部分习题参考答案(传感器原理及应用,第11章)

部分习题参考答案

第11章 波与射线式传感器

11.1 什么是超声波?其频率范围是多少?

11.2 超声波在通过两种介质界面时,将会发生什么现象?

11.3 超声波传感器的发射与接收分别利用什么效应,检测原理是什么?常用的超声波传感器(探头)有哪几种形式?简述超声波测距原理。 11.4 利用超声波测厚的基本方法是什么?已知超声波在工件中的声速为5640m/s ,测得的时间间隔t 为22s ,试求工件厚度

11.5 利用EN555集成器件,自行设计一超声波传感器控制的遥控开关发射电路,传感器中心频率为40kHz ,遥控距离10m ,绘出电路原理图,请说明电路工作原理。

11.6 红外辐射探测器分为哪两种类型?这两种探测器有哪些不同?试比较它们的优缺点。

11.7 叙述热释电效应,热释电元件如何将光信号转变为电信号输出?热释电探测器为什么只能探测调制辐射?

11.8 题图11-39为热释电元件

部分习题参考答案(传感器原理及应用,第11章)

内部结构图,请说明图中

FET 是什么元件,Rg 与FET

在传感器电路中起到什么作

用?

11.9 试设计一个红外控制的电

扇开关自动控制电路,并叙

述其工作原理。

11.10 什么是放射性同位素?辐射强度与什么有关系? 图

11-39

11.11试用核辐射测量方法设计一个测厚仪器系统,请画出测量系统结构原理示

意图,试说明射线测量物厚的原理。

11.12 放射性探测器有哪几种?结构如何,各有什么特征?

答案

11.1答:

1)超声波是人耳无法听到的声波。人耳听见的声波称机械波,频率在16Hz~20kHz,一般说话的频率范围在100Hz~8kHz之间,低于20Hz频率的波称为次声波,高于20kHz频率的波称超声波,频率在300MHz~300GHz之间的波称为微波。

2)超声波频率范围在几十千赫兹到几十兆赫兹,

11.2答:

当超声波从一种介质入射到另一种介质时,在界面上会产生反射、折射和波形转换。

11.3答:

1)超声波传感器主要利用压电材料(晶体、陶瓷)的压电效应,其中超声波发射器利用逆压电效应制成发射元件,将高频电振动转换为机械振动产生超声波;超声波接收器利用正压电效应制成接收元件,将超声波机械振动转换为电信号。

2)按工作形式简单超声波传感器有专用型和兼用型两种形式,兼用型传感器是将发射(TX)和接收(RX)元件制作在一起,器件可同时完成超声波的发射与接收;专用型传感器的发送(TX)和接收(RX)器件各自独立。按结构形式有密封性和开放型,超声波传感器上一般标有中心频率(23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz),表示传感器工作频率。

3)(略)

11.4

1)通过测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔t 和超声波在介质中传播速度,便可以求得待测的厚度或物位。

2)解:

125640/,222//262.04m s t t s

t h h t m υμυυ=-=?=??=?= 已知:由,得到工件厚度

11.5(略)

11.6答:

1)红外探测器主要有两大类型:热探测器(热电型),包括热释电、热敏电阻、热电偶;光子探测器(量子型),利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应,使材料的电学性质发生变化,其中有光敏电阻、光敏晶体管、光电池等。

2)红外探测器是能将红外辐射能转换为电能的热电或光电器件,当器件吸收辐射能时温度上升,温升引起材料各种有赖于温度的参数变化,检测其中一种性能的变化,既可探知辐射的存在和强弱。光量子型红外探测器是能将红外辐射的光能直接转换为电能的光敏器件。

3)光子探测器与热释电传感器区别是,光量子型光电探测器探测的波长较窄,而热探测器几乎可以探测整个红外波长范围。

11.7答:

1)热释电效应首先利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号,这一过程包括了光→热→电的两次信息变换过程,而对波长频率没有选择。光→热→电转换过程中,光→热阶段,物质吸收光能,温度升高;热→电阶段,利用某种效应将热转换为电信号。

当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面时,薄片温度升高使极化强度降低,表面电荷减少,释放部分电荷,所以称热释电。

2)温度一定时因极化产生的电荷被附集在外表面的自由电荷慢慢中和掉不显电性,要让热释电材料显现出电特性,必需用光调制器使温度变化,并且调制器的入射光频率f必须大于电荷中和时间的频率。

11.8电路分析:

1)FET为场效应管

2)输入电阻Rg安装在管壳中,与FET场效应管起到阻抗变换的作用。由于热释电传感器绝缘电阻很高,几十至几百兆欧容易引入噪声,使用时要求有较高的输入电阻。

11.9(略)

11.10答:

1)具有确定质子数和中子数的原子核称做核素,凡是原子序数相同,原子质量不同的元素,在元素周期表中占同一位置,称同位素。

2)放射性的强弱称为放射性强度,一般用单位时间内发生衰变的次数来表示,也称核辐射强度。

11.11(略)

11.12(略)

第12章热电式传感器

12.1 什么是热电效应?热电偶测温回路的热电动势由哪两部分组成?由同一种

导体组成的闭合回路能产生热电势吗?

12.2 为什么热电偶的参比端在实际应用中很重要?对参比端温度处理有哪些方

法?

12.3 解释下列有关热电偶的名词:

热电效应、热电势、接触电势、温差电势、热电极、测量端、参比端、分度表。

12.4 试比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器的特点。

12.5 某热电偶灵敏度为0.04mV/℃,把它放在温度为1200℃处的温度场,若指

示表(冷端)处温度为50℃,试求热电势的大小?

12.6 某热电偶的热电势在E(600,0)时,输出E=5.257 mV,若冷端温度为0℃时,

测某炉温输出热电势E=5.267 mV。试求该加热炉实际温度是多少?

12.7 已知铂热电阻温度计0℃时电阻为100 , 100℃时电阻为139Ω,当它与某热

介质接触时,电阻值增至281Ω,试确定该介质温度。

12.8 用分度号为K型镍铬-镍硅热电偶测温度,在未采用冷端温度补偿的情况下,

仪表显示500℃,此时冷端为60℃。试问实际测量温度为多少度?若热端温度不变,设法使冷端温度保持在20℃,此时显示仪表指示多少度?

12.9 什么是集成温度传感器?P-N结为什么可以用来作为温敏元件?

12.10 AD590是哪一种形式输出的温度传感器,可以测量的温度范围是多少?叙

述图12-23电路工作原理。

12.11 用AD590设计一可测量温度范围0~100℃的数字温度计,画出电路原理

图。

12.12 DS18B20智能型温度传感器与集成温度传感器AD590的工作原理和输出

信号有什么不同?如何用DS18B20实现多点测温的?

答案

12.1答:

1)两种不同类型的金属导体两端分别接在一起构成闭合回路,当两个结点有温差时,导体回路里有电流流动会产生热电势,这种现象称为热电效应。

2)热电偶测温回路中热电势主要是由接触电势和温差电势两部分组成。

3)热电偶两个电极材料相同时,无论两端点温度如何变化无热电势产生。

12.2答:

1)实际测量时利用这一性质,可对参考端温度不为零度时的热电势进行修正。

2)因为热电偶的分度表均是以参考端T =0℃为标准的,而实际应用的热电偶参考端往往T≠0℃,一般高于零度的某个数值,此时可利用中间温度定律对检测的热电势值进行修正,以获得被测的真实温度。

12.3答:(略)

12.4答:热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器特点如下:

热电偶可以测量上千度高温,并且精度高、性能好,这是其它温度传感器无法替代。

热电阻结构很简单,金属热电阻材料多为纯铂金属丝,也有铜、镍金属。

金属热电阻广泛用于测量-200~+850℃温度范围,少数可以测量1000℃。

热敏电阻由半导体材料制成,外形大小与电阻的功率有关,差别较大。

热敏电阻用途很广,几乎所有家用电器产品都装有微处理器,这些温度

传感器多使用热敏电阻。

12.5解:

已知:热电偶灵敏度为0.04mV/℃,把它放在温度为1200℃处的温度场,若指示表(冷端)处温度为50℃,则

中间温度为:1200℃-50℃=1150℃;

热电势为:0.04mV/℃×1150℃=46mV

或:

E AB(T,0)= E AB(T,1200)+ E AB(50,0)= 1200℃×0.04mV/℃-50℃×

0.04mV/℃=46mV

12.6解:

已知:热电偶的热电势E (600.0,0)=5.257 mV ,冷端温度为0℃时,输出热电

势E =5.267 mV ,

热电偶灵敏度为:K = 5.257 mV/600 = 0.008762 mV/℃

该加热炉实际温度是:T= E/K = 5.267 mV/0.008762 mV/0℃ = 601.14℃

12.7解:

已知:铂热电阻温度计0℃时电阻为100Ω,100℃时电阻为139Ω;

可通过查表得:当电阻值增至281Ω时,介质温度为500℃。

12.8用分度号为K 型镍铬-镍硅热电偶测温度,在未采用冷端温度补偿的情况下,仪表显示500℃,此时冷端为60℃。试问实际测量温度为多少度?若热端温度不变,设法使冷端温度保持在20℃,此时显示仪表指示多少度?

12.9答:

1)集成温度传感器多采用匹配的差分对管作为温度敏感元件;

2)根据绝对温度比例关系,利用两个晶体管发射极的电流密度在恒定比率下工作时,一对晶体管的基极与发射极(P-N 结)之间电压差BE V ?与温度呈线性关系进行温度测量。

12.10答:

1)AD590是典型的电流输出型集成温度传感器,测温范围是-50~+150℃;

2)该电路是一温度控制电路。AD311为比较器,温度达到限定值时比较器输出电压极性翻转,控制复合晶体管导通截止,从而控制加热器电流变化。 12.11答:(略)

12.12答:

1)DS18B20智能型温度传感器是将温度系数通过振荡器转换为频率信号,相当于T/f(温度/频率)转换器,将被测温度T转换成频率信号f,输出为数字信号;AD590是利用P-N结电压随温度的变化进行测温,输出为模拟信号。

2)DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可并联在唯一的总线上实现多点测温;使用中不需要任何外围器件,测量结果以9位数字量方式串行传送。

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