习题7
7-1在炼钢厂中，有时直接将廉价热电极（易耗 品，例如镍铬、镍硅热偶丝，时间稍长即熔化）插入钢水中测量钢水温度，如图 7-27所示。试说明测量钢水温度的基本原理？为什么不必将工作端焊在一起？ 要满足哪些条件才不影响测量精度？采用上述方法是利用了热电偶的什么定律？如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？为什么？
答：测量钢水温度的基本原理是利用了热电效应；因为钢水是导体，又处在同一个温度下，把钢水看作是第三导体接入，利用了热电偶的导体接入定律；如果被测物不是钢水，而是熔化的塑料不行，因为，塑料不导电，不能形成热电势。
1 —钢水包； 2—钢熔融体； 3—热电极A 、 B4 、7—补偿导线接线柱
5—补偿导线 6—保护管 8—毫伏表 9、10 —毫伏表接
图7—27 用浸入式热电偶测量熔融金属示意图
7-2用热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿的方法有哪几种？
答：由热电偶测温原理已经知道，只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在实际应用时，往往由于热电偶的热端与冷端离得很近，冷端又暴露于空间，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。为此常采用下述几种冷端温度补偿或处理方法：
（1）冰浴法：在实验室条件下常将热电偶冷端臵于冰点恒温槽中，使冷端温度恒定在0℃时进行测温，这种方法称为冰浴法；（2）冷端温度修正：热电偶分度表是以冷端温度为0℃为基础而制成的，所以如欲直接利用分度表根据显示仪表的读数求得温度必须使冷端温度保持为0℃；（3）冷端补偿导线：实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度和周围环境温度的影响；（4）冷端补偿器；（5）仪表机械零点调整法。 7-3热电阻温度计有哪些主要优点？
答：热电阻具有：（1）高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。（2）化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。（3）良好的输出特性。即有线性的或者接近线性的输出。（4）良好的工艺性，适合批量生产、降低成本。 7-4热电偶结构由哪几部分组成？
答：热电偶的基本结构是由热电极、绝缘材料、保护管和接线端子组成。 7-5用镍铬-镍硅（K）热电偶测温度，已知冷端温度t0为40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电势为29.186mV ，求被测点温度？
答：查K分度表，热电偶在40℃时相对于0℃的热电势为：1.6118mV;
由公式：U(t,0)?U(t,40)?U(40,0) =29.186+1.6118mV=30.798mV;
查K分度表得被测点温度值为：740℃。
7-6图7-29为利用 XCT-101 型动圈仪表组成的热电偶测温、控温电路。请正确连线。
答：主回路：380V交流电从接线排引入，经过交流接触器，到退火电炉主加热回路。
检测回路：取220V单相电给控制盒，获得低压直流电，给检测回路供电；热电偶接入控制盒输入端，
经内部处理电路，控制直流继电器线圈，用直流继电
器的常开触点控制交流接触器的线圈电压。L1火线经图 7—29 利用 XCT-101 型动圈仪表组成热电偶测温、控温电路
过交流接触器的线圈一端，线圈另一端接直流继电器的常开触电端，直流继电器的公共端接交流电的零线。使得当直流继电器吸合时，交流接触器线圈得点，吸合。
工作过程：上电后，热电偶传感器检测退火炉中的温度，当温度低于要求的温度点时，交流接触器线圈得电吸合，退火炉加热；当传感器检测到退火炉的温度高于要求值后，控制直流继电器释放，交流接触器线圈失电，主回路断电，退火炉不加热。从而达到控制炉温在设定的范围。
7-7请简要叙述一下热敏电阻的优缺点及改进措施。
答：热敏电阻的优点：
（1）灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10~6℃的温度变化； （2）工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；
（3）体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度； （4）使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择； （5）易加工成复杂的形状，可大批量生产； （6）稳定性好、过载能力强． 缺点是：互换性差，非线性严重。
用热敏电阻测温，提高精度的改进措施：由于热敏电阻的非线性，采用并联一个固定阻值的温度特性反得的电阻，或在电路处理上，采用分段处理，提高精度；对于互换性差的处理，在电路上增加调节电位器，在更换新的热敏电阻后，重新标定（调整电路的零点和满量程）。
7-8要测1000℃左右的高温，用什么类型的热电偶好？要测1500℃左右的高温呢？
答：根据不同分度的热电偶的特性。测1000℃左右的高温选用热电偶时要考虑：测温范围，价格等因素。K分度热电偶的热电势大，线性好，稳定性好，价廉；多用于工业测量，测温范围-270?1370℃；可选。还可选N分度的。
要测1500℃左右的高温，选择热电偶可选S系列、R系列和B系列，测温范围：-50?1768；B分度的太贵，R系列的性能稳定，还原性好，但不能在金属蒸汽中使用。
7-9使用k型热电偶，基准接点为0℃、测量接点为30℃和900℃时，温差电动势分别为1.203mV和37.326mV。当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为多少？
答：由公式U(900,0)?U(900,30)?U(30,0)，得：U(900,30)?U(900,0)?U(30,0)? 当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为:37.326-1.203=36.123mV。
习题8
8-1什么叫光电效应？光电效应有哪几种？什么叫外光电效应、内光电效应、光电导效应、光生伏特效
应？ 答：1）、光电效应：当一个光子和原子相碰撞时，将其能量全部交给某一轨道电子，使它脱离原子，光子则被吸收，这种现象称为光电效应。 2）、光电效应分为外光电效应、内光电效应和光电伏特效应三种。
3）、外光电效应：在光线作用下，物体内的电子溢出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。 4）、内光电效应:在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为。 5)、光电导效应：在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子—空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。
6）、光电伏特效应：在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光电伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。
8-2提高光电倍增管放大倍数的正确方法是什么？为什么不用增加倍增级数的方法来提高光电倍增管
的放大倍数？ 答：提高光电倍增管放大倍数的正确方法是在光电倍增管的外部加一个磁屏蔽筒，减少外部磁场对光电倍增管工作的影响。从而提高光电倍增管的灵敏度，减小噪音。增加电子光学系统提高电子收集率，减小度越时间；
光电倍增管的放大倍数和阳极输出电流随所加电压的kn次方指数变化。增加倍增级数的方法，使管的体积增大，并使阳极电压提高，暗电流增大；材料的二次发射系数随一次电子的能量达到一定值之后反而会减小。
8-3光电倍增管产生暗电流的原因是什么？如何减小或消除之？
答：倍增管产生暗电流的原因有：光电阴极和倍增电极的热电子发射；阴极与其它各电极之间的漏电流；产生漏电流的原因有二：一是多余的铯原子沉积于各电极之间，导致绝缘电阻下降；二是管基受潮，使玻璃内硅酸盐水解形成电解液，导致绝缘电阻下降，离子反馈和光反馈，场致发射。
减小倍增管的暗电流的方法是：尽量减小光电阴极与倍增电极的热电子发射；消除管内多余的铯原子和保持管壳干燥；将管内抽成真空，清除离子反馈和光反馈；将管内电极边缘转弯、尖角修圆，减小场致发射。
8-4光敏三极管与普通三极管有何异同？
答：光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，有的光敏三极管也是三条腿；不同点：光敏三极管的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏三级管是光驱动（当有光照时才导通），而普通三极管是电驱动（当加有基极电流时才导通）。
8-5光纤按工作原理分类可以分为哪几类？按信息传输形式分类可以分为哪几类？
答：光纤按工作原理分类可以分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型（Functional Fiber，缩写为FF）传感器，又称为传感型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化，这类传感器称为非功能型（Non Functional Fiber，缩写为NFF）传感器，又称为传光型传感器。
按信息传输形式分类可以分为：单模光纤和多模光纤。
8-6光纤传感器按其传感器原理分类分为哪些？光纤传感器有哪几种不同的调制形式？
答：光纤按工作原理分类可以分为两大类：功能型传感器，又称为传感型传感器；传光型传感器。 光纤传感器的调制形式主要有：光强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、颜色调制等。（查甘肃科技学报1991年第1期）。 8-7光纤传感器具有哪些特点？
答：光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点，如不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕
曲，灵敏度高，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。 8-8红外光有哪些特点？红外测温有何特点？
答：红外光是一种不可见光，波长范围大致在0.76～1000μm，它的物理本质是热辐射，红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。 红外测温的特点：利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。红外测温是一种非接触式测温技术，它具有以下 特点： （1）非接触测量； （2）反应时间快，十分之几秒； （3）灵敏度高，0．1℃ 的温度分辨率和毫米级的空间分辨率； （4）测温范围广，零下几十度到上千度。 由于测量时无需接触被测物体，因此可安全地检测难以接触的物体的温度，并且对被测物体无污染和损坏。 便携式红外线温仪由于随身携带方便，操作简便， 能用于多方面的目标温度检测，被广泛应用于设备故障诊断、暖通、铁路、石油、化工、冶金、玻璃、金属加工 等领域。
习题9
9-1 半导体气敏传感器有哪几种类型？
答：半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面，还是在内部，可分为表面控制型和体控制型；按照半导体变化的物理性质，可分为电阻型和非电阻型两种。
9-2 试叙述表面控制型半导体气敏传感器的工作原理。
答：电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气敏传感元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。
9-3 为什么多数气敏器件都附有加热器？
答：无论哪种类型（薄膜、厚膜、集成片或陶瓷）的气敏元件，其内部匀有加热丝，一方面用来烧灼元件表面油垢或污物，另一方面可起加速被测气体的吸、脱作用。加热温度一般为200℃~400℃ 9-4 如何提高半导体气敏传感器对气体的选择性和气体检测灵敏度？
答：改善气敏元件的气体选取择性常用的方法：
①向气敏材料掺杂其他金属氧化物或其他添加物； ②控制气敏元件的烧结温度； ③改善元件工作时的加热温度。
一般用金属或金属氧化物材料的催化作用来提高气体检测的灵敏度。 9-5 利用热导率式气敏传感器原理，设计一真空检测仪表，并说明其工作原理。
答：每种气体都有固定的热导率，混合气体的热导率也可以近似求得。因为以空气为比较基准的校正比较容易实现，所以用热导率变化法测气体浓度时，往往以空气为基准比较被测气体。其基本测量电路如图9-32所示，其中F1、F2可用不带催化剂的白金线圈制作，也可用热敏电阻。F2内封存入已知的比较气体，F1与外界相通，当被测气体与其相接触时，由于热导率相异而使F1的温度变化，F1的阻值也发生相应变化，电桥失去平衡，电桥输出信号的大小与被测气体的种类中浓度有确定的关系，这类气体传感器因为不用催化剂，所以不存在受催化
剂影响而使特性变坏的问题，它除了用于测量可燃性气体图9-32热导率气敏元件测量电路原理图 外，也可用于无机气体及浓度的测量。
9-6 湿敏传感器的原理是什么?简述其类型特征及用途。
答：氯化锂湿敏电阻是利用吸湿盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±5%，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短。
半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。