中南大学大学传感与检测复习题含答案 - 图文

Ch1.

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。

2.试述测量和检测的含义与两者之间的关系。

答： 测量是指按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述。测量是对非量化实物的量化过程。

检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。 检测包括了检查和测量，测量是实现检测的一种不可缺少的方法

3.什么是传感器？其基本作用是什么？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？

答：传感器是一个完整的测量装置（或系统），能把被测非电量转换为与之有确定对应关系的有用电量输出，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。

按照国际定义“能感受（或影响）规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用输出信号的转换原件以及相应的电子线路所组成。”

4.一个可供实用的传感器由哪几部分组成？画出组成框图，试述各部分的作用及相互关 系。画出自控系统原理框图并指明传感器在系统中的位置与作用。

答：传感器一般由敏感元件 ，变换元件和转换电路等其它辅助元件组成

敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件

变换元件：又称传感元件，是传感器的重要组成元件。它可以直接感受被测量且输出与被测量成确定关系的电量

信号与转换电路：能把传感元件输出电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。

5. 列举你所学过的不同工作原理传感器哪些可用于非接触式测量，哪些用于接触式测量，测量何种物理量？（各列举 3 种）

答：非接触式：超声波、微波传感器、红外传感器

接触式： 电阻式传感器、压电式传感器、电容式传感器

6. 简述传感器和检测技术的主要发展趋势。

答：①传感器发展：测量仪器向高精度和多功能发展、参数测量与数据处理向自动化方向发展、传感器向智能化、集成化、微型化、量子化、网络化的方向发展、开展极端测量 ②检测技术发展：检测方法的推进、检测仪器与计算机技术的集成

7. 简述绝对测量与相对测量、开环测量与闭环测量的相对优缺点。 答：绝对测量——从读数装置上得到要测之量的整个数值。 相对测量——对于标准量的偏差。

绝对测量，一般使用通用量具，适合单件、小批量加工、测量；通用性好；可以直接读数。对于大批量生产的测量，操作不便。

相对测量，一般使用专用量具，适合大批量生产、测量。测量操作简单、准确。但是，需经常校对量具。

开环测量相对来说结构简单，比较经济。但是无法消除干扰所带来的误差。闭环测量优点在于如果被控质量偏移规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。缺点是增加了电路的复杂性，有时会因为增益选择不当反而影响系统的不稳定

8. 例举出两个你在日常生活中用到或看到的传感器，并说明其作用。如果没有传感器， 将会出现哪种状况？

无

9. 空调和电冰箱中至少都采用了两种以上的传感器，指出具体传感器的名称？说明它们各起到什么作用？

答：红外传感器，接收遥控器的信号以做出相应的响应。

热电式温度传感器，空调中测量出风的温度，以便做出实时的控制；测量冰箱中的温度，根据温度来控制冰箱的启动。

Ch3.

1.理想传感器有何特点？传感器的静态特性是什么？一般由哪些性能指标描述？哪些是确定工作能力的指标？ 答：理想传感器的特点：

1）传感器只敏感特定输入量，输出只对应特定输入；

2）传感器的输出量与输入量呈惟一、稳定的对应关系，最好为线性关系； 3）传感器的输出量可实时反映输入量的变化。

传感器的静态特性：指系统在被测量处于稳定状态时的输入输出关系。

主要由下列几种性能指标描述：线性度、灵敏度、重复性、迟滞误差、精确度、分辨力、漂移、量程、静态误差等。

量程（测量范围）、灵敏度、分辨力是衡量传感器与检测系统基本功能特性的指标，决定传感器或系统的工作能力。

2. 在静态测量中，根据测量系统输入量与对应输出值所绘制的定度曲线可以确定哪些静态特性? 答：三种特性：线性度、灵敏度、重复性

3.传感器的线性度的含义是什么？如何确定？确定工作直线常见哪些方法？为什么不能笼统的说传感器的线性度是多少？例举拟合传感器工作直线的 3 种方法及其特点。

答：传感器的线性度就是其输出量和输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称为非线性误差。

?max可用公式E???100%确定。

YFS式中：?max—输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差。 YFS—输出满量程值。

确定工作直线常用的方法有理论直线法、最佳直线法、端点连线法、割线法和切线法、最小二乘法和计算程序法等。

传感器的非线性误差是以一条理想直线作基准，即使是同一传感器基准不同时得出的线性度也不同，所以不能笼统地说传感器的线性度是多少,当提出线性度的非线性误差时，必须说明所依据的基准直线。

（a）端点连线法，特点：简单、方便，偏差大，与测量值有关

（b）最佳直线法，特点：精度最高，计算法（迭代、逐次逼近）简单实用，作图法（端点连线平移）

（c）最小二乘法，特点：精度高

4. 描述传感器动态特性的主要技术指标有哪些？它们意义是什么？

?答：1）传感器动态特性主要有：时间常数τ；固有频率n；阻尼系数?。

??2）含义：τ越小系统需要达到稳定的时间越少；固有频率n越高响应曲线上升越快；当n为常数时响应特性取决于阻尼比?，阻尼系数?越大，过冲现象减弱，??1时无过冲，不存在振荡，阻尼

比直接影响过冲量和振荡次数。

5.用某一阶装置测量频率为 100Hz 的正弦信号，要求幅值误差限制在 5%以内，其时间 常数应取多少？如果用具有该时间常数的同一装置测量频率为 50Hz 的正弦信号，试问 此时的幅值误差和相角差分别为多少？

答：（1）根据一阶系统的幅频特性可知：

|A(?)?1|?|即1-1?1|?5%

(1?(??)^2)1?5%

(1?(??)^2)将??2?f?200? rad/s代入，得??5.23?10^ （-4）（2）用该装置测量频率为50HZ的正弦信号时：

|A(?)?1|?|1?1|?0.013

(1?(??)^2)故幅值差为1.3%

??arctan(??)??9.3? 相角差?（?）

6. 对于二阶装置，为何要取阻尼比ζ=0.6~0.7?

答：阻尼比较小时，A(?)随?出现较大波动，阻尼比较大时，A(?)衰减，0.6-0.7时，A(?)平坦段最宽，?（?）接近斜直线

7.设一力传感器为二阶系统。已知其固有频率为 800Hz，阻尼比为ζ=0.4，当测频率为400Hz 变化的力参量时，其振幅比 A(ω)和相位差φ(ω)各为多少?若使该装置的阻尼比ζ=0.7，则 A(ω)和φ(ω)又为多少? 答：二阶系统的幅频响应和相频响应分别为

将ωn=2??800rad/s，ω=2??400rad/s，ζ=0.4代入式中得

所以振幅比A(ω)=1.18和相位差φ(ω)=-28? 将ζ=0.7代入上式得 A(ω)=0.97 φ(ω)=-43?

8. 已知某二阶传感器系统的固有频率为 20kHz，阻尼比为 0.1，若要求传感器的输出幅值误差不大于 3%，试确定该传感器的工作频率范围。 答：

2?n1G?j???2? 22s?j?s?2??ns??n????1????2j??n??n?11|G(j?)|?????22?2[1?()2]2?[2?]2[1?()]?[2?0.1?]?n?n1000010000

1??22?2[1?()]?[2?0.1?]1000010000)2??′令|G(jw)|?1.03，( 则

100002?′?1.96?′?0.0574?0 解得?1′?1.93，?2′?0.03 代入上式，得

?1?1389Hz，?2?173Hz 令|G(jw)|?0.97，则

2?1.99（舍负）?′?1.96?′?0.0628?0 解得?3′ 代入上式，得

??3?1411Hz

由图2-18二阶传感器系统的幅频特性曲线知，该传感器的工作频率范围为：

1389Hz＜?＜1411Hz 或 ?＜173Hz

9. 设有两只力传感器均可作为二阶系统处理，固有频率分别为 800Hz 和 2.2kHz，阻尼比均为 0.4，欲测量频率为 400Hz 正弦变化的外力，应选用哪一只？并计算所产生的振幅相对误差和相位误差

解：ξ=0.4＜1，由二阶传感器的频率特性，固有频率比被测信号频率越大越好，故应选固有频率为2.2kHz的那只。

2?n1G?j???2? 22s?j?s?2??ns??n????1????2j??n??n?11|G(jw)|???0.940

??400224002[1?()2]2?[2?]2[1?()]?[2?0.4?]?n?n22002200相对误差为（1-0.940）×100%=6.0%

?400)2?0.4??n2200??833' ???tg?1??tg?1?40021?()21?()?22002?(故相位滞后8°33′。

10.什么叫传感器的标定和校准？标定的目的是什么？传感器（或测试仪表）在第一次使用前和长时间使用后需要进行标定工作，说明标定的意义？简述传感器进行静态标定的方法与过程。

答：传感器标定：是在明确传感器的输入--输出变换关系的前提下，利用某种标准量或标准器具对传感器的量值进行标度。

传感器的校准：是将传感器在使用中或存储后进行的性能复测。

标定的目的:确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。 标定的意义：

1、是设计、制造和使用传感器的一个重要环节。任何传感器在制造、装配完毕后都须对设计指标进行标定试验，以保证量值的准确传递。

2.对新研制的传感器，须进行标定试验，才能用标定数据进行量值传递，而标定数据又可作为改变传感器的设计的重要依据。

静态标定的方法：标定传感器的静态特性，首先是创造一个静态标准条件，其次是选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定等级的标定用的仪器设备，然后才能对传感器进行静态特性标定。

静态标定的过程：(a) 将传感器全量程 (测量范围) 分成若干等间距点；(b) 根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录各输入值相对应的输出值；(c) 将输入值由大到小逐步减少，同时记录与各输入值相对应的输出值；(d) 按 (b)，(c) 所述过程，对传感器进行正、反行程往复多次测试，将得到的输出—输入测试数据用表格列出或画成曲线；(e) 对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。

11. 简述在什么频域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下 一般要研究传

3.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的?采取什么措施可改善其非线性特征?

4. 为了提高变极距型电容传感器的灵敏度，经常在两极板间加一层云母或塑料膜。试说 明这种方法的作用，推导这种双层介质差动式变极距型电容传感器的电容与动极板位移的关系式。

5. 分布和寄生电容的存在对电容传感器有哪些影响？为何其影响大？一般采取哪些措 施可以减小其影响。

答： 改变传感器总的电容量，甚至有时远大于应该传递的信号引起的电容的变化；

使传感器电容变的不稳定，易随外界因素的变化而变化。 可以采取静电屏蔽措施和电缆驱动技术。 6. 为什么高频工作时的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变化？

答：等效电感接在传感器输出端相当于串联谐振电路，当工作频率等于谐振频率时，串联 谐振阻抗最小，电流最大，谐振对传感器的输出起破坏作用，使电路不能正常工作。 7.差动式变极距电容传感器的初始容量 C1 = C2 = 80 pF ，初始极距 δ0 = 4mm ，当动极板 相对于定极板位移了 Δδ = 0.75mm 时，试计算其非线性误差。若改为单极平板电容，初 始值不变，其非线性误差有多大？ 答：

8. 电容式传感器有哪几类测量电路？各有什么特点？差动脉冲宽度调制电路用于电容 传感器测量电路具有什么特点？

答： ①变极距（间隙）型

②变面积型（S）型； ③变介电常数型

特点：①电容的变化量与极距的变化量呈近似线性关系，所以变极距型传感器设计成极距在极小范围内变化。

②变面积型电容传感器的输出与输入呈线性关系，但灵敏度比变极矩型低，适用于测量较大的线、角位移。变面积型电容

器常用差动形式，使传感器的输出和灵敏度均可提高一倍。

③该类型大多用来测电介质的厚度、液位及利用极间介质的介电常数随温度、湿度改变测介质材料的温度、湿度等。

差动脉冲宽度调制电路用于电容传感器测量电路特点：①采用直流电源，其电压稳定度高

②不存在对稳频度的要求

③对变间隙、变面积型的电容传感器都能线性输出 ④不需相敏检波与解调 ⑤对元件无线性要求

⑥对输出矩形波纯度要求不高。

9.设计一个适用于非金属材料软板生产传送过程中（可能存在抖动）进行厚度控制的非 得接触式厚度测量系统方案。 答：不会。

Ch6

1． 电感式传感器分为哪几类？各有何特点？

答：自感式传感器、互感型传感器、电涡流式传感器 自感式传感器： 优点：

①结构简单、可靠，测量力小

衔铁为(0.5~200)×10-5N时，磁吸力为(1~10)×10-5N。 ②分辨力、灵敏度高

线位移：0.1?m或更小；角位移：0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 ③重复性、线性度好

在几十?m到数百mm位移范围内输出线性度较好，较稳定。 不足：存在交流零位信号，不宜用于高频动态测量。

互感型传感器：将被测量的变化转换为互感系数来实现传感。其实质上是一个输出电压可变的变压器，常采用差动形式而称为差动变压器。有气隙型和螺管型，目前多采用螺管型差动变压器式。测量精度高；灵敏度高；结构简单；性能可靠。

电涡流式传感器：①结构简单；②灵敏度高；③频响范围宽；④不受油污等介质的影响；⑤能进行非接触测量。

2． 概述变间隙式差动变压器的结构、工作原理和输出特性，试比较单线圈和差动螺线管式

电传感器的基本特性，说明他们的性能特点？

答：基本元件与构成: 由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等构成。初级线圈作为差动变压器的激励，相当于变压器原边，次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。与变压器的不同处：(a)磁路, (b)副边连接

输出特性：

单线圈式和差动螺线管式比较：在螺管线圈中插入一个活动衔铁，衔铁在线圈中运动时， 磁阻发生变化，使线圈自感变化。其特点是磁阻高、灵敏度低，在实用中该类传感器常用差动结构。将铁芯置于两线圈中间，当铁芯移动时，两线圈的电感产生相反方向的增减，利用电桥将两个电感接入电桥的相邻桥臂，可获得比单个工作方式高的灵敏度和大的线性工作范围。

3． 影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？

答：a)激励电压幅值与频率的影响：激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。

b)温度变化的影响：环境温度变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可减少温度影响。

c)零点残余电压：当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际使用桥式电路时，在零点仍有微小电压(从零点几到数十mV)存在，称之为零点残余电压(零残)。

4． 例举一种可提高电感式传感器线性度的常用方法，说明有效性。

答：电感传感器采用差动形式，转换电路采用相敏检波电路可有效改善线性度。

5． 说明产生零位残余电压原因及减小其有效措施。 答：零点残余电压产生原因：

①基波分量 差动变压器两次级绕组不完全一致，因此其等效电路参数(M、L及损耗电阻R)不相同，使两次级绕组的感应电势不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。(主因：次级线圈的电气和结构、材料参数不一致所致)

②高次谐波 主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致而产生非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这也导致零点残余电压中有高次谐波成分。 措施：：①串联电阻；②并联电阻、电容，消除基波分量的相位差异，减小谐波分量；③加反馈支路，初、次级间加入反馈，减小谐波分量；④相敏检波电路对零点残余误差有很好

的抑制作用。

6． 差动变压器式传感器测量电路几种类型？变压器式电桥和带相敏整流的交流电桥在电

感式传感器测量电路中各可发挥什么作用？哪种能获得较理想的输出？为什么这种电路可减小零点残余电压？

答：差动整流电路；相敏检波电路。

7． 什么叫电涡流效应？说明电涡流式传感器的构成有何特点。灵敏度受什么影响？优点是

什么？ 答：块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。涡流大小与导体电阻率?、磁导率?以及产生交变磁场的线圈与被测体的间距x和线圈激励电流的频率f有关。使其中某一参数为被测量或随被测量变化，固定其他参数，则构成某参量的传感器。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器。

被测体对灵敏度的影响：影响因素1—材料性质：被测导体的电导率越高，灵敏度越高；磁性体的灵敏度比非磁性体低；镀层有影响。影响灵敏度的因素2—被测体大小、形状、厚度：对被测体的大小要求:被测体产生涡流环的直径应大于线圈直径的1.8倍.；被测体形状：被测体为圆柱体时，要求其直径为线圈直径的3.5倍以上；被测体厚度：一般厚度>0.2mm(视激励频率而定)，铜、铝等可减至70?m。

特点：①结构简单；②灵敏度高；③频响范围宽；④不受油污等介质的影响；⑤能进行非接触测量。

8.反射式和透射式涡流传感器有何异同？

答：相同点：都包含有产生交变磁场的传感器线圈（激励线圈）和置于该线圈附近的金属导体，金属导体内，都产生环状涡流。

不同点：反射式涡流传感器只有产生一个交变磁场的传感器线圈，而透射式涡流传感器有两个线圈：发射线圈（激励线圈）L1、接收线圈L2，分别位于被测金属板的两对侧。

9.电涡流式传感器可检测哪些物理量？能否测量非金属物体，为什么？当采用涡流传感 器测金属板厚度时，需不需要恒温？为什么？

答： 适用于测位移，振动，厚度，转速，温度，硬度等参数以及无损探伤等。不可以测量非金属物体，因为它是利用块状导体置于交变磁场或者在磁场中运动产生感应电流，非金属

物体不能产生感应电流。需要恒温，因为不同温度金属板电阻不同。

10. 相对其它位移传感器，涡流式位移传感器的主要优点是什么?涡流传感器能否测量 大位移? 为什么?

答：非接触式，测量精确，精度高，体积小，安装方便。不可以，只有当测量范围较小时，才能保证一定的线性度。

11.试用双螺管线圈差动型电感传感器做成一个测力传感器。(1)用简图说明该传感器的结构，并简要说明其作用原理；(2)用图说明两个线圈在电桥电路中的接法。

答： （1）传感器的结构如图a所示，它由传力块，弹性圆桶，双螺管线圈，衔铁，传感器座等几部分组成。原理：被测力F通过传力块作用在弹性圆桶上，弹性圆桶的变形带动衔铁移动，使双螺管线圈的电感量发生变化从而实现力的测量

12. 试用电涡流式传感器设计一个在线计数装置，被测物体为钢球。请画出检测原理框 图和电路原理框图。

13. 试用电感传感器设计一检测气压的装置。

1，线圈 2 铁芯 3 衔铁 4气囊

14. 在生产过程中测量金属板的厚度和非金属板材的镀层厚度常用涡流传感器。为了在生产线上测量金属板厚度，请设计一个不受传送金属板过程中的颤动影响的厚度测量方案，简叙其工作原理与能够克服颤动影响的原因。

不会。。。

Ch7

(1)、什么是压电效应？什么是正压电效应和逆压电效应？各有何特点？

(1)正压电效应

某些电介质，当沿一定方向施加的力作用使其产生变形时，其内部产生极化现象，同时在两个相对的表面上产生极性相反的电荷当外力拆除后，又可重新恢复到不带电状态的现象。并且作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 (2) 逆压电效应（电致伸缩效应）

当在电介质的极化方向施加电场时，这些电介质就在相应方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。

(2)、 石英晶体和压电陶瓷的压电效应有何不同之处？比较几种常用压电材料的优缺点，说 出各自适用于什么场合？

压电陶瓷的纵向压电常数要比石英晶体大得多。石英晶体适用于传感器不用维修的场合，介电和压电常数的温度稳定性好，但灵敏度低；压电陶瓷灵敏度高，稳定性差，适用于环境稳定，便于校准修正的场合。

(3)、用压电式传感器能测量静态和变化缓慢的信号吗？为什么？

答：当压电元件内部的信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，其受力产生的电压或电荷才可长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对静态标定和低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，压电元件内部存在泄漏，外接负载不可能无穷大，只有外力以较高频率不断作用，信号电荷才能补充。故压电元件不能用于静态测量。 (4)、压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试述在不同接法下输出电压、 电荷、电容的关系，压电元件的串联与并联分别适用于何种应用场合？

答：两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上。这种接法称为并联。其输出电容C并为单片电容C的两倍，但输出电压U并等于单片电压U，极板上电荷量q并为单片电荷量q的两倍，即： q并?2qU并?UC并?2C

正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。由图可知，输出的总电荷q串等于单电荷q，而输出电压U串为单片电压U的两倍，总电容C串为单片电容C的一半，即：

串串串

串、并联接法的特点

? 并联法：输出电荷大，时间常数大，宜用于测缓变信号，适 用于以电荷作为输出量的场合。

? 串联法：输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出 的较快变信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。

(5)、压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题?比较电荷放大器和电 压放大器的性能特点和各自的适用场合。 答：压电式传感器的产生的电量非常小，内阻很高。测量电路的作用是进行阻抗变换和放大，即要求测量电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低，通常用高输入阻抗运放。 电压放大器将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大，线路简单，线性度和稳定性好,但其所接配的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的的更换得引起重新标定的麻烦。

电荷放大器是一种具有深度电容负反馈的高增益运算放大器，其虽然允许使用很长的电缆，并且电容Ce变化不影响灵敏度，但它比电压放大器价格高，电路较复杂，调整也比较困难。

q?qU?2UCC?2(6)、 己知电压前置放大器输入电阻及总电容分别为 Ri = 1M Ω，Ci = 100 pF ，求与压电加速度计相配，测1Hz 振动时幅值误差是多少？

Ch8

1、超声波在通过两种介质界面时，将会发生什么现象？ 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在异质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。

2.影响超声波的传播速度的有哪些因素？

与传播介质，以及媒介的密度、弹性模量，液体的黏度、密度等有关。 3.简述超声波测厚度、液位、流速的原理。

超声波测厚度由信号发射源和探测器两部分组成，测量时通过厚度的变化来改变探测器接收信号的强弱或快慢，最后转换成与输出信号呈线性关系的厚度绝对量值。超声波测液位是利用其在两种介质的分界面上的反射特性，从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，进而求出液位。超声波测流速利用超声波在顺流和逆流中的传播速度进行测量。测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据此，精确测定流速。

4.压电式超声波探头有哪几种结构? 超声换能器中的阻尼块起什么作用？ 有纵波探头和横波探头两种结构。阻尼块作用是吸收压电振子背向辐射声能，降低晶片的品质因数。

5. 超声波传感器的发射与接收分别利用什么效应，检测原理是什么？ 发射利用逆压电效应，接收利用正压电效应。检测原理主要是通过测量某些媒质的声学特性来检测各种非声量。

6. 超声传感器进行物位检测有哪几种方式？举例说明其应用情况。 一是单换能器方式，发射和接收超声波均使用一个换能器。二是双换能器方式，发射和接收各由一个换能器来完成。超声波传感器可用来测量液体的高度，物体的厚度以及金属损伤等等。

7. 现在越来越多的家庭拥有了自己的小汽车，车上配置的倒车防撞雷达多数是基于超声 检测原理制成的，请思考一下其是如何实现这一功能的？(画出检测示意图、说明检测 原理)

答：倒车雷达用于测距上，在某一时刻发出超声波信号，在遇到被测物体后的射回信号波，被倒车雷达接收到，得用在超声波信号从发射到接收回波信号这一个时间而计算出在介质中的传播速度，这就可以计算出探头与被探测到的物体的距离。其检测原理是压电式超声波发生器，它有两个电晶片和一个共振板，当两极外加脉冲信号，它的频率等于压电晶片的固有震荡频率时，压力晶片将会发生共振，并带动共振板振动，将机械的能转为电信号，这也就成了超声波探头的工作原理。

8. 有一些避免闲人靠近的重要场所，如高压危险场所，需要安装必要的提醒装置，当闲 人靠近时应该自动发出告警信号，试设计这一装置。 答：

工作原理：热电偶效应——当两种不同材料的导体A和B组成闭合回路，且两个导体的连结点的温度不同时，回路中将产生电动势，这种现象称为热电效应或赛贝克效应。利用热电效应制成的将温度信号转换为电信号的器件称为热电偶。

热电偶测温原理：导体材料确定后，热电势大小只与热电偶两端的温度有关，即EAB(T,T0)=f(T)-f(T0)。若EAB(T0)=C(常数)，则回路的总热电势只与T有关，且为T的单值函数，即EAB(T,T0)=f(T)-C。 特点：主要优点表现在：

1.结构简单，制造容易，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制，可按照需要进行配制。

2.因为输出信号为电势，测量时可不要外加电源。输出灵敏度一般为?V/℃，室温下的典型输出为毫伏数量级。 3.测量范围广，可从-269℃～1800℃。

4.测量精度高，热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。 5.便于远距离测量、自动记录及多点测量。

必要条件：只有当热电偶两端温度不同、且组成热电偶两导体材料不同时才能有热电势产生。

6. 试证明热电偶的中间导体定律。试述该定律在热电偶实际测温中有什么作用。

见课本P71 2.热电偶定律 （1）中间导体定律

7. 试证明热电偶的标准热电极定律。试述该定律在热电偶实际测温中有什么作用。 证明：

作用见课本P72图3-65左边

8. 试证明热电偶的中间温度定律。试述该定律在热电偶实际测温中有什么作用。 证明：

作用见课本P71 图3-64左边

9. 为什么热电偶参比端的处理在实际应用中很重要？对参比端温度处理有哪些方法？ 试述各种处理方法与有关电路图。

答：1）因为热电偶的参比端的温度不同热电势就不同，并且热电偶的分度表均是以参考端T0 =0℃为标准的，而实际应用的热电偶参考端往往T0≠0℃，一般为高于零度的某个数值，要想获得被测的真实温度，就必须对检测的热电势值进行修正，由此可见，热电偶的参比端在实际应用中是很重要的。 2）（或见课本P76最下方 冷端温度补偿的方法。下面是网上找的，没有图）参比端的温度处理方法主要有：

①恒温法，可通过补偿导线将参比端延长，然后置于0℃的冰点槽内； ②补偿电桥法，利用热电阻构成的直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶参比端温度变化而引起的热电势的变化；

③计算修正法，当参比端温度不为0℃是，根据中间温度定律，通过计算修正得到相当于参比端为0℃的真正电势。

10. 什么试补偿导线，为什么要采用补偿导线？

见课本P76 图3-70左边 第一段是原因，第二段是定义

11. 采用热电偶测温时是如何克服引线阻误差的？ 答：1.补偿导线的选择

补偿导线一定要根据所使用的热电偶种类和所使用的场合进行正确选择。 例如,k型偶应该选择k型偶的补偿导线,根据使用场合,选择工作温度范围。 2. 接点连接

与热电偶接线端2个接点尽可能近一点,尽量保持2个接点温度一致。 3. 使用长度

因为热电偶的信号很低,为微伏级,如果使用的距离过长,信号的衰减和环境中强电的干扰偶合,足可以使热电偶的信号失真,造成测量和控制温度不准确,在控制中严重时会产生温度波动。

根据我们的经验,通常使用热电偶补偿电阻热电偶补偿导线的长度控制在15米内比较好,如果超过15米,建议使用温度变送器进行传送信号。温度变送器是将温度对应的电势值转换成直流电流传送,抗干扰强。 4. 布线

补偿导线布线一定要远离动力线和干扰源。在避免不了穿越的地方,也尽可能采用交叉方式,不要平行。 5. 屏蔽补偿导线

为了提高热电偶连接线的抗干扰性,可以采用屏蔽补偿导线。对于现场干扰源较多的场合,效果较好。但是一定要将屏蔽层严格接地,否则屏蔽层不仅没有起到屏蔽的作用,反而增强干扰。

（不确定）12.用标准铂铑10-铂热电偶检定镍铬-镍硅热电偶，在某一温度下铂铑10-铂热电偶输出电动势为 7.345mV（参比端温度为 0 o C），根据该标准热电偶百度分度值知此时对应温 度为 800 o C，而被检热电偶输出电动势为 33.370mV，从分度表查出此时对应的温度值 为 802.3 o C，求被检热电偶的偏差和修正值各为多少度。

答：偏差针对实际值而言，误差和修正值针对标称值而言

偏差和修正值都为-2.3度

13. 现用一支镍铬-康铜(E)热电偶测温。其冷端温度为 30℃，动圈显示仪表(机械零位在0℃)指示值为 400℃，则认为热端实际温度为 430℃，对不对?为什么? 答：不对，因为仪表的机械零位在0℃，正确值为400℃

14. 用镍铬-镍硅(K)热电偶测量某炉温的测量系统如图所示，已知：冷端温度固定在 0℃，t0＝30℃，仪表指示温度为 210℃，后来发现由于工作上的疏忽把补偿导线 A′和B′ ， 相互接错了，问：炉温的实际温度t为多少度?

答：实际温度应为270℃，因为接反后不但没有补偿到，还抵消了30℃，故应该加上60℃。

15. 某热电偶灵敏度为 0.04mV/℃，把它放在温度为 1200℃处的温度场，若指示表（冷 端）处温度为 50℃，试求热电势的大小？ 答：已知：热电偶灵敏度为0.04mV/℃，把它放在温度为1200℃处的温度场，若指示表（冷端）处温度为50℃，则 中间温度为：1200℃-50℃=1150℃； 热电势为： 0.04mV/℃×1150℃=46mV 或：

EAB（T,0）= EAB（T,1200）+ EAB（50,0）= 1200℃×0.04mV/℃-50℃×0.04mV/℃=46mV

16.用分度号为 K 型镍铬-镍硅热电偶测温度，在未采用冷端温度补偿的情况下，仪表显 示 500℃，此时冷端为 60℃。试问实际测量温度为多少度？若热端温度不变，设法使冷 端温度保持在 20℃，此时显示仪表指示多少度？

答：计算以式EAB(t、0℃)＝EAB(t，tn)＋EAB(tn，0℃)为理论依据。首先用水银温度计测出热电偶冷端温度tn ，然后在该类热电偶的分度表中查出EAB(tn，0℃)，再与热电偶所测得的电势EAB(t，tn)相加，其和即是补正后的热电势EAB(t、0℃)，最后在分度表中查出对应的温度值，此温度就是热电偶热端的实际温度t。 解题步骤: 一、第一问：

1、查500℃分度号为K的对应数值为24.902mV 2、查60℃分度号为K的对应数值为2.436mV

3、式EAB(t，0℃)＝EAB(t，tn)＋EAB(tn，0℃)=24.902mV+2.436mV=27.338mV 4、查分度号为K的对应数值为27.338mV的温度约为：657℃故实际测量温度为657℃度 二、第二问：

1、查20℃分度号为K的对应数值为0.798mV 2、查657℃分度号为K的对应数值为27.338mV

3、式EAB(t、tn)＝EAB(t、0℃)-EAB(tn、0℃)=27.338mV-0.798mV=26.54mV 4、查分度号为K的对应数值为26.54mV的温度约为：639℃，故仪表显示639℃

17. 用镍铬-镍硅热电偶测量某低温箱温度，把热电偶直接与电位差计相连接。在某时刻， 从电位差计测得热电势为-1.19mv，此时电位差计所处的环境温度为 15℃，试求该时刻 温箱的温度是多少度？

测 量 0 端 温 -20 -0.77 -10 -0.39 -0 -0.00 +0 0.00 +10 0.40 +20 0.80

1 -0.81 -0.43 -0.04 0.04 0.44 0.84 镍铬-镍硅热电偶分度表 2 3 4 5 热 电 动 势 -0.84 -0.47 -0.08 0.08 0.48 0.88 -0.88 -0.51 -0.12 0.12 0.52 0.92 -0.92 -0.55 -0.16 0.16 0.56 0.96 -0.96 -0.59 -0.20 0.20 0.60 1.00 6 (mv) -0.99 -0.62 -0.23 0.24 0.64 1.04 7 -1.03 -0.66 -0.27 0.28 0.68 1.08 8 -1.07 -0.70 -0.31 0.32 0.72 1.12 9 -1.10 -0.74 -0.35 0.36 0.76 1.16 答：由T0=15℃查分度表得 E(15，0)=0.6 mV。 根据中间温度定律有 E(T，0)= E(T，15)+E(15，0)= -1.19+0.6 = -0.59 mV 则查表得低温箱温度为 T=-15 ℃

18. 想要测量在 200oC左右快速变化的物体温度应选用何种传感器？测量 1800oC的高温 又应选用何种传感器？ 答： 第一问：采用热电阻传感器； 第二问：采用热电偶传感器。

19. 试比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器的特点，说明热电偶为何适合 于测量中、高温？而热电阻适合于测量中、低温？

答：（1）特点比较：热电偶测量范围宽，可以测量上千度的高温，并且精度高、性能好，但其热电势较低；热电阻结构简单，金属热电阻材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍金属。金属热电阻精度高、稳定性好、测温范围较宽、但阻值较小热敏电阻由半导体材料制成，外形大小与电阻的功率有关，差别较大；热敏电阻灵敏度高，但测温范围较窄、线性度较差。

（2）热电偶测温的基本原理是塞贝克效应，即两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势。测量范围大（－200℃～1300℃），在中、高温中热电偶的灵敏度高。

（3）热电阻多为金属铂电阻和铜电阻，金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量。铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，测量范围一般为-200～650℃，具有一定的非线性，但温度越高其电阻变化率越小，这就限制其只能应用在在中低温范围；铜电阻在-50～150℃范围内性能稳定，输入输出接近线性，当温度高于150℃时Cu易氧化，因而适用于中低温度测量。

20. 集成温度传感器大多基于什么核心电路？从电路设计原理的角度而言，集成温度传 感器分为哪两种类型？

答：集成温度传感器大多是基于即LM135/235/335和AD590温度传感器 集成温度传感器分为：(1) 电压输出型温度传感器(2) 电流输出型集成温度传感器。

21. AD590 是哪一种形式输出的温度传感器，可测量的温度范围是多少？试用集成温度 传感器AD590 设计一个直接显示摄氏温度-50~+50oC的数字温度计。画出电路原理框图。 若被测温度点距离测温仪 50m，该温度计是否还可用？为什么？

答：AD590 输出电流与绝对温度成正比的温度传感器，测温范围为：- 55℃~+150℃

电路原理框图：(仅供参考)

若被测点距离测温50m该温度计不可用，因为集成温度传感器AD590是一种接触式的温度传感器。

22. 热电偶是否可以用于检测人体的温度？为什么？

答：能用来测人体温度，热电偶测量范围广，可从-269℃～1800℃，人体温度在其测量的范畴中，而它的测量精度高，与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。但在测试要考虑冷端问题处理，因为实际测量中冷端一般就是室温，而室温是变化的。

23. 试述辐射测量中常用到的基本定律及其在辐射测温中的作用。为何辐射式温度传感 器大多设有机械调制盘？ 辐射式测温的基本定律：

①基尔霍夫定律；表明物体的辐射能力与其吸收能力是相同的

②斯忒潘—玻耳兹曼定律；斯忒潘-玻耳兹曼定律给出了物体的总辐射能与其温度的关系

③普朗克定律；物体的单色辐射亮度与被测的物体温度有一一对应关系，若已知被测物体的，测得其单色辐射亮度就可得其温度。 ④维恩位移定律

辐射接收器产生的温度电信号幅度很弱，通常需要进行高增益地放大。但温度的变化是很缓慢的，经辐射接收器转换成的电信号也是缓变的几乎是直流电信号，而直流放大器由于容易产生直流工作点漂移，放大倍数都比较低。辐射式温度传感器采用机械调制盘，连续光线通过调制盘一圈m个小孔被“斩波”变成频率为f=m*n/60（式中n为调制盘每分钟转数）的交变光波，再经辐射接收器转换成频率为f的交流电信号，这样就便于采用高放大倍数的交流放大器放大了. 24. 分别说明“辐射温度”、“亮度温度”、“颜色温度”的定义及其产生的原因。这些温度和真实温度有什么区别？它们和真实温度的差异大小由什么决定的？

答：（1）

25.有哪些非接触式测温方法？简述其基本工作原理。

答：1）光学高温计：它是目前工业中应用较广的一种非接触式测温仪表。精密光学高温计用于科学实验中的精密测试；标准光学高温计用于量值的传递。光学高温计可用来测量800℃到3200℃的高温。由于用肉眼进行色度比较，所以测量误差与人的经验有关。光学高温计测量的温度称为亮度温度（TL），被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真是温度。

（2）光电高温计：光电高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差。它不能进行连续测量和记录，当被测温度低于800℃时，光学高温计对亮度无法进行平衡。它采用新型的光电器件自动进行平衡，达到连续测量的目的。

（3）辐射温度计：它是根据全辐射强度定理，即物体的总辐射强度与物体的四次方成正比的关系来测量的。它由辐射感温器和显示仪表两部分组成，可用于400℃到2000℃的高温。辐射高温计测量的温度称为辐射温度TE.。被测对象为

非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。

（4）比色温度计：比色温度计是通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的。其特点是准确度高，响应快，可观察小目标（最小可到2mm）。用比色温度计测得的温度称为比色温度Ts，它与物体的真实温度T很接近，一般可以不进行校正。

26. 从工作原理、测量精度、应用场合及主要特点这几个方面说明接触式测温方法与非接触式测温方法的优缺点。 答：（1）接触式测温：

工作原理：使温度敏感元件与被测温度对象接触，两者之间进行充分的热交换，当热交换平衡时，温度敏感元件与被测对象的温度相等，测温传感器的输出值即被测温度值。

优点：结构简单、工作可靠、测量精度高、稳定、价格低；

缺点：有较大滞后（需进行充分的热交换），不便于运动物体的测温，被测对象的温度场易受传感器接触的影响，测温范围受感温元件材料性质的限制等。 （2）非接触式测温: 工作原理：利用被测温度对象的热辐射能量随其温度的变化而变化的原理，通过测量与被测温度对象有一定距离处被测物体发出的热辐射强度来测得被测对象的温度。

优点：无测量滞后和温度范围的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面温度，不影响被测温度；

缺点：受被测温度对象热辐射率的影响，测量精度低，使用中测量距离和中间介质对测量结果有影响

27.当进行下列测温时，各选择哪种温度传感器为好，请举例说明。（1）常温附近微小温差；（2）一般的常温附近的温度测量；（3）准确测量约为 1000 0C 左右的高温。

答：常温附近微小温差用热电偶；一般的常温附近的温度测量用热电阻；准确测量约为 1000 0C 左右的高温热电偶。

28.现有铂铑-铂热电偶、铂电阻、半导体热敏电阻器，要测某容器外壳的温度。已知其温度可能达到 400 多摄氏度，应选哪一种？

答：应该用铂电阻。 铂热电阻常用的有Pt10和Pt100，Pt10用于0-850℃范围的温度测量，Pt100用于-200-+600℃范围的温度测量。铂热电阻的测量精度优于热电偶。

铂铑—铂热电偶长期使用温度范围0-1300℃，短期使用范围为0-1600℃，一般使用在600℃以上。

半导体热敏电阻的测温上限较低，不能用于300-400℃的温度测量。

Ch12.

1. 光电效应有哪几种?与之对应的光电器件有哪几种常见形式？各有哪些用途？ 答：光电效应一般分为外光电效应(光电发射效应)、光导效应和光生伏特效应，相对应的光电器件也有以下三种类型：１光电发射型光电器件，有光电管和光电倍增管；２光导型光电器件，有光敏电阻、光敏二极管光敏三极管；３光伏

型光电器件，有光电池。

2. 光电传感器由哪些部分组成?被测量可以影响光电传感器的哪些部分?

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Ф1是光源发出的光信号，Ф2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。

3. 普通光电器件都有哪些主要特性和参数？什么是光电元件的光谱特性?光电元件的 光谱特性和频率特性的意义有什么区别？在选用光电元件和 光源及其调制时怎样考虑 光电元件的这两种特性？

答：主要特性和参数有光照特性；光谱特性；响应时间；伏安特性；温度特性；频率特性等。

光电元件的光谱特性是指光电元件的相对灵敏度与入射光波波长的关系。

光电器件输出的光电流与入射光波长的关系I=F(λ)为光谱特性。在同样的电压和同样幅值的光强度下，当以不同的正弦交变频率调制时，光电器件输出的光电流I或灵敏度S与入射光强度变化频率f的关系I=F1(f)或S=F2(f)称为频率特性。 光谱特性对选择光电器件和辐射能源有重要意义。当光电器件的光谱特性与光源辐射能量的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率较高。在检测时，光电器件的最佳 灵敏度最好在需要测量的波长处。

选用光电元件时，应考虑其频率特性是否能适应于入射光强度变化的情况。也就是说，光电元件的频率响应特性的上限频率应远高于入射光强度变化的频率。

4. 试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的工作原理与性能差异，如何正确选用这些器件，举例说明，并简述理由。 答：光敏电阻的光电流和电压成线性关系。不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表

明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器

光电池的特点是工作时不需要外加偏压，接收面积小，使用方便。缺点是响应时间长。光电池的光照特性为开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。因此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。

光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是由于它的电流灵敏度一般为常数。而光敏三极管在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所至，对弱信号的检测不利。故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏三极管。

光敏三极管的光电流比同类型的光敏二极管大好几十倍，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极管则无光电流输出。原因是它们都能产生光生电动势，只因光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以此时没有电流输出（或仅有很小的漏电流）。

5. 什么是光敏电阻的亮电阻和暗电阻？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？试说明为什么光敏电阻不宜作为检测元件使用。试利用廉价的光敏电阻设计几个应用实例。

答：光敏电阻在某一光照下的阻值称为该光照下的亮电阻。光敏电阻在室温条件下，全暗(无光照射)后经过一定时间测量的电阻值称暗电阻。

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。

不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。

光敏电阻的特点是有光照射它时阻值变小．如图所示是利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻，R2为滑动变阻器，A、B间接监控装置．则当有人通过通道而遮蔽光线时，A、B间电压降低。

6. 何为光电池的开路电压及短路电流？为什么作为检测元件时要采用短路电流输出形式，作为电压源使用时采用开路电压输出形式？为什么用于模拟量检测时光电池应作为 电流源使用。

答：开路电压是指光电池外接负载非常大接近于开路时的电压，短路电流是指外接负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流值。

短路电流曲线在很大范围内与光照度成线性关系，因此光电池作为检测元件使用时，一般不作电压源使用，而作为电流源的形式应用。而开路电压与光照度关系在照度为2000lx以上趋于饱和呈非线性关系，因此适于作电压源使用。 模拟量光电检测是利用光电元件将被测量转换成连续变化的光电流，所以作为电流源使用。

7.反射式光电传感器常见哪些类型？有什么特点？应用时要注意哪些影响？ 答： 按输出不同可以分为反射式模拟光电传感器和开关式光电传感器。

特点：反射式模拟光电传感器将被测量被转换成连续变化光电流，要求光

敏元件为线性，光源均匀恒定；开关光电传感器利用光敏元件光照或无光照时的“有”、“无”电信号输出特性将被测量转换成断续变化信号。要求光敏元件灵敏度高，对光照特性线性要求不高。

应用是需要注意接收器和被测物体之间的介质，根据实际情况来设定参数。（仅供参考，不知对错）

8. 采用波长为 0.8～0.9 μm 的红外光源时，宜采用哪种材料的光电器件做检测元件？为什么？若要敏感白炽灯的光，采用哪种类型的光电传感器有较高的灵敏度和较少的干扰？

答： 采用波长为0.8～0.9μm的红外光源时，宜采硅光电池或硅光敏管，其光谱响应峰值在0.8μm附近，波长范围在0.4～1.2μm。其中硅光电池适于接受红外光，可以在较宽的波长范围内应用。 （白炽灯的不确定，个人感觉是这样）白炽灯光含有可见光和大量的红外线和紫外线，波长约在0.38-0.78μm，因此使用硒光电池或硒光敏管。

9. 举出日常生活中的两个光电式传感器的应用例子，并说明原理。 烟尘浊度监测仪。烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器上的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。 下图所示为吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图。

1）脉冲式光电传感器可用来测量物体的运动速度和转速。 脉冲式光电传感器的工作方式是使光电元件的输出仅有

两种稳定状态，即“通”与“断”的开关状态，所以光电元件运 用在开关状态。

工作原理如图所示。

10.手头有三种光电器件，硫化铊光敏电阻、硫化铅光敏电阻、硅光敏三极管，光源为可 见光，请安下列条件选择光电元件：（1）制作频率约 10Hz 的光电开关；（2）制作线 性测量元件，响应时间 0.1s；（3）频率 10kHz 的光电开关。 （不会）

1）硫化铊光敏电阻 2）硫化铅光敏电阻 3）硅光敏三极管

11.红外辐射探测器分为哪两种类型?这两种探测器有哪些不同？试比较它们的优缺点。

答： 1）红外探测器主要有两大类型：热探测器（热电型），包括热释电、热敏电阻、热电偶；光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，使材料的电学性质发生变化，其中有光敏电阻、光敏晶体管、光电池等。

2）红外探测器是能将红外辐射能转换为电能的热电或光电器件，当器件吸收辐射能时温度上升，温升引起材料各种有赖于温度的参数变化，检测其中一种性能的变化，既可探知辐射的存在和强弱。光量子型红外探测器是能将红外辐射的光能直接转换为电能的光敏器件。

3）光子探测器与热释电传感器区别是，光量子型光电探测器探测的波长较窄，而热探测器几乎可以探测整个红外波长范围。

12.简述热释电效应，热释电元件如何将光信号转变为电信号输出？热释电探测器为什 么只能探测调制辐射？

1）热释电效应首先利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号，这一过程包括了光→热→电的两次信息变换过程，而对波长频率没有选择。光→热→电转换过程中，光→热阶段，物质吸收光能，温度升高；热→电阶段，利用某种效应将热转换为电信号。

当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面时，薄片温度升高使极化强度降低，表面电荷减少，释放部分电荷，所以称热释电。

2）温度一定时因极化产生的电荷被附集在外表面的自由电荷慢慢中和掉不显电性，要让热释电材料显现出电特性，必需用光调制器使温度变化，并且调制器的入射光频率f必须大于电荷中和时间的频率。

13. 说明光纤传感器的结构和传光原理。光导纤维传光的必要条件是什么？

1）结构：除光源、光电探测器外，根据不同的光学测量原理和结构类型，光电传感器还包括光学元件或系统、测量电路。

2）传光原理：当入射角大于临界角时由Snell定律可知光在光纤内层不断全反射不会折射到光纤外层因而可以一直传播到光纤另一端。

3）必要条件：①.入射角大于临界角②.外层的介质的折射率小于内层的折射率（纤芯>包层）。

14. 什么是光纤的数值孔径 NA？ 其物理意义是什么？NA 取值大小有何作用？有一光 纤，其纤芯折射率为 1.56，包层折射率为 1.24，求数值孔径为多少？ 答： 1）数值孔径定义为：NA?2N12?N2，表示了光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只有在2?c张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。

2）NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易，但NA越大光信号畸变越大，所以 要选择适当。

3）已知：N1?1.56，N2?1.24，NA?2N12?N2?0.9466

15. 光纤的折射率N1=1.48，N2=1.46，光纤外部介质N0=1，求最大入射角θc和NA的值。

已知：N1?1.46,N2?1.45,N0?1?c?arcsin(1N02N12?N2)?arcsin0.1706?9?49'

2NA?N12?N2

16. 简述光纤传感器测量的基本原理？光纤传感器有哪两大类型？它们之间有何区别？

答： 光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

光纤传感器大致可分为功能型和非功能型两大类，它们的基本组成相似，有光源、入射光纤、调制器、出射光纤、光敏器件。

功能型又称传感型，这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下使光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。如果外界作用时光纤传播的光信号发生变化，使光的路程改变，相位改变，将这种信号接收处理后，可以得到与被测信号相关的变化电信号。

非功能型又称传光型，这时光纤只作传播光媒介，待测对象的调制功能是由其它转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。

17. 简介压力微弯光纤传感器的工作原理与典型应用。

答： 微弯光纤传感器 是利用光纤中传播的高阶模全内反射条件因待测物理量 而受到影响，部分能量在弯曲段从侧面逸出使光纤中的光通量减少通过检查光能量的变化测出相应物理量。

18. 采用反射式光强调制方式的光纤小位移传感器的输出信号（电压）与光源的稳定性 和被测物体表面的反射率有关。请设计一种可消除这两种不利影响的结构或测量方式。

19. 试拟定一光电开关用于生产流水线上工件计数检测系统（用示意图表示出装置结 构），并画出计数电路原理示意图并说明工作原理。当流水线上的物品为透明的灌装饮

用水时，该方案是否还能使用？为什么？若不能如何改进？

20. 试设计一种能够控制居室窗帘的检测自动控制装置，能够在夜间自动关闭，白天自 动打开。

21. 试叙述智能小车设计中，如何利用反射式光电传感器实现“寻迹”功能，并设计出光 电传感器检测电路原理图。

22. 在苹果自动包装生产线上，需要对不同大小的苹果进行检测鉴别，将合适大小的苹 果挑出装箱，试设计识别苹果大小的检测装置。

23. 汽车夜间行驶在与对面的车辆交会时，要切换远近前照灯，遇到车辆多时，司机要 频繁操作，很不方便。有些司机往往不进行前照灯的切换，这样容易造成交通事故。试 利用光感应传感器设计一种能够根据对方车辆的情况，自动进行车灯的切换装置。

24. 试设计一个自动路灯系统，实现天黑时灯自动亮，天亮时灯自动灭。要求不会受到偶然或短时间的环境光变化的干扰，并可调节对环境光变化响应的快慢。

Ch13.

1.半导体气敏元件是如何进行分类的？对气敏元件有哪些要求？ 答：按照半导体与气体的相互作用、按照半导体变化的物理性质

2. 半导体气体传感器主要有哪几种结构？各种结构气体传感器的特点如何？

答： 1）按构成气敏传感器的材料可分为半导体和非半导体两大类；按半导体的物理特性，气敏传感器可分为电阻型和非电阻型。

2）早期电化学和光学方法，其检测速度慢、设备复杂、使用不方便；新型金属氧化物半导体传感器由于灵敏度高、体积小、使用方便，已广泛用于检测、分析领域。电阻型气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化，电阻型气敏传感器是目前使用较广泛的一种气敏元件，传感器主要由敏感元件、加热器、外壳三部分组成。非电阻型气敏传感器有不同类型，如利用MOS二极管的电容-电压特性变化，利用MOS场效应管的阈值电压的变化，利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测。

3.电阻型半导体气敏元件有几种类型？其中为什么都附有加热器？加热器的主要作用？ 答： 半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面，还是在内部，可分为表面控制型和体控制型；按照半导体变化的物理性质，可分为电阻型和非电阻型两种。

无论哪种类型的气敏元件，其内部均有加热丝，一方面用来烧灼元件表面油垢和污物，另一方面可起加速被测气体的吸，脱作用。加热温度一般为200度-400度。

半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件气体探测器，其电阻随着气体含量不同而变化。气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器可以加速氧化过程

4.半导体气敏元件为何要在高温状态下工作？加热方式有哪几种？加热丝起何作用？

答: 1）因为在常温下，电导率变化不大，达不到检测目的，因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器，加热时间2～3分钟，最佳工作温度为200℃～400℃。

2）加热方式分为直热式和旁热式。电阻型气敏传感器加热的目的有两个方面的因素，一是为了加速气体吸附和上述的氧化还原反应，提高灵敏度和响应速度，另外使附着在传感

器元件壳面上的油雾、尘埃烧掉。

为气敏元件提供必要的工作温度

5.如何提高半导体气体传感器的选择性？根据文献举例说明，目前实用气体检测方法常用哪些气敏传感器？它有什么特点？

答： 1.向气敏材料掺杂其他金属氧化物或其他添加物；

2.控制气敏元件的烧结温度； 3.改善元件工作时的加热温度。

一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂勠11、R12蓠检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等 二、半导体型气体传感器的优缺点

自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经成为当今应用最普遍、最实用的一类气体传感器。它具有成本低廉、制造简单、 灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率 高等方面。 三、接触燃烧式气体传感器

接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。 四、固态电解质气体传感器

顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。它介于半导体和电化学之间。选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长。 五、电化学气体传感器的工作原理

电化学气体传感器是通过检测电流来检测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以检测许多有毒气体和氧气，后者还能检测 血液中的氧浓度。电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性。不足之处是有寿命的限制一般为两年。 六、光学式气体传感器

光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主。由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来检测气体。目前因为它的结构关系一般造价颇高。

6. 什么是绝对湿度？什么是相对湿度？表示空气湿度的物理量有哪些？如何表示？

答： 1）绝对湿度指单位体积空气内所含水汽的质量，一般用每立方米空气中所含水汽的克数表示

AH?mV(g/m3)V

2）相对湿度是指被测气体中，实际所含水汽蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，一般用符号%RH(Relative Humidity)表示，无量纲。 3）除用绝对湿度、相对湿度表示空气的水汽含量外，露点温度是一个与湿度

相关的重要物理量，简称露点。当空气中温度下降到某一温度时，空气中的水汽就有可能转化为液相而凝结成露珠，这一特定温度称为空气的露点或露点温度。

7. 湿度传感器的种类有哪些？主要参数有哪些？简述半导体湿敏陶瓷的感湿机理。 半导体陶瓷湿敏传感器有那些特点？

答: 按输出电学量可分为：电阻式，电容式，频率式；按其探测功能可分为：相对湿度，绝对湿度，结露和多功能式四种；按材料可分为：电解质式，陶瓷式，有机高分子性和半导体型

主要参数：湿度量程，感湿特征量——相对湿度特性，感湿灵敏度，特征量温度系数，感湿温度系数，响应时间，电压特性，频率特性。

半导体湿敏电阻通常用两种以上的金属——氧化物——半导体烧结成多孔陶瓷，多孔陶瓷表面吸收水分的情况分为三个阶段，第一阶段是陶瓷在低湿区域或刚接触水汽；第二阶段是进一步吸收水分子或中等湿度环境；第三阶段大量水汽存在使晶粒界充满水分子。

半导体湿敏传感器有正特性和负特性两种。负特性半导体瓷湿敏电阻的电阻值随湿度增加而下降，电阻率低，阻值——湿度特性好。由于水分子中氢原子具有很强的正电场，当水分子在半导体瓷表面吸附可能从半导体瓷表面俘获电子，使半导体表面带负电，相当于表面电势变负，电阻率随湿度增加而下降。

8. 为什么说湿度检测比较困难？对湿度传感器的性能有哪些要求？

答： 湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。但湿度测量始终是世界计量领域 中著名的难题之一。一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理—化学理论分析和计算，初涉者可能会忽略在湿度测量中必需注意的许多因素，因而影响传感器的合理使用。

测量范围、测量精度、时漂、温漂。湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。也避免在粉尘较大的环境中使用。有的湿度传感器对供电电源要求比较高，否则将影响测量精度。或者传感器之间相互干扰，甚至无法工作。使用时应按照技术要求提供合适的、符合精度要求的供电电源。传感器需要进行远距离信号传输时，要注意信号的衰减问题。

9.湿敏电阻的工作电源为何必须选交流或换向直流？测湿电路对供电电源有何要求？

10.试述 ISFET 的敏感原理，他有何特点？有哪些应用场合？的结构与测量原理。离子 选择电极是如何分类的？离子选择电极分析法有什么特点？

离子选择电极分析法特点：

1.操作方便，迅速，不损及试液体系，也适于一些不宜用其他方法分析的样品，如有色或混浊样品等。 2.仪器比较简单，轻便。

3．较易用于流动监测和自动化检测。

4.电极直接响应的是离子活度，不是浓度，故对生物，医学，化学更适合，尤其是现在微电是样儿技术的发展，使得在细胞内检测也已成为可能。

11. 某些工作或实验环境要求湿度应在某一范围内。请你设计一能够完成上述要求的湿 度检测、控制电路(画出检测示意图、说明检测原理)。

12. 煤气泄漏会造成重大的人身伤害和财产损失。请你设计一能够实现煤气泄漏自动检 测、报警并自动启动通风设备的电路(画出检测示意图、说明检测原理)。

13. 简述化学传感器的基本构成和他们的作用。

化学传感器用于化学测量。化学传感器常用于生产流程分析和环境污染监测。化学传感器在矿产资源的探测、气象观测和遥测、工业自动化、医学上远距离诊断和实时监测、农业上生鲜保存和鱼群探测、防盗、安全报警和节能等各方面都有重要的应用。

Ch.14+15+16

1.二维码和循环码各有何特点？说明它们的互换原理。

答： 二进制码：二进制代码，就是用0和1表示，满2进1的代码语言。特点两个特点：它由两个基本字符0，1组成，二进制数运算规律是逢二进一。表述：为区别于其它进制数，二进制数的书写通常在数的右下方注上基数2，或加后面加B表示。 循环码：循环码是一种无权码，循环码编排的特点是相邻两个数码之间符合卡诺图中的邻接条件，即相邻两个数码之间只有一位码元不同，码元就是组成数码的单元。

任意两组相邻之间只有一位不同，其余各位都相同，而且0和最大数（2的N次方减一）对应的两组循环码之间也只有一位不同。 普通二进制码与循环码相互转换关系为： ①.二进制码转换成循环码： 从最右边第一位开始，依次将每一位与左邻一位异或(XOR)，作为对应循环码该位的值，最左边一位不变。 ②.循环码转换成二进制码： 从左边第二位起，将每位与左边一位解码后的值异或(XOR)，作为该位解码后的值（最左边一位依然不变）。

2.光电码盘测位移有何特点？增量编码器有几条码道？各有何作用？比较增量式编码 器和绝对式编码器的优缺点。

答： 必须是圆形位移。增量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高。一般只需要三条码道，这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义，而是产生计数脉冲。它的码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），但是两道扇区相互错开半个区。当码盘转动时，它的输出信号是相位差为90°的A相和B相脉冲信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数系统提供一个初始的零位信号）。从A，B两个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。

增量编码器一般输出信号是两路正交脉冲信号和一路参考信号,之所以叫增量是因为它的位置信号是通过对脉冲计数累加得到,依靠计数设备的内部记忆来记住位置,并且同每圈输出的参考信号来清除累计误差. 缺点就是断电后,需要重新寻找初始位置. 例如打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作.

绝对编码器又分单圈绝对和多圈绝对.单圈绝对，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，360度不重复,当转动超过360度时，编码又回到原点;而多圈可以保持n圈不重复,具体看选择, 原理类似于钟表齿轮机械的原理,当然也有用电子记圈的,日系绝对编码器产品居多.

区别就是绝对的可以直接应用,而增量的必须经过计算处理才能得到

3.莫尔条纹是如何形成的？有何特点？ 答： 把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对重合在一起，并使两者栅线之间保持很小的夹角，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹，即形成莫尔条纹。 莫尔条纹的特点：①莫尔条纹间距对光栅栅距具有放大作用；②莫尔条纹对光栅栅距局部误差具有误差平均效应，莫尔条纹的大栅线对光栅的刻线误

差有平均作用。

4. 说明光栅传感器利用莫尔条纹测位移的原理。分析光栅传感器测量精度较高的原因。

答： 光栅传感器是根据莫尔条纹制成的一种计量光栅，它由光源、透镜、光栅副和光电接收元件组成。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成亮暗交替变化的莫尔条纹，利用光电元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。由于莫尔条纹能把一个微小的位移量的测量转变成一个较大位移量的测量，并且刻线的局部误差和周期误差对测量精度没有直接的影响，另外，莫尔条纹的光强变化近似正弦变化，便于进一步细分，从而得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。

5. 已知长光栅的栅距为 20μm，标尺光栅与指示光栅的夹角为 0.2 度，试计算莫尔条纹 宽度以及当标尺光栅移动 100μm 时，莫尔条纹移动的距离；若接收莫尔条纹信号的光 敏二极管的响应时间为 1μs，此光栅移动的允许速度最大值为多少？

答：莫尔条纹宽度为

当标尺光栅移动100微米时，莫尔条纹移动的距离为

此光栅移动的允许速度最大值

6. 某光栅的栅线密度为 100 线/mm ，要使形成的莫尔条纹宽度为 10mm，求栅线夹角θ是多少?

答：W=1/100mm=0.01mm

BH=W/θ=0.01/10=0.001=0.057°

7. 试说明光栅传感器是如何判别位移方向的？

答： 为了能够辨向，需要有相位差为 π/2 的两个电信号。 在相隔 BH/4 间距的位置上，放置两个光电元件 1 和 2，得到两个相位差 π/2 的电信号 u1 和 u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号 u1′和 u2′。 当光栅沿 A 方向移动时，u1′经微分电路后产生的脉冲 正好发生在 u2′的“1”电平时，从而经 Y1 输出一个计数脉冲；而 u1′经反相并微分后产生的脉冲，则与 u2′的“0”电平相遇，与门 Y2 被阻塞，无脉冲输出。 在光栅沿－A 方向移动时，u1′的微分脉冲发生在 u2′为“0”电平时，与门 Y1 无脉冲输出；而 u1′的反相微分脉冲则发生在 u2′ 的“1”电平时， 与门 Y2 输出一个计数脉冲。 u2′的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u1′所产生的脉冲输出。 这样就可以根据运动方向正确地给出加计

数脉冲或减计数脉冲， 再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。

8. 智能传感器只是将被测信号数字化，意义不大，你同意此观点吗？分析说明你的理由。 答：不同意。智能传感器具有一定的人工智能，可使用电路代替一部分脑力劳动。和微机的结合使智能传感器不仅有视嗅味和听觉功能，还具有存储，思维和逻辑判断，数据处理，自适应能力等功能，从而使传感器技术提高到一个新水平。

9. 智能传感器有哪些传统传感器没有或难以实现的基本功能？智能传感器有哪几种实现方式？智能传感器中基本传感器对整体性能起何作用？

答： 智能传感器有以下主要功能：自补偿功能，如非线性、温度误差响应时间等的补偿；自诊断功能，如在接通电源时自检；微处理器和基本传感器之间具有双向通信功能，构成一死循环工作系统；信息存储和记忆功能；数字量输出和显 示；智能传感器有三种具体实现方式：集成化实现；非集成化实现；混合实现。 基本传感器是构成智能传感器的基础，其性能很大程度上决定着智能传感器的性能。

10. 传感器网络化对传感器的发展有何积极意义？ 答：网络传感器的产生使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展；使传感器可以就近接入网络，传感器与测控设备间再无须对点连接，大大地简化了连接线路，节省投资，易于系统维护，也使系统更易于扩充。

Ch.17

1. 为什么说电压测量非常重要？

◆电压测量是电量测量与非电量测量的基础； ◆电测量中，许多电量的测量可转化为电压测量

表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率

其中：电流、功率转化为电压，再进行测量 （数字测量） 原因：标准量或基准源是电压源

◆非电量测量中，物理量转化为电压信号，再进行测量。 例如：温度、压力、振动、（加）速度

测量物理量转化为对时间/频率测量，通过电压比较来进行计数/测频

2. 说明数字电压表的基本构成和工作原理，数字电压表的基本量程由那个部件决定？

基本结构和工作原理：

输入电路：对输入电压衰减/放大、变换、钳位等；

A/D转换器：实现模拟电压到数字量的转换； 核心部件—决定关键性能；

数字显示器：显示模拟电压的数字量结果；

逻辑控制电路：在统一时钟作用下，完成内部电路的协调有序工作。

数字电压表的基本量程由A/D转换器量程范围决定

3. 数字万用表的分辨力由哪几项参数确定？

答：分辨力：用每个字对应的电压值表示，即V/字或mV/字。

不同量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，在最小量程上有最高分辨能力。

除量程外，分辨力还和数字电压表的字的位数有关。

4. 采用霍尔元件检测电流时，一般有哪两种测量方式？说明它们的特点和适用场合。

答：霍尔效应直接测直流电流法：直接通过电磁感应，让霍尔元件输出电压，再通过运算放大器放大。通过测量电压来测量电流，适用于大电流检测. 霍尔检零式直流电流测量法：通过电磁感应，让霍尔元件输出电压，再通过运算放大器和功率放大器放大，输出电流再通过线圈产生磁场企图抵消被测电流产生的磁场。通过测量输出电流在电阻上产生的电压来测量电流，精度更高，适用于小电流检测.

两种方法都是采用间接测量法，通过测量电压来获取电流。

5. 试说明怎样增大或减少霍尔式钳形电流表的灵敏度？

答：增大（或减少）霍尔片控制电流可增大（或减少）霍尔式钳形电流表的灵敏度；被测电流导线如果在硅钢片圆环上绕几圈，电流表灵敏度便会增大几倍。用这种办法可成倍地改变霍尔式钳形电流表的灵敏度和量程。 6. 高、中、低和超高电阻如何划分？测量时各有何特殊考虑？各应采用什么测量方法？

答：低阻范围：毫欧级—大约10欧级；中阻范围10欧—大约100千欧；高

阻范围：兆欧级；超高范围：10的9次方欧以上

低阻时应消除被测电阻电流引线及接触电阻影响，采用四端式测量法。 中、高阻时采用伏安法，但是测量精度较低。考虑消除电源电压波动影响， 采用不平衡电桥法。

超高电阻考虑测量精度要尽量提高，采用运放与数字电路结合的电容充电法。

7.为准确测量中高值电阻，可采用不平衡电桥，请推导下图所示电桥的输出表达式，并说明其如何消除电源电压波动的影响。

8.比较频率测量的直接测频法和测周法的异同，试分析影响二者测量精度的因素和进一步提高测量精度的措施。

答：相同点：直接测频法和测周法都需要计数脉冲数，且二者的误差值都与被测信号频率有关。

不同点：直接测频法设定一个标准时基，通过控制电路开关，来计数该段时间内被测信号的脉冲数，适合于高频信号的测量。测周法是控制电路开通待测信号一个周期后关断，通过计数标准频率脉冲的个数来计算被测脉冲的频率，适合于低频信号的测量。

影响二者测量精度的因素及进一步提高测量精度的措施：精度和被测信号的频率、标准时基T、标准频率脉冲的频率有关。

直接测量法被测信号频率越高，相对误差越小，同时增加测量的时间间隔T也可以成比例地减小该项测量误差。

测周法被测信号频率越低，误差越小，同时增加标准脉冲信号的频率也可减小误差。

9.计数法测频系统由那几个部分组成？各起什么作用？

答：放大整形：将模拟变化信号变为标准的方波或窄脉冲—施密特触发器

闸门电路：控制进入计数器的脉冲，对预定时间内的脉冲记录—与门 门控电路：产生门控信号，控制闸门的开闭，即级数的开始和结束 计数电路：记录脉冲的个数，实现频率测量—计数器，要求高速、准确

10.计数法测频或测周都不可避免的存在量化误差的主要原因是什么？

答：闸门时间Ts和被测量f互不相关，且f通常不是fo的整数（N）倍，因此计数时不可避免存在误差。由于闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步（亦即开门和关门时刻与被测信号出现的时刻是随机的）使得在闸门开始和结束时刻有一部分时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。

11.采用多周期同步测量法测量频率信号有何益处？如何实现对未知频率信号的等精度测量？

答：避免了直接测频法在低频段误差大与直接测周期在高频段误差大对精度的不足，同时消除了直接与间接相结合方法，需对被测信号的频率与中界频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等精度频率和周期的测量 由N0T0确定同步闸门时间Ts’即

fxNxNxNx???fTs'N0T0N00

基于微处理器，控制预置闸门（软件发出），计算频率结果，能实现不同闸门时间内的等精度测量。

12.测量相位差时，为何一般（如脉冲计数法测相位）要先测量或同时测量信号周期？什么条件下测量相位差无须先测量信号周期？

答：脉冲计数法测量相位差是基于时间间隔测量法，通过相位一时间转换器，将相位差的两个信号（分别称参考信号和被测信号）转换成一定的时间间隔r

的起始和停止脉冲，然后用电子计数器测量其时间间隔，所以测量相位差的输出数字一般与信号周期T有关，故需要先测得周期即得到频率。 当测量相位差的输出数字与信号周期T无关时，不需要先测周期。

13.当被测信号中存在较大噪声时，脉冲计数法和基于FFT的相位测量方法是否适用？ 若不能，采用什么相位测量方法可克服噪声影响？

答：不适用，会受噪声影响。利用相关法（若噪声与信号不相关）可有效消除噪声影响。

Ch.18+Ch.19

1.力的测量方法中可以归纳为哪几种测量力的原理。

答：力的测量方法可以归纳为利用力的动力效应和静力效应两种测量力的原理。

力的动力效应是可以改变物体的机械运动状态或改变物体所具有的动量使物体产生加速度。力的静力效应是使物体产生变形，在材料中产生应力。

2.力矩测量一般可以分为哪几种方法，并简述其测量原理

答：力矩测量方法一般可以分为传递法（扭轴法）、平衡力法（反力法）和能量转换法三大类。传递法是利用转矩使弹性轴产生扭转变形的方法。即根据弹性组件在传递扭矩过程中所产生的物理参数的变化（变形、应力或应变）来测量其转矩。力平衡法是利用平衡力矩去平衡被测力矩，从而求得被测力矩的方法。当转轴受转矩作用时，机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩（或称支座反力矩），因而测量出机体上的平衡力矩就可以知被测力矩大小。能量转换法是按能量守恒定律来测量力矩的仪器。它是通过测量其它与转矩有关的能量系数（如电能系数）来确定被测力矩大小的。

3.简述相位差式转矩测量仪的工作原理与组成结构。以采用光电型传感器的转矩仪为例，说明如何使转矩的测量误差不受转轴转速变化的影响

答：采用相位差式转矩测量仪时，在转轴上固连一对测量圆盘，在基座上安装一对信号拾 取器。当转轴在转矩作用下产生扭转变形时，两信号拾取器的输出信号电压在相位上相对地 改变了角度。此时信号的相位差与弹性轴的扭转角之间成比例关系。一般相位差式转矩仪由信号发生器和测量电路两部分组成。 在仪器测量装置中多采用磁点型 传感器和光电型传感器组成信号发生器。其测量范围一般为0.2-100000N·m，转速分档达0-1500-1600r/min，测量误差为±(0.2-±0.1)/%

4.常用于测量压力的方法中，按工作原理可以分为哪四种？

答：以流体静力原理为基础制成的液压测压法；根据弹性元件受力变形原理并利用机械机构将变形量放大的弹性变形测压法；基于静力平衡原理与作用在已知面积上重量相比较的负荷压力测压法；通过弹性元件制成测力传感器将被测压力转换成电阻量、电感量、电容量、频率量等各种电学量测压力的方法。

5.简述电容式压力测量的工作原理和结构特点。 答：电容式压力测量利用检测电容的方法测量压力。在由圆形固定电极和弹性膜

片组成的 平行平板电容器中，当弹性膜片在均匀的压力作用下，膜片产生位移，即固定极板雨膜片构成了变间隙式电容测压传感器，被检测的压力与膜片间电容的相对变化量成正比。该测量仪器中的动极板和固定极板均设计和制造成相应的球面形，从而提高了线性度和精度。并且在设计时尽可能使其质量做得小些。该传感器结构简单，所需输入能量低，容易获得较高的灵敏度。此外，为了改善非线性，减小泄漏电流，常常在测量电路中增加反馈回路环节，或采用双层屏蔽电缆等电位传输技术克服不利的影响，以提高其测量精度。

6. 试设计一个水深探测器，使潜水员能知道自己所潜入的深度，画出系统框图，并说明 其工作原理。

7. 测量长度时遵循阿贝原则有何意义？ 答：阿贝原则：被测量轴线只有与标准量的测量轴线重合或在其延长线上时，测量才会得到精确地结果。阿贝原则是长度计量的最基本原则，其意义在于它避免了因导轨误差引起的一次测量误差。在检定和测试中遵守阿贝原则可提高测量的准确度，特别是在使用不符合阿贝原则的仪器时，更要注意阿贝原则的应用。

8. 在线测量微小的细金属丝或纤维丝的直径宜用什么测量方案？给出一种具体方法。

答：不接触测量金属丝直径，我们采用光栅衍射的方法。首先用反射光栅衍射的方法测量激光的波长，然后采用衍射原理测量细金属丝直径。

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