传感器与检测技术基础思考题答案.doc

第1章 传感器与检测技术基础思考题答案 l.检测系统由哪几部分组成? 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。 指示仪测量被测量传感器记录仪电路数据处电源理仪器 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.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.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? 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U，U=U+00U，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U的要求，因此对U，这个小量造成的U的变化就很难测准。测量原理如下图所示： 00图中使用了高灵敏度电压表毫伏表和电位差计，R和E分别表示稳压电源的内阻和电动势，凡表示稳压电r源的负载，E、R和R表示电位差计的参数。在测量前调整R使电位差计工作电流I为标准值。然后，使稳压电1111w源负载电阻R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。1正式测量开始后，只需增加或减小负载电阻R的值，负载变动所引起的稳压电源输出电压U的微小波动值U，即0L可由毫伏表指示出来。根据U=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0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。 1 RPRmR 用微差式测量方法测量稳压电源输出电压随负载的变化 ，求该仪器的减至2.5V5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V4.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到 灵敏度。 解：该仪器的灵敏度为5.5?3.22?S?mV/mm 5.0?45. 某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：5. 0.45/ 铂电阻温度传感器： 电桥： 0.02V/ ) 放大倍数100( 放大器： 0.2cm/V笔式记录仪： 测温系统的总灵敏度；求：(1) 时，所对应的温度变化值。4cm (2)记录仪笔尖位移 解： ）测温系统的总灵敏度为（1180.0.2?45?0.02?100?S0. cm/ cm时，所对应的温度变化值为2）记录仪笔尖位移4（422.?22t 18.0 的温度，要求相对5001.5级，现要测量2.00800，精度等级分别为2.5级、级和6.有三台测温仪表，量程均为? ，选那台仪表合理误差不超过2.5，测量级时的最大绝对误差值为16时的相对误差为5004；2.0解：2.5级时的最大绝对误差值为20，测量。因此，应该选2.4时的相对误差为12，测量500时的相对误差为5003.2；1.5级时的最大绝对误差值为 级的测温仪器。用1.5 ? 它们各反映何种误差正确度和精密度的含义是什么? 7.什么是系统误差和随机误差?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.服从正态分布规律的随机误差有哪些特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 答：服从正态分布规律的随机误差的特性有：对称性 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 曲线对称于纵轴。有界性- )(相等。也就是说f时，全体随机误差的代数和等于零，n 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 2 n?0?lim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，即前者比后者的概率密度大， 。单峰性即 i?n1i? 处随机误差概率密度有最大值。在=0 9.等精度测量某电阻10次，得到的测量列如下：167.88 R167.60 R167.87 RR R167.95 167.45 R167.60 R7251634R168.00 167.61 R 167.850 R167.82 1089R s。，测量的标准误差(1)求10次测量的算术平均值和算术平均值的标准误差 99.7，写出被测电阻的真值和极限值。(2)若置信概率取 R 。解：(1)求10和算术平均值的标准误差次测量的算术平均值s，测量的标准误差R?R?R10?n12 ?R 101i?61167.8285?167.?87.60?167.60?167.?167.88?168.00?167.95167.?167.45?167? 10?.763?167nn10111?222?)?vv(x?xiiinn?1?19i?1i?1i?11222222222)153?0?0.0570.108.?0237?.?0.(0.187?0.3130?2?.163087?0.107?9?0.1824?0.18240.s?0577? 10nR?167.763?3?s?(167.763?0.173)? 99.7，被测电阻的真值为：若置信概率取(2)0?(167.763?0763?3?.547)?R?167. 极限值为：m 10.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R、R、R、R。U为电桥的直流电源电压。当四臂电阻R=R=R=R=R42233141 )R时，称为电R(R =RRR=,RR=(RR时，称为输出对称电桥；当)R=R，=RR=R时，称为等臂电桥；当R33424211源对称电桥。 A RR21CDU0RR43BU 直流电桥电路 3 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 RR?RR4321UU? (1) 3 o)?R(R?R)(R4213设电桥为单臂工作状态，即R为应变片，其余桥臂均为固定电阻。当R感受被测量产生电阻增量R时，由初111RR41?产生不平衡引起的输出电压为R），则电桥由于，代入式（1始平衡条件RR=RR得11234 RR32RRR?R1122U?RU?()U (2) 1022R)RR?R(?R)(12112，当R臂的电阻产生变化R=R=R=R，根据（2）可得到输出电压为 =对于输出对称电桥，此时R=RR,R121134R?RR?RU)?UU()?( (3) 02RR4)(R?R=R时，由式（2）得 RR=R臂产生电阻增量。当R=对于电源对称电桥，RR=R,R=113421?RRR()U?U (4) 02?R)R?R(=R时，由式（2）可得输出电压为 R，当R的电阻增量R对于等臂电桥R=R=R=R=143211RR?RU?R()?(U?U) (5) 02RR4)?R(R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RR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，R=R+R,R=R-R,R=R+R,R=R-R，将上述条件代入式(1)得 4213?RU?R?U?4?U? (6) ? 0R4R?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。 第2章 电阻式传感器思考题答案 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? 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.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.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?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ttR?R则由于环境温度变化引起的，如果采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，21 引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。 4 RRR1R21热电阻的测量电路 ，并4V的固定电阻组成电桥，供桥电压为的金属电阻应变片和阻值为灵敏度系数K=2.01204.采用阻值为120时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三1 0001和假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为 种情况下的灵敏度。6?10?U4?2KUK6?U?U2?10?时1以应解：单臂时变为，所/V，应变为1000时应为 004443?10?K2U4UK3?U102?U?时为1以应变，所时/V；双臂 0024436?102?K4UK?U4?2?103?6104?10U?U?4；全桥时/V，应变为1000时应为/V 0022223?6?UU?K10?U?U?8?108。从上面的计算可知：单臂时/V，应变为1000，所以应变为1时时应为/V000 灵敏度最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。 当10V。的固定电阻组成电桥，供桥电压为K灵敏度系数=2.0的金属电阻应变片与阻值R=1205.采用阻值R=120 ，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？10mV应变片应变为1000时，若要使输出电压大于 ，故可得：解：由于不知是何种工作方式，可设为n3?1010K?U2?10?U?mV 0nn ，故应采用全桥工作方式。要小于2得n 50为同型号的电阻应变片，其电阻均为R和R，3VR=R=100，如图所示为一直流电桥，供电电源电动势6.E=24315 。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=2.0，灵敏度系数K U。000，试求此时电桥输出端电压0 RR34 R1RR21R2 图题6 5 ?3?10?5K?U2?3?15U?解：此电桥为输出对称电桥，故/mV 022 7.光敏电阻有哪些重要特性，在工业应用中是如何发挥这些特性的？答：光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它的重要特性是在无光照时阻值非常大， 相当于断路，有光照时阻值变得很小，相当于通路。在工业应用中主要就是通过光的变化来各种电路的控制。 电容式传感器思考题答案第3章 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试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度?1.? 题 答：如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。 x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为当动极板移动 ） （1dx/ CaC=b（-x）/d=-b0 电容因位移而产生的变化量为?xb?C?x?C?C?C? 00ad?bC?K? 其灵敏度为 dx? 均可提高传感器的灵敏度。b或减小d可见增加x xbda 直线位移型电容式传感器 ? ?采取什么措施可改善其非线性特征2.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测2为固定极板，答：下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中1 。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C1 d21固定极板 2-活动极板 ?A?C ，其静态电容量为设极板面积为Ax，当活动极板移动后，其电容量为 d 6 x?1?A dCC?(1) 02xd?x?1 2d d时 当x2xx)1(?C?C11?(2) 则 02dd时，才可认为是最近似线形关系。同时还可以看出， 中t、t，将其两端分别置于不同的温度场B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。对于导体A或B0。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)t0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。 简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。3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。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。时的相应t、t和、时的热电动势等于该热电偶在接点温度为tt四是中间温度定律：热电偶在两接点温度、tt00nn 10 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。 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动势补偿热电偶)t(t,t)?EE(t,t)?E(t,011ABAB0AB因冷端波动引起的热电动势的变化，工作原理如下图所示。 +RR21UteIIRR1234IRRCM5+- 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。RR及R均为桥臂CM15电阻。R是用漆包铜丝绕制成的，它和热电偶的冷端感受同一温度。RR均用锰铜丝绕成，阻值稳定。在桥路设5CM1计时，使R=R，并且R、R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2112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I=I=I/2=0.5mA。 21回路输出电压U为热电偶的热电动势e、桥臂电阻R的压降U及另一桥臂电阻R的压降U三者的代数R5RCMCM5和： U-e?UU?R5RCM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R的阻值将增大，从而CM使U增大，由此达到了补偿的目的。 RCM自动补偿的条件应为 ?Rt?e?I CM1 5用镍铬-镍硅(K)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电动势为29.188mV，求被测点的温度。 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 E(t,0)?(29.188?1.638)mV?30.826mV 再通过分度表查出其对应的实际温度为 (30.826-29.129)?100?740.700t?9 33.275?29.129 6已知铂铑-铂(S)热电偶的冷端温度t25，现测得热电动势E(t，t)11.712mV，求热端温度是多少度? 0010解：由铂铑-铂热电偶分度表查出E(25，0)=0.161mV，根据式(5-2-1)计算出 10E(t,0)?(11.712?0.161)mV?11.873mV 再通过分度表查出其对应的实际温度为 11 (11.873-11.851)?100?1216.8t?1200? 85111.13.159? ? to)是多少毫伏，求E(t，热电偶的热端温度t800，冷端温度t257已知镍铬-镍硅(K)0 0)=1.024 mV，故可得，E(25，解：由镍铬-镍硅热电偶分度表可查得E(800，0)=33.275mV5)=33.275-1.024=32.251mV E(800， ，则认为400)指示值为热电偶测温。其冷端温度为30，动圈显示仪表(机械零位在0-8现用一支镍铬康铜(E)? 正确值是多少?为什么?热端实际温度为430，对不对 。0，正确值为400解：不对，因为仪表的机械零位在 ? ，毫伏表的示值应为多少度5.14所示之测温回路，热电偶的分度号为K9如图 。-60)答：毫伏表的示值应为(t-t21 ，仪表指示30t5.15所示，已知：冷端温度固定在0，10用镍铬-镍硅(K)热电偶测量某炉温的测量系统如图0?BA和? t210温度为，后来发现由于工作上的疏忽把补偿导线为多少度，相互接错了，问：炉温的实际温度 60。270，因为接反后不但没有补偿到，还抵消了30，故应该加上解：实际温度应为 mVCC60A 0mVABBtA0AABBAB+tt 125.15 图 图5.14 压电传感器习题答案 第6章 ? 为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量1答：因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量，可等效成一定的电容，如被测量为静态时，很难将 电荷转换成一定的电压信号输出，故只能用于动态测量。 ? ?其核心是解决什么问题2压电式传感器测量电路的作用是什么答：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出，其核心是要解决微弱信号的转换 与放大，得到足够强的输出信号。 的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵pC=0.008VKMPa10pC一压电式传感器的灵敏度3K，连接灵敏度21 12 敏度K=25mmV，当压力变化p=8MPa时，记录笔在记录纸上的偏移为多少? 3解：记录笔在记录纸上的偏移为 S=100.008258=16/mm 4某加速度计的校准振动台，它能作50Hz和1g的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度K100mVg，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1，电压放大器放大倍数为100，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V，试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。 解：此加速度计的灵敏度为 9130?91.K3? mV/g 100标定系统框图如下： 晶体管电压加速阻抗毫伏表放大器度计变换器 第7章 光电式传感器 1光电效应有哪几种?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?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。 答：光敏二极管、三极管及光电池的测量电路如下图所示。 13 UU 0UV光敏三极管测量电路 b)a)光敏二极管测量电路c）光电池测量电路 ? 什么是光电元件的光谱特性4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。 ? 被测量可以影响光电传感器的哪些部分5光电传感器由哪些部分组成?是光答：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。图中是光源发出的光信号，21，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输x电器件接受的光信号，被测量可以是x或者21 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。 I21光电元件光源光学通路x1x3x2 ? 6模拟式光电传感器有哪几种常见形式光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映答：模拟式光电传感器主要有四种。一是二是恒定光源发射的这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计；a了光源的某些物理参数，如图所示。b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、纸张的白所示。电元件上，如图c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 所示。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。弱，光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。如图d 3 1211 1 3 3222c)b)a)d)被测量 c)被测量吸收光通量a)被测量是光源 b)被测量遮蔽光通量是有反射能力的表面) d恒光源 3-被测物1- 2光电元件- 14 第8章 霍尔传感器习题答案 1. 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。 2. 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. 为什么霍尔元件一般采用N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，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。 pn 4. 霍尔灵敏度与霍尔元件厚度之间有什么关系？ 1?K。答：霍尔灵敏度与霍尔元件厚度成反比， Hnqd5. 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 RR(1+t) RR(1+t) =i0HtitH0RRRR为0时的霍尔系数；时的输入电阻；式中，为温度为为温度为时霍尔系数；时的输入电阻；为0i0HtitH0 tRRt RRt =为霍尔电压的温度系数,为输入电阻的温度系数。当温度变化时，其增量为: i0iHH0II RRRRitvtEEUHra）基本电路 b）等效电路 REIBHtRU?B?RU)E/(RRI +=，可得出霍尔电压随温度变化的关系式为根据及i HHHHddR?Rit?R0i?(?)?tUU对上式求温度的导数，可得增量表达式 (1) 0HHR?R0i?R0i?0 要使温度变化时霍尔电压不变，必须使 R?R0i 15 ?)R(?0i?R (2) 即 ?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(1)式 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。RR、 的值就可确定串联电阻值代入式(2)，根据的值。将元件的i0II RRvtitRLULRLUHr）基本电路a）等效电路 b 稳定 (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UHt=UH0(1+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t) t) Rvt=Rv0(1+RURU为时的输出电阻。负为0时的霍尔电压；为温度为t时的输出电阻；式中，t为温度为时的霍尔电压；v0HtH0vtUR 上的电压为载LL =U(1+t) R/R(1+t)+RU(3) LH0LLv0U 求导数并使其等于零，可得不随温度变化，可对式(3)为使L /.1R/R/(4) v0L RR、R =值代入，便可得出温度补偿时的时，补偿最好。最后，将实际使用的霍尔元件的值。当v0LL 6. 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。 写出你认为可以用霍尔传感器来检测的物理量。7. 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。 设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统。8. 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，超过控制位置时则关闭阀门。 控制电源开关型处理电路霍尔片液体源磁铁电磁阀最高位储存罐最低位 16 第9章 新型传感器习题答案 1光纤传感器的性能有何特殊之处？主要有哪些应用？ 答：光导纤维传感器(简称光纤传感器)是七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤传感器具有灵敏度高，不受电磁波干扰，传输频带宽，绝缘性能好，耐水抗腐蚀性好，体积小，柔软等优点。目前已研制出多种光纤传感器，可用于位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电压、电流；磁场、核辐射等方面的测量。应用前景十分广阔。 2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。 3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。 4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? 答：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2。 cmW几十 压电片 度d厚u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0.4mm0.1声波。磁致伸缩超声波发生器是用厚度为2，cmW，但功率可达十万Hz如下图所示，状有矩形、窗形等，它只能用在几万的频率范围以内，W声强可达几千 能耐较高的温度。 17 磁致伸缩超声波发生器 ? 超声波有哪些传播特性5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。 ? 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6 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。 ? )，并简要说明它探伤的工作过程7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