答：红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成。一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。人体发射的10μm左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。其结构框图如图所示。图中，菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较。

待 测目 标 光 学 系 统 （菲涅尔透镜） 热释电红 外传感器 报警器结构框图

信 号处 理 报 警电 路

3.45 在精密车床上使用刻线为5400条/周围光栅作长度检测时，其检测精度为0.01mm，问该车床丝杆的螺距为多少？

3.46 动态读磁头与静态读磁头有何区别？

答：动态磁头又称速度响应式磁头，它只有一组输出绕组，只有当磁头磁栅有相对运动时，才有信号输出。运动速度不同，输出信号的大小也不同，静止时没有信号输出，故不适用于长度测试。图3.239所示为动态磁头外形。磁芯材料为铁镍合金（含Ni80%）片，每片厚度为0.2mm，叠成需要有厚度。图3.240所示为该类磁头读取信号的示意图。图中W为磁信号节距，读出信号为正弦信号，在N和N相重叠处为正的最强，S和S相重叠处为负的最强。

静态磁头又称磁通响应式磁头，它在磁头与磁栅间没有相对运动的情况下也有信号输出。图3.241所示为静态磁头实例，磁芯材料为高磁导率材料，如坡莫合金，单片厚度等于?4。磁芯由三种不同形式的薄膜叠合而成，叠合顺序为A→B→C→B→D→B→C→B→A反复循环，组成一个多间隙磁头。磁芯上绕有两个绕组，一个励磁绕组N1?4?15~4?20匝，它由一交变的励磁电压激励，产生的磁感应强度沿图中虚线所示的途径流通。另一个为输出绕组N2?100~200匝，它根据励磁绕组所产生的磁感应强度和磁尺上的磁化强度的变化情况，输出一个与磁尺位置相对应的信号。两个绕组的线径d1?d2?0.1mm。在励磁绕组中通入交变的励磁电流，使磁芯的可饱和部分（截面较小）在每周内两次被电流产生的磁场饱和。这时磁芯的磁阻很大，磁栅上的漏磁通就不能由磁芯流过输出绕组产生感应电势。只有在励磁电流每周两次过零时，可饱和磁芯不被饱和，磁栅上的漏磁通才能渡过输出绕组的磁芯而产生电势，其频率为励磁电流频率的两倍，输出幅值与磁栅进入磁芯漏磁通的大小成正比例。为了增大输出，实际使用时，常将这种磁头多个串联起来做成一体（称为多间

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隙静态磁头），如图3.242所示。

图3.239 动态磁头外形 图3.240 动态磁头读取信号的示意图

图3.241 静态磁头外形及磁头读取信号的示意图

3.47 机械工业中常用的数字式传感器有哪几种？各利用了什么原理？它们各有何特点？

答：按照输出信号的形式，常用的数字式传感器可分为三类：脉冲输出式数字传感器（如光栅传感器、感应同步器、增量编码器等），编码输出式数字传感器（如绝对编码器等），频率输出式数字传感器。

此外，数字式传感器也可分为直接数字式传感器和准数字式传感器两大类。其中，直接数字式传感器是指它的输出为二元形式（0-1）的信号，它包括各种编码器（直接编码器、光栅、磁栅、感应同步器、CCD或类似的光敏器件以及触发器式的传感器）。准数字式传感器是指以频率形式输出的谐振式传感器。它们输出信号可以为频率脉冲个数、位相或脉冲宽度，它包括机械式的（振弦、振杆、振膜、振筒、振壳等）、声学的（SAW）、光学的（包括激光器）以及电学的（各种L、C、R组合形成的振荡器）。

3.48 数字式传感器及数显表采用微机后，有什么好处？

答：具有处理更方便、抗干扰能力强、数据可以高速远距离传输、而且可实现网络测控、便于实现

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动态及多路测量、数据共享及易于与计算机接口等。 3.49 生物传感器有哪些类型？有什么特点？

答：按照敏感膜材料（分子识别元件）和敏感元件（电信号转换元件）的不同，生物传感器有多种分类方法，但主要有两种分类法。

（1）敏感膜材料

按照敏感膜材料的不同，生物传感器可分为细胞器传感器（organall sensor）、微生物传感器（microbial sensor）、免疫传感器（immunol sensor）、酶传感器（enzyme sensor）和组织传感器（tissue sensor）等五大类（如图3.255）。

图3.255 生物传感器按敏感膜分类

（2）敏感元件

按照敏感元件的工作原理不同，生物传感器可分为生物电极（bioelectrode）、热生物传感器（calorimetric biosensor）、压电晶体生物传感器（piezoelectric biosensor）、半导体生物传感器（semiconduct biosensor）、光生物传感器（optical biosensor）和介体生物传感器（medium biosensor）等（如图3.256）。

图3.256 生物传感器按敏感元件分类

与通常的化学分析法相比，生物传感器具有以下特点：

1） 分析速度快，可以在较短的时间内得到结果； 2） 准确度高，一般相对误差可以达到1%； 3） 操作较简单，容易实现自动分析； 生物传感器的主要缺点是使用寿命较短。 3.50 酶传感器的检测方式有哪几种？试举例说明。

答：常见的酶传感器有电流型和电位型两种。其中，电流型是由与酶催化反应有关物质电极反应所得到的电流来确定反应物质的浓度，一般采用氧电极、H2O2电极等；而电位型是通过电化学传感

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CO2电极、H2器件测量敏感膜电位来确定与催化反应有关的各种物质的浓度，一般采用NH3电极、

电极等。

下面以葡萄糖酶传感器为例说明其工作原理与检测过程。图所示为葡萄糖酶传感器的结构原理图，它的敏感膜为葡萄糖氧化酶，固定在聚乙烯酰胺凝胶上。敏感元件由阴极Pt，阳极pb和中间电解液（强碱溶液）组成。在电极Pt表面上覆盖一层透氧化的聚四氟乙烯膜，形成封闭式氧电极，它避免了电极与被测液直接接触，防止电极毒化。当电极Pt浸入含蛋白质的介质中，蛋白质会沉淀在电极表面上，从而减小电极有效面积，使两电极之间的电流减小，传感器受到毒化。

测量时，葡萄糖酶传感器插入到被测葡萄糖溶液中，由于酶的催化作用而耗氧（过氧化氢

H2O2），其反应式为

葡萄糖+ H2O?O2GOD葡萄糖酸+H2O2

式中，GOD为葡萄糖氧化酶。由式可知，葡萄糖氧化时产生H2O2，而H2O2通过选择性透气膜，使聚四氟乙烯膜附近的氧化量减少，相应电极的还原电流减少，从而通过电流值的变化来确定葡萄糖的浓度。

3.51 免疫传感器有哪两种类型？其工作原理分别是什么？

答：免疫传感器的基本原理是免疫反应。利用抗体能识别抗原并与抗原结合的功能的生物传感器称为免疫传感器。它利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应，反应的结果使生物敏感膜的电位发生变化。

免疫传感器一般可分为非标识免疫传感器和标识免疫传感器。当抗体固定在传感器表面，当传感器表面与含有抗原体的溶液接触时，传感器表面就会形成抗菌素体的复合体，比较抗原抗体复合体形成前后的特性，即可知发生的物理变化，此种结构的传感器称为非标识免疫传感器。而标识免疫传感器是利用酶的标识剂来增加免疫传感器的检测灵敏度。前者适合于定量检测，后者适用于如荷尔蒙、胰岛素等高灵敏度检测。

图所示为梅毒抗体传感器的结构原理图，它由三个容器组成，1为基准容器，2为测试容器，3为抗原容器。梅毒抗菌抗体传感器使用脂质抗菌素原固定化膜，将乙酰纤维素和抗原溶于二氯乙烷与乙醇混合溶液中，然后将它摊在玻璃板上，形成厚度为10?m的膜。将抗原在膜中进行包裹固定化，干燥后将膜剥下，通过支持物将它固定在容器内。参考膜（不含有抗原的纯乙酰纤维素膜）与抗原膜由容器1和容器3分开。血清注入容器2中，抗原膜作为带电膜而工作，如果血清中存在抗体，则抗体被吸附于抗原表面形成复合体。因抗体带正电荷，所以膜的负电荷减少，引起膜电位变化，最后通过测定两个电极间的电位差，来判断血清中是否存在梅毒抗体。

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