檢測課后習題答案

1、1.1檢測的概念是什么？檢測是人們借助于專門設備，通過一定的技術手段和方法，對被測對象收集信息、取得數(shù)量概念的過程。它是一個比較過程，即將被檢測對象與它同性質的標準量進行比較，獲得被檢測量為標準量的若干倍的數(shù)量概念。1.2檢測有哪些分類方法？1按檢測過程分類 檢測方法可分為直接法、間接法和組合法。2按檢測方式分類 根據(jù)獲取數(shù)據(jù)的方式，檢測可分為偏差式、零位式和微差式。3按接觸關系分類 根據(jù)檢測敏感元件與被測介質的接觸關系，檢測方法可分為接觸式和非接觸式兩種。4按被測量的變化快慢分類根據(jù)被測量的變化的快慢，可分為靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測兩類。按檢測系統(tǒng)是否施加能量分類根據(jù)檢測系統(tǒng)是否需要向被測對象施加

2、能量，檢測系統(tǒng)可分為主動式和被動式兩類。1.3什么是誤差？誤差產(chǎn)生的原因是是什么？誤差：檢測結果偏離真值的大小稱為誤差。檢測誤差的大小反映了檢測結果的好壞，即檢測精度的高低。產(chǎn)生測量誤差的原因主要有以下四個方面：（1）理論誤差與方法誤差；（2）儀器誤差；（3）影響誤差 ；（4）人為誤差。1.4檢測系統(tǒng)由哪幾部分組成，各部分的作用是什么？檢測系統(tǒng)主要由敏感元件、信號的轉換與處理電路、顯示電路和信號傳輸電路組成。敏感元件：將非電量轉換為電信號；信號處理電路：將代表被測量特征的信號變換成能進行顯示或輸出的信號；顯示電路：將被測對象以人能感知的形式表現(xiàn)出來；信號傳輸電路：將信號（數(shù)據(jù)）從一點（或一個地

3、方）送另一點（或地方）。2.1 什么叫溫標？什么叫國際實用溫標？用來衡量溫度的標準尺度，簡稱為溫標。為了使用方便，國際上協(xié)商確定，建立一種既使用方便、容易實現(xiàn)，又能體現(xiàn)熱力學溫度(即具有較高準確度)的溫標，這就是國際實用溫標，又稱國際溫標。3.1 測量放大器的基本要求有哪些？答：一般來說，對放大器的基本要求是：增益高且穩(wěn)定，共模抑制比高，失調(diào)與漂移小，頻帶寬，線性度好，轉換速率高，阻抗匹配好，功耗低，抗干擾能力強，性價比高等。3.2 程控增益放大器的量程可由軟件自動切換，其工作原理是什么？答：可編程增益放大電路的增益通過數(shù)字邏輯電路由給定的程序來控制。其內(nèi)部有多對增益選擇開關,任何時刻總有一對

4、開關閉合。通過程序改變輸入的數(shù)字量，從而改變閉合的開關以選擇不同的反饋電阻，最終達到改變放大電路增益的目的。3.3 傳感器輸入與輸出之間的耦合方式有哪些？各有什么特點？答：輸入與輸出之間的隔離方式主要有：變壓器耦合 (亦稱電磁耦合)、光電耦合等。變壓器耦合的線性度高、隔離性好、共模抑制能力強，但其工作頻帶窄、體積大、成本高，應用起來不方便。光電耦合的突出優(yōu)點是結構簡單、成本低、重量輕、轉換速度快、工作頻帶寬，但其線性度不如變壓器耦合。光電耦合目前主要用于開關量控制電路。3.4 信號傳輸過程中采用電壓、電流和頻率方式傳輸各有什么優(yōu)缺優(yōu)點？各適用于什么場合？答：（1）采用電壓信號傳輸，模擬電壓信號

5、從發(fā)送點通過長的電纜傳輸?shù)浇邮拯c，那么信號可能很容易失真。原因是電壓信號經(jīng)過發(fā)送電路的輸出阻抗，電纜的電阻以及接觸電阻形成了電壓降損失。由此造成的傳輸誤差就是接收電路的輸入偏置電流乘以上述各個電阻的和。如果信號接收電路的輸入阻抗是高阻的，那么由上述的電阻引起的傳輸誤差就足夠小，這些電阻也就可以忽略不計。要求不增加信號發(fā)送方的費用又要所提及的電阻可忽略，就要求信號接收電路有一個高的輸入阻抗。（2）采用電流信號傳輸，電流源作為發(fā)送電路，它提供的電流信號始終是所希望的電流而與電纜的電阻以及接觸電阻無關，也就是說，電流信號的傳輸是不受硬件設備配置的影響的。同電壓信號傳輸?shù)姆椒ㄕ喾?，由于接收電路低的?/p>

6、入阻抗和對地懸浮的電流源（電流源的實際輸出阻抗與接收電路的輸入阻抗形成并聯(lián)回路）使得電磁干擾對電流信號的傳輸不會產(chǎn)生大的影響。如果考慮到有電磁干擾比如電焊設備和其他信號發(fā)射設備，傳輸距離又必須很長，那么電流信號傳輸?shù)姆椒ㄊ呛线m的。（3）采用頻率信號傳輸，可將電壓信號變換為數(shù)字信號進行傳送，可以很好地提高其抗干擾能力。V/F轉換電路將輸入的電壓信號轉換成相應的頻率信號，輸出信號的頻率與輸入信號的電壓成比例。頻率信號傳輸廣泛應用于數(shù)據(jù)測量儀器及遙測遙控設備中。3.5 在濾波電路中為什么普遍采用RC有源濾波器？答：RC有源濾波器是目前普遍采用的一種濾波器，在RC無源濾波器的基礎上引入晶體管、運算放大

7、器等具有能量放大作用的有源器件，補償電阻R上損失的能量，具有良好的選頻特性。3.6 非線性硬件校正方法有哪幾種？各自的工作原理是什么？答：硬件校正的方法有很多，歸納起來有3大類。第一種方法是插入非線性器件，即在非線性器件之后另外插入一個非線性器件(亦稱為線性化器或線性補償環(huán)節(jié))，使兩者的組合特性呈線性關系。第二種方法是采用非線性A/D轉換器。對于逐次比較型，可以利用按非線性關系選取的解碼電阻網(wǎng)絡；對雙積分型A/D轉換器，可以通過逐次改變積分電阻值或基準電壓值來改變第二次反向積分時間，從而獲得非線性A/D轉換電路。第三方法是采用標度系數(shù)可變的乘法器。由于A/D轉換器和乘法器通常是多路測試系統(tǒng)中所

8、有通道的共同通道，很難做到使所有非線性傳感器都線性化，因此不常用。4.1 簡述傳感器的組成及其各部分的功能？通常，傳感器由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。由于傳感器輸出信號一般都很微弱，需要有信號調(diào)理與轉換電路，進行放大、運算調(diào)制等，此外信號調(diào)理轉換電路以及傳感器的工作必須有輔助的電源， 因此信號調(diào)理轉換電路以及所需的電源都應作為傳感器組成的一部分。隨著半導體器件與集成技術在傳感器中的應用，傳感器的信號調(diào)理轉換電路與敏感元件一起集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體

9、里。 4.2 傳感器靜態(tài)特性性能指標及其各自的意義是什么？傳感器的靜態(tài)特性指標主要有線性度、遲滯、重復性、靈敏度、分辨力、閾值、穩(wěn)定性、漂移等，其中，線性度、靈敏度、遲滯和重復性是四個較為重要的指標。線性度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。靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標。其定義是輸出量增量與引起輸出量增量的相應輸入量增量之比。遲滯傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯重復性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分辨力分辨力是用來表示傳感器或儀表裝置

10、能夠檢測被測量最小變化量的能力，通常以最小量程的單位值來表示。漂移傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移穩(wěn)定性穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分，對于傳感器，常用長期穩(wěn)定性來描述其穩(wěn)定性，即傳感器在相當長的時間內(nèi)仍保持其性能的能力。閾值閾值是指傳感器產(chǎn)生可測輸出變化量時的最小被測輸入量值。4.3 傳感器的動態(tài)特性常用什么方法描述？有哪些特點？傳感器的動態(tài)特性，可以通過傳感器的動態(tài)數(shù)學模型及傳感器的動態(tài)特性指標來描述。動態(tài)模型是指傳感器在動態(tài)信號作用下，其輸出和輸入信號的一種數(shù)學關系。動態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)來描述。用微分方程作為傳感器的數(shù)學模型

11、，其優(yōu)點是：通過求解微分方程，容易分清暫態(tài)響應與穩(wěn)態(tài)響應，因為其通解只與傳感器本身的特性及起始條件有關，而特解則還與輸入量有關。但是，求解微分方程很麻煩，為了求解方便，常采用傳遞函數(shù)來研究傳感器的動態(tài)特性。盡管大多數(shù)傳感器的動態(tài)特性可近似用一階或二階系統(tǒng)來描述，但這僅僅是近似的描述而已，實際的傳感器往往比簡化的數(shù)學模型要復雜。因此，傳感器的動態(tài)響應特性一般并不是直接給出其微分方程或傳遞函數(shù)，而是通過實驗給出傳感器的動態(tài)特性指標。通過這些動態(tài)特性指標來反映傳感器的動態(tài)響應特性。4.4 描述二階傳感器系統(tǒng)階躍響應的主要指標及其定義?1）時間常數(shù)：一階傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時間,稱

12、為時間常數(shù)。 2）延遲時間：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時間。3）上升時間：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。 4）峰值時間：二階傳感器輸出響應曲線達到第一個峰值所需的時間。5）超調(diào)量：二階傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。6）衰減比：衰減振蕩的二階傳感器輸出響應曲線第一個峰值與第二個峰值之比。5.1 什么是自感傳感器？為什么螺管式自感式傳感器比變氣隙式的測量范圍大？答：自感式傳感器是把被測量轉換成線圈的自感變化，通過一定的電路轉換成電壓或電流輸出的裝置。由于轉換原理的非線性和銜鐵正、反方向移動時自感變化的不對稱性，變氣隙式自感傳感器(包括差動式結構)，只有工作在很小的區(qū)域，才能得到一

13、定的線性度。而差動螺管式自感傳感器的自感變化量與銜鐵的位移量成正比，其靈敏度比單線圈螺管式提高一倍，線性范圍和量程較大。5.2 在使用自感式傳感器時，為什么電纜長度和電源頻率不能隨便改變？答：等效電感變化量為上式表明自感式傳感器的等效電感變化量與傳感器的電感、寄生電容及電源角頻率有關。因此在使用自感式傳感器時，電纜長度和電源頻率不能隨便改變，否則會帶來測量誤差。若要改變電纜長度或電源頻率時，必須對傳感器重新標定。5.3 什么是互感傳感器？為什么要采用差動變壓器式結構？互感式傳感器也稱為變壓器式傳感器，把被測位移轉換為傳感器線圈的互感變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級線圈繞組

14、采用差動式結構，故稱之為差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。當銜鐵處于中間位置時，由于兩個次級線圈完全對稱，通過兩個次級線圈的磁力線相等，互感，感應電勢，總輸出電壓為0。當銜鐵向左移動時，總輸出電壓。當鐵芯向右移動時，總輸出電壓。兩種情況的輸出電壓大小相等、方向相反。大小反映銜鐵的位移量大小，方向反映銜鐵的運動方向，其特性曲線為形特性曲線。5.4 分析開關式全波相敏檢波電路的工作過程，它是如何鑒別被測信號的極性？答：圖 (a)為開關式全波相敏檢波電路，取，為過零比較器，參考信號經(jīng)過后轉換為方波，為經(jīng)過反相器后的輸出。若，則為低電平，為高電平，截止，導通，運算放大器的反相輸入端接地，傳感器信號從

15、的同相輸入端輸入，輸出電壓為當時，與同頻同相，。當時，與同頻反相，。若，則為高電平，為低電平，導通，截止，運算放大器的同相輸入端接地，傳感器輸出電壓從的反相輸入端輸入，輸出電壓為同理可得，當時，。當時，。由上述分析可知，相敏檢波電路的輸出電壓不僅反映了位移變化的大小，而且反映了位移變化的方向。輸出電壓的波形如圖 (b)所示。(a) (b)5.5 零點殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么？如何消除？答：零點殘余電壓由基波分量和高次諧波構成，其產(chǎn)生原因主要有以下幾個方面。1）基波分量主要是傳感器兩次級線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，以及構成電橋另外兩臂的電器參數(shù)不一致，從而使兩個次級線圈感應電勢的幅值和相位不

16、相等，即使調(diào)整銜鐵位置，也不能同時使幅值和相位都相等。2）高次諧波主要由導磁材料磁化曲線的非線性引起。當磁路工作在磁化曲線的非線性段時，激勵電流與磁通的波形不一致，導致了波形失真；同時，由于磁滯損耗和兩個線圈磁路的不對稱，產(chǎn)生零位電壓的高次諧波。3）激勵電壓中包含的高次諧波及外界電磁干擾，也會產(chǎn)生高次諧波?？梢詮囊韵聨追矫嫦?）從設計工藝上保證結構對稱性。首先，要保證線圈和磁路的對稱性，要求提高銜鐵、骨架等零件的加工精度，線圈繞制要嚴格一致。采用磁路可調(diào)式結構，保證磁路的對稱性。其次，鐵芯和銜鐵材料要均勻，應選高導磁率、低矯頑磁力、低剩磁的導磁材料。另外，減小激勵電壓的諧波成分或利用外殼進

17、行電磁屏蔽，也能有效地減小高次諧波。2）選用合適的信號調(diào)理電路。消除零點殘余電壓的最有效的方法是在放大電路前加相敏檢波電路。3）在線路補償方面主要有：加串聯(lián)電阻消除零點殘余電壓的基波分量；加并聯(lián)電阻、電容消除零點殘余電壓的高次諧波；加反饋支路消除基波正交分量或高次諧波分量。5.6 為什么說渦流式傳感器也屬于電感傳感器？答：渦流式傳感器是基于電渦流效應原理制成的，即利用金屬導體中的渦流與激勵磁場之間進行能量轉換的原理工作的。被測對象以某種方式調(diào)制磁場，從而改變激勵線圈的電感。因此，電渦流式傳感器也是一種特別的電感傳感器。5.7 被測材料的磁導率不同，對渦流式傳感器檢測有哪種影響？試說明其理由。答

18、：線圈阻抗的變化與金屬導體的電阻率、磁導率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵電流以及線圈到金屬導體之間的距離等參數(shù)有關。假設金屬導體是勻質的，則金屬導體與線圈共同構成一個系統(tǒng)，其物理性質用磁導率、電阻率、尺寸因子、距離、激勵電流強度和角頻率等參數(shù)來描述，某些參數(shù)恒定不變，只改變其中的一個參數(shù)，就構成了阻抗的單值函數(shù)，由此就可以通過阻抗的大小來測量被測參數(shù)。穿透深度與線圈的激勵頻率、金屬導體材料的導電性質有關，即由式可以看出，當激勵頻率一定時，電阻率越大，磁導率越小，穿透深度越大。5.8 感應同步器按其用途可分為哪兩類？各用在何種場合？試舉例說明。答：感應同步器按其用途可分為直線感應同步器和圓感應

19、同步器兩大類，前者用于直線位移的測量，后者用于角位移的測量。直線感應同步器已經(jīng)廣泛用于大型精密坐標鏜床、坐標銑床及其他數(shù)控機床的定位、數(shù)控和數(shù)顯；圓感應同步器則常用于軍事上的雷達天線定位跟蹤等，同時在精密機床或測量儀器設備的分度裝置上也有較多應用。5.9 感應同步器輸出的感應電勢進行如何處理？簡述各處理方式的原理。答：定尺繞組輸出的感應電勢，能夠準確地反映個空間周期內(nèi)的位移(或角度)的變化。為了使輸出感應電勢與位移(或角度)呈一定函數(shù)關系，必須對輸出的感應電勢進行處理。感應同步器輸出的感應電勢是一個交變信號，可以用幅值和相位兩個參數(shù)來描述。因此感應電勢的測量電路有鑒幅型和鑒相型兩種。鑒幅型電路

20、是在滑尺的正弦、余弦繞組上供給同頻率、同相位但不同幅值的激磁電壓，通過輸出感應電勢的幅值來鑒別被測位移的大小。在較小的情況下，感應電勢的幅值與成正比。當變化一個節(jié)距時，感應電勢的幅值變化一個周期。通過檢測感應電勢的幅值變化，即可測得滑尺與定尺之間的相對位移。鑒相型電路是在滑尺的正弦、余弦繞組上供給頻率相同、幅值相同、相位差為90的交流激磁電壓，通過檢測感應電勢的相位來鑒別被測位移量的大小。感應電勢的相位角隨的變化規(guī)律，當變化一個節(jié)距時，感應電勢的相位角變化一個周期，通過鑒別感應電勢的相位角，例如同激磁電壓相比較，即可以測出定尺與滑尺之間的相對位移。6.1 什么是壓電效應？壓電效應的特點是什么？

21、以石英晶體為例，說明壓電元件是怎樣產(chǎn)生壓電效應的？答：當沿著一定方向對某些電介質施加壓力或拉力而使其變形時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；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。壓電效應的特點是具有可逆性。當在電介質的極化方向施加電場時，電介質本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形也隨著消失。石英晶體的壓電特性與其內(nèi)部分子的結構有關。其化學式為SiO2。在一個晶體單元中有3個硅離子Si4+和6個氧離子O2-，后者是成對的。所以一個硅離子和兩個氧離子交替排列。當沒有力作用時，Si

22、4+與O2-在垂直于晶軸Z的XY平面上的投影恰好等效為正六邊形排列。如圖6-4(a)所示；這時正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，它們所形成的電偶極矩PI、P2和P3的大小相等，相互的夾角為120。因為電偶極矩定義為電荷q與間距l(xiāng)的乘積即Pql，其方向是從負電荷指向正電荷，是一種矢量，所以正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和為零，即Pl+P2+P30。當晶體受到沿X軸方向的壓力作用時，晶體沿X軸方向產(chǎn)生壓縮，正、負離子的相對位置也隨之發(fā)生變化，如圖6-4(b)中虛線所示。此時正負電荷中心不重合電偶極矩在X方向上的分量由于P1減小和P2、P3的增大面不等于零，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷。電偶極矩在Y

23、方向上的分量仍為零(因為P2、P3在Y方向上的分量大小相等方向相反)，不出現(xiàn)電荷。由于Pl，P2和P3在z軸方向上的分量都為零，不受外作用力的影響，所以在Z軸方向上也不出現(xiàn)電荷。當晶體受到沿Y軸方向的作用力時，晶體的變形如圖6-4(c)中虛線所示。與圖6-4(b)的情況相似，P1增大，P2和P3減小，在X軸方向上出現(xiàn)電荷，它的極性與圖6-4(b)的相反。而在Y和Z軸方向上則不出現(xiàn)電荷。6.2壓電傳感器為什么只適用于動態(tài)測量？答：壓電傳感器可以看作是一個帶電的電容器，當外接負載時，只有外電路負載無窮大，內(nèi)部也無漏電時，受力所產(chǎn)生的電壓才能長期保存下來，若負載不是無窮大，則電路以時間常數(shù)RLCa按

24、指數(shù)規(guī)律放電，無法測量。所以不能測量頻率低或靜止的參數(shù)。6.3常見的壓電元件的組合形式有哪些？這些組合形式各適用于哪些場合？答：常見的壓電元件的組合形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式。其中并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容也大，時間常數(shù)大，適用于測量慢變信號，當采用電荷放大器轉換壓電元件上的輸出電荷q時，并聯(lián)方式可以提高傳感器的靈敏度，所以并聯(lián)方式適用于以電荷作為輸出量的地方。串聯(lián)接法的輸出電壓大，本身電容小，當采用電壓放大器轉換壓電元件上的輸出電壓時，串聯(lián)方法可以提高傳感器的靈敏度，所以串聯(lián)方式適用于以電壓作為輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的地方。6.4壓電傳感器為什么要接前置放大器？常用的前置放大電路

25、有幾種？各有什么特點？答：由于壓電傳感器的輸出信號非常微弱，一般將電信號進行放大才能測量出來。但因壓電傳感器的內(nèi)阻抗相當高，不是普通放大器能放大的，而且，除阻抗匹配的問題外，連接電纜的長度、噪聲都是突出的問題。為解決這些問題，通常，傳感器的輸出信號先由低噪聲電纜輸入高輸入阻抗的前置放大器。前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器的輸出電壓與輸入電壓（即傳感器的輸出電壓）成比例，這種電壓前置放大器一般稱為阻抗變換器；電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷成比例。這兩種放大器的主要區(qū)別是：使用電壓放大器時，整個測量系統(tǒng)對電纜電容的變化非常敏感，尤其是連續(xù)電纜長度變化更為明顯；而使用電荷放

26、大器時，電纜長度變化的影響差不多可以忽略不計。8.1.電容式傳感器有哪三大類？分別適用于測量哪些物理量？答：電容式傳感器分為變面積式電容傳感器、變間隙式電容傳感器、變介電常數(shù)式傳感器。變面積式電容傳感器可用于檢測位移、尺寸等參量；變間隙式電容傳感器可以用來測量微小的線位移；變介電常數(shù)式傳感器可以用來測定各種介質的物理特性（如濕度、密度等）。8.2.推導差動式變間隙電容傳感器的靈敏度，并與單一型傳感器進行比較。答： 可見，靈敏度比非差動類型提高一倍。8.3.電容式傳感器的寄生電容是怎樣產(chǎn)生的？對傳感器的輸出特性有什么影響？答：寄生電容CP主要指電纜寄生電容，它與傳感器電容C相并聯(lián)。電容式傳感器由

27、于受結構與尺寸的限制，一般電容量都很小，幾個皮法到幾十皮法，屬于小功率、高阻抗器件，極易受外界干擾，尤其是電纜寄生電容。寄生電容比電容傳感器的電容大幾倍至幾十倍，且具有隨機性，又與傳感器電容相并聯(lián)，嚴重影響傳感器的輸出特性，甚至會淹沒傳感器的有用信號，使傳感器無法使用。因此消滅寄生電容的影響，是電容式傳感器實用化的關鍵。8.4.電容式傳感器能否用來測量濕度？試說明其工作原理。答：采用變介電常數(shù)型的電容傳感器即可測量濕度。被測物質作為介質處于電容的兩個因定極板之間，濕度改變時，介電常數(shù)發(fā)生變化，電容相應發(fā)生變化，通過檢測電路檢測電容的變化，即可反映濕度的變化。9.1磁電式傳感器的基本原理是什么？

28、答：磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量(如振動、位移、轉速等)轉換成電信號的一種傳感器。磁電感應傳感器的工作原理可認為是發(fā)電機原理。磁電傳感器以導體和磁場發(fā)生相對運動而產(chǎn)生電動勢為基礎。根據(jù)電磁感應定律。具有匝的線圈，其內(nèi)的感應電動勢e的大小取決于貫穿該線圈的磁通的變化速率即9.2磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的原因是什么？答：磁電式傳感器非線性誤差產(chǎn)生的原因是由于傳感器線圈內(nèi)有電流i經(jīng)過時，將產(chǎn)生一定的變化磁通，這種交變磁通使得永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通減弱。當傳感器線圈相對于永久磁鐵的運動速度增大時，將產(chǎn)生較大的感應電勢u 和較大的電流i，因此減弱磁場的作用也將加強，從而使得傳感器的靈敏度隨被測

29、速度數(shù)值的增加而降低。當動圈的運動速度與原方向相反時，感應電勢u、線圈電流i及磁通都反向，因此傳感器的靈敏度將隨被測速度v數(shù)值的增大而增大。其結果是使傳感器靈敏度在動圈速度的不同方向上具有不同的數(shù)值，因而傳感器輸出的基波能量降低而諧波的能量增加，既這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。9.3試舉一磁電式傳感器的應用的例子，并畫簡圖說明其工作原理。答：任何非電量只要能轉換成位移量的變化，均可利用霍爾式位移傳感器的原理變換成霍爾電勢。霍爾式壓力傳感器就是其中的一種。它首先由彈性元件將被測壓力變換成位移，由于霍爾元件固定在彈性元件的自由端上，因此彈性元件產(chǎn)生位移時將帶動霍爾元件，使它在線性變

30、化的磁場中移動，從而輸出霍爾電勢。霍爾式壓力傳感器結構原理如圖(a)所示。彈性元件可以是波登管或膜盒或彈簧管。圖中彈性元件為波登管，其一端固定，另一自由端安裝霍爾元件之中。當輸入壓力增加時，波登管伸長，使霍爾元件在恒定梯度磁場中產(chǎn)生相應的位移，輸出與壓力成正比的霍爾電勢。9.4什么是霍爾效應？為什么半導體材料適合于做霍爾元件？答：霍爾效應為若在某導體薄片的兩端通過控制電流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感應強度為B的磁場，則，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，稱為霍爾電勢或霍爾電壓，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應?；魻栂禂?shù):K=1/(n*q)式中,n為載流子密度,一般金屬中載流子密度很大,所以金屬材

31、料的霍爾系數(shù)系數(shù)很小,霍爾效應不明顯，而半導體中的載流子的密度比金屬要小得多,所以半導體的霍爾系數(shù)系數(shù)比金屬大得多,能產(chǎn)生較大的霍爾效,故霍爾元件不用金屬材料而是用半導體!9.5霍爾元件產(chǎn)生不等位電勢的主要原因有哪些？怎樣補償？答：不等位電勢是一個主要的零位誤差。造成不等位電勢的主要原因是：在制作霍爾元件時，不可能保證將霍爾電極焊在同一等位面上，如圖9-13所示。此外，霍爾元件材料的電阻率不均勻，霍爾片的厚度、寬度不一致，電極與片子的接觸不良等也會產(chǎn)生不等位電勢。在分析不等位電勢時，可以把霍爾元件等效為一個電橋，如圖9-14所示。電橋的四個橋臂為r1、r2、r3、r4。若兩個霍爾電極在同一等位

32、面上時，r1=r2=r3=r4，則電橋平衡，輸出電壓U0為零。當霍爾電極不在同一等位面上時，四個橋臂電阻不相等，電橋處于不平衡狀態(tài)，輸出電壓U0不為零。可見，補償?shù)姆椒ň褪亲岆姌蚱胶馄饋?，一般情況下，采用補償網(wǎng)絡進行補償，效果良好。上圖給出了幾種常見的補償網(wǎng)絡。（a）（b）（c）（d）均為控制電流為直流的情況下的補償?？梢姡m然在電路上有所不同，但基本的補償思想都是一致的，都是通過并聯(lián)的可調(diào)電阻通過阻值的調(diào)整而使得電橋電阻達到平衡。9.6溫度變化對霍爾元件輸出電勢有什么影響？如何補償？答：霍爾元件與一般半導體器件一樣，對溫度的變化是很敏感的，這是因為半導體材料的電阻率、載流子濃度等都隨溫度而變

33、化。因此，霍爾元件的輸入電阻、輸出電阻、靈敏度等也將受到溫度變化的影響，從而給測量帶來較大的誤差。為了減小測量中的溫度誤差、除了選用溫度系數(shù)小的霍爾元件，或采取一些恒溫措施外，也可使用以下的一些溫度補償方法；1）采用恒流源提供控制電流和輸入回路并聯(lián)電阻2）合理選擇負載電阻3）采用熱敏電阻進行溫度補償4）具有溫度補償及不等位電勢補償?shù)牡湫碗娐?.7若一個霍爾器件的KH=40mV/(mAT)，控制電流I=3mA，將它置于10-40.5T變化的磁場中，它輸出的霍爾電勢范圍多大？解：由已知條件可知：因此它輸出的霍爾電勢范圍為9.8簡述霍爾式壓力傳感器的工作原理。答：首先由彈性元件將被測壓力變換成位移，

34、由于霍爾元件固定在彈性元件的自由端上，因此彈性元件產(chǎn)生位移時將帶動霍爾元件，使它在線性變化的磁場中移動，從而輸出霍爾電勢。霍爾式壓力傳感器結構原理如圖(a)所示。彈性元件可以是波登管或膜盒或彈簧管。圖中彈性元件為波登管，其一端固定，另一自由端安裝霍爾元件之中。當輸入壓力增加時，波登管伸長，使霍爾元件在恒定梯度磁場中產(chǎn)生相應的位移，輸出與壓力成正比的霍爾電勢。9.9有一霍爾元件，其靈敏度KH=1.2mV/mAkGs，把它放在一個梯度為5kGs/mm的磁場中，如果額定控制電流是20mA，設霍爾元件在平衡點附近做0.1mm的擺動，問輸出電壓范圍是多少？答：由已知條件可知：因此它輸出的霍爾電勢范圍為0

35、.12V。10.1光敏電阻、光電二級管和光電三極管是根據(jù)什么原理工作的？光電特性有何不同？ 光敏電阻是一種基于半導體光電導效應、由光電導材料制成的沒有極性的光電元件，也稱為光導管。光電二級管根據(jù)反偏電壓pn結光伏效應工作的探測器；光電三極管是根據(jù)無偏壓pn結光伏效應工作的探測器；光敏電阻用于測光的光源光譜特性必須與光敏電阻的光敏特性匹配，要防止光敏電阻受雜散光的影響；光電三極管有電流放大作用，它的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。10.2 試擬定用光敏三極管控制的、用交流電壓供電的明通與暗通直流電磁繼電器原理圖。10.3 概括光纖弱導條件的意義。從理論上講，光纖的弱導

36、特性是光纖與微波圓波導之間的重要差別之一。實際使用的光纖，特別是單模光纖，其摻雜濃度都很小，使纖芯和包層只有很小的折射率差。所以弱導的基本含義是指很小的折射率差就能構成良好的光纖波導結構，而且為制造提供了很大的方便。10.4 利用斯乃爾定律推導出的臨界角表達式，計算水與空氣分界面()的臨界角。 斯乃爾定理指出：當光由光密物質(折射率大)出射至光疏物質(折射率小)時，發(fā)生折射。其折射角大于入射角，即： 時，。, 間的數(shù)學關系為： 可以看出：入射角增大時，折射角也隨之增大，且始終時，仍小于90，當=90，此時出射光線沿界面?zhèn)鞑ィ藭r稱為臨界狀態(tài)，這時有sin=sin90=1。同時還有：sin=；

37、=arcsin； 式中為臨界角。當時，即90時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，10.5 以表面溝道CCD為例，簡述CCD電荷存儲、轉移、輸出的基本原理。構成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導體)電容器。正如其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷。如果MOS結構中的半導體是P型硅，當在金屬電極（稱為柵）上加一個正的階梯電壓時（襯底接地），Si-SiO2界面處的電勢（稱為表面勢或界面勢）發(fā)生相應變化，附近的P型硅中多數(shù)載流子空穴被排斥，形成所謂耗盡層，如果柵電壓VG超過MOS晶體管的開啟電壓，則在Si-SiO2界面處形成深度耗盡狀態(tài)，由于電子在那里的勢能較低，我們可以形象化地說：半導體表面形成了電子

38、的勢阱，可以用來存儲電子。當表面存在勢阱時，如果有信號電子（電荷）來到勢阱及其鄰近，它們便可以聚集在表面。隨著電子來到勢阱中，表面勢將降低，耗盡層將減薄，我們把這個過程描述為電子逐漸填充勢阱。勢阱中能夠容納多少個電子，取決于勢阱的“深淺”，即表面勢的大小，而表面勢又隨柵電壓變化，柵電壓越大，勢阱越深。如果沒有外來的信號電荷。耗盡層及其鄰近區(qū)域在一定溫度下產(chǎn)生的電子將逐漸填滿勢阱，這種熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子電流叫作暗電流，以有別于光照下產(chǎn)生的載流子。因此，電荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)，才能存儲電荷。以典型的三相CCD為例說明CCD電荷轉移的基本原理。三相CCD是由每三個柵為一組的間隔緊密的MOS結構組成的陣列。每相隔兩個柵的柵電極連接到同一驅動信號上，亦稱時鐘脈沖。三相時鐘脈沖的波形如下圖所示。在t1時刻，1高電位，2、3低電位。此時1電極下的表面勢最大，勢阱最深。假設此時已有信號電荷（電子）注入，則電荷就被存儲在1電極下的勢阱中。t2時刻，1、2為高電位，3為低電位，則1、2下的兩個勢阱的空阱深度相同，但因1下面存儲有電荷，則1勢阱的實際深度比2電極下面的勢阱淺，1下面的電荷將向2下轉移，直到兩個勢阱中具有同樣多的電荷。t3時刻