傳感器習(xí)題與答案

1、第一章習(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(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)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(cè)量，并輸出與被測(cè)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(dòng)向表現(xiàn)在哪幾個(gè)方面？解：（1）開(kāi)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(huì)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)具有新原理、新效

2、應(yīng)的敏感元件和傳感元件。（2）開(kāi)發(fā)研制新型傳感器及組成新型測(cè)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CCD傳感器、用于管道爬壁機(jī)器人的力敏、視覺(jué)傳感器。 研制仿生傳感器 研制海洋探測(cè)用傳感器 研制成分分析用傳感器 研制微弱信號(hào)檢測(cè)傳感器（3）研究新一代的智能化傳感器及測(cè)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(kāi)發(fā)和集成技術(shù)的不斷發(fā)展，為傳感器集成化開(kāi)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(cè)壓力、溫度和液位的傳感器已逐步走

3、向市場(chǎng)。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(dòng)態(tài)參數(shù)有那些？應(yīng)如何選擇？解：在生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，要對(duì)各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，就要求傳感器能感受被測(cè)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(xiàn)性度、 靈敏度，遲滯和重復(fù)性等。1）傳感器的線(xiàn)性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系的線(xiàn)性程度；2）傳感器的靈敏度S是指?jìng)鞲衅鞯妮敵隽吭隽縴與引起輸出量增量y的輸入量增量x的比值；3）傳感器的遲滯是指?jìng)鞲衅髟谡ㄝ斎肓吭龃螅┓矗ㄝ斎肓繙p?。┬谐唐陂g其輸出-輸入特性曲線(xiàn)不重合的現(xiàn)象；4）傳

4、感器的重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線(xiàn)不一致的程度。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(wú)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(dòng)態(tài)特性是指其輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性：頻率響應(yīng)、時(shí)間常數(shù)、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(dòng)態(tài)特性時(shí)，有時(shí)需要從時(shí)域中對(duì)傳感器的響應(yīng)和過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行分析。這種分析方法是時(shí)域分析法，傳感器對(duì)所加激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)稱(chēng)瞬態(tài)響應(yīng)。常用激勵(lì)信號(hào)有階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)等。2）頻率響應(yīng)特性：傳感器對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，稱(chēng)為頻率響應(yīng)特性。頻率

5、響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性。為了減小動(dòng)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n。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：其靈敏度第二章習(xí)題答案1什么是應(yīng)變效應(yīng)？什么是壓阻效應(yīng)？什么是橫向效應(yīng)？解：應(yīng)變效應(yīng)，是指在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。壓阻效應(yīng)，是指半導(dǎo)體材料在某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。橫向效應(yīng)，是指將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度不變，應(yīng)變狀態(tài)相同，但由于應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較小，因而其靈敏系數(shù)k較電阻絲的靈敏系數(shù)k0小的現(xiàn)象。2、試說(shuō)明金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的相同和

6、不同之處。解：金屬應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線(xiàn)等部分組成。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，其優(yōu)點(diǎn)是散熱條件好，允許通過(guò)的電流較大，便于批量生產(chǎn)，可制成各種所需的形狀；缺點(diǎn)是電阻分散性大。薄膜式應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1m以下的金屬電阻薄膜的敏感柵，最后再加上保護(hù)層。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏度系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣。半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，比金屬絲式應(yīng)變片高5080倍，尺寸小，橫向效應(yīng)小，動(dòng)態(tài)響

7、應(yīng)好。但它有溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線(xiàn)性比較嚴(yán)重等缺點(diǎn)。3、 應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因及減小或補(bǔ)償溫度誤差的方法是什么？解：電阻應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因：當(dāng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度變化時(shí)，由于敏感柵溫度系數(shù)及柵絲與試件膨脹系數(shù)之差異性而給測(cè)量帶來(lái)了附加誤差。電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法：通常有線(xiàn)路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類(lèi)。1）電橋補(bǔ)償是最常用的且效果較好的線(xiàn)路補(bǔ)償法。電橋補(bǔ)償法簡(jiǎn)單易行，而且能在較大的溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償，但上面的四個(gè)條件不一滿(mǎn)足，尤其是兩個(gè)應(yīng)變片很難處于同一溫度場(chǎng)。 2）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片。4、鋼材上粘貼的應(yīng)變片的電阻變化率為0.1%，鋼材的應(yīng)力為10kg/mm2

8、。試求求鋼材的應(yīng)變。鋼材的應(yīng)變?yōu)?00×10-6時(shí)，粘貼的應(yīng)變片的電阻變化率為多少?解：是R/R=2（l/l）。因?yàn)殡娮枳兓适荝/R=0.001，所以l/l（應(yīng)變）=0.0005=因5、如系題圖1-1所示為等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)，為電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏度系數(shù)，未受應(yīng)變時(shí)，當(dāng)試件受力時(shí)，應(yīng)變片承受平均應(yīng)變，求 （1）應(yīng)變片電阻變化量和電阻相對(duì)變化量。（2）將電阻應(yīng)變片置于單臂測(cè)量電橋，電橋電源電壓為直流3，求電橋 輸出電壓是多少。 （a） （b）習(xí)題圖1-1等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)解： （1），解：（2）設(shè)橋臂比，分母中可忽略，并考慮到平衡條件，則上式可寫(xiě)為：6、單臂電橋存在非線(xiàn)性誤差，試說(shuō)明解

9、決方法。解：為了減小和克服非線(xiàn)性誤差，常采用差動(dòng)電橋在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，接入電橋相鄰橋臂，稱(chēng)為半橋差動(dòng)電路，由教材中的式（2-42）可知，Uo與R1/R1呈線(xiàn)性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線(xiàn)性誤差，而且電橋電壓靈敏度KV=E/2，比單臂工作時(shí)提高一倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。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(dòng)形式? 解：差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線(xiàn)性，提高靈敏度外，對(duì)電源電壓、頻率的波動(dòng)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(xiàn)圈磁力之差，所以對(duì)電磁力有一定的補(bǔ)償作用，從而提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。2. 交流電橋的平衡條件是什么？解：由

10、交流電路分析可得 要滿(mǎn)足電橋平衡條件，即，則有：3渦流的形成范圍和滲透深度與哪些因素有關(guān)?被測(cè)體對(duì)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(xiàn)圈外徑的1.82.5倍范圍內(nèi)，且分布不均勻。渦流貫穿深度，定義在渦流密度最大值的處。被測(cè)體的平面不應(yīng)小于傳感器線(xiàn)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(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、 應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)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(cè)量位移外，還能測(cè)量哪些非電量？解：還可

11、以對(duì)厚度、表面溫度、速度、 應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)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，工作初始極板間距離，介質(zhì)為空氣。問(wèn)：（1）如果極板間距離變化量，電容的變化量是多少？（2）如果測(cè)量電路的靈敏度，讀數(shù)儀表的靈敏度（格mV）在時(shí)，讀數(shù)儀表的變化量為多少？解：（1）根據(jù)公式，其中S=（2）根據(jù)公式，可得到=2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(hào)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?chē)鷮?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)

12、變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。因此對(duì)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(lì)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(xiàn)電纜電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(xiàn)電纜、所接測(cè)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(lì)工作時(shí)的串聯(lián)損耗電組，它包含導(dǎo)線(xiàn)、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 （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

13、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)，且隨變化而變化。在這種情況下，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。3簡(jiǎn)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(jiǎn)單(3) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好（4）可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)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(cè)量電路的作用是什么？ 解：電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，這樣微小的電容量還不能直接被目前的顯示儀表顯示，也很難被記錄儀接受，不便于傳輸。這就必須借助于測(cè)量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或

14、者頻率。電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等5下圖為變極距型平板電容傳感器的一種測(cè)量電路，其中CX為傳感器電容，C為固定電容，假設(shè)運(yùn)放增益A=，輸入阻抗Z=；試推導(dǎo)輸出電壓U0與極板間距的關(guān)系，并分析其工作特點(diǎn)。題圖4-1式中負(fù)號(hào)表示輸出電壓的相位與電源電壓反相。上式說(shuō)明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d線(xiàn)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(xiàn)性問(wèn)題。但要求Zi及放大倍數(shù)K足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。第五章習(xí)題答案1簡(jiǎn)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用變形時(shí)，由于

15、內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時(shí)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)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(chēng)為正壓電效應(yīng)。反之，如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨之消失，稱(chēng)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(dòng)態(tài)特性。（3）介電常數(shù)：對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影

16、響著壓電傳感器的頻率下限。（4） 機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(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； 它是衡量壓電材料機(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：將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點(diǎn)：壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度稱(chēng)為居里點(diǎn)。3簡(jiǎn)述電壓放大器和電荷放大器的優(yōu)缺點(diǎn)。解：電壓放大器的應(yīng)用具有一定的應(yīng)用限制，壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)：微型電壓放大電路可以和傳感器做成一體，這樣這一問(wèn)題就可以得到克服，使它具有廣泛的應(yīng)用前景。缺點(diǎn)：電纜長(zhǎng)，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的

17、電壓靈敏度降低。不過(guò)由于固態(tài)電子器件和集成電路的迅速發(fā)展， 電荷放大器的優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓Uo與電纜電容Cc無(wú)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(guò)載放大保護(hù)電路，否則在傳感器過(guò)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的輸出電壓。4能否用壓電傳感器測(cè)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(cè)量誤差較小，它的測(cè)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(lái)測(cè)量靜態(tài)壓力。5題圖5-1所示電荷放大器中Ca=100 PF，Ra=，Rf=

18、 ，Ri= ，CF=10 PF。若考慮引線(xiàn)電容CC 影響，當(dāng)A0=104時(shí)，要求輸出信號(hào)衰減小于1%，求使用90 PF/m的電纜，其最大允許長(zhǎng)度為多少？題圖5-1解：因此若滿(mǎn)足時(shí)，式（6-4）可表示為第六章習(xí)題答案1說(shuō)明霍爾效應(yīng)的原理？解：置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)霍爾效應(yīng)。2某霍爾元件為沿方向通以電流，在垂直面方向加有均勻磁場(chǎng)，傳感器的靈敏度系數(shù)為，試求其輸出霍爾電勢(shì)及載流子濃度。 （） 解：，式中KH=RH/d稱(chēng)為霍爾片的靈敏度所以輸出的霍爾電勢(shì)為，因?yàn)?，式中令RH=-1/（ne），稱(chēng)之為霍

19、爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度,所以濃度= 3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(guò)磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器也稱(chēng)為電動(dòng)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(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)式的，它不需要輔助電源就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，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(cè)非電量如位移、壓力、流量、重量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈自感量L或互感量M的變化，再由測(cè)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(shì)與哪些因素有關(guān)？解：根據(jù)下面這個(gè)公式可以得到

20、，霍爾電勢(shì)還與磁感應(yīng)強(qiáng)度B, KH為霍爾片的靈敏度,霍爾元件的長(zhǎng)度L和寬度b有關(guān)。第七章習(xí)題答案1什么是熱電勢(shì)、接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)？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(mén)，而另一點(diǎn)置于室溫T0中，則在回路中會(huì)產(chǎn)生的電勢(shì)就叫做熱電勢(shì)。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(dòng)勢(shì)叫做接觸電勢(shì)。溫差電勢(shì)（又稱(chēng)湯姆森電勢(shì)）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(shì)。2說(shuō)明熱電偶測(cè)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(lái)達(dá)到測(cè)量的目的。通常將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換為敏感

21、元件的電阻、磁導(dǎo)或電勢(shì)等的變化，通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，就可由電壓電流這些電參數(shù)的變化來(lái)表達(dá)所測(cè)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(duì)熱電偶的回路的總電勢(shì)無(wú)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(duì)時(shí)的熱電勢(shì)，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(shì)可由下式求得3）中間溫度定律：在熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度為T(mén)，T0時(shí)的熱電勢(shì)，等于該熱電偶在接點(diǎn)T、Ta和Ta、T0時(shí)的熱電勢(shì)之和，即3 已知在其特定條件下材料A與鉑配對(duì)的熱電勢(shì)，材料B與鉑配

22、對(duì)的熱電勢(shì)，試求出此條件下材料A與材料B配對(duì)后的熱電勢(shì)。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(mén)，T0時(shí)，用導(dǎo)體A，B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，即：4Pt100和Cu50分別代表什么傳感器？分析熱電阻傳感器測(cè)量電橋之三線(xiàn)、四線(xiàn)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(xiàn)制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x表之間連接導(dǎo)線(xiàn)的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。四線(xiàn)制可以完全消除引線(xiàn)電阻對(duì)測(cè)量的影響，用于高精度溫度檢測(cè)。工業(yè)用鉑電阻測(cè)溫常采用三線(xiàn)制和四線(xiàn)制連接法。5將一只靈敏度為0.08mv/ 的熱電偶與毫伏表相

23、連,已知接線(xiàn)端溫度為50,毫伏表的輸出為60 mv, 求熱電偶熱端的溫度為多少?解：6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(cè)溫的。熱電阻傳感器的測(cè)量精度高；有較大的測(cè)量范圍，它可測(cè)量200500的溫度；易于使用在自動(dòng)測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量中。熱電阻由電阻體、保護(hù)套和接線(xiàn)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)

24、大，靈敏度高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；電阻率高，熱慣性?。坏柚蹬c溫度變化呈非線(xiàn)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)，依其表現(xiàn)形式如何分類(lèi)，并予以解釋。解：光電效應(yīng)首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào),光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類(lèi)：a)在光線(xiàn)作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng);b)受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。2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(jiǎn)述CCD的工作原理。解：CCD的工作原理如下：首

25、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)正電壓時(shí)，在其電極下形成所謂耗盡層，由于電子在那里勢(shì)能較低，形成了電子的勢(shì)阱，成為蓄積電荷的場(chǎng)所。CCD的最基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷腗OS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）配線(xiàn)方式連接。CCD的基本功能是存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換：必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合；控制相鄰MOC電容柵極電壓高低來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺，使信號(hào)電荷由勢(shì)阱淺的地方流向勢(shì)阱深處

26、；在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。4說(shuō)明光纖傳輸?shù)脑?。解：光在空間是直線(xiàn)傳播的。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨光纖能傳送到很遠(yuǎn)的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。當(dāng)光纖的直徑比光的波長(zhǎng)大很多時(shí)，可以用幾何光學(xué)的方法來(lái)說(shuō)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(xiàn)射入一個(gè)端面并與圓柱的軸線(xiàn)成i角時(shí)，根據(jù)斯涅耳（Snell）光的折射定律，在光纖內(nèi)折射成j，然后以k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(xiàn)入射角k應(yīng)大于臨界角c（處于臨界狀態(tài)時(shí)，r=90º），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

27、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）頻率調(diào)制原理4）偏振調(diào)制原理6紅外線(xiàn)的最大特點(diǎn)是什么？什么是紅外傳感器？解：紅外線(xiàn)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(chēng)為紅外探測(cè)器或紅外傳感器。紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)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，它們分別在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(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱(chēng)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

28、-U曲線(xiàn)為直線(xiàn)，說(shuō)明其阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓、電流無(wú)關(guān)。在給定的偏壓情況下，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(méi)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(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱(chēng)為光譜特性，亦稱(chēng)為光譜響應(yīng)。光敏電阻的靈敏度是不同的。從圖中可見(jiàn)硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域，常被用作光度量測(cè)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(cè)器的探頭。（3）光照特性：由于光敏電阻的光照特性呈非線(xiàn)性，因此不宜作為測(cè)量元件，一般在自動(dòng)控制系

29、統(tǒng)中常用作開(kāi)關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。（4）溫度特性：光敏電阻受溫度的影響較大。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(lái)講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)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(xiàn)可以看出，溫度變化對(duì)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大，所以在電子線(xiàn)路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。光電池（1）光譜特性：光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的

30、靈敏度是不同的。光譜響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)是不同的，硅光電池在0.8m附近，硒光電池在0.5m附近?？梢?jiàn)硅光電池可以在很寬的波長(zhǎng)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(dòng)勢(shì)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(xiàn)性關(guān)系，開(kāi)路電壓（負(fù)截電阻RL無(wú)限大時(shí)）與光照度的關(guān)系是非線(xiàn)性的，并且當(dāng)照度在2000 lx時(shí)就趨于飽和了。因此光把電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來(lái)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(kāi)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(cè)量精度

31、或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。開(kāi)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(duì)光電池的工作有很大影響，因此把它作為測(cè)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。第九章習(xí)題答案1 超聲波在介質(zhì)中有哪些傳播特性？解：超聲波在各種介質(zhì)中的波速不同，超聲波會(huì)被傳播介質(zhì)吸收及散射，從而造成波動(dòng)能量的損失。一般稱(chēng)為吸收損失，也稱(chēng)衰減，頻率愈低的超聲波衰減愈小。當(dāng)超聲波經(jīng)過(guò)性質(zhì)不同的介質(zhì)交界面時(shí)，一部分會(huì)反射，其余的會(huì)穿透過(guò)去。這種反射或穿透的強(qiáng)度，由這兩個(gè)交界介質(zhì)的特性阻抗Z 決定。介質(zhì)的特性阻抗差越大，反射率也就越大。超聲波射入交界面除了

32、部分反射外，其余的全部穿透過(guò)去，2 什么是超聲波的干涉現(xiàn)象？解：如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是會(huì)產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。由不同波源發(fā)出的頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位相同或相位差恒定的兩個(gè)波在空間相遇時(shí)，某些點(diǎn)振動(dòng)始終加強(qiáng)，某些點(diǎn)振動(dòng)始終減弱或消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為超聲波的干涉現(xiàn)象。第十章習(xí)題答案1什么是絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度？解：絕對(duì)濕度是指單位空間中所含水蒸汽的絕對(duì)含量或者濃度或者密度，一般用符號(hào)AH表示。相對(duì)濕度是指被測(cè)氣體中蒸汽壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比，一般用符號(hào)RH表示。2 說(shuō)明半導(dǎo)體色敏傳感器的基本原理。解：半導(dǎo)體色敏傳感器是由結(jié)深不同的兩個(gè)PN結(jié)二極管，淺結(jié)的二極管是PN結(jié)

33、組成的；深結(jié)的二極管是PN結(jié)。當(dāng)有入射光照射時(shí)，P、N、P三個(gè)區(qū)域及其間的勢(shì)壘區(qū)中都有光子吸收，但效果不同。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過(guò)很短距離已基本吸收完畢。在此，淺結(jié)的即是光電二極管對(duì)紫外光的靈敏度高，而紅外部分吸收系數(shù)較小，這類(lèi)波長(zhǎng)的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。因此，深結(jié)的那只光電二極管對(duì)紅外光的靈敏度較高。3什么是水分子親和力型濕敏傳感器？解：根據(jù)水分子易于吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部的這種特性（即水分子親和力）所制成的傳感器叫做水分子親和力型濕敏傳感器。第十一章習(xí)題答案1用測(cè)量范圍為-50150KPa的壓力傳感器測(cè)量140KPa壓力時(shí)，傳感器測(cè)得示值為142KPa，求該示值的絕對(duì)誤差、

34、實(shí)際相對(duì)誤差、標(biāo)稱(chēng)相對(duì)誤差和引用誤差。解：絕對(duì)誤差：=142-140=2相對(duì)誤差=標(biāo)稱(chēng)相對(duì)誤差即=引用誤差=2試問(wèn)下列測(cè)量數(shù)據(jù)中，哪些表示不正確：100±0.1，100±1，100±1%，100±0.1%?解：不正確的是100±0.1，100±1%3壓力傳感器測(cè)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)生這種誤差的原因是什么。題表11-1M（g）012345正向測(cè)量值（mv）01.522.533.5反向測(cè)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)確而引起的誤差。對(duì)于系統(tǒng)誤差應(yīng)通過(guò)理

35、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(cè)量系統(tǒng)中含有粗大誤差？解：明顯偏離測(cè)量結(jié)果的誤差稱(chēng)為粗大誤差，又稱(chēng)疏忽誤差。這類(lèi)誤差是由于測(cè)量者疏忽大意或環(huán)境條件的突然變化而引起的。對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(xiàn)中哪一條最符合最小二乘法準(zhǔn)則？（10分）題表11-2測(cè)量次數(shù)I12345壓力xi（MPa）245810電壓yi（V）10.04320.09330.15340.12850.07

36、2（2）y=7.00x+0.09（5）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(xiàn)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(cè)得某檢測(cè)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(xiàn)，求其線(xiàn)性度和靈敏度；題表11-3x0.92.53.34.55.76.7y1.11.62.63.24.05.0解： Y=kx+b 代入數(shù)據(jù)得到：k=0.68, b=0.25所以，y=0.68x+0.257設(shè)5次測(cè)量某物體的長(zhǎng)度，其測(cè)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.

37、73的置信概率下，對(duì)被測(cè)物體的最小估計(jì)區(qū)間。解： 分別為-0.2-0.2 0 0.1 -0.1 0.2第十二章習(xí)題答案1 虛擬儀器的特點(diǎn)是什么？解：具有圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需編寫(xiě)任何文本格式的代碼，是真正的工程師語(yǔ)言。提供豐富的數(shù)據(jù)采集，分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。提供傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)，單步運(yùn)行，同時(shí)提供獨(dú)具特色的執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫(huà)式進(jìn)行，利于設(shè)計(jì)者觀察到程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開(kāi)發(fā)更為便捷。囊括了PCI,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USB等各種儀器通信總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂得總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)者也能驅(qū)動(dòng)不同總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。提供大量與外部代

38、碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)），DDE（共享庫(kù)），Activex等。具有強(qiáng)大的Internet功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程測(cè)控儀器開(kāi)發(fā)。2 LabVIEW可支持那些儀器通信總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)？解：LabVIEW 包括了PCI,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USB等各種儀器通信總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)。3 什么是數(shù)據(jù)采樣原理？解：數(shù)據(jù)采樣原理是根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號(hào)頻率的兩倍。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做奈奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號(hào)中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號(hào)將在直

39、流和恩奎斯特頻率之間畸變。4 模擬輸入信號(hào)源包括哪幾種？它們有什么區(qū)別？解：1) 浮動(dòng)信號(hào)源：浮動(dòng)信號(hào)源不以任何形式與建筑物地相連接，2) 接地信號(hào)源：接地信號(hào)源即電源以某種方式連接到建筑物地，非孤立輸出端的設(shè)備或器件（已連接到電源系統(tǒng)）就可認(rèn)為是接地信號(hào)源。5假設(shè)采樣頻率 fs 是150HZ,，信號(hào)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(xiàn)性誤差，試說(shuō)明解決方法。解：提高橋臂比：提高了橋臂比，非線(xiàn)性誤差可以減小，但從電壓靈敏

40、度考慮，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螂妷篣i。采用差動(dòng)電橋：根據(jù)被測(cè)試件的受力情況，若使一個(gè)應(yīng)變片受拉，另一個(gè)受壓，則應(yīng)變符號(hào)相反；測(cè)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(dòng)電路，則電橋輸出電壓Uo為 （13-15）若R1=R2,R1=R2,R3=R4,則有 （13-16）由此可知，Uo和R1/R1成線(xiàn)性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線(xiàn)性誤差。而起電壓靈敏度為，比使用一只應(yīng)變片提高了一倍，同時(shí)可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。因?yàn)椴捎玫氖墙饘賾?yīng)變片測(cè)量，所以本設(shè)計(jì)采用全橋電路，能夠有比較好的靈敏度并且不存在非線(xiàn)性誤差。2、 根據(jù)應(yīng)變傳感器的原理說(shuō)明本設(shè)計(jì)中應(yīng)變模型

41、的建立過(guò)程。解：1)傳感器模型的建立：電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值將隨著壓力所產(chǎn)生的變化而變化。在外力作用下,應(yīng)變片產(chǎn)生變化,同時(shí)應(yīng)變片電阻也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得阻值變化為R時(shí)，可得到應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，得到應(yīng)力值為 由此便得出了應(yīng)變片電阻變化與重物質(zhì)量的關(guān)系，即 2)橋路部分電路原理：電阻應(yīng)變計(jì)把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成R/R后，應(yīng)變電阻變化一般都很微小，這樣小的電阻變化既難以直接精確測(cè)量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變計(jì)的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。通常采用惠斯登電橋

42、電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。3)放大電路原理：該放大電路具有很強(qiáng)的共模抑制比。它由兩級(jí)放大器組成，第一級(jí)由集成運(yùn)放A1、A2，由于他們采用同一型號(hào)的運(yùn)放，所以可進(jìn)一步降低漂移。電阻R1、R2和R3組成同相輸入式并聯(lián)差分放大器，具有非常高的輸入阻抗。第二級(jí)式由A3和4個(gè)電阻R4、R5、R6和R7組成的反向比例放大器，它將雙端輸入變成單端輸出，并使阻值R1=R3,R4=R5,R6=R7。4）綜合電路設(shè)計(jì)：至此，基于金屬電阻應(yīng)變片的壓力測(cè)量電路設(shè)計(jì)完成，可以參考書(shū)中圖13-5所示。圖中V1、V2、V3、V4指代的是同一電壓V（因考慮電路繪制的方便及電路元件的符號(hào)不能重復(fù)，所以分開(kāi)標(biāo)號(hào)），它用來(lái)模擬物體重量m。

43、由以上分析可知采用全橋電路能夠有比較好的靈敏度，并且不存在非線(xiàn)性誤差，所以由四個(gè)應(yīng)變片兩個(gè)受拉兩個(gè)受壓可組成全橋電路。3、 試分析最終顯示的重量值誤差產(chǎn)生的原因。解：每個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的失誤和疏忽都可能導(dǎo)致電路仿真的失誤，可是一些人為因素方面的失誤在設(shè)計(jì)仿真制作時(shí)都應(yīng)該要盡量避免。但是可能由于現(xiàn)實(shí)器件與理想器件之間有一定的誤差，所以導(dǎo)致實(shí)際的電路分析的結(jié)果與仿真電路的結(jié)果存在一定的誤差。第十四章習(xí)題答案1、 在-2600的范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度的關(guān)系不再服從式（14-1），查閱相關(guān)資料，在Multisim中完成該溫度范圍內(nèi)鉑電阻模型的建立。解：參考本教材的原理圖在Multisim中可以建立鉑電阻模型

44、。2、 試說(shuō)明穩(wěn)壓環(huán)節(jié)中電壓跟隨器的作用。解：穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的輸出端接電壓跟隨器來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。電壓跟隨器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的優(yōu)點(diǎn)。3、 根據(jù)圖14-17的分析結(jié)果，將電阻RW1在89K100 K的范圍內(nèi)再進(jìn)行參數(shù)掃描，確定使輸出電壓近似為0的電阻值。解：將滑動(dòng)變阻器RW1用一個(gè)任意大小的電阻代替，然后對(duì)該電阻進(jìn)行參數(shù)掃描分析，觀察RW1變化時(shí)，輸出電壓在什么時(shí)候接近于零。RW1阻值的掃描范圍為1K到100K，從圖14-17的分析結(jié)果可知，RW1取大約90K左右時(shí)，輸出端電壓才接近于零，所以應(yīng)取100K的滑動(dòng)變阻器來(lái)進(jìn)行調(diào)零。最后調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RW1使其兩端阻值約為93.1 K圖1

45、 RW1大小的確定4、 分析最終測(cè)量誤差的產(chǎn)生有哪些原因。解：1）鉑電阻在實(shí)際使用時(shí)都會(huì)有電流流過(guò)，電流流過(guò)會(huì)使電阻發(fā)熱，使電阻阻值增大，這可能會(huì)引起的一定得誤差。2）傳感器本身性能不十分優(yōu)良，測(cè)量方法不十分完善，外界干擾的影響等，都會(huì)造成被測(cè)參數(shù)的測(cè)量值與真實(shí)值不一致，3）在進(jìn)行測(cè)量時(shí)環(huán)境的溫度，濕度，電源電壓的穩(wěn)定性都會(huì)影響測(cè)量電路存在一定得誤差。第十五章習(xí)題答案1、 熱電偶補(bǔ)償電橋中，若沒(méi)有所提到的三極管，請(qǐng)用其它元件代替，并調(diào)整電橋電路，使補(bǔ)償后的輸出誤差最小。解：三極管可選用9013，由于Multisim器件庫(kù)中沒(méi)有，選用三極管2N2222代替。電橋中R3的值應(yīng)和R4的值相等，調(diào)節(jié)滑

46、動(dòng)變阻器使上面的左右兩橋臂的總電阻值也相等，才能使電橋平衡。調(diào)整電橋上下兩臂的電阻的比值，可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，即補(bǔ)償電壓的大小，合理選擇這個(gè)比值，可使補(bǔ)償電路的電壓正好等于熱電偶自由端溫度上升而降低的電壓值，從而起到電壓補(bǔ)償?shù)淖饔?。而且還應(yīng)注意電橋調(diào)零時(shí)，應(yīng)使三極管2N2222的參數(shù)測(cè)量溫度為0攝氏度，即此時(shí)自由端溫度為0攝氏度，不用進(jìn)行溫度補(bǔ)償。2、 試在MATLAB中用最小二乘法對(duì)表15-1的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬和，以得到熱電偶的近似模型。解：在MATLAB 中輸入如下指令即可得到熱電偶的近似模型，>> clear all>>x=0,10,20,30,40,50,60,70

47、,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200,210,220,230,240,250,260,270,280,290,300,310,320,330,340,350,360,370,380,390,400,410,420,430,440,450,460,470,480,490,500,510,520,530,540,550,560,570,580,590,600,610,620,630,640,650,660,670,680,690;>>y=0,0.397,0.798,1.203,1.611,2.022,2.436,2.850

48、,3.266,3.681,4.095,4.508,4.919,5.327,5.733,6.137,6.539,6.939,7.338,7.737,8.137,8.537,8.938,9.341,9.745,10.151,10.560,10.969,11.381,11.793,12.207,12.623,13.039,13.456,13.874,14.292,14.712,15.132,15.552,15.974,16.395,16.818,17.241,17.664,18.088,18.513,18.938,19.363,19.788,20.214,20.640,21.066,21.493,2

49、1.919,22.346,22.772,23.198,23.624,24.050,24.476,24.902,25.327,25.751,26.176,26.599,27.022,27.445,27.876,28.288,28.709;>> ceof=polyfit(x,y,1);>> a1=ceof(1);a2=ceof(2);>> ybest=a1*x+a2;sum_eqert=sum(y-ybest).2);>> axis(0,700,-1,30);>> plot(x,y,x,ybest);title('二次回歸'

50、;);grid;回車(chē)即可得到利用數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的圖形，具體圖形如下。3、 本設(shè)計(jì)中LabVIEW虛擬儀器是如何對(duì)Multisim輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換的？解：把Multisim安裝目錄下Sampling>>LabVIEW Instruments>>Templates>>Input文件夾拷貝到另外一個(gè)地方。在LabVIEW 中打開(kāi)步驟中所拷貝的StarterInputInstrument .lvproj工程。打開(kāi)Starter Input Instrument.vit的框圖面板，完成接口框圖的設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)處理部分，選擇CASE結(jié)構(gòu)下拉菜單中的Update

51、DATA選項(xiàng)進(jìn)行修改。按框圖中的說(shuō)明，在結(jié)構(gòu)框中右鍵選擇Select a VI，把在LabVIEW完成的子VI添加在Update DATA框中即可。此時(shí)只能添加功能，不可修改框圖面板的原狀，如圖15-18所示。由于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換在子VI的設(shè)計(jì)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，所以子VI的輸入直接與Multisim的輸出數(shù)據(jù)相連即可。為子VI的輸出創(chuàng)建指示器，并設(shè)置室溫T0為25。 注意虛擬儀器信息的設(shè)置也可在Instrument Template下proj3.vit的程序框圖里設(shè)計(jì)，打開(kāi)Multisim Instr Info子程序設(shè)置各項(xiàng)，在儀器ID中和顯示名稱(chēng)中填入唯一的標(biāo)識(shí)，同時(shí)把輸入端口數(shù)設(shè)為1，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)電壓

52、輸入；把輸出端口設(shè)為0，此模塊不需要向Multisim輸出。修改后選另存為后把它重命名為proj3_multisimInformation.vi。保存后查看工程文件StarterInputInstrument.lvproj下的SubVIs，它下面的子程序已被修改。打開(kāi)Build Specifications，右鍵點(diǎn)擊Source Distribution，選擇屬性設(shè)置，在保存目錄和支持目錄中，都將編譯完成后要生成的庫(kù)文件重命名。同時(shí)在原文件設(shè)置中選擇總是包括所有包含的條目，屬性設(shè)置完成并保存后，再在Source Distribution上點(diǎn)擊右鍵，在彈出的菜單中選擇Build即可。第十六章習(xí)題

53、答案1、霍爾傳感器的原理是什么？解：一塊半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向垂直于薄片)中，當(dāng)有電流I流過(guò)時(shí)，電子受到洛侖茲力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積累。而前端面缺少電子，因此后端面帶負(fù)電，前端面帶正電，在前后端面形成電場(chǎng)，該電場(chǎng)產(chǎn)生的力阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)當(dāng)兩力相平衡時(shí)，電子積累也平衡，這時(shí)在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，相應(yīng)的電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)UH。2、硬件電路與數(shù)據(jù)采集卡連接時(shí)，選擇非參考單端方式連接的原因是什么？解：NRSE模式是NI 6013/6014器件支持的唯一的一種信號(hào)單端連接方式。對(duì)于浮動(dòng)信號(hào)源和接地信號(hào)源，AISENSE的連接方式不同。 對(duì)于

54、浮動(dòng)信號(hào)源，AISENSE 直接連接到AIGND，并且NI 6013/6014 為外部信號(hào)提供參考接地點(diǎn)。對(duì)于接地信號(hào)源，AISENSE被連接到外部信號(hào)參考接地點(diǎn)，用于預(yù)防電流回流和測(cè)量誤差。第十七章習(xí)題答案1、本設(shè)計(jì)中的光電傳感器仿真電路中，哪部分電路完成了電壓到頻率的轉(zhuǎn)換？解：在這里P的輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為1:1，所以通過(guò)P模塊電壓大小的變化轉(zhuǎn)化成了頻率的變化，輸出的壓控方波幅值為±2V，頻率根據(jù)控制電壓的變化而變化，具體由以下電路構(gòu)成2、簡(jiǎn)述本設(shè)計(jì)中三種測(cè)量頻率方法的基本思想。解：功率譜法測(cè)量頻率：取波形Y軸的值，求出波形Y軸的平均值，并與Y軸值相減，利用功率譜分析模塊進(jìn)

55、行功率譜分析，根據(jù)功率譜的最大值求出頻率，設(shè)置波形顯示。把從Multisim里取出的信號(hào)通過(guò)For Loop ，利用For Loop對(duì)數(shù)組的自動(dòng)索引功能，對(duì)于輸入波形，每次循環(huán)自動(dòng)讀出一個(gè)數(shù)組波形。接著再取出這個(gè)波形的Y值。利用求平均值模塊，對(duì)Y求平均值。緊接著求取Y 與Y的平均值的差，之所以要求取Y 與Y的平均值的差是為了防止如果波形的平均值不為零，則有可能在0(HZ)處出現(xiàn)功率最大的可能性，這就給功率法測(cè)量頻率帶來(lái)了很大誤差的可能。而這一個(gè)步驟相當(dāng)于把波形平移使其關(guān)于X軸對(duì)稱(chēng)，所以能避免這一可能性誤差的出現(xiàn)。利用Build Waveform 這一節(jié)點(diǎn)對(duì)原來(lái)的波形進(jìn)行整形。這樣到了這一步就實(shí)

56、現(xiàn)了對(duì)原波形的按比縮放及平移，使其關(guān)于X軸對(duì)稱(chēng)。把整形后的波形通過(guò)Get Waveform Component 取出波形的Y值及采樣間隔時(shí)間。通過(guò)功率譜的分析模塊和Build Waveform節(jié)點(diǎn)可以求得功率譜波形。定周法測(cè)量頻率：定周法是因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)思想是在低頻時(shí)固定測(cè)量周期，測(cè)量固定周期內(nèi)的時(shí)間。它與功率譜法相比，在低頻時(shí)測(cè)量快且準(zhǔn)確度高。頻率的測(cè)量部分、波形的顯示設(shè)計(jì)部分。因?yàn)椴ㄐ蔚娘@示設(shè)計(jì)跟功率譜法測(cè)頻率的設(shè)計(jì)方法是雷同的，所以這里就不再重復(fù)介紹。關(guān)于頻率測(cè)量部分，最核心的部分是利用了While循環(huán)的移位寄存器，當(dāng)循環(huán)條件滿(mǎn)足時(shí)，每次的輸入與敏感值比較后的結(jié)果都會(huì)送入移位寄存器中,移位寄存器保存了當(dāng)前的比較結(jié)果及上一次的比較結(jié)果。如果這兩個(gè)結(jié)果不同時(shí)表明有一次跳變，這時(shí)Case Structure執(zhí)行True選項(xiàng)中的內(nèi)容，即存儲(chǔ)跳變時(shí)的時(shí)間；如果這兩個(gè)結(jié)果相同時(shí)表明沒(méi)有跳變，這時(shí)Case Structu