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sunbet《传感器与检测技术》习题答案周杏鹏docx

发布日期:2020-10-06 15:04

  传感器与检测技术习题答案 第一章 1.1 答:随着我国工业化、信息化步伐加快,现代化建设中的各行各业高效生产对传感器也检测 技术的依赖逐步加深。比如:先进的传感器技术助力现代化石油钻井平台建设。 为了能够可靠地采集钻井平台钻机塔架上运动部件的终点位置,使用了感应式传感器。 在整个新型钻井中共使用了 60个这样的感应式传感器,方形的接近开关对钢质目标的感应 距离增大到20mm,满足了近海海上勘探工作环境极为恶劣的所有要求。 答:自动检测系统组成框图如卜: 对于传感器,一般要求是: 准确性:输出信号必须反映其输入量,即被测量的变化。因此,传感器的输出与输入关系 必须是严格的单值函数关系,最好是线性关系。 稳定性:传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随吋间和温度二变化,受外界其他因 素的干扰影响亦很小,重复性要好。 灵敏度:即被测参量较小的变化就可使传感器获得较大的输出信号。 其他:如耐腐蚀性、功耗、输出信号形式、体积、售价等。 1.3 答:功能: 信号调理:在检测系统屮的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放 大等,以方便检测系统后续处理或显示。 信号处理:信号处理时自动检测仪表,检测系统进行数据处理和各种控制的屮枢环节, 其作用和人类的大脑相类似。 区别: 信号调理作用是把信号规格化,滤除干扰,信号处理则是提取信号小的信息,并对这些 信息按照功能要求进行处理。可以说,信号调理是进行信号处理的基础。 组成: 信号调理:信号放大、信号滤波、A/D转换 信号处理:主要是各种信号的嵌入式微控制器、专用高速数据处理器(DSP)等 1.4 答:分类见表1-1(P8) 1.5 答:按照被测参量分类,可以分成测量:电工量、热工量、机械量、物性和成分量、光学量、 状态量等。 1.6 答:1.不断拓展测量范圉,提高管检测精度和可靠性 2重视非接触式检测技术研究 3检测系统智能化 第二章 2.1 答:随机误差:检测仪器或者测量过程中某些未知或无法控制的随机因素(如仪器某些原件 器件性能不稳定、外界温度、湿度变化,空屮电磁波扰动等)综合作用的结果。随机误差的 变化通常难以预测,因此也无法通过实验的方法确定、修正和消除。但是通过足够多的测量 比较可以发现随机误差服从某种统计规律。从而进行消除。 系统误差:产生原因大体有:测量所用的工具本身性能不完善或者安装、布置、调整不当; 在测量过程中的温度湿度、气压、电磁干扰等坏境条件发生变化;测量方法不完善、或者测 量所依据的理论本身不完善;操作人员视读方式不当等。系统误差产生的原因和变化规律一 般可以通过实验和分析查出,因此系统误差可以设法确定并消除。 粗大误差:一般由外界重大干扰或者仪器故障或不正确的操作引起。存在粗大误差的测量值 一般容易发现,发现后应当立即剔除。 2.2 答:工业检测仪器(系统)常以最大引用误差作为判断其准确度等级的尺度,仪表准确度习 惯上称精度,准确度等级习惯称为精度等级。人为规定,取最大引用误差百分数的分子作为 检测仪器(系统)精度等级的标志,即用最大引用误差去掉正负号和百分比号后的数字来表 示精度等级。 答:20*0.005=0.1 (V) 150*0.001=0.15 (V) 由计算结果知,表一不仅有更小的绝对误差,并且其量程对于测量5V的电压更合理。 所以选择表一。 2.4 答:马利科夫准则 x = 28.0300 28.0100 27.9500 27.9000 27.9800 27.9400 27.9600 28.0200 28.0000 27.9300 X = 27.972 u广 0.0580 0.0380 0.0080 -0.0320 -0.0120 0.0480 0.0280 -0.0420 -0.0220 -0.0720 D=0.12 q 所系系统存在线性系统误差 阿贝一赫梅特准则 A=0.0047 cr2 =0.00166 A=0.0047cr2 J〃 -1 =0.0054 系统中不存在周期性系统误差 2.5 ①要求I尺-/?()2.8的概率,已知标准差7=1.5 经过标准正态分布变换,—, 5v2.8 z I^21 —=1.8667-1.87 cr 6 经过查表可知 q(x) x 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 X 0 0.5 0.504 0.508 0.512 0.516 0.5199 0.5239 0.5279 0.5319 0.5359 0.1 0.5398 0.5438 0.5478 0.5517 0.5557 0.5596 0.5636 0.5675 0.5714 0.5753 0.2 0.5793 0.5832 0.5871 0.591 0.5948 0.5987 0.6026 0.6064 0.6103 0.6141 0.3 0.6179 0.6217 0.6255 0.6293 0.6331 0.6368 0.6406 0.6443 0.648 0.6517 0.4 0.6554 0.6591 0.6628 0.6664 0.67 0.6736 0.6772 0.6808 0.6844 0.6879 0.5 0.6915 0.695 0.6985 0.7019 0.7054 0.7088 0.7123 0.7157 0.719 0.7224 0.6 0.7257 0.7291 0.7324 0.7357 0.7389 0.7422 0.7454 0.7486 0.7517 0.7549 0.7 0.758 0.7611 0.7642 0.7673 0.7703 0.7734 0.7764 0.7794 0.7823 0.7852 0.8 0.7881 0.791 0.7939 0.7967 0.7995 0.8023 0.8051 0.8078 0.8106 0.8133 0.9 0.8159 0.8186 0.8212 0.8238 0.8264 0.8289 0.8315 0.834 0.8365 0.8389 1 0.8413 0.8438 0.8461 0.8485 0.8508 0.8531 0.8554 0.8577 0.8599 0.8621 1.1 0.8643 0.8665 0.8686 0.8708 0.8729 0.8749 0.877 0.879 0.881 0.883 1.2 0.8849 0.8869 0.8888 0.8907 0.8925 0.8944 0.8962 0.898 0.8997 0.9015 1.3 0.9032 0.9049 0.9066 0.9082 0.9099 0.9115 0.9131 0.9147 0.9162 0.9177 1.4 0.9192 0.9207 0.9222 0.9236 0.9251 0.9265 0.9278 0.9292 0.9306 0.9319 1.5 0.9332 0.9345 0.9357 0.937 0.9382 0.9394 0.9406 0.9418 0.943 0.9441 1.6 0.9452 0.9463 0.9474 0.9484 0.9495 0.9505 0.9515 0.9525 0.9535 0.9545 1.7 0.9554 0.9564 0.9573 0.9582 0.9591 0.9599 0.9608 0.9616 0.9625 0.9633 1.8 0.9641 0.9648 0.9656 0.9664 0.9671 0.9678 0.9686 0.9693 0.97 0.9706 1.9 0.9713 0.9719 0.9726 0.9732 0.9738 0.9744 0.975 0.9756 0.9762 0.9767 在区间概率等 P=0.9693*2-l=0.9386 ② 按照95%的置信区间概率查找标准正太分布表,得到P=0.975(X=1.96), 由公式 凡一=X1.96 得到区间应该为[R° -1.96 cr, Rq +1.96 o- ]=[505.2960z514.7040] (J 2.6 未剔除前 X =183 , 7 = 24.224 当 a=0.05, Kg (h, ci) = 2.18 AXa. I =[23 ,12 ,60 ,9 ,30 ,3 ,20 ,6 ,12 ,5] KG(n,a)^a(x) =52.81 根据Grubbs准则,将243剔除 剔除以后, X =176.3, cr = 14.4 2.7 X= 909.8, er = 4.045 查找标准正态分布表得到当置信区间P=0.98, X=2.33 经过变换得到区间为[909.8-9.4, 909.8+9.4] 答:测暈误差总是客观存在的,但是真值一般是无法准确得到的,因此也就不可能准确的知 道测量误差的准确值,由此引出测量不确定度的概念。 答:A类不确定度的评定时应用统计的方法,--般对同一被测参量进行n次等精度测量得到。 B类不确定度是在测量次数较少,不能用统计方法计算测量结果的不确定度时。 2.10 X=18.18, cr = 0.42 UA = T(X)= —j=(j(x) =1/3*0.42=0.14(cm) y/n uc = Ju; +况;=0.17(cm) 选取置信率为P=0.95, k=1.65 则 U=k*wc=0.28(cm) 该工件结果为 X=18.2±0.3 (cm) (P=0.95) 第三章 3.1 答:测量范围:是传感器或检测仪器按规左的精度对被测变量进行测量的允许范围。 上下限:测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限。 量程:用來表示测量范围大小,用测量上限和下限值的代数差表示。 关系:给出传感器或者检测仪器的测量范围便值其测量上下限及量程,反之只给出传感 器或者检测仪器的量程,却无法确定其上下限及测量范围。 3.2 答:灵敏度:是指测量系统在静态测量时,输出量的增量与输入量的增量之比。 分辨力:输出量发生变化时,输入量的最小变化量 二者不存在必然联系。 3.3 答:有理论直线法、端基法和最小二乘法。精度最高的是最小二乘法,,最差的是理论直线 答:对于一阶系统,决定于时间常数八 对于二阶系统,収决于固有角频率阻尼比 放大倍数k,对于一个系统而言,延迟时间匚、上升时间。,响应时间匚,峰值时间。等, 是一个系统动态性能好坏的反映。 3.5 答: H($) \s2 +2—5 + 1 幅度特性表达式为 A(0)=1 H(jco) = i = 帜加+[2霭)『 A(\OOO) = k A(500) = -^ul.llk ,误差为 11% V13 4 A(800) = r^~l?14k,误差为 14% V481 25 3.6 答:不失真测量, 需要检测系统的频率响应形为: H(? =心)严)=9)=血卅 X(e) 3.7 答:条件:没有加速度、振动、冲击及室温环境(20±5C。),相对湿度不大于85%,大气 压力为(101 ±7) kPa。 步骤:略(P54) 3.8 略 3.9 答:主要因素:略(见P57) 可靠性指标:可靠度、失效率、平均寿命。 第四章 答:金属电阻丝的应变效应是指金属材料的电阻相对变化与其线应变£成正比的这种效应。 HR ――=[(1 + 2//) + 0(1 — 2“)= Kfn£ 金属电阻丝的应变灵敏度系数是指公式斤 屮电阻应变量与儿何应变量Z间的比例系数 心=(1 + 2)+ °(1 - 2)。 同理,由教程公式(4?9)知半导体丝材的应变灵敏度系数为: Ks = (1 + 2“)+ 兀E 4.2 答:横向效应:将直的金属丝绕成敏感栅后,虽然长度相同,但应变状态不同,应变片敏感 栅的电阻变化要比直的金属丝要小;横向效应使得测试的灵敏系数降低了;为了减小横向效 应的彫响可采用短接式或直角式横栅,采用箔式应变片也可有效地克服横向效应的彫响。 4.3 答:电阻应变片温度误差是指当应变片的工作温度变化时应变计的输出会在正常输出基础上 发生偏移的效应。 产生原因主要有两点:(1)温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变。(2) 试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同,使应变片产生附加应变。 补偿方法可采用3屮方法:(1)应变片自补偿可采用单丝自补偿或者双丝自补偿(2) 桥路补偿法(3)热敏电阻补偿法。 4.4 答:直流电桥的基本形式如教程P75图4-10所示。 按桥臂工作方式的不同可分为:单臂工作电桥、双臂工作电桥和全臂工作电桥,分别 如图本教材4-12 4-14 4-15所示。 电压输岀计算公式: 单臂工作电桥:n =其屮色几。此公式是忽略次要因素的简化公式。双臂工作电桥:R 单臂工作电桥: n = 其屮 色 几。此公式是忽略次要因素的简化公式。 双臂工作电桥: R、 * R\ ,此公式为精确公式。 全臂工作电桥:此公式为精确公式。 全臂工作电桥: 4.5dL解:杨氏模量 L 4.5 dL 解:杨氏模量 L s_ £ (1) 理=心 R (2) 由公式(1) (2)得: 由公式(1) (2)得: 1 loo ? 0. 2 x 1012 ? 0. 5 x IO4 0. 5 x 10f 4.6 解: 由图(a)所示,当重力F作用梁端部后,梁上表面R1和R3产生正应变电阻变化而 下表面R2和R4则产生负应变电阻变化,其应变绝对值相等。 £\ =£?3 = _ 匂=£ =丛2 £\ = £?3 = _ 匂 =£ = 丛2 R. “0 = 6月 6 x 0. 5 x 9. 8 x 100 r X O = 11 X 32 X 2 X 104 6/7 bt2E HR ~R 17.8/沙 解:如图(a )所示等截面悬梁臂,在外力F作用下,悬梁臂产生变形,梁的上表面受拉应 变,而梁的下表面受压应变。当选用四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路,则应变 片如图(b )所不粘贴。 (a)等截面悬臂梁 (a)等截面悬臂梁 (b)应变片粘贴方式 (b)全桥 (C)测量电路 电阻应变片所构成的差动全桥电路接线( c )所示,斤】、Ri所受应变方向相同, *2、%所受应变方向相同,但与儿、R4所受应变方向相反。 该电路可采用桥路补偿法克服温度误差。 4.8 答:①变极距型电容传感器,一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之 间,极板间距离在25?200pm的范围内。最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中 应用最广。 变面积型电容式传感器,能够进行力、位移和转角的测量。 变介质型电容式传感器,变介质型电容传感器有较多的结构形式,nJ■以用来测量纸张、绝 缘薄膜等的厚度,也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。 4.9 答:电容式传感器的测量电路主要有调频电路、运算放大式电路、二极管双T形电路、差动 脉冲调宽电路等。 调频电路特点: (1) 转换电路生成频率信号,可远距离传输不受干扰。 (2) 具有较高的灵敏度,可以测量高至0.01pm级位移变化量。 (3) 但非线性较差,可通过鉴频器(频压转换)转化为电压信号后,进行补偿。 运算放大式电路特点: (1)解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线) 要求Zi及放大倍数足够大 (3) 为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容稳定 (4) 由于Cx变化小,所以该电路实现起來困难 (5) 输入阻抗高(避免泄漏)、放大倍数大(接近理想放大器) 二极管双T形电路特点和使用要求参见木教材P92~p93。 差动脉冲调宽电路特点参见本教材P94。 4.10 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。 4.11 边缘效应使电容传感器的灵敬度降低,sunbet而且产生非线性,绝缘结构可消除边缘效应的影响; 屏蔽和电缆,消除寄生电容的影响,抗干扰。 解决办法:1、驱动电缆法;2、整体屏蔽法;3、采用组合式与集成技术。 4.12 答:采用可以差动式结构,可以使非线性误差减小一个数量级,且非线性误差大为减小。由 于结构上的对称性,它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。 4.13 答:参见木教材P93~P94。 4.14 答:低频时容抗心较大,传输线的等效电感L和电阻R可忽略。而高频时容抗心减小,等 效电感和电阻不可忽略,这时接在传感器输出端相当于一个串联谐振,有一个谐振频率血存 在,当工作频率厂Q血 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。通常工作频率10MHz以上就要考虑电缆线等效电感厶 的影响。 4.15 解:变极距平板熨电容传感器输出的线性表达式 \C _ \d ~ = ^ 忽略高阶项非线性表达式为 \Cf \d ri A右 ——=—LI + —J C % % 线 \c C c \c C 6 \d 由题意得测量允许变化量 A(7 = &/〃()= 0. 001/7/77 4.16 解: 「 u S 4*4*1 n-2 K = 3 = 3 = : = 0.707( PF / cm} a 7*3.6%*〃 4*10一】*3.6*3.14*0.5 *10 F S 2*4*1 O-2 C = —◎——= : = 0.142( PF) 3.6*/r*d 4*10 *3.6*3.14*0.5*10 4.17 答:电容测厚传感器是用來对金属带材在轧制过程中厚度的检测,其工作原理是在被测带材 的上下两侧各置放一块面积相等,与带材距离相等的极板,这样极板与带材就构成了两个电 容器Cl、C2o把两块极板用导线连接起来成为一个极,而带材就是电容的另一个极,其总 电容为C1+C2,如果带材的厚度发生变化,将引起电容量的变化,用交流电桥将电容的变化 测出来,经过放大即可由电表指示测量结果。 4.18 答:电感式传感器种类:自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步器。工作 原理:自感、互感、涡流、压磁。详细参看教材相关章节。 4.19 答:略 4.20 答:略 4.21 解: l = ^=4.x10-^x 2500^x4x4x10-^157x10- § 0.8xl0J (2)衔铁位移△6=+0.08mm时,其电感值 L p.0W2S 47110-72曲4乂410-6 + 5 + A6x2 (0.8+2x0.08 )x10-3 =1.31X10-1(H)=131mH 衔铁位移△§=-0.08:mn耐,其电感值 r &胪£ 4広x 10 x 25002 x4x4x 10 _ 「△5x2 (0.8-2x0.08)x10」 =1.96XiO-1(H)=196(mH) 故位移厶卜土 0.08mm时,电感的最大变化量为 AL=L_ ? L+=196 ? 131=65(mH) (3)线圈的直流电阻 ,” (A 0.06s! 设5 I 2 ) 为每匝线x4x 4 4- =1.75X10-6 — 0.06 丁 X10-1 彳 x(0.06xl(pi)2 =249.6(C) (4)线)当存在分布电容200PF时,其等效电感值 L - L - L ? \-品 LC 1 +(2^)2ZC 1?刃 xlO-i ~ l-(2^-x4000)2 x 1.57xlO^x200xlO-12 =16mH 4.22 答:电涡流效应:有一通以交变电流厶的传感器线圈,其周围产生一个交变磁场H1。使该 磁场范围内的被测导体内产生电涡流‘2,耳将产生一个新磁场H2, H2与H1方向相反,力 图削弱原磁场H1,从而导致线圈的电感L、阻抗Z和品质因数Q发生变化。测量原理:通过 等效电路分析,能够引起这三者变化的因素有,传感器线圈与导体之间的距离X,导体的儿 何形状,导体的材质,控制其中某一个参数改变,余者皆不变,就能构成测量该参数的传感 器,例如位移测量、探你材质检测、测厚等。测量电路:被测量引起变化的电参量有:线 圈电感L、阻抗Z、或品质因数Q值,针对不同参量测量电路有三种:谐振电路、电桥电路、 Q值测试电路 4.23 答:特点见本教材P107页第二段。原理图见本教材P112图4-63o 第五章 5.1 答:当固体在某一方向上承受应力时,电阻率发生显著变化,这种现象称为压阻效应。 单位应力作用下电阻率的相对变化称为压阻系数。 晶向的表示方法有两种,一种是截距法,一种是法线 答:一些离子型晶体电介质,当沿着一定方向受到机械力作用而产生形变时,就会引起它内 部正负电荷中心相对位移产生电的极化,从而导致其两个相对表面上出现符号相反的电荷; 当外力去掉后,恢复到不带电状态。这种现象称为压电效应。当作用力方向改变吋,电荷的 极性也随之改变,这种将机械能转换为电能的现象称为“正压电效应”。当在电介质方向施 加电厂时,这些电解质也会产生儿何形变,这种现象称为“逆压电效应”。 通常把沿压电晶体电轴方向的力作用下产生的压电效应称为“纵向压电效应”,而把沿机械 轴方向的力作用下产生的压电效应称为“横向压电效应” 5.3 答:石英品体俗称水品,有天然和人工之分,天然结构的石英品体是一个正六边形的晶柱。 其z轴称为光轴,也成为中性轴,当光线沿此轴通过石英晶体时,无折射; 经过六面体棱线并垂直于光轴的X轴称为电轴,在垂直于此轴的面上压电效应最强; 与X轴、Z轴垂直的Y轴称为机械轴,在电厂的作用下,沿该轴方向的机械形变最明显。 5.4 答:图见图5-15 P128o 当压电品体受机械应力作用时,在它的两个极化面上出现极性相反电量相等的电荷。故压电 器件实际上是一个电荷发生器。同时它也是一个电容器,晶片上聚集正负电荷的两表面相当 于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质。 基于以上分析,压电传感器可以等效为一个与电容相并联的电荷源,也可以等效为一个与电 容相串联的电压源。 5.5 答:参见5.2.2等效电路及测量电路中的第二节测量电路。 5.6 答:压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部 件装在外壳内,并由螺栓加以固定。 当加速度传感器和被测量物一起受到冲击振动吋,压电元件受质量块惯性力的作用,根据牛 顿笫二定律,此惯性力是加速度的函数,此时力作用在压电原件上,因而产生电荷,当传感 器一旦确定,则电荷与加速度成正比。因此通过测量电路测得电荷的大小,即可知道加速度 的大小。 5.7 答:光照射在物体上就可以看做是一连串的具有能量的粒子轰击在物体上,这时物体吸收了 光子能量后将引起电效应。这种因为吸收了光能后转换为该物体屮某些电子的能量而产生的 电效应就称为光电效应。 光电效应可分为外光电效应、内光电效应和阻挡层光电效应三种类型。 基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管。 基于内光电效应原理工作的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管和光敏三极 管。 基于阻挡层效应原理工作的光电器件有光电池。 答:电容式传感器可分为以下儿种: 变极矩型电容传感器:量程远小于极板间初始距离是,可认为电容的变化量与距离呈线性关 系。 变面积型电容式传感器:电容的变化量与面积的变化量呈线性关系。 变介质型电容传感器:电容量的变化与被测介质的移动量呈线 答:调频电路:调频测暈电路是吧电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导 致电容量发生变化吋,振荡器的振荡频率就发生变化。 运算放大器式电路:运算放大器的输出电压与极板间距离呈线性关系,从而克服了变间隙式 电容传感器的非线性问题。注意的是运算放大器要求具有足够大的放大倍数,而且输入阻抗 很高。 双T二极管型电路:电源,传感器电容、负载均可同时在一点接地;非线性失真小;电源频 率需要稳定;输出电压较高等; 5.10 答:光敏电阻:纯粹电阻元件,阻值随光照增加而减少,无光照时,光敏电阻阻值很大,电 路中的电流很小;当受到一定波长范围内的光照时,它的阻值急剧减小,电路中的电流迅速 增大。 光敏二极管:在电路中光敏二极管一般处于反向工作状态,处于反向偏置的PN结,在无光 照吋具有高阻特性,反向暗电流很小。当有光照吋,在结电场作用下,电子向N区运动, 空穴向P区运动,形成光电流,方向与反向电流一致。光的照度愈大,光电流愈大。由于无 光照时的反偏电流很小,因此光照时的反方向电流基本与光强成正比。 光敏晶体管具有两个PN结,可以看成是一个be结为光敏二极管的三极管。在光照作用下, 二极管将光信号转换为电流信号,该电流信号被三极管放大。 光电池:基于光生伏打特效制成,是自发式有源器件。它有较大面积的PN结,当光照射在 PN结上时,在结的两端出现电动势。 5.11 答:光照强度指单位面积上所接受可见光的能量。 光电器件的灵敏度可用光照特性来表征,它是指半导体器件产生的光电流(光电压)与光照Z 间的关系。 光电器件的光谱特性是指相対灵敏度与入射光波长之间的关系,又称为光谱响应。 5.12 答:略。 第六章 6.1 答:磁敏传感器是把磁物理量转换成电信号的传感器,大多是棊于载流子在磁场屮受洛伦兹 力的作用而发生偏转的机理实现对相关物理量的信号检测。 6,2 答:当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出 现电势差,这一现象就是霍尔效应。 霍尔电势的人小正比于控制电流I和磁感应强度Bo 6.3 答:激励电极问的电阻值称为输入电阻,霍尔电极输出电势对外部电路来说相当于一个电压 源,其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零、环境温度为2°±5摄氏 度时所确定的,实际阻值会随着温度的不同而变化。 6.4 答:当霍尔元件通以额足激励电流时,如果所处磁感应强度为零,那么它的霍尔电势应该为 零,但实际不为零。这是测得的空载电势称为不等位电势。不等位电势可以用不等位电阻表 示。不等位电势就是激励电流流经不等位电阻所产生的电压。 6.5 答:产生不等位电势的原因主要有:霍尔电极安装位置不对称或不在通以等电位面上。此外, 材质不均匀、儿何尺寸不均匀等原因对不等位电势也有一定的影响。 补偿:可以把霍尔元件等效为电桥电路,根据测量判断应在某一桥臂上并连上一定的电阻。 6.6 答:霍尔元件与一般半导体期间一样,对温度变化十分敏感。这是由于半导体材料的电阻率, 迁移率,迁移率和载流子浓度等随温度变化的缘故。崔尔元件的灵敏度稀疏是温度的函数, 它随温度变化将引起霍尔电势的变化。 答:影响温度特性的因素有半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等。 选用温度系数小的元件或采用恒温措施,还可以釆用恒流源供电,减少由于输入电阻随温度 变化引起的激励电流变化所带来的印象,此外补偿电路也可以起到作用。 6.8 答:略。 6.9 答:略。 6.10 答:湿度是表示大气中水汽含量的物理量。它有两种表示方法。 绝对湿度:指单位体积大气中水汽的质量。 相对湿度:指某一被测气体的绝对湿度与同一温度下水蒸气已达到饱和的气体的绝对湿度之 比。 6.11 答:湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电信号输出的器件或装置,通常 是由湿敏元件及转换电路组成。 种类:按输出的电学量可分为电阻型、电容型和频率型等;按照探测功能科分为绝对湿度型、 相对湿度型;按材料可以分为陶瓷式、半导体式和电介质、有机高分子式等;如果按水分子 是否渗入固体内可以分为“水分子亲和力型”和“非分子亲和力型”两大类。 6.12 答:半导体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而 制成的。当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导体表面而被吸收式,被吸附的分 子首先在表面物性自由扩散,失去运动能量,一部分分子被蒸发掉,另一部分残留分子产生 热分解而固定在吸附出。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时,吸附分子将从器件夺 得电子而变成负离子吸附,半导体表而呈现电荷层。如杲半导体的功函数大于吸附分子的离 解能,吸附分子将向器件释放出电子,而形成正离子吸附。当氧化型气体吸附到N型半导 体上,还原型气体吸附P型半导体上时,半导体的载流子减少,电阻值增大。当还原型气体 吸附到N型半导体上时,氧化型气体吸附到P型半导体上时,半导体的载流子增多,电阻 值下降。若气体浓度发生变化,其组织也将变化。 6.13 答:用以将附着在敏感元件表面的尘埃、油雾等烧掉,加速气体的吸附,从而提高器件的灵 敏度和响应速度。 6.14 答:光在半导体中传播时的衰减,是由于半导体带加点字吸收管子而从价带跃迁到导带的结 果,这种吸收光子的过程称为本征吸收。实验表明,波长短的光子衰减较快,穿透深度较浅, 而波长长的光子则能进入硅的较深区域。通过进一步的分析可以发现,浅的P-N结有较好的 的蓝紫光灵敏度,深的P?N结则有利于红外灵敏度的提高。半导体色敏器件正是利用了这一 特性。半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合。紫外光部分吸收系数大, 经过很短距离已基本吸收完毕。因此浅结的那只光电二极管对紫外光的灵敏度高。而红外部 分吸收系数小,这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此深结的那只光电二极管对红外 光的灵敏度高。这就是说,在半导体中的不同区域对不同波长分别具有不同的灵敏度。正是 由于这一种特性使得这种器件可以用于不同颜色的识别,也就是可以用来测量入射波长的波 长。 半导体色敏传感器具体应用时,应先对色敏器件进行标定,也就是说测定不同波长的光照射 下器件中两只光电二极管短路电流的比值。 第七章 7.1 答:红外探测器种类有很多,按探测机理的不同,可分为“热探测器”和“光子探测器”两 大类。 7.2 答:红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。 红外测温仪的测温原理是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号,红外线辐射能的 大小与物体本身的温度相对应,根据转变成电信号的大小,可以确定物体的温度。 7.3 答:按波在介质中的传播方向,超声波可以分为纵波、横波和表血波。超声波的传播速度主 要与介质密度和弹性特性有关。在固体介质中,纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的 关系:通常可认为横波声速为纵波的一半,表面波声速为横波声速的90%。在气体介质中纵 波声速为344m/s,液体介质屮纵波声速为900~1900m/So 答:略 7.5 答:光在纤芯和包层的界面上反复多次全反射,呈锯齿波形状在纤芯内向前传播,最后从光 纤的另一端射出,从而实现了光在光纤内的传输。入射角需要小于临界角。 7.6 答:入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输,只是在某个角度范围内的入射光才可以。 这个角度a的正弦值就称为光纤的数值孔径(NA = sina)o 7.7 答:略 7.8 答:光纤温度传感器主要由包括端部掺杂的光纤传感头、Y型石英光纤传导朿、超高亮发 光二极管(LED)及驱动电路、光电探测器、荧光信号处理系统和辐射信号处理系统组成。 测量原理主要是利用部分物质吸收的光谱随温度变化而变化的原理,分析光纤传输的光谱了 解实时温度。 7.9 答:略 7.10 答:按照记录方式,核辐射探测器大体上分为计数器和径迹室两大类。它们利用了核辐射射 线与物质间相互作用,包括电离作用、散射与吸收等特性。 7.11 答:核辐射厚度传感器又称同位素厚度传感器,它利用核辐射线进行测量。可分为穿透式和 反射式两类。穿透式传感器由同位素核辐射源和核辐射传感器组成。被测的塑料料板、纸板、 橡皮板等材料在辐射源和传感器之间经过。当射线穿过板材时,一些射线被板材吸收,使传 感器接收到的射线减弱。对于密度不变的材料,辐射吸收量随厚度变化,因此可测出厚度。 反射式核辐射厚度传感器利用射线的弹性散射特性测皐厚度。射线的反射强度是被测材料厚 度的函数,因此测量反射强度就可确泄厚度。 7.12 答:生物传感器由生物敏感膜和变换器构成,被测物质经扩散作用进入生物敏感膜层,经分 子识别,发生生物化学反应(物理、化学变化),产生物理、化学现象货产生新的化学物质, 利用相应的变换器将其转换成量化的、可传输和处理的电信号。 7.13 答:将生物体内具有奇特与敏感功能的生物物质固定在基质或载体上,就构成了生物敏感膜。 7.14 答:生物敏感膜的固化是指将生物活性材料固定在载体(或称基质)上这一过程。常用的生 物敏感膜固化技术主要有夹心法、吸附法、包埋法、供价连接法、交联法。 第八章 8.1 答:垂直而均匀地作用在单位面积上的力称为压力。压力可表示为p=F/S,在国际单位中压 力的单位为牛顿/平方米,用符号/加二压力单位又称为帕斯卡或简称帕,符号为Pa, \Pa = \N/m\因帕单位太小,工程上常用千帕或者兆帕表示。 8.2 解:容器顶部处的绝对压力为 $ = 6SkPa + \0\.3kPa = 169.3kPa 容器底部处的绝对压力为 Pi2 = 450kPa +101 ?3d = 551.3kPci 顶部和底部间的差压为 AP =许—:=169.3kPa - 5513kPa = —382kPa 答:弹簧管压力计主要是利用弹簧管的形变通过变换放大机构带动指示机构给出压力示值。 弹簧管压力计主要由弹簧管、扇形齿轮、拉杆、底座、中心齿轮、游丝、表盘、指针、调节 开口槽等组成。 8.4 答:为提高弹簧管压力计灵敏度,可以采用多圈弹簧管。 8.5 答:双波纹管式压差计的波纹管内充满液体是为了用来传递压力。 8.6 答:谐振式压力传感器是靠被测压力所形成的应力改变弹性元件的谐振频率,通过测量频率 信号的变化来检测压力。这种信号特别适合与计算机配合使用,组成高精度的测量、控制系 统。 8.7 答:选择压力检测仪表应根据具体的情况,在满足生产工艺对压力检测要求的情况下,本着 节约的原则,合理地选择压力仪表的类型、量程、精度等级等。 8.8 解:设压力表量程为A,则根据最大工作压力有 A\A^2!3 = 2AMPci 根据最小工作压力用 Av0.5 一 l/3 = 1.5MPa 故根据仪表的量程系列,可选用量程范围为0-2.5MPa的压力表。 由题意可知,被测压力所允许的最大绝对误差为 A max = 1.4x5% = 0.07MPa 仪表精度等级的选取应使得其最大引用误差不超过允许测量误差。对于测量范围 0-2.5MPa的压力表,其最大引用误差为 Y = ±0.07 MPa x 100% /1 AMPa = ±5% 故选取2.5级的压力表。 8.9 解:设压力表量程为A,由题意可知。被测压力平稳变化 A〉6 + 2/3 = 9MPq 故选取测量范围为0~9MPa的压力表。 要求测量误差不超过±0.06MPa,故最大引用误差为 / = ±0.06MPa / 9MPa x 100% = ±0.6% 故选取精度等级为1.0级的仪表。 8.10 答:略。 8.11 答:要实现准确的压力测量需要准确的压力仪表,并且根据具体被测介质、管路和环境条件, 选取适当的取压点、正确安装引压管路和测量仪表。 8.12 答:圧力变送器的作用是将压力传感器的输出通过一定的变送电路转换成形式和数值范围都 符合工业标准的信号。 设所测差压是xMPa,则 xMPa - OMPa _ \ 5 mA-4mA l.6MPci - OMPa 20mA - 4mA 解得 x = 1.1 所以所测差压为l.IMPao 8.13 答:感压元件前的引压管道和空腔的存在会引起压力信号的衰减和相位滞后,这会使整个测 量系统的响应速度大大低于传感器的响应速度,造成动态压力测量的严重失真,因此必须予 以考虑。 第九章 9.1 经验温标主要有(1)华氏温标(2)摄氏温标;华氏温标定义:标准仪器是水银温度计,选 取氯化镀和冰水混合物的温度为零度,选取人体温度为100度。水银体积膨胀被分为100 份,对应每份的温度为1华氏度,单位为F〃。摄氏温标定义:在标准大气压下,冰水混合 物的温度为0度,水的沸点为100度,中间划分为100等份,每等份为1°C。 9.2 经国际协议产生的国际实用温标,其指导思想是要它尽可能地接近热力学温标,复现精度高, 且使用于复现温标的标准温度计,制作较容易,性能稳定,使用方便,从而使各国均能以很 高的准确度复现该温标,保证国际上温度量值的统一。 9.3 把整个温标分成4个温区,其相应的标准仪器如下:①0.65—5.0K,用和蒸汽温度 计;②3.0-24.5561K,用和4He定容气体温度计;③13.803K-961.78cC,用钳电阻温度 计;④961.78°C以上,用光学或光电高温计。 9.4 通常分为接触式与非接触式两大类;特点见P209,表9-2。 9.5 (1)优良的热电特性(2)良好的物理特性(3)优良的化学性能(4)优良的机械性能(5) 足够的机械强度和长的使用寿命(6)制造成本低,价格比较便宜 9.6 双金属温度计的工作原理是利用二种不同温度膨胀系数的金属,为提高测温灵敏度,通常将 金属片制成螺旋卷形状,当多层金属片的温度改变时,各层金属膨胀或收缩量不等,使得螺 旋卷卷起或松开。由于螺旋卷的一端固定而另一端和可以自由转动的指针相连,因此,当双 金属片感受到温度变化时,指针即可在一圆形分度标尺上指示出温度来。参见P212;通常 用在测温和控温精度不髙的场合。 9.7 热敏电阻和热电阻相比具有下列优点:①灵敏度高,其灵敏度比热电阻要大1?2个数量级; ②标称电阻有儿欧到十儿兆欧之间的不同型号、规格,可很好地与各种电路匹配,而且远距 离测量时几乎无需考虑连线电阻的彫响;③体积小(最小珠状热敏电阻直径仅0.1?0.2 mm), 可用来测量“点温〃。④热惯性小,响应速度快,适用于快速变化的测量场合。⑤结构简单、 坚固,能承受较大的冲击、振动;采用玻璃等材料密封包装后,对应用于有腐蚀性气氛等的 恶劣环境;⑥资源丰富,制作简单、可方便地制成各种形状,易于大批量生产,成木和价格 十分低廉。 9.8 热电阻的外引线 它的主要优点是:①测虽范围宽,铠装热电偶规格多,品种齐全,适合于各种测量场合,在 —200~160°C温度范围内均能使用;②响应速度快,与装配式热电偶相比,因为外径细,热容 量小,故微小的温度变化也能迅速反应,尤其是微细铠装热电偶更为明显,露端铠装热电偶 的时间常数只有0.01S;③挠性好,安装使用力便,铠装热电偶材料对在其外径5倍的圆柱体 上绕5卷,并可在多处位置弯曲;④使用寿命长,普通热电偶易引起热电偶劣化,断线等事 故,而铠装热电偶用氧化镁绝缘,气密性好,致密度高,寿命长;⑤机械强度,耐压性能好, 在有强烈震动、低温、高温、腐蚀性强等恶为条件下均能安全使用,铠装热电偶最高可承受 36kN/cm2的压力;⑥铠装热电偶外径尺寸范围宽,铠装热电偶材料的外径范围:0.25-8mm, 特殊要求时对捉供直径达12mm的产品;⑦铠装热电偶的长度可以做得很长,铠装热电偶 材料的最大长度可达500mo 9.11 若实际物体在某一波长下的光辐射度(即光谱辐射亮度)与绝对黑体在同一波长下的光谱 辐射度相等,则黑体的温度被称为实际物体在该波长下的亮度温度;物体辐射线处的单色辐射率分别为与£2,与温度为Tc的黑体的相应辐射率相等时,此黑体的温 度Tc称为该物体的颜色温度或比色温度;比色高温计测量相对比值的精度总高于测量它们 绝对值的精度,另外对环境要求低,接近真实温度,因而准确度通常较髙。 第十章 10.1 答:在现代工业生产和科学研究小,流体的流量是一个重要的参数。流量检测的主要任务 有两类:一是为流体工业提高产品质量和生产效率,降低成本以及水利工程和环境保护等做 必要的流量检测和控制,二是为流体贸易结算、储运管理和污水废气排放控制等做总量计量。 10.2 答:瞬时流量: 所谓流量,是指单位时间内流体经过管道或明渠某横截而的数量,乂称瞬时流量。当流 体以体积表示时称为体积流量,以质量表示时成为质量流量。在工业生产中,瞬时流量是涉 及流体介质的工艺流程屮为保持均衡稳定的生产和保证产品质量而需要调节和控制的重要 参量。 累积流量: 在工程应用中,往往需要了解在某一时间段内流郭某截面积流体的总量,即累积流量。 累积流量是有关流体介质的贸易、分配、交接、供应等商业性活动中所必知的参数之一,是 计价、结算、收费的基础。 10.3 答:根据牛顿的研究,流体运动过程中阻滞剪切变形的黏滞力与流体的速度梯度和接触面积 成正比,并且与流体黏性有关,其数学表达式: du F =皿丁 dy 服从牛顿黏性定律的流体成为牛顿流体,比如水、轻质油、气体等。 10.4 答:管内流体有层流和紊流两种性质截然不同的流动状态。层流中流体沿轴向作分层平行流 动,各流层质点没有垂直于主流方向的横向运动,互补混杂,有规律的流线,层流状态流体 流量与流体压力降成正比;紊流状态管内流体不仅有轴向运动,而且还有剧烈的无规律的横 向运动,紊流状态流量与压力降的平方根成正比。这两种流动状态下,管内流体的流速分布 不同,可以用无量纲数一一雷诺数作为判别管内液体流动是层流还是紊流的判据。通常认为 雷诺数小于等于2320为层流状态,大于该数值时,流动就开始转变为紊流。 10.5 答:节流式流量计由节流装置、引压装置、三阀组和差压计组成。 节流式流量计中产生差压的装置称节流装置,其主体是一个流通面积小于管道界面的局 部收缩阻力件,称为节流元件。当流体流过节流元件时产生节流现象,流体流速和压力均发 生变化,在截留原件两侧形成压力差。实践证明,在节流元件形状、尺寸一-定,管道条件和 流体参数一定的情况下,节流元件前后的压力差与流体流量之间成一定的函数关系。因此, 可以通过测量节流元件前后的差压來测量流量。 10.6 答:标准节流装置是按标准规定设计、制造、安装、使用的节流装置,不必经过单独标定即 可投入使用。 我国现行国家标准为GB/T2624-93,标准中对节流元件的结构形式、尺寸、技术要求等 均已标准化,对収压方式、収压装置以及对节流元件前后直管段的要求都有相应规定,有关 计算数据都经过大量的系统实验而又统一的图表可供查阅。非标准节流装置成熟程度较差, 还没有列入标准文件。 10.7 答:理论上节流式流量计的压差应在上游取压孔中心与孔板前端面的距离为1D±O.1D,下 游取压孔中心与孔板后端面的距离随B值的不同而异,在(0.84-0.34)D之间。 由于理论上的下游収压点均在流朿的最小截面积区域内,而流朿最小截面是随流量而变 的,因而很少采用。 10.8 答:不正确。油的黏度与水的黏度不同、密度不同,相同流速产生的压差也不同。 10.9 答:为保证流体流到节流元件前达到充分的紊流状态,节流元件前后应有足够长的直管段。 标准节流装置组成部分中的测量直管段(前10D后4D, —般由仪表厂家提供)是最小直管 段L的一部分。由于工业管道上存在各种弯头、阀门、分叉、会合等局部阻力件,他们会使 平稳的流速受到严重的扰动,需要流经很长的直管段才能恢复平稳。因此,节流元件前后实 际直管段的长度要根据节流元件上下游局部阻力件的形式、节流元件的形式和直径比B决定。 10.10 答:容积式流量计的主要优点是:测量精度高,其基本测量误差--般可达±0.1%?±0.5%或 更高,而且计量特性一般不受流动状态影响,也不受雷诺数限制,常用在昂贵介质和需要精 确计量的场合;安装管道条件对流量计的测量精度没有影响,故流量及前后无直管段长度要 求;特别适合高粘度流体介质的测量;测量范围度较宽;直读式仪表,无需外加能源就可直 接读数得到流体总量,使用方便。 容积式流量计的主要缺点是:结构复杂,体积庞大,比较笨重,一-般只适用于屮小口径; 大部分容积式流量计对被测流体中的污物较敏感,只适用于洁净的单相流体;部分容积式流 量计(如椭圆齿轮、腰轮、活塞式流量计等)在测量过程中会给流体带来脉动,大口径仪表 还会产生噪声甚至使管道产生振动;可测量的介质种类、介质工况(温度、压力)和仪表口 径局限性较大,适应范围窄。 对测量管道:安装管道条件对流量计的测量精度没有影响,故流量及前后无直管段长度 要求。 10.11 答:对于层流,流速关系 冷=如[1 - (令2] 在0.04m处u=1.4m/s,所以,管道轴心处流速为: ux 1.4 Umax1 丽一=1.67m/s 丄5.1丿 平均流速是管中心最大流速的0.5倍(U = 0.5umax) Umax 1 所以瞬时体枳流量为: qv = uA = 0.5 x 1.67 x (0.1)2 x n = 0.02618m3/s 10.12 答: 工作原理:涡轮流量计是基于流体动量矩守恒原理工作的。当流体通过管道吋,冲击涡轮叶 片,对涡轮产生驱动力矩,使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力距而产生旋转。在一定的流量范 围内,对一定的流体介质黏度,涡轮的转速与流体的平均流速成正比,故流体的流速可通过 测暈涡轮的旋转角速度得到,从而可以计算流体流暈。涡轮转速通过磁电转换装置变成电脉 冲信号,经过放大、整形后送给显示记录仪表,经单位换算与流量积算电路计算出被测流体 的瞬吋流量和累积流量。 结构特点:涡轮流量计结构紧凑轻巧,安装维护方便,流通能力大。 使用耍求:涡轮流量计应水平安装,并保证其前后有足够长的直管段或加装整流器。要求被 测流体黏度低,腐蚀性小,不含杂质,以减少轴承磨损,一般应在流量计前加装过滤装置。 如果被测液体易汽化或含有气体时,要在流量计前装消气器。 10.13 答: 流体的瞬时流量:= £ = 般 =0.012n?/s Q 乙 Q U U U 5min 内的累积流量:Qp = qp x t = 0.012 x 5 x 60 = 3.6m3 10.14 答:流体振动式流量计的测量原理: 在特定的流动条件下,流体流动的部分动能会转化为流体振动,而振动频率与流速(流 量)有确定比例关系,依据这种原理工作的流量计成为流体振动式流量计。 两种类型: 这种流量计可分为利用流体自然振动的卡门旋涡分分离性和流体强迫振荡的旋涡进动 型两种,前者称为涡街流量计,后者称为旋进旋涡流量计。 特点: 涡街流量计可测气体、液体和蒸汽介质,压缩较旋进旋涡流量计为小,但直管段长度要 求高;旋进旋涡流量计压损较大,虽然原理上可测量液体,但现在还只能用于气体测量。不 过,旋进旋涡流量计直管段长度要求低,低流速特性好,目前在天然气流量检测方面应用较 多。 10.15 答:漩涡频率的检出有多种方式,可以检测在旋涡发生体上受力的变化频率,一般可用应力、 应变、电容、电磁等检测技术;也可以检测在旋涡发生体附近的流动变化频率,一般可用热 敏、超声、光电等检测技术。检测元件可以放在漩涡发生体内,也可以在下游设置检测器进 行检测。采用不同的检测技术就构成了各种不同类型的涡街流量计。 10.16 答:间接测暈和直接测暈两类。间接测暈方法通过测暈体积流暈和液体密度经计算得出质暈 流量,这种方式有成为推导式;直接式测量方法则由检测元件直接检测出流体的质量流量。 10.17 答:科里奥利流量计工作原理:是-?种利用流体在振动管屮流动而产生与质量流量成正比的 科里奥利力的原理來直接测量质量流量的仪表。 特点:科里奥利流量计能够直接测的气体、液体、和浆液的质量流量,也可以用于多相流测 量,且不受被测介质物理参数的影响,测量精度较高;对流体流速分布不敏感,因而无前后 直管段要求;可做多参数测量,如同期测量密度;流量范围度大,有些课高达(100:l)-(150:l)o 但科氏流量及存在零点漂移,影响其精度的进一步提高;不能用于低密度介质和低压气体测 量;不能用于较大管径;对外界震动干扰较为敏感,管道振动会影响其测量精度;压力损失 较大;体积较大;价格昂贵。 10.18 答:目前超声波流量计最常采用的测量方法分成两类:传播速度差

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