《傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)》課后習(xí)題解答

《傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)》習(xí)題解答

第1章傳感器的基本知識(shí)

1.簡(jiǎn)述傳感器的概念、作用及組成。

答：傳感器的泄義是：“能感受（或響應(yīng)）規(guī)泄的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件

或裝置”。

作用：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成與其有一定關(guān)系的易于處理的電量。

組成：敏感元器件、轉(zhuǎn)換元器件、轉(zhuǎn)換電路及輔助電源。

2.傳感器的分類有哪幾種各有什么優(yōu)缺點(diǎn)

答：傳感器常用的分類方法有兩種，一種是按被測(cè)輸入量來(lái)分，另一種是按傳感器的工作原理來(lái)分。

按被測(cè)輸入量來(lái)分：這種分類方法的優(yōu)點(diǎn)是比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選

用。其缺點(diǎn)是沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。

按傳感器的工作原理來(lái)分：這種分類的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)傳感器的工作原理表達(dá)的比較清楚，而且類別少，有利

于傳感器專業(yè)工作者對(duì)傳感器進(jìn)行深入的研究分析。苴缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用。

3.傳感器是如何命名的苴代號(hào)包括哪幾部分在各種文件中如何應(yīng)用

答：一種傳感器產(chǎn)品的名稱，應(yīng)由主題詞及4級(jí)修飾語(yǔ)構(gòu)成。

（1）主題詞一一傳感器。

（2）第1級(jí)修飾語(yǔ)一一被測(cè)量，包括修飾被測(cè)量的泄語(yǔ)。

（3）第2級(jí)修飾語(yǔ)一一轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字。

（4）第3級(jí)修飾語(yǔ)一一特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必須

的性能特征，一般可后續(xù)以"型"字。

（5）第4級(jí)修飾語(yǔ)一一主要技術(shù)指標(biāo)（疑程、精確度、靈敏度等）。

本命名法在有關(guān)傳感器的統(tǒng)訃表格、圖書索引、檢索以及訃算機(jī)漢字處理等特殊場(chǎng)合使用。

例1:傳感器，絕對(duì)壓力，應(yīng)變式，放大型7?3500kPa；

例2：傳感器，加速度，壓電式，±20g。

在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣書、學(xué)術(shù)論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產(chǎn)品需稱應(yīng)采用與上述相反的順

序。

例3：1~3500kPa放大型應(yīng)變式絕對(duì)壓力傳感器:

例4：±20g壓電式加速度傳感器。

在側(cè)重傳感器科學(xué)研究的文獻(xiàn)、報(bào)告及有關(guān)教材中，為方便對(duì)傳感器進(jìn)行原理及其分類

的研究，允許只采用第2級(jí)修飾語(yǔ)，省略英他各級(jí)修飾語(yǔ)。

傳感器代號(hào)的標(biāo)記方法：一般規(guī)左用大寫漢字拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成傳感器完整代號(hào)。傳感器完

整代號(hào)應(yīng)包括以下4個(gè)部分：（1）主稱（傳感器）：（2）被測(cè)量：（3）轉(zhuǎn)換原理；（4）序號(hào)。4部分

代號(hào)格式為：

（4）序號(hào)

（3）轉(zhuǎn)換原理

（2）被測(cè)量

（1）主稱

在被測(cè)量'轉(zhuǎn)換原理、序號(hào)3部分代號(hào)之間有連字符“-”連接。

例5：應(yīng)變式位移傳感器，代號(hào)為：CWY-"-10；

例6：光纖壓力傳感器，代號(hào)為：CY-GQ-1；

例7：溫度傳感器,代號(hào)為：CW-01A；

例8：電容式加速度傳感器，代號(hào)為：CA-DR-2。

有少數(shù)代號(hào)用其英文的第一個(gè)字母表示，如加速度用“A”表示。

4.傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)有哪些苴含義是什么

答：傳感器的靜態(tài)特性主要由線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、分辨力和閾值、穩(wěn)左性、漂移及量程范

羽等幾種性能指標(biāo)來(lái)描述。

含義：線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離理論擬合直線的程度，又稱非線性誤

差。通常用相對(duì)誤差表示其大小：

靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下，輸出增量與輸入增量的比值。對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特

性曲線的斜率，對(duì)于非線性傳感器，其靈敏度是一個(gè)隨工作點(diǎn)而變的變量，它是特性曲線上某一點(diǎn)切線的斜

率。

重復(fù)性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度。

遲滯是傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減小）期間，輸出一輸入特性曲線不一致的

程度。

傳感器的分辯力是在規(guī)定測(cè)量范偉?內(nèi)所能檢測(cè)的輸入量的最小變化MAmin。有時(shí)也用該值相對(duì)滿量程輸

入值的百分?jǐn)?shù)表示，稱為分辨率。閾值通常又稱為死區(qū)、失靈區(qū)、靈敏限、靈敏閾'鈍感區(qū)，是輸入量由零變

化到使輸出量開始發(fā)生可觀變化的輸入量的值。

穩(wěn)左性有短期穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長(zhǎng)期穩(wěn)左性表示，它是指在室溫條件下，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)

的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)泄時(shí)的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來(lái)表

征其輸出的穩(wěn)左度。

傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏

度漂移。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度

隨時(shí)間而緩慢變化的情況：溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。

傳感器所能測(cè)屋的最大被測(cè)量（輸入疑）的數(shù)值稱為測(cè)屋上限，最小被測(cè)量稱為測(cè)量下限，上限與下限之

間的區(qū)間，則稱為測(cè)量范圍。測(cè)量范國(guó)可能是單向的（只有正向與負(fù)向）、也可能是雙向的、或雙向不對(duì)稱的

和無(wú)零值的等。測(cè)戢上限與下限的代數(shù)和稱為量程。

5.傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要從哪兩方而來(lái)描述采用什么樣的激勵(lì)信號(hào)其含義是什么

答：傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要從時(shí)域和頻域兩方而來(lái)描述，采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來(lái)分析。通常采用

階躍信號(hào)和正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。以階躍信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入，研究系統(tǒng)輸出波形的方法稱為瞬態(tài)響應(yīng)法（時(shí)

域）；以正弦信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入，研究系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的方法稱為頻率響應(yīng)法（頻域）。

第2章力、壓力傳感器

1.力傳感器的組成是什么

答：力傳感器主要由力敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路組成。

2.彈性敏感元件的作用是什么英分類有幾種各有何特點(diǎn)

答：作用：彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移。

分類：變換力的彈性敏感元件和變換壓力的彈性敏感元件。

常用的變換力的彈性敏感元件有圓柱式、圓環(huán)式、懸臂梁、扭轉(zhuǎn)軸等。

其特點(diǎn)：（1）圓柱式彈性敏感元件，根據(jù)截而形狀可分為實(shí)心圓柱及空心圓柱等。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可承受較

大的載荷，便于加工，實(shí)心圓柱形可測(cè)量大于10kN的力，空心圓柱形可測(cè)量1?10kN的力，應(yīng)力變化均勻。

（2）圓環(huán)式彈性敏感元件比圓柱式輸出的位移量大，因而具有較高的靈敏度，適用于測(cè)量較小的力。但

它的工藝性較差，加工時(shí)不易得到較高的精度。

（3）懸臂梁式彈性敏感元件。它的一端固泄，一端自由，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，應(yīng)變和位移較大，適用

于測(cè)量1?5kN的力。等截面懸臂梁，梁上各處的變形大小不同，不便于粘貼應(yīng)變片。變截而懸臂梁

（也稱等強(qiáng)度懸臂梁），梁上各處的截面不等，但沿整個(gè)長(zhǎng)度方向上各處的應(yīng)變相等，便于粘貼應(yīng)變片。

（4）扭轉(zhuǎn)軸彈性敏感元件主要用來(lái)制作扭矩傳感器，它利用扭轉(zhuǎn)軸彈性體把扭矩變換為角位移，再把

角位移變換為電信號(hào)輸出。

3.電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是什么它是如何測(cè)量試件的應(yīng)變的

答：電阻應(yīng)變片式傳感器是利用了金屬和半導(dǎo)體材料的“應(yīng)變效應(yīng)”的原理來(lái)工作的。即金屬和半導(dǎo)體材

料的電阻值隨它承受的機(jī)械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象。

測(cè)試時(shí)，將應(yīng)變片用粘接劑牢固的粘貼在被測(cè)試件的表而上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得

同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻的變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過(guò)一定的測(cè)量

線路將這種電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來(lái)，就能知道被測(cè)試件

應(yīng)變量的大小。其原理圖如圖2-7所示。

應(yīng)變電阻電壓或電流

試件電阻應(yīng)變片*顯示記錄儀

圖2-7電阻應(yīng)變片測(cè)試與原理圖

4.電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路有哪些齊有何特點(diǎn)

答：電阻應(yīng)變片傳感器輸出電阻的變化較小，一?般為5X1O/?10一0,要精確的測(cè)量出這些微小電阻的變化，

常采用橋式測(cè)量電路。根據(jù)電橋電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋，可采用恒壓源或恒流源供電。

由于直流電橋比較簡(jiǎn)單，交流電橋原理與它相似，所以我們只分析直流電橋的工作原理。

其特點(diǎn)是，當(dāng)被測(cè)疑無(wú)變化時(shí)，電橋平衡，輸出為零。當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，電橋平衡被打破，有電壓輸

出，輸出的電壓與被測(cè)量的變化成比例。

根據(jù)電橋工作橋臂的不同，分為單臂電橋、差動(dòng)雙臂電橋（半橋）、差動(dòng)全橋三種類型。

雙臂電橋輸出靈敏度是單骨電橋的兩倍，全橋輸出是雙臂電橋的兩倍。并且采用雙骨和全橋測(cè)量，可以補(bǔ)

償由于溫度變化引起的測(cè)量誤差。

5.電阻應(yīng)變片為什么要進(jìn)行溫度補(bǔ)償補(bǔ)償方法有哪些

答：電阻應(yīng)變片傳感器是靠電阻值來(lái)度量應(yīng)變的，所以希望它的電阻只隨應(yīng)變而變，不受任何其他因素影

響。但實(shí)際上，雖然用作電阻線材料的銅、康銅溫度系數(shù)很?。ù蠹s在二?X/。。），但與所測(cè)應(yīng)變電阻的變化比

較，仍屬同一量級(jí)。如不補(bǔ)償，會(huì)引起很大測(cè)疑誤差。

應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有兩種，即線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償。

6.應(yīng)變片的粘貼、固化和檢查工藝有哪些

答：應(yīng)變片的粘貼工藝如下：

（1）試件表面的處理粘貼之前，應(yīng)先將試件表面清理干凈，用細(xì)砂紙將試件表而打磨平整，再用丙

酮、四氯化碳或佛利昂徹底清洗試件表面的灰塵、汕漬，清理而積約為應(yīng)變片的3?5倍。

（2）確定貼片位亶根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在試件上劃線，以確左貼片的位置。

（3）粘貼在清理的試件表而上均勻涂刷一薄層粘接劑作為底層，待其干燥固化后，再在此底層及應(yīng)變

片基地的地而上均勻涂刷一薄層粘接劑，等粘接劑稍V,即將應(yīng)變片貼在畫線位宜，用手指滾壓，把氣泡和多余

的粘接劑擠出。注意，應(yīng)變片的底而也要清理。

（4）固化粘貼好的應(yīng)變片按規(guī)定壓力、升降溫度速率及保溫時(shí)間等進(jìn)行固化處理。

（5）穩(wěn)左處理粘接劑在固化過(guò)程中會(huì)膨脹和收縮，致使應(yīng)變片產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為使應(yīng)變片的工作性能

良好，還應(yīng)進(jìn)行一次穩(wěn)左處理，稱為后固化處理，即將應(yīng)變片加溫至比最高工作溫度高10—20。（：,但不用加壓。

（6）檢查經(jīng)固化和穩(wěn)左處理后，測(cè)量應(yīng)變片的阻值，以檢查貼片過(guò)程中敏感柵和引線是否損壞。另外還

應(yīng)測(cè)量引線和試件之間的絕緣電阻，一般情況下，絕緣電阻為50兆歐即可，對(duì)于高精度測(cè)量，則需在2000兆

歐以上。

7）引線的焊接與防護(hù)應(yīng)變片引線最好采用中間連接片應(yīng)出，引線要適當(dāng)固定，為了保證應(yīng)變片工

作的長(zhǎng)期穩(wěn)定性.應(yīng)采取防潮.防水等描施，如在應(yīng)變片及其引線上涂以石蠟、石蠟松香混合劑、環(huán)氧樹脂、有

機(jī)硅、清漆等保護(hù)層，或在試件上焊上金屬箔，將應(yīng)變片全部覆蓋。

7.圖2-88為一直流應(yīng)變電橋。=5V,/?,=R，=R.=R,=1200，試求：

（1）&為金屬應(yīng)變片,其余為外接電阻，當(dāng)&變化量為△也=1?2。時(shí)，電橋輸出電壓17。=?

（2）&、忌都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，英余為外接電阻，電橋的輸

（3）題（2）中.如果尺、鳥感受應(yīng)變的極性相反，且

|八|=匕|=電橋的輸出電壓匕=?

（4）由題（1）?（3）能得出什么結(jié)論與推論

答：（1）當(dāng)&為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻時(shí)，電橋?yàn)?/p>

單臂工作電橋，當(dāng)心變化量為△盡=1?2G時(shí)，電橋輸出電壓：

圖2-88直流應(yīng)變電橋

￡/=!—{/.=1X—X5=0.0125（V）=12.5mV

°4/?74120

（2）當(dāng)尺、尼都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻時(shí)，根據(jù)

可知，此時(shí)△&=A/?2=A/?,

A/?2A/?3A/?4壬（蘭-竺+2-2卜0

電橋的輸出:241120120120120J

R：&

電橋的輸出總公式

（3）題（2）中，如果心凡感受應(yīng)變的極性相反，且I△盡l=l△劃=1.20也就是"="==1.20,此時(shí)電

橋?yàn)椴顒?dòng)雙臂電橋（半橋），

電橋輸出電壓：N，=1—A=1x—x5=0.025（V）=25（mV）此時(shí)電橋。

°2/?12120

<4）由題（1）?（3）可知雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，電橋的相鄰兩個(gè)橋臂為應(yīng)變片

工作橋臂時(shí)，感受的應(yīng)變必須是一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，電橋才有輸出。

8.壓電式傳感器的工作原理是什么壓電材料有哪些

答：壓電式傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)，即某些晶體受一左方向外力作用而發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，相應(yīng)地

在一左的晶體表而產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，外力去掉后，電荷消失。力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改

變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

用于傳感器的壓電材料或元件可分三類：一類是單晶壓電晶體：另一類是極化的多晶壓電陶瓷：第三類是

高分子壓電材料。

9.試用石英晶體為例說(shuō)明壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程。

答：石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，圖2-24是天然石英晶體的外形圖，它為

規(guī)則的正六角棱柱體。在正常情況下，石英晶體的每一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，正負(fù)離子

分布在正六邊形的頂角上，當(dāng)無(wú)外力作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心重合，對(duì)外不顯電性。當(dāng)在X軸向施加壓力時(shí)，

如圖2-25(a)所示，務(wù)晶格上的帶電粒子均產(chǎn)生相對(duì)位移，氧離子擠入兩個(gè)硅離子之間，而硅離子也擠入兩個(gè)氧

離子之間，正電荷中心向B而移動(dòng)，負(fù)電荷中心向A而移動(dòng)，因而B而呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)在X

釉向施加拉力時(shí)，如圖2-25(b)所示，各晶格上的帶電粒子均沿X釉向外產(chǎn)生位移，因而A面呈現(xiàn)正電荷，B而

呈現(xiàn)負(fù)電荷。在丫方向施加EE力時(shí)，如圖2-25⑹所示，晶格沿v軸被向內(nèi)壓縮,A面呈現(xiàn)正電荷，B而呈現(xiàn)

負(fù)電荷。在Y方向施加拉力時(shí)，如圖2-25(d＞所示，晶格在v向被拉長(zhǎng)，X向縮短，B而呈現(xiàn)正電荷，A而呈

現(xiàn)負(fù)電荷。若沿Z軸方向施加力的作用時(shí)，由于硅^子和氧離子是對(duì)稱的平移，故在表而沒有電荷出現(xiàn)，因而

不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這就是石英晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程。

10.壓電陶瓷有何特點(diǎn)

答：壓電陶瓷是人工制造的一種多晶壓電體，它有無(wú)數(shù)的單晶組成，各單晶的自發(fā)極化方向是任意排列的。

因此，雖然每個(gè)單晶具有強(qiáng)的壓電性質(zhì)，但組成多晶后，各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了，所以，原始的壓電

陶瓷是一個(gè)非壓電體，不具有壓電效應(yīng)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，就必須進(jìn)行極化理。即在一左的溫度

條件下，對(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)，使極性軸轉(zhuǎn)動(dòng)到接近電場(chǎng)方向，規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，

在極化電場(chǎng)去除后，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)壓電陶瓷受到力的作用時(shí)，極化強(qiáng)度就發(fā)生變化，在垂直

于極化方向上的平而上就會(huì)出現(xiàn)電荷。壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)比石英晶體的壓電系數(shù)大得多，所以采用壓電

陶瓷制作的壓電式傳感器靈敏度較高。

11.壓電傳感器的測(cè)量電路是什么各有何特點(diǎn)為什么壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)的力

答：根據(jù)壓電傳感器的工作原理和等效電路，壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，這時(shí)可以把傳感器看作

電壓發(fā)生器：也可以是電荷信號(hào)，這時(shí)可以把傳感器看作電荷發(fā)生器。因此前苣放大器也有兩種形式：電電壓放

大器壓放大器和電荷放大器。

dXF

特點(diǎn)：由電壓放大器的輸U(kuò)?n=—出可以看出，放大器輸入電壓與電纜的電容U有關(guān)系，

Cj+C'+C。

當(dāng)改變連接傳感器與前苣放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)，?將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化。在設(shè)

計(jì)時(shí)，通常把電纜長(zhǎng)度宦為常數(shù)，使用時(shí)如要改變電纜長(zhǎng)度，則必須重新校正電壓靈敏度值。

電荷放大器輸出電壓〃=/，可以看出電荷放大器輸出電壓與電纜電容無(wú)關(guān)。因此電纜可以很長(zhǎng)，可長(zhǎng)達(dá)

數(shù)百米，甚至上千米，靈敏度卻無(wú)明顯損失。這是電荷放大器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。因此在測(cè)量時(shí)，不必考慮傳

感器與放大器配套的問題，放大器與傳感器可以任意互換。

為什么壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)的力由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄露的情況下才能

保存，即需要測(cè)疑回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的。因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)量時(shí)，放大器的輸入電阻

&和傳感器的泄漏電阻心不可能為無(wú)窮大，因此電荷就會(huì)通過(guò)放大器的輸入電阻&和傳感器的泄漏電阻心漏掉＞

所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷得到補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電

路以一左的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。

12.如圖2-32b所示電荷放大器等效電路。壓電元件為壓電陶瓷.壓電陶瓷的壓電系數(shù)

6/〃=5xlO」℃/7V,反饋電容/所，若輸出電壓U＜）=0.4V,求壓電傳感器所受力的大

小

答：根據(jù)電荷放大器的輸出匕=-%可知，壓電陶瓷

上產(chǎn)生的電荷

1clm=0.4X0.01X1O6=4X1O-9

根據(jù)0嚴(yán)壓電傳感器所受的力

《=丁=7_5x10"。2-32電荷放大器等效迫路

a..

13.石英晶體的縱向壓電系數(shù)〃xx=2WxlCTC/N,晶體的長(zhǎng)度是的寬2倍，是厚的3倍，求八1）當(dāng)

沿電軸方向施加3x104”的力時(shí)，用反饋電容為C,=0-01"F的電荷放大器測(cè)量的輸出電壓是多少

（2）當(dāng)沿機(jī)械軸施加力巴?時(shí)，用同樣的電荷放大器測(cè)出的輸出電壓為3V,人為多少

解答：（1）電荷放大器的輸出

%dxx?Fxx2?3xior3x10”

=-I

C--0.01x10"

⑵根據(jù)題意，參考石英晶體的切片圖，可以看出（匚3

方當(dāng)沿機(jī)械軸施加力巴時(shí)，產(chǎn)生的由0“=彳耳

根據(jù)式J-得0=即Q=QXY=-d、*jR=U..xC

求出Fr=VoxC..x-x—=3x0.01xlO-6xAx——!—a4348(N)a302.3x10"

14.用壓電式傳感器測(cè)量一正弦變化的作用力，采用電荷放大器，壓電元件用兩片壓電陶瓷并聯(lián)，壓電系

數(shù)么=19OX1O“2C/N,放大器為理想運(yùn)放，反饋電容G=38OO/;F,實(shí)際測(cè)得放大器輸出電壓

為t/o=1Osin"(V),試求此時(shí)的作用力F=?

解答：根據(jù)題意壓電元件是兩片壓電陶瓷并聯(lián)，所以總電荷是單個(gè)壓電元件電荷的兩倍，即0=20^,

根據(jù)電荷放大器的輸出Uo、得

CF

Q=-(JoxCz=-10sinarx3800x10"12=-3.8xlOAsinA,

Qxx4力?3Q,得壓電傳感器受到的作用力

3.8X10JI

=------------------sincot=-100sincot(N)

2x190x10"

15.電容式傳感器的工作原理是什么可分成幾種類型各有個(gè)特點(diǎn)

答：根據(jù)平行極板的電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，則電容器的電容量為

c=必_￡?！?

-~iT~

由上式可知，電容C是A、d、E的函數(shù)，即C=/(￡,，，，A)。當(dāng)A、〃、￡改變時(shí)，電容量C也隨之

改變。若保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，通過(guò)被測(cè)疑的變化改變其中的一個(gè)參數(shù)，就可把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容

量的變化。這就是電容傳感器的基本工作原理。

分類：電容式傳感器根據(jù)工作原理不同，可分為變間隙式、變面枳式'變介電常數(shù)式三種：按極板形狀不

同有平板形和圓柱形兩種。

特點(diǎn)：變間隙式電容傳感器：只能測(cè)量微小位移(微米級(jí))；

變而積式電容傳感器：可以測(cè)量較大位移的變化，常為厘米級(jí)位移量。

變介電常數(shù)式電容式傳感器?？捎脕?lái)測(cè)量物位或液位，也可測(cè)量位移，可以測(cè)量較大位移的變化。

16.試說(shuō)明差動(dòng)式電容傳感器結(jié)構(gòu)是如何提高測(cè)量靈敏度，減小非線性誤差的

答：以變間隙式電容傳感器為例來(lái)分析。當(dāng)d變化時(shí)，電容量的相對(duì)變化約為

△uy

.....土...........

()

(2-35)

為了提高測(cè)量的靈敏度，減小非線性誤差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。如圖2-44所示，兩

個(gè)左極板對(duì)稱安裝，中間極板為動(dòng)極板。當(dāng)中間極板不受外力作用時(shí)，由于山=心=么，所以C\=J

當(dāng)中間極板向上移動(dòng)X時(shí)，G增加，C?減小，總電容的變化MAC為

XN\定極板\X\

AC=G-=_口11Co

"(>動(dòng)極

圖2-44差動(dòng)式電容器結(jié)構(gòu)

式(2-37)與式(2-35)相比，輸出靈敏度提高了一倍。

17.電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路主要有哪些

答：常見的電容式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路有橋式電路、調(diào)頻電路、充放電脈沖電路、運(yùn)算放大器電路等。

18.有一個(gè)以空氣為介質(zhì)的變而積型平板電容傳感器，如圖

2-45a所示，其中a=Smm.b=A2mm，兩極板間距為d=\nun

□當(dāng)動(dòng)極板在原始位It上平移了后，求傳感

器電容量的變化及電容相對(duì)變化MAC/C(>o(空氣的相對(duì)介電

常數(shù)￡=1尸功，真空的介電常數(shù)

=8.854x10"尸/力口)c平板形線位移

圖2-45變而枳式電容傳感器結(jié)構(gòu)原理

答：根據(jù)變面積型平板式電容傳感器的電容表達(dá)式：

△cY

日、【/—LJTZ.yE/Z-dSS[_TT7HOPC..X14-.LU以日7\—_C/../??r~H出,/f+QD-X*/I^.-4-,

“士葉八一x"wwbxlx8.854xl0-12x8xl25...

傳感器電容量的變化IG—C。x_=x_=-----------------------------------------x一心一531?24〃

F

ada18

19.電感傳感器的基本原理是什么可分成幾種類型

答：電感傳感器的基本原理是電磁感應(yīng)原理。利用電磁感應(yīng)將被測(cè)非電量(如壓力、位移等)轉(zhuǎn)換成電

感量雌檐O的黃綣刷跚陶酬轉(zhuǎn)陋娜量播題雕斛酈檄的漏觸和任聯(lián)解遂量電測(cè)的。

20.電感傳感器的常用的測(cè)量電路有哪些

答：自感式傳感器常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路有橋式測(cè)量電路、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路，在自感式傳感器中，用

得較多的是橋式測(cè)量電路和調(diào)幅電路。

差動(dòng)變壓器輸出電壓可直接用交流電壓表接在反相串聯(lián)的兩個(gè)二次繞組上測(cè)量，此時(shí)空載輸出電壓為U

（）=國(guó)-員，，也可采用電橋電路來(lái)測(cè)量。

21.電渦流傳感器的工作原理是什么形成電渦流的兩個(gè)必備條件是什么

答：電渦流傳感器的工作原理是電渦流效應(yīng)。即塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中做切割磁

力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，類似于水中的漩渦，所以稱為

電渦流。電渦流的存在必然要消耗一部分磁場(chǎng)的能量，從而使激勵(lì)線圈的阻抗發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電渦

流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流傳感器。

要形成電渦流必須具備兩個(gè)條件：（1）存在交變磁場(chǎng)：（2）導(dǎo)體處于交變磁場(chǎng)中。

22.壓阻式壓力傳感器的工作原理是什么主要應(yīng)用是什么

答：壓阻式壓力傳感器的工作原理是基于壓阻效應(yīng)工作的。所謂壓阻效應(yīng)就是指半導(dǎo)體材料的受外力或應(yīng)

力作用時(shí)，北電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。

主要應(yīng)用是：用于壓力、加速度、重量、應(yīng)變'拉力、流量等參數(shù)的測(cè)量。

第3章溫度傳感器

1.溫度的測(cè)量方法有幾種各有何特點(diǎn)

答：按照感溫元件是否與被測(cè)溫對(duì)象相接處，溫度測(cè)量可以分為接觸式和非接觸式測(cè)溫兩種。

接觸式測(cè)溫：感溫元件與被測(cè)對(duì)象接觸，彼此進(jìn)行熱量交換，使感溫元件與被測(cè)對(duì)象處于同一環(huán)境溫度下，

感溫元件感受到的冷熱變化即是被測(cè)對(duì)象的溫度。這類傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠'測(cè)量精度高、

價(jià)格便宜、可測(cè)得被測(cè)對(duì)象的真實(shí)溫度及物體內(nèi)部某一點(diǎn)的溫度；缺點(diǎn)是：有較大的滯后現(xiàn)象（由于與被測(cè)物

熱交換需要一左的時(shí)間），不適于測(cè)量小的物體、腐蝕性強(qiáng)的物體及運(yùn)動(dòng)物體的溫度，并且由于感溫元件與被

測(cè)對(duì)象接觸，從而影響被測(cè)環(huán)境溫度的變化，測(cè)溫范用也受到感溫元件材料特性的限制等。

非接觸式測(cè)溫：利用物體表面的熱輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系來(lái)測(cè)量溫度的。通過(guò)測(cè)量一定距離處被測(cè)物體發(fā)

出的熱輻射強(qiáng)度來(lái)確左被測(cè)物的溫度。這類溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：可以測(cè)量高溫及腐蝕性、有毒物體的溫度。

測(cè)溫速度快，不存在滯后現(xiàn)象，測(cè)溫范用不受限制，可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體、導(dǎo)熱性差、微小目標(biāo)、熱容量小的物

體、固體、液體表面的溫度，不影響被測(cè)物環(huán)境溫度。缺點(diǎn)是：易受被測(cè)物體與儀表間距離、煙塵、水氣及被

測(cè)物熱輻射率的影響，測(cè)量精度較低等。

2.膨脹式溫度計(jì)有幾種其工作原理是什么各有何特點(diǎn)

答：膨脹式溫度計(jì)可分為液體膨脹式溫度計(jì)、固體膨脹式溫度計(jì)、氣體膨脹式溫度汁3種類型。

液體膨脹式溫度計(jì)：利用玻璃感溫泡內(nèi)的液體受熱體積膨脹與玻璃體積膨脹之差來(lái)測(cè)量溫度的。一般用于

低溫和中溫溫度測(cè)量。特點(diǎn)：不僅比較簡(jiǎn)單直觀，而且還可以避免外部遠(yuǎn)傳溫度訃的誤差。但易破碎，刻度微細(xì)

不便讀取，不適于有振動(dòng)和容易受到?jīng)_擊的場(chǎng)合。

固體膨脹式溫度汁：利用膨脹系數(shù)不同的兩種金屬材料牢固地粘貼在一起制成的。當(dāng)溫度變化時(shí)，由于兩

種金屬線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生彎曲，彎曲的程度與溫度的高低成比例的原理工作的。

特點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)顯示溫度，直觀方便，抗震性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固可靠，使用壽命長(zhǎng)，但精度不高。

氣體膨脹式溫度汁：是基于密封在容器中的氣體或液體受熱后體積膨脹，壓力隨溫度變化而變化的原理測(cè)

溫的。

特點(diǎn)：主要用于遠(yuǎn)距離設(shè)備的氣體'液體'蒸汽的溫度測(cè)量，也能用于溫度控制和有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的溫度

測(cè)量。

3.電阻式溫度傳感器的工作原理是什么有幾種類型

答：電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化而變化的原理來(lái)測(cè)雖:溫度

的，即材料的電阻率隨溫度的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。

類型：按制造材料來(lái)分，一般把由金屬導(dǎo)體鉗、銅、等制成的測(cè)溫元件稱為金屬熱電阻，簡(jiǎn)稱熱電阻傳

感器：把由半導(dǎo)體材料制成的測(cè)溫元件稱為熱敏電阻。

4.金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有哪幾種％有何特點(diǎn)熱電阻傳感器的測(cè)量電路有哪些說(shuō)明每種測(cè)量電

路的特點(diǎn)。

答：金屬熱電阻溫度傳感器常用的材料有鉗和銅。

特點(diǎn)：鉗金屬熱電阻：鉗易于提純、復(fù)制性好，在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理化學(xué)性質(zhì)極英穩(wěn)N，

主要用于高精度溫度測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫裝置，測(cè)溫范用為-200?850P。

銅金屬熱電阻：銅易于提純，價(jià)格低廉，電阻一溫度特性線性較好。但電阻率僅為鉗的幾分之一。因此，

銅電阻所用阻幺幺?細(xì)而且長(zhǎng)，機(jī)械強(qiáng)度較差，熱慣性較大，在溫度高于100℃以上或腐蝕性介質(zhì)中使用時(shí)，

易氧化，穩(wěn)立性較差。因此，只能用于低溫及無(wú)腐蝕性的介質(zhì)中。

熱電阻傳感器的測(cè)量電路常用電橋電路。外界引線如果較長(zhǎng)時(shí)，引線電阻的變化會(huì)使測(cè)量結(jié)果有較大誤差，

為減小誤差，可采用三線制電橋連接法測(cè)量電路或四線制恒流源測(cè)量電路。

特點(diǎn)：三線制電橋連接法測(cè)量電路，導(dǎo)線電阻r對(duì)測(cè)戢亳無(wú)影響。

四線制恒流源測(cè)量電路，四根導(dǎo)線的電阻r對(duì)測(cè)量都沒影響但要因?yàn)殡娏髁鬟^(guò)導(dǎo)體時(shí)導(dǎo)體存在發(fā)熱現(xiàn)象，

所以供電電流不宜過(guò)大，一般在以下。精確測(cè)量時(shí)，通電電流為。

5.熱電偶溫度傳感器的工作原理是什么熱電勢(shì)的組成有幾種說(shuō)明熱電勢(shì)產(chǎn)生的過(guò)程，并寫出熱電偶回路中總

熱電勢(shì)的表達(dá)式。

答：熱電偶溫度傳感器的工作原理是熱電效應(yīng)。即兩種不同材料的導(dǎo)體A和B組成一個(gè)閉和回路，若兩接

點(diǎn)的溫度不同，則在該回路中將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，兩個(gè)接點(diǎn)的溫差越大，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也越大。組成回路的導(dǎo)

體材料不同，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也不一樣，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。

熱電勢(shì)的組成：由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成。

熱電勢(shì)產(chǎn)生的過(guò)程：

（1）兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)

接觸電勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子濃度不同而在接觸而形成的電勢(shì)。假設(shè)兩種金屬A、B的自由電

子濃度分別為皿和心，且皿〉山。當(dāng)兩種金屬相接時(shí)，將產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。在同一瞬間，由A擴(kuò)散到

B中去的電子比由B擴(kuò)散到A中去的多，從而使金屬A失去電子帶正電：金屬B得到電子帶負(fù)電，在接觸而形

成電場(chǎng)。此電場(chǎng)阻止電子進(jìn)一步擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在接觸面的兩側(cè)就形成了穩(wěn)左的電位差，即接觸電

勢(shì)E,如圖3-22所示。接觸電勢(shì)的數(shù)值取決于兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度，而與導(dǎo)體的形狀及尺寸無(wú)關(guān)。

溫度越高，接觸電勢(shì)也越大。接觸電勢(shì)的方向由兩導(dǎo)體材料決泄。

(2)單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)

對(duì)于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為t、to,如圖3-23所示，則導(dǎo)體中的自由電子，在高溫端具有較大的

動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散：高溫端因失去電子帶正電，低溫端獲得電子帶負(fù)電，即在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生了電勢(shì)，這

個(gè)電勢(shì)稱為單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。

NA>Nd

圖3-22兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)

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%(◎辛t”1m豐

十3巾(5)

圖3-24熱電偶回路總熱電勢(shì)

由圖3-24可知，熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)為

ERB(')=eAB(')+CB(Co)_"/WCo)(匚A))(彳一5)

式中，為熱電偶電路的總熱電勢(shì)：%(t)為熱端接觸電勢(shì)；為B導(dǎo)體的溫差電勢(shì)：

e./；(to)為冷端接觸電勢(shì)：以(t,to)為A導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。

在總熱電勢(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不計(jì)，則熱電偶的熱電勢(shì)可表示為

EAB(())=1ABC,)—%do)(3-6)

6.熱電偶的基本立律有哪些其含義是什么每種定律的意義何在并證明每種左律。

答：熱電偶的基本左律有：中間導(dǎo)體泄律、中間溫度泄律、參考電極律。

含義：中間導(dǎo)體泄律一在熱電偶電路中接入第三種導(dǎo)體，只要保持該導(dǎo)體兩接入點(diǎn)的溫度相等，回路中總

的熱電勢(shì)不變，即第三種導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路的總熱電勢(shì)沒有影響。

中間導(dǎo)體定律的意義：根據(jù)這個(gè)泄律，我們可采取任何方式焊接導(dǎo)線，可以將熱電勢(shì)通過(guò)導(dǎo)線接至測(cè)量?jī)x

表進(jìn)行測(cè)量，且不影響測(cè)量精度?？刹捎瞄_路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬和金屬壁而進(jìn)行溫度測(cè)量，只要保證兩熱電極插

入地方的溫度相同即可。

中間溫度左律含義：在熱電偶測(cè)量電路中，測(cè)量端溫度為t,自由端為中間溫度為己，則E(t、

to)的熱電勢(shì)等于E(t.己)與E(己to)熱電勢(shì)代數(shù)和。即

EAB(7Mo)

中間溫度定律的意義舟利用該立律，可對(duì)參考端溫度不為（TC的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。另外，可以選用廉價(jià)

的熱電偶N、B代替t'到t。段的熱電偶A、B.只要在t'、t。溫度范圍內(nèi)今、B，與A、B熱電偶具有相近的熱電

勢(shì)特性，便可將熱電偶冷端延長(zhǎng)到溫度恒左的地方再進(jìn)行測(cè)量，使測(cè)量距離加長(zhǎng)，還可以降低測(cè)量成本，而且

不受原熱電偶自由端溫度己的影響。這就是在實(shí)際測(cè)量中，對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正，運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線延長(zhǎng)測(cè)溫距離，

消除熱電偶自由端溫度變化影響的道理。

參考電極左律含義：已知熱電極A,B與參考電極C組成的熱電偶在接點(diǎn)溫度為（t,t。）時(shí)的熱電勢(shì)分

別為耳4心）、￡次（心,則相同溫度下，由A,B兩種熱電極配對(duì)后的熱電勢(shì)耳曲心）可按下式計(jì)算為：

E/IB（/,）=EAc（r,G）-Epc（『，5）

參考電極左律的意義：參考電極左律大大簡(jiǎn)化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關(guān)電極與參考電極配

對(duì)的熱電勢(shì)，那么任何兩種電極配對(duì)后的熱電勢(shì)均可利用該泄理計(jì)算，而不需要逐個(gè)進(jìn)行測(cè)立。由于純鉗絲的

物理化學(xué)性能穩(wěn)左，熔點(diǎn)較高，易提純，所以目前常用純鉗線作為標(biāo)準(zhǔn)電極。

7.熱電偶的性質(zhì)有哪些

答：（1）當(dāng)兩熱電極材料相同時(shí)，不論接點(diǎn)溫度相同與否，回路總熱電勢(shì)均為零。

（2）當(dāng)熱電偶兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同時(shí)，不論電極材料相同與否，回路總熱電勢(shì)均為零。

（3）只有當(dāng)電極材料不同，兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)，熱電偶回路才有熱電勢(shì)。當(dāng)電極材料選左后，兩接點(diǎn)的

溫差越大，熱電勢(shì)也就越大。

（4）回路中熱電勢(shì)的方向取決于熱端的接觸電勢(shì)方向或回路電流流過(guò)冷端的方向。

8.為什么要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償常用的補(bǔ)償方法有幾種補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是什么連接補(bǔ)償導(dǎo)線要注意

什么

答：由于熱電偶的分度表是在冷端溫度為。℃時(shí)測(cè)得的，如果冷端溫度不為零，測(cè)得的熱電勢(shì)就不能直接

去查相應(yīng)的分度表。另外，根據(jù)熱電偶的測(cè)溫原理，熱電偶回路的熱電勢(shì)只與冷端和熱端的溫度有關(guān)，當(dāng)冷端溫

度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才與測(cè)量端溫度成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。但在實(shí)際測(cè)量時(shí)，冷端溫度常隨環(huán)境溫度變化而變化，

G不能保持恒龍，因而會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了消除測(cè)量誤差，要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。

常采補(bǔ)償方法：0℃冷端恒溫法、冷端恒溫法、補(bǔ)償導(dǎo)線法（延引電極法人電橋補(bǔ)償法。

補(bǔ)償導(dǎo)線的作用：補(bǔ)償導(dǎo)線僅起延長(zhǎng)熱電極的作用，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不

起任何溫度補(bǔ)償作用。但由于補(bǔ)償導(dǎo)線比熱電偶便宜，巧約了測(cè)量經(jīng)費(fèi)。

連接補(bǔ)償導(dǎo)線必須注意兩個(gè)問題：①兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶相連的接點(diǎn)溫度必須相同：②不同的熱電偶

要與其型號(hào)相應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線配套使用，且必須在規(guī)左的溫度范用內(nèi)使用，極性不能接反。

9.熱電偶測(cè)溫線路有幾種試畫出每種測(cè)溫電路原理圖，并寫出熱電勢(shì)表達(dá)式。

答：測(cè)溫某一點(diǎn)溫度、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫差電路、測(cè)量多點(diǎn)溫度之和電路、測(cè)量幾點(diǎn)的平均溫度'多點(diǎn)溫度

測(cè)量線路。

0Ar

B'

圖3-37熱電偶測(cè)雖某一點(diǎn)溫度

測(cè)溫電路原理圖:

圖3-11—臺(tái)儀表分別測(cè)址多點(diǎn)溫度

10.如圖3-53所示，用人型銘《泉硅）熱電偶測(cè)量煉鋼爐熔融金屬某一點(diǎn)溫度，A'.B「為補(bǔ)償導(dǎo)線,

Cu為銅導(dǎo)線。已知t,=40℃,t2=0°C,t.<=20℃0

（1）當(dāng)儀表指示為時(shí)，計(jì)算被測(cè)點(diǎn)溫度t二

（2）如果將A,、B，換成銅導(dǎo)線，此時(shí)儀表指示為，再求被測(cè)點(diǎn)溫度t=

（3）將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來(lái)測(cè)量此點(diǎn)的溫度，是利用了熱電偶的什么定律如果被測(cè)液體

不是金屬，還能用此方法測(cè)量嗎為什么

答：（1）當(dāng)才、B,為補(bǔ)償導(dǎo)線，Cu為銅導(dǎo)線時(shí)。熱電偶的冷端溫度為，此時(shí)儀表的指示即為

熱端溫度t相對(duì)于。C熱電勢(shì)，即E=E他（『，0）

=39.314加V，查分度表可得被測(cè)點(diǎn)溫度t*

950℃。

（2）如果將A，、換成銅導(dǎo)線，此時(shí)熱電偶

的冷端溫度即變?yōu)閠x=4（rc,此時(shí)儀表的指示為E=

￡肋（/,40）=37.702/HV，根據(jù)中間溫度左律即

可求得測(cè)量端相對(duì)于?！娴臒犭妱?shì)：圖3-53熱電偶測(cè)址煉鋼爐熔融金屈某一點(diǎn)溫度

E”（z\O）=EAH（r.40）+EAH（40,0）=37.702+1-611=39.313A?IV查分度表可得被測(cè)點(diǎn)溫度t

950℃o

（3）將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來(lái)測(cè)量此點(diǎn)的溫度，是利用了熱電偶的中間導(dǎo)體立律，如

果被測(cè)液體不是金屬，就不能用此方法來(lái)測(cè)量因?yàn)椴粷M足熱電偶的基本宦律要求。

11用兩只K型熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差，如圖3-38所示。已知心=980。6/2=510。（2,t=2（TC,試求

ZP『2兩點(diǎn)的溫差。

答：根據(jù)熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差的電路可知儀表的指示為:

E=E/\B（A,『0）—EAB（『2,『0）=%?（『1）

"2）

=40.488-21.066=19.422（/HV）

查分度表可知/日2A471?4。0

12.試分析圖3-47所示集成溫度傳感器AD590用于熱電偶參考端溫度補(bǔ)償電路的工作原理。

答：由圖3-47所示，AD590與熱電偶參考端處于同一溫度下。AD580是一個(gè)三端穩(wěn)壓器，其輸出電壓

Uo=。電路工作時(shí)，調(diào)整電阻R：使得L=toxlOAmA,這樣在電阻R,上便產(chǎn)生一個(gè)隨參考端溫度t。變化的補(bǔ)

償電壓U'二:L*R：。若熱電偶參考端溫度為to,工作

時(shí)應(yīng)使UX任AD（to,0。0。這樣就能自動(dòng)

補(bǔ)償由于冷端溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差。不同分度

號(hào)的熱電偶，R'的阻值亦不同。這種補(bǔ)償電路靈敏、

準(zhǔn)確、可靠、調(diào)整方便。

13.輻射式溫度傳感器的工作原理是什么有何特點(diǎn)

答：輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能

化。與接觸式溫度傳感器相比，具有以下特點(diǎn)：

1）傳感器與被測(cè)對(duì)象不接觸，不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)

圖熱電偶參考端的補(bǔ)償電路

象的溫度場(chǎng)，故可測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，且可進(jìn)行遙3-47

隨溫度變化的原理制成的。是一種非接觸式測(cè)溫方法,只要將傳感器與被測(cè)對(duì)象對(duì)準(zhǔn)即可測(cè)量其溫度的變

測(cè)。

2）由于傳感器與被測(cè)對(duì)象不在同一環(huán)境中，不會(huì)受到被測(cè)介質(zhì)性質(zhì)的影響，所以可以測(cè)量腐蝕

性、有毒物體、帶電體的溫度，測(cè)溫范圉廣，理論上無(wú)測(cè)溫上限限制。

3）在檢測(cè)時(shí)傳感器不必和被測(cè)對(duì)象進(jìn)行熱量交換，所以測(cè)疑速度快，響應(yīng)時(shí)間短，適于快速測(cè)溫。

4）由于是非接觸測(cè)量，測(cè)量精度不高.測(cè)溫誤差大。

第4章位移、物位傳感器

1.莫爾條紋的含義是什么英主要特性有哪些試畫圖分析。

答：莫爾條紋含義:如果把兩塊柵距w相等的光柵而平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角（），

這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，如圖4-10所示。

莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過(guò)而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，圖4-10中d-d線區(qū)所

示。f-f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。

莫爾條紋有兩個(gè)重要的特性：

（1）位移的方向性：當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示光柵的方向上下移

動(dòng)，查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確左主光柵左右移動(dòng)方向。

（2）放大作用：莫爾條紋有位移的放大作用。當(dāng)主光柵沿著與刻線垂直的方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫

爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B。當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角0較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距叭莫爾條紋移動(dòng)KW

距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)，可由下式確左，即