傳感器與檢測(cè)技術(shù)期末考試試題與答案

1、.第一章傳感器基礎(chǔ)l. 檢測(cè)系統(tǒng)由哪幾部分組成? 說明各部分的作用。答：一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)裝置通常是由傳感器、測(cè)量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。當(dāng)然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。下圖給出了檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖。指示儀被測(cè)量測(cè)量傳感器電路記錄儀數(shù)據(jù)處電源理儀器檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的裝置，顯然，傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)與被測(cè)對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測(cè)系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，檢測(cè)系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能確定的，因?yàn)闄z測(cè)系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)無法添加新的檢測(cè)信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。測(cè)量電路的作用是將傳感器的輸

2、出信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓或電流信號(hào)。 通常傳感器輸出信號(hào)是微弱的，就需要由測(cè)量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。根據(jù)需要測(cè)量電路還能進(jìn)行阻抗匹配、微分、積分、線性化補(bǔ)償?shù)刃盘?hào)處理工作。顯示記錄裝置是檢測(cè)人員和檢測(cè)系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，主要作用是使人們了解被測(cè)量的大小或變化的過程。2. 傳感器的型號(hào)有幾部分組成，各部分有何意義?依次為主稱（傳感器）被測(cè)量轉(zhuǎn)換原理序號(hào)主稱傳感器，代號(hào)C；被測(cè)量用一個(gè)或兩個(gè)漢語拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記。見附錄表2；轉(zhuǎn)換原理用一個(gè)或兩個(gè)漢語拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記。見附錄表3；序號(hào)用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，廠家自定，用來表征產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。若產(chǎn)品

3、性能參數(shù)不變， 僅在局部有改動(dòng)或變動(dòng)時(shí)，其序號(hào)可在原序號(hào)后面順序地加注大寫字母A 、B 、C 等，（其中 I 、Q 不用）。例：應(yīng)變式位移傳感器：C WY - YB - 20；光纖壓力傳感器： C Y - GQ- 2。3. 測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載變化的情況時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用何種測(cè)量方法? 如何進(jìn)行 ?答：測(cè)定穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載電阻變化的情況時(shí)，最好采用微差式測(cè)量。 此時(shí)輸出電壓認(rèn)可表示為U 0，U0=U+U ，其中 U 是負(fù)載電阻變化所引起的輸出電壓變化量，相對(duì)U 來講為一小量。如果采用偏差法測(cè)量，儀表必須有較大量程以滿足U0 的要求，因此對(duì) U，這個(gè)小量造成的 U0 的變化就很難測(cè)準(zhǔn)。測(cè)量

4、原理如下圖所示：圖中使用了高靈敏度電壓表毫伏表和電位差計(jì)，Rr 和 E 分別表示穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)，凡表示穩(wěn)壓電源的負(fù)載， E 1、R1 和 Rw 表示電位差計(jì)的參數(shù)。在測(cè)量前調(diào)整 R1 使電位差計(jì)工作電流 I 1 為標(biāo)準(zhǔn)值。然后，使穩(wěn)壓電源負(fù)載電阻R1 為額定值。調(diào)整RP 的活動(dòng)觸點(diǎn)，使毫伏表指示為零，這相當(dāng)于事先用零位式測(cè)量出額定輸出電壓 U 。正式測(cè)量開始后，只需增加或減小負(fù)載電阻RL 的值，負(fù)載變動(dòng)所引起的穩(wěn)壓電源輸出電壓 U 0 的微小波動(dòng)值U ，即可由毫伏表指示出來。根據(jù) U0=U+U ，穩(wěn)壓電源輸出電壓在各種負(fù)載下的值都可以準(zhǔn)確地測(cè)量出來。微差式測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快，測(cè)量

5、精度高，特別適合于在線控制參數(shù)的測(cè)量。;.RPRmRwRrR1RLEE1用微差式測(cè)量方法測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載的變化4. 某線性位移測(cè)量?jī)x，當(dāng)被測(cè)位移由4.5mm 變到 5.0mm 時(shí)，位移測(cè)量?jī)x的輸出電壓由3.5V 減至 2.5V ，求該儀器的靈敏度。解：該儀器的靈敏度為2.53.5S2 mV/mm5.04.55. 某測(cè)溫系統(tǒng)由以下四個(gè)環(huán)節(jié)組成，各自的靈敏度如下：鉑電阻溫度傳感器：0.45 /電橋：0.02V/ 放大器：100( 放大倍數(shù) )筆式記錄儀：0.2cm/V求： (1) 測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度；(2) 記錄儀筆尖位移 4cm 時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度變化值。解：（1）測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度為S

6、0.450.02 1000.20.18 cm/ （2）記錄儀筆尖位移4cm 時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度變化值為422.22t0.186. 有三臺(tái)測(cè)溫儀表，量程均為0800，精度等級(jí)分別為 2.5 級(jí)、 2.0 級(jí)和 1.5 級(jí)，現(xiàn)要測(cè)量 500的溫度，要求相對(duì)誤差不超過2.5，選那臺(tái)儀表合理 ?解：2.5 級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為20，測(cè)量 500時(shí)的相對(duì)誤差為4；2.0 級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為16，測(cè)量 500時(shí)的相對(duì)誤差為 3.2； 1.5 級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為12，測(cè)量 500時(shí)的相對(duì)誤差為2.4。因此，應(yīng)該選用 1.5級(jí)的測(cè)溫儀器。7. 什么是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差 ?正確度和精密度的含義是什么 ?

7、 它們各反映何種誤差 ?答：系統(tǒng)誤差是指在相同的條件下，多次重復(fù)測(cè)量同一量時(shí)，誤差的大小和符號(hào)保持不變，或按照一定的規(guī)律變化的誤差。隨機(jī)誤差則是指在相同條件下，多次測(cè)量同一量時(shí)，其誤差的大小和符號(hào)以不可預(yù)見的方式變化的誤差。正確度是指測(cè)量結(jié)果與理論真值的一致程度，它反映了系統(tǒng)誤差的大小，精密度是指測(cè)量結(jié)果的分散程度，它反映了隨機(jī)誤差的大小。8. 服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機(jī)誤差有哪些特性?答：服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機(jī)誤差的特性有：對(duì)稱性隨機(jī)誤差可正可負(fù)，但絕對(duì)值相等的正、負(fù)誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)相等。也就是說f()- 曲線對(duì)稱于縱軸。有界性在一定測(cè)量條件下，隨機(jī)誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過一定的范圍，即絕對(duì)值很大的隨

8、機(jī)誤差幾乎不出現(xiàn)。抵償性在相同條件下，當(dāng)測(cè)量次數(shù)n時(shí)，全n體隨機(jī)誤差的代數(shù)和等于零，即limi0 。單峰性絕對(duì)值小的隨機(jī)誤差比絕對(duì)值大的隨機(jī)誤差出ni1;.現(xiàn)的機(jī)會(huì)多，即前者比后者的概率密度大，在=0 處隨機(jī)誤差概率密度有最大值。9. 等精度測(cè)量某電阻 10 次，得到的測(cè)量列如下：R1 167.95R2 167.45R3 167.60R4167.60R5 167.87R6 167.88R7 168.00R8 167.850R9 167.82R10167.61(1) 求 10 次測(cè)量的算術(shù)平均值R ，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。(2) 若置信概率取 99.7，寫出被測(cè)電阻的真值和極限

9、值。解： (1)求 10次測(cè)量的算術(shù)平均值R ，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差 s。10 R1R2RnR10i1167.95167.45167.60167.60167.87167.88168.00167.85167.82167.6110167.7631n1?( xi x) 2n1 i 1n 1nvi21 10vi2i 19 i 11(0.187 20.313220.16320.10720.10820.237 20.087 20.05720.1532 )90.1824s0.18240.0577n10(2) 若置信概率取99.7，被測(cè)電阻的真值為：R0167.7633 s (167.7630

10、.173)極限值為： Rm167.7633(167.7630.547)10. 試分析電壓輸出型直流電橋的輸入與輸出關(guān)系。答：如圖所示，電橋各臂的電阻分別為R1、 R2、 R3 、R4。 U 為電橋的直流電源電壓。當(dāng)四臂電阻時(shí)，稱為輸出對(duì)稱電橋； 當(dāng) R1=R4=R ，R2=R3R1=R2 =R3=R4=R 時(shí)，稱為等臂電橋； 當(dāng) R1=R2=R,R3=R4 =R ( RR )=R (RR )時(shí)，稱為電源對(duì)稱電橋。A12RRDC0U43RRBU直流電橋電路當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無窮大，這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路

11、電壓，其表達(dá)式為;.R1 R3R2R4 3UU o(R1R2 )(R3R4 ).(1)設(shè)電橋?yàn)閱伪酃ぷ鳡顟B(tài)， 即 R1 為應(yīng)變片， 其余橋臂均為固定電阻。當(dāng) R1感受被測(cè)量產(chǎn)生電阻增量R1時(shí)，由初始平衡條件 R得 R1R4，代入式（ 1），則電橋由于R1產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓1R3=R2R4R2R3為U 0R22R1UR1 R22 (R1 )U(2)(R1R2 )(R1 R2)R1對(duì)于輸出對(duì)稱電橋，此時(shí)R1234R1 = R，根據(jù)（ 2）可得到輸，當(dāng) R1 臂的電阻產(chǎn)生變化=R =R,R =R =R出電壓為U 0URR2(R )U (R )(3)(R R)R4R臂產(chǎn)生電阻增量R1=R 時(shí)，由

12、式（ 2）得對(duì)于電源對(duì)稱電橋， R1=R4=R,R2=R3=R 。當(dāng) R1U 0URR2( R )(4)( RR )R對(duì)于等臂電橋 R1 2 341 的電阻增量R1= R 時(shí)，由式（ 2）可得輸出電壓為=R =R =R =R，當(dāng)RU 0URR2(R )U (R )(5)(RR)R4R由上面三種結(jié)果可以看出， 當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時(shí)， 電橋的輸出電壓也隨著變化。 當(dāng) R<<R 時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸出對(duì)稱電橋的輸出電壓要比電源對(duì)稱電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對(duì)稱電橋。

13、在實(shí)際使用中為了進(jìn)一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個(gè)被測(cè)信號(hào)接成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)稱的全橋工作形式， R1=R+ R,R2=R- R,R3=R+ R,R4=R-R，將上述條件代入式 (1)得U0 4URUR(6)4RR由式 (6)看出，由于充分利用了雙差動(dòng)作用，它的輸出電壓為單臂工作時(shí)的4 倍，所以大大提高了測(cè)量的靈敏度。第二章電阻式傳感器1. 金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)有什么不同?答：金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)則主要取決于材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化產(chǎn)生的。2. 直流測(cè)量電橋和交流測(cè)量電橋有什么區(qū)別?答：它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流

14、電源，只適用于直流元件，交流電橋用交流電源，適用于所有電路元件。3. 熱電阻測(cè)量時(shí)采用何種測(cè)量電路 ?為什么要采用這種測(cè)量電路 ?說明這種電路的工作原理。答：通常采用電橋電路作為測(cè)量電路。為了克服環(huán)境溫度的影響常采用下圖所示的三導(dǎo)線四分之一電橋電路。由于采用這種電路，熱電阻的兩根引線的電阻值被分配在兩個(gè)相鄰的橋臂中，如果R1tR2t，則由于環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被相互抵消。12RRR1RtR4R3R2熱電阻的測(cè)量電路;.4. 采用阻值為120靈敏度系數(shù) K=2.0 的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120的固定電阻組成電橋， 供橋電壓為4V，并假定負(fù)載電阻無窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別

15、為1 和 1 000 時(shí)，試求單臂、雙臂和全橋工作時(shí)的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。解：?jiǎn)伪蹠r(shí) U 0KU ，所以應(yīng)變?yōu)? 時(shí)U0K U42 106210 6 /V ，應(yīng)變?yōu)?1000444時(shí)應(yīng)為U0KU 421032 10 3 /V；雙臂時(shí)U0K U，所以應(yīng)變?yōu)?1時(shí)442U 0K U4210 6410 6/V，應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為22U 0K U4210 3410 3 /V；全橋時(shí) U 0K U ，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)U0810 6/V ，22應(yīng)變?yōu)?1000時(shí)應(yīng)為U0810 3/V 。從上面的計(jì)算可知：?jiǎn)伪蹠r(shí)靈敏度最低，雙臂時(shí)為其兩倍，全橋時(shí)最高，為單臂的四倍。5. 采用阻值R=120靈

16、敏度系數(shù)K=2.0 的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120 的固定電阻組成電橋，供橋電壓為 10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?1000 時(shí)，若要使輸出電壓大于 10mV，則可采用何種工作方式（設(shè)輸出阻抗為無窮大）？解：由于不知是何種工作方式，可設(shè)為n，故可得：K U210103U 0n10 mVn得 n 要小于 2，故應(yīng)采用全橋工作方式。6. 如圖所示為一直流電橋，供電電源電動(dòng)勢(shì) E=3V ，R3 =R4 =100 ，R1 和 R2 為同型號(hào)的電阻應(yīng)變片，其電阻均為 50，靈敏度系數(shù) K=2.0。兩只應(yīng)變片分別粘貼于等強(qiáng)度梁同一截面的正反兩面。設(shè)等強(qiáng)度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)? 000，試求此時(shí)電橋輸出端電壓U

17、0 。R4R3R1R1R2R2題 6圖KU 235 103解：此電橋?yàn)檩敵鰧?duì)稱電橋，故 U 0215 /mV2;.7. 光敏電阻有哪些重要特性，在工業(yè)應(yīng)用中是如何發(fā)揮這些特性的？答：光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它的重要特性是在無光照時(shí)阻值非常大，相當(dāng)于斷路，有光照時(shí)阻值變得很小，相當(dāng)于通路。在工業(yè)應(yīng)用中主要就是通過光的變化來各種電路的控制。第三章電容式傳感器1. 試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度?為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應(yīng)注意什么問題 ?答：如圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x 后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨

18、之改變，其值為C= b（ a- x）/d=C0- b· x/d（1）電容因位移而產(chǎn)生的變化量為bxCCC0x C 0da其靈敏度為CbKdx可見增加 b 或減小 d 均可提高傳感器的靈敏度。xbxda直線位移型電容式傳感器2. 為什么說變間隙型電容傳感器特性是非線性的?采取什么措施可改善其非線性特征?答：下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。圖中1 為固定極板， 2 為與被測(cè)對(duì)象相連的活動(dòng)極板。當(dāng)活動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)的改變而引起移動(dòng)時(shí)，兩極板間的距離d 發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量C。1d21固定極板 2- 活動(dòng)極板設(shè)極板面積為 A，其靜態(tài)電容量為 CAx 后，其電容量為，當(dāng)活動(dòng)

19、極板移動(dòng)dxA1CC0dd x1 x 2d 2當(dāng) x<<d 時(shí)1x2C C0(1x)d 21則d(1)(2);.由式（ 1）可以看出電容量C 與 x 不是線性關(guān)系，只有當(dāng)x<<d 時(shí)，才可認(rèn)為是最近似線形關(guān)系。同時(shí)還可以看出，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d 過小時(shí)。但當(dāng)d 過小時(shí)，又容易引起擊穿，同時(shí)加工精度要求也高了。為此 ,一般是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來改善這種情況。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。3. 有一平面直線位移差動(dòng)傳感器特性其測(cè)量電路采用變壓器交流電橋，結(jié)構(gòu)組成如圖所示。電容傳感器起始時(shí) b1=b2=b=20

20、0mm， a1=a2=20mm極距 d=2mm，極間介質(zhì)為空氣，測(cè)量電路 u1 =3sintV，且 u=u0。試求當(dāng)動(dòng)極板上輸入一位移量 x=5mm 時(shí) , 電橋輸出電壓 u0。xduC1C1uiC2C2ub 1u0b 2a1a2題 3 圖解：根據(jù)測(cè)量電路可得u u0C uix ui53 sin t750sin t /mVC 0a204. 變間隙電容傳感器的測(cè)量電路為運(yùn)算放大器電路，如圖所示。 C0=200pF，傳感器的起始電容量 Cx0=20pF ,定動(dòng)極板距離 d0=1.5mm, 運(yùn)算放大器為理想放大器 ( 即 K , Zi ), Rf 極大 , 輸入電壓 u1=5sintV 。求當(dāng)電容傳

21、感動(dòng)極板上輸入一位移量 x=0.15mm 使 d0 減小時(shí) , 電路輸出電壓 u0 為多少 ?Rf0 x+ui-u0解：由測(cè)量電路可得u0C0uiC0ui2005sin t 45sin /VCxC x0 d0201.5d0x1.50.155. 如圖 3-22 所示正方形平板電容器 , 極板長(zhǎng)度 a=4cm, 極板間距離 =0.2mm. 若用此變面積型傳感器測(cè)量位移 x, 試計(jì)算該傳感器的靈敏度并畫出傳感器的特性曲線. 極板間介質(zhì)為空氣,08.85 10-12 F/m 。;.ax解：這是個(gè)變面積型電容傳感器，共有4 個(gè)小電容并聯(lián)組成。C 04 0 a 241610 48.85101228.32

22、/pF210 340 a(ax)C 0kx28.3270.8x(x 的單位為米 )C xCC xC 040 ax)C xC 040 a48.8510124102K2 10370.8 /pFxCxpF4030201001234xcm第四章電感式傳感器1. 影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是什么？答：影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是：傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)的對(duì)稱性、磁性材料的殘余應(yīng)力、測(cè)量電路零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)等。2. 電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響？它的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？答：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵(lì)電流頻率以

23、及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離等因素影響。電渦流式傳感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量范圍大、抗干憂能力強(qiáng)， 特別是有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)， 因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。3. 試說明圖 4.12 所示的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理。答：如圖所示，設(shè)差動(dòng)電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1 和 Z2。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)， Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)， C 點(diǎn)電位等于 D 點(diǎn)地位，電表指示為零。當(dāng)銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+ Z，則下部線圈阻抗減少， Z2 =Z- Z。如果輸入交流電壓為正半周，則 A 點(diǎn)電位為正， B 點(diǎn)電位為負(fù)，二極管V 1、 V4 導(dǎo)通， V 2

24、、V 3 截止。在 A- E- C- B 支路中， C 點(diǎn)電位由于 Z1 增大而比平衡時(shí)的C 點(diǎn)電位降低； 而在 A- F- D- B 支中中， D 點(diǎn)電位由于Z2 的降低而比平衡時(shí);.D 點(diǎn)的電位增高，所以D 點(diǎn)電位高于C 點(diǎn)電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。如果輸入交流電壓為負(fù)半周，A 點(diǎn)電位為負(fù)， B 點(diǎn)電位為正，二極管V 2、 V 3 導(dǎo)通， V 1、 V 4 截止，則在 A - F- C- B 支中中， C 點(diǎn)電位由于Z2 減少而比平衡時(shí)降低（平衡時(shí)，輸入電壓若為負(fù)半周，即B 點(diǎn)電位為正， A 點(diǎn)電位為負(fù)， C 點(diǎn)相對(duì)于B 點(diǎn)為負(fù)電位， Z2 減少時(shí)， C 點(diǎn)電位更負(fù)）；而在 A - E-

25、D - B 支路中， D點(diǎn)電位由于Z1 的增加而比平衡時(shí)的電位增高，所以仍然是D 點(diǎn)電位高于C 點(diǎn)電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。同樣可以得出結(jié)果：當(dāng)銜鐵下移時(shí)，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負(fù)。移相器4. 如圖所示的差動(dòng)電感式傳感器的橋式測(cè)量電路，L 1、L2 為傳感器的兩差動(dòng)電感線圈的電感，其初始值均為 L0。 R1、 R2 為標(biāo)準(zhǔn)電阻， u 為電源電壓。試寫出輸出電壓u0 與傳感器電感變化量L 間的關(guān)系。解：輸出與輸入的關(guān)系是u02 f (L0 L )2 f ( L0L)R22 u 2 f (L0L)2R12 2 f (L0L) 2若電感增量無窮小，且兩個(gè)電阻均為R，則：u04 f Lu(2 fL 0

26、 )2R2L1R1u0U0VL2R2u題4圖題5圖5. 如圖所示為一差動(dòng)整流電路，試分析電路的工作原理。答：這是簡(jiǎn)單的電壓輸出型，動(dòng)鐵芯移動(dòng)時(shí)引起上下兩個(gè)全波整流電路輸出差動(dòng)電壓，中間可調(diào)整零位，輸出電壓與鐵芯位移成正比。這種電路由二極管的非線性影響以及二極管正向飽和壓降和反向漏電流的不利影響較大。第五章熱電偶傳感器1什么是金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)?試說明熱電偶的測(cè)溫原理。;.答：熱電效應(yīng)就是兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A 和 B 組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。熱電偶測(cè)溫就是利用這種熱電效應(yīng)進(jìn)行的，將熱

27、電偶的熱端插入被測(cè)物，冷端接進(jìn)儀表，就能測(cè)量溫度。2試分析金屬導(dǎo)體產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)的原因。答：當(dāng) A 和 B 兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同(即電子密度不同)，因此，電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。現(xiàn)假設(shè)導(dǎo)體A 的自由電子密度大于導(dǎo)體B 的自由電子密度，則導(dǎo)體 A 擴(kuò)散到導(dǎo)體B 的電子數(shù)要比導(dǎo)體B 擴(kuò)散到導(dǎo)體A 的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A 失去電子帶正電荷，導(dǎo)體 B 得到電子帶負(fù)電荷，于是，在A 、B 兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由A 到 B 的電場(chǎng)。該電場(chǎng)的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙

28、擴(kuò)散作用相等時(shí)，即自導(dǎo)體A 擴(kuò)散到導(dǎo)體B 的自由電子數(shù)與在電場(chǎng)作用下自導(dǎo)體B 到導(dǎo)體A 的自由電子數(shù)相等時(shí)，便處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A 與 B 兩導(dǎo)體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于導(dǎo)體A 或 B，將其兩端分別置于不同的溫度場(chǎng)t 、t0 中 (t> t0)。在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)由熱端指向冷端的靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動(dòng)，最后也達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。3簡(jiǎn)述熱電偶的幾個(gè)

29、重要定律，并分別說明它們的實(shí)用價(jià)值。答：一是勻質(zhì)導(dǎo)體定律：如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)為零。根據(jù)這個(gè)定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。二是中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度測(cè)量。三是標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就已知。只要測(cè)得各

30、種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)可直接計(jì)算出來。四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、 t0 時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t 、 tn 和 t n、 t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。4試述熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)膸追N主要方法和補(bǔ)償原理。答：熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕校阂皇抢涠撕銣胤ā?這種方法將熱電偶的冷端放在恒溫場(chǎng)合，有 0恒溫器和其他恒溫器兩種；二是補(bǔ)償導(dǎo)線法。將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所(如儀表室 )，其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個(gè)接點(diǎn)溫度一

31、致，是不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)輸出的； 三是計(jì)算修正法。 修正公式為： E AB (t, t0 )EAB (t, t 1 )EAB (t 1 ,t 0 ) ；四是電橋補(bǔ)償法。利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端波動(dòng)引起的熱電動(dòng)勢(shì)的變化，工作原理如下圖所示。+2tR1RUeI 23 I 14RRIR5CMR-+圖中， e 為熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)，U 為回路的輸出電壓?；芈分写恿艘粋€(gè)補(bǔ)償電橋。R1R5 及 RCM;.均為橋臂電阻。 RCM 是用漆包銅絲繞制成的，它和熱電偶的冷端感受同一溫度。R1R5 均用錳銅絲繞成，阻值穩(wěn)定。在橋路設(shè)計(jì)時(shí)，使 R1=R 2，并且 R1、 R2 的阻值要比橋路中其他

32、電阻大得多。這樣，即使電橋中其他電阻的阻值發(fā)生變化，左右兩橋臂中的電流卻差不多保持不變，從而認(rèn)為其具有恒流特性。線路設(shè)計(jì)使得 I 1=I 2=I/2=0.5mA ?；芈份敵鲭妷?U 為熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì) e、橋臂電阻 R CM 的壓降 URCM 及另一橋臂電阻 R5 的壓降 U R5 三者的代數(shù)和：UeU RCM - U R5當(dāng)熱電偶的熱端溫度一定，冷端溫度升高時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)將會(huì)減小。與此同時(shí)，銅電阻RCM 的阻值將增大，從而使U RCM 增大，由此達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康?。自?dòng)補(bǔ)償?shù)臈l件應(yīng)為eI1R CMt5用鎳鉻 -鎳硅 (K) 熱電偶測(cè)量溫度，已知冷端溫度為40，用高精度毫伏表測(cè)得這時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為2

33、9.188mV，求被測(cè)點(diǎn)的溫度。解：由鎳鉻 - 鎳硅熱電偶分度表查出E(40， 0)=1.638mV ，根據(jù)式 (5-2-1) 計(jì)算出E(t,0)(29.1881.638)mV30.826mV再通過分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為(30.826- 29.129) 100t 700740.9 33.27529.1296已知鉑銠 10-鉑 (S)熱電偶的冷端溫度 t025，現(xiàn)測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì) E(t ， t0) 11.712mV，求熱端溫度是多少度 ?解：由鉑銠10-鉑熱電偶分度表查出E(25， 0)=0.161mV ，根據(jù)式 (5-2-1) 計(jì)算出E(t,0)(11.7120.161)mV11.873m

34、V再通過分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為t 1200 (11.873- 11.851) 100 1216.8 13.159 11.8517已知鎳鉻 -鎳硅 (K) 熱電偶的熱端溫度t 800，冷端溫度 t0 25，求 E(t ， to)是多少毫伏 ?解：由鎳鉻 - 鎳硅熱電偶分度表可查得E(800 ，0)=33.275mV ， E(25， 0)=1.024 mV ，故可得E(800 ， 5)=33.275-1.024=32.251mV8現(xiàn)用一支鎳鉻 - 康銅 (E) 熱電偶測(cè)溫。其冷端溫度為30，動(dòng)圈顯示儀表 ( 機(jī)械零位在 0 )指示值為 400，則認(rèn)為熱端實(shí)際溫度為 430，對(duì)不對(duì) ?為什么

35、?正確值是多少 ?解：不對(duì)，因?yàn)閮x表的機(jī)械零位在0，正確值為 400。9如圖 5.14 所示之測(cè)溫回路，熱電偶的分度號(hào)為K ，毫伏表的示值應(yīng)為多少度 ?答：毫伏表的示值應(yīng)為 (t 1- t2- 60)。10用鎳鉻 - 鎳硅 (K) 熱電偶測(cè)量某爐溫的測(cè)量系統(tǒng)如圖5.15 所示，已知：冷端溫度固定在0， t030，儀表指示溫度為 210，后來發(fā)現(xiàn)由于工作上的疏忽把補(bǔ)償導(dǎo)線A 和B ，相互接錯(cuò)了，問：爐溫的實(shí)際溫度 t 為多少度 ?解：實(shí)際溫度應(yīng)為 270，因?yàn)榻臃春蟛坏珱]有補(bǔ)償?shù)?，還抵消了30，故應(yīng)該加上 60。;.mVCC60AABA0mVt 0BABBAAB+t 1t 2圖 5.14圖 5.

36、15第六章電壓傳感器1為什么說壓電式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量而不能用于靜態(tài)測(cè)量?答：因?yàn)閴弘娛絺鞲衅魇菍⒈蛔訙y(cè)量轉(zhuǎn)換成壓電晶體的電荷量，可等效成一定的電容，如被測(cè)量為靜態(tài)時(shí)，很難將電荷轉(zhuǎn)換成一定的電壓信號(hào)輸出，故只能用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。2壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是什么?其核心是解決什么問題?答：壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是將壓電晶體產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，其核心是要解決微弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大，得到足夠強(qiáng)的輸出信號(hào)。3一壓電式傳感器的靈敏度K 1 10pCMPa ，連接靈敏度K 2=0.008V pC 的電荷放大器，所用的筆式記錄儀的靈敏度 K 3 =25mm V，當(dāng)壓力變化p=8MPa 時(shí)，記錄筆在記錄紙上的偏移為多少?解：記錄筆在記錄紙上的偏移為S=10×0.008 × 25× 8=16/mm4某加速度計(jì)的校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)， 它能作 50Hz 和 1g 的振動(dòng)，今有壓電式加速度計(jì)出廠時(shí)標(biāo)出靈敏度K 100mVg，由于測(cè)試要求需