《傳感器原理及應(yīng)用》課后答案

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1 第 1 章 傳感器基礎(chǔ)理論思考題與習(xí)題答案 1 1 什么是傳感器 傳感器定義 解 能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置 通常由敏 感元件 轉(zhuǎn)換元件和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成 1 2 傳感器特性在檢測(cè)系統(tǒng)中起到什么作用 解 傳感器的特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎肓亢洼敵隽恐g的對(duì)應(yīng)關(guān)系 所以它在檢測(cè)系統(tǒng)中的 作用非常重要 通常把傳感器的特性分為兩種 靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性 靜態(tài)特性是指輸入 不隨時(shí)間而變化的特性 它表示傳感器在被測(cè)量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)下輸入輸出的關(guān)系 動(dòng)態(tài)特性是指輸入隨時(shí)間而變化的特性 它表示傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性 1 3 傳感器由哪幾部分組成 說明各部分的作用 解 傳感器通常由敏感元件 轉(zhuǎn)換元件和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路三部分組成 其中 敏感元件是指 傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測(cè)量的部分 轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽?應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部分 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路是指將非適合電量進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成適合電量 的部分 如書中圖 1 1 所示 1 4 傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的什么關(guān)系 靜態(tài)參數(shù)有哪些 各種參數(shù)代表什么意 義 動(dòng)態(tài)參數(shù)有那些 應(yīng)如何選擇 解 在生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中 要對(duì)各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制 就要求傳感器能感 受被測(cè)非電量的變化并將其不失真地變換成相應(yīng)的電量 這取決于傳感器的基本特性 即 輸出 輸入特性 衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度 靈敏度 遲滯和重復(fù)性等 意義略 見書中 動(dòng)態(tài)參數(shù)有最大超調(diào)量 延遲時(shí)間 上升時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間等 應(yīng)根據(jù)被測(cè)非電 量的測(cè)量要求進(jìn)行選擇 1 5 某位移傳感器 在輸入量變化 5mm 時(shí) 輸出電壓變化為 300mV 求其靈敏度 解 其靈敏度 30165UkX 2 1 6 某測(cè)量系統(tǒng)由傳感器 放大器和記錄儀組成 各環(huán)節(jié)的靈敏度為 S 1 0 2mV S2 2 0V mV S 3 5 0mm V 求系統(tǒng)的總的靈敏度 1 7 某線性位移測(cè)量?jī)x 當(dāng)被測(cè)位移由 4 5mm 變到 5 0mm 時(shí) 位移測(cè)量?jī)x的輸出電壓由 3 5V 減至 2 5V 求該儀器的靈敏度 解 該儀器的靈敏度為 V mm25 403 S 1 8 某測(cè)溫系統(tǒng)由以下四個(gè)環(huán)節(jié)組成 各自的靈敏度如下 鉑電阻溫度傳感器 0 45 電橋 0 02V 放大器 100 放大倍數(shù) 筆式記錄儀 0 2cm V 求 1 測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度 2 記錄儀筆尖位移 4cm 時(shí) 所對(duì)應(yīng)的溫度變化值 解 1 測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度為 cm 18 020 45 S 2 記錄儀筆尖位移 4cm 時(shí) 所對(duì)應(yīng)的溫度變化值為 218 t 1 9 有三臺(tái)測(cè)溫儀表 量程均為 0 800 精度等級(jí)分別為 2 5 級(jí) 2 0 級(jí)和 1 5 級(jí) 現(xiàn)要測(cè) 量 500 的溫度 要求相對(duì)誤差不超過 2 5 選那臺(tái)儀表合理 解 2 5 級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為 20 測(cè)量 500 時(shí)的相對(duì)誤差為 4 2 0 級(jí)時(shí)的最大 絕對(duì)誤差值為 16 測(cè)量 500 時(shí)的相對(duì)誤差為 3 2 1 5 級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為 12 測(cè)量 500 時(shí)的相對(duì)誤差為 2 4 因此 應(yīng)該選用 1 5 級(jí)的測(cè)溫儀器 1 10 某溫度傳感器為時(shí)間常數(shù) T 3s 的一階系統(tǒng) 當(dāng)傳感器受突變溫度作用后 試求傳感 器指示出溫差的 1 3 和 1 2 時(shí)所需的時(shí)間 3 解 設(shè)溫差為 A 測(cè)此溫度傳感器受幅度為 A 的階躍響 應(yīng)為 動(dòng)態(tài)方程不考慮初態(tài) e1 tty 當(dāng) 時(shí) 3s2 13ln t 當(dāng) 時(shí) Aty21 08 l t 1 11 某傳感器為一階系統(tǒng) 當(dāng)受階躍函數(shù)作用時(shí) 在 t 0 時(shí) 輸出為 10mV t 時(shí) 輸 出為 100mV 在 t 5s 時(shí) 輸出為 50mV 試求該傳感器的時(shí)間常數(shù) 解 由題意知 e1 0 tty e1055 s79 53ln 第 2 章 應(yīng)變式傳感器思考題與習(xí)題答案 2 1 試述金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)有什么不同 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 2 2 試述金屬電阻應(yīng)變片直流測(cè)量電橋和交流測(cè)量電橋有什么區(qū)別 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 2 3 采用阻值為 120 靈敏度系數(shù) K 2 0 的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為 120 的固定電阻組成 電橋 供橋電壓為 4V 并假定負(fù)載電阻無窮大 當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為 1 和 1000 時(shí) 試求單臂 雙臂和全橋工作時(shí)的輸出電壓 并比較三種情況下的靈敏度 解 單臂時(shí) 40U 4 所以應(yīng)變?yōu)?1 時(shí) V 6 60 1024 UK 應(yīng)變?yōu)?1000 時(shí)應(yīng)為 V 3 30 雙臂時(shí) 所以應(yīng)變?yōu)?1 時(shí) V 20UK 660 10424 UK 應(yīng)變?yōu)?1000 時(shí)應(yīng)為 V 3 3012 全橋時(shí) 所以應(yīng)變?yōu)?1 時(shí) V UK 0 608 U 應(yīng)變?yōu)?1000 時(shí)應(yīng)為 V 301 從上面的計(jì)算可知 單臂時(shí)靈敏度最低 雙臂時(shí)為其兩倍 全橋時(shí)最高 為單臂 的四倍 2 4 采用阻值 R 120 靈敏度系數(shù) K 2 0 的金屬電阻應(yīng)變片與阻值 R 120 的固定電阻組成 電橋 供橋電壓為 10V 當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?1000 時(shí) 若要使輸出電壓大于 10mV 則 可采用單臂 半橋和全橋的哪種方式 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 mV10230 nUK 得 n 要小于 2 故應(yīng)采用全橋工作方式 2 5 如題 2 5 圖所示為一直流電橋 供電電源電動(dòng)勢(shì) E 3V R 3 R4 100 R 1 和 R2 為同型 號(hào)的電阻應(yīng)變片 其電阻均為 50 靈敏度系數(shù) K 2 0 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 設(shè)等強(qiáng)度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?5000 試求此時(shí)電橋輸 出端電壓 Uo 5 題 2 5 圖 解 此電橋?yàn)檩敵鰧?duì)稱電橋 故 mV1520330 UK 2 6 有一吊車的拉力傳感器如題 2 6 圖所示 電阻應(yīng)變片 R1 R 2 R 3 R 4 等截面軸上 已知 R1 R4 標(biāo)稱阻值為 120 橋路電壓 2V 物重 m 引起 R1 R 2 變化增量為 1 2 請(qǐng)畫出 應(yīng)變片電橋電路 計(jì)算出測(cè)得的輸出電壓和電橋輸出靈敏度 R 3 R 4 起什么作用 題 2 6 圖 解 應(yīng)變片電橋電路如書中圖 2 14b 把 R2 與 R4 對(duì)換一下位置 KU RURRR2 2312334110 又因?yàn)?較小 可忽略 V01 220 R 6 12 UKv R3 R 4 可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償和減小非線性誤差的作用 2 7 試述金屬應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因及減小或補(bǔ)償溫度誤差的方法是什么 解 電阻應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因 敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度發(fā)生變化 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法 通常有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類 1 電橋補(bǔ)償是最常用的且效果較好的線路補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償法簡(jiǎn)單易行 而且能在較 大的溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償 但上面的四個(gè)條件不一滿足 尤其是兩個(gè)應(yīng)變片很難處于同一溫度 場(chǎng) 2 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片 2 8 如題 2 8 圖所示一受拉的優(yōu)質(zhì)碳素鋼材 已知鋼材的彈性模量 E F S E 2 l0 11N m 2 應(yīng)變片的電阻為 120 試用允許通過的最大電流為 30mA 的 康銅絲應(yīng)變片組成一單臂受感電橋 試求出此電橋空載時(shí)的最大可能的輸出電壓 題 2 8 圖 解 應(yīng)變片所受應(yīng)力 SFE 6231 104 0 02 ESF V5 36max 10 241 4 UK 2 9 在題 2 8 中 若鋼材上粘貼的應(yīng)變片的電阻變化率為 0 1 鋼材的應(yīng)力為 10kg mm2 求鋼材的應(yīng)變及應(yīng)變片的靈敏度系數(shù) 7 解 41 609 028 9 E 44 RK 鋼材的應(yīng)變?yōu)?300 10 6 時(shí) 粘貼的應(yīng)變片的電阻變化率為多少 解 0612 130 26 2 10 有一電阻應(yīng)變片初始阻值為 120 靈敏度 K 2 沿軸向粘貼于直徑 0 04m 的圓形鋼柱 表面 鋼材的彈性模量 E 2 l0 11N m 2 泊松比 0 3 當(dāng)鋼柱承受外力 98 l03N 時(shí) 求 該鋼柱的軸向應(yīng)變 和徑向應(yīng)變 r 此時(shí)電阻應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化量 R R 應(yīng)變片的電阻值變化了多少歐 是增大了還是減少了 如果應(yīng)變片是沿圓柱的圓周方向 徑向 粘貼 鋼柱受同樣大小的拉力作用 此時(shí)應(yīng)變 片電阻的相對(duì)變化量為多少 電阻是增大了還是減少了 解 421 3109 0 4 0298 ESF 47 3 r 44108 9 2 KR 2436 92 3 電阻是增大了 44103 2107 2rKR 電阻是減小了 8 2 11 一臺(tái)采用等強(qiáng)度梁的電子秤 在梁的上下兩面各貼有兩片電阻應(yīng)變片 做成秤重傳感 器 如圖題 2 11 所示 已知 l 100mm b 11mm t 3mm E 2 1 10 4N mm2 接入 直流四臂差動(dòng)電橋 供電電壓 6V 當(dāng)稱重 0 5kg 時(shí) 電橋的輸出電壓 Uo 為多大 題 2 11 圖 解 對(duì)于等強(qiáng)度梁 粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)?34233320 10 10 101895 66 EhbFl mV74 o UK 第 3 章 電感式傳感器思考題與習(xí)題答案 3 1 試述影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是什么 解 影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是 傳感器幾何尺寸 線圈電氣參數(shù) 的對(duì)稱性 磁性材料的殘余應(yīng)力 測(cè)量電路零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)等 3 2 試述電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響 它的主要優(yōu)點(diǎn)是什么 解 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(lì)電流頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離等因素影響 電渦流式傳感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 頻率響 應(yīng)寬 靈敏度高 測(cè)量范圍大 抗干憂能力強(qiáng) 特別是有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn) 因此在工業(yè) 生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用 3 3 試述自感式電感傳感器的工作原理 9 解 將非電量轉(zhuǎn)換成自感系數(shù)變化的傳感器通常稱為自感式電感傳感器 自感式電感傳感器 又稱為電感式傳感器 它由線圈 鐵心和銜鐵三部分組成 當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí) 鐵心與銜鐵之間的氣隙磁阻隨之變化 從而引起線圈的自感發(fā)生變化 因此 自感式傳感 器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變氣隙的鐵心線圈 3 4 試說明差動(dòng)變壓器 螺線管式 傳感器的結(jié)構(gòu)形式與輸出特性 解 螺線管式互感傳感器它由初級(jí)線圈 兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成 螺線管式差動(dòng)變壓器按線圈繞組排列的方式不同可分為一節(jié) 二節(jié) 三節(jié) 四節(jié)和五節(jié)式 等類型 一節(jié)式靈敏度高 三節(jié)式零點(diǎn)殘余電壓較小 通常采用的是二節(jié)式和三節(jié)式兩類 理想的差動(dòng)變壓器輸出電壓與位移成線性關(guān)系 實(shí)際上由于線圈 鐵心 骨架的結(jié)構(gòu) 形狀 材質(zhì)等諸多因素的影響 不可能達(dá)到完全對(duì)稱 使得實(shí)際輸出電壓呈非線性狀態(tài) 但在變壓器中間部分磁場(chǎng)是均勻的且較強(qiáng) 因而有較好的線性段 此線性段的位移范圍 x 約為線圈骨架的 1 10 1 4 提高兩次級(jí)線圈磁路和電路的對(duì)稱性 可改善輸出電壓的 線性度 采用相敏整流電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行處理 可進(jìn)一步改善互感式電感傳感器輸出電 壓的線性 3 5 什么是零點(diǎn)殘余電壓 有哪些方法可以進(jìn)行殘余電壓補(bǔ)償 解 差動(dòng)變壓器輸出電壓在零點(diǎn)總有一個(gè)最小的輸出電壓 一般把這個(gè)最小的輸出電壓稱 為零點(diǎn)殘余電壓 即指銜鐵位于中間位置時(shí)的差動(dòng)輸出電壓 殘余電壓補(bǔ)償方法 提高差動(dòng)變壓器的組成結(jié)構(gòu)及電磁特性的對(duì)稱性 引入相敏整流電路 對(duì)差動(dòng)變壓器輸出電壓進(jìn)行處理 采用外電路補(bǔ)償 3 6 用差動(dòng)變壓器進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)采用那種電路形式可以直接由輸出電壓區(qū)別位移的大小 和方向 解 采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量 3 7 什么是電渦流效應(yīng) 電渦流傳感器可以進(jìn)行哪些非電量參數(shù)測(cè)量 該傳感器可將哪些 物理量轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行輸出 10 解 電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過金屬導(dǎo)體時(shí) 金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流 該電流的流線 呈閉合回線 類似水渦形狀 故稱之為電渦流 這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng) 可用來測(cè)量位 移 金屬體厚度 溫度等參數(shù) 并可用作探傷 可位移 厚度 轉(zhuǎn)速 振動(dòng) 溫度等物理 量轉(zhuǎn)換為電量輸出 3 8 差動(dòng)式自感傳感器結(jié)構(gòu)有什么優(yōu)點(diǎn) 采用變壓器式電橋電路 能否判斷位移的方向 如不能 則需采用何種電路 解 差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高一倍 對(duì)于差動(dòng)變間隙式自感傳感器的線性度也能得到 明顯改善 不能判斷位移的方向 需采用整流電路或相敏檢波電路 3 9 試述電感式傳感器有哪些種類及其工作原理 解 自感式傳感器又叫電感式傳感器 其有變間隙式 變面積式 螺線管式 變氣隙導(dǎo)磁 系數(shù) 三種結(jié)構(gòu)類型 將非電量轉(zhuǎn)換成自感系數(shù)變化 當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí) 鐵 心與銜鐵之間的氣隙磁阻隨之變化 從而引起線圈的自感發(fā)生變化 3 10 分析電感傳感器出現(xiàn)非線性的原因 并說明如何改善 解 電感式傳感器即為自感式傳感器 對(duì)于變間隙式自感傳感器輸出存在非線性誤差 主 要是因?yàn)楸粶y(cè)量的變化引起傳感器的參數(shù)發(fā)生變化 此變化參數(shù)在電感表達(dá)式的分母上 采用差動(dòng)電路 3 11 圖題 3 11 所示是一簡(jiǎn)單電感式傳感器 尺寸已示于圖中 磁路取為中心磁路 不記 漏磁 設(shè)鐵心及銜鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率為 104 空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為 1 真空的磁導(dǎo)率為 4 10 7H m 1 試計(jì)算氣隙長(zhǎng)度為零及為 2mm 時(shí)的電感量 圖中所注尺寸單位均為 mm 題 3 11 圖 11 解 計(jì)算時(shí)以中間位置的長(zhǎng)度作為磁路長(zhǎng)度的基準(zhǔn) 當(dāng)氣隙長(zhǎng)度為零時(shí) mH38 5 104 34 103215603510210310627 66 2 AlWLi 當(dāng)氣隙長(zhǎng)度為 2mm 時(shí) mH68 13 5042 104 34 10321560351023015602732 7 6620 AlWLi 3 12 簡(jiǎn)述電渦流效應(yīng)及構(gòu)成電渦流傳感器的可能的應(yīng)用場(chǎng)合 解 電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過金屬導(dǎo)體時(shí) 金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流 該電流的流線 呈閉合回線 類似水渦形狀 故稱之為電渦流 這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng) 電渦流式傳感 器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣 可進(jìn)行位移 厚度 轉(zhuǎn)速 振動(dòng) 溫度等多參數(shù)的測(cè)量 3 13 試說明如圖所示的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理 移 相 器u1u2R2D211R334uoo2 題 3 13 圖 解 此電路的分析方法同圖 3 22 文中給出了詳細(xì)的分析過程 12 3 14 題 3 14 圖所示的差動(dòng)電感式傳感器的橋式測(cè)量電路 L 1 L 2 為傳感器的兩差動(dòng)電感 線圈的電感 其初始值均為 L0 R 1 R 2 為標(biāo)準(zhǔn)電阻 u 為電源電壓 試寫出輸出電壓 uo 與傳感器電感變化量 L 間的關(guān)系 u L2L1 R2R1 uo 題 3 14 圖 解 221o ULRLLU 3 15 試分析圖 3 21c 所示的全橋整流電路的工作原理 解 電橋輸出電壓為 Uab Uac Ubc 當(dāng)銜鐵位于零位時(shí) I 1 I2 U ac Ubc 故 Iab 0 U ab 0 當(dāng)銜鐵位于零位以上時(shí) I 1 I2 U ac Ubc 故 Iab 0 U ab 0 當(dāng)銜鐵位于零位以下時(shí) I1 I2 U ac Ubc 故 Iab 0 U ab 0 第四章 電容式傳感器思考題與習(xí)題答案 4 1 電容式傳感器有哪些類型 解 電容式傳感器分為變極距型 變面積型和變介質(zhì)型三種類型 4 2 敘述電容式傳感器的工作原理 輸出特性 解 電容式傳感器是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器 多數(shù)場(chǎng)合下 它是由絕緣介質(zhì)分開的兩 個(gè)平行金屬板組成 如果不考慮邊緣效應(yīng) 其電容量為 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得 c 中dAc 的 A d 或 發(fā)生變化時(shí) 電容量 C 也隨之變化 如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變 而僅改變 其中一個(gè)參數(shù) 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化 通過轉(zhuǎn)換電路就可轉(zhuǎn)換為電量 輸出 13 電容式傳感器的類型不同 其輸出特性也不同 變極距型的輸出存在非線性誤差 變面積 型和變介質(zhì)型的輸出是線性的 4 3 為什么電感式和電容式傳感器的結(jié)構(gòu)多采用差動(dòng)形式 差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是什么 解 因?yàn)椴顒?dòng)形式的靈敏度比單圈式的靈敏度提高一倍 同時(shí)也可以減小非線性誤差 4 4 電容式傳感器的測(cè)量電路有哪些 敘述二極管雙 T 型交流電橋的工作原理 解 電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路 運(yùn)算放大器式電路 二極管雙 T 型交流電橋 脈沖寬度調(diào) 制電路等 二極管雙 T 型交流電橋的工作原理見書中 4 5 試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度 為了提高傳感器的靈敏度可采取 什么措施并應(yīng)注意什么問題 解 以變面積式電容傳感器為例進(jìn)行說明 如圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意 圖 bd ax x 直線位移型電容式傳感器 當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng) x 后 覆蓋面積就發(fā)生變化 電容量也隨之改變 其值為 C b a x d C 0 b x d 1 電容因位移而產(chǎn)生的變化量為 axdb 00 其靈敏度為 dbxK 可見增加 b 或減小 d 均可提高傳感器的靈敏度 4 6 為什么說變間隙型電容傳感器特性是非線性的 采取什么措施可改善其非線性特征 解 下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖 圖中 1 為固定極板 2 為與被測(cè)對(duì)象相連的活 14 動(dòng)極板 當(dāng)活動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)的改變而引起移動(dòng)時(shí) 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 1 2 d 1 固定極板 2 活動(dòng)極板 設(shè)極板面積為 A 其靜態(tài)電容量為 當(dāng)活動(dòng)極板移動(dòng) x 后 其電容量為dAC 1 201x 當(dāng) x d 時(shí) 則 2 2 dx 0dC 由式 1 可以看出電容量 C 與 x 不是線性關(guān)系 只有當(dāng) x d 時(shí) 才可認(rèn)為是最近似 線形關(guān)系 同時(shí)還可以看出 要提高靈敏度 應(yīng)減小起始間隙 d 過小時(shí) 但當(dāng) d 過小時(shí) 又容易引起擊穿 同時(shí)加工精度要求也高了 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 在實(shí)際應(yīng)用中 為了提高靈敏度 減小非線性 可采用 差動(dòng)式結(jié)構(gòu) 4 7 有一平面直線位移差動(dòng)傳感器 其測(cè)量電路采用變壓器交流電橋 如題 4 7 圖所示 電 容傳感器起始時(shí) b1 b2 b 200mm a 1 a2 20mm 極距 d 2mm 極間介質(zhì)為空氣 測(cè) 量電路 ui 3sin tV 且 u ui 試求當(dāng)動(dòng)極板上輸入一位移量 x 5mm 時(shí) 電橋輸出電壓 uo 為多少 b 1 da1 xb2a2 C12 C12ui uouu 15 題 4 7 圖 解 根據(jù)測(cè)量電路可得 mVttuaxCuii sin750si32050 4 8 變間隙電容傳感器的測(cè)量電路為運(yùn)算放大器電路 如題 4 8 圖所示 C 0 200pF 傳感器 的起始電容量 Cx0 20pF 定動(dòng)極板距離 d0 1 5mm 運(yùn)算放大器為理想放大器 即 K Z i R f 極大 輸入電壓 ui 5sin tV 求當(dāng)電容傳感動(dòng)極板上輸入一位移量 x 0 15mm 使 d0 減小時(shí) 電路輸出電壓 uo 為多少 題 4 8 圖 解 由測(cè)量電路可得 VttuxdCuiix sin45si15 0200 4 9 推導(dǎo)差動(dòng)式電容傳感器的靈敏度 并與單極式電容傳感器相比較 解 以變極距式為例 在差動(dòng)式平板電容器中 當(dāng)動(dòng)極板向上位移 d 時(shí) 電容器 C1 的間 隙 d1 變?yōu)?d0 d 電容器 C2 的間隙 d2 變?yōu)?d0 d 此時(shí)電容器 C1 和 C2 的電容量分別為 0dC 01d 因 0 503021 2 dC 略去高次項(xiàng) 則 0d 則差動(dòng)電容式傳感器的靈敏度 K0 為002dCK 16 與單極式電容傳感器相比 其靈敏度提高一倍 4 10 有一臺(tái)變間隙非接觸式電容測(cè)微儀 其傳感器的極板半徑 r 4mm 假設(shè)與被測(cè)工件的 初始間隙 0 0 3mm 已知極板間介質(zhì)為空氣 空氣介電常數(shù) 0 8 85 10 12F m 試問 如果傳感器與工件的間隙變化量 10 m 那么電容變化量為多少 如果測(cè)量電路的靈敏度 K 100mV pF 則在 1 m 時(shí)的輸出電壓為多少 解 1 根據(jù)公式 其中 S SdCd 2r 2 根據(jù)公式 可得到 12k 12k 3010 5 4 12 根據(jù)電容式傳感器的工作原理說明它的分類 電容式傳感器能夠測(cè)量哪些物理參量 解 電容式傳感器是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器 多數(shù)場(chǎng)合下 它是由絕緣介質(zhì)分開的兩 個(gè)平行金屬板組成 如果不考慮邊緣效應(yīng) 其電容量為 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式中dAc 的 A d 或 發(fā)生變化時(shí) 電容量 C 也隨之變化 如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變 而僅改變 其中一個(gè)參數(shù) 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化 通過轉(zhuǎn)換電路就可轉(zhuǎn)換為電量 輸出 根據(jù)傳感器的工作原理可把電容式傳感器分為變極距型 變面積型和變介質(zhì)型三種 類型 電容式傳感器不但廣泛用于位移 振動(dòng) 角度 加速度等機(jī)械量的精密測(cè)量 還應(yīng)用 于壓力 壓差 液面 料面 成份含量等方面的測(cè)量 4 13 總結(jié)電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) 主要應(yīng)用場(chǎng)合以及使用中應(yīng)注意的問題 解 優(yōu)點(diǎn) 1 溫度穩(wěn)定性好 2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 4 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量 具有 平均效應(yīng) 缺點(diǎn) 1 輸出阻抗高 負(fù)載能力差 2 寄生電容影響大 主要應(yīng)用在非電量測(cè)量和自動(dòng)檢測(cè)中 電容傳感元件的實(shí)際相對(duì)變化量與傳感元件的 固有電感 包括引線電感 有關(guān) 因此 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須與標(biāo)定時(shí)的條件相同 否則將 會(huì)引入測(cè)量誤差 17 4 14 簡(jiǎn)述電容式傳感器用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路的工作原理及特點(diǎn) 解 詳細(xì)敘述見本章脈沖調(diào)寬調(diào)制電路 4 15 有一個(gè)直徑為 2m 高 5m 的鐵桶 往桶內(nèi)連續(xù)注水 當(dāng)注水?dāng)?shù)量達(dá)到桶容量的 80 時(shí) 就應(yīng)當(dāng)關(guān)閉閥門 停止加水 試分析用應(yīng)變片式或電容式傳感器系統(tǒng)來解決該問題的 途徑和方法 解 提示采用書中的圓筒式變介質(zhì)式電容傳感器可實(shí)現(xiàn) 第五章 壓電式傳感器思考題與習(xí)題答案 5 1 什么是正壓電效應(yīng) 什么是逆壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)有哪些種類 壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和 應(yīng)用特點(diǎn)是什么 能否用壓電傳感器測(cè)量靜態(tài)壓力 解 某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時(shí) 由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時(shí)在兩個(gè) 表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷 當(dāng)外力去掉后 恢復(fù)到不帶電的狀態(tài) 而當(dāng)作用力方向改變 時(shí) 電荷的極性隨著改變 晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比 這種現(xiàn)象稱為 正壓電效應(yīng) 反之 如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng) 晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形 外電場(chǎng)撤離 變形也隨之消失 稱為逆壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)和橫向壓電效應(yīng) 壓電材料有 石英晶體 一系列單晶硅 多 晶陶瓷 有機(jī)高分子聚合材料 結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn) 在壓電式傳感器中 為了提高靈敏度 往往采用多片壓電芯片構(gòu) 成一個(gè)壓電組件 其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu) 根據(jù)兩片壓電芯片的連接關(guān)系 可分為串聯(lián) 和并聯(lián)連接 常用的是并聯(lián)連接 可以增大輸出電荷 提高靈敏度 使用時(shí) 兩片壓電芯片上必須有一定的預(yù)緊力 以保證壓電組件在工作中始終受到壓 力作用 同時(shí)可消除兩片壓電芯片因接觸不良而引起的非線性誤差 保證輸出信號(hào)與輸入 作用力間的線性關(guān)系 因此需要測(cè)量電路具有無限大的輸入阻抗 但實(shí)際上這是不可能的 所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)測(cè)量 只能在其上加交變力 電荷才能不斷得到補(bǔ)充 并給測(cè) 量電路一定的電流 故壓電傳感器只能作動(dòng)態(tài)測(cè)量 18 5 2 試述石英晶體 X Y Z 軸的名稱是什么 有哪些特征 解 電軸 X 軸穿過六棱柱的棱線 在垂直于此軸的面上壓電效應(yīng)最強(qiáng) 機(jī)械軸 Y 軸垂直六棱柱面 在電場(chǎng)作用下 沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯 光軸 Z 軸晶體上 下晶錐項(xiàng)點(diǎn)連線重合 也叫中性軸 光線沿該軸通過時(shí) 無折射 及壓電效應(yīng) 當(dāng)晶體受到沿 X 方向的壓力作用時(shí) 晶體沿 X 方向?qū)a(chǎn)生收縮 正 負(fù)離子相對(duì)位置 隨之發(fā)生變化 則在 X 軸的正向出現(xiàn)正電荷 在 Y Z 軸方向則不出現(xiàn)電荷 當(dāng)晶體受到沿 X 方向的拉力作用時(shí) 則在 X 軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷 在 Y Z 方向則不 出現(xiàn)電荷 當(dāng)石英晶體受到沿 Y 軸方向的壓力作用時(shí) 在 X 軸正方向的晶體表面上出現(xiàn)負(fù)電荷 同樣 在垂直于 Y 軸和 Z 軸的晶體表面上不出現(xiàn)電荷 當(dāng)晶體受到沿 Z 軸方向的力 無論是壓力或拉力 作用時(shí) 因?yàn)榫w在 X 方向和 Y 方 向的變形相同 正 負(fù)電荷中心始終保持重合 電偶極矩在 X Y 方向的分量等于零 所 以 沿光軸方向施加力 石英晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng) 5 3 簡(jiǎn)述壓電陶瓷特性 作為壓電元件比較他與石英晶體有哪些特點(diǎn) 解 石英晶體整個(gè)晶體是中性的 受外力作用而變形時(shí) 沒有體積變形壓電效應(yīng) 但它具 有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng) 壓電陶瓷是一種多晶體 原始的壓電陶瓷材料并 不具有壓電性 必須在一定溫度下做極化處理 才能使其呈現(xiàn)出壓電性 所謂極化 就是 以強(qiáng)電場(chǎng)使 電疇 規(guī)則排列 而電疇在極化電場(chǎng)除去后基本保持不變 留下了很強(qiáng)的剩 余極化 當(dāng)極化后的壓電陶瓷受到外力作用時(shí) 其剩余極化強(qiáng)度將隨之發(fā)生變化 從而使 一定表面分別產(chǎn)生正負(fù)電荷 在極化方向上壓電效應(yīng)最明顯 壓電陶瓷的參數(shù)也會(huì)隨時(shí)間 發(fā)生變化老化 壓電陶瓷老化將使壓電效應(yīng)減弱 5 4 說明電壓放大器與電荷放大器的優(yōu)缺點(diǎn) 各自要解決什么問題 解 傳感器與電壓放大器連接的電路其輸出電壓與壓電元件的輸出電壓成正比 但容易受 電纜電容的影響 傳感器與電荷放大器連接的電路其輸出電壓與壓電元件的輸出電荷成正 比 電纜電容的影響小 19 5 5 用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量機(jī)器振動(dòng) 已知 加速度計(jì)靈敏度為 5pC g 電 荷放大器靈敏度為 50mV pC 最大加速度時(shí)輸出幅值 2V 試求機(jī)器振動(dòng)加速度 解 g mV25021 K4 Ua 5 6 為什么壓電傳感器通常都用來測(cè)量動(dòng)態(tài)或瞬態(tài)參量 解 如作用在壓電組件上的力是靜態(tài)力 則電荷會(huì)泄露 無法進(jìn)行測(cè)量 所以壓電傳感器 通常都用來測(cè)量動(dòng)態(tài)或瞬態(tài)參量 5 7 設(shè)計(jì)壓電式傳感器檢測(cè)電路時(shí)應(yīng)該考慮什么因素 為什么 解 基本考慮點(diǎn)是如何更好的改變傳感器的頻率特性 以使傳感器能用于更廣泛的領(lǐng)域 5 8 壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是什么 其核心是解決什么問題 解 壓電式傳感器的產(chǎn)生的電量非常小 內(nèi)阻很高 測(cè)量電路的作用是進(jìn)行阻抗變換和放 大 即要求測(cè)量電路的輸入阻抗很高 輸出阻抗很低 通常用高輸入阻抗運(yùn)放 其核心是 要解決微弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大 得到足夠強(qiáng)的輸出信號(hào) 5 9 一壓電式傳感器的靈敏度 K1 10pC MPa 連接靈敏度 K2 0 008V pC 的電放大器 所用的筆式記錄儀的靈敏度 K3 25mm V 當(dāng)壓力變化 p 8MPa 時(shí) 記錄筆在記錄紙 上的偏移為多少 解 記錄筆在記錄紙上的偏移為 S 10 0 008 25 8 16mm 5 10 已知電壓前置放大器的輸入電阻為 100M 測(cè)量回路的總電容為 100pF 試求用壓電 式加速度計(jì)相配測(cè)量 1Hz 低頻振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的幅值誤差 解 壓電式傳感器的實(shí)際輸入電壓幅值和理想輸入電壓幅值分別為 21 imimCRdFU imidFU 時(shí)間常數(shù) s0 iiR s ra8 6 f 相對(duì)誤差為 93 7 1 2 1 2 iiimii CRf 20 5 11 用壓電式傳感器測(cè)量最低頻率為 1Hz 的振動(dòng) 要求在 1Hz 時(shí)靈敏度下降不超過 5 若測(cè)量回路的總電容為 500pF 求所用電壓前置放大器的輸入電阻應(yīng)為多大 解 51012 s rad28 6 f 又 計(jì)算得 M968s8 643iii RCR 5 12 巳知壓電式加速度傳感器的阻尼比 0 1 其無阻尼固有頻率 f0 32kHz 若要求傳感 器的輸出幅值誤差在 5 以內(nèi) 試確定傳感器的最高響應(yīng)頻率 解 51041222 nn 取等號(hào) 05 1222 nn 96 124 nn 解出 或 舍去 085 2 n 912 2 n 則 nn H 則 kz 04 732 0H f 5 13 壓電元件在使用時(shí)常采用多片串接或并接的結(jié)構(gòu)形式 試述在不同接法下輸出電壓 輸出電荷 輸出電容的關(guān)系 以及每種接法適用于何種場(chǎng)合 解 1 在壓電式傳感器中 為了提高靈敏度 往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個(gè)壓電組件 其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu) 根據(jù)兩片壓電片的連接關(guān)系 可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接 2 如 果按相同極性粘貼 相當(dāng)兩個(gè)壓電片 電容 串聯(lián) 輸出總電容為單片電容的一半 輸出 電荷與單片電荷相等 輸出電壓是單片的兩倍 適合測(cè)量變化較快且以電壓輸出的場(chǎng)合 若按不同極性粘貼 相當(dāng)兩個(gè)壓電片 電容 并聯(lián) 輸出電容為單電容的兩倍 極板上電 荷量是單片的兩倍 但輸出電壓與單片相等 適合測(cè)量變化較慢且以電荷輸出的場(chǎng)合 21 第六章 磁電式傳感器思考題與習(xí)題答案 6 1 為什么說磁電感應(yīng)式傳感器是一種有源傳感器 解 磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測(cè)量 如振動(dòng) 位移 轉(zhuǎn)速等 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一 種傳感器 磁電感應(yīng)式傳感器也稱為電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器 磁電感應(yīng)式傳感器是 利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)式的 它不需要輔助電源就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量 轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào) 是有源傳感器 6 2 變磁阻式傳感器有哪幾種結(jié)構(gòu)形式 可以檢測(cè)哪些非電量 解 變磁阻式傳感器的三種基本類型 電感式傳感器 變壓器式傳感器和電渦流式傳感器 變磁阻式傳感器可以用于測(cè)量位移和尺寸 也可以測(cè)量能夠轉(zhuǎn)換為位移量的其他參數(shù)力 張力 壓力 壓差 應(yīng)變 轉(zhuǎn)短 速度和加速度等 6 3 磁電式傳感器是速度傳感器 它如何通過測(cè)量電路獲得相對(duì)應(yīng)的位移和加速度信號(hào) 解 磁電式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律 它的輸出電動(dòng)勢(shì)信號(hào)和切割磁力線的 速度成正比 常做成測(cè)量速度的傳感器 所以也稱速度傳感器 只要在測(cè)量電路中加上微 分電路或積分電路即可得到加速度或位移信號(hào) 6 4 磁電式傳感器與電感式傳感器有哪些不同 磁電式傳感器主要用于測(cè)量哪些物理參數(shù) 解 磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測(cè)量 如振動(dòng) 位移 轉(zhuǎn)速等 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一 種傳感器 磁電感應(yīng)式傳感器也稱為電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器 磁電感應(yīng)式傳感器是 利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)式的 它不需要輔助電源就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量 轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào) 是有源傳感器 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移 壓力 流量 重量 振動(dòng)等 轉(zhuǎn)換成線圈自感量 L 或互感量 M 的變化 再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的 裝置 6 5 試證明霍爾式位移傳感器的輸出與位移成正比 22 解 霍爾式位移傳感器的輸出電動(dòng)勢(shì) 在一定范圍內(nèi) 由于 dB dx 常數(shù) IBKUH 則 dUH dx KHIdB dx 常數(shù) 所以 UH 正比于位移 x 6 6 霍爾元件能夠測(cè)量哪些物理參數(shù) 霍爾元件的不等位電勢(shì)的概念是什么 溫度補(bǔ)償?shù)姆?法有哪幾種 解 霍爾元件可測(cè)量磁場(chǎng) 電流 位移 壓力 振動(dòng) 轉(zhuǎn)速等 霍爾元件的不等位電勢(shì)是霍爾元件在額定控制電流作用下 在無外加磁場(chǎng)時(shí) 兩輸出 電極之間的空載電勢(shì) 可用輸出的電壓表示 溫度補(bǔ)償方法 a 分流電阻法 適用于恒流源供給控制電流的情況 b 電橋補(bǔ)償法 6 7 簡(jiǎn)述霍爾效應(yīng) 構(gòu)成以及霍爾傳感器可能的應(yīng)用場(chǎng)合 解 一塊長(zhǎng)為 l 寬為 d 的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng) 磁場(chǎng)方向垂直于薄片 中 當(dāng)有電流 I 流過時(shí) 在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) UH 這種現(xiàn)象稱為霍 爾效應(yīng) 霍爾元件多用 N 型半導(dǎo)體材料構(gòu)成 且比較薄 霍爾式傳感器轉(zhuǎn)換效率較低 受溫度影響大 但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 體積小 堅(jiān)固 頻率響 應(yīng)寬 動(dòng)態(tài)范圍 輸出電勢(shì)變化 大 無觸點(diǎn) 使用壽命長(zhǎng) 可靠性高 易微型化和集成 電路化 因此在測(cè)量技術(shù) 自動(dòng)控制 電磁測(cè)量 計(jì)算裝置以及現(xiàn)代軍事技術(shù)等領(lǐng)域中得 到廣泛應(yīng)用 6 8 什么是霍爾效應(yīng) 霍爾電勢(shì)的大小與方向和哪些因素有關(guān) 影響霍爾電勢(shì)的因素有哪些 解 當(dāng)把一塊金屬或半導(dǎo)體薄片垂直放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng)中 沿著垂直于磁場(chǎng)方向 通過電流 就會(huì)在薄片的另一對(duì)側(cè)面間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) UH 這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng) 所產(chǎn)生的 電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì) 霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小正比于激勵(lì)電流 I c 與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 且當(dāng) I c 或 B 的方向改變時(shí) 霍 爾電動(dòng)勢(shì) UH 的方向也隨著改變 但當(dāng) I c 和 的 B 方向同時(shí)改變時(shí)霍爾電動(dòng)勢(shì) UH 極性不變 23 影響因素 電流的大小 載流子濃度 電子速度 薄片面積 6 9 如果沒有磁場(chǎng) 能否便用霍爾元件 為什么 解 不能 因?yàn)榛魻栐歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)的原理制作的 而霍爾效應(yīng) 在置于磁場(chǎng)的導(dǎo)體 或半導(dǎo)體中通入電流 若電流與磁場(chǎng)垂直 則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè) 電勢(shì)差 這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng) 所以必須要有磁場(chǎng)的存在 6 10 若一個(gè)霍爾元件的 KH 4mV mA kGs 1kGs 0 1T 控制電流 I 3mA 將它置于 1Gs 5kGs 變化的磁場(chǎng)中 它輸出的霍爾電勢(shì)范圍多大 解 IBUH 當(dāng) B 1Gs 時(shí) mV3310214 IK 當(dāng) B 5kGs 時(shí) mV65H 6 11 有一測(cè)量轉(zhuǎn)速裝置 調(diào)制盤上有 100 對(duì)永久磁極 N S 極交替放置 調(diào)制盤由轉(zhuǎn)軸帶 動(dòng)旋轉(zhuǎn) 在磁極上方固定一個(gè)霍爾元件 每通過一對(duì)磁極霍爾元件產(chǎn)生一個(gè)方脈沖送 到計(jì)數(shù)器 假定 t 5min 的采樣時(shí)間內(nèi) 計(jì)數(shù)器收到 N 15 萬個(gè)脈沖 求轉(zhuǎn)速 n 轉(zhuǎn) 分 解 轉(zhuǎn) 分30154 tPNn 6 12 磁敏元件有哪些 什么是磁阻效應(yīng) 簡(jiǎn)述磁敏二極管 磁敏三極管工作原理 解 磁敏元件有磁電式傳感器 霍爾傳感器 磁電式磁敏電阻 磁敏二極管和磁敏三極管 將一載流導(dǎo)體置于外磁場(chǎng)中 除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外 其電阻也會(huì)隨磁場(chǎng)而變化 這種 現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng) 簡(jiǎn)稱磁阻效應(yīng) 磁敏二極管是利用磁阻效應(yīng)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的 詳細(xì)見書中工作原理 當(dāng)無磁場(chǎng)作用時(shí) 由于磁敏三極管基區(qū)長(zhǎng)度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度 因此發(fā)射區(qū)注 入的載流子除少量輸運(yùn)到集電區(qū)外 大部分通過 E I B 形成基極電流 基極電流大于集電 24 極電流 所以電流放大倍數(shù) I C IB 1 當(dāng)存在 H 磁場(chǎng)時(shí) 由于洛倫茲力的作用 載流子向發(fā)射極一側(cè)偏轉(zhuǎn) 從而使集電極電 流 IC 明顯下降 當(dāng)存在 H 磁場(chǎng)時(shí) 載流子受到洛倫茲力的作用 則向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn) 使 集電極電流 IC 增大 6 13 磁敏電阻與磁敏三極管有哪些不同 與霍爾元件在本質(zhì)上的區(qū)別是什么 解 磁敏三極管有放大作用 磁敏電阻和磁敏三極管不能辨別磁場(chǎng)的極性 6 14 磁敏三極管與普通三極管的區(qū)別是什么 解 普通晶體管無磁靈敏度 6 15 發(fā)電機(jī)是利用導(dǎo)線在永久磁鐵的磁場(chǎng)中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而發(fā)電的 無論負(fù)載怎樣消耗這個(gè) 電能 永久磁鐵不會(huì)變?nèi)?這是什么道理 解 發(fā)電機(jī)供應(yīng)給負(fù)載的電能是轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)發(fā)電機(jī)所得的機(jī)械能 火力或水力 變換而來的 能量 磁鐵持有的能量未被消耗 所以磁鐵不會(huì)變?nèi)?第七章 光電式傳感器思考題與習(xí)題答案 7 1 什么是外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng) 與之對(duì)應(yīng)的光電元件各 有哪些 解 在光照射下 電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng) 亦稱光電發(fā)射效應(yīng) 通過入射光子引起物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子 這些光生載流子引起物質(zhì)電學(xué)性質(zhì)發(fā)生 變化 這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng) 絕大多數(shù)的高電阻率半導(dǎo)體 受光照射吸收光子能量后 產(chǎn)生電阻率降低而易于導(dǎo)電 的現(xiàn)象 這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng) 25 光照射引起 PN 結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng) 基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管 光電倍增管等 基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電元件有 光敏電阻 光敏晶體管等 基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等 7 2 光電器件中的光照特性 光譜特性分別描述的是光電器件的什么性能 解 光電器件的光照特性光照度 E 與光電流之間的關(guān)系 光電器件的光譜特性是指入射光照度一定時(shí) 光電器件的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變 化而變化 一種光電器件只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感 這就是光電器件的光譜特性 7 3 試述光敏電阻 光敏晶體管 光電池的器件結(jié)構(gòu)和工作原理 解 光敏電阻的結(jié)構(gòu) 絕緣襯底上均勻地涂上一層具有光導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料 作為光電 導(dǎo)層 在半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極 金屬電極與引出線端相連接 光敏電阻就通過引出 線端接入電路 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng) 光敏三極管的結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似 只是它的發(fā)射極一邊做得很大 以擴(kuò)大光的 照射面積 光敏三極管的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng) 光電池是用單晶硅制成的 在一塊 N 型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些 P 型雜質(zhì)而形成 一個(gè)大面積的 PN 結(jié) P 層很薄 從而使光能穿透到 PN 結(jié)上 由于光線的照射 使 P 區(qū)帶 正電荷 N 區(qū)帶負(fù)電荷 從而在兩區(qū)之間形成電位差 即構(gòu)成光電池 若接于外電路中就 可產(chǎn)生電流 光電池的工作原理是基于 光生伏特效應(yīng) 7 4 當(dāng)光源波長(zhǎng)為 0 8 0 9 m 時(shí)宜采用哪種材料的光敏元件進(jìn)行測(cè)量 解 可以采用銫材料作為陰極的光電管進(jìn)行測(cè)量 7 5 敘述電荷耦合器件 CCD 的結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)電荷與轉(zhuǎn)移電荷的工作過程 解 CCD 是一種半導(dǎo)體器件 在 N 型或 P 型硅襯底上生長(zhǎng)一層很薄的 SiO2 再在 SiO2 薄 層上依次序沉積金屬電極 這種規(guī)則排列的 MOS 電容數(shù)組再加上兩端的輸入及輸出二極 管就構(gòu)成了 CCD 芯片 CCD 可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào) 每一個(gè)脈沖只反映一個(gè)光敏 元的受光情況 脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強(qiáng)弱 輸出脈沖的順序可以反映光敏 元的位置 這就起到圖像傳感器的作用 詳細(xì)敘述如書中的圖 7 29 和圖 7 29 26 7 6 光敏電阻 光電二極管和光電三極管是根據(jù)什么原理工作的 他們的光電特性有何不同 解 光敏電阻 光電二極管和光電三極管都是根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)的原理工作的 不同光敏電阻是不相同的 絕大多數(shù)光敏電阻的光照特性曲線是非線性的 光敏電阻 不宜作線性測(cè)量元件 一般用作開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器 硅光電二極管的光電特性 光照特性 是線性較好 適合于做檢測(cè)元件 硅光電三極管的光電特性 光照特性 是在弱光時(shí)電流增長(zhǎng)緩慢 采用較小的發(fā)射區(qū) 面積 則能提高弱光時(shí)的發(fā)射結(jié)電流密度而使起始時(shí)增長(zhǎng)變快 有利于弱光的檢測(cè) 7 7 用光電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速 已知測(cè)量孔數(shù)為 60 頻率計(jì)的讀數(shù)為 4000Hz 問轉(zhuǎn)軸的 轉(zhuǎn)速是多少 解 n 60f N 所以 n 4000r min 7 8 試設(shè)計(jì)一個(gè)路燈自動(dòng)控制電路 使天黑時(shí)路燈亮 天亮?xí)r路燈滅 解 參考 路燈與繼電器的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)到 220V 交流電壓上 當(dāng)天亮?xí)r 光敏二極管 導(dǎo)通 繼電器線圈得電而動(dòng)作 繼電器的常閉觸點(diǎn)斷開 路燈滅 天黑時(shí) 光敏二極管不 導(dǎo)通 繼電器線圈沒有電流 繼電器的常閉觸點(diǎn)保持閉合 路燈不滅 J J 路 燈 T 2 2 0 V 2 4 V 7 9 光電管使用的 CdS 材料和 InSb 材料的性質(zhì)差異是什么 解 InSb 光電管雖然響應(yīng)速度快 但必須使用液體氮冷卻 7 10 在用光電開關(guān)檢測(cè)物體的系統(tǒng)中 由受光器的受光次數(shù) 可計(jì)算通過輸送帶上物體的 個(gè)數(shù) 那么 用輸送帶搬運(yùn)兩種高度的物體時(shí) 畫出能分別計(jì)算兩種高度的物體個(gè)數(shù) 的系統(tǒng)組成圖 27 解 在運(yùn)輸帶兩邊分別設(shè)置發(fā)光器 A 和 B 受光器 A 和 B 高度低的物體通過時(shí) 受光器 A 受光但 B 不受光 若是高的物體 則 A 和 B 都不受光 設(shè)受光時(shí)輸出是 0V L 水平 不受光時(shí)輸出是 6V H 水平 結(jié)果如表 1 所示 分別數(shù)一數(shù)輸出 A B 為 L H 時(shí) 低 的物體 或者 H H 時(shí) 高的物體 的個(gè)數(shù)即可 低的物體 高的物體 沒有物體 L H H H L L A B 表 1 A B A B 運(yùn)輸帶 7 11 按照光纖在傳感器中的作用的不同 光纖傳感器可分為幾種 試舉例說明 解 光纖傳感器一般可分為兩大類 一類是功能型傳感器 Function Fiber Optic Sensor 又 稱 FF 型光纖傳感器 另一類是非功能型傳感器 Non Function Fiber Optic Sensor 又稱 NF 型光纖傳感器 在功能型光纖傳感器中 光纖不僅起傳光作用 同時(shí)又是敏感元件 即利 用被測(cè)物理量直接或間接對(duì)光纖中傳送光的光強(qiáng) 振幅 相位 偏振態(tài) 波長(zhǎng)等進(jìn)行調(diào)制 而構(gòu)成的一類傳感器 其中有光強(qiáng)調(diào)制型 光相位調(diào)制型 光偏振調(diào)制型等 這種光纖傳 感器的光纖本身就是敏感元件 因此加長(zhǎng)光纖的長(zhǎng)度可以得到很高的靈敏度 尤其是利用 干涉技術(shù)對(duì)光的相位變化進(jìn)行測(cè)量的光纖傳感器 具有極高的靈敏度 制造這類傳感器的 技術(shù)難度大 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 調(diào)整較困難 非功能型光纖傳感器中光纖不是敏感元件 只是作為傳光元件 一般是在光纖的端面 或在兩根光纖中間放置光學(xué)材料及敏感元件來感受被測(cè)物理量的變化 從而使透射光或反 射光強(qiáng)度隨之發(fā)生變化來進(jìn)行檢測(cè) 這里光纖只作為光的傳輸回路 所以要使光纖得到足 夠大的受光量和傳輸?shù)墓夤β?這種傳感器常用數(shù)值孔徑和芯徑較大的光纖 非功能型光 纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 可靠 技術(shù)上易實(shí)現(xiàn) 但靈敏度 測(cè)量精度一般低于功能型光纖傳感 器 7 12 若某光柵的柵線密度為 50 線 mm 主光柵與指標(biāo)光柵之間夾角 0 01rad 請(qǐng)回答下 列問題 1 其形成的莫爾條紋間距 BH 是多少 2 若采用四只光敏二極管接收莫爾條紋信號(hào) 并且光敏二極管響應(yīng)時(shí)間為 10 6s 此時(shí) 28 光柵允許最快的運(yùn)動(dòng)速度 v 是多少 解 1 根據(jù)公式可求莫爾條紋間距 式中 為主光柵與指標(biāo)光柵夾角 得 WBH m201 WBH 2 光柵運(yùn)動(dòng)速度與光敏二極管響應(yīng)時(shí)間成反比 即 s210 6 tv 所以最大允許速度為 20m s 7 13 某光柵的柵線密度為 100 線 mm 要使形成莫爾條紋寬度為 10mm 求柵線夾角 解 由光柵密度 100 線 mm 可知其光柵柵距 m01 W 根據(jù)公式可求莫爾條紋間距 所以 BH rad01 HBW 第八章 氣敏與濕敏傳感器思考題與習(xí)題答案 8 1 氣敏傳感器能完成那些檢測(cè)任務(wù) 解 主要用于天然氣 煤氣 石油化工等工業(yè)部門的易燃 易爆 有毒 有害氣體的監(jiān)測(cè) 預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制 8 2 半導(dǎo)體氣敏傳感器有哪幾種類型 解 半導(dǎo)體氣敏傳感器按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面 還是在其內(nèi)部 可分為 表面控制型和體控制型兩類 按照半導(dǎo)體變化的物理特性 又可分為電阻型和非電阻型兩 種 29 8 3 簡(jiǎn)單說明表面控制型半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作原理 解 電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用半導(dǎo)體接觸氣體時(shí) 其阻值的改變來檢測(cè)氣體的成分或 濃度 而非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件根據(jù)其對(duì)氣體的吸附和反應(yīng) 使其某些有關(guān)特性變化對(duì) 氣體進(jìn)行直接或間接檢測(cè) 8 4 說明多數(shù)半導(dǎo)體氣敏器件工作時(shí)都需要加熱器的原因 解 加熱器是用來燒去附在元件表面的油霧與塵埃 加速氣體的吸附 從而提高元件的靈 敏度和響應(yīng)速度 元件的工作加熱溫度取決于氧化物材料及被測(cè)氣體的種類 一般在 200 400 8 5 如何提高半導(dǎo)體氣敏傳感器對(duì)氣體的選擇性和檢測(cè)靈敏度 解 改善氣敏元件的氣體選擇性常用的方法 1 向氣敏材料摻雜其他金屬氧化物或其他添加物 2 控制氣敏元件的燒結(jié)溫度 3 改善元件工作時(shí)的加熱溫度 一般用金屬或金屬氧化物材料的催化作用來提高氣體檢測(cè)的靈敏度 8 6 試述 MOS 氣敏二極管工作原理 解 MOS 二極管是利用電容 電壓關(guān)系 C V 特性 來檢測(cè)氣體的敏感器件 8 7 試分析 SnO2 氣敏元件的工作特性 解 SnO 2 氣敏元件易受環(huán)境溫度和濕度的影響 書中圖 8 9 給出了 SnO2 氣敏元件受環(huán)境 溫度 濕度影響的綜合特性曲線 由于環(huán)境溫度 濕度對(duì)其特性有影響 所以使用時(shí) 通 常需要加溫度補(bǔ)償 8 8 試述熱導(dǎo)式氣體分析儀工作原理 解 熱導(dǎo)式氣體分析儀工作原理如書中圖 8 12b 所示 主要由 4 個(gè)外殼用相同材料制成的 分析室組成 分析室 Rk1 和 Rk2 為參考室 室內(nèi)充入潔凈的空氣 另外兩個(gè)分析室 Rx1 和 Rx2 充入被分析的混合氣體 四個(gè)分析室組成橋路 工作時(shí)先將潔凈空氣通入分析室 Rx1 和 Rx2 調(diào)節(jié) RP3 使電橋達(dá)到平衡 而后使被測(cè)混合氣體進(jìn)入分析室 Rx1 和 Rx2 電橋失去平衡 30 其不平衡輸出是混合氣體組分的函數(shù) 8 9 試述光學(xué)吸收式氣體分析儀工作原理 解 當(dāng)物質(zhì)吸收特征波長(zhǎng)的光輻射時(shí) 透射光能量與入射光能量之間關(guān)系稱之為透射 比 以 表示 W W0 透射比 對(duì)數(shù)的負(fù)數(shù)稱為吸光度 以 A 表示 它們與試樣中吸光 物質(zhì)的濃度 c 之間的關(guān)系為 若 a b 為已知數(shù)值 則通過測(cè)量透射光與cA lg 入射光能量的比值 就可以確定吸光物質(zhì)的濃度 8 10 試述光電比色計(jì)的作用及其工作原理 解 光電比色計(jì)是分析化學(xué)中測(cè)定少量物質(zhì)最簡(jiǎn)便的方法之一 在各個(gè)領(lǐng)域如工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 醫(yī)療衛(wèi)生等化學(xué)檢驗(yàn)中用得很多 可以用于無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué) 也可以用于液體或氣體 光電比色計(jì)工作原理如書中圖 8 14 所示 由光源 l 發(fā)出的光 分左右兩路經(jīng)透鏡 2 濾光片 3 得到一定波長(zhǎng)范圍的光束 左半部分為參比介質(zhì)光路 比色皿 4 盛放的是蒸餾水 或不含被測(cè)成分的某種液體 或氣體 右半部分為被測(cè)介質(zhì)的測(cè)量光路 比色皿 5 中盛放 的是被測(cè)樣品 光束分別經(jīng)被測(cè)介質(zhì)比色皿和參比介質(zhì)比色皿至檢測(cè)元件 6 參比光路中 比色皿的參比介質(zhì)對(duì)光束波長(zhǎng)沒有吸收作用 而測(cè)量光路中的比色皿的被測(cè)介質(zhì)對(duì)通過光 束的某些波長(zhǎng)有一定的吸收作用 服從比爾定律 這樣 兩路光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)元件的輸出就 不一樣 通過比較放大器 7 后在顯示器 8 上顯示出被測(cè)介質(zhì)的含量 8 11 絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度指標(biāo)有何不同 以哪一種指標(biāo)反映濕度較為合理 解 絕對(duì)濕度是指單位空間中所含水蒸汽的絕對(duì)含量或者濃度或者密度 一般用符號(hào) AH 表示 相對(duì)濕度是指被測(cè)氣體中蒸汽壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比 一 般用符號(hào) RH 表示 AH 絕對(duì)濕度給出了水分在空間的具體含量 RH 相對(duì)濕度則給出了大氣的潮濕程度 故使用更加廣泛 8 12 試述濕敏度傳感器的主要特性參數(shù)及分類情況 解 濕敏度傳感器的主要特性參數(shù) 濕度量程 感濕特性曲線 靈敏度 響應(yīng)時(shí)間 濕度 溫度系數(shù) 濕滯回線和濕滯回差 31 分類 8 13 利用所學(xué)氣敏傳感器知識(shí) 設(shè)計(jì)一個(gè)家庭用聲音輸出油煙報(bào)警儀器 并說明其工作原 理 解 參考書中圖 8 11 及其說明 8 14 利用所學(xué)濕敏傳感器知識(shí) 查閱資料 試設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚濕度自動(dòng)檢測(cè) 噴淋 自動(dòng)灌溉的測(cè)控系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu) 并說明其工作原理 解 參考書中圖 8 18 及其說明 其輸出 Uo 控制噴淋自動(dòng)灌溉的電磁閥 第九章 熱電式傳感器思考題與習(xí)題答案 9 1 什么叫熱電效應(yīng) 熱電偶的基本工作原理是什么 解 熱電效應(yīng)就是兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A 和 B 組成一個(gè)回路 其兩端相互連接時(shí) 只 要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同 回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì) 該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材 料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān) 熱電偶測(cè)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(cè)物 冷端接進(jìn)儀表 就能測(cè)量溫度 9 2 什么叫熱電阻效應(yīng) 試述金屬熱電阻效應(yīng)的特點(diǎn)和形成原因 解 熱電阻效應(yīng)是物質(zhì)的電阻率隨溫度變化而變化的特性 金屬熱電阻傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量的特點(diǎn)是精度高 適于低溫測(cè)量 32 大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻都隨溫度變化而變化 在金屬中參加導(dǎo)電的為自由電子 當(dāng)溫 度升高時(shí) 雖然自由電子數(shù)目基本不變 當(dāng)溫度變化范圍不是很大時(shí) 但是 每個(gè)自由電 子的動(dòng)能將增加 因此 在一定的電場(chǎng)作用下 要使這些雜亂無章的電子作定向運(yùn)動(dòng)就會(huì) 遇到更大的阻力 導(dǎo)致金屬電阻隨溫度的變化而變化 9 3 熱電偶有哪些基本定律 解 一是中間導(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(diǎn)溫度 相同 則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變 它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯 示儀表或調(diào)節(jié)器 也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表 面進(jìn)行溫度測(cè)量 二是標(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(dòng)勢(shì) 已知 則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就已知 只要測(cè)得各種金屬與純 鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì) 則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)可直接計(jì) 算出來 三是中間溫度定律 熱電偶在兩接點(diǎn)溫度 t t 0 時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度 為 t t n 和 tn t 0 時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和 中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論 依據(jù) 9 4 為什么在實(shí)際應(yīng)用中要