傳感器和檢測技術(shù)課后答案

1、第一章課后習(xí)題答案1什么是傳感器？它由哪幾個(gè)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(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置，能完成檢測任務(wù)；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(guān)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(shù)的發(fā)展動向表現(xiàn)在哪幾個(gè)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(dǎo)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)

2、具有新 原理、新效應(yīng)的敏感元件和傳感元件。CCD傳感器、用于管道爬（2）開發(fā)研制新型傳感器及組成新型測試系統(tǒng)MEMS技術(shù)要求研制微型傳感器。如用于微型偵察機(jī)的 壁機(jī)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(jì)，智能水、電、煤氣、熱量 表。它們的特點(diǎn)是傳感器與微型計(jì)算機(jī)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成智能傳感器。系統(tǒng)功能最大程度地用為傳感器軟件實(shí)現(xiàn)。（4）傳感器發(fā)展集成化： 固體功能材料的進(jìn)一步開發(fā)和集成技術(shù)的不斷發(fā)展, 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(shí)檢測壓力、溫度

3、和液位的傳感器已逐步走向市場。3.傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的什么關(guān)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(yīng)如何選擇？解：在生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，要對各種各樣的參數(shù)進(jìn)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(yīng)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(biāo)是線性度、靈敏度，遲滯和重復(fù)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(guān)系的線性程度;-輸入特2）傳感器的靈敏度 S是指傳感器的輸出量增量 Ay與引起輸出量增量 Ay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（輸入量減小）行

4、程期間其輸出 性曲線不重合的現(xiàn)象；4）傳感器的重復(fù)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(shí)，所得特性曲 線不一致的程度。頻率響應(yīng)、時(shí)間常數(shù)、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(guān)的、不需要的變化。漂移 包括零點(diǎn)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(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性: 固有頻率和阻尼比等。1）瞬態(tài)響應(yīng)特性：傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時(shí)間響應(yīng)。在研究傳感器的動態(tài)特性時(shí)，有時(shí)需要 從時(shí)域中對傳感器的響應(yīng)和過渡過程進(jìn)行分析。這種分析方法是時(shí)域分析法，傳感器對所加 激勵信號的響應(yīng)稱瞬態(tài)響應(yīng)。常用激勵信號有階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)等。cOn。2）頻率響應(yīng)特

5、性：傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)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(kuò)大頻率響應(yīng)范圍， 一般是提高傳感器固有頻率4.某位移傳感器，在輸入量變化5 mm時(shí)，輸出電壓變化為 300 mV，求其靈敏度。解：其靈敏度k4X30=605X10第三章習(xí)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(bǔ)償作用；作用在銜鐵上的電磁力， 是兩個(gè)線圈磁力之差， 所以對電磁力有一定的補(bǔ)償作用，從而提高了測量的準(zhǔn)確性。2. 交流電橋的平衡條件是什么?U(ZiZ

6、4 -Z2Z3)解：由交流電路分析可得U° "（乙+Z2）（Z3 +乙）要滿足電橋平衡條件，即U° 0，則有:乙乙-Z2Z33渦流的形成范圍和滲透深度與哪些因素有關(guān)？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h = kJP/（Af），定義在渦流密度最大值的jm/e處。被測體的平面不應(yīng)小于傳感器線圈外 D的2倍，厚度大于2倍貫穿度h時(shí)，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(diǎn)是什么解：電渦流式傳感器最大的特點(diǎn)是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸

7、式連續(xù)測量， 另外還具有體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛。5.電渦流傳感器除了能測量位移外, 解：還可以對厚度、表面溫度、速度還能測量哪些非電量？應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量。第四章習(xí)題答案1 .某電容傳感器(平行極板電容器)的圓形極板半徑r =4(mm)，工作初始極板間距離6 =0.3(mm)，介質(zhì)為空氣。問:(1 )如果極板間距離變化量 6 =±1( Pm)，電容的變化量 AC是多少?(2 )如果測量電路的靈敏度ki =100(mV/pF)，讀數(shù)儀表的靈敏度k2 =5 (格/ mV)在 6 = ±1(4m)時(shí)，讀數(shù)儀表的變化量為多少?解：(1 )

8、根據(jù)公式 AC =”一，其中 S r2d 人dd d d 也d(2根據(jù)公式3，可得到A爪心00"0 =0.02k22. 寄生電容與電容傳感器相關(guān)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(dǎo)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(jī)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(yīng)影響時(shí)，其等效電路如圖4-8所示。圖中L包括引線電纜電

9、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(shí)用性能的關(guān)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(shí)的串聯(lián)損耗電組，它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電阻。此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為2LCo)2=_kg(1-002LCo)2(4-28)當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e, ke與傳感器的固有電感(包括電纜電感)有關(guān)，且隨 3變化而變化。在這種情況下，每當(dāng)改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對測量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。3. 簡

10、述電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。解：優(yōu)點(diǎn)：（1）溫度穩(wěn)定性好（2）結(jié)構(gòu)簡單（3）動態(tài)響應(yīng)好（4）可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，具有 平均效應(yīng)缺點(diǎn)：（1）輸出阻抗高，負(fù)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?這樣微小的電容量還不能直接被目 這就必須借助于測量電路檢出這一電流或者頻率。電容轉(zhuǎn)換電路有脈沖寬度調(diào)制電路等解：電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小， 前的顯示儀表顯示， 也很難被記錄儀接受， 不便于傳輸。 微小電容增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、 調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、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

11、感器電容，C 為固定電容，假設(shè)運(yùn)放增益 A= X,輸入阻抗Z= X;試推導(dǎo)輸出電壓Uo與極板 間距的關(guān)系，并分析其工作特點(diǎn)。A題圖4-1li = I2dU,cdt=一 CxdUodt兩邊積分得到:CU I = -Cx U o_ cU|cdUiUo -一 = 一Cx名S式中負(fù)號表示輸出電壓 U 0的相位與電源電壓反相。上式說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d線性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)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Ui的幅值和固定電容 C值穩(wěn)定。第五章習(xí)題答案1簡述正、逆壓電效應(yīng)。解：某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作

12、用變形時(shí)，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時(shí)在兩個(gè) 表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)作用力方向改變時(shí)， 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(yīng)。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨 之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。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(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)， 它直接關(guān)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

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

14、景。缺點(diǎn)：電纜長，電纜電容 使傳感器的電壓靈敏度降低。不過由于固態(tài)電子器件和集成電路的迅速發(fā)展,否則在傳電荷放大器的優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓 Uo與電纜電容 Cc無關(guān)，且與Q成正比，這是電荷放大 器的最大特點(diǎn)。但電荷放大器的缺點(diǎn)：價(jià)格比電壓放大器高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也較困難。要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，電壓放大器和電荷放大器都應(yīng)加過載放大保護(hù)電路, 感器過載時(shí)，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(gè)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

15、所示電荷放大器中 Ca=100 PF, Ra", R= oo, R = oo, CF=10 PF。若考慮弓I線電容CC影響，當(dāng)A0=1O4時(shí)，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？解：Uo可表示為豐Ca Ra豐CcTCiRi題圖5-1KQCf卄Rf-f 一uo二Ca+Cc+Ci+(1 + K)Cf 因此若滿足 n + K )Cf L Q + Cc + G 時(shí)，式(6-4)Uoft第六章習(xí)題答案1.說明霍爾效應(yīng)的原理?當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于解：置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，電流和磁場方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾

16、效應(yīng)。32.某霍爾元件ixbxd為1.0天0.35咒0.1cm沿丨方向通以電流I = 1.0mA，在垂直lb面方向加有均勻磁場 B =0.3T，傳感器的靈敏度系數(shù)為 22V/AT，試求其輸出霍爾電勢及載流子濃度。(q =1.602x109C)IB解：U H = Rh K h IB，式中Kh=RH/d稱為霍爾片的靈敏度dIB所以輸出的霍爾電勢為UH =22咒110“><0.3 = 6.6咒10°，因?yàn)閁H =，式中令nedRh=-1/( ne ),稱之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，所以濃度IB1x10 鐵 0.3UHdq6.6x10'x0.1x1.602x

17、1093. 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(yīng)式傳感器也稱為電動式傳感器或感應(yīng)式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)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(jī)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(yīng)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(guān)?解：根據(jù)下面這個(gè)公式可以得到Uh = Kh IBf （L），

18、霍爾電勢還與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B, Kh為霍爾片的靈敏度,霍爾兀件的長度bL和寬度b有關(guān)。第七章習(xí)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(gè)接點(diǎn)中的一個(gè)進(jìn)行加熱， 使其溫度為T,而另一點(diǎn)置于室溫 To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(dǎo)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(dǎo)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(dá)到測量的目的。 通常將被測

19、溫度轉(zhuǎn)換為敏感元件的電阻、磁導(dǎo)或電勢等的變化,通過適當(dāng)?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(dá)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(dǎo)體定律：在熱電偶回路中，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，那么接入中間導(dǎo)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(dǎo)體 C熱電極作為參考電極，并已知標(biāo)準(zhǔn)電極與任意導(dǎo)體配對時(shí)的 熱電勢，那么在相同結(jié)點(diǎn)溫度（T,T0 ）下，任意兩導(dǎo)體 A、B組成的熱電偶，其電勢可由下式求得 Eab(T,T0)=Eac(T,T0)+Ecb(T,T0)3）中間溫度定律：在熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度為T, To時(shí)的熱電勢，等于該熱電偶在接點(diǎn) T、Ta

20、和 Ta、To 時(shí)的熱電勢之和，即EAB（T,T0）=EAB（T,Ta） + EAB（Ta +7。）3.已知在其特定條件下材料A與鉑配對的熱電勢 EabCT, To）=13967mV,材料B與鉑配對的熱電勢Eb上t（T, T。）=8.345mV，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(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為T, To時(shí)，用導(dǎo)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：Eab 仃,To)=Eac(T,To)+Ecb(T,To)= Eac(T,To ) Ebc(T,To) =13.976 8.345 =5.631mV4

21、. Pt100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(dǎo)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/C的熱電偶與毫伏表相連，已知接線端溫度為 50C ,毫伏表的輸出為60 mv,求熱電偶熱端的溫度為多少60 .解：T =750'c0.086 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

22、小的熱電式傳感器，熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。熱電阻傳感器的測量精度高；有較大的測量范圍，它可測量一200500C的溫度；易于使用在自動測量和遠(yuǎn)距離測量中。熱電阻由電阻體、 保護(hù)套和接線盒等部件組成。其結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)實(shí)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?zé)Y(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(diǎn)：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高；結(jié)構(gòu)簡單；電阻率高，熱慣性??；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(xí)題答案1. 什么是光電效應(yīng)，依其

23、表現(xiàn)形式如何分類，并予以解釋。然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信解：光電效應(yīng)首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化， 號,光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)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(yīng)；1b）受光照的物體導(dǎo)電率 一發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。R2. 分別列舉屬于內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)的光電器件。解：外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)，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(dǎo)體是 P型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓

24、時(shí)，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)配線方式連接。MOS電容陣列MOC電容CCD中電荷是一系列彼此非常靠近的 MOS電容器，這些電容器用同一半導(dǎo)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）CCD的基本功能是存儲與轉(zhuǎn)移信息電荷，為了實(shí)現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)換： 必須使的排列足夠緊密，以致相鄰 MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合；控制相鄰 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；在 的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。4. 說明光纖傳輸?shù)脑?。光的傳輸限制在光纖中

25、，并隨光纖能傳送到很遠(yuǎn)的 當(dāng)光纖的直徑比光的波長大很多時(shí)，可以用幾何光解：光在空間是直線傳播的。在光纖中，距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。學(xué)的方法來說明光在光纖內(nèi)的傳播。設(shè)有一段圓柱形光纖，它的兩個(gè)端面均為光滑的平面。當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與圓柱的軸線成0i角時(shí)，根據(jù)斯涅耳（Snell）光的折射定律，在光纖內(nèi)折射成 q，然后以0k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0應(yīng)大于臨界角 Oc （處于臨界狀態(tài)時(shí)，0=900），即：且在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次反射，直至傳播到另一端面。5光纖傳感器常用的調(diào)制原理有哪些?解：1）強(qiáng)度調(diào)制原理2）相位調(diào)制原理3）

26、頻率調(diào)制原理4）偏振調(diào)制原理6紅外線的最大特點(diǎn)是什么？什么是紅外傳感器?解：紅外線的最大特點(diǎn)是具有光熱效應(yīng)，可以輻射熱量，它是光譜中的最大光熱效應(yīng)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(xué)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，它們分另恠什么情 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(guān)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-U曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓、電流無關(guān)。在給定的偏壓

27、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(guān)。（2 ）光譜特性：光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性，亦稱為光譜 響應(yīng)。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(yīng)的峰值在可見光區(qū)域，常被用作光度量測量（照度計(jì)）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應(yīng)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 控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號傳感元件。（4）溫度特性：光敏電阻受溫

28、度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，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(yīng)，尤其是響應(yīng)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(shí)，一般都用硅管。但對紅外光進(jìn)行探測時(shí)，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(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。光電池（1）光譜特性：光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。光譜響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光 波長是不同

29、的，硅光電池在0.8 ym附近，硒光電池在 0.5 ym附近。可見硅光電池可以在很寬的波長范圍內(nèi)得到應(yīng)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(guān)系 就是光照特性。短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系，開路電壓（負(fù)截電阻Rl無限大時(shí)）與光照度的關(guān)系是非線性的，并且當(dāng)照度在2000 IX時(shí)就趨于飽和了。因此光把電池作為測量元件時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)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(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指 標(biāo)，因此溫度特性是光

30、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(yīng)用時(shí)，最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。第十一章習(xí)題答案1用測量范圍為-50150KPa的壓力傳感器測量140KPa壓力時(shí)，傳感器測得示值為142KPa , 求該示值的絕對誤差、實(shí)際相對誤差、標(biāo)稱相對誤差和引用誤差。解：絕對誤差：A =X -L =142-140=22相對誤差 6 = x100%=-x100% =1 4285%L140扎r標(biāo)稱相對誤差即 匕=-X100% =丄X100% =1.4084%x142*QQ引用誤差丫 =測量范圍上限-測量

31、范圍下限100% =150-（-50）=亦"00%=1%2.試問下列測量數(shù)據(jù)中，哪些表示不正確：100C± 0.1C, 100C± 1C, 100 C± 1% , 100 C± 0.1%?解：不正確的是 100C± 0.1C, 100C± 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?qū)τ谙到y(tǒng)誤差應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)量值的不準(zhǔn)確及儀表刻度的不準(zhǔn)確而引起的誤

32、差。 通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yīng)設(shè)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(jìn)行標(biāo)定時(shí)，傳感器輸出電壓值與壓力值之間的關(guān)系如題表11-2所示，簡述最小二乘法準(zhǔn)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(zhǔn)則？ （10分）題表11-2測量次數(shù)112345壓力 Xi (MP a)245810(1)電壓yi (V)10.04320.09330

33、.15340.12850.072y=5.00x-1.05y=7.00x+0.09 y=50.00x-10.50 y=-5.00x-1.05 y=5.00x+0.07解：最小二乘法準(zhǔn)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；解:Y=kx+b題表11-3x0.92.53.34.55.76.7y1.11.62.63.24.05.0創(chuàng)=yi -(kxi +b)nS xiyi -送 xiS yi k =匹 xi2 -(送 xi)2nW

34、 xi2 -(送 xi)2(Z xi22 yi 送 xiS xiyi ) b =代入數(shù)據(jù)得到：k=0.68, b=0.25所以，y=0.68x+0.25也1 =0.238,也2 = 0.35,人3 = 0.16, A4 = -0.11也5 = 0.126,也6 = 0.194 yL =±如叫 100% 二土035 = ±7%Yfs57.設(shè)5次測量某物體的長度，其測量的結(jié)果分別為：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(jì)區(qū)間。解：x=*x,=(9.8+10.0+10.1+9.9+

35、10.2)=10 n yViX 分別為-0.2-0.2 0 0.1 -0.1 0.2卩迂x-3cr,x+36 =9.52,10.485.假設(shè)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(xí)題答案1、單臂電橋存在非線性誤差，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,Ui。則應(yīng)R1 PRR3Uo _5(& +年+ r2 -Ar2 - r3 +R4)(13-15)靈敏度將降低，這是一種矛盾，因此，采用這種方法的時(shí)候應(yīng)該適當(dāng)?shù)奶岣吖螂妷翰捎貌顒与姌颍焊鶕?jù)被測試件的受力情況， 若使一個(gè)應(yīng)變片受拉，另一個(gè)受壓, 變符號相反；測試時(shí)，將兩個(gè)應(yīng)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為若 Rl = A R2,Ri = R2,R3=R4，則有1