檢測課后習(xí)題與答案

1、1.1 檢測的概念是什么？檢測是人們借助于專門設(shè)備，通過一定的技術(shù)手段和方法，對(duì)被測對(duì)象收集信息、取得數(shù)量概念的過程。它是一個(gè)比較過程，即將被檢測對(duì)象與它同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，獲得被檢測量為標(biāo)準(zhǔn)量的若干倍的數(shù)量概念。1.2 檢測有哪些分類方法？1 按檢測過程分類檢測方法可分為直接法、間接法和組合法。2按檢測方式分類根據(jù)獲取數(shù)據(jù)的方式，檢測可分為偏差式、零位式和微差式。3按接觸關(guān)系分類根據(jù)檢測敏感元件與被測介質(zhì)的接觸關(guān)系，檢測方法可分為接觸式和非接觸式兩種。4按被測量的變化快慢分類根據(jù)被測量的變化的快慢，可分為靜態(tài)檢測和動(dòng)態(tài)檢測兩類。5.按檢測系統(tǒng)是否施加能量分類根據(jù)檢測系統(tǒng)是否需要向被測對(duì)象

2、施加能量，檢測系統(tǒng)可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。1.3 什么是誤差？誤差產(chǎn)生的原因是是什么？誤差：檢測結(jié)果偏離真值的大小稱為誤差。檢測誤差的大小反映了檢測結(jié)果的好壞，即檢測精度的高低。產(chǎn)生測量誤差的原因主要有以下四個(gè)方面：（ 1 ）理論誤差與方法誤差；（ 2）儀器誤差；（ 3）影響誤差； （ 4）人為誤差。1.4 檢測系統(tǒng)由哪幾部分組成，各部分的作用是什么？檢測系統(tǒng)主要由敏感元件、信號(hào)的轉(zhuǎn)換與處理電路、顯示電路和信號(hào)傳輸電路組成。敏感元件：將非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；信號(hào)處理電路：將代表被測量特征的信號(hào)變換成能進(jìn)行顯示或輸出的信號(hào)；顯示電路：將被測對(duì)象以人能感知的形式表現(xiàn)出來；信號(hào)傳輸電路：將信號(hào)（數(shù)據(jù)

3、）從一點(diǎn)（或一個(gè)地方）送另一點(diǎn)（或地方）。2.1 什么叫溫標(biāo)？什么叫國際實(shí)用溫標(biāo)？用來衡量溫度的標(biāo)準(zhǔn)尺度，簡稱為溫標(biāo)。為了使用方便，國際上協(xié)商確定，建立一種既使用方便、容易實(shí)現(xiàn)，又能體現(xiàn)熱力學(xué)溫度（ 即具有較高準(zhǔn)確度） 的溫標(biāo)，這就是國際實(shí)用溫標(biāo)，又稱國際溫標(biāo)。2.2 測量放大器的基本要求有哪些？答： 一般來說，對(duì)放大器的基本要求是：增益高且穩(wěn)定，共模抑制比高，失調(diào)與漂移小，頻帶寬，線性度好，轉(zhuǎn)換速率高，阻抗匹配好，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高等。2.3 程控增益放大器的量程可由軟件自動(dòng)切換，其工作原理是什么？答：可編程增益放大電路的增益通過數(shù)字邏輯電路由給定的程序來控制。其內(nèi)部有多對(duì)增益選

4、擇開關(guān), 任何時(shí)刻總有一對(duì)開關(guān)閉合。通過程序改變輸入的數(shù)字量，從而改變閉合的開關(guān)以選擇不同的反饋電阻，最終達(dá)到改變放大電路增益的目的。2.4 傳感器輸入與輸出之間的耦合方式有哪些？各有什么特點(diǎn)？答：輸入與輸出之間的隔離方式主要有：變壓器耦合（ 亦稱電磁耦合） 、光電耦合等。變壓器耦合的線性度高、隔離性好、共模抑制能力強(qiáng)，但其工作頻帶窄、體積大、成本高，應(yīng)用起來不方便。光電耦合的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、重量輕、轉(zhuǎn)換速度快、工作頻帶寬，但其線性度不如變壓器耦合。光電耦合目前主要用于開關(guān)量控制電路。2.5 信號(hào)傳輸過程中采用電壓、電流和頻率方式傳輸各有什么優(yōu)缺優(yōu)點(diǎn)？各適用于什么場合？答： （ 1

5、）采用電壓信號(hào)傳輸，模擬電壓信號(hào)從發(fā)送點(diǎn)通過長的電纜傳輸?shù)浇邮拯c(diǎn)，那么信號(hào)可能很容易失真。原因是電壓信號(hào)經(jīng)過發(fā)送電路的輸出阻抗，電纜的電阻以及接觸電阻形成了電壓降損失。由此造成的傳輸誤差就是接收電路的輸入偏置電流乘以上述各個(gè)電阻的和。如果信號(hào)接收電路的輸入阻抗是高阻的，那么由上述的電阻引起的傳輸誤差就足夠小，這些電阻也就可以忽略不計(jì)。要求不增加信號(hào)發(fā)送方的費(fèi)用又要所提及的電阻可忽略，就要求信號(hào)接收電路有一個(gè)高的輸入阻抗。（ 2）采用電流信號(hào)傳輸，電流源作為發(fā)送電路，它提供的電流信號(hào)始終是所希望的電流而與電纜的電阻以及接觸電阻無關(guān)，也就是說，電流信號(hào)的傳輸是不受硬件設(shè)備配置的影響的。同電壓信號(hào)傳

6、輸?shù)姆椒ㄕ喾?，由于接收電路低的輸入阻抗和?duì)地懸浮的電流源（電流源的實(shí)際輸出阻抗與接收電路的輸入阻抗形成并聯(lián)回路）使得電磁干擾對(duì)電流信號(hào)的傳輸不會(huì)產(chǎn)生大的影響。如果考慮到有電磁干擾比如電焊設(shè)備和其他信號(hào)發(fā)射設(shè)備，傳輸距離又必須很長，那么電流信號(hào)傳輸?shù)姆椒ㄊ呛线m的。（ 3）采用頻率信號(hào)傳輸，可將電壓信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳送，可以很好地提高其抗干擾能力。V/F 轉(zhuǎn)換電路 將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，輸出信號(hào)的頻率 與輸入信號(hào)的電壓成比例。頻率信號(hào)傳輸廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)測 量儀器及遙測遙控設(shè)備中。2.6 在濾波電路中為彳f么普遍采用 RC有源濾波器？答：RC有源濾波器是目前普遍采用的一種濾波

7、器，在 RC無源濾波器的基礎(chǔ)上引入晶體管、運(yùn)算放大器等具有能量 放大作用的有源器件，補(bǔ)償電阻 R上損失的能量，具有良好 的選頻特性。2.7 非線性硬件校正方法有哪幾種？各自的工作原理 是什么？答：硬件校正的方法有很多，歸納起來有 3大類。第一 種方法是插入非線性器件，即在非線性器件之后另外插入一 個(gè)非線性器件（亦稱為線性化器或線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)），使兩者的 組合特性呈線性關(guān)系。第二種方法是采用非線性 A/D轉(zhuǎn)換器。 對(duì)于逐次比較型，可以利用按非線性關(guān)系選取的解碼電阻網(wǎng) 絡(luò)；對(duì)雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，可以通過逐次改變積分電阻值 或基準(zhǔn)電壓值來改變第二次反向積分時(shí)間，從而獲得非線性 A/D轉(zhuǎn)換電路。第三方

8、法是采用標(biāo)度系數(shù)可變的乘法器。由 于A/D轉(zhuǎn)換器和乘法器通常是多路測試系統(tǒng)中所有通道的共 同通道，很難做到使所有非線性傳感器都線性化，因此不常 用。4.1 簡述傳感器的組成及其各部分的功能？通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感 元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元 件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成 適于傳輸或測量的電信號(hào)部分。由于傳感器輸出信號(hào)一般都 很微弱，需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制 等，此外信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助的 電源，因此信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳 感器組成的一部分。隨著半導(dǎo)體器件與集成技

9、術(shù)在傳感器中 的應(yīng)用，傳感器的信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件一起集成在 同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。4.2 傳感器靜態(tài)特性性能指標(biāo)及其各自的意義是什 么？傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有線性度、遲滯、重復(fù)性、 靈敏度、分辨力、閾值、穩(wěn)定性、漂移等，其中，線性度、 靈敏度、遲滯和重復(fù)性是四個(gè)較為重要的指標(biāo)。線性度傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關(guān) 系的線性程度。靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義是輸出量增量 工丫與引起輸出量增量 Ay的相應(yīng)輸入量增量 Ax 之比。遲滯傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小 （反行程）變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為 遲

10、滯重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù) 多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度分辨力分辨力是用來表示傳感器或儀表裝置能夠檢測被測量 最小變化量的能力，通常以最小量程的單位值來表示。漂移傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出 量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移穩(wěn)定性穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分，對(duì)于傳感器， 常用長期穩(wěn)定性來描述其穩(wěn)定性，即傳感器在相當(dāng)長的時(shí)間 內(nèi)仍保持其性能的能力。閾值閾值是指傳感器產(chǎn)生可測輸出變化量時(shí)的最小被測輸 入量值。4.3 傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用什么方法描述？有哪些特 點(diǎn)？傳感器的動(dòng)態(tài)特性，可以通過傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及 傳感器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)來描

11、述。動(dòng)態(tài)模型是指傳感器在動(dòng)態(tài)信號(hào)作用下，其輸出和輸入 信號(hào)的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。動(dòng)態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函 數(shù)來描述。用微分方程作為傳感器的數(shù)學(xué)模型，其優(yōu)點(diǎn)是：通過求 解微分方程，容易分清暫態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，因?yàn)槠渫ń庵?與傳感器本身的特性及起始條件有關(guān)，而特解則還與輸入量 X有關(guān)。但是，求解微分方程很麻煩，為了求解方便，常采 用傳遞函數(shù)來研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性。盡管大多數(shù)傳感器的動(dòng)態(tài)特性可近似用一階或二階系 統(tǒng)來描述，但這僅僅是近似的描述而已，實(shí)際的傳感器往往 比簡化的數(shù)學(xué)模型要復(fù)雜。因此，傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性一 般并不是直接給出其微分方程或傳遞函數(shù)，而是通過實(shí)驗(yàn)給 出傳感器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)。通

12、過這些動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)來反映傳 感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。4.4 描述二階傳感器系統(tǒng)階躍響應(yīng)的主要指標(biāo)及其定義？1）時(shí)間常數(shù)T : 一階傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時(shí)間，稱為時(shí)間常數(shù)。4.5 ）延遲時(shí)間td :傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50%斤需的時(shí)間。3）上升時(shí)間tr :傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的 90%斤需的時(shí) 間。4）峰值時(shí)間tp :二階傳感器輸出響應(yīng)曲線達(dá)到第一個(gè) 峰值所需的時(shí)間。5）超調(diào)量仃：二階傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。6）衰減比d :衰減振蕩的二階傳感器輸出響應(yīng)曲線第 一個(gè)峰值與第二個(gè)峰值之比。5.1 什么是自感傳感器？為什么螺管式自感式傳感器比變氣隙式的測量范圍大？答：自感式傳感

13、器是把被測量轉(zhuǎn)換成線圈的自感L變化，通過一定的電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出的裝置。由于轉(zhuǎn) 換原理的非線性和銜鐵正、反方向移動(dòng)時(shí)自感變化的不對(duì)稱 性，變氣隙式自感傳感器（包括差動(dòng)式結(jié)構(gòu)），只有工作在很 小的區(qū)域，才能得到一定的線性度。而差動(dòng)螺管式自感傳感器的自感變化量Al與銜鐵的位移量3 c成正比，其靈敏度比單線圈螺管式提高一倍，線性 范圍和量程較大。5.2 在使用自感式傳感器時(shí)， 為什么電纜長度和電源頻 率不能隨便改變？答：等效電感變化量為LLe. LLe222（1 - 2LC）21 - 2LC L上式表明自感式傳感器的等效電感變化量與傳感器的電感L、寄生電容C及電源角頻率 仍有關(guān)。因此在使用自感

14、式傳感器時(shí)，電纜長度和電源頻率不能隨便改變，否則會(huì) 帶來測量誤差。若要改變電纜長度或電源頻率時(shí)，必須對(duì)傳 感器重新標(biāo)定。5.3 什么是互感傳感器？為什么要采用差動(dòng)變壓器式 結(jié)構(gòu)？互感式傳感器也稱為變壓器式傳感器，把被測位移轉(zhuǎn)換 為傳感器線圈的互感變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本 原理制成的，并且次級(jí)線圈繞組采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，故稱之為 差動(dòng)變壓器式傳感器，簡稱差動(dòng)變壓器。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，由于兩個(gè)次級(jí)線圈完全對(duì)稱， 通過兩個(gè)次級(jí)線圈的磁力線相等，互感M1 =M2 ,感應(yīng)電勢(shì)e21 =e22，總輸出電壓為0。當(dāng)銜鐵向左移動(dòng)時(shí)，總輸出 電壓u2 =&1 -&2 >0。當(dāng)鐵芯

15、向右移動(dòng)時(shí)，總輸出電壓 u2二金12 <0。兩種情況的輸出電壓大小相等、方向相 反。大小反映銜鐵的位移量大小，方向反映銜鐵的運(yùn)動(dòng)方向， 其特性曲線為 V形特性曲線。5.4 分析開關(guān)式全波相敏檢波電路的工作過程，它是如何鑒別被測信號(hào)的極性？答：圖（a）為開關(guān)式全波相敏檢波電路，取 R2 =RJ =R4 = R5=R6 =R7/2 A1為過零比較器，參考 信號(hào)ur經(jīng)過A1后轉(zhuǎn)換為方波u , U為u經(jīng)過反相器后的輸 出。若ur >0,則U為低電平，u為高電平，V1截止，V2 導(dǎo)通，運(yùn)算放大器 A2的反相輸入端接地，傳感器信號(hào) u2從 A2的同相輸入端輸入，輸出電壓 u0為R : R7、_

16、u0 - （1 ' ）u2 -u2R2 R5 R6R4當(dāng)&XA0時(shí)，u2與ur同頻同相，ur。，u20, u0 >0。當(dāng)"MO時(shí)，u2與ur同頻反相，ur >0, u2 <0 , u0 <0。若ur <0 ,則u為高電平，u為低電平，V1導(dǎo)通， V2截止，運(yùn)算放大器A2的同相輸入端接地，傳感器輸出電 壓u2從A2的反相輸入端輸入，輸出電壓 u0為R7u0 = - u2 = -U2R3 R4同理可得，當(dāng)Ax >0時(shí)，腳>0。當(dāng)&<0時(shí)，u0<0。由上述分析可知，相敏檢波電路的輸出電壓 u0不僅反映 了位移變化

17、的大小，而且反映了位移變化的方向。輸出電壓u0的波形如圖（b）所示。U2,%R7ur0 I I ' I-1 p r i I I i I i i i i I i I I i k i i i I » IiIi. I I IIi ia i i ii i iiivIkii i i Iii ia i i ii i iiiiiU上 oMnmmt（a）（b）5.5 零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么？如何消除？答：零點(diǎn)殘余電壓由基波分量和高次諧波構(gòu)成，其產(chǎn)生 原因主要有以下幾個(gè)方面。1）基波分量主要是傳感器兩次級(jí)線圈的電氣參數(shù)和幾 何尺寸不對(duì)稱，以及構(gòu)成電橋另外兩臂的電器參數(shù)不一致， 從而使兩個(gè)

18、次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)的幅值和相位不相等，即使調(diào) 整銜鐵位置，也不能同時(shí)使幅值和相位都相等。2）高次諧波主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。 當(dāng)磁路工作在磁化曲線的非線性段時(shí)，激勵(lì)電流與磁通的波 形不一致，導(dǎo)致了波形失真；同時(shí)，由于磁滯損耗和兩個(gè)線 圈磁路的不對(duì)稱，產(chǎn)生零位電壓的高次諧波。3）激勵(lì)電壓中包含的高次諧波及外界電磁干擾，也會(huì) 產(chǎn)生高次諧波?？梢詮囊韵聨追矫嫦?）從設(shè)計(jì)工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性。首先，要保證線圈 和磁路的對(duì)稱性，要求提高銜鐵、骨架等零件的加工精度， 線圈繞制要嚴(yán)格一致。采用磁路可調(diào)式結(jié)構(gòu)，保證磁路的對(duì) 稱性。其次，鐵芯和銜鐵材料要均勻，應(yīng)選高導(dǎo)磁率、低矯 頑磁力、低剩磁的導(dǎo)

19、磁材料。另外，減小激勵(lì)電壓的諧波成 分或利用外殼進(jìn)行電磁屏蔽，也能有效地減小高次諧波。2）選用合適的信號(hào)調(diào)理電路。消除零點(diǎn)殘余電壓的最 有效的方法是在放大電路前加相敏檢波電路。3）在線路補(bǔ)償方面主要有：加串聯(lián)電阻消除零點(diǎn)殘余 電壓的基波分量；加并聯(lián)電阻、電容消除零點(diǎn)殘余電壓的高 次諧波；加反饋支路消除基波正交分量或高次諧波分量。5.6 為什么說渦流式傳感器也屬于電感傳感器？答：渦流式傳感器是基于電渦流效應(yīng)原理制成的，即利 用金屬導(dǎo)體中的渦流與激勵(lì)磁場之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的原理 工作的。被測對(duì)象以某種方式調(diào)制磁場，從而改變激勵(lì)線圈 的電感。因此，電渦流式傳感器也是一種特別的電感傳感器。5.7 被測材

20、料的磁導(dǎo)率不同，對(duì)渦流式傳感器檢測有哪 種影響？試說明其理由。答：線圈阻抗的變化與金屬導(dǎo)體的電阻率/、磁導(dǎo)率卜、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵(lì)電流以及線圈到金屬 導(dǎo)體之間的距離x等參數(shù)有關(guān)。假設(shè)金屬導(dǎo)體是勻質(zhì)的，則 金屬導(dǎo)體與線圈共同構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，其物理性質(zhì)用磁導(dǎo)率 卜、電阻率P、尺寸因子r、距離x、激勵(lì)電流強(qiáng)度I和 角頻率等參數(shù)來描述，某些參數(shù)恒定不變，只改變其中的 一個(gè)參數(shù)，就構(gòu)成了阻抗的單值函數(shù)，由此就可以通過阻抗 的大小來測量被測參數(shù)。穿透深度h與線圈的激勵(lì)頻率f、金屬導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性質(zhì)有關(guān)，即h-:一；二年由式可以看出，當(dāng)激勵(lì)頻率 f 一定時(shí)，電阻率 P越大, 磁導(dǎo)率卜越小，穿透深度

21、越大。5.8 感應(yīng)同步器按其用途可分為哪兩類？各用在何種 場合？試舉例說明。答：感應(yīng)同步器按其用途可分為直線感應(yīng)同步器和圓感 應(yīng)同步器兩大類，前者用于直線位移的測量，后者用于角位 移的測量。直線感應(yīng)同步器已經(jīng)廣泛用于大型精密坐標(biāo)鍵床、坐標(biāo) 銃床及其他數(shù)控機(jī)床的定位、數(shù)控和數(shù)顯；圓感應(yīng)同步器則 常用于軍事上的雷達(dá)天線定位跟蹤等，同時(shí)在精密機(jī)床或測 量儀器設(shè)備的分度裝置上也有較多應(yīng)用。5.9 感應(yīng)同步器輸出的感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行如何處理？簡述各處理方式的原理。答：定尺繞組輸出的感應(yīng)電勢(shì)，能夠準(zhǔn)確地反映一個(gè)空 間周期內(nèi)的位移(或角度)的變化。為了使輸出感應(yīng)電勢(shì)與位 移(或角度)呈一定函數(shù)關(guān)系，必須對(duì)輸出的感

22、應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行處 理。感應(yīng)同步器輸出的感應(yīng)電勢(shì)是一個(gè)交變信號(hào)，可以用幅 值和相位兩個(gè)參數(shù)來描述。因此感應(yīng)電勢(shì)的測量電路有鑒幅 型和鑒相型兩種。鑒幅型電路是在滑尺的正弦、余弦繞組上供給同頻率、 同相位但不同幅值的激磁電壓，通過輸出感應(yīng)電勢(shì)的幅值來 鑒別被測位移的大小。在 取較小的情況下，感應(yīng)電勢(shì)的幅 值與 改成正比。當(dāng)x變化一個(gè)節(jié)距 W時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)的幅值 變化一個(gè)周期。通過檢測感應(yīng)電勢(shì)的幅值變化，即可測得滑 尺與定尺之間的相對(duì)位移 x。鑒相型電路是在滑尺的正弦、余弦繞組上供給頻率相 同、幅值相同、相位差為90°的交流激磁電壓， 通過檢測感 應(yīng)電勢(shì)的相位來鑒別被測位移量的大小。感應(yīng)電勢(shì)的相位

23、角 0隨x的變化規(guī)律，當(dāng)x變化一個(gè)節(jié)距 W時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)的 相位角Q變化一個(gè)周期，通過鑒別感應(yīng)電勢(shì)的相位角啊,例如同激磁電壓 艮相比較，即可以測出定尺與滑尺之間的相 對(duì)位移。6.1 什么是壓電效應(yīng)？壓電效應(yīng)的特點(diǎn)是什么？以石 英晶體為例，說明壓電元件是怎樣產(chǎn)生壓電效應(yīng)的？答：當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)施加壓力或拉力而使 其變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào) 相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng) 作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；產(chǎn)生的電荷量 與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng) 的特點(diǎn)是具有可逆性。當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場時(shí)， 電介質(zhì)本身

24、將產(chǎn)生機(jī)械變形， 外電場撤離，變形也隨著消失。石英晶體的壓電特性與其內(nèi)部分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。其化學(xué) 式為SiO2o在一個(gè)晶體單元中有 3個(gè)硅離子Si4+和6個(gè)氧 離子O2-,后者是成對(duì)的。所以一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交 替排列。當(dāng)沒有力作用時(shí)，Si4+與O2-在垂直于晶軸 Z的XY平面上的投影恰好等效為正六邊形排列。如圖6-4(a)所示；這時(shí)正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，它們所 形成的電偶極矩 PI、P2和P3的大小相等，相互的夾角為 120。因?yàn)殡娕紭O矩定義為電荷 q與間距l(xiāng)的乘積.即P =ql ,其方向是從負(fù)電荷指向正電荷，是一種矢量，所以正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和為零，即Pl+

25、P2+P3=0o 當(dāng)晶體受到沿X軸方向的壓力作用時(shí)，晶體沿 X軸方向產(chǎn)生 壓縮，正、負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之發(fā)生變化，如圖6-4(b)中虛線所示。此時(shí)正負(fù)電荷中心不重合.電偶極矩在X方向上的分量由于P1減小和P2、P3的增大面不等于零，在 X軸 的正向出現(xiàn)正電荷。電偶極矩在Y方向上的分量仍為零(因?yàn)镻2、P3在丫方向上的分量大小相等方向相反 ),不出現(xiàn)電 荷。由于Pl, P2和P3在z軸方向上的分量都為零，不受外 作用力的影響，所以在 Z軸方向上也不出現(xiàn)電荷。當(dāng)晶體受到沿 Y軸方向的作用力時(shí)，晶體的變形如圖 6-4(c)中虛線所示。與圖 6-4(b)的情況相似，P1增大，P2 和P3減小，在X軸

26、方向上出現(xiàn)電荷，它的極性與圖6-4(b)的相反。而在丫和Z軸方向上則不出現(xiàn)電荷。6.2 壓電傳感器為什么只適用于動(dòng)態(tài)測量？| |q答：壓電傳感器可以看作是區(qū)() 蠢一個(gè)帶電的電容器，當(dāng)外接負(fù)載LQ 時(shí)，只有外電路負(fù)載無窮大，內(nèi)部也無漏電時(shí)，受力所產(chǎn)生的電壓才能長期保存下來，若負(fù)載不是無窮大，則電路以時(shí)間常數(shù)RLCa按指數(shù)規(guī)律放電，無法測量。所以不能測量頻率低或靜止的參數(shù)。6.3 常見的壓電元件的組合形式有哪些？這些組合形式各適用于哪些場合？答：常見的壓電元件的組合形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式。其中并聯(lián)接法輸出電荷大， 本身電容也大，時(shí)間常數(shù)大, 適用于測量慢變信號(hào)，當(dāng)采用電荷放大器轉(zhuǎn)換壓電元件上的

27、輸出電荷q時(shí)，并聯(lián)方式可以提高傳感器的靈敏度，所以并 聯(lián)方式適用于以電荷作為輸出量的地方。串聯(lián)接法的輸出電 壓大，本身電容小，當(dāng)采用電壓放大器轉(zhuǎn)換壓電元件上的輸 出電壓時(shí)，串聯(lián)方法可以提高傳感器的靈敏度，所以串聯(lián)方 式適用于以電壓作為輸出信號(hào)，并且測量電路輸入阻抗很高 的地方。6.4 壓電傳感器為什么要接前置放大器？常用的前置放 大電路有幾種？各有什么特點(diǎn)？答：由于壓電傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，一般將電信 號(hào)進(jìn)行放大才能測量出來。但因壓電傳感器的內(nèi)阻抗相當(dāng) 高，不是普通放大器能放大的， 而且，除阻抗匹配的問題外, 連接電纜的長度、噪聲都是突出的問題。為解決這些問題， 通常，傳感器的輸出信號(hào)先由

28、低噪聲電纜輸入高輸入阻抗的 前置放大器。前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷 放大器。電壓放大器的輸出電壓與輸入電壓（即傳感器的輸 出電壓）成比例，這種電壓前置放大器一般稱為阻抗變換器； 電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷成比例。這兩種放大器的 主要區(qū)別是：使用電壓放大器時(shí)，整個(gè)測量系統(tǒng)對(duì)電纜電容 的變化非常敏感，尤其是連續(xù)電纜長度變化更為明顯；而使 用電荷放大器時(shí)，電纜長度變化的影響差不多可以忽略不 計(jì)。8.1. 電容式傳感器有哪三大類？分別適用于測量哪些 物理量？答：電容式傳感器分為變面積式電容傳感器、變間隙式C 2C0 2 SK = 二 2 = 2 -2可見，靈敏度比非差動(dòng)類而高一第0d

29、08.3. 電容式傳感器的寄生電容是怎樣產(chǎn)生的？對(duì)傳感 器的輸出特性有什么影響?答：寄生電容 CP主要指電纜寄生電容，它與傳感器電 容C相并聯(lián)。電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，一般 電容量都很小，幾個(gè)皮法到幾十皮法，屬于小功率、高阻抗 器件，極易受外界干擾，尤其是電纜寄生電容。寄生電容比 電容傳感器的電容大幾倍至幾十倍，且具有隨機(jī)性，又與傳 感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性，甚至?xí)蜎] 傳感器的有用信號(hào)，使傳感器無法使用。因此消滅寄生電容 的影響，是電容式傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵。8.4. 電容式傳感器能否用來測量濕度？試說明其工作 原理。答：采用變介電常數(shù)型的電容傳感器即可測量濕度。被

30、 測物質(zhì)作為介質(zhì)處于電容的兩個(gè)因定極板之間，濕度改變 時(shí)，介電常數(shù)發(fā)生變化，電容相應(yīng)發(fā)生變化，通過檢測電路 檢測電容的變化，即可反映濕度的變化。9.1 磁電式傳感器的基本原理是什么？答：磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量（如振動(dòng)、位移、車速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。磁電感應(yīng)傳感 器的工作原理可認(rèn)為是發(fā)電機(jī)原理。磁電傳感器以導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)電容傳感器、變介電常數(shù)式傳感器。變面積式電容傳感器可為基礎(chǔ)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律。 具有色匝的線圈，其內(nèi)的感應(yīng)用于檢測位移、尺寸等參量；變間隙式電容傳感器可以用來電動(dòng)勢(shì)e的大小取決于貫穿該線圈的磁通 中的變化速率.即測量微小的線位移；變介電常

31、數(shù)式傳感器可以用來測定各種dt介質(zhì)的物理特性（如濕度、密度等）9.2 .推導(dǎo)差動(dòng)式變間隙電容傳感器的靈敏度，并與單一 型傳感器進(jìn)行比較。答:9.3 磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的原因是什么？答：磁電式傳感器非線性誤差產(chǎn)生的原因是由于傳感器線圈內(nèi)有電流i經(jīng)過時(shí)，將產(chǎn)生一定的變化磁通i ,這種Ci -Co CSCodo -x=Co使得傳感器的靈敏度隨被測速度數(shù)值的增加而降低。當(dāng)動(dòng)圈 S-E、di = d2 = do，C運(yùn)動(dòng)善度與原方向相反時(shí)，感應(yīng)電勢(shì) u、線圈電流i及磁 do.刀通學(xué)者轉(zhuǎn)向，因此傳感器的靈敏度將隨被測速度v數(shù)值的_ di =do -x,d2 = do rx ,x、2/ x量本而增大L

32、其結(jié)果是使傳感器靈敏度在動(dòng)圈速度的不同方2 1 +（）2 +（ 一）4+ x 'doda上具有似的數(shù)復(fù)I do.'C2 -Co- C 二do xS因而a器輸出x勺速能量降低而諧=Co 1do交變磁通使得永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通減弱。當(dāng)傳感器線 圈相對(duì)于永久磁鐵的運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電 勢(shì)u和較大的電流i ,因此減弱磁場的作用也將加強(qiáng)，從而波的能量增加，既這種非線性特性同時(shí)伴隨著傳感器輸出的 諧波失真。9.4 試舉一磁電式傳感器的應(yīng)用的例子，并畫簡圖說明 其工作原理。答：任何非電量只要能轉(zhuǎn)換成位移量的變化，均可利用 霍爾式位移傳感器的原理變換成霍爾電勢(shì)?；魻柺綁毫鞲?/p>

33、 器就是其中的一種。它首先由彈性元件將被測壓力變換成位 移，由于霍爾元件固定在彈性元件的自由端上，因此彈性元 件產(chǎn)生位移時(shí)將帶動(dòng)霍爾元件，使它在線性變化的磁場中移 動(dòng)，從而輸出霍爾電勢(shì)?；魻柺綁毫鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)原理如圖 (a) 所示。彈性元件可以是波登管或膜盒或彈簧管。圖中彈性元 件為波登管，其一端固定，另一自由端安裝霍爾元件之中。 當(dāng)輸入壓力增加時(shí)，波登管伸長，使霍爾元件在恒定梯度磁 場中產(chǎn)生相應(yīng)的位移，輸出與壓力成正比的霍爾電勢(shì)。犯大式壓力傳運(yùn)踞結(jié)構(gòu)原理圖修胸刖外出9.5 什么是霍爾效應(yīng)？為什么半導(dǎo)體材料適合于做霍爾 元件？答：霍爾效應(yīng)為若在某導(dǎo)體薄片的兩端通過控制電流I ,并在薄片的垂直方向

34、上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，則，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為霍爾電勢(shì)或 霍爾電壓，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。霍爾系數(shù)：K=1/(n*q)式中,n為載流子密度，一般金屬中 載流子密度很大，所以金屬材料的霍爾系數(shù)系數(shù)很小，霍爾效應(yīng)不明顯，而半導(dǎo)體中的載流子的密度比金屬要小得多，所以半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)系數(shù)比金屬大得多，能產(chǎn)生較大的霍爾效，故霍爾元件不用金屬材料而是用半導(dǎo)體！9.6 霍爾元件產(chǎn)生不等位電勢(shì)的主要原因有哪些？怎樣 補(bǔ)償？答：不等位電勢(shì)是一個(gè)主要的零位誤差。造成不等位電 勢(shì)的主要原因是：在制作霍爾元件時(shí)，不可能保證將霍爾電 極焊在同一等位面上，如圖9-13所示。止匕外，霍爾元件材

35、料的電阻率不均勻，霍爾片的厚度、寬度不一致，電極與片子的接觸不良等也會(huì)產(chǎn)生不等位電勢(shì)9 913不等位電勢(shì)示意圖圖914霍樂兀仃等次七路在分析不等位電勢(shì)時(shí)，可以把霍爾元件等效為一個(gè)電橋，如圖9-14所示。電橋的四個(gè)橋臂為 門、r2、r3、r4。若兩個(gè)霍爾電極在同一等位面上時(shí)，r1=r2=r3=r4 ,則電橋平衡，輸出電壓U0為零。當(dāng)霍爾電極不在同一等位面上時(shí)，四個(gè)橋臂電阻不相等，電橋處于不平衡狀態(tài)，輸出電壓U0不為零?？梢?，補(bǔ)償?shù)姆椒ň褪亲岆姌蚱胶馄饋?，一般情況下，采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償，效果良好。上圖給出了幾種常見的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。(a) (b) (c) (d)均為控制電流為直流的情況下的補(bǔ)償。可見，

36、雖然在電路上有 所不同，但基本的補(bǔ)償思想都是一致的，都是通過并聯(lián)的可 調(diào)電阻通過阻值的調(diào)整而使得電橋電阻達(dá)到平衡。9.7 溫度變化對(duì)霍爾元件輸出電勢(shì)有什么影響？如何補(bǔ) 償？答：霍爾元件與一般半導(dǎo)體器件一樣，對(duì)溫度的變化是 很敏感的，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電阻率、載流子濃度等都 隨溫度而變化。因此，霍爾元件的輸入電阻、輸出電阻、靈 敏度等也將受到溫度變化的影響，從而給測量帶來較大的誤 差。為了減小測量中的溫度誤差、除了選用溫度系數(shù)小的霍 爾元件，或采取一些恒溫措施外，也可使用以下的一些溫度 補(bǔ)償方法；1）采用恒流源提供控制電流和輸入回路并聯(lián)電阻2）合理選擇負(fù)載電阻3）采用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償4）具

37、有溫度補(bǔ)償及不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)牡湫碗娐?.8 若一個(gè)霍爾器件的KH=40mV/（mA T）,控制電流I=3mA,將它置于10-40.5T變化的磁場中，它輸出的霍爾 電勢(shì)范圍多大？解：由已知條件可知：因此它輸出的霍爾電勢(shì)范圍為 -0.12V0.12V。10.1光敏電阻、光電二級(jí)管和光電三極管是根據(jù)什么原理工作的？光電特性有何不同？光敏電阻是一種基于半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)、由光電導(dǎo)材料制成的沒有極性的光電元件，也稱為光導(dǎo)管。光電二 級(jí)管根據(jù)反偏電壓 pn結(jié)光伏效應(yīng)工作的探測器；光電三極 管是根據(jù)無偏壓 pn結(jié)光伏效應(yīng)工作的探測器；光敏電阻用 于測光的光源光譜特性必須與光敏電阻的光敏特性匹配，要Uh max

38、 =Kh舊=40 3 10- 10- =1.2 1研胱敏電阻受雜散光的影響；光電三極管有電流放大作Uh max =Kh 舊因此它輸出=40 3 10"0.5 =610坨,它的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級(jí)。的霍爾電勢(shì)范圍為10.2試擬定用光敏三極管控制的、用交流電壓供電的1.2 106V -6 10 V明通與暗通直流電磁繼電器原理圖10.3概括光纖弱導(dǎo)條件的意義9.8 簡述霍爾式壓力傳感器的工作原理。答：首先由彈性元件將被測壓力變換成位移，由于霍爾 元件固定在彈性元件的自由端上，因此彈性元件產(chǎn)生位移時(shí) 將帶動(dòng)霍爾元件，使它在線性變化的磁場中移動(dòng)，從而輸出

39、霍爾電勢(shì)。霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖（a）所示。彈性元件可以是波登管或膜盒或彈簧管。圖中彈性元件為波登 管，其一端固定，另一自由端安裝霍爾元件之中。當(dāng)輸入壓 力增加時(shí)，波登管伸長，使霍爾元件在恒定梯度磁場中產(chǎn)生 相應(yīng)的位移，輸出與壓力成正比的霍爾電勢(shì)。UHmax =Kh舊=1.2父5 M 20父（-1）父104=一0.12V始終19r >4時(shí)，4仍小于90°,當(dāng)9=90°,此時(shí)出射求屋式出h傳運(yùn)器納梅原理圖也破川外用9.9 有一霍爾元件，其靈敏度 KH=1.2mV/mA- kGs,把它 放在一個(gè)梯度為 5kGs/mm的磁場中，如果額定控制電流是 20mA設(shè)霍爾元件在

40、平衡點(diǎn)附近做土0.1mm的擺動(dòng)，問輸出電壓范圍是多少？答：由已知條件可知：U Hmax = Kh 舊=1.2 5 20 10 = 0.12V從理論上講，光纖的弱導(dǎo)特性是光纖與微波圓波導(dǎo)之間的重要差別之一。實(shí)際使用的光纖，特別是單模光纖，其摻 雜濃度都很小，使纖芯和包層只有很小的折射率差。所以弱 導(dǎo)的基本含義是指很小的折射率差就能構(gòu)成良好的光纖波 導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而且為制造提供了很大的方便。10.4 利用斯乃爾定律推導(dǎo)出的臨界角 60表達(dá)式，計(jì)算 水與空氣分界面（n=1.33）的臨界角60。斯乃爾定理指出：當(dāng)光由光密物質(zhì) （折射率大）出射 至光疏物質(zhì)（折射率?。r(shí)，發(fā)生折射。其折射角大于入射角， 即：n

41、1n2 時(shí),"r "i。» ,明， ,i間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：n1 sin -i = n2sin 乙日a可以看出：入射角i增大時(shí)，折射角 巴 也隨之增大，光線沿界面?zhèn)鞑?，此時(shí)稱為臨界狀態(tài)，這時(shí)有sin 訃=sin90 ° =1。同時(shí)還有：sin "i0 = ni ；0r.8 i0 =arcsin 31 J； 式中8 i0為臨界角。當(dāng) 白0|0時(shí)， 即露90°時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，10.5 以表面溝道CCM例，簡述CCD電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移、 輸出的基本原理。構(gòu)成CCD的基本單元是 MOS金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容 器。正如其它電容器一樣，MOS電容

42、器能夠存儲(chǔ)電荷。如果MO與吉構(gòu)中的半導(dǎo)體是 P型硅，當(dāng)在金屬電極（稱為柵）上 加一個(gè)正的階梯電壓時(shí)（襯底接地），Si-SiO2界面處的電勢(shì) （稱為表面勢(shì)或界面勢(shì)）發(fā)生相應(yīng)變化，附近的P型硅中多數(shù)載流子一一空穴被排斥， 形成所謂耗盡層，如果柵電壓VG 超過MOS1體管的開啟電壓，則在Si-SiO2界面處形成深度 耗盡狀態(tài)，由于電子在那里的勢(shì)能較低，我們可以形象化地 說：半導(dǎo)體表面形成了電子的勢(shì)阱，可以用來存儲(chǔ)電子。當(dāng) 表面存在勢(shì)阱時(shí)，如果有信號(hào)電子（電荷）來到勢(shì)阱及其鄰 近，它們便可以聚集在表面。隨著電子來到勢(shì)阱中，表面勢(shì) 將降低，耗盡層將減薄，我們把這個(gè)過程描述為電子逐漸填 充勢(shì)阱。勢(shì)阱中能夠

43、容納多少個(gè)電子， 取決于勢(shì)阱的“深淺”， 即表面勢(shì)的大小，而表面勢(shì)又隨柵電壓變化，柵電壓越大， 勢(shì)阱越深。如果沒有外來的信號(hào)電荷。耗盡層及其鄰近區(qū)域 在一定溫度下產(chǎn)生的電子將逐漸填滿勢(shì)阱，這種熱產(chǎn)生的少 數(shù)載流子電流叫作暗電流，以有別于光照下產(chǎn)生的載流子。 因此，電荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)，才能 存儲(chǔ)電荷。以典型的三相CCM例說明CCD電荷轉(zhuǎn)移的基本原理。 三相CCDt由每三個(gè)柵為一組的間隔緊密的MOS吉構(gòu)組成的陣列。每相隔兩個(gè)柵的柵電極連接到同一驅(qū)動(dòng)信號(hào)上，亦稱 時(shí)鐘脈沖。三相時(shí)鐘脈沖的波形如下圖所示。在t1時(shí)刻，小1高電位，小2、小3低電位。止匕時(shí)小1電極下的表面勢(shì)最 大，勢(shì)阱最深。假設(shè)此時(shí)已有信號(hào)電荷（電子）注入，則電 荷就被存儲(chǔ)在小1電極下的勢(shì)阱中。t2時(shí)刻，小1、小2為高 電位，小3為低電位，則小1、小2下的兩個(gè)勢(shì)阱的空阱深度 相同，但因小1下面存儲(chǔ)有電荷，則 小1勢(shì)阱的實(shí)際