傳感器原理及應(yīng)用課后考試題-湖南城市學(xué)院

1、第1章概述1.1什么是傳感器？按照國(guó)標(biāo)定義，傳感器”應(yīng)該如何說(shuō)明含義？答：從廣義的角度來(lái)說(shuō)，感知信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理部分總稱為傳感器。我們對(duì)傳感器 定義是：一種能把特定的信息(物理、化學(xué)、生物)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出 的器件和裝置。從狹義角度對(duì)傳感器定義是：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665 87)對(duì)傳感器(Sensor/transducer )的定義是：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)的器件和裝置”。定義表明傳感器有這樣三層含義：它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的一種檢測(cè)裝置；能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成 電信號(hào)輸出；傳感器的輸出與輸

2、入之間存在確定的關(guān)系。按使用的場(chǎng)合不同傳感器又稱為 變換器、換能器、探測(cè)器。1.2傳感器由哪幾部分組成？試述它們的作用及相互關(guān)系。答：組成 由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路組成；關(guān)系，作用一一傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)試系統(tǒng)的接口位置，即檢測(cè)與控制之首。傳感器 是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息都要通過(guò) 傳感器獲取并通過(guò)它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理的電信號(hào)，其作用與地位特別重要。1.3簡(jiǎn)述傳感器主要發(fā)展趨勢(shì)，并說(shuō)明現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的特征。1.4傳感器如何分類？按傳感器檢測(cè)的范疇可分為哪幾種？答：按照我國(guó)制定的傳感器分類體系表，傳感器分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器以及生物量

3、傳感器三大類，含 12個(gè)小類。按傳感器的檢測(cè)對(duì)象可分為：力學(xué)量、熱學(xué)量、流體量、光 學(xué)量、電量、磁學(xué)量、聲學(xué)量、化學(xué)量、生物量、機(jī)器人等等。1.5傳感器的圖形符號(hào)如何表示？它們各部分代表什么含義？應(yīng)注意哪些問(wèn)題？答：圖形符號(hào)(略)，各部分含義如下： 敏感元件：指?jìng)鞲衅髦兄苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分。 傳感器：能感受規(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，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 信號(hào)調(diào)理器：對(duì)于輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的裝置。 變送器：能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器1.6用圖形符號(hào)表示一電阻式溫度傳感器1.7請(qǐng)例舉出兩個(gè)你用到或看到的傳感器，并說(shuō)明其作用。如果沒(méi)有傳感器，應(yīng) 該出現(xiàn)哪種狀

4、況。1.8空調(diào)和電冰箱中采用了哪些傳感器？它們分別起到什么作用?第2章傳感器的基本特性2.1傳感器的靜態(tài)特性是什么？由哪些性能指標(biāo)描述？它們一般可用哪些公式表 示？ 答：靜特性是當(dāng)輸入量為常數(shù)或變化極慢時(shí)，傳感器的輸入輸出特性，其主要指標(biāo)有線性 度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)定性。傳感器的靜特性 由靜特性曲線反映出來(lái)，靜特性曲線由實(shí)際測(cè)繪中獲得。人們根據(jù)傳感器的靜特性來(lái)選擇 合適的傳感器。2.2傳感器的線性度是如何確定的？確定擬合直線有哪些方法？傳感器的線性度L表征了什么含義？為什么不能籠統(tǒng)的說(shuō)傳感器的線性度是多少。答：1）實(shí)際傳感器有非線性存在，線性度是將近似后的

5、擬合直線與實(shí)際曲線進(jìn)行比較，其 中存在偏差，這個(gè)最大偏差稱為傳感器的非線性誤差，即線性度，2） 選取擬合的方法很多， 主要有：理論線性度（理論擬合）；端基線性度（端點(diǎn)連線擬合）； 獨(dú)立線性度（端點(diǎn)平移擬合）；最小二乘法線性度。3）線性度L是表征實(shí)際特性與擬合直線不吻合的參數(shù)。4）傳感器的非線性誤差是以一條理想直線作基準(zhǔn)，即使是同一傳感器基準(zhǔn)不同時(shí)得出的線性度也不同，所以不能籠統(tǒng)地提出線性度，當(dāng)提出線性度的非線性誤差時(shí)，必須說(shuō)明所依據(jù)的基準(zhǔn)直線。2.3傳感器動(dòng)態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？它們的意義是什么？答：1） 傳感器動(dòng)態(tài)特性主要有：時(shí)間常數(shù)T固有頻率 n ；阻尼系數(shù) 。2） 含義：t越小系統(tǒng)

6、需要達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越少；固有頻率n越高響應(yīng)曲線上升越快；當(dāng)n為常數(shù)時(shí)響應(yīng)特性取決于阻尼比，阻尼系數(shù) 越大，過(guò)沖現(xiàn)象減弱，1時(shí)無(wú)過(guò)沖,不存在振蕩，阻尼比直接影響過(guò)沖量和振蕩次數(shù)。2.4傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)的定義是什么？它們之間有何聯(lián)系 與區(qū)別？2.5有一溫度傳感器，微分方程為3dy/dt 3y 0.15x，其中y為輸出電壓（mV）, x為輸入溫度（C）。試求該傳感器的時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。解：對(duì)微分方程兩邊進(jìn)行拉氏變換，Y（s）（30s+3）=0.15X（s）則該傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：Y（s） 0.150.05H（s）X（s） 30s 310s 1該傳感器的時(shí)間常數(shù)t =10靈

7、敏度k=0.05解:態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)誤差由穩(wěn)態(tài)誤差和暫態(tài)誤差組成。先求穩(wěn)態(tài)誤差： 對(duì)方程兩邊去拉氏變換得：T 1(s) T 2(s)0ST2(S)則傳遞函數(shù)為T2(s)1T i(s)os 1對(duì)于一階系統(tǒng)，階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差&s 0，再求暫態(tài)誤差:當(dāng)t=350s時(shí)，暫態(tài)誤差為350/120e(t)(30025)e14.88 C故所求動(dòng)態(tài)誤差為：e e(t) 14.88C2.7某力傳感器屬二階傳感器，固有頻率為1000Hz，阻尼比為0.7,試求用它測(cè)量頻率為600Hz的正弦交變力時(shí)的振幅相對(duì)誤差和相位誤差。解：所求幅值誤差為 0.947,相位滯后52 702n2 2122j則，頻率為|G(j )|6

8、00Hz時(shí)的幅值為10.947相對(duì)誤差為(1-0.947)1 ( )22n2一2n1 (16000)22 2 0.7 16000002X100%=5.3%2 () tg11 ()2tg2n2 2s 2 nS n0.7 戲0 100052o70600 21 ( )21000122js 2 ns n|G(j )|1(10000)22 2 “ 1000022.8已知某二階傳感器系統(tǒng)的固有頻率為20kHz，阻尼比為0.1，若要求傳感器的輸出幅值誤差不大于3%，試確定該傳感器的工作頻率范圍。解：1 (10000)22 2 “ 100002令 |G(jw)| 1.03,(10000)21.96 0.057

9、40 解得1 1389Hz,2 173Hz令 |G(jw)| 0.97，則21.96 0.06280 解得2 1411Hz則匸93，2 .03代入上式，得3， 1.9（舍負(fù)）代入上式，得由圖2-18二階傳感器系統(tǒng)的幅頻特性曲線知，該傳感器的工作頻率范圍為:1389Hzv V1411HZ 或 v173Hz2.9設(shè)有兩只力傳感器均可作為二階系統(tǒng)處理，固有頻率分別為800Hz和2.2kHz，阻尼比均為0.4,欲測(cè)量頻率為400Hz正弦變化的外力，應(yīng)選用哪一只？并 計(jì)算所產(chǎn)生的振幅相對(duì)誤差和相位誤差。解：E =04 1，由二階傳感器的頻率特性，固有頻率比被測(cè)信號(hào)頻率越大越好，故應(yīng)選固有 頻率為2.2k

10、Hz的那只。ns22 nS2 s jn121 2j nn|G(jw)|1 ( J22相對(duì)誤差為(1-0.940)22nXI00%=6.0%1I 400 2 2400 21 ()22 2 0.422200 22000.9402 () tg112故相位滯后8 33/2 0.4tg40022001爲(wèi)28o33第3章電阻應(yīng)變式傳感器3.1何為電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？答：導(dǎo)體在受到拉力或壓力的外界力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，同時(shí)機(jī)械變形會(huì)引起導(dǎo)體阻值 的變化，這種導(dǎo)體材料因變形而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。當(dāng)外力作用時(shí)，導(dǎo)體的電阻率、長(zhǎng)度I、截面積S都會(huì)發(fā)生變化，從而引起電

11、阻值R的變化，通過(guò)測(cè)量電阻值的變化，檢測(cè)出外界作用力的大小。3.2什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與金屬電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什 么？答:金屬絲靈敏系數(shù)ko主要由材料的幾何尺寸決定的。受力后材料的幾何尺寸變化為（1 2 ）,電阻率的變化為/ / 。而實(shí)際應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)包括基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng)。雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，金屬絲做成成品的應(yīng)變片（粘貼到試件上） 以后，靈敏系數(shù)降低了。3.3為什么增加應(yīng)變片兩端電阻條的橫截面積便能減小橫向效應(yīng)？答：敏感柵越窄，基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，橫向效應(yīng)越小，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上兩端電阻條的橫截面積大的 應(yīng)變片橫向效應(yīng)較小。3.4金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工

12、作原理上有何不同？半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系 數(shù)范圍是多少，金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少？為什么有這種差別，說(shuō) 明其優(yōu)缺點(diǎn)。舉例說(shuō)明金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的相同點(diǎn)和不同 點(diǎn)。答：金屬導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化是利用機(jī)械形變產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)，對(duì)于半導(dǎo)體而言，應(yīng)變傳感器主要是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。金屬電阻絲的靈敏系數(shù)可近似寫為ko 1 2 ，即k0 1.52 ；半導(dǎo)體靈敏系數(shù)近似為k0/ /E疋5圧100。3.5 一應(yīng)變片的電阻R=120Q,靈敏系數(shù)k=2.05,用作應(yīng)變?yōu)?00 m/m的傳感 元件。求：R和R/R :若電源電壓U=3V，初始平衡時(shí)電橋的輸出電壓U0。解：Q k 2.05;800 m/

13、mR/R k 0.0164;應(yīng)變引起的電阻變化R 0.23 R當(dāng)電源電壓U 3V時(shí)，電橋輸出電壓 U。1.23mV4 R3.6在以鋼為材料的實(shí)心圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120Q的金屬應(yīng)變片R1和R2 （如圖3-28a所示），把這兩應(yīng)變片接入電橋 （見(jiàn)圖3-28b）。若鋼的泊松系數(shù)0.285，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k =2，電橋電源電壓U=2V，當(dāng)試件受軸向拉伸時(shí)，測(cè)得應(yīng)變片R1的電阻變化值R1 0.48 。試求：軸向應(yīng)變；電橋的輸出電壓。解1：,R1/ R1k1)則軸向應(yīng)變?yōu)?0.002R1/R 0.48/120 k2電橋的輸出電壓為：11U0-Uk (1) 2 2 0.002

14、1.2855.14mV22解2：Q k 2;R 120;R 0.48 ;U2V軸向應(yīng)變：田 R 0.002 k電橋輸出電壓：U0 U R/R4mV23.7 測(cè)量吊車起吊重物的拉力傳感器如圖 3-29a所示。R1、R2、R3、R4按要 求貼在等截面軸上。已知：等截面軸的截面積為0.00196m2,彈性模量E=2X1011N/m2，泊松比 0.3，且R仁R2=R3=R4=120, 所組成的全橋 型電路如題圖3-29b所示，供橋電壓U=2V?，F(xiàn)測(cè)得輸出電壓U0=2.6mV。求：等截面軸的縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變?yōu)槎嗌伲苛為多少？ DR1 R3口 口脫R-fc(&)圖 3-28圖 3-29解：Q R R

15、&按全橋計(jì)算：軸向應(yīng)變：R4120 ;0.3;S0.00196m2;EU0R 0R 0.156U2 1011N /m2;U2V;U02.6mVR/RkR/R1 20.00081252)橫向應(yīng)變：一r力：F SE-0.0004875 l3.185 105N3.8已知：有四個(gè)性能完全相同的金屬絲應(yīng)變片（應(yīng)變靈敏系數(shù)k 2）,將其粘貼在梁式測(cè)力彈性元件上，如圖 3-30所示。在距梁端-0處應(yīng)變計(jì)算公式為6F-0Eh2b設(shè)力 F 100N，-0100mm，h 5mm， b 20mm， E 2 105N /mm2。求:說(shuō)明是一種什么形式的梁。在梁式測(cè)力彈性元件距梁端10處畫出四個(gè)應(yīng)變 片粘貼位置，并畫出

16、相應(yīng)的測(cè)量橋路原理圖；求出各應(yīng)變片電阻相對(duì)變 化量；當(dāng)橋路電源電壓為6V時(shí)，負(fù)載電阻為無(wú)窮大，求橋路輸出電壓1-圖 3-30n 3-3L初U0是多少？解： 梁為一種等截面懸臂梁；應(yīng)變片沿梁的方向上下平行各粘貼兩個(gè)；52 Q k 2;F100N;l0100mm; h 5mm;b 2mm; E 2 10 N /m6Fl02 齊 0.012 Eh2bRU060.072VRR應(yīng)變片相對(duì)變化量為：k橋路電壓6V時(shí),輸出電壓為:R3.9圖3-31為一直流電橋，負(fù)載電阻RL趨于無(wú)窮。圖中E=4V , R1=R2=R3=R4=12I0，試求： R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng) R1的增量為 R1=1.2

17、0時(shí)，電橋輸出電壓U0=?R1、R2為金屬應(yīng)變片， 感應(yīng)應(yīng)變大小變化相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓 U0=?R1、R2 為金屬應(yīng)變片，如果感應(yīng)應(yīng)變大小相反，且 R1=A R2 =1.2 0電橋輸出電壓 U0=?解：因?yàn)橹挥蠷為應(yīng)變片，電橋輸出按單臂電橋計(jì)算,因?yàn)閮蓱?yīng)變片變化大小相同，相互抵消無(wú)輸出，U。U。E40V0.010V因?yàn)镽R應(yīng)變時(shí)大小變化相反,電橋輸出按半橋計(jì)算，U。R0.02VR第4章電容式傳感器4.1如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？答：非線性隨相對(duì)位移/ 0的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對(duì)位移的大?。黄鹗紭O距0與靈敏度、線性度相矛盾，所以變極距式電容傳感器只適合

18、小位移測(cè)量；為提高傳感器 的靈敏度和改善非線性關(guān)系，變極距式電容傳感器一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。4.2為什么高頻工作時(shí)的電容式傳感器連接電纜的長(zhǎng)度不能任意變化？答：低頻時(shí)容抗Xc較大，傳輸線的等效電感 L和電阻R可忽略。而高頻時(shí)容抗 Xc減小，等效 電感和電阻不可忽略，這時(shí)接在傳感器輸出端相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)諧振，有一個(gè)諧振頻率fo存在，當(dāng)工作頻率 f fo諧振頻率時(shí)，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振對(duì)傳感器的輸出 起破壞作用，使電路不能正常工作。 通常工作頻率10MHz以上就要考慮電纜線等效電感Lo的影響。4.3差動(dòng)式變極距型電容傳感器，若初始容量 C1 C2 80pF，初始距離0 4mm，當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于

19、定極板位移了0.75mm時(shí)，試計(jì)算其非線性誤差若改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大？解：若初始容量 C1 C2 80 pF，初始距離 0 4mm，當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了 0.75mm時(shí)，非線性誤差為：20 75 2L ()2 100% ()2 100% 3.5%0 4改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差為：0 75L 100%100%18.75%0 44.4電容式傳感器有哪幾類測(cè)量電路？各有什么特點(diǎn)？差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路 用于電容傳感器測(cè)量電路具有什么特點(diǎn)？4.5 一平板式電容位移傳感器如圖4-5所示，已知：極板尺寸a b 4mm，極板 間隙0 0.5mm，極板間介質(zhì)為

20、空氣。求該傳感器靜態(tài)靈敏度；若極板沿 x方向 移動(dòng)2mm，求此時(shí)電容量。4.6已知：圓盤形電容極板直徑D 50mm,間距0 0.2mm，在電極間置一塊 厚0.1mm的云母片(r 7 )，空氣(0 1 )。求：無(wú)云母片及有云母片兩種情況下電容值C1及C2是多少？當(dāng)間距變化0.025mm時(shí)，電容相對(duì)變化量C1 / C1 及Q/C2是多少?4.7壓差傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-30a所示，傳感器接入二極管雙T型電路，電路原理 示意圖如圖4-30b所示。已知電源電壓UE =10V，頻率f= 1MHz ,R仁R2=40 ， 壓差電容 3= C2=10pF, RL=20kQ。試分析，當(dāng)壓力傳感器有壓差 PH PL使

21、 電容變化 C=1pF時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓 URL平均值的大 小與方向。a)b)圖 4-30答案4.14.24.34.4 (略)4.5解：對(duì)于平板式變面積型電容傳感器，它的靜態(tài)靈敏度為：C 0b12111kg8 8.85 107.08 10 Fma0極板沿x方向相對(duì)移動(dòng)2mm后的電容量為：b(a x) 8.85 10 12 0.004 2 仙餡 10 許 00.51238.85 103.14 2.5 104.6 解:2) 令CiCiC2C22 10 4C213.47 10 10F8.85 1012 314 25 10 36.08 10 咋1 100.0250.2 0.0250

22、.0254 1 10 40.1430.1143 0.025 0.280C2 ； C2 C1 2 C40 8046122 104 10 106 2 10 120.36V60 604.7 解：當(dāng) Ph Pl 時(shí)，C1URL呎C1 C2)由于C1 C2，電壓UE的負(fù)半周占優(yōu)勢(shì)，故 URL的方向下正上負(fù)。第5章電感式傳感器5.1何謂電感式傳感器？電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點(diǎn)?5.2提高電感式傳感器線性度有哪些有效的方法。5.3說(shuō)明單線圈和差動(dòng)變間隙式電感傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性。.4說(shuō)明產(chǎn)生差動(dòng)電感式傳感器零位殘余電壓的原因及減小此電壓的有效措施 5.5為什么螺線管式電傳感器比變間隙式電

23、傳感器有更大的測(cè)位移范圍?5.6電感式傳感器測(cè)量電路的主要任務(wù)是什么？變壓器式電橋和帶相敏整流的 交流電橋在電感式傳感器測(cè)量電路中各可以發(fā)揮什么作用？采用哪種電路可以 獲得理想輸出。5.7概述變間隙式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)、 工作原理和輸出特性，試比較單線圈和差 動(dòng)螺線管式電傳感器的基本特性，說(shuō)明它們的性能指標(biāo)有何異同？5.8差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電路有幾種類型？試述差動(dòng)整流電路的組成和 基本原理。為什么這類電路可以消除零點(diǎn)殘余電壓？5.9概述差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用范圍， 并說(shuō)明用差動(dòng)變壓器式傳感器檢測(cè)振 動(dòng)的基本原理。5.10什么叫電渦流效應(yīng)？說(shuō)明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。電渦流 式

24、傳感器的基本特性有哪些？它是基于何種模型得到的？5.11電渦流式傳感器可以進(jìn)行哪些物理量的檢測(cè)？能否可以測(cè)量非金屬物體, 為什么？12試用電渦流式傳感器設(shè)計(jì)一在線檢測(cè)的計(jì)數(shù)裝置，被測(cè)物體為鋼球。請(qǐng)畫 檢測(cè)原理框圖和電路原理框圖。答案5.1 答：電感式傳感器是一種機(jī)-電轉(zhuǎn)換裝置，電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置，傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。它 可以用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、密度等參數(shù)。電感式傳感器種類：自感式、渦流式、差動(dòng)式、變壓式、壓磁式、感應(yīng)同步器。工作原理：自感、互感、渦流、壓磁。5.2 答：電感傳感器采用差動(dòng)形式，轉(zhuǎn)

25、換電路采用相敏檢波電路可有效改善線性度。5.3（略）U0，5.4 答： 差動(dòng)變壓器式傳感器的鐵芯處于中間位置時(shí)，在零點(diǎn)附近總有一個(gè)最小的輸出電壓 將鐵芯處于中間位置時(shí)，最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的主要原因是由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組電氣系數(shù)（互感M、電感L、內(nèi)阻R）不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保證完全一致。為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，除工業(yè)上采取措施外，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)償：串聯(lián)電阻; 并聯(lián)電阻、電容，消除基波分量的相位差異，減小諧波分量；加反饋支路，初、次級(jí) 間加入反饋，減小諧波分量；相敏檢波電路對(duì)零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。5.5 答：螺線管式差動(dòng)變壓器傳

26、感器利用互感原理，結(jié)構(gòu)是：塑料骨架中間繞一個(gè)初級(jí)線圈，兩次 級(jí)線圈分別在初級(jí)線圈兩邊，鐵心在骨架中間可上下移動(dòng)，根據(jù)傳感器尺寸大小它可測(cè)量 1100mm 范圍內(nèi)的機(jī)械位移。變間隙式電感傳感器是利用自感原理，銜鐵的與鐵芯之間位 移（氣隙）與磁阻的關(guān)系為非線性關(guān)系，可動(dòng)線性范圍很小，因此測(cè)量范圍受到限制。5.6（略）5.7（略）5.8（略）5.9（略）5.10 答：1）塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一 圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。2）形成渦流必須具備兩個(gè)條件：第一存在交變磁場(chǎng)；第二導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中。電渦流 式傳感器通電后

27、線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬導(dǎo)體置于線圈附近。當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁 場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流同樣產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)的反作用使線圈 的等效電感和等效阻抗發(fā)生變化，使流過(guò)線圈的電流大小、相位都發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)與 阻抗有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行非電量檢測(cè)。3）因?yàn)榻饘俅嬖谮吥w效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)，實(shí)際上渦流的分布是 不均勻的。渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同，存在徑向分布和軸向分布。所以電渦流傳感器 的檢測(cè)范圍與傳感器的尺寸（線圈直徑）有關(guān)。4）回路方程的建立是把金屬上渦流所在范圍近似看成一個(gè)單匝短路線圈作為等效模型。5.11 答：1） 凡是能引起 R2、 L2、 M 變化的物理

28、量，均可以引起傳感器線圈R1、L1 的變化，可以進(jìn)行非電量檢測(cè)；如被測(cè)體（金屬）的電阻率，導(dǎo)磁率 ，厚度 d ，線圈與被測(cè)體之間的距離 x ，激勵(lì)線圈的角頻率 等都可通過(guò)渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗 Z 發(fā)生關(guān)系，使 R、匚變化；若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，便可使阻抗Z成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。2）電渦流傳感器不可以直接測(cè)量非金屬物體，這是由于傳感器本身特性決定的。5.12 （略）第6章磁電式傳感器6.1試述磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式6.2說(shuō)明磁電感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生誤差的原因及補(bǔ)償方法。.3為什么磁電感應(yīng)式傳感器的靈敏度在工作頻率較高時(shí)，將隨頻率增加而下 I？6.4什么是霍爾效

29、應(yīng)?6.5霍爾元件常用材料有哪些？為什么不用金屬做霍爾元件材料?6.6霍爾元件不等位電勢(shì)產(chǎn)生的原因有哪些?6.7某一霍爾元件尺寸為L(zhǎng) 10mm，b 3.5mm, d gm，沿L方向通以電流I 1.0mA，在垂直于L和b的方向加有均勻磁場(chǎng)B 0.3T，靈敏度為22V /(A T)， 試求輸出霍爾電勢(shì)及載流子濃度。6.8試分析霍爾元件輸出接有負(fù)載 Rl時(shí)，利用恒壓源和輸人回路串聯(lián)電阻Rt進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臈l件。6.9霍爾元件靈敏度Kh 4V/(A t)，控制電流I 3.0mA，將它置于1 1045 10 T線性變化的磁場(chǎng)中，它輸出的霍爾電勢(shì)范圍有多大？6.10列舉I2個(gè)霍爾元件的應(yīng)用例子。查找I2個(gè)應(yīng)

30、用磁敏電阻制作的產(chǎn)品實(shí) 例。6.11磁敏電阻溫度補(bǔ)償有哪些方法？磁敏二極管溫度補(bǔ)償有哪些方法？有哪些 特點(diǎn)？6.12比較霍爾元件、磁敏電阻、磁敏晶體管，它們有哪些相同之處和不同之處? 簡(jiǎn)述其各自的特點(diǎn)。答案6.1 （略）6.2 答：磁電感應(yīng)式傳感器兩個(gè)基本元件，即永久磁鐵和線圈，永久磁鐵在使用前需要有穩(wěn)定性處 理，主要是線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)恒定磁場(chǎng)的作用（稱為線圈磁場(chǎng)效應(yīng)）是不能忽略的， 需要采用補(bǔ)償線圈與工作線圈相串聯(lián)加以補(bǔ)償。當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí)傳感器溫度誤差較 大，必須加以補(bǔ)償。6.3 答:因?yàn)榇烹姼袘?yīng)式傳感器的靈敏度為（e/），振動(dòng)頻率過(guò)高時(shí)，線圈阻抗增大，使傳感器靈敏度隨振動(dòng)頻率增

31、加而下降。6.4 答:通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場(chǎng)中，電流與磁場(chǎng)垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。6.5 答:1）任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是都可以制造霍爾元件。只有半導(dǎo)體材料適于制作霍爾元件。又因一般電子遷移率大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體制造。2） 金屬材料電子濃度雖然很高，但電阻率很小很小，使霍爾電勢(shì)Uh很小，因此不適于做 霍爾元件材料。6.6 答:霍爾電勢(shì)不為零的原因是，霍爾引出電極安裝不對(duì)稱，不在同一等電位面上；激勵(lì)電極接 觸不良，半導(dǎo)體材料不均勻造成電阻率不均勻等原因。6.7 解:Kh 22V /(A T), I 1.0mA

32、, B 0.3TQ輸出霍爾電勢(shì)：Uh KhIB 6.6mVL 10mm, b 3.5mm, de 1.0mm, e 1.6 10Q載流子濃度為：IBUHed1928.41 100.001 0.3190.0066 1.6 10 0.0016.8 (略)6.9 解：Kh 40V/（A T）, I 3.0mA, B 1 10 4 5 10 4TQ輸出霍爾電勢(shì)范圍是：低端：Uh KhIB 12 V高端：Uh KhIB 60 V6.10 （略）6.11 （略）6.12 答：霍爾元件具有體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性好、靈敏度高、頻帶寬等許多優(yōu)點(diǎn)，在霍 爾元件確定后，可以通過(guò)測(cè)量電壓、電流、磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)非電

33、量，如力、壓力、應(yīng)變、振動(dòng)、 加速度等等，所以霍爾元件應(yīng)用有三種方式：激勵(lì)電流不變，霍爾電勢(shì)正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度， 可進(jìn)行位移、加速度、轉(zhuǎn)速測(cè)量。激勵(lì)電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度都為變量，傳感器輸出與兩者乘 積成正比，可測(cè)量乘法運(yùn)算的物理量，如功率。磁場(chǎng)強(qiáng)度不變時(shí)，傳感器輸出正比于激 勵(lì)電流，可檢測(cè)與電流有關(guān)的物理量，并可直接測(cè)量電流。磁敏電阻與霍爾元件屬同一類，都是磁電轉(zhuǎn)換元件，兩者本質(zhì)不同是磁敏電阻沒(méi)有判斷極性的能力，只有與輔助材料 （磁鋼）并用才具有識(shí)別磁極的能力。磁敏二極管可用來(lái)檢測(cè)交直流磁場(chǎng)，特別是弱磁場(chǎng)。可用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、作箱位電流計(jì)、 對(duì)高壓線不斷線測(cè)電流、小量程高斯計(jì)、漏磁儀、磁力探傷儀等設(shè)備裝置

34、。磁敏三極管具 有較好的磁靈敏度，主要應(yīng)用于磁場(chǎng)測(cè)量，特別適于10-6T以下的弱磁場(chǎng)測(cè)量，不僅可測(cè)量磁場(chǎng)的大小，還可測(cè)出磁場(chǎng)方向；電流測(cè)量。特別是大電流不斷線地檢測(cè)和保護(hù)；制作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)和電位器，如計(jì)算機(jī)無(wú)觸點(diǎn)電鍵、機(jī)床接近開(kāi)關(guān)等；漏磁探傷及位移、 轉(zhuǎn)速、流量、壓力、速度等各種工業(yè)控制中參數(shù)測(cè)量。第7章壓電式傳感器7.1什么是壓電效應(yīng)？什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)?7.2石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)有何不同之處？為什么說(shuō)PZT壓電陶瓷是優(yōu)能的壓電元件？比較幾種常用壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)出各自適用于什么場(chǎng) 合？7.3壓電傳感器能否用于靜態(tài)測(cè)量？試結(jié)合壓電陶瓷加以說(shuō)明7.4壓電元件在使用時(shí)常采用多片

35、串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。試述在不同接法下輸出電壓、電荷、電容的關(guān)系，它們分別適用于何種應(yīng)用場(chǎng)合？7.5電壓放大器和電荷放大器本質(zhì)上有何不同，電荷放大器和電壓放大器各有何特點(diǎn)？它們各自適用于什么情況？7.6己知電壓前置放大器輸人電阻及總電容分別為Ri 1M ，Ci 10PF，求與壓電加速度計(jì)相配，測(cè)1Hz振動(dòng)時(shí)幅值誤差是多少？7.7已知電壓式加速度傳感器阻尼比1。若其無(wú)阻尼固有頻率fo 32kHz要求傳感器輸出幅值誤差在5%以內(nèi)，試確定傳感器的最高響應(yīng)頻率。7.8 一壓電加速度計(jì)，供它專用電纜的長(zhǎng)度為1.2m，電纜電容為100 pF，壓電 片本身電容為100pf。出廠標(biāo)定電壓靈敏度為100V/g，

36、若使用中改用另一根 長(zhǎng)2.9m電纜，其電容量為300 pF，問(wèn)其電壓靈敏度如何改變？7.9為什么壓電器件一定要高阻抗輸出?7.10用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量加速度，已知：加速度計(jì)靈敏度為 5PC/g，電荷放大器靈敏度為50mV/PC，當(dāng)機(jī)器加速度達(dá)到最大值時(shí)，相應(yīng)輸 出電壓幅值為2V，試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。答案7.1 答: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)。如對(duì)晶體施加一定變

37、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)7.2 答:1）石英晶體整個(gè)晶體是中性的，受外力作用而變形時(shí)沒(méi)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PZT是一種多晶鐵電體，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后，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，才能使其呈現(xiàn)出壓電特性。2） 比較石英晶體d12、d11，壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)d33大的多，是它們的上百倍。所以壓電陶瓷制作的傳感器靈敏度高。常用的優(yōu)能壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛（PZT），它具有很高的介電常數(shù)，工作溫度可達(dá) 250 C。3）（略）7.3 答：1）由壓電傳感器的等效電路

38、可見(jiàn)，要保證輸出信號(hào)與輸入作用力間的線性關(guān)系，只有在負(fù) 載電阻較大，工作頻率較高時(shí)，傳感器電荷才能得以保存補(bǔ)充，需要測(cè)量電路具有無(wú)限大 的輸入阻抗。但實(shí)際上這是不可能的，故壓電傳感器只能作動(dòng)態(tài)測(cè)量，不宜作靜態(tài)信號(hào)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。2）（略）74答：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。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

39、片電荷相等，輸出電壓是單片的兩倍；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。7.5答：（略）7.6 解:信號(hào)頻率f 1Hz;放大器輸入電阻 R 1M ，電容Ci 100 pF 幅值誤差為：Um(dFm Ri12r2g2Um(Um(dFmCTUm()Um()相對(duì)誤差為：1%(1 0.99) 100%7.7 解:已知阻尼比控制傳感器在|u(j )|0.1,固有頻率fo 32kHz;5%以內(nèi)的幅值誤差為：1,1 ( )22 22nn式中f為最高響應(yīng)頻率：f 45.40kHz1 (I 2 232kHz)2 O0.95327.

40、8 解:已知壓電加速度計(jì)電纜長(zhǎng)度為1.2m,電纜電容Cc = 100pF,傳感器電容Ca=1000pF;電壓靈敏度為Ku100V/g電壓靈敏度Kudd100V/gCc Ca Ci 100pF1000pF Ci因Ci較小忽略前置電路輸入電容電壓靈敏度為:求出：d 0.11更換2.9m電纜,電壓靈敏度為:KuCc Ca 100pF 1000pF 106 電容 Cc =300pFd100V/gKu0.11106Cc Ca 300pF 1000pF 可見(jiàn)電纜加長(zhǎng)后電壓靈敏度下降。84.62V/g7.9 （略）7.10 解：已知加速度計(jì)靈敏度為5PC/g，電荷放大器靈敏度為50mV / PC 當(dāng)輸出幅值

41、為2V時(shí)，機(jī)器振動(dòng)加速度為：2V /50mV/ PC5PC/g0.8g第8章光電效應(yīng)及器件8.1什么是內(nèi)光電效應(yīng)？什么是外光電效應(yīng)？說(shuō)明其工作原理并指出相應(yīng)的典型 光電器件。8.2普通光電器件有哪幾種類型？各有何特點(diǎn)？利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件 有哪些？用光生伏特效應(yīng)制成的光電器件有哪些？8.3普通光電器件都有哪些主要特性和參數(shù)?8.4什么是光敏電阻的亮電阻和暗電阻？暗電阻電阻值通常在什么范圍?8.5試述光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光電池的工作原理。如何正確選 用這些器件？舉例說(shuō)明。8.6光敏二極管由哪幾部分組成，它與普通二極管在使用時(shí)有什么不同？請(qǐng)說(shuō)明 原理。8.7光敏三極管與普通三

42、極管的輸出特性是否相同？主要區(qū)別在哪里?8.8何為光電池的開(kāi)路電壓及短路電流？為什么作為檢測(cè)元件時(shí)要采用短路電流 輸出形式，作為電壓源使用時(shí)采用開(kāi)路電壓輸出形式？8.9光電池的結(jié)構(gòu)特征是什么？它如何工作的?8.10采用波長(zhǎng)為0.80.9 m的紅外光源時(shí)，宜采用哪種材料的光電器件做檢測(cè) 元件？為什么？8.11反射式光電傳感器常見(jiàn)的有哪些類型？有什么特點(diǎn)？應(yīng)用時(shí)要注意哪些影 響？8.12舉出日常生活中的兩個(gè)光電式傳感器的應(yīng)用例子，并說(shuō)明原理8.13試擬定一光電開(kāi)關(guān)用于自動(dòng)裝配流水線上工件計(jì)數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)（用示意圖表 示出裝置結(jié)構(gòu)），并畫出計(jì)數(shù)電路原理示意圖，并說(shuō)明其工作原理。8.14試敘述智能小車設(shè)計(jì)

43、中，如何利用反射式光電傳感器實(shí)現(xiàn)尋跡”功能，并設(shè)計(jì)出光電傳感器檢測(cè)電路原理圖。8.15光電傳感器控制電路如圖8-53所 示，試分析電路工作原理：GPIS01是什么器件，內(nèi)部由哪兩種 器件組成？ 當(dāng)用物體遮擋光路時(shí)， 發(fā)光二極管LED有什么變化？R1 是什么電阻，在電路中起到什么作 用？如果VD二極管的最大額定電流 為60mA， R1應(yīng)該如何選擇？ 如 果GP IS01中的VD二極管反向連 接，電路狀態(tài)如何？晶體管 VT LED 如何變化？局1.100! 墨卜竽桃EDL1L -11Z I/1271第二顯1 1111U 1_ Ji1圖 8-538.16光柵傳感器的基本原理是什么？莫爾條紋是如何形成

44、的？有何特點(diǎn)？分析 光柵傳感器具有較高測(cè)量精度的原因。.17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 總夾角是多少？答案：8.1答：當(dāng)用光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電 子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。1） 當(dāng)光線照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)， 內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)，典型的光電器件有光敏電阻；光照時(shí)物體中能產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光 生伏特效應(yīng)，光電池、光

45、敏晶體管。2）在光線作用下，物體內(nèi)的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)，典型的光 電器件有光電管、光電倍增管。8.2答：（略）8.3 答:光照特性；光譜特性；伏安特性；溫度特性；頻率特性等8.4 答:暗電阻，無(wú)光照時(shí)的電阻為暗電阻，暗電阻電阻值范圍一般為0.5200MD ；亮電阻、受光照時(shí)的電阻稱亮電阻，亮電阻的阻值一般為0.520KQ。8.5答：（略）8.6答：（略）8.7答：（略）8.8 答:1）光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)系為開(kāi)路電壓曲線，短路電流是指外接負(fù)載電阻相對(duì)于光電池 內(nèi)阻很小時(shí)的光電流值。2）短路電流曲線在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，因此光電池作為檢測(cè)元件使用時(shí)，一般不作

46、電壓源使用，而作為電流源的形式應(yīng)用。而開(kāi)路電壓與光照度關(guān)系在照度為2000lx以上趨于飽和呈非線性關(guān)系，因此適于作電壓源使用。8.9答：（略）8.10 答：1）采用波長(zhǎng)為 0.80.9 m的紅外光源時(shí)，宜采硅光電池或硅光敏管，其光譜響應(yīng)峰值在0.8 m附近，波長(zhǎng)范圍在 0.41.2 m。2）其中硅光電池適于接受紅外光，可以在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)應(yīng)用。8.11 答：（略）8.12 答：（略）8.13 答：（略）8.14 答：（略）8.15電路分析：1）GP IS01是光電開(kāi)關(guān)器件，內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成；2） 當(dāng)用物體遮擋光路時(shí)，Vg無(wú)光電流VT截止，發(fā)光二極管 LED不發(fā)光；3） R1是

47、限流電阻，在電路中可起到保護(hù)發(fā)光二極管VD的作用；如果VD二極管的最大額 定電流為60mA，選擇電阻大于 R1 = （12V-0.7） /0.6 = 18.8 Q。4） 如果GP IS01中的VD二極管反向連接，Vg無(wú)光電流VT截止，發(fā)光二極管 LED不發(fā)光；電路無(wú)狀態(tài)變化。8.16 答：（略）8.17 解：已知：光柵的柵線密度為100線/mm 即 W=0.02mm , B=10mmB W/Q W/ B 0.02/100.002rad（即 0 06 53 ”第9章新型光電傳感器9.1象限探測(cè)器與PSD光電位置傳感器有什么異同？各有哪些特點(diǎn)?9.2敘述SSPD自掃描光電二極管陣列工作原理及主要參

48、數(shù)特征9.3 CCD電荷耦合器主要由哪兩個(gè)部分組成？試描述 CCD輸出信號(hào)的特點(diǎn)9.4試述CCD的光敏元和讀出移位寄存器工作原理9.5用CCD做幾何尺寸測(cè)量時(shí)應(yīng)該如何由像元數(shù)確定測(cè)量精度。9.6 CCD信號(hào)二值化處理電路主要有哪種電路形式，可起到什么作用?9.7說(shuō)明光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，試述光纖的傳光原理 9.8當(dāng)光纖的折射率N仁1.46, N2=1.45時(shí)，如光纖外部介質(zhì)N0=1，求最大入射 角Be的值。9.9什么是光纖的數(shù)值孔徑？物理意義是什么？ NA取值大小有什么作用？有一光纖，其纖芯折射率為1.56,包層折射率為1.24,求數(shù)值孔徑為多少？9.10光纖傳感器有哪兩大類型？它們之間有何

49、區(qū)別?9.11圖9-36為Y結(jié)構(gòu)型光纖位移測(cè)量原理圖，光源的光經(jīng)光纖的一個(gè)分支入射, 經(jīng)物體反射后光纖的另一分支將信號(hào)輸出到光探測(cè)器上。光探測(cè)器的輸出信號(hào) 與被測(cè)距離有什么樣關(guān)系，試說(shuō)明其調(diào)制原理，畫出位移相對(duì)輸出光強(qiáng)的特性 曲線。9.12光纖可以通過(guò)哪些光的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行非電量的檢測(cè)，說(shuō)明原理9.13埋入式光纖傳感器有哪些用途，舉例說(shuō)明可以解決哪些工程問(wèn)題答案9.1 答：1）象限探測(cè)器它是利用光刻技術(shù)，將一個(gè)整塊的圓形或方形光敏器件敏感面分隔成若干個(gè)面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱的區(qū)域，這就構(gòu)成了象限探測(cè)器。PSD光電位置傳感器是一種對(duì)入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的光電器件。兩種器件工作機(jī)理不同

50、，但其輸出信 號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。光電位置傳感器被廣泛應(yīng)用于激光束對(duì)準(zhǔn)、平面度檢測(cè)、 二維坐標(biāo)檢測(cè)以及位移和振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。2）象限探測(cè)器有幾個(gè)明顯缺點(diǎn)：它需要分割從而產(chǎn)生死區(qū)，尤其當(dāng)光斑很小時(shí)，死區(qū)的影響更明顯。若被測(cè)光斑全部落入某個(gè)象限時(shí)，輸出的電信號(hào)無(wú)法表示光斑位置，因此它的 測(cè)量范圍、控制范圍都不大，測(cè)量精度與光強(qiáng)變化及漂移密切相關(guān)，因此它的分辨率和精 度受到限制。與象限探測(cè)器相比PSD傳感器有以下特點(diǎn)：（1）它對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格要求，即輸出信號(hào)與光的聚焦無(wú)關(guān)，只與光的能量中心位置有 關(guān)，這給測(cè)量帶來(lái)很多方便。（2） 光敏面上無(wú)須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑位置，位置分辨率

51、高，一維PSD可 達(dá) 0.2 |imo（3） 可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)，PSD器件輸出的總光電流與入射光強(qiáng)有關(guān)，而各信號(hào)電極輸 出光電流之和等于總光電流，所以由總光電流可求得相應(yīng)的入射光強(qiáng)。9.2答：（略）9.3 答:1）CCD基本結(jié)構(gòu)由MOS光敏元陣列和讀出移位寄存器兩部分組成。2）CCD電極傳輸電荷方向（向右或向左）是通過(guò)改變?nèi)鄷r(shí)鐘脈沖的時(shí)序來(lái)控制的，輸 出的幅值與對(duì)應(yīng)的光敏元件上電荷量成正比。信號(hào)電荷的輸出的方式主要有電流輸出和電 壓輸出兩種，電流輸出型是輸出電流與電荷成正比，在輸出電路負(fù)載上形成輸出電流。9.4答：（略）9.5 答:兩個(gè)光敏像元的空間尺寸必須小于被測(cè)量的最小尺寸?？蓽y(cè)量的

52、范圍是像元總寬度：如，1024 （相元數(shù)）0.014mm （光敏像元的空間尺寸）=14.3mm （測(cè)量范圍）。9.6 答:普遍采用的 CCD視頻信號(hào)二值化處理電路是電壓比較器，比較器的反相端接一個(gè)閾值電 平，視頻信號(hào)電平高于閾值電平的部分均輸出高電平，而低于閾值電平部分均輸出低電平， 在比較器的輸出端就得到只有高低兩種電平的二值信號(hào)，二值化處理是把圖像和背景作為 分離的二值圖像對(duì)待。 反映在CCD視頻信號(hào)中所對(duì)應(yīng)的圖像尺寸邊界處會(huì)有明顯的電平急 劇變化，通過(guò)二值化處理把 CCD視頻信號(hào)中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平。9.7答：（略）9.8 解:已知：N“1.46,N21.45,N01Q

53、 c arcsin（ 、N2 N；） arcsin0.1706 9 49No9.9 答:1）數(shù)值孔徑定義為：NA N1N2，表示了光纖的集光能力，無(wú)論光源的發(fā)射功率有 多大，只有在 2 c張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光 線會(huì)進(jìn)入包層漏光。2）NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易，但NA越大光信號(hào)畸變?cè)酱螅砸x擇適當(dāng)。已知：Ni 1.56, N 2 1.24,Q NA Jn： N； 0.94663/9.10 答：光纖傳感器大致可分為功能型和非功能型兩大類，它們的基本組成相似，有光源、入射光 纖、調(diào)制器、出射光纖、光敏器件。功能型又稱傳感型，這類傳感器

54、利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能， 光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下使光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào) 制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。如果外界作用時(shí)光纖傳播的光信號(hào)發(fā)生變化，使光的 路程改變，相位改變，將這種信號(hào)接收處理后，可以得到與被測(cè)信號(hào)相關(guān)的變化電信號(hào)。非功能型又稱傳光型，這時(shí)光纖只作傳播光媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它轉(zhuǎn)換元件 實(shí)現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。9.11 答：（略）9.12 答：光強(qiáng)度調(diào)制：利用外界物理量改變光纖中的光強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)的變化測(cè)量被測(cè)信息。根據(jù)光纖傳感器探頭結(jié)構(gòu)形式可分為透射、反射、折射等方式調(diào)制。相位調(diào)制：一般壓力、張力、溫度可以改變光纖的幾何尺寸（長(zhǎng)度），同時(shí)由于光彈效應(yīng)光纖折射率也會(huì)由于應(yīng)變而改變，這些物理量可以使光纖輸出端產(chǎn)生相位變化，借助干涉儀 可將相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化。干涉