自动检测课后习题答案

1 第一章 检测技术的基本知识思考题答案 l l 检测系统由哪几部分组成检测系统由哪几部分组成 说明各部分的作用 说明各部分的作用 答 一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器 测量电路和显示记录装置等几部分 组成 分别完成信息获取 转换 显示和处理等功能 当然其中还包括电源和传输通道等 不可缺少的部分 下图给出了检测系统的组成框图 被测量 传感器 测量 电路 电源 指示仪 记录仪 数据处 理仪器 检测系统的组成框图检测系统的组成框图 传感器是把被测量转换成电学量的装置 显然 传感器是检测系统与被测对象直接发 生联系的部件 是检测系统最重要的环节 检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性 能确定的 因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的 误差 测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号 通常传感 器输出信号是微弱的 就需要由测量电路加以放大 以满足显示记录装置的要求 根据需 要测量电路还能进行阻抗匹配 微分 积分 线性化补偿等信号处理工作 显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节 主要作用是使人们了解被测量 的大小或变化的过程 2 2 传感器的型号有几部分组成 各部分有何意义传感器的型号有几部分组成 各部分有何意义 依次为主称 传感器 被测量 转换原理 序号 主称 传感器 代号 C 被测量 用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记 见附录表 2 转换原理 用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记 见附录表 3 序号 用一个阿拉伯数字标记 厂家自定 用来表征产品设计特性 性能参数 产 品系列等 若产品性能参数不变 仅在局部有改动或变动时 其序号可在原序号后面顺序 地加注大写字母 A B C 等 其中 I Q 不用 例 应变式位移传感器 C WY YB 20 光纤压力传感器 C Y GQ 2 3 3 测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时 应当采用何种测量方法测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时 应当采用何种测量方法 如何进行如何进行 答 测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时 最好采用微差式测量 此时输出电 压认可表示为 U0 U0 U U 其中 U 是负载电阻变化所引起的输出电压变化量 相对 U 来讲为一小量 如果采用偏差法测量 仪表必须有较大量程以满足 U0的要求 因此对 U 这个小量造成的 U0的变化就很难测准 测量原理如下图所示 图中使用了高灵敏度电压表 毫伏表和电位差计 Rr和 E 分别表示稳压电源的内阻 和电动势 凡表示稳压电源的负载 E1 R1和 Rw表示电位差计的参数 在测量前调整 R1 使电位差计工作电流 I1为标准值 然后 使稳压电源负载电阻 R1为额定值 调整 RP 的活 动触点 使毫伏表指示为零 这相当于事先用零位式测量出额定输出电压 U 正式测量开 始后 只需增加或减小负载电阻 RL的值 负载变动所引起的稳压电源输出电压 U0的微小 2 波动值 U 即可由毫伏表指示出来 根据 U0 U U 稳压电源输出电压在各种负载下的 值都可以准确地测量出来 微差式测量法的优点是反应速度快 测量精度高 特别适合于 在线控制参数的测量 E E1 R1 RP Rw Rm RL Rr 用微差式测量方法测量稳压电源输出电压随负载的变化用微差式测量方法测量稳压电源输出电压随负载的变化 5 5 某测温系统由以下四个环节组成 各自的灵敏度如下 某测温系统由以下四个环节组成 各自的灵敏度如下 铂电阻温度传感器 铂电阻温度传感器 0 45 电桥 电桥 0 02V 放大器 放大器 100 放大倍数放大倍数 笔式记录仪 笔式记录仪 0 2cm V 求 求 1 1 测温系统的总灵敏度 测温系统的总灵敏度 2 2 记录仪笔尖位移记录仪笔尖位移 4 4cm 时 所对应的温度变化值 时 所对应的温度变化值 解 1 测温系统的总灵敏度为 cm 18 0 2 010002 0 45 0 S 2 记录仪笔尖位移 4cm 时 所对应的温度变化值为 22 22 18 0 4 t 6 6 有三台测温仪表 量程均为有三台测温仪表 量程均为 0 800 精度等级分别为 精度等级分别为 2 5 级 级 2 0 级和级和 1 5 级 现要测级 现要测 量量 500 的温度 要求相对误差不超过的温度 要求相对误差不超过 2 5 选那台仪表合理 选那台仪表合理 解 2 5 级时的最大绝对误差值为 20 测量 500 时的相对误差为 4 2 0 级时的最大 绝对误差值为 16 测量 500 时的相对误差为 3 2 1 5 级时的最大绝对误差值为 12 测量 500 时的相对误差为 2 4 因此 应该选用 1 5 级的测温仪器 7 7 什么是系统误差和随机误差什么是系统误差和随机误差 正确度和精密度的含义是什么正确度和精密度的含义是什么 它们各反映何种误差它们各反映何种误差 答 系统误差是指在相同的条件下 多次重复测量同一量时 误差的大小和符号保持不变 或按照一定的规律变化的误差 随机误差则是指在相同条件下 多次测量同一量时 其误 差的大小和符号以不可预见的方式变化的误差 正确度是指测量结果与理论真值的一致程 度 它反映了系统误差的大小 精密度是指测量结果的分散程度 它反映了随机误差的大 小 8 8 服从正态分布规律的随机误差有哪些特性服从正态分布规律的随机误差有哪些特性 3 答 服从正态分布规律的随机误差的特性有 对称性 随机误差可正可负 但绝对值相等 的正 负误差出现的机会相等 也就是说 f 曲线对称于纵轴 有界性 在一定测量条 件下 随机误差的绝对值不会超过一定的范围 即绝对值很大的随机误差几乎不出现 抵 偿性 在相同条件下 当测量次数 n 时 全体随机误差的代数和等于零 即 单峰性 绝对值小的随机误差比绝对值大的随机误差出现的机会多 即前0lim 1 n i i n 者比后者的概率密度大 在 0 处随机误差概率密度有最大值 9 9 等精度测量某电阻等精度测量某电阻 10 次 得到的测量列如下 次 得到的测量列如下 R1 167 95 R2 167 45 R3 167 60 R4 167 60 R5 167 87 R6 167 88 R7 168 00 R8 167 850 R9 167 82 R10 167 61 1 1 求求 10 次测量的算术平均值次测量的算术平均值 测量的标准误差 测量的标准误差 和算术平均值的标准误差和算术平均值的标准误差 s R 2 2 若置信概率取若置信概率取 99 7 写出被测电阻的真值和极限值 写出被测电阻的真值和极限值 解 1 求 10 次测量的算术平均值 测量的标准误差 和算术平均值的标准误差 s R 763 167 10 61 16782 16785 16700 16888 16787 16760 16760 16745 16795 167 10 10 1 21 i n RRR R 1824 0 153 0 057 0 087 0 237 0 108 0 107 0 163 0 2313 0 187 0 9 1 9 1 1 1 1 1 222222222 10 1 2 1 2 1 2 i i n i i n i i vv n xx n 0577 0 10 1824 0 n s 2 若置信概率取 99 7 被测电阻的真值为 173 0 763 167 3763 167 0 sR 极限值为 547 0 763 167 3763 167 m R 10 10 试分析电压输出型直流电桥的输入与输出关系 试分析电压输出型直流电桥的输入与输出关系 答 如图所示 电桥各臂的电阻分别为 R1 R2 R3 R4 U 为电桥的直流电源电压 当四臂电阻 R1 R2 R3 R4 R 时 称为等臂电桥 当 R1 R2 R R3 R4 R R R 时 称为输 出对称电桥 当 R1 R4 R R2 R3 R R R 时 称为电源对称电桥 4 R1R2 R3 R4 U0 U A B CD 直流电桥电路直流电桥电路 当电桥输出端接有放大器时 由于放大器的输入阻抗很高 所以可以认为电桥的负载 电阻为无穷大 这时电桥以电压的形式输出 输出电压即为电桥输出端的开路电压 其表 达式为 1 U RRRR RRRR Uo 4321 4231 3 设电桥为单臂工作状态 即 R1为应变片 其余桥臂均为固定电阻 当 R1感受被测量 产生电阻增量 R1时 由初始平衡条件 R1R3 R2R4得 代入式 1 则电桥由于 3 4 2 1 R R R R R1产生不平衡引起的输出电压为 2 U R R RR RR UR RR R U 1 1 2 21 21 1 2 21 2 0 对于输出对称电桥 此时 R1 R2 R R3 R4 R 当 R1臂的电阻产生变化 R1 R 根据 2 可得到输出电压为 3 4 2 0 R RU R R RR RR UU 对于电源对称电桥 R1 R4 R R2 R3 R 当 R1臂产生电阻增量 R1 R 时 由式 2 得 4 2 0 R R RR RR UU 对于等臂电桥 R1 R2 R3 R4 R 当 R1的电阻增量 R1 R 时 由式 2 可得输出电 压为 5 4 2 0 R RU R R RR RR UU 由上面三种结果可以看出 当桥臂应变片的电阻发生变化时 电桥的输出电压也随着 变化 当 R R 时 电桥的输出电压与应变成线性关系 还可以看出在桥臂电阻产生相同 变化的情况下 等臂电桥以及输出对称电桥的输出电压要比电源对称电桥的输出电压大 即它们的灵敏度要高 因此在使用中多采用等臂电桥或输出对称电桥 在实际使用中为了进一步提高灵敏度 常采用等臂电桥 四个被测信号接成两个差动 对称的全桥工作形式 R1 R R R2 R R R3 R R R4 R R 将上述条件代入式 1 得 6 R R U R RU U 4 4 0 由式 6 看出 由于充分利用了双差动作用 它的输出电压为单臂工作时的 4 倍 所以 大大提高了测量的灵敏度 5 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器思考题答案思考题答案 1 1 金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同 答 金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的 半导体材料的应变效应 则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的 2 2 直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别 答 它们的区别主要是直流电桥用直流电源 只适用于直流元件 交流电桥用交流电源 适用于所有电路元件 3 3 热电阻测量时采用何种测量电路热电阻测量时采用何种测量电路 为什么要采用这种测量电路为什么要采用这种测量电路 说明这种电路的工作原理 说明这种电路的工作原理 答 通常采用电桥电路作为测量电路 为了克服环境温度的影响常采用下图所示的三导线 四分之一电桥电路 由于采用这种电路 热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的 桥臂中 如果 则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵 tt RR 21 消 R1R2 R3 R4 Rt R1 R2 热电阻的测量电路热电阻的测量电路 4 4 采用阻值为采用阻值为 120 灵敏度系数灵敏度系数 K 2 0 的金属电阻应变片和阻值为的金属电阻应变片和阻值为 120 的固定电阻组成的固定电阻组成 电桥 供桥电压为电桥 供桥电压为 4V 并假定负载电阻无穷大 当应变片上的应变分别为 并假定负载电阻无穷大 当应变片上的应变分别为 1 和和 1 000 时 时 试求单臂 双臂和全桥工作时的输出电压 并比较三种情况下的灵敏度 试求单臂 双臂和全桥工作时的输出电压 并比较三种情况下的灵敏度 解 单臂时 所以应变为 1 时 V 应变 4 0 UK U 6 6 0 102 4 1024 4 UK U 为 1000 时应为 V 双臂时 所以应变为 3 3 0 102 4 1024 4 UK U 2 0 UK U 1 时 V 应变为 1000 时应为 6 6 0 104 2 1024 2 UK U V 全桥时 所以应变为 1 时 3 3 0 104 2 1024 2 UK U UKU 0 V 应变为 1000 时应为 V 从上面的计算可知 单臂时灵敏 6 0 108 U 3 0 108 U 6 度最低 双臂时为其两倍 全桥时最高 为单臂的四倍 5 5 采用阻值采用阻值 R 120 灵敏度系数灵敏度系数 K 2 0 的金属电阻应变片与阻值的金属电阻应变片与阻值 R 120 的固定电阻组成的固定电阻组成 电桥 供桥电压为电桥 供桥电压为 10V 当应变片应变为 当应变片应变为 1000 时 若要使输出电压大于时 若要使输出电压大于 10mV 则可采用 则可采用 何种工作方式 设输出阻抗为无穷大 何种工作方式 设输出阻抗为无穷大 解 由于不知是何种工作方式 可设为 n 故可得 mV10 10102 3 0 nn UK U 得 n 要小于 2 故应采用全桥工作方式 6 6 如图所示为一直流电桥 供电电源电动势如图所示为一直流电桥 供电电源电动势 E 3V R3 3 R4 4 100 R1 1和和 R2 2为同型号的电为同型号的电 阻应变片 其电阻均为阻应变片 其电阻均为 50 灵敏度系数 灵敏度系数 K 2 0 两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截 两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截 面的正反两面 设等强度梁在受力后产生的应变为面的正反两面 设等强度梁在受力后产生的应变为 5 000 试求此时电桥输出端电压 试求此时电桥输出端电压 U0 0 R1 R2 R3R4 R1 R2 题题 6 图图 解 此电桥为输出对称电桥 故 mV15 2 10532 2 3 0 UK U 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器思考题答案思考题答案 1 1 试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度 为了提高传感器的灵敏度可采取什为了提高传感器的灵敏度可采取什 么措施并应注意什么问题么措施并应注意什么问题 答 如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图 当动极板移动 x 后 覆盖面积就发生变化 电容量也随之改变 其值为 C b a x d C0 b x d 1 电容因位移而产生的变化量为 a x Cx d b CCC 00 7 其灵敏度为 d b x C K 可见增加 b 或减小 d 均可提高传感器的灵敏度 b d a x x 直线位移型电容式传感器直线位移型电容式传感器 2 2 为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的 采取什么措施可改善其非线性特征采取什么措施可改善其非线性特征 答 下图为变间隙式电容传感器的原理图 图中 1 为固定极板 2 为与被测对象相连的活 动极板 当活动极板因被测参数的改变而引起移动时 两极板间的距离 d 发生变化 从而 改变了两极板之间的电容量 C 1 2 d 1 固定极板 2 活动极板 设极板面积为 A 其静态电容量为 当活动极板移动 x 后 其电容量为 d A C 1 2 2 0 1 1 d x d x C xd A C 当 x d 时 则 2 11 2 2 d x 1 0 d x CC 由式 1 可以看出电容量 C 与 x 不是线性关系 只有当 x t0 在导体内部 热端的自由电子具有较大的动能 向冷端移动 从而使热端失 去电子带正电荷 冷端得到电子带负电荷 这样 导体两端便产生了一个由热端指向冷端 的静电场 该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动 最后也达到了动态 平衡状态 这样 导体两端便产生了电位差 我们将该电位差称为温差电动势 3 简述热电偶的几个重要定律 并分别说明它们的实用价值 简述热电偶的几个重要定律 并分别说明它们的实用价值 答 一是匀质导体定律 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同 无论两接点的温度如 何 热电动势为零 根据这个定律 可以检验两个热电极材料成分是否相同 也可以检查 热电极材料的均匀性 二是中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体 只要第三种导体的两接点温度 相同 则回路中总的热电动势不变 它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显 示仪表或调节器 也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表 面进行温度测量 13 三是标准电极定律 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势 已知 则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知 只要测得各种金属与纯 铂组成的热电偶的热电动势 则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计 算出来 四是中间温度定律 热电偶在两接点温度 t t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度 为 t tn和 tn t0时的相应热电动势的代数和 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论 依据 4 试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理 试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理 答 热电偶冷端温度补偿的方法主要有 一是冷端恒温法 这种方法将热电偶的冷端放在 恒温场合 有 0 恒温器和其他恒温器两种 二是补偿导线法 将热电偶的冷端延伸到温 度恒定的场所 如仪表室 其实质是相当于将热电极延长 根据中间温度定律 只要热电 偶和补偿导线的二个接点温度一致 是不会影响热电动势输出的 三是计算修正法 修正 公式为 四是电桥补偿法 利用不平衡电桥产生的电 t tE t t E t t E 01AB1AB0AB 动势补偿热电偶因冷端波动引起的热电动势的变化 工作原理如下图所示 U t e R1R2 R3 R4 RCM R5 I1I2 I 图中 e 为热电偶产生的热电动势 U 为回路的输出电压 回路中串接了一个补偿电 桥 R1 R5及 RCM均为桥臂电阻 RCM是用漆包铜丝绕制成的 它和热电偶的冷端感受同 一温度 R1 R5均用锰铜丝绕成 阻值稳定 在桥路设计时 使 R1 R2 并且 R1 R2的阻 值要比桥路中其他电阻大得多 这样 即使电桥中其他电阻的阻值发生变化 左右两桥臂 中的电流却差不多保持不变 从而认为其具有恒流特性 线路设计使得 I1 I2 I 2 0 5mA 回路输出电压 U 为热电偶的热电动势 e 桥臂电阻 RCM的压降 URCM及另一桥臂电阻 R5的压降 UR5三者的代数和 R5RCM U UeU 当热电偶的热端温度一定 冷端温度升高时 热电动势将会减小 与此同时 铜电阻 RCM的阻值将增大 从而使 URCM增大 由此达到了补偿的目的 自动补偿的条件应为 tRIe CM1 5 用镍铬 用镍铬 镍硅镍硅 K 热电偶测量温度 已知冷端温度为热电偶测量温度 已知冷端温度为 40 用高精度毫伏表测得这时的热 用高精度毫伏表测得这时的热 电动势为电动势为 29 188mV 求被测点的温度 求被测点的温度 14 解 由镍铬 镍硅热电偶分度表查出 E 40 0 1 638mV 根据式 5 2 1 计算出 30 826mV1 638 mV 29 188E t 0 再通过分度表查出其对应的实际温度为 9 740 129 29275 33 10029 129 30 826 700t 6 已知铂铑 已知铂铑10 铂铂 S 热电偶的冷端温度热电偶的冷端温度 t0 25 现测得热电动势 现测得热电动势 E t t0 11 712mV 求热端温度是多少度求热端温度是多少度 解 由铂铑10 铂热电偶分度表查出 E 25 0 0 161mV 根据式 5 2 1 计算出 11 873mV0 161 mV 11 712E t 0 再通过分度表查出其对应的实际温度为 8 1216 851 11159 13 10011 851 11 873 1200t 7 已知镍铬 已知镍铬 镍硅镍硅 K 热电偶的热端温度热电偶的热端温度 t 800 冷端温度 冷端温度 t0 25 求 求 E t to 是多少是多少 毫伏毫伏 解 由镍铬 镍硅热电偶分度表可查得 E 800 0 33 275mV E 25 0 1 024 mV 故可得 E 800 5 33 275 1 024 32 251mV 8 现用一支镍铬 现用一支镍铬 康铜康铜 E 热电偶测温 其冷端温度为热电偶测温 其冷端温度为 30 动圈显示仪表 动圈显示仪表 机械零位在机械零位在 0 指指 示值为示值为 400 则认为热端实际温度为 则认为热端实际温度为 430 对不对 对不对 为什么为什么 正确值是多少正确值是多少 解 不对 因为仪表的机械零位在 0 正确值为 400 9 如图 如图 5 14 所示之测温回路 热电偶的分度号为所示之测温回路 热电偶的分度号为 K 毫伏表的示值应为多少度 毫伏表的示值应为多少度 答 毫伏表的示值应为 t1 t2 60 10 用镍铬 用镍铬 镍硅镍硅 K 热电偶测量某炉温的测量系统如图热电偶测量某炉温的测量系统如图 5 15 所示 已知 冷端温度固定在所示 已知 冷端温度固定在 0 t0 30 仪表指示温度为 仪表指示温度为 210 后来发现由于工作上的疏忽把补偿导线 后来发现由于工作上的疏忽把补偿导线 BA 和 相互接错了 问 炉温的实际温度相互接错了 问 炉温的实际温度 t 为多少度为多少度 解 实际温度应为 270 因为接反后不但没有补偿到 还抵消了 30 故应该加上 60 t1 A B B A A B t2 A mV 60 CC A B A B 0 mV t0 15 图图 5 14 图图 5 15 第八章第八章 光电式传感器光电式传感器 1 光电效应有哪几种 光电效应有哪几种 与之对应的光电元件各有哪些与之对应的光电元件各有哪些 答 光电效应有外光电效应 内光电效应和光生伏特效应三种 基于外光电效应的光电元 件有光电管 光电倍增管等 基于内光电效应的光电元件有光敏电阻 光敏晶体管等 基 于光生伏特效应的光电元件有光电池等 2 常用的半导体光电元件有哪些 常用的半导体光电元件有哪些 它们的电路符号如何它们的电路符号如何 答 常用的半导体光电元件有光敏二极管 光敏三极管和光电池三种 它们的电路符号如下图所示 光敏二极管 光敏三极管 光电池 3 对每种半导体光电元件 画出一种测量电路 对每种半导体光电元件 画出一种测量电路 答 光敏二极管 三极管及光电池的测量电路如下图所示 a 光敏二极管测量电路 b 光敏三极管测量电路 U U0 V U U0 c 光电池测量电路 4 什么是光电元件的光谱特性 什么是光电元件的光谱特性 答 光电元件的光谱特性是指入射光照度一定时 光电元件的相对灵敏度随光波波长的变 化而变化 一种光电元件只对一定波长范围的人射光敏感 这就是光电元件的光谱特性 5 光电传感器由哪些部分组成 光电传感器由哪些部分组成 被测量可以影响光电传感器的哪些部分被测量可以影响光电传感器的哪些部分 答 光电传感器通常由光源 光学通路和光电元件三部分组成 如图所示 图中 1是光 源发出的光信号 2是光电器件接受的光信号 被测量可以是 x1或者 x2 它们能够分别 16 造成光源本身或光学通路的变化 从而影响传感器输出的电信号 I 光电传感器设计灵活 形式多样 在越来越多的领域内得到广泛的应用 I x1 x2 x3 1 2 光源光学通路光电元件 6 模拟式光电传感器有哪几种常见形式 模拟式光电传感器有哪几种常见形式 答 模拟式光电传感器主要有四种 一是一是光源本身是被测物 它发出的光投射到光电元件 上 光电元件的输出反映了光源的某些物理参数 如图 a 所示 这种型式的光电传感器可 用于光电比色高温计和照度计 二是恒定光源发射的光通量穿过被测物 其中一部分被吸 收 剩余的部分投射到光电元件上 吸收量取决于被测物的某些参数 如图 b 所示 可用 于测量透明度 混浊度 三是恒定光源发射的光通量投射到被测物上 由被测物表面反射 后再投射到光电元件上 如图 c 所示 反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态 因 此可用于测量工件表面粗糙度 纸张的白度等 四是从恒定光源发射出的光通量在到达光 电元件的途中受到被测物的遮挡 使投射到光电元件上的光通量减弱 光电元件的输出反 映了被测物的尺寸或位置 如图 d 所示 这种传感器可用于工件尺寸测量 振动测量等场 合 c d 1 2 21 3 3 a 被测量是光源 b 被测量吸收光通量 c 被测量是有反射能力的表面 d 被测量遮蔽光通量 1 被测物 2 光电元件 3 恒光源 a b 2 2 1 1 3 第九章第九章 霍尔传感器霍尔传感器习题答案习题答案 1 1 什么是霍尔效应 什么是霍尔效应 答 在置于磁场的导体或半导体中通入电流 若电流与磁场垂直 则在与磁场和电流都垂 直的方向上会出现一个电势差 这种现象就是霍尔效应 是由科学家爱德文 霍尔在1879年 发现的 产生的电势差称为霍尔电压 17 2 2 为什么导体材料和绝缘体材料均不宜做成霍尔元件 为什么导体材料和绝缘体材料均不宜做成霍尔元件 答 因为导体材料的 虽然很大 但 很小 故不宜做成元件 而绝缘材料的 虽然很 大 但 很小 故也不宜做成元件 3 3 为什么霍尔元件一般采用为什么霍尔元件一般采用 N N 型半导体材料 型半导体材料 答 因为在 N 型半导体材料中 电子的迁移率比空穴的大 且 n p 所以霍尔元件一般 采用 N 型半导体材料 4 4 霍尔灵敏度与霍尔元件厚度之间有什么关系 霍尔灵敏度与霍尔元件厚度之间有什么关系 答 霍尔灵敏度与霍尔元件厚度成反比 nqd KH 1 5 5 什么是霍尔元件的温度特性 如何进行补偿 什么是霍尔元件的温度特性 如何进行补偿 答 霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系 与一般半导体一样 由于电阻率 迁移率以及载流子浓度随温度变化 所以霍尔元件的内阻 输出电压等参数 也将随温度而变化 霍尔元件温度补偿的方法主要有利用输入回路的串联电阻进行补偿和 利用输出回路的负载进行补偿两种 1 利用输入回路的串联电阻进行补偿 下图是输入补偿的基本线路 图中的四端元件 是霍尔元件的符号 两个输入端串联补偿电阻R并接恒电源 输出端开路 根据温度特性 元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为 RHt RH0 1 t Rit Ri0 1 t 式中 RHt为温度为 时霍尔系数 RH0为0 时的霍尔系数 Rit为温度为 时的输入电 阻 Ri0为0 时的输入电阻 为霍尔电压的温度系数 为输入电阻的温度系数 当温 度变化 t时 其增量为 RH RH0 t Ri Ri0 t R E I R E I Rit UHr a 基本电路 b 等效电路 Rvt 根据及I E R Ri 可得出霍尔电压随温度变化的关系式为 d IB RU HH it Ht HH RR E B d R RU 对上式求温度的导数 可得增量表达式 1 t RR R UU i i HH 0 0 0 要使温度变化时霍尔电压不变 必须使 0 0 0 RR R i i 18 即 2 0 i R R 式 1 中的第一项表示因温度升高霍尔系数引起霍尔电压的增量 第二项表示输入电阻因温 度升高引起霍尔电压减小的量 很明显 只有当第一项时 才能用串联电阻的方法减小第 二项 实现自补偿 将元件的 值代入式 2 根据Ri0的值就可确定串联电阻R的值 RL II RitRvt UHr a 基本电路 b 等效电路 RL UL 2 利用输出回路的负载进行补偿 上图为补偿原理电路图 霍尔元件的输入采用恒 流源 使控制电流 稳定不变 这样 可以不考虑输入回路的温度影响 输出回路的输出 电阻及霍尔电压与温度之间的关系为UHt UH0 1 t Rvt Rv0 1 t 式中 UHt为温度为t时的霍尔电压 UH0为0时的霍尔电压 Rvt为温度为t时的输出电阻 Rv0为 时的输出电阻 负载RL上的电压UL为 UL UH0 1 t RL Rv0 1 t RL 3 为使UL不随温度变化 可对式 3 求导数并使其等于零 可得 RL Rv0 1 4 最后 将实际使用的霍尔元件的 值代入 便可得出温度补偿时的RL值 当RL Rv0时 补偿最好 6 6 集成霍尔传感器有什么特点 集成霍尔传感器有什么特点 答 集成霍尔传感器的特点主要是取消了传感器和测量电路之间的界限 实现了材料 元 件 电路三位一体 集成霍尔传感器与分立相比 由于减少了焊点 因此显著地提高了可 靠性 此外 它具有体积小 重量轻 功耗低等优点 7 7 写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量 写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量 答 可以用霍尔传感器来检测的物理量有力 力矩 压力 应力 位置 位移 速度 加 速度 角度 转速 磁场量等等 8 8 设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统 设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统 答 液位控制系统原理如图所示 霍尔元件固定不动 磁铁与探测杆固定在一起 连接到 装液体的容器旁边 通过管道与内部连接 当液位达到控制位置时霍尔元件输出控制信号 通过处理电路和电磁阀来控制液压阀门的开启和关闭 如液位低于控制位置时开启阀门 19 超过控制位置时则关闭阀门 储存罐 最高位 最低位 磁铁 开关型 霍尔片 处理电路 控制电源 电磁阀 液体源 第十一章第十一章 新型传感器新型传感器习题答案习题答案 1 超声波发生器种类及其工作原理是什么 超声波发生器种类及其工作原理是什么 它们各自特点是什么它们各自特点是什么 答 超声波发生器有超声波发生器有压电式超声波发生器和磁致伸缩超声波发生器两种 压电式超声波发 生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的 常用的压电材料为石英晶体 压电陶瓷锆 钛酸铅等 在压电材料切片上施加交变电压 使它产生电致伸缩振动 而产生超声波 如 下图所示 它可以产生几十 kHz 到几十 MHz 的高频超声波 产生的声强可达几十 W cm2 u 压电片 厚度 d 超声波 磁致伸缩超声波发生器把铁磁材料置于交变磁场中 使它产生机械尺寸的交替变化 即机械振动 从而产生超声波 磁致伸缩超声波发生器是用厚度为 0 1 0 4mm 的镍片叠 加而成的 片间绝缘以减少涡流电流损失 其结构形状有矩形 窗形等 如下图所示 它 只能用在几万 Hz 的频率范围以内 但功率可达十万 W 声强可达几千 W cm2 能耐较 高的温度 d d 磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩超声波发生器 2 超声波有哪些传播特性 超声波有哪些传播特性 20 答 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡 它是由与介质相接触的振荡源所引起的 振 荡源在介质中可产生两种形式的振荡 即横向振荡和纵向振荡 横向振荡只能在固体中产 生 而纵向振荡可在固体 液体和气体中产生 超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时 产生折射和反射现象 超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时 随着传播距离的增加 其强度因介质吸收 能量而减弱 3 应用超声波传感器探测工件时 在探头与工件接触处要有一层耦合剂 请问这是为什么 应用超声波传感器探测工件时 在探头与工件接触处要有一层耦合剂 请问这是为什么 答 主要是为了使超声波更好地穿透到工件内 减少反射量 达到更好的测量效果 4 根据你已学过的知识设计一个超声波探伤实用装置 根据你已学过的知识设计一个超声波探伤实用装置 画出原理框图画出原理框图 并简要说明它探伤 并简要说明它探伤 的工作过程的工作过程 答 可采用穿透法探伤 原理框图如下图 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变 化状况 来判别工件内部质量的方法 穿透法用两个探头 置于工件相对面 一个发射超 声波 一个接收超声波 发射波可以是连续波 也可以是脉冲 在探测中 当工件内无缺 陷时 接收能量大 仪表指示值大 当工件内有缺陷时 因部分能量被反射 接收能量小 仪表指示值小 根据这个变化 就可以把工件内部缺陷检测出来 发射探头 接收探头 高频 发生器 工件 放大器显示 5 红外线温度传感器有哪些主要类型 它与别的温度传感器有什么显著区别 红外线温度传感器有哪些主要类型 它与别的温度传感器有什么显著区别 答 能把红外辐射转换成电量变化的装置 称为红外传感器 主要有热敏型和光电型两大 类 热敏型是利用红外辐射的热效应制成的 其核心是热敏元件 由于热敏元件的响应时 间长 一般在毫秒数量级以上 另外 在加热过程中 不管什么波长的红外线 只要功率 相同 其加热效果也是相同的 假如热敏元件对各种波长的红外线都能全部吸收的话 那 么热敏探测器对各种波长基本上都具有相同的响应 所以称其为 无选择性红外传感器 这类传感器主要有热释电红外传感器和红外线温度传感器两大类 光电型是利用红外辐射的光电效应制成的 其核心是光电元件 因此它的响应时间一 般比热敏型短得多 最短的可达到毫微秒数量级 此外 要使物体内部的电子改变运动状 态 入射辐射的光子能量必须足够大 它的频率必须大于某一值 也就是必须高于截止频 率 由于这类传感器以光子为单元起作用 只要光子的能量足够 相同数目的光子基本上 具有相同的效果 因此常常称其为 光子探测器 这类传感器主要有红外二极管 三极管 等 6 红外线光电开关有哪些优越的开关特性 红外线光电开关有哪些优越的开关特性 答 红外线光电开关具有表面反射率低 环境特性优越 回差距离远 响应频率高 输出 21 状态灵活 检测方式多样 输出形式多等许多优越的开关特性 7 激光器主要用于哪些非电量的检测 有何特点 主要的激光测速仪有哪些 激光器主要用于哪些非电量的检测 有