《现代检测技术及仪表》

《现代检测技术及仪表》 严正声明:孙传友是高等教育出版社出版的《现代检测技术及仪表》第1版和第2版教材及其习题解答的唯一著作权人。该教材的习题解答仅供读者和网友下载阅读。任何其他人将该习题解答的内容冠以其他文档名称以自的己名义在任何网站发布，都侵犯了作者的著作权，如不自行删除，必将承担侵权的后果和法律责任。 《现代检测技术及仪表》第2版习题解答 孙传友 编 第1章 1-1答: 钱学森院士对新技术革命的论述中说:“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术则是关键和基础”。如果没有仪器仪表作为测量的工具，就不能获取生产、科学、环境、社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可能的。因此可以说，仪器技术是信息的源头技术。仪器工业是信息工业的重要组成部分。 1-2答: 同非电的方法相比，电测法具有无可比拟的优越性: 1、便于采用电子技术，用放大和衰减的办法灵活地改变测量仪器的灵敏度，从而大大扩展仪器的测量幅值范围(量程)。 2、电子测量仪器具有极小的惯性，既能测量缓慢变化的量，也可测量快速变化的量，因此采用电测技术将具有很宽的测量频率范围(频带)。 3、把非电量变成电信号后，便于远距离传送和控制，这样就可实现远距离的自动测量。 4、把非电量转换为数字电信号，不仅能实现测量结果的数字显示，而且更重要的是能与计算机技术相结合，便于用计算机对测量数据进行处理，实现测量的微机化和智能化。 1-3答: 各类仪器仪表都是人类获取信息的手段和工具。尽管各种仪器仪表的型号、原理和用途不同，但都由三大必要的部分组成:信息获取部分、信息处理部分、信息显示部分。从“硬件”方面来看，如果把常见的各类仪器仪表“化整为零”地解剖开来，我们会发现它们内部组成模块大多是相同的。从“软件”方面来看，如果把各个模块“化零为整”地组装起来，我们会发现它们的整机原理、总体设计思想、主要的软件算法也是大体相近的。这就是说，常见的各类仪器仪表尽管用途、名称型号、性能各不相同，但它们有很多的共性，而且共性和个性相比，共性是主要的，它们共同的理论基础和技术基础实质就是“检测技术”。常见的各类仪器仪表只不过是作为其“共同基础”的“检测技术”与各个具体应用领域的“特殊要求”相结合的产物。 1-4答: “能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置”或“能把非电量转换成电量的器件或装置”叫做传感器。能把被测非电量转换为传感器能够接受和转换的非电量(即可用非电量)的装置或器件，叫做敏感器。如果把传感器称为变换器，那么敏感器则可称作预变换器。敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量，而不是象传感器那样把非电量转换成电量。 1-5答: 1 目前，国内常规(常用)的检测仪表与系统按照终端部分的不同，可分为以下三种类型: 1、普通模拟式检测仪表 基本上由模拟传感器、模拟测量电路、和模拟显示器三部分组成，如题1-5图1所示。 题1-5图1 2、普通数字式检测仪表 基本上由模拟传感器、模拟测量电路、和数字显示器三部分组成，如题1-5图2所示。 按照显示数字产生的方式，普通数字式检测仪表又可分为模数转换式和脉冲计数式两种类型。 题1-5图2 3、微机化检测仪表 其简化框图题1-5图3所示。微机化检测仪表通常为多路数据采集系统，能巡回检测多个测量点或多种被测参数的静态量或动态量。每个测量对象都通过一路传感器和测量通道与微机相连，测量通道由模拟测量电路(又称信号调理电路)和数字测量电路(又称数据采集电路)组成。传感器将被测非电量转换成电量，测量通道对传感器信号进行信号调理和数据采集，转换成数字信号，送入微机进行必要的处理后，由显示器显示出来，并由记录器记录下来。在某些对生产过程进行监测的场合，如果被测参数超过规定的限度时，微机还将及时地起动报警器发出报警信号。 题1-5图3 第2章 2-1 300mVS,,300mV/mm解:灵敏度为。 1mm 2-2 求:(1)测温系统的总灵敏度;(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。 S,0.45，0.02，100，0.2,0.18解:(1)测温系统的总灵敏度为 cm/? (2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为: 4t,,22.22? 0.18 2-3 2 5,5y(5)50,解:据公式(,,,,,,)解此方程得 ,,,7.21s,,1,eln2y(,)100 2-4 1,解:据公式(2-1-18)，二阶传感器的幅频特性为:。 (),K222，，,,,,,,,,,,,,,1,，2,,,,,,,,nn,,,,，，,,0,,0当时，，无幅值误差。当时，一般不等于1，即出现幅值误差。 ，，，，K,,1K,由题意知，，要确定满足，，也就是满足1,K,,3%,,2,,10kHz,,0.5n 的传感器工作频率范围。 ，，0.97,K,,1.03 1,解方程，得; ,,1.03,K(),,0.971n222，，,,,,,,,,,,,,,1,，2,,,,,,,,nn,,,,，， 1,解方程，得，。 ,,0.25,,,0.97,K(),,1.032n3n222，，,,,,,,,,,,,,,1,，2,,,,,,,,nn,,,,，， 由于，根据二阶传感器的特性曲线可知，上面三个解确定了两个频段，即0,和,,,0.52 ,,。前者在特征曲线的谐振峰左侧，后者在特征曲线的谐振峰右侧。对于后者，尽管,31 在该频段内也有幅值误差不大于3,，但是该频段的相频特性很差而通常不被采用。所以， 只有0,,,0.25,,0.25，2,,10kHz频段为有用频段。由可得，即工,f,2.5kHz2n2 2.5kHz作频率范围为0,。 2-5 K,1解:据题意知，，阻尼比，代入公式(,,,,,,)得幅频特性为 ,,1/20 11K(f),,0.94K(f),，故测量频率为600Hz时幅值比为 44600,,,,f1，,,,,1，,,1000,,f0,, 据公式(,,,,,,)得相位差为 2,,(f),arctan,,53 6001000,1000600 3 同理可得测量频率为400Hz时幅值比和相位差分别为0.99和,33.7? 2-6 解: 按式(2-3-6)求此电流表的最大引用误差 0.1 q,，100%,2.0%max5 2.0,,1.5, 即该表的基本误差超出1.5级表的允许值。所以该表的精度不合格。但该表最大引用误差小于2.5级表的允许值，若其它性能合格可降作2.5级表使用。 2-7 解:据公式(2,3,,)计算，用四种表进行测量可能产生的最大绝对误差分别为: ，30A表%=1.5%V=0.45V ，L,x,Gmax ，50B表，L%=1.5%V=0.75V ,x,Gmax ，50，LC表%=1.0%V=0.50V ,x,Gmax ，360，LD表,x,G%=0.2%V=0.72V max 四者比较可见，选用A表进行测量所产生的测量误差较小。 第3章 3-1 答:线绕式电位器的电阻器是由电阻系数很高的极细的绝缘导线，整齐地绕在一个绝缘骨架上制成的。在电阻器与电刷相接触的部分，导线表面的绝缘层被去掉并抛光，使两者在相对滑动过程中保持可靠地接触和导电。电刷滑过一匝线圈，电阻就增加或减小一匝线圈的电阻值。因此电位器的电阻随电刷位移呈阶梯状变化。只要精确设计绝缘骨架尺寸按一定规律变化，如图3-1-2(b)所示，就可使位移,电阻特性呈现所需要的非线性曲线形状。由 3,1-2(a)可见，只有当电刷的位移大于相邻两匝线圈的间距时，线绕式电位器的电阻才会变化一个台阶。而非线绕式电位器电刷是在电阻膜上滑动，电阻呈连续变化，因此线绕式电位器分辨力比非线绕式电位器低。 3-2 解:据公式(3-1-4)，对于空载电位器，其输出电压与输入位移呈线性关系， UUU,,R,,x xxRL 由上式可见，电位器灵敏度的提高几乎是完全依靠增加电源电压来得到。但是电源电压不可能任意增加，它是由电位器线圈的细电阻丝允许的最大消耗功率P决定的。所以，允许的电源电压为 U,PR,0.04，10000,20V 由题意知，L=4mm，x=1.2mm，代人公式(3-1-4)计算得，电位器空载输出电压为 1.2U,20，,6V x4 3-3 4 答:应变片的灵敏系数k是指应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比，而应变电阻材料的应变灵敏系数k是指应变电阻材料的阻值的相对变化与应0 变电阻材料的应变之比。实验表明:k,k0，究其原因除了黏结层传递应变有损失外，另一重要原因是存在横向效应的缘故。 应变片的敏感栅通常由多条轴向纵栅和圆弧横栅组成。当试件承受单向应力时，其表面处于平面应变状态，即轴向拉伸εx和横向收缩εy。粘贴在试件表面的应变片，其纵栅承受εx电阻增加，而横栅承受εy电阻却减小。由于存在这种横向效应，从而引起总的电阻变化为 ,R,,,,(1)， ,，,，kkkHxxyyxxR ,R/R按照定义，应变片的灵敏系数为， k,,k(1，,H)x,x ,kyy,因，横向效应系数，故。 Hk,k,k,,0,,0x0k,xx 3-4 解:应变片用导线连接到测量系统的前后，应变片的应变量相同，都为 ,R/R,R/R,,, k2 应变片用导线连接到测量系统后，导线电阻将使应变电阻的相对变化减小，从而使应变片的灵敏度降低为 ,R,R,R 120，12R，rR，r,k,,,,1.82 ,R,R, kR2，120 3-5 解:将题中给出的参数值，代人书上的公式(3-1-23)，计算得由温度变化引起的附加电阻相对变化为: ,R,6,6,4t，，,,,,，，,,，K,,,,t,15，10，2.05，11,14.9，10，40,2.802，10。 gs00R0 ,4,R/R2.802，10,4t0折合成附加应变为,,,,1.37，10。 tK2.050 3-6 解:由题知 W(100)=R /R =1.42，代入公式(3-1-26)，计算得电阻温度系数为 1000 R,RR,R1.42R,R0.42R0.42，100,t01000000,,,,,,,0.42(,/C) t100100100100 当温度为50?时，代入公式(3-1-26)计算得，此时的电阻值为 R,R(1，,，50),100，(1，0.42，50),121(,) 500 当R=92,时，代入公式(3-1-26)计算得，此时的温度值为 t R,R92,100,t0t,,,,19(C) ,0.42 5 3-7 解:T =0?=273K，R =500k,;T=100?=373K，代人公式(3-1-30)计算得热敏电阻00 的阻值为 112900(,)373273 R,Re,28.98k,373273 3-8 答:采用金属材料制作的电阻式温度传感器称为金属热电阻，简称热电阻。一般说来， 金属的电阻率随温度的升高而升高，从而使金属的电阻也随温度的升高而升高。因此金属热电阻的电阻温度系数为正值。 采用半导体材料制作的电阻式温度传感器称为半导体热敏电阻，简称热敏电阻。按其电阻—温度特性，可分为三类:(1)负温度系数热敏电阻(NTC);(2)正温度系数热敏电阻(PTC);(3)临界温度系数热敏电阻(CTC)。因为在温度测量中使用最多的是NTC型热敏电阻，所以， 通常所说的热敏电阻一般指负温度系数热敏电阻。 3-9 答:题3-9图是日本生产的某电冰箱温控电路。该电冰箱的温控范围,由窗口TTHL 题3-9图 R比较器的窗口电压和决定。调节电位器可调整。图中为热敏电阻，当温度VVRTtLHPL R上升时，减小，V升高。当冰箱内温度T,T时，V,V,V，窗口比较器使RStTHTHL 触发器的S端为低电平，R端为高电平，Q输出端为高电平，晶体管导通，继电器J线圈通电而动作，继电器常开触点闭合，电冰箱压缩机启动制冷。冰箱内温度降低。 T,TV,V,V当冰箱内温度时，，窗口比较器使RS触发器的S端为高电平，RLTLH 端为低电平，Q输出端为低电平，晶体管截止，继电器线圈失电而动作，继电器常开触点复位，电冰箱压缩机停机。 T,T,TV,V,V当冰箱内温度时，，窗口比较器使RS触发器的S端和RLHLTH 6 端均为高电平，RS触发器保持原状态不变，压缩机继续运转或继续停机。 3-10 答:气敏电阻是利用半导体陶瓷与气体接触而电阻发生变化的效应制成的气敏元件。气敏电阻都附有加热器，以便烧掉附着在探测部位处的油雾、尘埃，同时加速气体的吸附，从而提高元件的灵敏度和响应速度。半导瓷气敏电阻元件一般要加热到200?,400?，元件在加热开始时阻值急剧地下降，然后上升，一般经2,10分钟才达到稳定，称之为初始稳定状态，元件只有在达到初始稳定状态后才可用于气体检测。 3-11 答:下图为一个简易的家用有害气体报警电路。图中变压器次级绕组为气敏电阻QM-N6提供加热器电源。变压器初级中心抽头产生的110V交流电压，加到由1k,电位器、气敏电阻和蜂鸣器串联组成的测量电路。当CO等还原性有害气体的浓度上升时，气敏电阻减小，流过蜂鸣器的电流增大，当有害气体的浓度使蜂鸣器的电流增大到一定值时，蜂鸣器就鸣叫报警。调整电位器可调整蜂鸣器灵敏度，即产生报警的有害气体最低浓度。图中氖灯LD用作电源指示。为防止意外短路，变压器初级安装了0.5A的保险丝。 3-12 解:图3-1-18中电表为电流表，其中电流为: IX V3 (为电流表满量程) I,,IIXFFR，R，R12X 为负特性湿敏电阻。 RX 湿度?????。 RIXX X湿度测量范围 X,RH ,,RH， maxmin XR为湿度,RH时R的值R，d X maxXmin 3VRRR，，,I,I因要求即， 123XFIF XRR所以增大可减小，即扩大测湿量程,RH。 maxXmin1 3-13 答:测湿电路通常为湿敏电阻构成的电桥电路。如果采用直流电源供电，湿敏电阻体在工作过程中会出现离子的定向迁移和积累，致使元件失效或性能降低，因此所有湿敏电阻的 7 供电电源都必须是交流或换向直流(注意:不是脉动直流)。 3-14 答:温度变化时，电阻应变片的电阻也会变化，而且，由温度所引起的电阻变化与试件 应变所造成的电阻变化几乎具有相同数量级，如果不采取温度补偿措施，就会错误地把温度引起的电阻变化当作应变引起的电阻变化，即产生“虚假视应变”。 把两个承受相同应变的应变片接入电桥的相对两臂，并不能补偿温度误差。从表3-1-1 ,R，,REETU,,,k(,，,)所列图3-,,,,(b)计算公式可知，电桥输出电压为，T2R2由此可见，温度引起的电阻变化也影响电桥输出电压，此时，从电桥输出电压测出的,RT 应变并不是真实应变，而是，其中包含有虚假视应变即温度误差。 ,(,，,),TT 3-15 解:一个应变片接入等臂电桥，属于单臂工作的情况，将(3-1-19)式代入(3-1-36) E,REU,,,,，k，,式得 (1) 04R4 由上式可见，电源电压越高，输出电压越大，但是电源电压受应变片允许电流的限制，由题意知，应变片允许工作电流是15mA，因此激励电源电压应选为 ,3E,2IR,2，15，10，100,3V 代入(1)式计算得，电桥输出电压为5mV时钢制试件上应变片的应变为 ,34U4，5，10,30,,,,3.509，10 Ek3，1.9 3-16 答:据公式(3,,,,)图3-2-1(c)所示电容传感器的初始电容为 ,SS0,,C 0ddd122，，d1,,,,rr00 ,d如果空气隙减小了，则电容值变为 ,,,SSSC0000C,,,, ddd,,,221,dddd,,，，,,,,11d,,,,dd2,rr,,2d，,,d，1,11,,,,,d,r2r,,d，,,1,r,, 双层介质差动式变极距型电容传感器的电容与动极板位移的关系式为 ,CC,d12, dC，C212，d1,r 8 题3-17图 3-17 bl答:题3-17图所示为变介质式电容传感器，设极板宽为，长为。极板间无介质块 bl,1时的电容为，极板间有介质块时的电容为， C,0d，d12 ,,,1,1,,,Cbxbl,x()02,, C,C，C,，,C，,,x0AB,,,ddd，ddl121211，，,,,,,,d12122,, 上式表明传感器电容与介质块位移x成线性关系。 3-18 题3-18图 解:由题3-18图和题中参数可求得初始电容 2 C=C=C=,S/d=,,r/d 120002,12,38.85，10，,，，，12，10,12,,6.67，10F,6.67pF,30.6，10 变压器电桥输出端电压 ,,,,,ZZ,ZC,C22112U,，U,U,U,U2scZ，ZZ，ZC，C121212 其中Z,Z分别为差动电容传感器C ,C 的阻抗.，将公式(3-2-9)代入上式计算得 1 2 12 ,d0.05u,，u,，3sin,t,0.25sin,t(V) scsrd0.60 3-19 答:自感传感器有三种类型:变气隙式、变面积式和螺管式。变气隙式灵敏度最高，螺管式灵敏度最低。变气隙式的主要缺点是:非线性严重，为了限制非线性误差，示值范围只能较小;它的自由行程受铁心限制，制造装配困难。变面积式和螺管式的优点是具有较好的线性，因而示值范围可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便。此外，螺管式与变面积式相比，批量生产中的互换性好。由于具备上述优点，而灵敏度低的问题可在放大电路方面加以解决，因此目前螺管型自感传感器的应用越来越多。 9 3-20 ,解:设纸页厚度为，磁导率为，其磁阻远大于铁心和衔铁的磁阻，因此据公式(3, 2,NA,,,5)可推得，题3-20图所示自感式传感器的自感为，电流表,的读数为 L,2, ,UU2 I,,2,L,N,A 可见电流表的读数与纸页厚度成线性关系。 3-21 解:将题中参数代人书上的公式(3-3-2)，分别计算铁芯磁路磁阻和气隙磁阻，计算结果证明，铁芯磁路磁阻远小于气隙磁阻，因此该变隙式电感传感器的电感可采用书上的公式(3-3-5)近似计算。由公式(3-3-6)和(3-3-7)可知，当衔铁移动Δδ时，传感器的电感变化为 ,,,,,,,10,,1,L,L,L,L,,L 000,,,,,,11，，,,,,00,, 将公式(3-3-6)代人上式得，变隙式电感传感器的灵敏度为 22,,LNANA11,L000 ,，,，,22,,,,,,2,2,,00011，，,,00 2,7N,3000据题意知:A,1.5cm，，。代人上式计算得变隙式电感传,,4,，10H/m0 感器的灵敏度为 22,7,4N,A,,L3000，4，10，1.5，100 ，，,,33.9H/m,22,2,2,,，，2，0.5，100 若将其做成差动结构形式，则灵敏度为单一式的两倍，且线性度也会得到明显改善。 3-22 答:由自感传感器的等效电路图3-3-3可见，自感传感器工作时，并不是一个理想的纯电感L，还存在线圈的匝间电容和电缆线分布电容组成的并联寄生电容C。更换连接电缆后，连接电缆线分布电容的改变会引起并联寄生电容C的改变，从而导致自感传感器的等效电感改变，因此在更换连接电缆后应重新校正或采用并联电容加以调整。 3-23 答:差动自感式传感器与差动变压器式传感器的相同点是都有一对对称的线圈铁心和一个共用的活动衔铁，而且也都有变气隙式、变面积式、螺管式三种类型。不同点是，差动自感式传感器的一对对称线圈是作为一对差动自感接入交流电桥或差动脉冲调宽电路，将衔铁位移转换成电压。而差动变压器式传感器的一对对称线圈是作为变压器的次级线圈，此外，差动变压器式传感器还有初级线圈(差动自感式传感器没有)，初级线圈接激励电压，两个 10 次级线圈差动连接，将衔铁位移转换成差动输出电压。 3-24 答:图(a)和图(b)的输出电流为Iab=I1-I2，图(c)和图(d)的输出电压为Uab=Uac-Ubc。当衔铁位于零位时，I1,I2,Uac=Ubc，故Iab=0,Uab=0;当衔铁位于零位以上时，I1>I2，Uac>Ubc，故Iab>0，Uab>0;当衔铁位于零位以下时，I1 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，图(a)是在阻值较大的臂上并联电阻，图(b)(c)是在两个臂上同时并联电阻，显然方案(c)调整比较方便。 4-24 t具有负温度系数，在图4-5-13(a)中，当温度升高时，Rt答:不能。因为热敏电阻R 减小，流过霍尔元件的控制电流增大，从而使霍尔元件输出电压增大，IU,KIBHHHH这就可补偿负温度系数的随温度升高而减小的作用。如果把图4-5-13(a)中热敏电阻换KH 成金属电阻丝，因为金属电阻丝具有正温度系数，当温度升高时，金属电阻丝电阻增大，流过霍尔元件的控制电流减小，从而使霍尔元件输出电压也减小，这只能IU,KIBHHHH补偿正温度系数的使随温度升高而增加的作用，不能补偿负温度系数的使KUKUHHHH随温度升高而减小的作用。如果图4-5-13(b)中金属电阻丝换成热敏电阻Rt，当温度升高时，Rt减小，流过Rt电流增大，流过霍尔元件的控制电流减小，从而使霍尔元件输出电压IH U,KIB减小，这也只能补偿正温度系数的K使U随温度升高而增加的作用，不HHHHH 能补偿负温度系数的K使U随温度升高而减小的作用。 HH 第5章 5-1 答:相同点:磁敏二极管和磁敏三极管都是PN结型的磁敏元件，都有本征区I，本征区I的长度较长，其一个侧面磨成光滑面，另一面打毛。粗糙的表面处容易使电子—空穴对复合而消失，称为r(recombination)面(或r区)， 不同点:磁敏二极管的结构是在高阻半导体芯片(本征型)I两端，分别制作P、N两个 19 电极，形成P-I-N结。当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压，则有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有大量电子注入P区，形成电流。当磁敏二极管受到外界磁场H+(正向磁场)作用时，电子和空穴受到洛伦兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合消失速度比光滑面I区快，因此形成的电流因复合速度快而减小。当磁敏二极管受到外界磁场H-(反向磁场)作用时，电子—空穴对受到洛伦兹力作用向光滑面偏转，电子—空穴的复合率明显减小，因而形成的电流变大。磁敏二极管反向偏置时，仅流过很微小电流，几乎与磁场无关。 磁敏三极管的结构是在弱P型近本征半导体(本征区I)上，用合金法或扩散法形成三个结，即发射结、基极结、集电结。当磁敏三极管未受到磁场作用时，基极电流大于集电极电流，使β=Ic/Ib<1。受到正向磁场(H+)作用时，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降，当反向磁场(H-)作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。 5-2 题5-2 图 简易高斯计电路图 解:图中左侧虚线框内是两对互补的磁敏二极管，四只温度特性一致的磁敏二极管按磁场极性互相相反组成磁敏桥作为探头，探头通过导线与机身插接。插接开关为量程选择开关，接入8个不同的电阻，得到8个不同的量程。两只晶体管组成差分放大电路。 没有磁场时(H,0)，磁敏桥平衡无输出。加磁H时，磁敏桥有输出电压加在差分对管+ 基极上，集电极电位发生变化，有电流通过电表。使表针指示所测磁场强度值。当加磁场H时，由于磁场方向与H加时相反，表针向“0”位置反方向偏转。 -+ 5-3 20 题5-3图 光敏二极管光控开关电路 解:题5-3图(a)是亮通光控电路。当有光照射时，光敏二极管的阻值变小，VT、VT12导通，继电器K工作，从而带动执行机构。图(b)是暗通光控电路，当有光照射时，光敏二极管的阻值变小。VT、VT截止，继电器K不工作;只有当无光照时，VT、VT才导通，1212继电器工作。 5-4 解:采用图5,1-16(a)所示温敏硅二极管电桥和测量放大器及数字电压表组成的数字温 -4图所示。 度计电路如题5 题5-4图 采用温敏硅二极管电桥的数字温度计电路 图中测量放大器输出电压为 R2R31U,(U,U)(1，), 012RRP22 据公式(5,1-5)可知， U,U,C，t 2b ,t,0CU,UU,0R调节电位器，使，从而使时，。完成调零后，测量放大器输01bP1 出电压为 21 R2R31 U,(1，),,C,t0RRP22 ,再调节电位器，使时，。这样就使数字电压表DVM读数1mVt,100CU,100mVR0P2 代表1?温度，100mV代表100?。 5-5 题5-5图 解:图中求和放大器输出电压为 RRR333U,,U,U，U 012SRRR124因热电偶正极接地，故,据公式(),代入上式得 U,,E(T,T)U,U,C，T1AB02b0 RRRR3333U,E(T.T),(U,CT)，U,E(T.T) 0AB0bSAB0RRRR1242 URs4T,0,U,0调节电位器R,使,从而使时，，完成调零后，输出电压为 40RU2b ，，RRRR3332UE(T.T)CTE(T.T)CT,，,， 0AB00AB00,,RRRR2121，， R2CT,E(T.0),,T选取适当的R、R，使，此时输出电压为 0AB0021R1 RR33U,E(T,0),，,，T 0ABRR11 SRU,S，T,调节电位器RR，使，从而使。 3031, 22 5-6 解:该说明书上提供的TMP35用于热电偶冷端补偿的电路如题5-6图所示。 题5-6图 据公式(5,2-7)和TMP35说明书，图中电压输出型集成温度传感器TMP35的输出电压分压产生的冷端补偿电压为 RR22,,， (1) UU(UCT)000CTV，，RRRR1212 ,将，，，代入(1)式计算得 U,0R,102,R,24.9k,C,10mV/C0021V , (2) U,(41,V/C)，TC0 ,据TMP35说明书，K型热电偶的塞贝克(Seebeck)系数，代入公式(4-3-17),,41, V/C得K型热电偶的热电势为 , (3) E(T,T),,(T,T),(41,V/C)，(T,T)K000因此同相放大器输入电压为 , (4) U,E(T,T)，U,(41,V/C)，TiK0C 据TMP35说明书，当T=250?时，K型热电偶的热电势。为了使E(250,0),10.151mVK T=0?,250?时，同相放大器输出电压为0,2.50V, 同相放大器的放大倍数为 R，R2.5V5PK,1，,,246.3 R10.151mV4 调节电位器R,使T=250?时，同相放大器输出电压为2.50V。 P 5-7 解:该说明书上提供的AD592用于热电偶冷端补偿的电路如题5-7图所示。 23 题5-7图 据公式(5,2-5)和AD592，图中电流输出型集成温度传感器AD592输出电流在电阻R 上形成的补偿电压为 (1) U,(I，CT)，RC00I0 该补偿电压与热电偶热电势相加成为同相放大器输入电压: (2) U,E(T,T)，Ui0C 依据叠加原理，放大器输出电压为 RRG1G1U,U，,U(1) (3) 0ibRRG2G2 将(1)、(2)式代入(3)式，整理得 RRG1G1U,ETT，I，CTR，,U,,(,)()(1) (4) 0000I0bRRG2G2 ,AD592的I,273,A，。选择电阻R,，使 C,1,A/C00I ,,R ,, (5) ,C1,A/CI 选定热电偶的类型后，将该型热电偶的塞贝克(Seebeck)系数 代人上式可计算得所需的电, ,R,41,阻值。例如K型热电偶的塞贝克(Seebeck)系数，代入上式计算得。 ,,41, V/C U调节电位器R，使基准电压源AD1403提供的2.5V稳定电压分压产生的满足调零条件: Pb RRG1G1，IR,U(1) (6) 00bRRG2G2 将(5)式和(6)式代入(4)式得 24 RRRG1G1G1 (7) ,,U,E(T,T)，,T(1，),E(T,0)(1，),,T(1，),S，T000RRRG2G2G2 根据所需的输出电压灵敏度S.，可依据(7)式计算出的放大器放大倍数和相应的增益电阻R、R 。 G1G2 5-8 解:满度输出电压的典型值为 ,,U,5.1，0.01059，105,0.1518,4.897V0 满度输出电压的最大值为 ,,U,5.1，0.01059，(105，1.5),0.1518,4.978V0 满度输出电压的最小值为 ,,U,5.1，0.01059，(105,1.5),0.1518,4.815V0 5- 9 答:据公式(6-2-9) H在0,100%RH范围时，对应的为 H0 H,H，(1.0546,0.00218t),H，(1.0546,0.00218，30),0.9892H0 ,0,98.93%RH。代入公式(6-2-8)计算得 0.83.87,=,V U,E(0.0062H，0.16),5，0.165，(0.0062，98.93，0.16)00 5-10 答:线性集成霍尔传感器的输出电压与输入的磁感应强度成线性关系，因此常用来测量磁场的磁感应强度或能转换成磁场的磁感应强度的其他非电量。这些非电量是连续变化的模拟量。开关型集成霍尔传感器的输出只有高电平和低电平两种状态，常用来测量磁场的有或无，也可用来测量能转换成磁场的其他开关型非电量。 第6章 6-1 答:有三条码道。码盘上最外圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置， 清零)信号;中间一圈码道称为增量码道，所产生的脉冲将给计数系统提供一个初始的零位( 最内一圈码道称为辨向码道。这两圈码道都等角距地分布着m个透光与不透光的扇形区，但彼此错开半个扇形区即90?/m。所以增量码道产生的增量脉冲与辨向码道产生的辨向脉冲在时间上相差四分之一个周期，即相位上相差90?。增量码道产生的增量脉冲的个数用于确定码盘的转动角度，辨向脉冲与增量脉冲的相位关系用于确定码盘的转动方向。 6-2 答:因为主光栅沿栅线垂直方向(即x轴方向)移动一个光栅栅距W，莫尔条纹沿y轴正好移动一个条纹间距H(H>>W)，光电元件的输出电压变化一个周期，光栅辩向电路产生一个脉冲计数，采用电子细分技术后，主光栅移动一个光栅栅距W，细分电路将产生m个计数脉冲，光栅的分辨率即一个脉冲计数代表的位移就从W变成W/m。光栅的栅距一般为0.01, 25 0.1mm，电子细分数在12,60甚至更多，因此光栅传感器能测量很微小的位移。 光栅传感器中有两个相距四分之一莫尔条纹间距的光电元件，这两个光电元件的输出信号u1和u2的相位差正好等于π/2。当位移反方向时，正向位移时原来相位超前的那个光电元件的输出信号的相位，就从相对超前变为相对迟后，这就会使相关的辨向电路控制计数器从脉冲加计数变成脉冲减计数，因此计数器的计数结果反映位移正负两抵后的净位移。 6-3 WV答:长光栅所允许的移动速度受光敏二极管响应时间的限制 ,,,V ,3W10m故 V,,,20m/s,6,50，10s 6-4 ,360,解:六位循环码码盘测量角位移的最小分辨率为:。 ,,,5.6,0.098rad62 l0.01mm码盘半径应为: R,,,0.1mm ,0.098 循环码101101的二进制码为110110，十进制数为54; 循环码110100的二进制码为100111，十进制数为39。 ,,码盘实际转过的角度为: 。 ,,(54,39),,,15，5.6,84 6-5 ,3W20，10mm答:莫尔条纹宽度为H,,,5.73mm ,,0.22sin2sin22 因为标尺光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹就移动一个条纹宽度H的距离,所以当标尺光栅移动100微米时，莫尔条纹移动的距离为 5.73mm,6，100，10,28.65mm ,620，10 6-6 答: 相邻正弦绕组与余弦绕组的间距为(n/2+1/4)W。相邻正弦绕组和正弦绕组，相邻余弦绕组与余弦绕组的间距都为n倍节距W。 6-7 答: W/m感应同步器测量系统对位移的分辨率是由节距W和细分数m决定的，因此要提高位移分辨率，就要选用节距W小的感应同步器和增大细分数m。 6-8 答: 感应同步器设置正弦绕组与余弦绕组是为了能在测量位移大小的同时还能判别位移的方向。 6-9试分析环境温度变化，对振弦式传感器灵敏度的影响。 26 解: 在温度变化时，振弦的有效长度也随之变化: l,l(1，,t)t0 ,式中t和分别为温度和温度膨胀系数，为温度时的弦长。由于振弦的截面积很t,0Cl,0 小，可认为当温度变比时其截面积A不变。 振弦的应力ζ=F/A代人教材上公式(5-3-3)得振弦的振荡频率可表示为 1A,f, 2ml df取振弦式传感器灵敏度k,，则由上式可得 d, df1A11A1 k,,，,，,,dmlml，t44(1),,0 由上式可见，温度增加，振弦灵敏度降低。 6-10 答:振弦、振筒两种频率式传感器的共同的特点是都由振动体、激振器、拾振器和放大振荡电路组成一个反馈振荡系统，作为振动体的振弦、振筒都是用具有导磁性的恒弹性合金制成，当激振器使振动体振动时，磁路的磁阻交替变化，在拾振器中产生感应电压，感应电压的变化频率等于振动体振动频率。 它们共同的工作原理是，被测非电量如力、压力、密度等使振动体振动频率即拾振器感应电压的频率改变，因此测量拾振器感应电压的频率就可测出被测非电量。 第7章 7-1 答:光导纤维简称光纤，由透光的纤芯和包层以及不透光的尼龙外套组成。纤芯内传播的光入射到纤芯和包层的交界面时，由于纤芯的折射率比包层的折射率大，只要入射角θ1 n2大于临界角θc，即,,,,arcsin()，光就不会穿过两个介质的分界面，而只会完全反1cn1 射回来，这种只有反射没有透射的情况称为全反射。 ,在光纤的入射端，光线从空气(折射率为n0=1)中以入射角射入光纤纤芯，当入射角0 22,,,nn12,,时，就会使θ1>θc即满足全反射条件，这样，光线就能在纤,,,,arcsin0c,,n0,, 芯和包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在纤芯内向前传播，从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光原理。 7-2 答:当光纤发生弯曲到一定程度使光线入射角小于临界角时，射到纤芯与包层界面上的光有一部分将穿过界面透射进包层造成传输损耗——微弯损耗，从而引起光纤出射端输出的 27 光通量发生变化。图7-1-7中变形器的位移或所受力越大，变形器使光纤发生周期性弯曲就越厉害，引起传输光的微弯损耗越大，光纤出射端输出的光强度越小。通过检测光纤输出的光强变化就能测出位移或力信号。 7-3 答:在曝光(光积分)时间，图7-2-6中各个光敏元曝光，吸收光生电荷，产生“电荷包”。曝光结束时，全部“电荷包”实行场转移，亦即在一个瞬间内将感光区整场的“电荷包”图象迅速地转移到存贮器列阵中去，譬如将脚注为a1、a2、a3、a4的光敏元中的光生电荷分别转移到脚注相同的存储单元中去。此时光敏元开始第二次曝光(光积分)，而存储器列阵则将它里面存贮的光生电荷信息一行行地转移到读出移位寄存器，在高速时钟驱动下的读出移位寄存器，读出每行中各位的光敏信息，如第一次将a1、b1、c1、d1这一行信息转移到读出移位寄存器，读出移位寄存器立即将它们按a1、b1、c1、d1的次序有规则地输出。接着再将a2、b2、c2、d2这一行信息传到读出寄存器，„，直至最后由读出移位寄存器输出a4、b4、c4、d4的信息为止。 7-4 答:红外探测器是能够把红外辐射量的变化转换为电量变化的器件，它是红外传感器的关键部件——传感元件。按其所依据的物理效应可分为光敏和热敏两大类型，其中光敏红外探测器用得最多。 光敏红外探测器是采用电真空光电器件或半导体光电器件，通过红外辐射的光电效应，把红外辐射的光量变化转换为电量变化。 热敏红外探测器是采用热敏电阻、热电偶和热电堆，通过红外辐射的热电效应，把红外辐射的热量变化转换为电量变化。 7-5 答:超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中压电式探头最为常见。压电式超声波探头是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成机械振动，以产生超声波。正压电效应将接收的超声振动转换成电信号。由于压电效应的可逆性，实际应用中的超声探头大多是发射与接收兼用，既能发射超声波信号又能接收发射出去的超声波的回波，并把它转换成电信号。 7-6 答:超声检测方法常见的有:透射法、反射法、频率法。 7-7 答:核辐射传感器主要由放射源和探测器组成。 放射性辐射过度地照射人体，能够引起多种放射性疾病。因此在实际工作中要采取各种方式来减小射线的照射强度和照射时间。如采用屏蔽层，利用辅助工具，或是增加与辐射源的距离等各种措施。 7-8 答:传感器发展的新趋向是:,)探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器;,)传感器的集成化和多功能化;,)传感器的智能化;,)研究生物感官，开发仿生传感器。 第8章 8-1 解:设两圆弧形电位器半径为r，弧长为L，连成如题1图所示差动电桥，两电位器滑 ,臂转角为，则电桥输出电压为: 28 Rrrr,,,,2,。 UUUUU,,,,,2,,,,2,,,,0,RLLL23600 ,360L,测量范围(度)。 ,,，2r2, 题8-1图 8-2 解:据公式(,,,,,)图8-2-1中四应变片承受的应变为 3sin,W，，,,，代入公式(3,,,,,)得电桥,,,,,,,,,,,1324,2tanEh2 的输出电压与倾角的关系式 U,0 3sin3sin,,kUWkUW4U,，，, 0,,422tantanEhEh22 -3 8 解:采用图3-2-3所示变面积型差动电容传感器，将其动极板做成摆锤，再将该差动电容传感器接入图3-2-7所示变压器电桥，即构成倾角测量电路。将(3-2-12)式代入(3-2-25)得，测量电路输出电压与倾角成正比 ,E, U,，02,0 同样，也可采用图3-3-7(d)所示变面积型差动变压器，将其活动衔铁做成摆锤，再将该差动变压器接入图3-3-11所示差动整流电路，也可构成倾角测量电路。 8-4 解: ,将纸页夹在变极距型电容器的两极板之间，设纸页的厚度为，介电常数为,，此时， ,SC,据公式(3,,,,)，变极距型电容传感器的电容为，将电容传感器代入图3-2-6(a)X, 中的C，图中C采用固定电容，据公式(3-2-18)，电路输出电压幅值与纸厚成正比 x0 ,CEC00U,E,,, 0CS,,X 8-5 解:红外线发射管VD发出红外光，此光线透过纸张后，被光敏二极管VD接收。纸12张越厚，透过纸张的光线强度越弱，VD内阻越大，输出的检测电压越高，反之亦然。VD22输出的检测电压加到两个比较器，分别与两只电位器设定的门限电压进行比较。 若纸张厚度在正常范围，VD输出电压也就在两只电位器设定的门限电压范围之内，两2 29 个比较器的输出端均输出高电平，三极管VT、VT都保持截止状态，继电器也保持释放状12 态。两控制开关均不闭合。 当纸张厚度增大超过允许范围时， VD输出的检测电压会升高到超过电位器RP设定21的门限电压，比较器IC的4脚电压高于5脚，这时其2脚输出低电平，三极管VT导通，1a1发光二极管LED(超厚指示灯)点亮，继电器K动作，使超厚控制开关闭合，接通控制纸11 张变薄的电路，使其工作。 当纸张厚度减小超过允许范围时，VD输出的检测电压降低到低于电位器RP设定的门22限电压，比较器IC的7脚电压低于6脚，这时其1脚输出低电平，三极管VT导通，发1b2光二极管LED(超薄指示灯)点亮，继电器K动作，使超薄控制开关闭合，接通控制纸张22 变厚的电路，使其工作。 题8-5图 纸厚检测控制电路 8-6 答:如题8-6图所示，采用绝缘材料制作一个同轴圆筒形容器，轴心采用直径为d的金属圆棒作为内电极，金属圆棒外的绝缘材料包层直径为D，绝缘材料的介电常数为。因为,容器内导电液体是不粘滞的，当液位下降时，导电液体不会粘滞在绝缘材料包层的表面，所以，导电液体(作为外电极)与金属圆棒(作为内电极)的复盖长度即为液位高度H。金属圆棒和导电液体构成一个变面积式电容传感器。 从容器底部引出的两根引线分别与金属圆棒和导电液体相连，据公式(3,,,,)可 2,,知，传感器电容为。将此电容传感器代入上图3-2-6(b)中的C，CC,,HX0Xln(D/d) EC,2E,,XU,,,H采用固定电容，据公式(3-2-20)，电路输出电压幅值为。 0CCln(D/d),00 30 题8-6图 8-7 ,,,,x答:图8-4-5中液位高度H使活动衔铁上升Δx，即衔铁位移，将公式(8-4-10)代入(3,,,,,)得，差动变压器输出电压与液位高度H成正比关系 N2U,U,H 0sc,N(1，)10,gA 8-8 -4-6所示电容式差压传感器或图8-4-8所示压阻式差压传感器及相关测量答:采用图8 电路(参见第8-,题解答)将差压转换成电压，再配接一个电压表组成水深测量仪表。其组成框图如题8-8图所示。 8图 题8- 差压传感器及其仪表带在潜水员身边，差压传感器高压侧进气孔敞开与潜水员身边的水相通，低压侧进气孔通过一根很长的橡胶“背压管”与水面上的大气相通，据公式(,,,,,,)，差压传感器的差压与潜水员所潜入的深度h成正比，此差压由测量电路转换成与之成正比的电压读数，这样，潜水员就能从该电压表的读数知道自己所潜入的深度h。 8-9 解:据公式(,,,,,,)，图,,,,,所示电容式差压传感器的差动电容为 C,C12,K,h (1) C，C12 2ag,K,式中，该电容式差压传感器接入图3,,,, (b)变压器电桥，将(1)式代入公式4Td0 (3-2-25)得 UUC,C12ssU,,,,K,h 02C，C212 31 该电容式差压传感器接入图3,,,9电路，将(1)式代入公式(3-2-33)得 C,C12 U,,U,U,K,h0OHOHC，C12 第9章 9-1 解:铝盘转矩，游丝扭矩，二者平衡时 M,k,nM,k,,ssee ke (1) ,,,nks 0m据书上公式(6-1-1)，配接m位光电编码器，角分辨力，将此式代入上式(1)，,,36021 可得转速分辨力 0kk360ss (2) n,,,,,m11kk2ee 0n,0,,0设转速时，将(1)式代入书上公式(6-1-3)，可得被测转速与转换成的相应二进制数码的对应关系为 mkk,,,iSS, n,360C2,,,,,,,,ikki,1,,ee 因二进制绝对编码器最大输出数码为m为全“1”，故对应的可测最大转速为 kk1,,,SSn,,,,,1,360 ,,maxmaxmkk2,,ee 9-2 1000，120N,，3000,600解:据公式(,,,,,)和(,,,,,)， 360，10，10 9-3 k,解:令,为被测振动角频率，为绝对振动传感器固有频率。 ,0m ,,,,y,x据公式(9-2-21)，当时，，故可测量振动位移幅值。 0mm 2,,,,据公式(9-2-23)，当时，，故可测量振动加速度幅值。 y,a,,mak0mmm0 9-4 答:圆筒形铝制线圈骨架可看作是一个单匝闭合线圈，当线圈架随同线圈一起在磁场中运动时，铝制线圈架内将感应产生涡流，磁场对此涡流的作用力也将阻止线圈架运动，由 32 (9-2-35)式可知，这种涡流阻尼力也与线圈相对磁铁的运动速度成正比，方向相反，即 dy F,,,,Tdt 式中μ——线圈架结构尺寸和材料决定的常数。 过去线圈骨架采用普通的绝缘骨架，因不能产生涡流阻尼力，就在线圈的活动空间灌满硅油，靠线圈与周围硅油的摩擦产生阻尼力。采用铝骨架后，用涡流阻尼取代硅油阻尼，传感器的体积和重量大大减小。 9-5 答:据公式(,,,,,,)和(,,,,,,)，只有当ω>ω0时，磁电式速度传感器的输出电压才与振动速度成正比。因此磁电式速度传感器必须工作ω>ω0的范围 9-6 答:这些传感器的共性就是传感器的壳体与被测振动体固接在一起，相对于大地做绝对振动，传感器的壳体通过弹簧片或其他弹性支承带动质量块相对于壳体做相对振动，质量块的相对振动位移被转换成电量，因而被测振动体的绝对振动加速度被转换成电量。 9-7 解:图9-2-5(a)中质量块的位移相当于图8-1-1中悬臂梁可动端的位移δ，根据(8-1-2)式，悬臂梁上黏贴的电阻应变电桥输出电压为 kUhU,,,, (1) 022l U,式中为应变电桥电源电压。根据公式(9-2-20)式，图9-2-5(a)中质量块的位移与被测加速度的关系为 a 1 2,,K0,,,， (2) 04am,,,,,1，,,,0,, 2当,,,,时， (3) ,,a,,maK00 将(3)式代入(1)式得 kUhakUhmaU,,,,,,? (4) 022222Kl,l0 kK, 应变片灵敏系数，—悬臂梁的弹性系数; F悬臂梁实质上是一个弹性敏感元件，当它的可动端受到质量块的作用力时，将产生 ,,F位移，根据弹性力学的推导，与作用力成线性正比关系 34l,,，F (5) 3Ebh 而质量块受悬臂梁的弹性反作用力为 F,K, (6) 3Eb,h0K,(5)式代入(6)式得: (7) 36l 33 kUl6(7)式代入(4)式得: U,,m,,a022Ebh0由上式可见，测得悬臂梁黏贴的电阻应变电桥输出电压，就可以测得传感器所固定的振动物 体的振动加速度幅值。 9-8 UQpC0mV解:已知，， ,550,gpCAQ UUQ00mV?。 550250,，,，,gAAQ 2000已知，故A,,8g。 U,2V,2000mV0250 9-9 解:根据(4-2-18)式，， C,C，C，C,1000，3000，50,4050pFaci根据(4-2-19)式，， R,R//R,100M,//2M,,1.96M,ai 11f,,,20Hz根据(4-2-22)式，， n6,12,,2RC2，1.96，10，4050，10 由题意知:， f,30kHz0 综合(4-2-26)和(9-2-31)式得， UUdmGQ110033,，,，， (,) 42AQACf,,,,fn,,,,1，1，,,,,ff,,,0, dmG33,K，式中G为放大倍数。 C UK020Hz~30kHzf~f令，由(,)式可得通频带为，即，通频带中心频率,n0A2 f，fn0f,,15kHz。 c2 f,f当时， c 11111，,，,,0.97， 424211520,,,,,,,,ffcn1，1，1，,,,,,,,,1，1，316,,,,3015，10ff,,,,c0,,,, 34 ,12,3dmG190，10，40，10，1033， ,,，0.97,40，，0.97,40，，0.97,0.73伏UAK0,12C4050，10也可认为时，。 f,fU,A,K,40，0.01877,0.75伏c0 9-10 ,R4粘贴位置及连成的电桥电路如图,,,,,所示。 解:应变片R1 6l6，100，0.5，9.8,4， ,,,F,,14.14，10242Ebh2.1，10，11，30 ,4,4,3。 U,K,U,,2，6，14.14，10,169.7，10,17，10V,17mV0 9-11 ,dW解:图9-3-7(a)中，令，为重量，将此式代入公式(3-2-6)得 ,K,Wd0 ,,C,d0,, (1) C,C1，,0X,,d1，KW0,, 方案1——将图9-3-7(a)所示电容传感器C接入题9-11图所示测量电路。 x 题9-11图 ,,,,,,C,d0,,，，U,,U,,U1，,,U1，KW (2) EEE1,,CdX0,, ,,,,,,,UU,,,,1EU,,，,R,,U，U (3) ,,01E,,RR,,,,,, ,,,,，，? (4) ，，U,,U,U1，KW,U,K,W0EEE,,，， 方案2——将图9-3-7(a)所示电容传感器C接入图3-2-11(a)中 x 将(1)式代入书上公式(3-2-38)，图3-2-11(a)输出方波频率为 KW11，f,, (5) RR22112RCln(1，)2RCln(1，)x0RR229-12 35 ,,,di,,解:在图9-3-7(b)中，每个电容传感器的电容为， CC1,,Xi0,,d0,, ,,,di,,CC1,，?，?，?。 ，，,d,,dC,C1，KFXi0i0Xi0i,,d0,, nnnn并联总电容，令总重量， ，，C,C,C1，KF,nC，KCFW,F000,,,,iXXiii,1,1,1,1iiii K,,? (1) C,nC，KC,W,nC1，W,,X000n,, 方案1——将图9-3-7(b)所示电容传感器C接入题9-12图所示测量电路。 x 题9-12图 题9-12图输出电压为 ,,,,,,,,,,,UUC,,,,1EX,,U,,，,R,,U，U,,,U，U (2) ,,01EEE,,,,RRnC,,,,0,,,, 将(1)式代入(2)式得 KU,U,,W (3) 0En 方案2——将图9-3-7(b)所示电容传感器C接入图3-2-11(a)中 x 将(1)式代入书上公式(3-2-38)，图3-2-11(a)输出方波周期为 2RK1T,2nRCln(1，)(1，W) (4) 0Rn2 9-13 R,R解:在承受扭矩的钢轴的圆周线上，等间距地粘贴四个应变片，应变片与轴线成13 ,,，45,45角，应变片R,R与轴线成角，再将四个应变片连接成电桥，如题9-13图所示。 24 36 题9-13图 kgkg610由题意知，应变片灵敏系数为k=2，剪切弹性模量为，G,8，10,8，1022cmm代入书上公式(9-4-3)，可计算得题9-13图所示电桥输出电压为10mV时，被测力矩为 3,U10，1033100? M,,,r,G,，3.14，0.015，8，10,424kg,mkU2，10 第10章 10-1 解:两只相同的金属应变片粘贴到图10-1-7所示筒式压力传感器外壁的圆周上,当温度 -24)，此电阻相对变化折算成“虚假视应变”变化时，它们都会产生电阻变化，据公式(3-1 为。应变片R1粘贴到筒体空心部分外壁的圆周上，在流体压力P作用于筒体内壁,,k,ttt 时，筒体空心部分发生变形，产生与压力P成正比的周向应变，因此应变片R1,,kPPP ,R1,k(,，,)的电阻相对变化为。应变片R2粘贴到筒体底部实心部分外壁的圆周上，0tPR1 在流体压力P作用于筒体内壁时，筒体底部实心部分不发生变形，应变片R,的电阻相对变 ,R2,k,化为。将这两应变片连入电桥横跨电源的相邻两臂，如题10-1图所示。电桥的0tR2 其他两臂用固定的平衡电阻，代入公式(3-1-39)得，电桥输出电压为 ,,RREEEE12,(,),，,,,,,，，Uk,,,k,kkP 0tPt0P0P4444RR12 题10-1图 37 10-2 答:在图10-1-13中，当被测压力P作用于膜片时，膜片中心处位移引起两遮光板中狭缝一个变窄，一个变宽，从而使透射到两光敏元件上的光强度一个增强一个减弱，把两光敏元件接成差动电路，差动输出电压可设计成与压力成比例。这种差动结构不仅可提高灵敏度，而且能消除光源亮度变化产生的影响。 如果只采用一个狭缝和一个光敏元件，光源亮度变化引起的光敏元件上的光强度变化，同被测压力P变化引起的光敏元件上的光强度变化，无法区分开，从而带来测量误差。 10-3 题10-3图1 题10-3图2 解: 题10-3图1的电路方程为 mU,UR015(1) ,R，U,U 312R，RR，R6354 将书上公式(5,1-5)代入上式，并整理得 ，，RR，RRR56366mU,U,U，C，t (2) 02b,,R，RRRR45333，， 因R=R，R=R，故上式简化为 3456 R6,,mU,U,U，C，t 02bR3 调节题10-3图1中的电位器R,使U=U，从而使t=0?时，U=0。完成调零后，题10-3图P12b0 1中DVM的输入电压为 R116U,，，C，t,，5，C，t (3) 0mRm3 调节电位器R，改变分压系数m，使温度为t=100?时，DVM读数为1000mV。 P2 题10-3图2的电路方程为 R，RR，R5P25P2U,,U，U (4) 012RR，R23P1 将书上公式(5,1-5)代入上式，并整理得 ，，R，RR，RR5P25P22U,U,U，C，t (5) 02b,,RR，RR2312P，， 调节题10-3图2中的电位器R,使上式括号项为零，从而使t=0?时，U=0。完成调零后，P10 38 题10-3图2中的输出电压为 R，R52P (6) U,C，t0R2 调节电位器R，使温度为t=100?时，输出电压为1000mV。 P2 综上所述，题10-3图1和图2中电位器R均为调零电位器，R均为调满度电位器。 P1P2 10-4 解:图10-2-13中，A和A为电压跟随器，A为减法电路或差动放大电路(放大倍数为 132 ,)，输出电压为两个晶体管管压降的差。图中100kΩ电位器用于调零，使两个晶体管的电流相等即，代入公式(5-1-5)得，输出电压为 I,I,ID1D2D kTkTBBkB11U,U,U,(U,ln),(U,ln),(ln)(T,T),C(T,T)gogo0121212qIqIqIDDD12 当两个晶体管放在一起即温度相同时，调节图中100kΩ电位器，使输出电压为零。完成调零后，图10-2-13输出电压便与两管温度差成正比。 10-5 答:辐射式测温法是基于热辐射效应。任何物体受热后都将有一部分热能转变为辐射能，物体温度愈高，则辐射到周围空间的能量就愈多。热辐射同其它电磁辐射一样，无需任何媒介物即可传播，因此无需直接接触即可通过检测物体的热辐射来测量物体的温度。这是实现辐射式测温的基础。辐射式温度传感器一般包括两部分: 1)光学系统，用于瞄准被测物体，把被测物体的辐射能聚焦到辐射接收器上。 2)辐射接收器，利用各种热敏元件或光电元件将会聚的辐射能转换为电量。 辐射接收器产生的温度电信号幅度很弱，通常需要进行高增益地放大。但温度的变化是很缓慢的，经辐射接收器转换成的电信号也是缓变的几乎是直流电信号，而直流放大器由于容易产生直流工作点漂移，放大倍数都比较低。辐射式温度传感器采用机械调制盘，连续光 m，nf,线通过调制盘一圈m个小孔被“斩波”变成频率为(式中n为调制盘每分钟转数)60 的交变光波，再经辐射接收器转换成频率为f的交流电信号，这样就便于采用高放大倍数的交流放大器放大了。 10-6 2-14)式，解:根据(10-3; ,P,kQ1 C,C212,k,,P,kk,Q代入(8-4-11)式，; 221C，C12 代入(3-2-25))式，可得变压器电桥输出电压为 C,CEE212U,,,,kk,Q 1122C，C212 为使输出电压与流量Q成线性正比关系，变压器电桥输出电压整流后应加接开方电路。开方电路输出为 39 E，与成线性正比关系。 U,kU,kkk,QQ0313122 10-7 答:在实际工作中由于永久磁场产生的感应电动势为直流电压，直流电压会导致电极极化或介质电解，引起测量误差，所以在工业用仪表中多采用交变磁场。 10-8 答:超声波测量流速的方法有时差法、相差法和频差法三种。据公式(10-3-23)、(10-3-24)可知，时差法、相差法的测量结果与超声波在被测流体中的流速有关，据公式(10-3-25)式可知，频差法的测量结果与超声波在被测流体中的流速无关，只取决于流体本身的流速。因此目前超声波流量计多采用频差法。 10-9 答:图10-3-11中电位器R2用于调零，当管道中的液体静止不流动时，调节电位器R2使电流表读数为零。当管道中的液体流量达到满量程值时，调电位器R，使电流表指针满P 偏转。 第11章 11-1 答:用两个热电偶取代图11-1-3所示干湿球湿度计中的两个温度计，并将这两个热电 2-11电路，测得电路输出电压，即可测得“干球”和“湿球”的温度差，从偶连接成图10- 而确定出空气中的湿度。 11-2 答:由于水的相对介电常数是空气的,,倍，干物料吸收水分以后，其介电常数将大大增加，根据物料介电常数与水分的关系，通过测量以物料为电介质的电容器的电容值即可确定物料的水分。 用具有迅速吸湿和脱湿能力的绝缘性高的高分子聚合物做成感湿薄膜，复盖在叉指形金电极(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)，构成一个平行板电容器。由于水的介电常数比高分子聚合物的大得多，当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿薄膜而被吸附时，高分子膜的介电常数随着其吸水量增加而增大，从而，高分子湿敏电容的电容值也随着其吸水量增加而增大，而吸水量的多少取决于气体湿度的大小，因此，在一定温度下，高分子湿敏电容的电容值与气体中相对湿度之间成线性关系。测量出湿敏电容的电容值即可测量出空气中的湿度。 11-3 答:因为振筒内流体压力和流体密度都能使振筒振动的频率发生改变，所以通过测量振筒振动的频率就可测量流体的压力或密度。依据的原理都是公式(,,,,,,)即振筒的固有频率由振筒的刚度和振筒的质量决定， Ekf,a m k区别是，振筒内流体压力变化是通过改变振筒的刚度而使振筒振动的频率变化，振筒内流 m体密度变化是通过改变振筒的质量而使振筒振动的频率变化。 对比图,,,,,和图,,,,,可见，二者都是用激振器激励振筒振动，拾振器产生感应电压，放大振荡电路也基本相同。不同之处在于振筒的结构有些差别。 40 11-4 答:相同点:都是采用热电阻传感器电桥，将热电阻随被测量的变化转换成电桥电压的变化。通过测量电桥电压以测出被测量。 不同点:在热导式气体分析仪中，热导池内的热电阻随被测混合气体的导热系数变化，从而使电桥电压变化，因此通过测量电桥电压可测出被测混合气体的导热系数，如果测出两种导热系数已知的气体混合而成的混合气体的导热系数，就可依据公式(,,,,,,)计算出这两种气体的百分数含量。在磁式氧量分析仪中，被分析的气体含氧量越高，流过热磁式对流检测器中间通道里的气流就越强，两热电阻丝元件的温差越大，相应阻值变化就越大，电桥输出电压越大，因此通过测量电桥电压可测出气体含氧量。 11-5 答:图10-2-16(b)与图11-3-4对比可见，二者相同点:都分成两条光路和两个光电检测元件，并对两路的检测结果作对比分析，以确定和显示被测量。 不同点:光电比色温度计是根据两个波长的亮度比随温度变化的原理来实现测量的。 因此图10-2-16(b)中，光源是被测对象，被测对象发出的光分成两路，分别通过不同颜色的滤光片，两种颜色的光信号经检测和放大处理，得到被测温度值。 用于气体分析的光电比色计是基于被测介质对通过光束的某些波长有一定的吸收作用, 测量被测介质的含量。因此图11-3-4中，光源发出的光分成两路，分别通过被测介质比色皿和参比介质比色皿，两路光信号经检测和比较放大，最后显示出被测介质的含量。 11-6 答:图11-3-5改装成题11-6图所示电路。QM—J1为酒敏元件，当司机酗酒进入驾驶 、B间电阻下降，功率开关集成电路TWH8751的2脚电位也随之降低。当酒气浓室时，使A 度超过安全值时，使TWH8751的2脚电位降到1.2V以下，TWH8751的4脚变为低电平，继电器J线圈通电而动作，其常闭触点JKl断开。此时即使司机打开锁头开关，也不能使汽车点火器得到电瓶供点而点火发动汽车。与此同时，继电器的常开触点JK2闭合，报警器报警。电位器W2应依据规定的酒气的安全值进行调整。 题11-6图 11-7 答:婴儿尿湿踢被报警电路如题11-7图所示。两晶体管组成振荡器。热敏电阻包裹好放到婴儿腹部，梳状电极包裹好放到婴儿尿布上。当婴儿没有尿湿也没有踢被时，BG的基1极电位低于0.7V, 振荡器不振荡，喇叭不发声，LED也不闪光。当婴儿踢被时，热敏电阻R增大, 当婴儿尿湿时，梳状电极间电阻R减小，都会使BG的基极电位高于0.7V, 振荡td1 器振荡，喇叭发声，LED也闪光。 41 42