傳感器原理及其應(yīng)用(第二版)部分習(xí)題答案

1、作業(yè)講解第1章 傳感器的一般特性 作業(yè)：作業(yè)：習(xí)題習(xí)題2 2、3 3、4 4、5(P11)5(P11)第1章 傳感器的一般特性2 2、簡述傳感器的組成及其各部分的功能。、簡述傳感器的組成及其各部分的功能。答：傳感器通常由答：傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及基本轉(zhuǎn)換電敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及基本轉(zhuǎn)換電路路所組成。所組成。敏感元件敏感元件：指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量（輸入：指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量（輸入量）的部分，并以確定關(guān)系輸出某一物理量。量）的部分，并以確定關(guān)系輸出某一物理量。轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件：指傳感器中能將敏感元件感受的或響應(yīng)的被：指傳感器中能將敏感元件感受的或響應(yīng)的被探測量探

2、測量( (如位移、應(yīng)變、光強等如位移、應(yīng)變、光強等) ) 轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測量的電信號（如電阻、電感等）的部分。的電信號（如電阻、電感等）的部分?；巨D(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于測量的電量，如：將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于測量的電量，如電壓、電流、頻率等。電壓、電流、頻率等。第1章 傳感器的一般特性3、對某傳感器進行特性測定所得到的一組輸入、對某傳感器進行特性測定所得到的一組輸入輸出數(shù)輸出數(shù)據(jù)如下：據(jù)如下： 輸入輸入x：0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 輸出輸出y；2.2 4.8 7.6 9.9 12.6 15.2 17.8 20

3、.1 22.1試計算該傳感器的非線性度和靈敏度。試計算該傳感器的非線性度和靈敏度。第1章 傳感器的一般特性解：非線性度的擬合直線采用端基直線。解：非線性度的擬合直線采用端基直線。設(shè)擬合直線為：設(shè)擬合直線為：y=kx+b，根據(jù)兩個端點，根據(jù)兩個端點(0.1(0.1，2.2)2.2)和和(0.9(0.9，22.1)22.1)，則擬合直線斜率為，則擬合直線斜率為端點擬合直線為端點擬合直線為212122.1 2.224.8750.9-0.1yykxx24.875 0.12.2b-0.2875b 24.875 -0.2875yx第1章 傳感器的一般特性解：解：靈敏度為：靈敏度為：x x0.10.10.2

4、0.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.70.80.80.90.9y實際2.24.87.69.912.615.217.820.122.1y理論2.24.68757.1759.6625 12.15 14.6375 17.125 19.612522.1=y實際-y理論00.11250.4250.23750.450.56250.6750.48750max=0.675Lmax0.675100%100%3.05%22.10LFSLy 24.875ndySdx第1章 傳感器的一般特性4 4、何為傳感器的靜態(tài)特性？靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有、何為傳感器的靜態(tài)特性？靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)

5、有哪些？哪些？答：傳感器的靜態(tài)特性是在穩(wěn)態(tài)信號作用下的輸入輸出答：傳感器的靜態(tài)特性是在穩(wěn)態(tài)信號作用下的輸入輸出特性。特性。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)有靈敏度、線性度、遲滯、重衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)有靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性、穩(wěn)定性等。復(fù)性、穩(wěn)定性等。第1章 傳感器的一般特性5 5、何為傳感器的動態(tài)特性？動態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有、何為傳感器的動態(tài)特性？動態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？哪些？答：傳感器的動態(tài)特性是傳感器在被測量隨時間變化的答：傳感器的動態(tài)特性是傳感器在被測量隨時間變化的條件下輸入輸出關(guān)系。動態(tài)特性有分為瞬態(tài)響應(yīng)和頻率條件下輸入輸出關(guān)系。動態(tài)特性有分為瞬態(tài)響應(yīng)和頻率響應(yīng)響應(yīng)。衡量瞬態(tài)響

6、應(yīng)特性的指標(biāo)有時間常數(shù)衡量瞬態(tài)響應(yīng)特性的指標(biāo)有時間常數(shù) 、上升時間、上升時間tr、響、響應(yīng)時間應(yīng)時間ts、超調(diào)量、超調(diào)量 、衰減率、衰減率 、穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差ess等。等。衡量頻率響應(yīng)特性的指標(biāo)有頻帶、時間常數(shù)衡量頻率響應(yīng)特性的指標(biāo)有頻帶、時間常數(shù) 、固有頻率、固有頻率 n 。第2章 電阻應(yīng)變式傳感器及其應(yīng)用 作業(yè)：習(xí)題作業(yè)：習(xí)題3 3、5 5、6 6、7 (P34)7 (P34)第2章 電阻應(yīng)變式傳感器及其應(yīng)用3. 3. 金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何不同？何為金屬金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何不同？何為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？的電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎

7、樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？答：金屬應(yīng)變片在外力的作用下，應(yīng)變片的幾何尺寸（長度和截面積答：金屬應(yīng)變片在外力的作用下，應(yīng)變片的幾何尺寸（長度和截面積）發(fā)生變化（機械形變）而引起應(yīng)變片的電阻改變，運用它們的對應(yīng)）發(fā)生變化（機械形變）而引起應(yīng)變片的電阻改變，運用它們的對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)測量目的；其靈敏系數(shù)（關(guān)系實現(xiàn)測量目的；其靈敏系數(shù)（k1+2k1+2）主要是材料幾何尺寸變化）主要是材料幾何尺寸變化引起的。半導(dǎo)體應(yīng)變片受到作用力后，應(yīng)變片的電阻率引起的。半導(dǎo)體應(yīng)變片受到作用力后，應(yīng)變片的電阻率 發(fā)生變化，而發(fā)生變化，而引起應(yīng)變片的電阻值改變。其靈敏系數(shù)（引起應(yīng)變片的電阻值改變。其靈敏系數(shù)（k=k=/）主要

8、是半導(dǎo)體材）主要是半導(dǎo)體材料的電阻率隨應(yīng)變變化引起的。料的電阻率隨應(yīng)變變化引起的。當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)?，F(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變片是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)，將金屬絲繞成柵形，稱為敏感柵應(yīng)變片是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)，將金屬絲繞成柵形，稱為敏感柵。并將其粘貼在絕緣基片上制成。并將其粘貼在絕緣基片上制成。第2章 電阻應(yīng)變式傳感器及其應(yīng)用5. 5. 何為直流電橋何為直流電橋? ?若按橋臂工作方式不同，可分為哪幾種若按橋臂工作方式不同，可分為哪幾種? ?各自的各自的輸出

9、電壓及電橋靈敏度如何計算？輸出電壓及電橋靈敏度如何計算？答：橋臂的供電電源是直流電的稱為直流電橋。答：橋臂的供電電源是直流電的稱為直流電橋。按橋臂工作方式不同，可分為單臂電橋、雙臂電橋、全橋。按橋臂工作方式不同，可分為單臂電橋、雙臂電橋、全橋。單臂電橋輸出電壓及電橋靈敏度分別為：單臂電橋輸出電壓及電橋靈敏度分別為：雙臂電橋輸出電壓及電橋靈敏度分別為：雙臂電橋輸出電壓及電橋靈敏度分別為： 全橋輸出電壓及電橋靈敏度分別為：全橋輸出電壓及電橋靈敏度分別為：44scURUUkR22scURUUkRscRUUkUR第2章 電阻應(yīng)變式傳感器及其應(yīng)用6. 一臺采用等強度梁的電子秤，如圖一臺采用等強度梁的電子

10、秤，如圖2.40所示，在梁的上下兩面所示，在梁的上下兩面各貼有兩片靈敏系數(shù)均為各貼有兩片靈敏系數(shù)均為k = 2 的金屬箔式應(yīng)變片做成秤重傳感的金屬箔式應(yīng)變片做成秤重傳感器。已知梁的器。已知梁的L = 100mm，b=11mm，h= 3mm，梁的彈性模量，梁的彈性模量E=2.1104 N/mm2。將應(yīng)變片接入直流四臂電路，供橋電壓。將應(yīng)變片接入直流四臂電路，供橋電壓Usr =6V。試求：（試求：（1）秤重傳感器的靈敏度）秤重傳感器的靈敏度(V/kg)?（2）當(dāng)傳感器的輸出為）當(dāng)傳感器的輸出為68mV時，問物體的荷重為多少？時，問物體的荷重為多少？第2章 電阻應(yīng)變式傳感器及其應(yīng)用解：解：(1)如圖

11、如圖a，當(dāng)重力，當(dāng)重力F作用梁短部后，梁上表面作用梁短部后，梁上表面R1和和R3產(chǎn)生正產(chǎn)生正應(yīng)變電阻變化而下表面應(yīng)變電阻變化而下表面R2和和R4則產(chǎn)生負應(yīng)變電阻變化，其應(yīng)變的則產(chǎn)生負應(yīng)變電阻變化，其應(yīng)變的絕對值應(yīng)相等，即：絕對值應(yīng)相等，即：電阻相對變化量電阻相對變化量為：為：現(xiàn)將四個電阻應(yīng)變片按照圖現(xiàn)將四個電阻應(yīng)變片按照圖b b所示接入等臂全橋電路，其輸出電所示接入等臂全橋電路，其輸出電橋電路電壓為橋電路電壓為: :13242266FLmgLbh Ebh E 31241324RRRRRkRRRRR 0srRUUR第2章 電阻應(yīng)變式傳感器及其應(yīng)用稱重傳感器的靈敏度稱重傳感器的靈敏度(2) (2)

12、 當(dāng)傳感器輸出電壓為當(dāng)傳感器輸出電壓為68mV68mV時，物體的荷重時，物體的荷重m m為為002242669.8100260.03391132.1 10UsrUgLKkUmbh EN kgmmVV kgmmmmN mm03068 102.0060.0339UUVmkgKV kg第2章 電阻應(yīng)變式傳感器及其應(yīng)用7. 圖圖2.43為應(yīng)變式力傳感器的鋼質(zhì)圓柱體彈性元件，其直徑為應(yīng)變式力傳感器的鋼質(zhì)圓柱體彈性元件，其直徑d = 40 mm，鋼的彈性模量，鋼的彈性模量 E = 2.1105 N/mm2 ，泊松比，泊松比=0.29 ，在，在圓柱體表面粘貼四片阻值均為圓柱體表面粘貼四片阻值均為120、靈敏

13、系數(shù)、靈敏系數(shù)=2.1的金屬箔式的金屬箔式應(yīng)變片應(yīng)變片(不考慮應(yīng)變片的橫向靈敏度不考慮應(yīng)變片的橫向靈敏度)， 并接入惠斯頓電橋。若供并接入惠斯頓電橋。若供橋電壓橋電壓Usr = 6V（DC），試求：該力傳感器的靈敏度（），試求：該力傳感器的靈敏度（V/N）？）？第2章 電阻應(yīng)變式傳感器及其應(yīng)用解：解：(1)如圖，當(dāng)力如圖，當(dāng)力F作用圓柱體上后，電阻應(yīng)變片作用圓柱體上后，電阻應(yīng)變片R1和和R3產(chǎn)生正產(chǎn)生正應(yīng)變電阻變化，電阻應(yīng)變片應(yīng)變電阻變化，電阻應(yīng)變片R2和和R4則產(chǎn)生負應(yīng)變電阻變化，則產(chǎn)生負應(yīng)變電阻變化，電阻相對變化量電阻相對變化量電阻變化后的電阻：電阻變化后的電阻：13242xyxFFAEr

14、 E31241324xyxRRRRkkkRRRR 111222333444RRRRRRRRRRRR第2章 電阻應(yīng)變式傳感器及其應(yīng)用現(xiàn)將四個電阻應(yīng)變片按照圖所示接入等臂全橋電路，其輸出電橋現(xiàn)將四個電阻應(yīng)變片按照圖所示接入等臂全橋電路，其輸出電橋電路電壓為電路電壓為該力傳感器的靈敏度（該力傳感器的靈敏度（V/NV/N）為：）為： 14123411441122334414112212ooosrsrsrsrsrxsrRRUUURRRRRRRRUURRRRRRRRRRUUUk URRRR282511210.2912.163.081 1023.14202.1 10osrUkkkUFr E第3章 電感式傳感

15、器及其應(yīng)用 作業(yè)：習(xí)題作業(yè)：習(xí)題3 3、9 9、1515、16 (P51)16 (P51)第3章 電感式傳感器及其應(yīng)用3 3、電感式傳感器的測量電路起什么作用、電感式傳感器的測量電路起什么作用? ?變壓器變壓器電橋電路和帶相敏整流的電橋電路哪個能更好地電橋電路和帶相敏整流的電橋電路哪個能更好地起到測量轉(zhuǎn)換作用起到測量轉(zhuǎn)換作用? ?為什么為什么? ?第3章 電感式傳感器及其應(yīng)用答：測量電路的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的答：測量電路的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，以便用儀表指示出來，或者送入下級電路進行處理和變化，以便用儀表指示出來，或者送入下級電路進行處理和放大。放大。帶

16、相敏整流的電橋電路能更好地起到測量轉(zhuǎn)換作用。變壓器帶相敏整流的電橋電路能更好地起到測量轉(zhuǎn)換作用。變壓器電橋電路的輸出電壓隨位移方向不同而反相電橋電路的輸出電壓隨位移方向不同而反相180180，由于橋，由于橋路電源是交流電，若在轉(zhuǎn)換電路的輸出端接上普通儀表時，路電源是交流電，若在轉(zhuǎn)換電路的輸出端接上普通儀表時，無法判別輸出的極性和銜鐵位移的方向。此外，當(dāng)銜鐵處于無法判別輸出的極性和銜鐵位移的方向。此外，當(dāng)銜鐵處于差動電感的中間位置時，還存在零點殘余電壓。而采用相敏差動電感的中間位置時，還存在零點殘余電壓。而采用相敏整流電路，得到的輸出信號既能反映位移的大小，又能反映整流電路，得到的輸出信號既能反

17、映位移的大小，又能反映位移的方向，同時也能消除零點殘余電壓。所以相敏整流的位移的方向，同時也能消除零點殘余電壓。所以相敏整流的電橋電路能更好地起到測量轉(zhuǎn)換作用。電橋電路能更好地起到測量轉(zhuǎn)換作用。第3章 電感式傳感器及其應(yīng)用9、已知變氣隙電感傳感器的鐵芯截面積、已知變氣隙電感傳感器的鐵芯截面積S=1.5cm2，磁路長度，磁路長度L=20cm，相對磁導(dǎo)率，相對磁導(dǎo)率=5000，氣隙，氣隙0=0.5cm，=0.1mm，真空磁導(dǎo)率，真空磁導(dǎo)率c=410-7H/m，線圈匝數(shù)，線圈匝數(shù)W=3000，求單端式傳感器的靈，求單端式傳感器的靈敏度敏度L/，若做成差動結(jié)構(gòu)形式，其靈敏度，若做成差動結(jié)構(gòu)形式，其靈敏

18、度將如何變化將如何變化?第3章 電感式傳感器及其應(yīng)用解：電感傳感器的初始電感量為：解：電感傳感器的初始電感量為：當(dāng)銜鐵移動當(dāng)銜鐵移動時，單端式傳感器的靈敏度時，單端式傳感器的靈敏度L/為：為：若做成差動結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)差動的變隙式的靈敏度公式若做成差動結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)差動的變隙式的靈敏度公式有：有：故將其做成差動結(jié)構(gòu)后，靈敏度將提高一倍。將其做成差動結(jié)構(gòu)后，靈敏度將提高一倍。2274230203000410/1.5 105410169.56 mH22 0.5 10cWSH mmLHm3020541010.8H/m33.912 H/m0.5 10LLHkm302022 541021.6/67.824

19、 H/m0.5 10LLHkH mm差動第3章 電感式傳感器及其應(yīng)用15、試用差動變壓器式傳感器設(shè)計液罐內(nèi)液體液位測量、試用差動變壓器式傳感器設(shè)計液罐內(nèi)液體液位測量系統(tǒng)，做出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并分析工作原理。系統(tǒng)，做出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并分析工作原理。解：解： 利用差動變壓器式傳感器設(shè)計的液位測量系統(tǒng)如圖所示。利用差動變壓器式傳感器設(shè)計的液位測量系統(tǒng)如圖所示。液位的高低變化可帶動浮子上下移動，從而帶動銜鐵移動，差動液位的高低變化可帶動浮子上下移動，從而帶動銜鐵移動，差動變壓器的輸出變壓器的輸出U U0 0也隨之發(fā)生變化，其大小與液位高低成函數(shù)關(guān)系也隨之發(fā)生變化，其大小與液位高低成函數(shù)關(guān)系，由此可測出液位。

20、當(dāng)某一設(shè)定液位使鐵芯處于中心位置時，差，由此可測出液位。當(dāng)某一設(shè)定液位使鐵芯處于中心位置時，差動變壓器輸出信號動變壓器輸出信號U U0 0=0=0；當(dāng)液位上升或下降時，；當(dāng)液位上升或下降時，U U0 000；通過相；通過相應(yīng)的測量電路便能確定液位的高低。應(yīng)的測量電路便能確定液位的高低。第3章 電感式傳感器及其應(yīng)用16、有一只差動電感位移傳感器，已知電源電壓、有一只差動電感位移傳感器，已知電源電壓U 4V，f 400Hz，傳感器線圈電阻與電感分別為，傳感器線圈電阻與電感分別為R 40 ，L 30mH，用兩只匹配，用兩只匹配電阻設(shè)計成四臂等阻抗電橋，如圖所示。試求：電阻設(shè)計成四臂等阻抗電橋，如圖所

21、示。試求：（1）匹配電阻）匹配電阻 R3和和 R4 的值為多少時才能使電壓靈敏度達到最大。的值為多少時才能使電壓靈敏度達到最大。（2）當(dāng)）當(dāng) Z 10 時，分別接成單臂和差動電橋后的輸出電壓值。時，分別接成單臂和差動電橋后的輸出電壓值。第3章 電感式傳感器及其應(yīng)用解：（解：（1）傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂）傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂Z1和和Z2，另外兩，另外兩個相鄰的橋臂用純電阻代替。個相鄰的橋臂用純電阻代替。 在在R3=R4=R的情況下，的情況下， 電橋的輸出電橋的輸出電壓為：電壓為：由此可見，電橋的輸出電壓與匹配電阻由此可見，電橋的輸出電壓與匹配電阻R3和和R4無關(guān)，相應(yīng)的

22、電壓無關(guān)，相應(yīng)的電壓靈敏度也與其無關(guān)。靈敏度也與其無關(guān)。但題目要求設(shè)計成四臂等阻抗電橋，因此有：但題目要求設(shè)計成四臂等阻抗電橋，因此有：Z1= Z2 = Z3= Z4。242421012341234122Z UR UZRZZUUUZZRRZZRRZZ120ZZZRj L340ZZZRj L 22223340402400 30 1085.35RRZRj LRL第3章 電感式傳感器及其應(yīng)用(2) (2) 接成單臂電橋后的電橋輸出電壓值為：接成單臂電橋后的電橋輸出電壓值為：接成差動電橋后的電橋輸出電壓值為：接成差動電橋后的電橋輸出電壓值為： 0021012000410-0.117 V222 222

23、85.35ZZZZZUUUZUZZZZZZ 00210120004100.234 V222285.35ZZZZZZUUUZUZZZZZZZ 第4章 電容式傳感器及其應(yīng)用 作業(yè)：作業(yè)：習(xí)題習(xí)題2 2、5 5、8 8、14 (P67)14 (P67)第4章 電容式傳感器及其應(yīng)用2、推導(dǎo)差動式電容傳感器的靈敏度，并與單極式電容傳、推導(dǎo)差動式電容傳感器的靈敏度，并與單極式電容傳感器相比較。感器相比較。答：設(shè)在初始狀態(tài)下，動極板位于兩塊定極板中間位置，答：設(shè)在初始狀態(tài)下，動極板位于兩塊定極板中間位置，則：則：當(dāng)動極板受被測量作用，其位置發(fā)生改變，設(shè)動極板向上當(dāng)動極板受被測量作用，其位置發(fā)生改變，設(shè)動極板

24、向上移動了移動了 d ，則：，則：021ddd0021dACCCddACCC0101ddACCC02020121202000=-=21 ()ddAACCCCCCdddddd 第4章 電容式傳感器及其應(yīng)用當(dāng)當(dāng) d d0 時，即時，即 d/d01 ，則：，則：靈敏度為：靈敏度為：由此可見，與單極式相比，其靈敏度提高了一倍（單極式由此可見，與單極式相比，其靈敏度提高了一倍（單極式為為 ）。）。002ddCC002CCKdd00dCdCK第4章 電容式傳感器及其應(yīng)用5、為什么高頻工作時電容式傳感器的連接電纜的長度不、為什么高頻工作時電容式傳感器的連接電纜的長度不能任意改變？能任意改變？答：在高頻激勵時

25、，需考慮電容器及引線電感答：在高頻激勵時，需考慮電容器及引線電感L的的存在，使傳感器有效電容為存在，使傳感器有效電容為Ce=C/(1-2LC)，從而，從而使傳感器的靈敏度由使傳感器的靈敏度由S=C0/d0變?yōu)樽優(yōu)镾e=S/(1-2LC)2，Se與傳感器的固有電感與傳感器的固有電感(包括電纜電感包括電纜電感) L有關(guān)，且有關(guān)，且隨隨變化而變化。這種情況下，每當(dāng)改變激勵頻變化而變化。這種情況下，每當(dāng)改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統(tǒng)重新進率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統(tǒng)重新進行標(biāo)定。行標(biāo)定。第4章 電容式傳感器及其應(yīng)用8、在壓力比指示系統(tǒng)中采用差動式變間隙電容傳感器和電橋、在壓力比

26、指示系統(tǒng)中采用差動式變間隙電容傳感器和電橋測量電路，如圖測量電路，如圖4-17所示。已知：所示。已知：0=0.25mm；D=38.2mm；R=5.1k；Usr=60V(交流交流)，頻率，頻率f=400Hz。試求：。試求： (1)該電容傳感器的電壓靈敏度該電容傳感器的電壓靈敏度Ku (V/m)； (2)當(dāng)電容傳感器的動極板位移當(dāng)電容傳感器的動極板位移=10m時，輸出電壓時，輸出電壓Usc值。值。第4章 電容式傳感器及其應(yīng)用解：解： (1)(1)差動電容器初始時刻的電容差動電容器初始時刻的電容兩電容的容抗兩電容的容抗 測量橋路中的電阻測量橋路中的電阻R R可忽略，則測量電路的輸出電壓為：可忽略，則

27、測量電路的輸出電壓為：212321203008.854 10F/m38.2 10 m=40.6pF44 0.25 10 mADCCC126120111=9.8 105.1k22 3.14 400 40.6 10CCXXRccfC 1121120212000011=112112222scCCscsrsrsrsrCCCCsrsrsrsrsrsrscXXCUUUUUXXXXCCCCCUUUUCCCCCCUUCCUU 第4章 電容式傳感器及其應(yīng)用從而得電容傳感器的電壓靈敏度從而得電容傳感器的電壓靈敏度Ku為：為： (2) (2) 當(dāng)電容傳感器的動極板位移當(dāng)電容傳感器的動極板位移 =10m=10m時，輸

28、出電時，輸出電壓壓UscUsc值為：值為：0032600.12V/2 0.25 10scsruuUUKmKm0.12 101.2VscuUK第4章 電容式傳感器及其應(yīng)用14、有一個直徑為、有一個直徑為 2 m、高、高 5 m的鐵桶，往桶內(nèi)連續(xù)注水，當(dāng)?shù)蔫F桶，往桶內(nèi)連續(xù)注水，當(dāng)注水?dāng)?shù)量達到桶容量的注水?dāng)?shù)量達到桶容量的 80%時就應(yīng)當(dāng)停止，試分析用應(yīng)變片時就應(yīng)當(dāng)停止，試分析用應(yīng)變片式傳感器或電容式傳感器來解決該問題的途徑和方法。式傳感器或電容式傳感器來解決該問題的途徑和方法。第4章 電容式傳感器及其應(yīng)用解：應(yīng)變片式傳感器：解：應(yīng)變片式傳感器：下下圖是測量液體重量的插入式傳感器示意圖。該傳感器有一圖

29、是測量液體重量的插入式傳感器示意圖。該傳感器有一根傳壓桿，上端安裝微壓傳感器，下端安裝感壓膜，它用于根傳壓桿，上端安裝微壓傳感器，下端安裝感壓膜，它用于感受水的壓力。當(dāng)桶中的水增多時，感壓膜感受的壓力就增感受水的壓力。當(dāng)桶中的水增多時，感壓膜感受的壓力就增大，從而測出水位的高度大，從而測出水位的高度 h。由題可知，當(dāng)。由題可知，當(dāng) h =4 m 時，儲水時，儲水量就達到了量就達到了 80%，傳感器給出信號就可以停止注水。，傳感器給出信號就可以停止注水。第4章 電容式傳感器及其應(yīng)用下下圖是電容式液位傳感器的測量原理圖。測量電極安裝在桶圖是電容式液位傳感器的測量原理圖。測量電極安裝在桶的頂部，這樣

30、桶壁和電極之間形成一個電容器。往桶內(nèi)注水的頂部，這樣桶壁和電極之間形成一個電容器。往桶內(nèi)注水時，實際上是改變介電常數(shù)，導(dǎo)致傳感器的電容量變化，變時，實際上是改變介電常數(shù)，導(dǎo)致傳感器的電容量變化，變化的大小與桶內(nèi)的水位高度成比例變化。當(dāng)化的大小與桶內(nèi)的水位高度成比例變化。當(dāng)h =4 m 時，儲水時，儲水量就達到了量就達到了 80%，傳感器給出信號就可以停止注水。，傳感器給出信號就可以停止注水。第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用 作業(yè)：作業(yè)：習(xí)題習(xí)題1 1、3 3、1111、12 (P84)12 (P84)第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用1 1、簡述壓電效應(yīng)與電致伸縮效應(yīng)，說明它們適用于制作

31、什、簡述壓電效應(yīng)與電致伸縮效應(yīng)，說明它們適用于制作什么器件。么器件。答：答： 某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時，某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，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，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，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外變時，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，如對晶力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對晶體施加一定變電

32、場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為電致伸縮效應(yīng)。，變形也隨之消失，稱為電致伸縮效應(yīng)。壓電效應(yīng)適用于制作壓電傳感器，電致伸縮效應(yīng)適用于制作壓電效應(yīng)適用于制作壓電傳感器，電致伸縮效應(yīng)適用于制作超聲波傳感器。超聲波傳感器。第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用3 3、為什么壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量，只能用于動態(tài)、為什么壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量，只能用于動態(tài)測量中？測量中？答：壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量：外力作用在壓電材料答：壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量：外力作用在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，需

33、要測量回上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的。路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的。壓電式傳感器適用于動態(tài)測量：壓電材料在交變力的作用下壓電式傳感器適用于動態(tài)測量：壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，以供給測量回路一定的電流。故壓電，電荷可以不斷補充，以供給測量回路一定的電流。故壓電傳感器適宜作動態(tài)測量。傳感器適宜作動態(tài)測量。第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用11、兩根高分子壓電電纜相距、兩根高分子壓電電纜相距L=2m，平行埋設(shè)于柏油公路的路，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約面下約50mm，如下圖左所示?，F(xiàn)有一輛超重汽車以較

34、快的車速，如下圖左所示?，F(xiàn)有一輛超重汽車以較快的車速壓過測速傳感器，兩根壓過測速傳感器，兩根PVDF壓電電纜的輸出信號如圖右所示。壓電電纜的輸出信號如圖右所示。求：求：1）估算車速為多少）估算車速為多少km/h。2）估算汽車前后輪間距）估算汽車前后輪間距d。3）說明載重量）說明載重量m以及車速以及車速v與與A、B壓電電纜輸出信號波形的關(guān)系壓電電纜輸出信號波形的關(guān)系。第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用解：解：1 1）v=L/tv=L/t（t t為駛過為駛過A A、B B電纜的時間）電纜的時間）2/0.0625 =32m/s2/0.0625 =32m/s=115km/h =115km/h 2 2

35、）d=vtd=vt（t t為前后輪跨過為前后輪跨過A A或或B B電纜的時間）電纜的時間）32320.10625=3.40.10625=3.4m m 3 3）載重量）載重量m m與與A A、B B壓電電纜輸出信號的時間間隔無關(guān)，而與壓電電纜輸出信號的時間間隔無關(guān)，而與幅度有關(guān)，幅度越大，載重量越大。車速幅度有關(guān)，幅度越大，載重量越大。車速v v與與A A、B B壓電電纜輸壓電電纜輸出信號的幅度無關(guān)，而與時間間隔有關(guān)，時間間隔越小，車速出信號的幅度無關(guān)，而與時間間隔有關(guān)，時間間隔越小，車速越大。越大。第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用12、如圖、如圖5-27所示的壓電式傳感器測量電路，已知壓電

36、傳感器所示的壓電式傳感器測量電路，已知壓電傳感器S=0.0004m2，h=0.02m，運算放大器開環(huán)增益，運算放大器開環(huán)增益k=104，輸出電壓，輸出電壓Usc=2V，試求，試求q、Usr、Ca。解：（解：（1）對于電荷放大器有）對于電荷放大器有: 則則/scfUq C 2 10002000scfqUCpFpC 第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用（2）對于運算放大器有）對于運算放大器有: 則則(3)設(shè)壓電傳感元件采用的設(shè)壓電傳感元件采用的PZT-8型壓電陶瓷，其相對介電常數(shù)為型壓電陶瓷，其相對介電常數(shù)為1000，則，則scsrUkU 4422 1010scsrUUVk 1201000 8.8

37、54 100.0004177.080.02raSSCpFhh 第6章 磁電式傳感器及其應(yīng)用作業(yè)：作業(yè)：習(xí)題習(xí)題2 2、3 3、9(P96)9(P96)2、簡述變磁通式和恒磁通式磁電傳感器的工作原理。、簡述變磁通式和恒磁通式磁電傳感器的工作原理。變磁通式傳感器工作原理：產(chǎn)生磁場的永久磁鐵和線圈都固定不動，通過磁通變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢。變磁通式又稱磁阻式常用于角速度的測量。恒磁通式傳感器工作原理：氣隙磁通保持不變，感應(yīng)線圈與磁鐵作相對運動，線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢。第6章 磁電式傳感器及其應(yīng)用3、簡述動鋼式磁電式傳感器和動圈式磁電式傳感器的工、簡述動鋼式磁電式傳感器和動圈式磁

38、電式傳感器的工作原理作原理。SN解解（1）動鋼型磁電式傳感器工作原理）動鋼型磁電式傳感器工作原理外殼用磁性材料制成，它既是磁路的一部分，又起著磁屏蔽作用。永久磁鐵的磁力線從其一端穿過磁鋼套筒、線圈骨架和螺管線圈，并經(jīng)過殼體回到磁鋼的另一端，構(gòu)成一個完整的閉閉合磁路合磁路。當(dāng)傳感器感受振動時，線圈與永久磁當(dāng)傳感器感受振動時，線圈與永久磁鐵之間有相對運動，線圈切割磁力線，傳感器鐵之間有相對運動，線圈切割磁力線，傳感器就輸出正比于振動速度的電壓信號。就輸出正比于振動速度的電壓信號。 第6章 磁電電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用（2）動圈型磁電式傳感器工作原理）動圈型磁電式傳感器工作原理第6章 磁電電式傳傳感器

39、及其應(yīng)應(yīng)用金金屬屬骨骨架架永久磁鐵與骨架形成恒定磁場，線圈-彈簧構(gòu)成振動系統(tǒng)，線圈線圈和磁鋼之間就有了相對運動，其和磁鋼之間就有了相對運動，其相對的運動速度等于物體的振動相對的運動速度等于物體的振動速度。線圈以相對速度切割磁力速度。線圈以相對速度切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，傳感器就輸線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，傳感器就輸出正比于振動速度的電壓信號。出正比于振動速度的電壓信號。9 9、已知測量齒輪齒數(shù) Z=18,采用變磁通感應(yīng)式傳感器測 量工作軸轉(zhuǎn)速 (如圖所示 ) 。若測得輸出電動勢的交變頻率 為 24(Hz), 求:被測軸的轉(zhuǎn)速 n(r/min)為多少 ? 當(dāng)分辨誤差為1齒時,轉(zhuǎn)速測量誤差是多少 ?解：

40、解：(1)測量時,齒輪隨工作軸一起轉(zhuǎn)動,每轉(zhuǎn)過一個齒,傳 感器磁路磁阻變化一次, 磁通也變化一次, 因此, 線圈感 應(yīng)電動勢的變化頻率 f 等于齒輪的齒數(shù) Z 與轉(zhuǎn)速 n 的乘 積。f=nZ/60 n=60f /Z=60 24/18=80(r/min)(2)讀數(shù)誤差為1齒,所以應(yīng)為1/18轉(zhuǎn),即:n=801/18(r/min)第6章 磁電電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用第7章 熱電熱電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用作業(yè)：作業(yè)：習(xí)題習(xí)題3 3、1616、1717、18(P116)18(P116)3 3、簡述熱電偶冷端補償?shù)谋匾?，常用冷端補償有幾種簡述熱電偶冷端補償?shù)谋匾?，常用冷端補償有幾種方法方法? ? 解：解

41、：熱電偶是以參考端溫度T0為條件,一般工程測量中參考端處于室溫或波動的溫區(qū)，此時要測得真實溫度就必須進行修正或補償。冰點器使參考端溫度恒定在0；熱電勢補正法；溫度修正法；補償導(dǎo)線法等。第7章 熱電熱電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用1616、將一靈敏度為將一靈敏度為0.08mV/0.08mV/的熱電偶與電位計相連接測的熱電偶與電位計相連接測量其熱電勢，電位計接線端是量其熱電勢，電位計接線端是3030，若電位計上讀數(shù)是，若電位計上讀數(shù)是6 60mV0mV，熱電偶的熱端溫度是多少，熱電偶的熱端溫度是多少? ?第7章 熱電熱電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用17、試利用集成溫度傳感器試利用集成溫度傳感器AD590設(shè)計溫度測

42、量電路，要求設(shè)計溫度測量電路，要求實現(xiàn)的為攝氏溫度，畫出原理圖，并簡述工作原理。實現(xiàn)的為攝氏溫度，畫出原理圖，并簡述工作原理。設(shè)計的電路如圖所示： 該電路利用AD590實現(xiàn)。AD590是二端的集成電路溫度轉(zhuǎn)換器,它的輸出電流和絕對溫度成比例。利用它的電流輸出構(gòu)成電流環(huán)。AD580和電阻用來將絕對溫度轉(zhuǎn)換為攝氏溫度。第7章 熱電熱電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用18、如圖為實驗室常采用的冰浴法熱電偶冷端溫度補償如圖為實驗室常采用的冰浴法熱電偶冷端溫度補償接線圖，接線圖，（1）圖中依據(jù)了熱電偶兩個基本定律，分別指出并簡述圖中依據(jù)了熱電偶兩個基本定律，分別指出并簡述其內(nèi)容；其內(nèi)容； （2）將冷端至于冰水槽的主

43、要原因是什么？將冷端至于冰水槽的主要原因是什么？ （3）對補償導(dǎo)線有何要求？對補償導(dǎo)線有何要求？ 第7章 熱電熱電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用解解（1）中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中，只要接入的第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則對回路的總的熱電動勢沒有影響。中間溫度定律：熱電偶的熱電勢僅取決于熱電偶的材料和兩個結(jié)點的溫度，而與溫度沿?zé)犭姌O的分布以及熱電極的參數(shù)和形狀無關(guān)。 熱電偶分度表以0攝氏度為基準； 與導(dǎo)體材料A、B有相同熱電特性（不同型號的熱電偶所配用的補償導(dǎo)線不同；連接補償導(dǎo)線時要注意區(qū)分正負極，使其分別與熱電偶的正負極一一對應(yīng)；補償導(dǎo)線連接端的工作溫度不能超出（0100），否則會給測量帶來誤差。）第7章

44、 熱電熱電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用第8章 光電電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用作業(yè)：作業(yè)：習(xí)題習(xí)題1717、18(P146)18(P146)17、利用利用光敏器件制成的產(chǎn)品計數(shù)器，具有非接觸、安光敏器件制成的產(chǎn)品計數(shù)器，具有非接觸、安全可靠的特點，可廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線的產(chǎn)品計數(shù)全可靠的特點，可廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線的產(chǎn)品計數(shù)，如機械零件加工、輸送線產(chǎn)品、汽水、瓶裝酒類等，如機械零件加工、輸送線產(chǎn)品、汽水、瓶裝酒類等，還可以用來統(tǒng)計出入口入員的流動情況。試設(shè)計一生產(chǎn)還可以用來統(tǒng)計出入口入員的流動情況。試設(shè)計一生產(chǎn)線產(chǎn)品的自動化計數(shù)系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)框圖，簡要說明工線產(chǎn)品的自動化計數(shù)系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)框圖，簡要說明

45、工作原理。作原理。 第8章 光電電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用第8章 光電電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用解：解：產(chǎn)品在傳送帶上運行時，不斷地遮擋光源到光敏器件間的光路，使光電脈沖電路隨著產(chǎn)品的有無產(chǎn)生一個個電脈沖信號。產(chǎn)品每遮光一次，光電脈沖電路便產(chǎn)生一個脈沖信號，因此，輸出的脈沖數(shù)即代表產(chǎn)品的數(shù)目。該脈沖經(jīng)計數(shù)電路計數(shù)并由顯示電路顯示出來18、如圖所示為利用光電脈沖測量車速和行程的示意圖如圖所示為利用光電脈沖測量車速和行程的示意圖，A為光源，為光源，B為光電接收器，為光電接收器，A、B均固定在小車上，均固定在小車上，C為小車的車輪車輪轉(zhuǎn)動時，為小車的車輪車輪轉(zhuǎn)動時，A發(fā)出的光束通過旋轉(zhuǎn)齒輪發(fā)出的光束通過旋轉(zhuǎn)

46、齒輪上齒的間隙后變成脈沖光信號，被上齒的間隙后變成脈沖光信號，被B接收并轉(zhuǎn)換成電信號接收并轉(zhuǎn)換成電信號，由電路記錄和顯示若實驗顯示單位時間的脈沖數(shù)，由電路記錄和顯示若實驗顯示單位時間的脈沖數(shù)n，累積脈沖數(shù)為累積脈沖數(shù)為N，則要測出小車的速度和行程還必須測量，則要測出小車的速度和行程還必須測量哪些物理數(shù)據(jù)？簡述系統(tǒng)工作原理，給出小車速度的表哪些物理數(shù)據(jù)？簡述系統(tǒng)工作原理，給出小車速度的表達式達式V和行程的表達式為和行程的表達式為s。第8章 光電電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用第8章 光電電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用解：解：小車的速度等于車輪的周長與單位時間內(nèi)車輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)的乘積設(shè)車輪的半徑為R，單位時間內(nèi)車輪轉(zhuǎn)動

47、圈數(shù)為k，則有V2Rk若齒輪的齒數(shù)為P，則齒輪轉(zhuǎn)一圈，電子電路顯示的脈沖數(shù)即為P，已經(jīng)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)為n，所以單位時間內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)為n/P由于齒輪與車輪同軸相連，他們在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)動圈數(shù)相等，即kn/P由以上兩式可得：v2Rn/P同理，設(shè)車輪轉(zhuǎn)動的累積圈數(shù)為k，則有s=2Rk，且kN/P，所以s2RN/P可見，要測小車的速度v和行程s，必需測出單位時間的脈沖數(shù)n和累積脈沖數(shù)N，車輪半徑R和齒輪的齒數(shù)P補充：補充：生活中，經(jīng)常用到用光控制電路的情況如路燈的控制生活中，經(jīng)常用到用光控制電路的情況如路燈的控制開關(guān)，傍晚時等光暗到一定程度，路燈會自動點亮，清晨時光開關(guān)，傍晚時等光暗到一定程度，路

48、燈會自動點亮，清晨時光亮到一定程度，路燈自動熄滅下圖是光敏電阻、兩個電源、亮到一定程度，路燈自動熄滅下圖是光敏電阻、兩個電源、帶放大器的斷電器和燈的示意圖，繼電器的線圈帶放大器的斷電器和燈的示意圖，繼電器的線圈A繞在軟鐵芯繞在軟鐵芯上，并且跟放大器的輸出端上，并且跟放大器的輸出端c、d相連，相連，a、b是放大器的輸入端是放大器的輸入端，作用是：當(dāng)輸入端回路中電流發(fā)生較小變化時，輸出端回路，作用是：當(dāng)輸入端回路中電流發(fā)生較小變化時，輸出端回路中電流發(fā)生較大的變化當(dāng)線圈中電流發(fā)生較大的變化當(dāng)線圈A產(chǎn)生的磁場足夠強時，就會產(chǎn)生的磁場足夠強時，就會克服彈簧克服彈簧K的彈力將銜鐵的彈力將銜鐵c吸下，觸頭

49、吸下，觸頭D斷開、觸頭斷開、觸頭B接通；當(dāng)接通；當(dāng)輸入端回路中電流變化較小時，線圈輸入端回路中電流變化較小時，線圈A產(chǎn)生的磁場不足以吸住產(chǎn)生的磁場不足以吸住銜鐵銜鐵C，則觸頭，則觸頭B斷開、觸頭斷開、觸頭D接通接通 連接實物圖，使得光強時燈滅，光弱時燈亮連接實物圖，使得光強時燈滅，光弱時燈亮 簡要說明此電路的工作原理簡要說明此電路的工作原理第8章 光電電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用第8章 光電電式傳傳感器及其應(yīng)應(yīng)用 光強光強時時，光敏，光敏電電阻阻阻阻值變值變小，回路小，回路電電流流變變大，大，經(jīng)過經(jīng)過放大后放大后驅(qū)動電驅(qū)動電磁磁鐵鐵，使，使銜鐵銜鐵向下，燈泡向下，燈泡斷開斷開而燈而燈滅滅；反之，光弱

50、；反之，光弱時時燈亮燈亮第9章 光纖傳纖傳感器及其應(yīng)應(yīng)用1515、圖中為反射型光纖位移傳感器組成框圖，試說明工圖中為反射型光纖位移傳感器組成框圖，試說明工作原理。作原理。解：解：由光源發(fā)出的光經(jīng)入射光纖束傳輸入射到被測目標(biāo)表面,目標(biāo)表面的反射光由與發(fā)射光纖束扎在一起的接收光纖束傳輸至光敏元件。當(dāng)被測表面與光纖探頭距離變化時,接收到的光強也隨之變化小,光敏輸出器的輸出信號經(jīng)過放大、AD轉(zhuǎn)換后送單片機處理并顯示。第9章 光纖傳纖傳感器及其應(yīng)應(yīng)用1616、下圖所示為光纖加速度傳感器原理圖，簡要、下圖所示為光纖加速度傳感器原理圖，簡要分析其工作原理。分析其工作原理。低通濾波器D1D2 差分放大器激光二極管3