题目

第十章辐射与波式传感器10.1红外探测器有哪些类型?并说明它们的工作原理。(1)热探测器:有热敏电阻型、热电阻型、高莱气动型和热释电型(2)光子探测器10.2什么是热释电效应?热释电效应与哪些因素有关?在居里点以下时,由于温度的变化引起铁电体的极化强度改变的现象称为热释电效应。热释电效应与铁电体材料、敏感面、厚度均有关(等效电容)10.3什么被称为“大气窗口”,它对红外线的传播有什么影响?通常把太阳光通过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。红外线传播过程中通过大气窗口时,会使红外辐射逐渐减弱。10.4红外敏感元件大致分为哪两类?它们的主要区别是什么?热探测器:响应波段宽,响应范围为整个红外区域,室温下工作,使用方便。光子探测器:灵敏度高、响应速度快,具有较高的响应频率,但探测器波段较窄,一般工作于低温10.5请根据气体对红外线有选择性吸收的特性,设计一个红外线气体分析仪。使其能对气体的成分进行分析。(提示:不同气体对红外线能量的吸收是不同的)10.6微波的特点是什么?(1)需要定向辐射装置 (2)遇到障碍物容易反射 (3)绕射能力差(4)传输特性好,传输过程中受烟雾、灰尘等的影响较小(5)介质[1]对微波的吸收大小与介质介电常数成正比。10.7试分析反射式和遮断式微波传感器的工作原理。(1)反射式:发生天线和接收天线位于检测物体的同一侧,根据检测物体反射回来的微波信号的功率或微波信号从发出到接收到的时间间隔来实现测量位置和位移等参数。(2)遮断式:发生天线和接收天线位于检测物体的两边,根据接收天线收到的微波功率的大小来判断发送天线和接收天线之间有无被测物体或位置等。10.8试分析微波传感器的主要组成及其各自的功能。微波发生器[2]、微波天线、微波检测器[3]。10.9微波传感器有何优缺点?(1)优点:非接触式传感器;波长范围为1m~1mm,有极宽的频谱;频率高、时间常数小、反应速度快;无须进行非电量转换;适合遥测、遥控;不会带来显著的辐射。(2)缺点:存在零点漂移;测量环境对测量结果影响较大。10.10举例说明微波传感器的应用。(1)微波液位计(2)微波湿度传感器(3)微波辐射计(4)微波无损检测仪(5)微波物位计(6)微波定位传感器(7)微波多普勒传感器10.11超声波在介质中传播具有哪些特性?(1)超声波有纵波、横波、表面波三种(2)超声波的传播速度与波长和频率的乘积成正比(3)满足光的反射和折射定律10.12超声波传感器主要有哪几种类型?试述其工作原理。(1)压电式超声波传感器(2)磁致伸缩式超声波传感器:当超声波作用在磁致伸缩材料上时,引起材料伸缩[4],从而导致它的内部磁场发生改变。根据电磁感应,磁致伸缩材料上所绕的线圈便获得感应电动势。10.13在用脉冲回波法测量厚度时,利用何种方法测量时间间隔∆t有利于自动测量?若已知超声波在被测试件中的传播速度为5480m/s,测得时间间隔为25µs,试求被测试件的厚度。d=v∆t=5480×25×10−6=0.0685m10.14超声波测物位有哪几种测量方式?各有什么特点?(1)单换能器在液体中(2)双换能器在液体中(3)单换能器在空中(4)双换能器在空中当换能器位于液体中时,衰减比较小当换能器位于空气中时,便于安装和维护,当衰减比比较大。10.15试述时差法测流量的基本原理,存在的问题及改进方法。通过测量超声波在顺流和逆流中传播的时间差求得流体流速的一种方法。c2v≈∆t,测量精度主要取决于时间差的测量精度。同时,超声波声速一般随介质2Lcosθ的温度变化而变化,因此将造成温漂。10.16超声波用于探伤有哪几种方法?试述反射法探伤的基本原理。穿透法探伤和反射法探伤。答:传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。 常用的线性化方法是:切线或割线拟合,过零旋转拟合,端点平移来近似,多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。2.3利用压力传感器[5]所得测试数据如下表所示,计算其非线性误差、迟滞和重复性误差。设压力为0MPa时输出为0mV,压力为0.12MPa时输出最大且为16.50mV.非线性误差略正反行程最大偏差∆Hmax=0.1mV,所以γH=±∆Hmax0.1100%=±%=±0.6%YFS16.50重复性最大偏差为∆Rmax=0.08,所以γR=±∆Rmax0.08=±%=±0.48%YFS16.52.4什么是传感器的动态特性?如何分析传感器的动态特性?传感器的动态特性是指传感器对动态激励(输入)的响应(输出)特性,即输出对随时间变化的输入量的响应特性。传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。瞬态响应常采用阶跃信号作为输入,频率响应常采用正弦函数作为输入。2.5描述传感器动态特性的主要指标有哪些?零阶系统[6]常采用灵敏度K,一阶系统常采用时间常数τ、灵敏度K,二阶系统常采用固有频率ω0、阻尼比ζ、灵敏度K来描述。2.6试解释线性时不变系统的叠加性和频率保持特性的含义及其意义。当检测系统的输入信号是由多个信号叠加而成的复杂信号时,根据叠加性可以把复杂信号的作用看成若干简单信号的单独作用之和,从而简化问题。如果已知线性系统的输入频率,根据频率保持特性,可确定该系统输出信号中只有与输入信号同频率的成分才可能是该输入信号引起的输出,其他频率成分都是噪声干扰,可以采用相应的滤波技术。2.7用某一阶传感器测量100Hz的正弦信号,如要求幅值误差限制在±5%以内,时间常数应取多少?如果用该传感器测量50Hz的正弦信号,其幅值误差和相位误差各为多少?

第十章辐射与波式传感器10.1红外探测器有哪些类型?并说明它们的工作原理。(1)热探测器:有热敏电阻型、热电阻型、高莱气动型和热释电型(2)光子探测器10.2什么是热释电效应?热释电效应与哪些因素有关?在居里点以下时,由于温度的变化引起铁电体的极化强度改变的现象称为热释电效应。热释电效应与铁电体材料、敏感面、厚度均有关(等效电容)10.3什么被称为“大气窗口”,它对红外线的传播有什么影响?通常把太阳光通过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。红外线传播过程中通过大气窗口时,会使红外辐射逐渐减弱。10.4红外敏感元件大致分为哪两类?它们的主要区别是什么?热探测器:响应波段宽,响应范围为整个红外区域,室温下工作,使用方便。光子探测器:灵敏度高、响应速度快,具有较高的响应频率,但探测器波段较窄,一般工作于低温10.5请根据气体对红外线有选择性吸收的特性,设计一个红外线气体分析仪。使其能对气体的成分进行分析。(提示:不同气体对红外线能量的吸收是不同的)10.6微波的特点是什么?(1)需要定向辐射装置 (2)遇到障碍物容易反射 (3)绕射能力差(4)传输特性好,传输过程中受烟雾、灰尘等的影响较小(5)介质[1]对微波的吸收大小与介质介电常数成正比。10.7试分析反射式和遮断式微波传感器的工作原理。(1)反射式:发生天线和接收天线位于检测物体的同一侧,根据检测物体反射回来的微波信号的功率或微波信号从发出到接收到的时间间隔来实现测量位置和位移等参数。(2)遮断式:发生天线和接收天线位于检测物体的两边,根据接收天线收到的微波功率的大小来判断发送天线和接收天线之间有无被测物体或位置等。10.8试分析微波传感器的主要组成及其各自的功能。微波发生器[2]、微波天线、微波检测器[3]。10.9微波传感器有何优缺点?(1)优点:非接触式传感器;波长范围为1m~1mm,有极宽的频谱;频率高、时间常数小、反应速度快;无须进行非电量转换;适合遥测、遥控;不会带来显著的辐射。(2)缺点:存在零点漂移;测量环境对测量结果影响较大。10.10举例说明微波传感器的应用。(1)微波液位计(2)微波湿度传感器(3)微波辐射计(4)微波无损检测仪(5)微波物位计(6)微波定位传感器(7)微波多普勒传感器10.11超声波在介质中传播具有哪些特性?(1)超声波有纵波、横波、表面波三种(2)超声波的传播速度与波长和频率的乘积成正比(3)满足光的反射和折射定律10.12超声波传感器主要有哪几种类型?试述其工作原理。(1)压电式超声波传感器(2)磁致伸缩式超声波传感器:当超声波作用在磁致伸缩材料上时,引起材料伸缩[4],从而导致它的内部磁场发生改变。根据电磁感应,磁致伸缩材料上所绕的线圈便获得感应电动势。10.13在用脉冲回波法测量厚度时,利用何种方法测量时间间隔∆t有利于自动测量?若已知超声波在被测试件中的传播速度为5480m/s,测得时间间隔为25µs,试求被测试件的厚度。d=v∆t=5480×25×10−6=0.0685m10.14超声波测物位有哪几种测量方式?各有什么特点?(1)单换能器在液体中(2)双换能器在液体中(3)单换能器在空中(4)双换能器在空中当换能器位于液体中时,衰减比较小当换能器位于空气中时,便于安装和维护,当衰减比比较大。10.15试述时差法测流量的基本原理,存在的问题及改进方法。通过测量超声波在顺流和逆流中传播的时间差求得流体流速的一种方法。c2v≈∆t,测量精度主要取决于时间差的测量精度。同时,超声波声速一般随介质2Lcosθ的温度变化而变化,因此将造成温漂。10.16超声波用于探伤有哪几种方法?试述反射法探伤的基本原理。穿透法探伤和反射法探伤。答:传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。 常用的线性化方法是:切线或割线拟合,过零旋转拟合,端点平移来近似,多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。2.3利用压力传感器[5]所得测试数据如下表所示,计算其非线性误差、迟滞和重复性误差。设压力为0MPa时输出为0mV,压力为0.12MPa时输出最大且为16.50mV.非线性误差略正反行程最大偏差∆Hmax=0.1mV,所以γH=±∆Hmax0.1100%=±%=±0.6%YFS16.50重复性最大偏差为∆Rmax=0.08,所以γR=±∆Rmax0.08=±%=±0.48%YFS16.52.4什么是传感器的动态特性?如何分析传感器的动态特性?传感器的动态特性是指传感器对动态激励(输入)的响应(输出)特性,即输出对随时间变化的输入量的响应特性。传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。瞬态响应常采用阶跃信号作为输入,频率响应常采用正弦函数作为输入。2.5描述传感器动态特性的主要指标有哪些?零阶系统[6]常采用灵敏度K,一阶系统常采用时间常数τ、灵敏度K,二阶系统常采用固有频率ω0、阻尼比ζ、灵敏度K来描述。2.6试解释线性时不变系统的叠加性和频率保持特性的含义及其意义。当检测系统的输入信号是由多个信号叠加而成的复杂信号时,根据叠加性可以把复杂信号的作用看成若干简单信号的单独作用之和,从而简化问题。如果已知线性系统的输入频率,根据频率保持特性,可确定该系统输出信号中只有与输入信号同频率的成分才可能是该输入信号引起的输出,其他频率成分都是噪声干扰,可以采用相应的滤波技术。2.7用某一阶传感器测量100Hz的正弦信号,如要求幅值误差限制在±5%以内,时间常数应取多少?如果用该传感器测量50Hz的正弦信号,其幅值误差和相位误差各为多少?

题目解答

答案

解:一阶传感器频率响应特性:H(jω)=11,幅频特性:A(ω)=τ(jω)+1+(ωτ)21≤5%+(ωτ),取τ=0.523ms由题意有A(jω)≤5%,即又ω=2π=2πf=200πT,所以0≺τ≺0.523ms(1/+(ωτ)2)−1幅值误差:∆A(ω)=×100%=−1.32%1相位误差:∆Φ(ω)=−arctan(ωτ)=−9.302.8某温度传感器[7]为时间常数τ=3s的一阶系统,当传感器受突变温度作用后,试求传感器温差的三分之一和二分之一所需的时间。温差为二分之一时,t=2.08s温差为三分之一时,t=1.22s2.9玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传给水[8]银,可用一阶微分方程来表示。现已知某玻璃水银温度计特性的微分方程是2dy,x代表输入+2y=2×10−3x,y代表水银柱高(m)dt温度(℃)。求该温度计的时间常数及灵敏度。τ=1s;K=1×10−32.10某传感器为一阶系统,当受阶跃函数作用时,在t=0时,输出为10mV,在t=5s时,输出为50mV;在t→∞时,输出为100mV。试求该传感器的时间常数。τ=8.5s2.11某一质量-弹簧-阻尼系统在阶跃输入激励下,出现的超调量大约是最终稳态值的40%。如果从阶跃输入开始至超调量出现所需的时间为0.8s,试估算阻尼比和固有角频率的大小。2.12在某二阶传感器的频率特性测试中发现,谐振发生在频率216Hz处,并得到最大的幅值比为1.4,试估算该传感器的阻尼比和固有角频率的大小。1ω2ω解:二阶系统A(ω)={[1−()]+4ξ2()2}2ωnωn当ω=ωn时共振,则A(ω)max=1=1.4,ξ=0.362ξ所以:ω=ωn=2πf=2π×216=1357rad/s2.13设一力传感器可简化为典型的质量-弹簧-阻尼二阶系统,已知该传感器的固有频率f0=1000Hz,若其阻尼比为0.7,试问用它测量频率为600Hz、400Hz的正弦交变力时,其输出与输入幅值比A(ω)和相位差Φ(ω)各为多少?