压电效应最强； 与 X 轴、 Z 轴垂直的 Y 轴称为机械轴，在电厂的作用下，沿该轴方向的机械形变最明显。 5.4 答：图见图 5-15 P128。 当压电晶体受机械应力作 用时，在它的两个极化面上出现极性相反电量相等的电荷。故压电器件实际上是一个电荷发生器。同时它也是一个电容器，晶片上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质。 基于以上分析，压电传感器可以等效为一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个与电容相串联的电压源。 5.5 答：参见 5.2.2 等效电路及测量电路中的第二节 测量电路。 5.6 简述压电式传感器的结构组成和工作原理 答：压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固 定。 当加速度传感器和被测量物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，此时力作用在压电原件上，因而产生电荷，当传感器一旦确定，则电荷与加速度成正比。因此通过测量电路测得电荷的大小，即可知道加速度的大小。 5.7 光电效应，类别，对应的光电器件 答：光照射在物体上就可以看做是一连串的具有能量的粒子轰击在物体上，这时物体吸收了光子能量后将引起电效应。这种因为吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应就称为光电效应。 光电效应可分为外光电效应、内光电 效应和阻挡层光电效应三种类型。 基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管。 基于内光电效应原理工作的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管和光敏三极管。 基于阻挡层效应原理工作的光电器件有光电池。 5.8 电容式传感器的分类及特点 答：电容式传感器可分为以下几种： 变极矩型电容传感器：量程远小于极板间初始距离是，可认为电容的变化量与距离呈线性关系。 变面积型电容式传感器：电容的变化量与面积的变化量呈线性关系。 变介质型电容传感器：电容量的变化与被测介质的移动量呈线性关系。 5.9 电容式传 感器的测量电路，特点 答：调频电路：调频测量电路是吧电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。 运算放大器式电路：运算放大器的输出电压与极板间距离呈线性关系，从而克服了变间隙式电容传感器的非线性问题。注意的是运算放大器要求具有足够大的放大倍数，而且输入阻抗很高。 双 T 二极管型电路：电源，传感器电容、负载均可同时在一点接地；非线性失真小；电源频率需要稳定；输出电压较高等； 5.10 简述光敏电阻，光敏二极管，光敏晶体管，光电池的工作原理 答：光敏电阻：纯 粹电阻元件，阻值随光照增加而减少，无光照时，光敏电阻阻值很大，电路中的电流很小；当受到一定波长范围内的光照时，它的阻值急剧减小，电路中的电流迅速增大。 光敏二极管：在电路中光敏二极管一般处于反向工作状态，处于反向偏置的 PN 结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当有光照时，在结电场作用下，电子向 N 区运动，空穴向 P 区运动，形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，因此光照时的反方向电流基本与光强成正比。 光敏晶体管具有两个 PN 结，可以看成是一个 bc 结为光敏二极管 的三极管。在光照作用下，二极管将光信号转换为电流信号，该电流信号被三极管放大。 光电池：基于光生伏打特效制成，是自发式有源器件。它有较大面积的 PN 结，当光照射在PN 结上时，在结的两端出现电动势。 5.11 光照强度 答：光照强度指单位面积上所接受可见光的能量。 光电器件的灵敏度可用光照特性来表征，它是指半导体器件产生的光电流 (光电压 )与光照之间的关系。 光电器件的光谱特性是指相对灵敏度与入射光波长之间的关系，又称为光谱响应。 5.12 答：略。 第六章 6.1 磁敏传感器 答：磁敏传感器是把磁物理量转换 成电信号的传感器，大多是基于载流子在磁场中受洛伦兹力的作用而发生偏转的机理实现对相关物理量的信号检测。磁敏效应：霍尔效应，磁阻效应 6.2 霍尔效应 答：当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。 霍尔电势的大小正比于控制电流 I 和磁感应强度 B。 6.3 霍尔元件的输入电阻和输出电阻 答：激励电极间的电阻值称为输入电阻，霍尔电极输出电势对外部电路来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零、环境温度为 20 5 摄氏度时所确 定的，实际阻值会随着温度的不同而变化。 6.4 霍尔元件的不等位电势和电阻 答：当霍尔元件通以额定激励电流时，如果所处磁感应强度为零，那么它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这是测得的空载电势称为不等位电势。不等位电势可以用不等位电阻表示。不等位电势就是激励电流流经不等位电阻所产生的电压。 6.5 答：产生不等位电势的原因主要有：霍尔电极安装位置不对称或不在通以等电位面上。此外，材质不均匀、几何尺寸不均匀等原因对不等位电势也有一定的影响。 补偿：可以把霍尔元件等效为电桥电路，根据测量判断应在某一桥臂上并连 上一定的电阻。 6.6 霍尔电势的温度系数 答：霍尔元件与一般半导体期间一样，对温度变化十分敏感。这是由于半导体材料的电阻率，迁移率，迁移率和载流子浓度等随温度变化的缘故。霍尔元件的灵敏度稀疏是温度的函数，它随温度变化将引起霍尔电势的变化。 6.7 影响霍尔元件温度特性的因素 答：影响温度特性的因素有半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等。 选用温度系数小的元件或采用恒温措施，还可以采用恒流源供电，减少由于输入电阻随温度变化引起的激励电流变化所带来的印象，此外补偿电路也可以起到作用。 6.8 答：略。 6.9 答：略。 6.10 湿度 答：湿度是表示大气中水汽含量的物理量。它有两种表示方法。 绝对湿度：指单位体积大气中水汽的质量。 相对湿度：指某一被测气体的绝对湿度与同一温度下水蒸气已达到饱和的气体的绝对湿度之比。 6.11 湿敏传感器的定义，原理，种类 答：湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电信号输出的器件或装置，通常是由湿敏元件及转换电路组成。 种类：按输出的电学量可分为电阻型、电容型和频率型等；按照探测功能科分为绝对湿度型、相对湿度型；按材料可以分为陶瓷式、半导体式和电介质、有机高分子 式等；如果按水分子是否渗入固体内可以分为“水分子亲和力型”和“非分子亲和力型”两大类。 6.12 气敏元件的工作原理 答：半导体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而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸收式，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附出。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。如果半导体的功函数大于吸附分 子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。当氧化型气体吸附到 N 型半导体上，还原型气体吸附 P 型半导体上时，半导体的载流子减少，电阻值增大。当还原型气体吸附到 N 型半导体上时，氧化型气体吸附到 P 型半导体上时，半导体的载流子增多，电阻值下降。若气体浓度发生变化，其组织也将变化。 6.13 答：用以将附着在敏感元件表面的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。 6.14 答：光在半导体中传播时的衰减，是由于半导体带加点字吸收管子而从价带跃迁到导带的结果，这种吸收光子的过程称 为本征吸收。实验表明，波长短的光子衰减较快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深区域。通过进一步的分析可以发现，浅的 P-N 结有较好的的蓝紫光灵敏度，深的 P-N 结则有利于红外灵敏度的提高。半导体色敏器件正是利用了这一特性。半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离已基本吸收完毕。因此浅结的那只光电二极管对紫外光的灵敏度高。而红外部分吸收系数小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度高。这就是说，在半导体中的不同区域对不 同波长分别具有不同的灵敏度。正是由于这一种特性使得这种器件可以用于不同颜色的识别，也就是可以用来测量入射波长的波长。 半导体色敏传感器具体应用时，应先对色敏器件进行标定，也就是说测定不同波长的光照射下器件中两只光电二极管短路电流的比值。 第七章 7.1 红外探测器的种类 答：红外探测器种类有很多，按探测机理的不同，可分为“热探测器”和“光子探测器”两大类。 7.2 红外测温仪的结构组成和工作原理 答：红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。红外测温仪的测温原理是将物体发射的 红外线具有的辐射能转变成电信号，红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号的大小，可以确定物体的温度。 7.3 超声波的类型 答：按波在介质中的传播方向，超声波可以分为纵波、横波和表面波。超声波的传播速度主要与介质密度和弹性特性有关。在固体介质中，纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系：通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的 90%。在气体介质中纵波声速为 344m/s，液体介质中纵波声速为 9001900m/s。 7.4 答：略 7.5 光 在光纤中的传播 答：光在纤芯 和包层的界面上反复多次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端射出，从而实现了光在光纤内的传输。入射角需要小于临界角。 7.6 答：入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度的 正弦值 就称为光纤的数值孔径（ NA = sin）。 7.7 答：略 7.8 答：光纤温度传感器主要由包括端部掺杂的光纤传感头、 Y 型 石英光纤传导束、 超高亮发光二极管（ LED）及驱动电路、 光电探测器 、荧光信号处理系统和辐射信号处理系统组成。测量原理主要是利用部分物质吸收的光谱随温度变化而变化的原理，分析光纤传输的光谱了解实时温度。 7.9 答：略 7.10 答：按照记录方式，核辐射探测器大体上分为计数器和径迹室两大类。它们利用了核辐射射线与物质间相互作用，包括电离作用、散射与吸收等特性。 7.11 答：核辐射厚度传感器又称同位素厚度传感器，它利用核辐射线进行测量。可分为穿透式和反射式两类。穿透式传感器由同位素核辐射源和核辐射传感器组成。被测的塑料料板、纸板、橡皮板等材料在辐射源和传感器之间经过。当射线穿过板材时，一些射线被板材吸收，使传感器接收到的射线减弱。对于密度不变的材料，辐射吸收量随厚度变化，因此可测出厚度。反射式核辐射厚度传感器利用射线的弹性散射特性测量厚度。射线的反射强度是被测材料厚度的函数，因此测量反射强度就可确定厚度。 7.12 答：生物传感器由生物敏感膜和变换器构成，被测物质经扩 散作用进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生物化学反应（物理、化学变化），产生物理、化学现象货产生新的化学物质，利用相应的变换器将其转换成量化的、可传输和处理的电信号。 7.13 答：将生物体内具有奇特与敏感功能的生物物质固定在基质或载体上，就构成了生物敏感膜。 7.14 答：生物敏感膜的固化是指将生物活性材料固定在载体（或称基质）上这一过程。常用的生物敏感膜固化技术主要有夹心法、吸附法、包埋法、供价连接法、交联法。 第八章 8.1 答：垂直而均匀地作用在单位面积上的力称为压力。压力可表示为 p=F/S，在 国际单位中压力的单位为牛顿 /平方米，用符号 2/Nm。压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为 Pa，21 1 /Pa N m 。因帕单位太小，工程上常用千帕或者兆帕表示。 8.2 解：容器顶部处的绝对压力为 1 6 8 1 0 1 . 3 1 6 9 . 3iP k P a k P a k P a 容器底部处的绝对压力为 2 4 5 0 1 0 1 . 3 5 5 1 . 3iP k P a k P a k P a 顶部和底部间的差压为 12 1 6 9 . 3 5 5 1 . 3 3 8 2iiP P P k P a k P a k P a 8.3 答：弹簧管压力计主要是利用弹簧管的形变通过变换放大机构带动指示机构给出压力示值。弹簧管压力计主要由弹簧管、扇形齿轮、拉杆、底座、中心齿轮、游丝、表盘、指针、调节开口槽等组成。 8.4 答：为提高弹簧管压力计灵敏度，可以采用多圈弹簧管。 8.5 答：双波纹管式压差计的波纹管内充满液体是为了用来传递压力。 8.6 答：谐振式压力传感器是靠被测压力所形成的应力改变弹性元件的谐振频率，通过测量频率信号的变化来检测压力。这种信号特别适合与计算机配合使用，组成高精度的测量、控制系统。 8.7 答：选择压力检测仪表应根据具体的情况，在满足生产工艺对压力检测要求的情况下，本着节约的原则，合理地选择压力仪表的类型、量程、精度等级等。 8.8 解：设压力表量程为 A，则根据最大工作压力有 1 . 4 2 / 3 2 . 1A M P a 根据最小工作压力用 0 . 5 1 / 3 1 . 5A M P a 故根据仪表的量程系列，可选用量程范围为 02.5MPa 的压力表。 由题意可知，被测压力所允许的最大绝对误差为 m a x 1 . 4 5 % 0 . 0 7 M P a 仪表精度等级的选取应使得其最大引用误差不超过允许测量误差。对于测量范围02.5MPa 的压力表，其最大引用误差为 0 . 0 7 1 0 0 % / 1 . 4 5 %M P a M P a 故选取 2.5 级的压力表。 8.9 解：设压力表量程为 A，由题意可知。被测压力平稳变化 6 2 / 3 9A M P a 故选取测量范围为 09MPa 的压力表。 要求测量误差不超过 0.06MPa，故最大引用误差为 0 . 0 6 / 9 1 0 0 % 0 . 6 %M P a M P a 故选取精度等级为 1.0 级的仪表。 8.10 答：略。 8.11 实现准确的压力测量 答：要实现准确的压力测量需要准确的压力仪表，并且根 据具体被测介质、管路和环境条件，选取适当的取压点、正确安装引压管路和测量仪表。 8.12 答：压力变送器的作用是将压力传感器的输出通过一定的变送电路转换成形式和数值范围都符合工业标准的信号。 设所测差压是 xMPa，则 0 1 5 41 . 6 0 2 0 4x M P a M P a m A m AM P a M P a m A m A 解得 1.1x 所以所测差压为 1.1MPa。 8.13 引压管道和空腔的容积对动态塔里测量的影响 答：感压元件前的引压管道和空腔的存在会引起压力信号的衰减和相位滞后，这会使整个测量系统的响应速度大大低于传感器的响应速度，造成动态压力测量的严重失真，因此必须予以考虑。 第九章 9.1 经验温标 经验温标主要有（ 1）华氏温标（ 2）摄氏温标；华氏温标定义：标准仪器是水银温度计，选取氯化铵和 冰水混合物 的温度为零度，选取人体温度为 100 度。水银 体积膨胀 被分为 100份，对应每份的温度为 1 华氏度 ，单位为“ F”。摄氏温标定义：在 标准大气压 下，冰水混合物的温度为 0 度，水的沸点为 100 度，中间划分为 100 等份，每等份为 1。 9.2 国际实用温标的指导思想 经国际协议产生的国际实用温标，其指导思想是要它尽可能地接近热力学温标，复现精度高，且使用于复现温标的标准温度计，制作较容易，性能稳定， 使用方便，从而使各国均能以很高的准确度复现该温标，保证国际上温度量值的统一。 9.3 温区划分 把整个温标分成 4 个温区，其相应的标准仪器如下： 0.65 5.0K，用 3He 和 4He 蒸汽温度计； 3.0 24.5561K，用 3He 和 4He 定容气体温度计； 13.803K 961.78，用铂电阻温度计； 961.78以上，用光学或光电高温计。 9.4 温度的测量方法 通常分为接触式与非接触式两大类；接触式：测温系统结构简单，体积小，可靠，维护方便，价格便宜可以方便的组成多路集中测量和控制系统，响应速度慢； ；非接触式，结构复杂，体积大，调整麻烦，价格贵，不易组成一体化的控制装置 9.5 热电偶对热电极材料的要求 （ 1）优良的热电特性（ 2）良好的物理特性（ 3）优良的化学性能（ 4）优良的机械性能（ 5）足够的机械强度和长的使用寿命（ 6）制造成本低，价格比较便宜 9.6 双金属温度计 双金属温度计的工作原理是利用二种不同温度膨胀系数的金属，为提高测温灵敏度，通常将金属片制成螺旋卷形状，当多层金属片的温度改变时，各层金属膨胀或收缩量不等，使得螺旋卷卷起或松开。由于螺旋卷的一端固定而另一端和可以自由转动的指针相连 ，因此，当双金属片感受到温度变化时，指针即可在一圆形分度标尺上指示出温度来。参见 P212；通常用在测温和控温精度不高的场合。 9.7 热敏电阻和热电阻，热电偶相比有什么显著的特点 热敏电阻和热电阻相比具有下列优点： 灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大 1 2 个数量级；标称电阻有几欧到十几兆欧之间的不同型号、规格，可很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响；体积小 (最小珠状热敏电阻直径仅 0.1 0.2 mm)，可用来测量“点温”。热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合。 结构简单、坚固，能承受较大的冲击、振动；采用玻璃等材料密封包装后，可应用于有腐蚀性气氛等的恶劣环境；资源丰富，制作简单、可方便地制成各种形状，易于大批量生产，成本和价格十分低廉。 9.8 热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种；比较见 P215。 9.9 1070.479 9.10 铠装热电偶 它的主要优点是 : 测量范围宽，铠装热电偶规格多，品种齐全，适合于各种测量场合，在 200160温度范围内均能使用 ;响应速度快，与装配式热电偶相比，因为外径细，热容量小，故微小的温度变化也能迅速反应， 尤其是微细铠装热电偶更为明显，露端铠装热电偶的时间常数只有 0.01S;挠性好，安装使用力便，铠装热电偶材料可在其外径 5 倍的圆柱体上绕 5 圈，并可在多处位置弯曲 ; 使用寿命长，普通热电偶易引起热电偶劣化，断线等事故，而铠装热电偶用氧化镁绝缘，气密性好，致密度高，寿命长 ;机械强度，耐压性能好，在有强烈震动、低温、高温、腐蚀性强等恶劣条件下均能安全使用，铠装热电偶最高可承受 36kN/cm2 的压力 ; 铠装热电偶外径尺寸范围宽，铠装热电偶材料的外径范围 : 0.258mm，特殊要求时可提供直径达 12mm 的产 品 ; 铠装热电偶的长度可以做得很长，铠装热电偶材料的最大长度可达 500m。 9.11 若实际物体在某一波长下的光辐射度 (即光谱辐射亮度 ) 与绝对黑体在同一波长下的光谱辐射度相等 ,则黑体的温度被称为实际物体在该波长下的亮度温度；物体辐射线的波长 1与 2 处的单色辐射率分别为 1 与 2，与温度为 Tc 的黑体的相应辐射率相等时，此黑体的温度 Tc 称为该物体的颜色温度或比色温度；比色高温计测量相对比值的精度总高于测量它们绝对值的精度，另外对环境要求低，接近真实温度，因而准确度通常较高。 第十章 10.1 流量监测 的作用和意义 答： 在现代工业生产和科学研究中，流体的流量是一个重要的参数。流量检测的主要任务有两类：一是为流体工业提高产品质量和生产效率，降低成本以及水利工程和环境保护等做必要的流量检测和控制，二是为流体贸易结算、储运管理和污水废气排放控制等做总量计量。 10.2 瞬时流量和累积流量 答：瞬时流量：