文档：习题与思考题解答(11)

模板资料 资源共享 题库与思考题解答（第11章）

１．超声波发生器的种类有哪些？其工作原理是什么？它们各自的特点是什么？

解：超声波发生器由发送电源与换能器组成，发送电源是提供高频电流或电压的电源；换能器作用是将电磁振荡能量变换成机械振荡而产生超声波并向空中辐射。换能器一般有压电式和磁致伸缩式两种。

压电式发送传感器根据压电晶体的电致伸缩原理制成。在压电材料切片上施加高频正弦交流电压，使它产生电致伸缩运动，从而产生超声波并向空中辐射。压电式超声波发送传感器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的超声波，声强可达几十瓦每平方厘米。

磁致伸缩式发送传感器是根据铁磁物质的磁致伸缩效应原理制成的。磁致伸缩效应是指铁磁性物质在交变的磁场中，在顺着磁场方向产生伸缩的现象。磁致伸缩超声波发送器把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即产生机械振动，从而产生超声波。磁致伸缩超声波发生器产生的频率只能在几万赫兹以内，但声强可达几千瓦每平方厘米。它与压电式的发送器比较所产生的超声波的频率较低，而强度则大许多。

２．超声波的传播特性是什么？

解：超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，以及介质吸收能量，声强逐渐减弱，即能量逐渐衰减。超声波进入介质时的强度为 I0，从介质出来之后的强度为 I，它们之间有如下关系0AIIe，式中，A为吸收系数；δ为介质的厚度。

３．超声波探伤法有哪几种？它们的工作原理是什么？

解：超声波探伤常用的有穿透法和反射法两种方法。

1）穿透法：穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化情况，来判别工件内部质量的方法。穿透法有一个发射探头和一个接收探头，分别置于被测工件的两边，工作原理如下图所示。工作时，如果工件内部有缺陷，则有一部分超声波在缺陷处即被反射，其余部分到达工件的底部被接收探头接收。因此到达接收探头的能量有一部分损失，接收到的能量变小；如果工件内部没有缺陷，超声波都能到达接收探头，因此接收探头接收到的能量较大。 模板资料 资源共享

2）反射法：反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的一种方法，工作原理如下图所示。它也有两个探头，这两个探头做在一起，一个发射超声波，另一个接收超声波。工作时探头放在被测工件上，并在工件上来回移动进行检测。发射探头发出超声波并以一定速度向工件内部传播，如果工件没有缺陷，则超声波传到工件底部才反射回来形成一个反射波，被接收探头接收，一般称为底波B，显示在屏幕上；如果工件有缺陷，则一部分超声波在遇到缺陷时反射回来，形成缺陷波F，其余的传到底部反射回来，显示到屏幕上，则屏幕上出现缺陷波F和底波B两种反射波形，以及发射波波形T。可以通过缺陷波在屏幕上的位置来确定缺陷在工件中的位置。

4．使用超声波脉冲反射法进行厚度测量，若已知超声波在工件中的声速为5640m／s，测得的时间间隔 t 为22μs，试求工件厚度。

解：设工件的厚度为δ，则

656402210=0.06204m=62.04mm22ct

模板资料 资源共享 5．红外线的特性是什么？它与一般光线有什么不同？

解：红外线又称为红外光，是一种电磁波，其波长范围在0.76～1000μｍ之间，是波长位于可见光和微波之间的—种不可见光。

6．红外探测器分哪几种？它们有什么不同？

解：红外探测器按工作原理的不同，分为热电红外传感器和光电红外传感器两大类。

1）热电红外传感器是利用红外辐射的热效应原理工作的。它主要采用一种高热电系数的热敏材料制成探测元件。探测元件探测并吸收红外辐射使得自身温度升高进而使有关物理参数发生相应变化，然后通过测量电路测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。其主要优点是响应波段宽，可以在常温下工作，使用方便，应用相当广泛。

2）光电红外传感器是利用红外辐射的光电效应原理工作的。它是采用光电元件，当入射辐射波的频率大于某一特定频率时，入射辐射波的光子能量被光电元件吸收，从而改变光电元件电子的能量状态，使得其电特性发生改变，经测量电路转变成微弱的电压信号，放大后向外输出。光电红外传感器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。

7．简述红外探伤的工作原理。

解：红外探伤是通过测量热流或热量来鉴定金属或非金属材料质量的。当内部存在缺陷的工件均匀受热而温度升高时，由于缺陷的存在将使热流的流动受到阻碍，从而在工件的相应部位上出现温度异常现象。对于某些采用超声波、涡流等方法无法探测的局部缺陷，用红外无损探伤可取得良好的效果。

8．简述激光的形成原理。

解：激光传感器可将输入它的一定形式的能量（光能、热能等），转换成一定波长的光的形式发射出来。根据量子理论，当原子受到光的照射或高能粒子的碰撞等外界因素的激发时，原子吸收了一定的能量而从低能级跃迁到高能级，从而使原子处于激发态。在外界因素的诱发下，处在激发态的原子也可以跃迁到低能级而发光，这种发光过程称为受激辐射。在受激辐射过程中，如果这些光子再引起其他原子发生受激辐射，那么这些原子所引起的辐射光子在频率、相位和振动方向上也与外来光子完全相同，从而产生激光。

模板资料 资源共享 9．激光器有几种？它们各自的特点是什么？

解：激光传感器的种类很多，按其工作物质可分为气体、液体、固体和半导体激光器。气体激光器通常是利用激光管中的气体放电现象来工作的，应用最广泛的是氦氖激光器。液体激光器的工作物质是液体，可分为有机液体染料激光器、无机液体染料和聚合物激光器等，较为重要的是有机液体染料激光器。其特点是它发出的激光波长可在一定的波段内连续可调。可连续工作而不降低效率。固体激光器的工作物质是固体。它的种类很多，但其结构大致相同，常用的如红宝石激光器。半导体激光器的工作物质是某些性能适合的半导体材料，如砷化镓、磷化铟等，其特点是重量轻、结构紧凑、使用方便，它的转换效率很高。

10．请用激光传感器设计一台激光测量汽车速度的装置，并叙述它的工作原理。

解：激光测量汽车速度是在激光测距的基础上实现的。激光测距是通过向被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。激光测速是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在该一时间段内的被测物体移动的距离，从而得到物体移动的速度。系统工作原理见下图。工作时，对车辆进行两次测距，经计算得传感器与车辆的距离L1、L2，由于两束光之间的夹角 θ 固定，因此可以算出宽度W ，由于时间间隔 T2-T1 已知，从而得出车速21WvTT，因为测量时间很短，这个速度可以被认为是瞬时速度。

模板资料 资源共享 11. 新型传感器的特征以及发展趋势主要表现在哪几个方面？

解：新型传感器的特征以及发展趋势主要表现在以下几个方面。

1）传感器微型化；

2）智能化传感器；

3）多功能集成传感器；

4）传感器网络。

12. 什么是MEMS？它与传感器之间有什么关系？

解：MEMS是指可批量制作的，集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信等于一体的微型系统。它将信息的获取、处理和执行集成在一起。MEMS传感器技术的设计重点是在微型化的同时努力降低功耗并提高精度，其研发重点有两个方向：一是实现MEMS传感器的集成化及智能化，二是开发与光学、生物学等技术领域交叉融合的新型传感器。

13. 智能化传感器与微机之间的通信是如何实现的？简述DS18B20传感器与AT89C2051微机之间的通信方式。

解：DS18B20工作时将温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。因此，它与微机的接口电路相当简单。对于单总线传感器而言，数据总线只有I/O一根线，加上电源及地线，测量部分敷设的电缆最多也就3根线。在多点温度检测时，可以将多个DS18B20并联到这3根（或2根）线上，AT89C2051微机只需一根端口线就能与多个DS18B20通信。