傳感器第七、八章思考題與習題

1、第六章思考題與習題1、什么是壓電效應？答：沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)加力而使其變形時，在一定表面上產(chǎn)生電荷，當外力取消，又重新回到不帶電狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為正壓電效應。當在某些電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外加電場散去，這些變形和應力也隨之消失，此即稱為逆壓電效應。2、為什么壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量？答：壓電元件送入放大器的輸入電壓Md33FmRUim:22212R2(CaCcCi)2由上式可知，用當作用在壓電元件上的力是靜壓力(3=0)時，前置放大器輸入電壓等于零。因為電荷就會通過放大器的輸入電阻和傳感器本身的泄漏電阻漏掉。所以壓電傳感器不能測量

2、靜態(tài)物理量。3、壓電式傳感器中采用電荷放大器有何優(yōu)點？為什么電壓靈敏度與電纜長度有關？而電荷靈敏度與電纜長度無關？答：p115補充題：1、有一壓電晶體，具面積為20mm2,厚度為10mm,當受到壓力p=10MPa作用時，求產(chǎn)生的電荷及輸出電壓：零度X切的縱向石英晶體；利用縱向效應之BaTiO3(壓電陶瓷)。已知：S=20mm2,6=10mm,P=10MPa,求：Q=?,V=?解：Q=d1F=d11Ps而：d11=2.31m10,2(c/N)10Q=dnPS=4.6210c0-rSQ-'12,l,、又=U=Q/Ca=Q/(-0-)=-而："=4.5、%=8.85"01

3、2(F/m)、；o；rS,QU=Q/Ca=579萬(V)；0；rS解Q=d33F=d33Ps而：d33=90M102(c/N)Q=d33Ps=3.810%同上：又=U=Q/Ca=Q/(4rs)=-Q而：%=1200、%=8.85M10-12(F/m)二；o"SU=Q/Ca=-Q-=1788(V)；0rS2、某壓電晶體的電容為1000pF;Kq=2.5C/cm,Cc=3000pF,示波器的輸入阻抗為1MQ和并聯(lián)電容為50pF求；壓電晶體的電壓靈敏度；測量系統(tǒng)的高頻響應如系統(tǒng)允許的測量幅值誤差為5%,可測最低頻率時多少？如頻率為10Hz,允許誤差為5%,用并聯(lián)方式,電容值是多少？已知：C

4、a=1000pF；kq=2.5c/N；Cc=3000pF；Ri=lMC；Ci=50pF求：。=2高頻響應，kv=Uim(二)/FmLE5%時，fLC=?f=10HzJlM5%,并聯(lián)電容Ci=?解;kv=kq/Cakv=2.5109(V/N)解依據(jù)教材p113(6-14成=Uim(二)/Fm_d33:CaCcCi?acikq=Q/F=d33F/F=d33q=6.17108(V/N)CaCcCi解依據(jù)教材p113(6-15成因:k()R(CaCcCi)22_21'R(CaCcCi)局頻響應時：k=k(：；)=1*而：LkdI)工5%k則：k(,)=，R(CaCc匕)_95%1-2R2(Ca

5、CcCi)2其中：'R=RaRi&Ri=106C«Ca+Cc+Cj=4050pF;el=2nfl解得：fL=上=119.5Hz2二解.*.因：Lk')<5%k則:k(.).R(CaCcC"95%12R2(CaCcCi)2其中:'R=RaR定Ri=106建f=10Hz,w=2nf解得：C=CaCcC=48447pFac3、用石英晶體加速度計及電荷放大器測量機器的振動，已知：加速度計靈敏度為5pC/g,電荷放大器靈敏度為50mV/pC,當機器達到最大加速度值時相應的輸出電壓幅值為2V,試求該機器的振動加速度。已知：ka=5pC/g,kq=5

6、0mV/pC,Vomax=2V求：amax=?解：因為：ka=Q/a；kq=V0/Q則有：V。=kakqa所以：amax=&=8gkakq4、石英晶體壓電式傳感器，面積為1cm2,厚度為1mm,固定在兩金屬板之間，用來測量通過晶體兩面力的變化。材料的彈性模量是9X1010Pa,電荷靈敏度為2pC/N,相對介電常數(shù)是5.1,材料相對兩面間電阻是1014Q。一個20pF的電容和一個100MQ的電阻與極板相連。若所加力F=0.01sin(103t)N,求；兩極板間電壓峰一峰值；晶體厚度的最大變化。已知：S=1cm2,1=1mm,E=9X1010Pa,kq=2pC/N,&r=5.1,R

7、a=1014Q,Ci=20pF,_3_3Ri=100MQ,F=0.01sin(103t)N,Fmax=0.01N,=103求：Vop-p=?A6max=?解由圖知U0=(GaGi)j(CaCi)dQ.J而.I=jQdt所以：Uo：-Q,(GaGi)2-2(CaCi)2則:U0mQm(GaGi)21(CaCi)2則有:解因為:則有:又因：Qm=kqFm=20.01=0.02pCVop-p=2Uom=1.5mV:一F/SE二一二/.=匚.ES即有：，Cm='二ES所以：-max=2cm=2、；=2.210,2mmES第七章思考題與習題1、光電式傳感器常用光源有哪幾種，哪些光源可用作紅外光源

8、？答：光電式傳感器常用光源有自然光源和人造光源，人造光源包括熱輻射光源、氣體放電光源、電致發(fā)光光源和激光光源?？勺鳛榧t外光源的有白熾燈、Nd:YAG固體激光器、氫式激光器、半導體激光器和染料激光器等。2、光電式傳感器常用接收器件有哪幾種，各基于什么原理各有什么特點？答：光電式傳感器常用接收器件按原理可分為熱探測器和光子探測器兩類。熱探測器是基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應。它其特點是：對波長沒有選擇性（具有寬廣和平坦的光譜響應），只與接收到的總能量有關，適應于紅外探測。而光子探測器是基于一些物質(zhì)的光電效應，即利用光子本身能量激發(fā)載流子。其特點是：具有一定的截止波長，只能探測短于這一波長的光線，

9、但它們的響應速度快，靈敏度高，使用廣泛。3、電荷藕合器件有哪幾種，各有那幾部分組成？答：電荷藕合器件有線陣電荷耦合器件和面陣電荷耦合器件。它由MOS光敏單元和讀出移位寄存器組成。4、電荷藕合器件中的信號電荷是如何傳輸?shù)模看穑阂缘湫偷娜郈CD為例說明CCD電荷轉(zhuǎn)移的基本原理。三相CCD是由每三個柵為一組的間隔緊密的MOS結(jié)構(gòu)組成的陣列。每相隔兩個柵的柵電極連接到同一驅(qū)動信號上，亦稱時鐘脈沖。三相時鐘脈沖的波形如下圖所示。在t1時刻，口高電位，小2、小3低電位。此時小1電極下的表面勢最大，勢阱最深。假設此時已有信號電荷（電子）注入，則電荷就被存儲在小1電極下的勢阱中。t2時刻，小!小2為高電位，

10、小3為低電位，則小1小2下的兩個勢阱的空阱深度相同，但因下面存儲有電荷，則小1勢阱的實際深度比小2電極下面的勢阱淺，下面的電荷將向小2下轉(zhuǎn)移，直到兩個勢阱中具有同樣多的電荷。t3時刻，小2仍為高電位，小3仍為低電位，而小1由高到低轉(zhuǎn)變。此時口下的勢阱逐漸變淺，使小1下的剩余電荷繼續(xù)向小2下的勢阱中轉(zhuǎn)移。t4時刻，小2為高電位，小1小3為低電位，小2下面的勢阱最深，信號電荷都被轉(zhuǎn)移到小2下面的勢阱中，這與t1時刻的情況相似，但電荷包向右移動了一個電極的位置。當經(jīng)過一個時鐘周期T后，電荷包將向右轉(zhuǎn)移三個電極位置，即一個柵周期（也稱一位）。因此，時鐘的周期變化，就可使CCD中的電荷包在電極下被轉(zhuǎn)移到

11、輸出端，其工作過程從效果上看類似于數(shù)字電路中的移位寄存器。5、簡述利用CCD進行工件尺寸測量的原理及測量系統(tǒng)的組成。答：利用CCD進行工件尺寸測量的原理是根據(jù)工件成像輪廓覆蓋的光敏單元的數(shù)量來計算工件尺寸數(shù)據(jù)。如果在光學系統(tǒng)放大率為1/M的裝置中，有：L=（Nd-2d）M式中：L工件尺寸；N覆蓋的光敏單元數(shù)；d相鄰光敏單元中心距離（±2d為圖像末端兩個光敏單元之間可能的最大誤差）。CCD測量系統(tǒng)由光學系統(tǒng)、圖像傳感器和微處理機等組成。6、試述用一維PSD進行距離測量的原理。答：一維PSD結(jié)構(gòu)圖如下：由于橫向光電效應，當PSD工作在反向偏壓狀態(tài)時（公用極3正電壓），流經(jīng)電極1、2的電流

12、I1和I2與入射光的強度和入射光點的位置有關。如下式：1211=2（1一Xa）i0122（1由上兩式得:Xa式中：XA為入射光點位置；L為PSD的長度。顯然，通過Ii與I2可確定入射光點位置Xa。7、利用由斯乃爾定律推導出的臨界角8c表達式，計算水(n=1.33)與空氣(n=1)分界面的9c的值。已知：n0=1；ni=1.33求：0c=?解：:n1sin=nosin'而：=900,0=0c%=arcsin(n0/n1)=arcsin(1/1.33)=48.75°8、求n1=1.46,n2=1.45的光纖的NA值；若外部的no=1,求最大入射角8c=?已知：n1=1.46;n2

13、=1.45;n0=1求：NA=?;8m=?解：NA=n°sin%=(n2-n2)1/2_1/2_=(2.13-2.10)=0.173解：NA=n°sin8C-m-c=arcsin=9.96°n°9、光纖傳感器有哪幾種調(diào)制方式？答：光纖傳感器有3種調(diào)制方法，即：光強度調(diào)制型、光相位調(diào)制型和光偏振態(tài)調(diào)制型。10、利用光纖傳感器進行位移測量的方法有哪些？簡述其工作原理。答：利用光纖傳感器進行位移測量主要有反射方式和瞬逝波方式兩種方法。反射式光纖傳感器工作原理是從發(fā)射光纖出射的光經(jīng)被測物表面直接或問接反射后，由接收光纖傳到光電器件上，光量隨反射面相對光纖端面的位

14、移而變化而實現(xiàn)測量位移的目的。瞬逝波光纖傳感器工作原理是兩光纖端面斜切，端面對光纖軸線有相同角度，斜面拋光，以便光線再接收光纖頭內(nèi)形成全反射。當兩光纖距離較遠時，沒有光通過斜切面耦合到接收光纖。但是，當兩斜切面非常接近時，由于光是一種電磁波，全內(nèi)反射時雖然沒有光能進入相鄰介質(zhì)，但電磁波卻能進入相鄰介質(zhì)一定的深度，此電磁波就稱為瞬逝波。所以，當兩切面距離小于光波波長時，將有部分光透過間隙耦合到接收光纖，距離越近，耦合能量越大，根據(jù)此原理，可制成光纖位移傳感器。11、試述光柵式傳感器的基本工作原理。答：光柵式傳感器是利用光柵的莫爾條紋進行測量測。光柵式傳感器一般由光源、標尺光柵、指示光柵和光電器件

15、組成。測量時取兩塊光柵常數(shù)相同的光柵，其中一塊用作標尺光柵，它可以移動（或固定不動），另一塊用作指示光柵，它固定不動（或可以移動），兩者刻線面相對，中間留有很小的間隙相疊合，組成光柵副。將其置于光源和透鏡形成的平行光束的光路中，若兩光柵柵線之間有很小的夾角，則在近似垂直于柵線方向上顯現(xiàn)出比柵距寬很多的明暗相間的莫爾條紋，當標尺光柵沿垂直于柵線方向每移過一個柵距時，莫爾條紋近似沿柵線方向移過一個條紋間距。用光電器件接收莫爾條紋信號，經(jīng)電路處理后用計數(shù)器計數(shù)，可得到標尺光柵移過的距離，實現(xiàn)測量位移的目的。12、莫爾條紋是如何形成的？它有哪些特性？答：把兩光柵刻線面相對，中間留有很小的間隙相疊合，將

16、其置于光源和透鏡形成的平行光束的光路中，若兩光柵柵線之間有很小的夾角，則由于兩光柵的柵線相互擋光作用的結(jié)果，在近似垂直于柵線方向上顯現(xiàn)出比柵距寬很多的明暗相間的莫爾條紋。莫爾條紋具有運動有嚴格對應關系、位移放大作用和誤差平均效應等特點。13、試分析為什么光柵式傳感器有較高的測量精度？14、長、圓光柵各有哪些種莫爾條紋？那些事常用的？15、用四只光敏二極管接受長光柵的莫爾條紋信號，如果光敏二極管的響應時間為10-6s洸柵的柵線密度為50線1mm,試計算長光柵所允許的運動速度。16、與單頻激光干涉儀相比較，說明雙頻激光干涉儀有哪些特點？17、激光測微側(cè)頭為什么采用激光二極管作光源？18、簡述激光掃

17、描測長的基本原理。19、簡述激光多普勒測速的基本原理。第七章補充題：若要使光纖的最大入射角露=10°,纖芯的折射率n1=1.46,外部空氣折射率no=1,試確定包層采用何種折射率n2的材料1NA=n0sinc=n1-n222=1.452、利用某渦流傳感器（靈敏度為S/=4V/m6測量簡諧振動速度和加速度，已知振動頻率為20A,測得傳感器輸出電壓Vqp-p=0.4V,求：振動的最大速度和最大加速度。已知：S=4V/mmf=20Hz;Vo,p-p=0.4V。求：V=?am=?解：設簡t皆振動為：x=Xmsin8t而=2兀f=2兀X20=40冗因為：S/=U0/x則：Uo=SyXSvXms

18、in.t=U°mSint而:XmU0m與V0Pq2Sv0.424=0.05mm所以：dx、，、，v=Xm，cost=Vmcostdt有：Vm=Xm、f=0.0540二-2二-6.28mm/sdv2a=Xm，sint=-amsintdt有：am=Xm2=0.05(40二)2=80二2=788.8mm/s23、利用某磁電式振動速度傳感器測量簡諧振動，具振動頻率f=20H,振幅為5mm,若傳感器的靈敏度為S/=4.88V/ms-1。問該傳感器輸出電壓多少？若測得頻率為100W的某振動的輸出電壓為Wp-p=0.5V。問該振動體的速度和振幅是多少？1已知：f=20H;Am=5mm；S/=4.88V/ms;求：um=?;當f=100Hz,V,p-p=0.5V時，VmW;Am=。解：設簡t皆振動為：x=Amsin0t而：=2t