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传感器原理与应用课后习题 传感器原理与应用课后习题课任老师：黄华姓名：张 川 学 号：1143032002第一章2、一、按工作机理分类：结构型，物性型，复合型三大类。一般在研究物理化学和生物等科学领域的原理、规律、效应的时候，便于选择。二、按被测量分类：物理量传感器，化学量传感器，生物量传感器。在对各领域的用途上很容易选择。三、按敏感材料分类：半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器、高分子材料传感器、金属传感器等。很明显不同的名字就代表着用法，不同的制造材料去不同使用。四、按能量的关系分类：有源传感器、无源传感器。很明显是在能量转换的时候，也就是非电与电之间的转换时，还有就是非电与电能之间的调节作用的时候，需要用到此类传感器。五、按应用领域分类：医学传感器、航天传感器。顾名思义，就是在医学领域的相关器械检查等方面和航空航天的整体过程中会用到。六、其他分类法：按用途、科目、功能、输出信号的性质分类。当然按其所需要的类型使用此类传感器。3、1）线性度：E?2）灵敏度：?maxY?100%FSSn?y?x3)重复性:误差 Ex?(23)?Y?100%|FS 4)迟滞(回差滞环)现象：E?|5)分辨率：?y?yidxmin6)稳定性 7)漂移4、它是传感器对输入激励的输出响应特性。通常从时域或者频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。6、系统：Ady(t)?By(t)?Cx(t)dtAdy(t)C?y(t)?x(t)BdtB通用形式：？dy(t)?y(t)?Kx(t)式中T传感器的时间常数，T=A/B,反映惯性;d(t)K传感器的静态灵敏度或放大系数，k=C/B,反映静态特征；?传递函数：H?Kl?s?频率特性：H(jw)?K l?jw?幅频特性：A(w)?|H(jw)|?K?(?)2?)?arctan(?)?想频特性：？(?)？arctan(?S T 1 时，输入输出关系接近线性，输出较真实反映输入变化。A(3)1,U (3 )七0；输出y反映输入x(t);?截至频率，指幅值比下降到零频率幅值比的0.707时对应的频率，为3 H=1/T,所以时间常数T越小，3 H 越高，工作频率越宽，响应越好。第二章2、金属导体受到外力作用产生机械形变，电阻值会随着形变的变化而变化。应变片的敏感栅受力形变后使其电阻发生变化。将其粘贴在试件上，利用应变一一电阻效应便能把试件表面的应变量直接变换为电阻的相对变化量，这样就把力的大小通过电阻改变转化为电信号再有电信号模拟出来数字显示，金属电阻应变片就是利用这一原理制成的传感元件。4、油料液位监测系统摘要：设计和制作了一种油料液位监测系统，传感器部分采用电容式液位计，当液位高于最大安生高度时，鸣响振铃并点亮红色LED灯;当液位低于所要求的最小高度时，鸣响振铃并点亮黄色LED灯；当液位处于所要求的高度范围内时.，点亮绿色LED灯。油料液位是指油库或油箱中的油积存的相对高度.当油库或油箱需要充油时;若液位已达到最大安全容量所对应的高度，就需要给充油者以提示；若油的液位低于最低要求高度时，需要给以也提示，以便使油库或油箱得以及时补充.这种液位监测系统在储油库或汽车油箱等方面具有重要的作用。文设计和制作了一种油料液位监测系统，以在液位高于最大安全高度时，响振铃报警并点亮红色LED灯;当液位置低于某一高度时，鸣响振铃并点亮黄色LED灯;当液位处于所要求的高度范围内时;点亮绿色LED灯给以提示。1电路设计及工作原理油料液位监测系统的电路设计如图1所示。整个电路可以分成两部分:测量与转换电路。控制电路、监测系统和振铃。1.1测量与转换电路 如 图1所示，虚线方框内为测量与转换电路部分.其中测量部分采用电容式液位计1,结构如图2所示，电容式液位计是一种电容式传感器，它是将被测介质的液面变化转换为电容器的电容变化，当油料的液面高度变化时，引起圆柱形电容器的电容Cs发生变化，可以证明液面高度x的变化与电容Cs的关系为：式中，介电常数，h为电极总高度，R1为内电极外径，R2为外电极内径。从（1）式可见，电容式液位计的输出电容Cs与液位高度x成线性关系.再利用脉冲调宽转换电路，就可将液位高度x转换成与之对应的电压输出。在脉宽调制电路中，Cs代表传感器电容，Cr为参比电容，Cs、C r分别与R I、R 2、BG1、BG2为油料介电常数，为空气构成充放电电路，其充放电时间常数分别设为和。开始U i U r,U2Ur,Cs、,U 1先达到U r之后继续充C r充电，UI,U 2电位迅速降低，由于C s X 2,而U x与x成正比。所 以U1U2。以“1”表示比较器输出电压UA、U B是高电平，灯亮及铃响；以“0”表示低电平，灯灭，铃不响，其电路设计要求简化成卡诺图如图3所示。根据以上要求，我们设计了控制部分电路.由于与非门输出电平比较低，达不到灯及振铃工作所需要的达电压，故要增加一级放大电路，使电压匹配。适当调节电源E和电阻R、R c即可使L E D灯及振铃正常工作。第四章1、1）、变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为3,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度3发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。2）、差动变压器式互感传感器：把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接。应用最多的是螺线管式差动变压器可测量l-100mm的机械位移量，灵敏度高。3）、涡流传感器的工作原理是根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。灵敏度高。5、图31 5相敏检波电路电路如图3-15所示。VD1、VD2、VD3、VD4为四个性能相同的二极管，以同一方向串联成一个闭合回路，形成环形电桥。输入信号u2（差动变压器式传感器输出的调幅波电压）通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线。参考信号uO通过变压器T2加入环形电桥的另一个对角线。输出信号uL从变压器T 1与T 2的中心抽头引出。平衡电阻R起限流作用，避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。RL为负载电阻，uO的幅值要远大于输入信号u2的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且uO和差动变压器式传感器激磁电压u l由同一振荡器供电，保证二者同频、同相（或反相）。由图3-16（a）、（c）、（d）可知，当位移Ax>。时,u2与uO同频同相，当位移 睦&代;。时，u2与uO同频反相。x>O时，u2与 uO为同频同相，当 u2与 uO均为正半周时，见图3-15(a),环形电桥中二极管VD1、VD 4截止，VD2、VD3导通，则可得图3-15(b)的等效电路。ul0?u20?u0u；u21?u22?22n22nl根据变压器的工作原理，考虑到0、M分别为变压器T l、T2的中心抽头，则有：图31 6 波形图u01?u02?u0u；u21?u22?0；2n22nl式中：nl n2为变压器T l、T2的变比。采用电路分析的基本方法，可求得图3-15(b)所示电路的输出电压uL的表达式：uL?RLu2(3-23)nl(Rl?2RL)同理，当 U2与 uO均为负半周时，二极管VD2、VD3截止，VD1、VD4导通。其等效电路如图3-15(c)所示，输出电压uL表达式与式(3-23)相同，说明只要位移x>O,不论u2与 uO是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压uL始终为正。当x<O时，u2与 uO为同频反相。采用上述相同的分析方法不难得到：当Ax<O时，不论u2与 uO是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压uL表达式总是为：uL?RLu2(3-24)nl(Rl?2RL)所以上述相敏检波电路输出电压uL的变化规律充分反映了被测位移量的变化规律，即u L的值反映位移A x的大小，而u L的极性则反映了位移A x的方向。第五章1、分两种情况证明(1)热电偶回路的总热电势为E=eAB(T)+eBC(TO)+eCA(TO)(1)如果热电偶回路各接点温度相同，其总的热电势为0.E=eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0变换后eCA(T0)+eBC(T0)=-eAB(TO)(2)代入(1)中得E=eAB(T)+eBC(TO)(2)E=eAB(T)+eBC(Tl)+eCB(Tl)+eBA(TO)由于eBC(Tl)+eCB(Tl)=OE=eAB(T)+eBA(TO)2、金属热电阻和半导体热敏电阻同属热电阻传感器，其原理是利用半导体或导体的电阻随温度变化而变化的性质。根据所选材料的不同，将选择金属材料制作的热电阻称为热电阻，选择半导体材料制作的热电阻称为半导体热敏电阻。1）金属热电阻利用电阻随温度升高而增大的特性来测量温度。温度升高金属内部晶格的震动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体的阻力增大，宏观上表现电阻率变大，总电阻值增加。2）热敏电阻是利用半导体电阻随温度变化的特性制成的测温元件。5、温敏二极管特性只对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流除扩散电流成分外，还包括空间电荷区的复合电流和表面复合电流成分。这两种电流与温度的关系不同于扩散电流与温度的关系，因此，实际二极管的电压-温度特性是偏离理想情况的。由于三极管在发射结正向偏置条件下,虽然发射结也包括上述三种电流成分，但是只有其中的扩散电流成分能够到达集电极形成集电极电流，而另外两种电流成分则作为基极电流漏掉，并不到达集电极。因此，晶体管的l?UCBE关系比二极管的l?UFF关系更符合理想情况，所以表现出更好的电压-温度线性关系。6、利用AD 590温度传感器完成温度的测量，把转换的温度值的模拟量送入ADC0809的其中一个通道进行A/D转换，将转换的结果进行温度值变换之后送入数码管显示。电路原理图1）系统板上硬件连线（1）.把“单片机系统”区域中的Pl.O-P 1.7与“动态数码显示”区域中的ABCDEFGH端口用8芯排线连接。（2）.把“单片机系统”区域中的P 2.0-P 2.7与“动态数码显示”区域中的S1S2S3S4S5S6S7S8端口用8 芯排线连接。（3）.把“单片机系统”区域中的P3.0与“模数转换模块”区域中的ST端子用导线相连接。（4）.把“单片机系统”区域中的P3.1与“模数转换模块”区域中的0 E端子用导线相连接。（5）.把“单片机系统”区域中的P3.2与“模数转换模块”区域中的 EOC端子用导线相连接。（6）.把“单片机系统”区域中的P3.3与“模数转换模块”区域中的CLK端子用导线相连接。（7）.把“模数转换模块”区域中的A2A1A0端子用导线连接到“电源模块”区域中的GND端子上。（8）.把“模数转换模块”区域中的INO端子用导线连接到自制的AD590电路上。（9）.把“单片机系统”区域中的P0.0-P0.7用 8 芯排线连接到“模数转换模块”区域中的D0D1D2D3D4D5D6D7端子上。2）程序设计内容(1).ADC0809的CLK信号由单片机的P3.3管脚提供(2).由于AD590的温度变化范围在-55 +150之间，经过10KQ之后采样到的电压变化在2.182V4.232V之间，不超过5V电压所表示的范围，因此参考电压取电源电压V CC,(实测VCC=4.70V)o由此可计算出经过A/D转换之后的摄氏温度显示的数据为：如 果(D*2350/128)E=hv-W：一束光打到一块金属上，光的；频率是v,我 们 知 道hv是一个光子的能量，即这束光的最小的能量，金属中电子要摆脱原子核的束缚飞出金属表面就需要吸收能量，及吸收一个光子，但是如果光子的能量不足以让电子飞出金属表面，电子式飞不出来的，我们就没看到有光电子。若是能量大于所需能量(即逸出功W),就可以发生光电效应(更确切的说是外光电效应，还有一个就是内光电效应，即吸收了光子发生跃迁,没有脱离金属)，并且多余的能量转化为光电子的动能，即E。2、由光阴极、倍增电极和阳极组成，各倍增电极均加有电场。在一定电子轰击下，会逐级产生更多电子，从而在微弱光照下也能产生很大光电流。1000*1,6*10(-19)*&(16)=20 安*1 秒，&(16)=12.5*10(16)&=11.7 所以&=12 故：倍增系数为 12,5*10(1 6),发射系数为12o3、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)。10、光纤涡轮流量传感器探头如图1所示。当流体驱动涡轮旋转时.，涡轮上的反光转子周期性地将入射光纤的激光反射到出射光纤中，再传输至光电探测器(或光电计数器)，并经过模数转换，形成有规律的电脉冲信号，电脉冲信号的频率与涡轮的转速成一定比例。再进行后期信号解析处理，就可以推算出被测流体的流量。第八章1、一个霍尔元件在一定的电流控制下，由 公 式UH=IB/(ned)知其霍尔电势与电场强度B、金属电板单位体积内电子数n、单位电子所带电荷e和金属电板的厚度d等四个因素有关。第九章1、单位体积空气中所含水蒸汽的质量，叫做空气的“绝对湿度二空气中实际所含水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸汽密度的百分比值，叫做空气 的“相对湿度二3、1).M OS二极管气敏器件M OS二极管气敏元件是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50 100nm的二氧化硅(SiO2),然后在其上层蒸发一层把(Pd)的金属薄膜，作为栅电极，如 图 9-8(a)所示。由 于 SiO2层电容C a 固定不变，而 S i和 SiO 2界面电容C s 是外加电压的函数，其等效电路见图9-8(b)o由等效电路可知，总电容C 也是栅偏压的函数。其函数关系称为该 类 MOS二极管的C-V 特性。由于钿对氢气(H2)特别敏感，当杷吸附了H 2 以后，会使把的功函数降低，导 致 M OS管 的 C-V特性向负偏压方向平移，如 图 9-8(c)所示。根据这一特性就可用于测定H 2 的浓度。2).把-MOS场效应晶体管气敏器件钿-MOS场效应晶体管(Pd-MOSFET)的结构与普通MOSFET结构，参见图9-9。从图可知，它们的主要区别在于栅极Go Pd-MOSFET的栅电极材料是把(Pd),而普通MOSFET为 铝(AI)。因 为 P d 对 H 2 有很强的吸附性，当 H 2 吸附在Pd栅极上，引 起 P d 的功函数降低。根 据 MOSFET工作原理可知，当栅极(G)、源极(S)之间加正向偏压V G S,且 VGS VT(阈值 电压)时，则栅极氧化层下面的硅从P 型变为N 型。这 个 N 型区就将源极和漏极连接起来,形成导电通道，即 为 N 型沟道。此时，MOSFET进入工作状态。若此时，在源漏(D)极之间加电压V D S,则源极和漏极之间有电流流通(IDS)。IDS随 VD S和 V G S的大小而变化，其变化规律即为MOSFET的 V-A 特性。当 VGS V T 时，MOSFET的沟道未形成，故无漏源电流。V T 的大小除了与衬底材料的性质有关外，还与金属和半导体之间的功函数有关。Pd-MOSFET气敏器件就是利用H 2在钿栅极上吸附后引起阈值电压VT下降这一特性来检测H 2 浓度。7、(1)电容式湿敏元件高分子电容式湿敏元件是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的。具有感湿的高分子聚合物，例如，乙酸-丁酸纤维素和乙酸-丙酸纤维素等，做成薄膜，实验证明，它们具有迅速吸湿和脱湿的能力。薄膜覆盖在叉指形金电极（下电极）上，然后在感湿薄膜表面上再蒸镀一层多孔金属膜（上电极），如此结构就构成了一个平行板电容器，如图9-17（a）所示。当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时，湿敏元件的电容值与相对湿度之间具有正比关系，线性度约为土 1%,如 图9-17（b）所示。（2）石英振动式湿敏元件在石英晶片的表面涂敷聚胺脂高分子膜，当膜吸湿时，由于膜的重量变化而使石英晶片振荡频率发生变化，不同的频率就代表不同程度的湿度。这种湿敏元件，在050,元件检湿范围是0%RH100%RH,误差为 5%RH。9、通过XCT-102设定所需的恒温值后接通电源开关S,当销电阻RT（安装在电热器旁，与XCT-102配套使用，分度号PtIOO）感知的温度低于设定值时,XCT-102的接线端子“中”与“低”接 通,SSR的输入端（+、-端）得电，输出端（、端）闭合，电热器通电升温：当温度达到设定值时，端子“中”与“低”自动断开，SSR的输入端失电，输出端开路，电热器断电，进入恒温状态；一段时间后温度略降，端 子“中”与“低”再度接通，电路重复上述工作过程，使温度恒定在设定值。SSR可选用JG型，额定输出电压为交流2 2 0 V,额定输出电流根据所用电热器的功率大小而选定。因SSR采用密闭封装，无机械触点，电路通、断时也无电弧产生。它的输入端和输出端通过红外光耦合，电气上完全隔离,因此安全可靠，使用寿命长。其输入端所需的直流驱动电压(DC12V)可由XCT-102内部现成的DC12V电源提供，按附图把端子“中”和 SSR的端分别接入XCT-102内的DC12V电源即可。第十章1、希尔霍夫定律指不同物体对辐射能的吸收系数不同，在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能，侧重不同物体，物体为变量；斯忒藩-玻尔兹曼定律是指物体温度越高，它辐射出来的能量越大，侧重不同温度，温度为变量；维恩位移定律是指物体峰值辐射波长入m 与物体自身的绝对温度T成反比。侧重辐射波长和物体温度的关系，温度为变量。3、若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射功率就叫做噪声等效功率(NEP)。设入射辐射的功率为P,测得的输出电压为Uo,然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为U N,则按比例计算，要 Uo=UN的辐射功率为：NEP?PDON?N r 探测率D*实质上就是当探测器的敏感元件具有单位面积，放大器的带宽为1H z时，单位功率辐射所获得的信噪比。*?S?fr?S?f(cmHz/W)NEPUN7、所谓放射性同位素就是原子序数相同，原子质量不同的元素。同位素在没有外力的作用下，能自动发生衰变，衰变中释放出a、8、丫和X 射线。其衰减规律为式 中J、JeO?tJO分 别 为t和t O时刻的辐射强度；入为衰变常数。9、答：核辐射探测器的作用是将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强弱和变化。对于一定的放射源和一定的材料就有一定的?和？，则测出J和JOo即可计算确定该材料的厚度t0放射源一般用？、X或?射线。当射线经过有裂纹、沙眼等缺陷的被测物体时，由于密度不同，使接收器收到的射线强度和其他部分不同。第十一章1、若将两块光栅（主光栅、指示光栅）叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度6 o由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。条 纹 间 距B与 栅 距W和夹角0有如下关系：WWW B?sin224、利用光学分解技术（插值法）提高分辨率的方法。例如，若码盘已具有1 4条（位）码道，在1 4位的码道上增加1条专用附加码道，如 图11-12所示。附加码道的扇形区的形状和光学的几何结构 与 前1 4位有所差异，且使之与光学分解器的多个光敏元件相配合，产生较为理想的正弦波输出；通过平均电路进一步处理，消除码盘的机械误差，从而获得更理想的正弦或余弦信号。附加码道输出的正弦或余弦信号，在插值器中按不同的系数叠加在一起，形成多个相移不同的正弦信号输出。各正弦波信号再经过零比较器转换为一系列脉冲，从而细分了附加码道的光电元件输出的正弦信号，于是产生了附加的低位的几位有效数位。图11-12所示的1 9道光电编码器的插值器产生1 6个正弦波信号。每两个正弦信号之间的相位差为？，从而在1 4位编码器的最低有效数位间8隔内插入了 3 2个精确等分点，即相当于附加5位二进制数的输出，使编码器的分辨率从2?1 4提高到2?1 9,角位移小于3”。5、脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器一般只有三个码道，它不能直接产生若干位的编码输出，故它不具有绝对码盘码的含义，这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。脉冲盘式编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈(A,B)的相邻两缝距离错开半条缝宽；另外在某一径向位置，一般在内外两圈之外，开有一狭缝，表示码盘的零位。在它们的相对两侧面分别安装光源和光电接收元件，如 图11-13所示。当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码道上有多少缝隙就将有多少个脉冲输出。设计不会。