【文章內(nèi)容簡介】 電極定律的意義：參考電極定律大大簡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)均可利用該定理計(jì)算，而不需要逐個(gè)進(jìn)行測(cè)定。由于純鉑絲的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點(diǎn)較高，易提純，所以目前常用純鉑絲作為標(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)電極材料選定后，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0℃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，不能保持恒定，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）、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，節(jié)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)定的溫度范圍內(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)量兩點(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。圖337 熱電偶測(cè)量某一點(diǎn)溫度圖338 熱電偶測(cè)量兩點(diǎn)溫差測(cè)溫電路原理圖：圖341 一臺(tái)儀表分別測(cè)量多點(diǎn)溫度圖339 測(cè)量兩點(diǎn)溫度之和圖340 測(cè)量兩點(diǎn)平均溫度圖353 熱電偶測(cè)量煉鋼爐熔融金屬某一點(diǎn)溫度10. 如圖353所示，用K型（鎳鉻鎳硅）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， 。（1），計(jì)算被測(cè)點(diǎn)溫度t = ?（2）如果將A′、B′換成銅導(dǎo)線，此時(shí)，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)A′、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 t2=℃，℃熱電勢(shì)，即,查分度表可得被測(cè)點(diǎn)溫度t ≈ 950℃。（2）如果將A′、B′換成銅導(dǎo)線，此時(shí)熱電偶的冷端溫度即變?yōu)閠1=40℃，此時(shí)儀表的指示為，根據(jù)中間溫度定律即可求得測(cè)量端相對(duì)于0℃的熱電勢(shì)：，查分度表可得被測(cè)點(diǎn)溫度t ≈ 950℃。（3）將熱電偶直接插到熔融金屬同一高度來測(cè)量此點(diǎn)的溫度，是利用了熱電偶的中間導(dǎo)體定律，如果被測(cè)液體不是金屬，就不能用此方法來測(cè)量？因?yàn)椴粷M足熱電偶的基本定律要求。圖338熱電偶測(cè)量兩點(diǎn)溫差CuU3tABAA′B′接線盒1 t1接線盒2 t2接線盒3 t3CuOOOOOO11. 用兩只K型熱電偶測(cè)量兩點(diǎn)溫差，如圖338所示。已知，，試求兩點(diǎn)的溫差。答：根據(jù)熱電偶測(cè)量兩點(diǎn)溫差的電路可知儀表的指示為：查分度表可知12. 試分析圖347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347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R2使得I1 = t0x103mA，這樣在電阻R1上便產(chǎn)生一個(gè)隨參考端溫度t0變化的補(bǔ)償電壓U1 =I1 * R1。若熱電偶參考端溫度為t0，工作時(shí)應(yīng)使U1≈EAB（t0，0℃）。這樣就能自動(dòng)補(bǔ)償由于冷端溫度變化帶來的測(cè)量誤差。不同分度號(hào)的熱電偶，R1的阻值亦不同。這種圖 347 熱電偶參考端的補(bǔ)償電路補(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)象的溫度場，故可測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，且可進(jìn)行遙測(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)溫范圍廣，理論上無測(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)量速度快，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？其主要特性有哪些？試畫圖分析。答：莫爾條紋含義:如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ，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410所示。圖49 莫爾條紋莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，圖410中dd線區(qū)所示。ff 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，即可確定主光柵左右移動(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θ較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)，可由下式確定，即圖410 莫爾條紋 例如：每毫米有50根線的光柵，當(dāng)兩光柵間的夾角時(shí)，莫爾條紋間距。當(dāng)。由此看出，兩個(gè)光柵面夾角越小，莫爾條紋的放大倍數(shù)越大，這樣就可把肉眼看不見的光柵位移變成清晰看見的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)來測(cè)量光柵的位移，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量。2. 磁柵位移傳感器的工作原理是什么？答：磁柵位移傳感器由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測(cè)電路組成。其工作原理是電磁感應(yīng)原理，當(dāng)線圈在一個(gè)周期性磁體表面附近勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈上就會(huì)產(chǎn)生不斷變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，既和線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，還和磁性體與線圈接觸時(shí)的磁性大小及變化率有關(guān)。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化情況，就可獲得線圈與磁體相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)的信息。3. 電容式、電感式接近傳感器的工作原理是什么？被測(cè)物體是什么材料？為什么？答：電容式接近傳感器的工作原理：電容式接近傳感器是一個(gè)以電極為檢測(cè)端的靜電電容式接近開關(guān)，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，平時(shí)檢測(cè)電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個(gè)組成部分。當(dāng)被檢測(cè)物體接近檢測(cè)電極時(shí)，由于檢測(cè)電極加有電壓，檢測(cè)電極就會(huì)受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測(cè)物體越靠近檢測(cè)電極，檢測(cè)電極上的感應(yīng)電荷就越多，由于檢測(cè)電極的靜電電容為C=Q/V，所以隨著電荷量的增多，使檢測(cè)電極電容C隨之增大，由于振蕩電路的振蕩頻率與電容成反比，所以當(dāng)電容C增大時(shí)振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)后向外輸出。電感式接近傳感器的工作原理：電感式接近傳感器由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。檢測(cè)用敏感元件為檢測(cè)線圈，它是振蕩電路的一個(gè)組成部分，振蕩電路的振蕩頻率為。當(dāng)檢測(cè)線圈通以交流電時(shí)，在檢測(cè)線圈的周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場，當(dāng)金屬物體接近檢測(cè)線圈時(shí)，金屬物體就會(huì)產(chǎn)生電渦流而吸收磁場能量，使檢測(cè)線圈的電感L發(fā)生變化，從而使振蕩電路的振蕩頻率減小，以至停振。振蕩與停振這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)輸出。電容、電感式接近傳感器被測(cè)物體都是金屬導(dǎo)體材料，因?yàn)殡娙菔浇咏鼈鞲衅魇且粋€(gè)以電極為檢測(cè)端的靜電電容式接近開關(guān)，只有金屬導(dǎo)體材料才能產(chǎn)生電荷。電感式接近傳感器工作原理是電渦流效應(yīng)，只有在金屬導(dǎo)體內(nèi)才能產(chǎn)生電渦流。4. 試分析圖422所示壓力傳感器是如何測(cè)量液位高度的？圖422 開放型儲(chǔ)液罐壓力示意圖答：圖422為壓差式液位傳感器，其工作原理是根據(jù)液面的高度與液壓成比例的原理制成的。如果液體的密度恒定，則液體加在測(cè)量基準(zhǔn)面上的壓力與液面到基準(zhǔn)面的高度成正比，因此通過壓力的測(cè)定便可知液面的高度。5. 電容式物位傳感器是如何測(cè)量物體位置的？答：電容式物位傳感器是利用被測(cè)物不同，其介電常數(shù)不同，電容量也不同的特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)的。6. 試分析電磁流量計(jì)的工作原理，并推導(dǎo)流量的表達(dá)式。答：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢(shì)e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)體在磁場內(nèi)的長度L及導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，則.與此相仿，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個(gè)內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電流體就切割磁力線。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對(duì)電極，如圖433所示。圖433 電磁流量計(jì)原理簡圖可以證明，只要管道內(nèi)流速分布均勻，兩電極之間也將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)： 。式中，為管道截面上的平均流速。由此可得管道的體積流量為： 由上式可見，體積流量與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e和測(cè)量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系，與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比，與其它物理參數(shù)無關(guān)．這就是電磁流量計(jì)的測(cè)量原理。第5章 光電傳感器1. 光電效應(yīng)有哪幾種？分別對(duì)應(yīng)什么光電元件？答：光電效應(yīng)大致可以分為三類：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。對(duì)應(yīng)的光電元件：用外光電效應(yīng)制成的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等；內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電元器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管和光敏晶閘管等；基于光生伏特效應(yīng)的光電元器件是光電池。2. 試比較光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏晶體管的性能差異，并簡述在不同場合下應(yīng)選用哪種元件最為合適。答：（1）光譜特性： 圖511 光敏二極管的光譜特性圖56 光敏電阻的光譜特性曲線圖515 光電池的光譜特性（2）響應(yīng)時(shí)間：光敏電阻中的光電流的變化滯后于光的變化的時(shí)間，即光敏電阻突然感受光照時(shí)，光電流并不是立刻上升到其穩(wěn)定數(shù)值，且當(dāng)光突然消失時(shí)光電流也不會(huì)立刻下降到零，這說明光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后。盡管不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時(shí)間，但都存在著這種時(shí)延特性，因此，光敏電阻不能用在要求快速響應(yīng)的場合。硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間約為～s左右，光敏晶體管的響應(yīng)速度則比相應(yīng)的二極管大約慢一個(gè)數(shù)量級(jí)，而鍺管的響應(yīng)時(shí)間要比硅管小一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此在要求快速響應(yīng)或入射光調(diào)制頻率（明暗交替頻率）較高時(shí)，應(yīng)選用硅光敏二極管。由于光敏晶體管基區(qū)的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，所以在強(qiáng)光照和無光照時(shí)，光敏晶體管的飽和與截止需要更多的時(shí)間，所以它對(duì)入射調(diào)制光脈沖的響應(yīng)時(shí)間更慢，最高工作頻率更低。光電池：由于光電池受照射產(chǎn)生電子一空穴對(duì)需要一定的時(shí)間，因此當(dāng)入射光的調(diào)制頻率太高時(shí)，光電池輸出的光電流將下降。硅光電池的面積越小，PN結(jié)的極間電容也越小，頻率響應(yīng)就越好，硅光電池的頻率響應(yīng)可達(dá)數(shù)十千赫茲至數(shù)兆赫茲，硒光電池的頻率特性較差，目前已較少使用。（3）溫度特性：光敏電阻和其他半導(dǎo)體器件一樣，受溫度的影響較大，隨著溫度的升高，它的暗電阻與靈敏度都下降的特性。光敏二極管和光敏晶體管：溫度變化對(duì)亮電流影響不大，但對(duì)暗電流影響非常大，并且是非線性的。在微光測(cè)量中有較大誤差。硅管的暗電流比鍺管小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在微光測(cè)量中應(yīng)采用硅管。另外由于硅光敏晶體管的溫漂大，所以盡管光敏三級(jí)管靈敏度較高，但是在高精度測(cè)量中應(yīng)選擇硅光敏二極管?？刹捎玫蜏仄?、高精度的運(yùn)算放大器來提高精度。光電池：溫度特性是描述光電池的開路電壓UO和短路電流Isc隨溫度變化的特性。從圖517中可以看出，開路電壓隨溫度增加而下降的速度較快，電壓溫度系數(shù)約為－2/℃。而短路電流隨溫度上升而緩慢增加，溫度系數(shù)較小。當(dāng)光電池作為檢測(cè)元件時(shí)，應(yīng)考慮溫度漂移的影響，采取相應(yīng)措施進(jìn)行補(bǔ)償。3. 光電傳感器有哪些部分組成？被測(cè)量可以影響光電傳感器的哪些部分？ 答：光電式傳感器由光源、光學(xué)元器件和光電元器件組成光路系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路而構(gòu)成。被測(cè)量主要影響光電傳感器的敏感原件。4. 簡述光電倍增管的工作原理。答：光電倍增管由真空管殼內(nèi)的光電陰極、陽極以及位于其間的若干個(gè)倍增電極構(gòu)成。工作時(shí)在各電極之間加上規(guī)定的電壓。當(dāng)光或輻射照射陰極時(shí)，陰極發(fā)射光電子，光電子在電場的作用下加速逐級(jí)轟擊發(fā)射倍增電極，在末級(jí)倍增電極形成數(shù)量為光電子的倍的次級(jí)電子。眾多的次級(jí)電子最后為陽極收集，在陽極電路中產(chǎn)生可觀的輸出電流。通常光電倍增管的靈敏度比光電管要高出幾萬倍，在微光下就可產(chǎn)生較大的電流。5. 試述圖550所示光敏電阻式光控開關(guān)的工作原理。 答：白天有光照時(shí)，光敏電阻ＲＧ阻值很小，晶體管ＶＴ１、ＶＴ２不導(dǎo)通，繼電器Ｋ斷開；夜晚無