測試技術(shù)基礎(chǔ)寶典-清華汽車系(共41頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上題目為李老師和盧老師提供，（上）是信號處理部分，（下）為傳感器和測試電路部分所有答案為汽車系1字班合作而成，因?yàn)闀r(shí)間比較倉促，會有一些錯(cuò)誤，希望以后得ddmm們善用。測試技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)題（上）1. 測量的本質(zhì)和基本前提是什么？答：廣義的講，測量過程一方面是采集和表達(dá)被測物理量，另一方面是與標(biāo)準(zhǔn)做比較。測量的兩個(gè)基本前提是：（1）被測的量必須有明確的定義；（2）測量標(biāo)準(zhǔn)必須通過協(xié)議事先確定。2. 測試系統(tǒng)的組成原理。答：測試系統(tǒng)一般由三部分組成：信號的傳感部分、信號的調(diào)理部分、信號的顯示與記錄部分。信號的傳感部分一般是指傳感器，由它來感受被測物理量的變化，并轉(zhuǎn)化為電信號。

2、信號的調(diào)理部分一般由放大器、濾波器或其他電路元件組成，由它把傳感器得到的信號轉(zhuǎn)換為適合于顯示或記錄的新信號。信號的顯示與記錄部分一般指各種顯示儀表或計(jì)算機(jī)，由它把調(diào)理好的信號顯示或記錄下來，這樣測試者便知道了具體輸出的值。3. 平穩(wěn)隨機(jī)過程和各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過程的數(shù)字特征是什么?答：隨即過程的主要特征參數(shù)：（1）均值、均方值和方差對于一個(gè)各態(tài)歷經(jīng)過程，其均方值定義為：式中：變量x的數(shù)學(xué)期望值；樣本函數(shù)；T觀測的時(shí)間；均值信號的常值分量。隨機(jī)信號的均方值定義為：其中表示的數(shù)學(xué)期望值。均方值描述信號的能量或強(qiáng)度，它是平方的均值。隨機(jī)信號的方差定義為：方差表示隨機(jī)信號的波動分量，它是信號偏離其均值的平方

3、的均值。方差的平方根稱為標(biāo)準(zhǔn)偏差。上述三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系為：另外，均方值的平方根稱為均方根值。當(dāng)=0時(shí)，=實(shí)際工程中的估算公式：（2）概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)概率密度函數(shù)定義為：若隨機(jī)變量x的概率密度函數(shù)具有如下的經(jīng)典高斯形式：，則稱該過程為高斯過程或正態(tài)過程。概率分布函數(shù)表示隨機(jī)信號的瞬時(shí)值低于某一給定值x的概率，即式中：為值小于或等于x的總時(shí)間。概率密度函數(shù)與概率分布函數(shù)間的關(guān)系為：的值落在區(qū)間內(nèi)的概率為：對于上面提到的正態(tài)過程，隨機(jī)變量x的分布函數(shù)為：4. 證明富氏變換的對稱性和奇偶虛實(shí)性。答：（1）對稱性（亦稱對偶性）若，則有證明：因?yàn)?故有 將上式中的變量t換成，得 由于積分與變量

4、無關(guān)，再將上式中的換為t，于是得 上式表明，事件函數(shù)的傅里葉變換為，得證。（2）奇偶虛實(shí)性？若為時(shí)間t的實(shí)函數(shù)，則有，若為時(shí)間t的虛函數(shù)，則有。證明：設(shè)為時(shí)間的實(shí)函數(shù)，根據(jù)可得： 上式中頻譜函數(shù)的實(shí)部和虛部分別為：（1）得出頻譜函數(shù)的模和相角分別為：（2）由式（1）可見，由于為偶函數(shù)，而為奇函數(shù)，則當(dāng)為實(shí)函數(shù)時(shí)，對于來說有：，。由（2）式知，。另外，從式（1）還可知，若為時(shí)間t的實(shí)函數(shù)且為偶函數(shù)，即時(shí)，便為t的奇函數(shù)，則有；相反，便為t的偶函數(shù)，則有，由此可見為的實(shí)、偶函數(shù)。同理，若為t的實(shí)函數(shù)且為奇函數(shù)，即，則有，由此可見為的虛、奇函數(shù)。根據(jù)定義，的傅里葉變換可寫為： 令，得由于為的偶函數(shù)，

5、而為的奇函數(shù)，則有式中：為的共軛復(fù)函數(shù)。于是有：，亦稱傅里葉變換的反轉(zhuǎn)性。若為t的虛函數(shù)，則有：5. 傅氏變換的定義及主要性質(zhì)（奇偶虛實(shí)、對稱性、時(shí)移、頻移、能量積分）？答： 主要性質(zhì)：（1） 奇偶虛實(shí)性： （2） 對稱性 （3） 時(shí)移性 （4） 頻移性 （5） 能量積分亦稱為巴塞伐爾方程或能量等式。它表示一個(gè)非周期信號x(t)在時(shí)域中的能量可以由它在頻域中連續(xù)頻譜的能量來表示。6. 常見函數(shù)（正弦、余弦、矩形脈沖）的傅氏變換。7. 周期函數(shù)傅氏變換的特點(diǎn)。答：周期函數(shù)的傅立葉變換必然是離散的。具體來說，a、 對于一周期連續(xù)信號，此時(shí)傅立葉變換變?yōu)楦盗⑷~級數(shù)，因而其頻譜是離散的。式中：b、 對

6、于一周期離散的時(shí)間序列的傅立葉變換，其頻譜是周期離散的。具體說明見P89。8. 函數(shù)及性質(zhì)。9. 進(jìn)行離散富氏變換（DFT），對原時(shí)間歷程進(jìn)行了哪三次修改，為什么？10. 敘述采樣定理，進(jìn)行數(shù)字信號分析時(shí)，如何選擇采樣時(shí)間？11. 什么是頻率混淆和能量泄漏現(xiàn)象，能否避免？如何避免？12. 自相關(guān)函數(shù)定義及性質(zhì)。13. 自功率譜密度函數(shù)的定義及性質(zhì)。14. 相干函數(shù)的定義、性質(zhì)。15. 采樣時(shí)間與頻率分辨率的關(guān)系，如何兼顧？答：頻域采樣的時(shí)候，由于在頻段（）內(nèi)，有N個(gè)數(shù)據(jù)輸出，所以頻率采樣間隔是（這就是頻率分辨率），T就是采樣的總時(shí)間。實(shí)際上頻域采樣的時(shí)候選定窗的長度也就選定了頻譜的分辨率。T大

7、則小，但是T大對采樣系統(tǒng)的存儲、處理等的要求高。應(yīng)當(dāng)按照工程實(shí)際要求選取采樣時(shí)間。（參照采樣定理P97，采樣頻率通常選取為抗混濾波器截至頻率的34倍）【注：如何兼顧采樣時(shí)間和頻率分辨率書上沒有找到理論的定量分析，置疑】16. 頻響函數(shù)及脈沖響應(yīng)函數(shù)的定義及相互關(guān)系。答：對于穩(wěn)定的線性定常系統(tǒng)，可設(shè)，亦即原中的a=0,，此時(shí)，相應(yīng)的有稱為測試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。測試裝置在激勵(lì)輸入信號為單位脈沖函數(shù)時(shí)的輸出將是，其中H(s)為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。對Y(s)作拉普拉斯反變換即可得裝置輸出的時(shí)域表達(dá)h(t)稱為裝置的脈沖響應(yīng)函數(shù)或權(quán)函數(shù)。頻率響應(yīng)函數(shù)是在頻域里定義的，是傳遞函數(shù)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的特殊形式，不能反映

8、過渡過程。脈沖響應(yīng)函數(shù)是在時(shí)域里定義的，是輸入為單位脈沖時(shí)的輸出函數(shù)的時(shí)域形式。但是兩者是相互對應(yīng)的。 頻率響應(yīng)函數(shù)是的s算子直接轉(zhuǎn)化為得出的。由于，所以H(s)和Y(s)是相等的。h(t)和y(t)相等，經(jīng)Y(s)反傅里葉變換即可得到。17. 一階系統(tǒng)的輸入、輸出及系統(tǒng)傳遞特性之間的關(guān)系。答：一個(gè)線性系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系一般用微分方程來描述：其中：系統(tǒng)的輸入；系統(tǒng)的輸出；上式中若除了、和之外令其他所有的和均為零，則得到等式任何測試系統(tǒng)若遵循上式的數(shù)學(xué)關(guān)系則被定義為一階測試系統(tǒng)或一階慣性系統(tǒng)。將它兩邊都除以得令為系統(tǒng)靜態(tài)靈敏度；為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。對上式進(jìn)行Laplace變換，則有故系統(tǒng)的傳遞函數(shù)1

9、8. 測量誤差的類型。答：任何測試均有誤差，誤差E是指示值與準(zhǔn)確值的差。按誤差的性質(zhì)可將測量誤差分成隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差以及過失或非法誤差。1）系統(tǒng)誤差：每次測量同一量時(shí)，呈現(xiàn)出相同的或確定性方式的那些測量誤差稱為系統(tǒng)誤差，它常常由標(biāo)定誤差、持久發(fā)生的人為誤差、不良儀器造成的誤差、負(fù)載產(chǎn)生的誤差、系統(tǒng)分辨率局限產(chǎn)生的誤差等因素所產(chǎn)生。2）隨機(jī)誤差：每次測量同一量時(shí)，其數(shù)值均不一致、但卻具有零均值的那些測量誤差稱為隨機(jī)誤差。它產(chǎn)生的原因有：測量人員的隨機(jī)因素、設(shè)備受到干擾、試驗(yàn)條件的波動、測量儀器靈敏度不夠等。3）過失誤差或非法誤差：意想不到而存在的誤差。如實(shí)驗(yàn)中因過失或錯(cuò)位引起的誤差、實(shí)驗(yàn)之后的

10、計(jì)算誤差。當(dāng)獲得足夠多的測量值讀數(shù)時(shí)，隨機(jī)誤差可以通過統(tǒng)計(jì)分析來估計(jì)該誤差的或然率大小。系統(tǒng)誤差可采用將儀器同一更精確的標(biāo)準(zhǔn)加以比較，從人們對該儀器標(biāo)定的知識以及人們使用該特殊類型儀器的經(jīng)驗(yàn)中來加以估計(jì)。根據(jù)測量的類型也可將誤差分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。1）靜態(tài)誤差：這種誤差一般僅取決于測量值的大小，其本身不是時(shí)間的函數(shù)，稱為靜態(tài)誤差。2）動態(tài)誤差：在測量時(shí)變物理量時(shí)，要用微分方程來描述輸入輸出關(guān)系，此時(shí)產(chǎn)生的誤差不僅取決于測量值的大小，還取決于測量時(shí)的時(shí)間過程，稱為動態(tài)誤差。19. 測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確測量的條件答：理想化條件：，即系統(tǒng)的放大倍數(shù)為常數(shù)，這是理想化的條件；由于實(shí)際系統(tǒng)都有時(shí)間上的滯

11、后，因此上述條件應(yīng)被修改為：，上式的傅里葉變換表達(dá)式為，所以系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為：，幅頻和相頻特性分別為： 如果一個(gè)系統(tǒng)滿足上面的傳遞特性，即它的幅頻特性為一常數(shù)，相頻特性與頻率呈線性關(guān)系，那么稱該系統(tǒng)是一個(gè)精確的或不失真的測試系統(tǒng)。換種說法，就是精確測試系統(tǒng)的幅頻特性應(yīng)該是一條平行于頻率軸的直線，相頻應(yīng)是發(fā)自坐標(biāo)系原點(diǎn)的一條具有一定斜率的直 線，但實(shí)際測量系統(tǒng)具有一定的頻率范圍，只要再輸入信號的頻率范圍內(nèi)滿足上面的兩條即可。（見課本上P151圖3.33）需要說明的是，上面的條件由于輸出比輸入滯后，對于對時(shí)間的延遲要求不高或是沒有要求的工程應(yīng)用是滿足的，但是嚴(yán)格要求輸入輸出之間沒有滯后，則對相

12、角的要求應(yīng)改為20. 測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性包括哪些方面答：靜態(tài)特性： 重復(fù)性：亦稱精度。表示由同一個(gè)觀察者采用同樣的方法，條件以及儀器對同一被測量所作的一組測量之間的接近程度。它表征測量一起隨機(jī)誤差接近零的程度。 漂移儀器的輸入未產(chǎn)生變化時(shí)其輸出所發(fā)生的變化。 誤差系統(tǒng)誤差：每次測量同一量時(shí)，呈現(xiàn)出相同的或確定性方式的那些測量誤差。隨機(jī)誤差：每次測量同一量時(shí)，其數(shù)值均不一致，但卻具有零均值的那些測量誤差成為隨機(jī)誤差。過失誤差：意想不到而存在的誤差。 精確度測量儀器的指示值和被測量真值的符合程度。 靈敏度單位被測量引起的儀器輸出值的變化。 分辨率接近滿量程附近引起輸出變化的最小輸入變化量

13、。 線性度實(shí)際輸入輸出關(guān)系曲線和擬定直線的偏差，通常用最大偏差與量程的百分比表示。 遲滯，回差以及彈性后效遲滯回差：同一輸入值在增長過程中和減少過程中，對于同一輸入，輸出的差值。彈性后效：輸入增長后，減少至初始值，但是對應(yīng)輸出并不能回到初始值。 零點(diǎn)穩(wěn)定性被測量回到零值且其他變化因素被排除后，儀器回到零指示值的能力。動態(tài)特性：傳遞函數(shù)：定義見書P124頻率響應(yīng)函數(shù)：定義見書P126用傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)均可表達(dá)系統(tǒng)的傳遞特性，但含義不同。在推導(dǎo)傳遞函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的初始條件設(shè)為0，所以傳遞函數(shù)能反映包括過渡過程的全過程，而頻率響應(yīng)函數(shù)只能反映系統(tǒng)對簡諧輸入信號的穩(wěn)態(tài)輸入的輸出。 測試技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)

14、題（下）1傳感器的基本概念（定義、構(gòu)成） 傳感器是指將一個(gè)被測物理量按照一定的物理規(guī)律轉(zhuǎn)換為另一個(gè)物理量的裝置，它是敏感元件及其相關(guān)的輔助元件和電路組成的整個(gè)裝置，其中敏感元件是傳感器的核心部件。傳感器一般有三個(gè)部分組成：敏感元件：感受被測物理量的變化；傳感元件：傳遞被測物理量的變化；轉(zhuǎn)換元件：將非電物理量轉(zhuǎn)換為電量。2評價(jià)傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)（量程、過載能力、重復(fù)性、靈敏度、線性度、分辨率、穩(wěn)定性、零點(diǎn)漂移、遲滯等）量程：傳感器輸入的被測量范圍。一般用傳感器允許測量的上、下限值來表示。上限值又稱為滿量程值（F.S）。過載能力：傳感器允許承受的最大輸入量。在這個(gè)輸入量的作用下傳感器的各項(xiàng)性

15、能 指標(biāo)應(yīng)保證不超出其規(guī)定的公差范圍。通常用滿量程的百分比來表示。重復(fù)性：傳感器在同一工作條件下，重復(fù)地給與相同的輸入值時(shí)，所得到的一組輸出值之間的一致程度。衡量重復(fù)性的指標(biāo)，一般用極限誤差來表示。線性度：傳感器實(shí)際的輸入輸出關(guān)系曲線與選定的擬和直線之間的偏差。其在滿量程中的最大偏差與滿量程的百分比用來表示線性度。分辨率：傳感器在規(guī)定的測量范圍內(nèi),可能檢測到的被測信號的最小增量。一般用輸入達(dá)到滿量程附近時(shí)能檢測到的最小輸入增量來表示，或者用這個(gè)增量與滿量程的百分比來表示。閥值：在傳感器最小量程附近的分辨率稱為閥值。 穩(wěn)定性：傳感器在一個(gè)較長時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。一般以室溫條件下經(jīng)過一個(gè)規(guī)

16、定的時(shí)間后，傳感器輸出值與起始輸出的基準(zhǔn)值的差異程度來表示其穩(wěn)定性。表示方法如：_個(gè)月不超過_%滿量程輸出。零點(diǎn)漂移：傳感器輸入在零狀態(tài)時(shí),由各種干擾因素引起的輸出值的變化。一般分為時(shí)間漂移和溫度漂移。 遲滯（回差）：傳感器在輸入值增長過程（正行程）中和減少過程中，對同一輸入量輸出的差值。3 傳感器的頻率特性（含義、幅頻、相頻、表示方法）答： 不同頻率的正弦信號作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出與輸入間的幅值比、相角與角頻率之間的關(guān)系成為頻率特性，他表示傳感器在不同頻率下傳遞不同正弦信號的能力。記為G（j）。 其中：A()=|G(j)|,表示正弦輸出對正弦輸入的幅值比，它隨而變化，A()稱為幅頻特性。其中

17、：ImG(j)表示G(j)的虛部，RmG(j)表示G(j)的實(shí)部，上式表示正弦輸出對正弦輸入的相移，()稱為相頻特性。4 電阻式傳感器的基本原理（）及主要類型、特點(diǎn)工作原理電阻式傳感器被測量 電 阻 一個(gè)導(dǎo)體的電阻值按如下公式進(jìn)行變化： 式中：R-電阻，；-材料電阻率，mm/m; l-導(dǎo)體的長度，m; A-導(dǎo)體的截面積，mm;從上式可見，若導(dǎo)體的三個(gè)參數(shù)中一個(gè)或幾個(gè)發(fā)生變化，則電阻值跟著變化，因此可利用此原理制成傳感器。 主要類型、特點(diǎn)··滑動觸點(diǎn)式變阻器滑動觸點(diǎn)式變阻器是通過滑動觸點(diǎn)改變電阻絲的長度來改變電阻值的大小，進(jìn)而再將這種變化值轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。分為線位移與

18、角位移型兩種。 變阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便。常被用于線位移和角位移的測量，如發(fā)動機(jī)油門位置的測量等。··應(yīng)變式傳感器·電阻應(yīng)變式傳感器當(dāng)金屬電阻絲受拉或受壓時(shí)，電阻絲的長度、橫斷面積和電阻率會發(fā)生變化，引起電阻值的變化。·半導(dǎo)體應(yīng)變片單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受外力時(shí)，其電阻率隨之發(fā)生變化。這種效應(yīng)被稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬。由于半導(dǎo)體材料的原因，其缺點(diǎn)是溫度漂移、非線性大以及制造困難等。 5、滑動觸點(diǎn)式變阻器的負(fù)載效應(yīng) （公式推導(dǎo)、誤差分析、減少誤差的途徑）一、 定義滑動觸點(diǎn)式變阻器是通過滑動觸點(diǎn)改

19、變電阻絲的長度來改變電阻值的大小，進(jìn)而再將這種變化值轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。分為線位移與角位移型兩種。 二、 公式推導(dǎo)在直線位移傳感器中，觸點(diǎn)C沿變阻器表面在長度方向移動的距離x與A、C兩點(diǎn)間的電阻值R之間有如下關(guān)系： (4.2)式中：kt為單位長度中的電阻。當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí)為一常數(shù)，此時(shí)傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）間為線性關(guān)系，傳感器的靈敏度相應(yīng)地為： (4.3)在角位移傳感器中，其電阻值隨角度變化,傳感器的靈敏度為: (4.4)式中:-觸點(diǎn)轉(zhuǎn)角;kr-單位弧度對應(yīng)的電阻值。當(dāng)變阻器器后接一負(fù)載電阻電路時(shí)，會從傳感器抽取電流，形成負(fù)載效應(yīng)（如圖4.4.2）所示，開路時(shí)： （4.5）當(dāng)接

20、有負(fù)載電阻R1時(shí)， （4.6）公式推導(dǎo)如下: 開路電壓: 等效輸出電阻： 輸出電流： 輸出電壓： 三、 誤差分析開路情況下，Rt/RL=0時(shí)， ，輸入-輸出為一直線，電位計(jì)的靈敏度S=es/xt。有負(fù)載情況下，eo和xi之間存在非線性關(guān)系，當(dāng)Rt/Rl=1時(shí)，最大誤差為滿量程的12%。當(dāng)Rt/Rl=0.1時(shí)，誤差降為1.5%。四、 特點(diǎn)以及減少誤差的途徑 變阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便。常被用于線位移和角位移的測量，如發(fā)動機(jī)油門位置的測量等。 應(yīng)用中要注意的問題： 為了取得好的線性度：Rt/Rl應(yīng)盡量小，Rl ，Rt (但因流過Rt電流受熱耗散能量限制不能無限減小)。 變阻器

21、的非線性補(bǔ)償：可以采用觸點(diǎn)距離與電阻值成非線性關(guān)系的變阻器。 變阻器的分R辨率：線位移最好的為40m,角位移最好為0.1°。采用碳膜等材料可以提高分辨率。 6 電阻應(yīng)變片在溫度的影響主要體現(xiàn)在哪些方面，補(bǔ)償方法有哪些答：（一） 溫度是影響應(yīng)變片精度的主要問題。一是溫度引起應(yīng)變片電阻值的變化，二是應(yīng)變片與襯底材料的熱膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片在不受力而溫度變化時(shí)，也會誘發(fā)應(yīng)變和阻值變化。具體分析如下： 1、溫度變化引起應(yīng)變片本身阻值變化： 式中:RT-溫度引起的電阻變化值 ; T-溫度變化度數(shù) ;rf-金屬應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)，即單位溫度引起的電阻變化。由該電阻值的變化折算成應(yīng)變值為： 2

22、、絲與襯底材料線膨脹不同引起的附加應(yīng)變： 金屬絲的應(yīng)變： 襯底材料引起的應(yīng)變： 式中：g-絲線膨脹系數(shù) ;s-襯底線膨脹系數(shù)。 當(dāng)gs時(shí)，g和s不等，從而造成應(yīng)變誤差：這兩個(gè)因素造成的總附加應(yīng)變?yōu)椋?（二） 對溫度效應(yīng)可以進(jìn)行補(bǔ)償。一是電路補(bǔ)償，圖4.9所示，用一片補(bǔ)償應(yīng)變片，與工作片參數(shù)完全相同，布置在電橋相鄰兩臂，感受同樣的溫度變化，使溫度的影響抵消；二是采用特殊材料制造應(yīng)變片，使線膨脹系數(shù)和電阻變化造成的影響差不多相互抵消，達(dá)到補(bǔ)償目的。 7 電感式傳感器的基本原理、主要類型及應(yīng)用（可變磁阻、電渦流、互感）電感式傳感器：利用電磁感應(yīng)原理，將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電磁線圈的自感或互感量變化的一

23、種裝置。Ø 按其不同的轉(zhuǎn)換方式分為：自感式和互感式；Ø 按其不同的結(jié)構(gòu)方式分為：變氣隙式、變截面式和螺管式。 ··自感式·可變磁阻式適用于測量小位移，測量范圍為0.001mm1mm。應(yīng)用場合： 透平軸與殼體的軸向伸長； 磁性材料上非磁性材料的厚度； 管道中閥的位置； 測量微小位移。·電渦流傳感器 測量范圍：距離0mm30mm; 線性誤差：1%3%； 最大分辨率：0.05m具體應(yīng)用:a、測量軸振擺b、測量軸回轉(zhuǎn)c、測量轉(zhuǎn)速d、測量材料厚度e、物件計(jì)數(shù)f、表面探傷g、測位移h、測溫度。··互感式互感式傳感器（差動變壓器

24、式電感傳感器）的基本工作原理是電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。 特點(diǎn): 測量精度高（可達(dá)0.1m量級）； 線性量程大，可達(dá)±100mm； 穩(wěn)定性好，使用方便。應(yīng)用：圖4.358 說明渦流測振儀分壓調(diào)幅電路的工作原理（）渦流測振儀分壓調(diào)幅電路如圖所示：然后是這一電路的等效電路以及諧振曲線和輸出特性，如下：由電路可得輸出電壓：（其中，z為LC構(gòu)成的諧振回路等效阻抗，其大小為）在這個(gè)式子中，輸入電壓和分壓電阻R為定值，所以輸出電壓e是諧振回路等效阻抗Z的函數(shù)特別的，當(dāng)R>>Z時(shí)，有。再來看Z，輸入信號的圓頻率和電容C為定值，但是電感卻實(shí)的函數(shù)，所以，當(dāng)變化時(shí)，變化，從而Z變化，從而e變化

25、，這便是渦流測振儀分壓調(diào)幅電路的工作原理。我們可以結(jié)合上面的諧振曲線和輸出特性來定量地看一下，增大后，對應(yīng)的減小，由諧振頻率計(jì)算公式可知，諧振頻率增大，若是如上圖中所示，諧振頻率的增大是單調(diào)地遠(yuǎn)離輸入頻率，則輸出電壓隨之減小。9 畫出差動式位移傳感器的工作原理圖，并說明其工作過程差動式位移傳感器實(shí)質(zhì)上是變壓器，由于次級采用兩個(gè)線圈接成差動式，因此叫做差動式位移傳感器。工作原理：初級線圈接入穩(wěn)定的交流激勵(lì)電源，次級線圈感應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，當(dāng)被測參數(shù)使得互感M發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓也隨之變化。工作原理圖：見書上P191工作過程：當(dāng)鐵芯位于零位時(shí)，兩個(gè)次級線圈感應(yīng)出的電壓是一樣的，因此輸出為零；當(dāng)鐵芯

26、朝任一方向移動時(shí)，次級線圈中的一個(gè)具有較大的互感，而另一個(gè)具有較小的互感，這樣在零位兩側(cè)的一定范圍內(nèi)，輸出電壓與鐵芯位置便是一種線性關(guān)系。比如當(dāng)鐵芯位于零位上方時(shí)，上方的次級線圈互感增加，下方的次級線圈互感減少，兩者產(chǎn)生的感應(yīng)電壓不一樣，于是有了輸出。當(dāng)鐵芯位于零位下方時(shí)，正好與上方相反，下方的次級線圈互感增加，上方的次級線圈互感減少，因而輸出電壓也與上方時(shí)反相。根據(jù)輸出電壓的大小以及相位，即可知道鐵芯的位置。需要注意的是：感應(yīng)電動勢輸出eo與激勵(lì)輸入ex一般并不同相，但這一點(diǎn)隨激勵(lì)電壓頻率而改變，對于一個(gè)特定的差動式傳感器來說，總存在一個(gè)相位為零的特定頻率，零位移的激勵(lì)電源頻率由廠方給出。差

27、動式位移傳感器特點(diǎn)：測量精度高（可達(dá)0.1m級），線性量程大（可達(dá)±100mm），穩(wěn)定性好，使用方便，廣泛用于線性位移的測量，也可用于轉(zhuǎn)動位移的測量。通過彈性元件把壓力、重量轉(zhuǎn)化為位移之后，此傳感器也可用于測量壓力、重量的其他物理量。需要了解此傳感器電路公式推導(dǎo)的同學(xué)請參看書P193。10 電容式傳感器的基本原理、類型及各自特點(diǎn)答：電容式傳感器采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。其工作原理可通過下圖所示的平板電容器來加以解釋。平板式電容的電容可表示為：式中：A極板面積，m2；0真空介電常數(shù)，0=8.85×10-12F/m；極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)，

28、當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，=1；兩極板距離，m。由上式可知，改變A, 或的任何一個(gè)參數(shù)都能引起電容值的變化，據(jù)此可做成不同的傳感器，通?？煞譃槊娣e變化型、介質(zhì)變化型和間隙變化型三種。間隙變化型特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是非接觸式測量，因而對被測量影響小，靈敏度高；測量范圍：01mm；非線性誤差：1%3%；測量的頻率范圍：0Hz105Hz； 缺點(diǎn)是非線性誤差大，因此限制了它的測量范圍，且內(nèi)阻很大，雜散電容影響大，布線要求高。面積變化型特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：S=Cont,滿足線性關(guān)系；測量范圍大，線位移n厘米，角位移180°；測量頻率范圍：0Hz104Hz；可以接差動式。缺點(diǎn)：橫向靈敏度大；機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸要求精確；測量精度比

29、變隙式低。介質(zhì)變化型特點(diǎn)：（按照課本和課件的看法特點(diǎn)是優(yōu)缺點(diǎn)，但書本和課本只談?wù)摰綉?yīng)用，沒有提及優(yōu)缺點(diǎn)，暫略）11 以石英晶體為例，說明壓電材料的壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)材料在承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，內(nèi)部會產(chǎn)生極化作用，在材料兩個(gè)表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)原來狀態(tài)；反之，當(dāng)材料承受電場作用時(shí)，幾何尺寸會發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。下面以石英晶體為例，說明壓電效應(yīng)。石英晶體是各向異性體，即在各個(gè)方向是異性的。石英晶體是一個(gè)六棱柱，兩端是六棱錐。在結(jié)晶學(xué)中可以把它用三根互相垂直的軸來表示： zz軸：過正六棱體棱錐，稱為光軸； xx軸：經(jīng)過棱線垂直zz軸，稱為電軸； yy軸：與xx軸、zz軸

30、垂直，稱為機(jī)軸。通常把沿xx方向加力，產(chǎn)生電荷的效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)，而把沿機(jī)械軸yy方向加力產(chǎn)生的電荷效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。沿光軸zz加力，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。從晶體上沿yy方向切下一個(gè)平行六面體切片，使其晶面分別平行于晶體的三根晶軸。切片在受到沿不同方向的作用力時(shí)，會產(chǎn)生不同的極化現(xiàn)象。石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)理解釋Ø 在每個(gè)晶體單元中，它具有3個(gè)硅原子，6個(gè)氧原子，而氧原子是成對出現(xiàn)靠在一起的。每個(gè)硅原子帶4個(gè)單位正電荷，每個(gè)氧原子帶2個(gè)單位負(fù)電荷。Ø 在單元晶體中，硅、氧原子排成六邊形，所產(chǎn)生的極化效應(yīng)正好互相抵消。Ø 當(dāng)有外力作用，使這種平衡受到破壞時(shí)，

31、晶體單元被極化，產(chǎn)生壓電效應(yīng)。Ø 沿x軸加壓力Fx，上表面硅原子被擠入，表面帶負(fù)電荷，下表面氧原子被擠入，帶正電荷。加拉力時(shí)，表面產(chǎn)生的電荷符號相反。這是縱向壓力效應(yīng)。Ø 沿y軸加壓力，在垂直于y軸平面上，硅原子、氧原子均發(fā)生方向相反位移，因此，不產(chǎn)生電荷。而在垂直x軸平面上，硅原子、氧原子分別被擠出，因此，兩表面出現(xiàn)符號相反的電荷。受拉力時(shí)，兩表面產(chǎn)生的符號與受壓力時(shí)相反。 這橫向壓電效應(yīng)。Ø 由于原子排列沿ZZ軸是對稱的，因此，沿ZZ軸加力時(shí)，原子間的相對位置變化是相同的。因此，在任何表面均不產(chǎn)生電荷。 12電壓放大器、電荷放大器的工作原理及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。（葛

32、強(qiáng)強(qiáng)）答：電壓放大器工作原理 等效電路如圖:把放大器輸入端的電容、電阻等效為一個(gè)總的電容C、電阻R，考慮到負(fù)載影響時(shí)，根據(jù)電荷平衡建立方程：。式中：q壓電元件所產(chǎn)生的電荷量；C輸入端等效總電容量，C=Ci+Ca+Cc；其中Ca 為壓電傳感器等效電容，Cc 為電纜形成的雜散電容，Ci 為放電器輸入電容。ei電容上建立的電壓；i泄漏電流。而。式中：R輸入端等效電阻，R=Ri/Ra。當(dāng)測量時(shí)外力一交變力時(shí)，有：，為分析簡單，將L歸一化，得（）電荷q有兩個(gè)通路：在R上泄漏形成電壓降，在C上儲有電荷，即：或微分方程的穩(wěn)態(tài)解為：。其中：電容上的電壓值：。設(shè)放大器為一線性放大器，則放大器輸出優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，

33、費(fèi)用低。缺點(diǎn)：當(dāng)0=0，em=0,所以電壓放大器不能測量直流。當(dāng)0RC<<1時(shí)，em=R0q0，em隨0變化，測量誤差大。只有當(dāng)0RC>>1時(shí)，em=q0/C，em才與0無關(guān)。在em=q0/C中，C=Ci+Ca+Cc，因此電纜分布電容，放大器輸入電容不穩(wěn)定時(shí)，對測量結(jié)果會有影響，實(shí)際工作中，應(yīng)盡量減少Ci、Cc（采用短電纜或驅(qū)動電纜）。電荷放大器工作原理 等效電路如圖:當(dāng)忽略漏電阻Ra和放大器輸入電阻Ri的影響（Ri、Ra足夠大）式中：ei放大器輸入電壓；e0放大器輸出電壓；Cf放大器反饋電容。根據(jù)當(dāng)K足夠大時(shí)：有，則簡化為優(yōu)點(diǎn)：從上式可知，在一定條件下（Ra、Ri，即

34、傳感器漏電阻，放大器輸入電阻足夠大;K足夠大;C= C=Ci+Ca+Cc足夠小），電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷成正比，與電纜引線所形成的分布電容無關(guān)。消除了電纜長度對測量精度的影響。缺點(diǎn)：電路構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)高。需滿足特定條件。13 磁電式傳感器的工作原理、類型及其應(yīng)用（張濤）（參見課件4.10）答：磁電式傳感器是一種利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動速度轉(zhuǎn)換為線圈感應(yīng)電勢的傳感器。磁電式傳感器分為三類：動圈式、動鐵式、磁阻式動圈式和動鐵式傳感器：圖中(a)為線位移式，當(dāng)彈簧片2敏感一速度時(shí)，線圈4在磁場中作直線運(yùn)動，切割磁力線，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢：式中：B磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；l線圈的有效長度，m；W有效

35、線圈匝數(shù)，在均勻磁場中參與切割磁力線的線圈匝數(shù)；vy敏感軸（y軸）方向線圈相對磁場的運(yùn)動速度，m/s；線圈運(yùn)動方向與磁場方向夾角。當(dāng)=90°時(shí)有：，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)（B，l，W）確定后，。由于這種傳感器直接測量線圈速度，又稱速度傳感器。vy微分或積分，可以得到加速度和位移。圖4.75(b)為角速度型動圈式傳感器的結(jié)構(gòu)。線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時(shí)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢：式中：線圈轉(zhuǎn)動的角速度；A單匝線圈的截面積，m2；k依賴于結(jié)構(gòu)的參數(shù)，k<1。由上式可知，當(dāng)W、B、A確定時(shí)，感應(yīng)電動勢e與線圈相對于磁場的轉(zhuǎn)動角速度正比。將傳感器線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e經(jīng)電纜與電壓放大器相連接，感應(yīng)電勢經(jīng)

36、放大，檢波后即可推動知識儀表。磁電式速度傳感器有兩種絕對式速度傳感器、相對式速度傳感器。磁阻式傳感器傳感器的線圈與磁鐵固定不動，由運(yùn)動物體（導(dǎo)磁材料）運(yùn)動來影響磁路磁阻，從而引起磁場的變化，使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。14.光電傳感器的類型、原理、特點(diǎn)（總結(jié)表）（黃毅）答：原理器件特點(diǎn)外光電效應(yīng)電子吸收光子能量，克服逸出功逸出物體表面，在外電場作用下形成電流光電管頻譜靈敏度：陽極電壓恒定，光強(qiáng)恒定條件下，入射光波長與光電流I的關(guān)系。光電特性：陽極電壓恒定，入射光頻率成份恒定，光電流I與光通量之間關(guān)系。 氧銫陰極 頻譜靈敏度范圍：310×103閾波長：近似3×103逸出功：0.74

37、eV銻銫陰極頻譜靈敏度范圍：1.27×103閾波長：近似1.2×103A°逸出功：1.34eV伏安特性：入射光頻率、光強(qiáng)恒定條件下，光電流I與Ua的關(guān)系。當(dāng)Ua增加時(shí)，I趨于飽和，光電管一般工作在飽和區(qū)。光電倍增管設(shè)光電倍增管陽極電流I，陰極電流I0，則有：電流I流經(jīng)負(fù)載RL形成電壓降，給出輸出電壓。 一般陰極與陽極電壓1000V2000V；相鄰兩倍增極電壓差50V100V；電壓越穩(wěn)定越好，以減小波動引起的誤差。靈敏度高，所以適合在微弱光下使用，但不能接受強(qiáng)光刺激，否則易于損壞。內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)（續(xù)）半導(dǎo)體材料，電子吸收光子能量，發(fā)生能級躍遷，激發(fā)電子-空穴對

38、改變材料電阻率光敏電阻靈敏度高；光譜響應(yīng)范圍寬，從紫外一直到紅外；體積小；性能穩(wěn)定。光敏晶體管光敏二極管光照特性：光敏晶體管的光電流與入射光的照度之間關(guān)系曲線。光敏二極管照射特性的線性好于光敏三極管。光敏三極管在小照度，光電流增加較小在不同照度下，其伏安特性跟一般晶體管在不同基極電流時(shí)的輸出特性一樣伏安特性：光敏三極管的光電流比相同管型的二極管的光電流大數(shù)百倍。光敏二極管在零偏壓時(shí)仍有光電流輸出，這是由于光敏二極管的光生伏打效應(yīng)。光敏三極管光譜特性：當(dāng)入射光波長增加時(shí)，相對靈敏度均下降，這是由于光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當(dāng)波長減少時(shí)，靈敏度也會下降，光在半導(dǎo)體 表面附近激發(fā)的電子空穴

39、對不能達(dá)到PN結(jié)。硅管的峰值波長0.9m左右。鍺管的峰值波長1.5m左右。鍺光的暗電流比硅管大。在可見光范圍內(nèi)同硅比較合適，在紅外光范圍內(nèi)用鍺管合適。溫度特性：暗電流受溫度影響較大。輸出流受溫度影響較小。使用中對溫度影響要采取補(bǔ)償措施。響應(yīng)時(shí)間：光敏管的輸出與光照之間有一定的響應(yīng)時(shí)間，一般鍺管時(shí)間常數(shù)為左右，硅管為左右。光生伏打效應(yīng)半導(dǎo)體材料，電子吸收光子能量，形成電子-空穴對，在結(jié)電場作用下，形成電勢光電池 硅光電池：光譜范圍0.45-1.1m，在800左右有一峰值。靈敏度為：。響應(yīng)時(shí)間為幾微秒至幾十微秒。硒光電池：光譜范圍0.34-0.57m，比硅光電池窄得多，在5000左右有一峰值。15

40、 光敏電阻的主要性能指標(biāo)及其意義（周國強(qiáng)）答： 暗電阻、亮電阻、光電流 暗電阻：光敏電阻未受光照條件下，呈現(xiàn)的阻值，稱為“暗電阻”，此時(shí)流過電流稱為暗電流。 亮電阻：光敏電阻受到光照條件下，呈現(xiàn)的阻值，稱為“亮電阻”，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。光電流：亮電流與暗電流之間差稱為光電流。意義：光電流的大小表征了光敏電阻的靈敏度大小。 光照特性：光敏電阻的光電流I與光通量F的關(guān)系曲線稱為光敏電阻的光照特性。 伏安特性：在一定光照的條件下，光敏電阻兩端所施加的電壓與光電流的關(guān)系曲線稱為伏安特性。 曲線1：照度為零的伏安特性；曲線2：照度為某一值時(shí)伏安特性。 光譜特性 光敏電阻的相對靈敏度與入射光波長的

41、關(guān)系曲線，如圖4.88，三種材料的光譜特性。不同材料的光譜范圍不同；同一種材料在不同波段有不同靈敏度；光敏電阻的光譜分布與材料性質(zhì)、制造工藝有關(guān)。 頻率特性光敏電阻的光電流對光照強(qiáng)度變化的響應(yīng)時(shí)間，或光電流跟隨光強(qiáng)變化的能力，稱為頻率特性。一般用時(shí)間常數(shù)來描述。 光譜溫度特性 同一種材料的光敏電阻，在不同的溫度下，光譜特性不同。國16 霍爾元件的工作原理、霍爾電勢公式中每個(gè)參數(shù)的物理意義（葉明輝）答：霍爾元件的工作原理為霍爾效應(yīng)。如下圖所示，將霍爾元件（霍爾板）置于一磁場中，板厚d一般遠(yuǎn)小于板寬b和板長，在板長方向通以控制電流I時(shí)，板的側(cè)向（寬度方向）會產(chǎn)生電勢差，稱為霍爾電壓，這種現(xiàn)象稱為霍

42、爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于磁場中洛倫茲力Fm作用的結(jié)果。當(dāng)霍爾板為N型半導(dǎo)體材料時(shí)，在磁場作用下通以電流I時(shí)，半導(dǎo)體材料中的載流子（電子）將沿著與電流相反的方向運(yùn)動，帶電質(zhì)點(diǎn)在磁場中沿和磁力線垂直方向運(yùn)動時(shí)，都要受到磁場力亦即洛倫茲力Fm的作用：；在洛倫茲力的作用下，電子向板的一方偏轉(zhuǎn)，使板的一側(cè)積聚大量電子，面板的另一側(cè)相應(yīng)的缺少電子而積累正電荷，于是便形成一個(gè)電場E,該電場E又在電子上作用一個(gè)反作用力Fe:；當(dāng)作用力Fe與洛倫茲力Fm相等時(shí)，電子的累積達(dá)到一個(gè)動態(tài)平衡，由此則在一寬度為b的霍爾板上產(chǎn)生一電位差U。霍爾電勢公式中每個(gè)參數(shù)的物理意義：為霍爾電壓；為霍爾傳感器材料中帶電粒子（載

43、流子）的電荷（一般為電子的電荷）；為材料的載流子濃度；為板厚；為流經(jīng)板的控制電流（激勵(lì)電流）；為磁感應(yīng)強(qiáng)度。17試述霍爾乘法器的工作原理。（洪木南）答：由于霍爾電勢U正比于控制電流I和磁通密度B。如果采用一個(gè)流經(jīng)有的電磁鐵來產(chǎn)生磁通密度B，那么霍爾電勢U將隨著電流I和乘積的增加而增大。根據(jù)這一原理可得到能對電流進(jìn)行乘法運(yùn)算的部件。若控制電流I正比于一個(gè)用電器上的電壓，且當(dāng)流經(jīng)用電器的電流等于產(chǎn)生磁場的電流，亦即時(shí)，由此產(chǎn)生的霍爾電勢U便正比于轉(zhuǎn)換成用電器中的功率，即。18 試述N型（或P型）半導(dǎo)體氣敏器件的工作原理（鄧博）（書245頁）答：當(dāng)氣敏元件表面吸附有被測氣體時(shí)，其電導(dǎo)率發(fā)生了變化。簡

44、單地說，是一種氣-電轉(zhuǎn)換元件，其導(dǎo)電機(jī)理為：當(dāng)半導(dǎo)體氣敏元件表面吸附氣體分子時(shí)，由于二者互相接受電子的能力不同，產(chǎn)生了正離子或負(fù)離子吸附，引起表面能帶發(fā)生彎曲，導(dǎo)致了電導(dǎo)率的變化。半導(dǎo)體氣敏元件分為N型和P型兩種。以N型半導(dǎo)體氣敏元件為例（圖見書245頁）被吸附的氣體原子為C，當(dāng)其電子親和力大于半導(dǎo)體功函數(shù)時(shí)，亦即此時(shí)氣體分子的能級低于N型半導(dǎo)體費(fèi)米能級，從而在吸附后使吸附氣體原子從N型半導(dǎo)體內(nèi)獲得電子成為負(fù)離子。由于電子從半導(dǎo)體內(nèi)朝吸附氣體方向移動，吸附表面的靜電場增加，使能帶向上彎曲，形成表面空間電荷層，該電荷層的形成阻止了電子繼續(xù)向吸附表面的移動。隨著離子的不斷增加，電子向吸附表面的移動

45、也越來越困難。最后吸附表面與半導(dǎo)體內(nèi)部的費(fèi)米能級間達(dá)到一種新的平衡，吸附便停止。設(shè)碳原子的電子親和力為A，半導(dǎo)體吸附前的功函數(shù)為，C原子與半導(dǎo)體間的相互作用力為，則吸附開始時(shí)的親和力為；吸附后，由于能帶彎曲形成表面空間勢壘，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)有。由于N型半導(dǎo)體的負(fù)離子吸附，使功函數(shù)增大，表面的電子濃度降低，從而使電導(dǎo)率降低。P型半導(dǎo)體正好與之相反，當(dāng)P型半導(dǎo)體的正離子吸附時(shí)，電導(dǎo)率下降。同樣當(dāng)N型半導(dǎo)體的正離子吸附時(shí)，能帶向下彎曲，使表面電子濃度增大，電導(dǎo)率增加。19二氧化錫半導(dǎo)體氣敏器件的選擇性、靈敏度與哪些因素有關(guān)，在使用中易受哪些因素的影響？（李可瑞）答：選擇性和靈敏度與添加劑成分添加劑含量燒

46、結(jié)溫度工作溫度有關(guān)。添加Pd，Pt可以提高選擇性和靈敏度。在同一溫度下，1.5%Pd對CO最靈敏，2.0%Pd對CH4最靈敏。工作溫度的影響：同一Pt含量，200oC時(shí)對CO最靈敏，400oC時(shí)對CH4最靈敏。使用中易受環(huán)境溫度和濕度的影響。環(huán)境溫度和濕度變化時(shí)，器敏器件特性會明顯變化，在實(shí)際使用中，要進(jìn)行溫度、濕度補(bǔ)償，以提高檢測精度和靈敏度 44r5yeryt435q2。20試述輻射溫度計(jì)的工作原理。（洪木南）答：運(yùn)用斯蒂芬-玻爾茨曼定律可進(jìn)行輻射溫度測量。下圖為一輻射溫度計(jì)原理圖。圖中被測物的輻射線經(jīng)物鏡聚焦在受熱板-人造黑體上，該人造黑體常為涂黑的鉑片，吸熱后溫度升高，該溫度便被裝在受

47、熱板上的熱敏電阻或熱電偶所測到。被測物通常為<1的灰體，若以黑體輻射作為基準(zhǔn)來定標(biāo)，則知道了被測物的值后，就可根據(jù)以及的定義來求出被測物的溫度。假定灰體輻射的總能量全部被黑體所吸收，即它們的總能量相等，即，式中，被測物體的比輻射率；0黑體的比輻射率；T被測物溫度；T0黑體溫度；斯蒂芬-玻爾茨曼常數(shù)。由此可得。21 熱敏輻射與光敏輻射原理上有什么不同，在應(yīng)用中各有什么特點(diǎn)（石英喬） 紅外探測器是一種能將紅外輻射轉(zhuǎn)化為電量的裝置。分為熱敏探測器和光敏探測器兩種。熱敏輻射光敏輻射熱敏探測器：利用半導(dǎo)體薄膜材料在受到紅外輻射時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)。光電探測器：一種半導(dǎo)體器件，它的核心是光敏器件，光子投射

48、到光敏元件上時(shí)，促使電子-空穴對分離，產(chǎn)生電信號。特點(diǎn)：（1）響應(yīng)時(shí)間長，約10-3s。（2）對各種波長的輻射有相同響應(yīng)。因?yàn)椴煌ㄩL的紅外輻射，只要功率相同，對物體的加熱效果是相同的。特點(diǎn)：（1）響應(yīng)快，最快響應(yīng)達(dá)ns級。（2）波長范圍固定，且有一個(gè)峰值波長p，如圖4.108所示。 超過p，響應(yīng)曲線迅速截至。這是因?yàn)槌^一定波長后，光子儲量減小，不足于激發(fā)電子釋出。（3）由于光電探測器以光子為單元起作用，因此必須在低溫下才能工作。22 試述熱像儀的工作原理及其應(yīng)用（書251頁）（徐必旋）答：被動式紅外熱成像是利用被測物體自身的紅外輻射來攝取物體的熱輻射圖像。這種成像稱為熱像。獲取熱像的裝置稱

49、為熱像儀。熱像儀無需外部光源，能精確地?cái)z取反映被測物溫差的熱圖像，使用方便，已成為紅外成像技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下：被測對象的熱輻射經(jīng)掃描透鏡2反射到一凹面鏡10上，反射后經(jīng)透鏡3和反射鏡4聚集在紅外檢測器5上。掃描鏡2可作水平方向掃描（行掃描），其框架可作垂直掃描（幀掃描），行、幀掃描的同步信號由行同步、幀同步信號發(fā)生電路產(chǎn)生，以控制掃描的協(xié)調(diào)進(jìn)行。紅外檢測器一般采用碲鎘汞光電型檢測器，它必須工作在77K的低溫下，因此被封裝在一個(gè)杜瓦瓶中，瓶中灌有液氮對紅外檢測器進(jìn)行冷卻，紅外檢測器將紅外熱輻射轉(zhuǎn)化為電信號，送往后續(xù)電路系統(tǒng)進(jìn)行處理。參考黑體一般用一塊銅塊制成，上面涂

50、有比輻射率為0.999的涂料。黑體本身無溫度控制，其溫度隨環(huán)境溫度變化而變化，因此常用一溫度轉(zhuǎn)換器測量參考黑體的溫度用作溫度補(bǔ)償。用一個(gè)斬波器來使探測器交替接收被測對象和參考黑體的輻射能，這樣可對環(huán)境溫度作補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)溫度絕對測量。從探測器出來的信號經(jīng)前置放大后送往A/D轉(zhuǎn)換器作模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送至計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的處理，用作顯示、記錄和圖象存儲。另外，探測器出來的信號經(jīng)放大后還可直接連至陰極射線管顯示器進(jìn)行圖象顯示。應(yīng)用：各種不同環(huán)境下的溫度檢測；無損缺陷的探查；用于公安和消防，對火災(zāi)現(xiàn)場的建筑物采用熱像儀可知建筑物中被燒毀的情況以及人員的情況；由于可在夜間工作，可用于公安夜間巡

51、邏，機(jī)場的夜間狀況監(jiān)測。另一個(gè)有效的應(yīng)用是用于臨床醫(yī)學(xué)診斷。23 CCD傳感器MOS電容式器件的工作原理答：固態(tài)圖像傳感器是一種大規(guī)模集成電路光電器件，又稱為電荷耦合器件（Charge Coupled Device），簡稱CCD器件。1. CCD的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu) CCD是一種高性能光電圖像傳感器件，由若干個(gè)電荷耦合單元組成，基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容器結(jié)構(gòu)。以P型或N型半導(dǎo)體為襯底。在半導(dǎo)體表面覆蓋一層厚120nm的SiO2層。SiO2表面依一定次序沉積一層金屬電極，構(gòu)成MOS電容式轉(zhuǎn)移器件，通常稱一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)為一個(gè)光敏元或一個(gè)像素。 根據(jù)不同應(yīng)用要求，將MOS陣

52、列加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCD器件。 一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)-光敏元 MOS陣列-若干個(gè)MOS結(jié)構(gòu)有機(jī)組合輸入、輸出結(jié)構(gòu)電荷存儲原理：MOS光敏元存儲電荷的方式與普通電容器不同，以P型半導(dǎo)體構(gòu)成的光敏元為說明：Ø 當(dāng)在其金屬電極（柵極）上加正偏壓Ug時(shí)（襯底接地），正電壓Ug超過MOS管的開啟電壓。Ø 由Ug形成的電場使Si-SiO2界面的勢能發(fā)生相應(yīng)變化。Ø 界面附近的多數(shù)載流子-空穴被排斥到襯底表面入地，半導(dǎo)體內(nèi)電子被吸引到界面上來。Ø 在表面形成一個(gè)帶負(fù)電的耗盡區(qū)，也稱表面勢阱，對負(fù)電子而言，耗盡區(qū)是個(gè)勢能很低的區(qū)域。Ø 在有光照射到硅片時(shí)，

53、在光的作用下半導(dǎo)體產(chǎn)生電子空穴對，由此產(chǎn)生的電子被附近的勢阱吸收。Ø 勢阱內(nèi)吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢阱附近的光強(qiáng)成正比。Ø 存儲了電荷的勢阱被成為電荷包。Ø 同時(shí)產(chǎn)生的空穴被電場排斥出耗盡區(qū)。Ug，表面勢（半導(dǎo)體表面與襯底的電勢差） ，光敏元容納電子數(shù)越多。光強(qiáng)，光生電子數(shù)量，光敏元電荷量。24 CCD傳感器輸出信號有哪幾種，與不同的光學(xué)器件結(jié)合時(shí)，有哪些方面的應(yīng)用答：CCD傳感器的輸出信號有以下特點(diǎn)：Ø 能夠輸出與光像位置對應(yīng)的時(shí)序信號。Ø 能夠輸出彼此獨(dú)立的模擬信號（脈沖形式）。Ø 能夠輸出焦點(diǎn)面信息的信號。 將不同光源與光

54、學(xué)透鏡、光導(dǎo)纖維、濾光片及反光鏡等光學(xué)器件靈活地與這個(gè)特點(diǎn)結(jié)合起來，就可以實(shí)現(xiàn)各種CCD傳感器的用途三種不同特點(diǎn)的輸出信號，經(jīng)過電子處理單元，可以實(shí)現(xiàn)多種參量的測量。 應(yīng)用舉例： 一維尺寸測量首先借助于光學(xué)成像法將被測物未知長度Lx投影到CCD線型傳感器上，根據(jù)總像素與被遮掩的像素?cái)?shù)目，可以計(jì)算出Lx。Ø 距透鏡a處有被測物，尺寸為Lx。Ø 距透鏡b處有CCD線型傳感器，總像素為N0。Ø 光由左方向右方發(fā)射，在整個(gè)視野L0中將Lx部分被遮擋。 Ø 與此對應(yīng)CCD上只有N1和N2兩部分接受光照，因此有：L0和N0已知， N1和N2可測得，所以Lx可以計(jì)算得到。 二維尺寸測量Ø 零件在生產(chǎn)線上一個(gè)接一個(gè)經(jīng)過CCD鏡頭。Ø CCD逐行掃描整個(gè)零件。Ø 將零件輪廓轉(zhuǎn)換為