【正文】 三是計算修正法。這種方法將熱電偶的冷端放在恒溫場合，有0℃恒溫器和其他恒溫器兩種；二是補(bǔ)償導(dǎo)線法。4．試述熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)膸追N主要方法和補(bǔ)償原理。四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點溫度t、t0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為t、tn和tn、t0時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。三是標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。二是中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。答：一是勻質(zhì)導(dǎo)體定律：如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢為零。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱為溫差電動勢。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場。對于導(dǎo)體A或B，將其兩端分別置于不同的溫度場t、t0中(t t0)。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時，即自導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導(dǎo)體B到導(dǎo)體A的自由電子數(shù)相等時，便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷，于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場。答：當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同(即電子密度不同)，因此，電子在兩個方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。熱電偶測溫就是利用這種熱電效應(yīng)進(jìn)行的，將熱電偶的熱端插入被測物，冷端接進(jìn)儀表，就能測量溫度。第5章 熱電偶傳感器習(xí)題答案1．什么是金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)?試說明熱電偶的測溫原理。答：這是簡單的電壓輸出型，動鐵芯移動時引起上下兩個全波整流電路輸出差動電壓，中間可調(diào)整零位，輸出電壓與鐵芯位移成正比。試寫出輸出電壓u0與傳感器電感變化量△L間的關(guān)系。，LL2為傳感器的兩差動電感線圈的電感，其初始值均為L0。如果輸入交流電壓為負(fù)半周，A點電位為負(fù)，B點電位為正，二極管VV3導(dǎo)通，VV4截止，則在AFCB支中中，C點電位由于Z2減少而比平衡時降低（平衡時，輸入電壓若為負(fù)半周，即B點電位為正，A點電位為負(fù)，C點相對于B點為負(fù)電位，Z2減少時，C點電位更負(fù)）；而在AEDB支路中，D點電位由于Z1的增加而比平衡時的電位增高，所以仍然是D點電位高于C點電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。如果輸入交流電壓為正半周，則A點電位為正，B點電位為負(fù)，二極管VV4導(dǎo)通，VV3截止。當(dāng)銜鐵處于中間位置時，Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)，C點電位等于D點地位，電表指示為零。？它的主要優(yōu)點是什么？答：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵電流頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離等因素影響。解：這是個變面積型電容傳感器，共有4個小電容并聯(lián)組成。C0=200pF，傳感器的起始電容量Cx0=20pF,定動極板距離d0=,運算放大器為理想放大器(即K→∞,Zi→∞),Rf極大,輸入電壓u1=5sinωtV。試求當(dāng)動極板上輸入一位移量△x=5mm時,電橋輸出電壓u0。，結(jié)構(gòu)組成如圖所示。為此,一般是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來改善這種情況。同時還可以看出，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d過小時。當(dāng)活動極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時，兩極板間的距離d發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量C。直線位移型電容式傳感器?采取什么措施可改善其非線性特征?答：下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。當(dāng)動極板移動△x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為C=εb（a△x）/d=C0εb在工業(yè)應(yīng)用中主要就是通過光的變化來各種電路的控制。題6圖解：此電橋為輸出對稱電橋，故/mV，在工業(yè)應(yīng)用中是如何發(fā)揮這些特性的？答：光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。兩只應(yīng)變片分別粘貼于等強(qiáng)度梁同一截面的正反兩面。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時，若要使輸出電壓大于10mV，則可采用何種工作方式（設(shè)輸出阻抗為無窮大）？解：由于不知是何種工作方式，可設(shè)為n，故可得：mV得n要小于2，故應(yīng)采用全橋工作方式。從上面的計算可知：單臂時靈敏度最低，雙臂時為其兩倍，全橋時最高，為單臂的四倍。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1 000時，試求單臂、雙臂和全橋工作時的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。由于采用這種電路，熱電阻的兩根引線的電阻值被分配在兩個相鄰的橋臂中，如果，則由于環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被相互抵消。答：通常采用電橋電路作為測量電路。?答：它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，交流電橋用交流電源，適用于所有電路元件。在實際使用中為了進(jìn)一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個被測信號接成兩個差動對稱的全橋工作形式，R1=R+ΔR,R2=RΔR,R3=R+ΔR,R4=RΔR，將上述條件代入式(1)得 (6)由式(6)看出，由于充分利用了雙差動作用，它的輸出電壓為單臂工作時的4倍，所以大大提高了測量的靈敏度。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸出對稱電橋的輸出電壓要比電源對稱電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。當(dāng)R1臂產(chǎn)生電阻增量ΔR1=ΔR時，由式（2）得 (4)對于等臂電橋R1=R2=R3=R4=R，當(dāng)R1的電阻增量ΔR1=ΔR時，由式（2）可得輸出電壓為 (5)由上面三種結(jié)果可以看出，當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時，電橋的輸出電壓也隨著變化。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達(dá)式為 (1)設(shè)電橋為單臂工作狀態(tài)，即R1為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻。當(dāng)四臂電阻R1=R2=R3=R4=R時，稱為等臂電橋；當(dāng)R1=R2=R,R3=R4=R’(R≠R’)時，稱為輸出對稱電橋；當(dāng)R1=R4=R，R2=R3 =R’(R≠R’)時，稱為電源對稱電橋。答：如圖所示，電橋各臂的電阻分別為R RRR4。解：(1)求10次測量的算術(shù)平均值，測量的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。 ，得到的測量列如下： R1＝ R2＝ R3＝ R4＝ R5＝ R6＝ R7＝ R8＝ R9＝ R10＝(1)求10次測量的算術(shù)平均值，測量的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差s。抵償性 在相同條件下，當(dāng)測量次數(shù)n→∞時，全體隨機(jī)誤差的代數(shù)和等于零，即。也就是說f(δ) δ曲線對稱于縱軸。正確度是指測量結(jié)果與理論真值的一致程度，它反映了系統(tǒng)誤差的大小，精密度是指測量結(jié)果的分散程度，它反映了隨機(jī)誤差的大小。?正確度和精密度的含義是什么? 它們各反映何種誤差?答：系統(tǒng)誤差是指在相同的條件下，多次重復(fù)測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變，或按照一定的規(guī)律變化的誤差。 解：（1）測溫系統(tǒng)的總靈敏度為 cm/℃（2）記錄儀筆尖位移4cm時，所對應(yīng)的溫度變化值為℃，量程均為0~800℃，、現(xiàn)要測量500℃的溫度，％，選那臺儀表合理?解：℃，測量500℃時的相對誤差為4％；℃，測量500℃％；℃，測量500℃％。 用微差式測量方法測量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載的變化，求該儀器的靈敏度。根據(jù)U0=U+ΔU，穩(wěn)壓電源輸出電壓在各種負(fù)載下的值都可以準(zhǔn)確地測量出來。調(diào)整RP的活動觸點，使毫伏表指示為零，這相當(dāng)于事先用零位式測量出額定輸出電壓U。在測量前調(diào)整R1使電位差計工作電流I1為標(biāo)準(zhǔn)值。如果采用偏差法測量，儀表必須有較大量程以滿足U0的要求，因此對△U，這個小量造成的U0的變化就很難測準(zhǔn)。，應(yīng)當(dāng)采用何種測量方法? 如何進(jìn)行?答：測定穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載電阻變化的情況時，最好采用微差式測量。若產(chǎn)品性能參數(shù)不變，僅在局部有改動或變動時，其序號可在原序號后面順序地加注大寫字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。見附錄表2；轉(zhuǎn)換原理——用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標(biāo)記。顯示記錄裝置是檢測人員和檢測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，主要作用是使人們了解被測量的大小或變化的過程。通常傳感器輸出信號是微弱的，就需要由測量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。檢測系統(tǒng)的組成框圖傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的裝置，顯然，傳感器是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，檢測系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能確定的，因為檢測系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)無法添加新的檢測信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。當(dāng)然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。第1章 傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ)思考題答案? 說明各部分的作用。答：一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。下圖給出了檢測系統(tǒng)的組成框圖。測量電路的作用是將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓或電流信號。根據(jù)需要測量電路還能進(jìn)行阻抗匹配、微分、積分、線性化補(bǔ)償?shù)刃盘柼幚砉ぷ鳌?，各部分有何意義?依次為主稱（傳感器） 被測量—轉(zhuǎn)換原理—序號主稱——傳感器，代號C；被測量——用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標(biāo)記。見附錄表3；序號——用一個阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，廠家自定，用來表征產(chǎn)品設(shè)計特性、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。例：應(yīng)變式位移傳感器： C WYYB20；光纖壓力傳感器：C YGQ2。此時輸出電壓認(rèn)可表示為U0，U0=U+△U，其中△U是負(fù)載電阻變化所引起的輸出電壓變化量，相對U來講為一小量。測量原理如下圖所示：圖中使用了高靈敏度電壓表——毫伏表和電位差計，Rr和E分別表示穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻和電動勢，凡表示穩(wěn)壓電源的負(fù)載，ER1和Rw表示電位差計的參數(shù)。然后，使穩(wěn)壓電源負(fù)載電阻R1為額定值。正式測量開始后，只需增加或減小負(fù)載電阻RL的值，負(fù)載變動所引起的穩(wěn)壓電源輸出電壓U0的微小波動值ΔU，即可由毫伏表指示出來。微差式測量法的優(yōu)點是反應(yīng)速度快，測量精度高，特別適合于在線控制參數(shù)的測量。解：該儀器的靈敏度為mV/mm，各自的靈敏度如下： 鉑電阻溫度傳感器： ℃ 電橋： 放大器： 100(放大倍數(shù)) 筆式記錄儀： 求：(1)測溫系統(tǒng)的總靈敏度； (2)記錄儀筆尖位移4cm時，所對應(yīng)的溫度變化值。因此。隨機(jī)誤差則是指在相同條件下，多次測量同一量時，其誤差的大小和符號以不可預(yù)見的方式變化的誤差。? 答：服從正態(tài)分布規(guī)律的隨機(jī)誤差的特性有：對稱性 隨機(jī)誤差可正可負(fù)，但絕對值相等的正、負(fù)誤差出現(xiàn)的機(jī)會相等。有界性 在一定測量條件下，隨機(jī)誤差的絕對值不會超過一定的范圍，即絕對值很大的隨機(jī)誤差幾乎不出現(xiàn)。單峰性 絕對值小的隨機(jī)誤差比絕對值大的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的機(jī)會多，即前者比后者的概率密度大，在δ=0處隨機(jī)誤差概率密度有最大值。(2)％，寫出被測電阻的真值和極限值。(2)％，被測電阻的真值為：極限值為：。U為電橋的直流電源電壓。直流電橋電路 當(dāng)電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無窮大，這時電橋以電壓的形式輸出。當(dāng)R1感受被測量產(chǎn)生電阻增量ΔR1時，由初始平衡條件R1R3=R2R4得，代入式（1），則電橋由于ΔR1產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為 (2)對于輸出對稱電橋，此時R1=R2=R,R3=R4=R’，當(dāng)R1臂的電阻產(chǎn)生變化ΔR1=ΔR，根據(jù)（2）可得到輸出電壓為 (3)對于電源對稱電橋，R1=R4=R,R2=R3=R’。當(dāng)ΔRR時，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對稱電橋。第2章 電阻式傳感器思考題答案?答：金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)則主要取決于材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化產(chǎn)生的。?為什么要采用這種測量電路?說明這種電路的工作原理。為了克服環(huán)境溫度的影響常采用下圖所示的三導(dǎo)線四分之一電橋電路。熱電阻的測量電路=，供橋電壓為4V，并假定負(fù)載電阻無窮大。