傳感器第六、七、八章思考題及習(xí)題

1、第六章 思考題與習(xí)題1、什么是壓電效應(yīng)？答：沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)加力而使其變形時(shí)，在一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)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(yīng)。當(dāng)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(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場散去，這些變形和應(yīng)力也隨之消失，此即稱為逆壓電效應(yīng)。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由上式可知，用當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜壓力（=0）時(shí)，前置放大器輸入電壓等于零。因?yàn)殡姾删蜁?huì)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(diǎn)？

2、為什么電壓靈敏度與電纜長度有關(guān)？而電荷靈敏度與電纜長度無關(guān)？答：p115補(bǔ)充題：1、有一壓電晶體，其面積為20mm2，厚度為10mm，當(dāng)受到壓力p=10MPa作用時(shí)，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(yīng)之BaTiO3（壓電陶瓷）。已知：S=20 mm2，=10mm，P=10MPa，求：Q=？，V=？解： 而： 又 而： 解 而： 同上：又 而： 2、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1M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(yīng)如系統(tǒng)允許的測量幅值誤差為5%,可測最低頻率時(shí)多少？如頻率為1

3、0Hz,允許誤差為5%,用并聯(lián)方式，電容值是多少？已知：求：解 解依據(jù)教材p113(6-14)式 ；而： 解依據(jù)教材p113(6-15)式因： 高頻響應(yīng)時(shí)：而：則：其中：解得：解因： 則： 其中：解得：3、用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測量機(jī)器的振動(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,當(dāng)機(jī)器達(dá)到最大加速度值時(shí)相應(yīng)的輸出電壓幅值為2V,試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。已知：ka=5pC/g，kq=50mV/pC，Vomax=2V求：amax=？解：因?yàn)椋?則有： 所以： 4、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

4、變化。材料的彈性模量是91010Pa,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1014 。一個(gè)20pF的電容和一個(gè)100M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，=1mm，E=91010Pa，kq=2pC/N，r=5.1，Ra=1014，Ci=20pF，Ri=100M，F(xiàn)=0.01sin(103t) N，F(xiàn)max=0.01 N，=103求：Vop-p=? max=？解由圖知而：所以：則：又因： 則有：Vop-p=2Uom=1.5mV解因?yàn)椋簞t有：即有：所以：第七章 思考題與習(xí)題1、

5、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？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、氦氖激光器、半導(dǎo)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(diǎn)？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(yīng)。它其特點(diǎn)是：對波長沒有選擇性（具有寬廣和平坦的光譜響應(yīng)），只與接收到的總能量有關(guān)，適應(yīng)于紅外探測。而光子探測器是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)，即利用光子本身能量激發(fā)載流子。其特

6、點(diǎn)是：具有一定的截止波長，只能探測短于這一波長的光線，但它們的響應(yīng)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(hào)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(gè)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(gè)柵的柵電極連接到同一驅(qū)動(dòng)信號(hào)上，亦稱時(shí)鐘脈沖。三相時(shí)鐘脈沖的波形如下圖所示。在t1時(shí)刻，1高電位，2、3低電位。此時(shí)1電極下的表面勢最大，勢阱最深。假設(shè)此時(shí)已有信號(hào)電荷（電子）注入，則電荷就被存儲(chǔ)在

7、1電極下的勢阱中。t2時(shí)刻，1、2為高電位，3為低電位，則1、2下的兩個(gè)勢阱的空阱深度相同，但因1下面存儲(chǔ)有電荷，則1勢阱的實(shí)際深度比2電極下面的勢阱淺，1下面的電荷將向2下轉(zhuǎn)移，直到兩個(gè)勢阱中具有同樣多的電荷。t3時(shí)刻，2仍為高電位，3仍為低電位，而1由高到低轉(zhuǎn)變。此時(shí)1下的勢阱逐漸變淺，使1下的剩余電荷繼續(xù)向2下的勢阱中轉(zhuǎn)移。t4時(shí)刻，2為高電位，1、3為低電位，2下面的勢阱最深，信號(hào)電荷都被轉(zhuǎn)移到2下面的勢阱中，這與t1時(shí)刻的情況相似，但電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)電極的位置。當(dāng)經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期T后，電荷包將向右轉(zhuǎn)移三個(gè)電極位置，即一個(gè)柵周期（也稱一位）。因此，時(shí)鐘的周期變化，就可使CCD中的電

8、荷包在電極下被轉(zhuǎn)移到輸出端，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(jìn)行工件尺寸測量的原理及測量系統(tǒng)的組成。答：利用CCD進(jìn)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(jì)算工件尺寸數(shù)據(jù)。如果在光學(xué)系統(tǒng)放大率為1/M的裝置中，有：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(gè)光敏單元之間可能的最大誤差）。CCD測量系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、圖像傳感器和微處理機(jī)等組成。6、試述用一維PSD進(jìn)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(yīng)，當(dāng)PSD工作在反向偏壓狀態(tài)時(shí)（公用極3正電壓），流經(jīng)電極1、2的電流I1和I2與

9、入射光的強(qiáng)度和入射光點(diǎn)的位置有關(guān)。如下式：由上兩式得：式中：XA為入射光點(diǎn)位置；L為PSD的長度。顯然，通過I1與I2可確定入射光點(diǎn)位置XA。7、利用由斯乃爾定律推導(dǎo)出的臨界角c表達(dá)式，計(jì)算水（n=1.33）與空氣（n1）分界面的c的值。已知：n0=1；n1=1.33求：c=？解： 而：/=900，=c 8、求n1=1.46,n 2=1.45的光纖的NA值；若外部的n0=1，求最大入射角c =?已知：n1=1.46；n2=1.45；n0=1求：NA=?；m=？解： 解： 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(qiáng)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

10、傳感器進(jìn)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(jìn)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)被測物表面直接或間接反射后，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移而變化而實(shí)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(dāng)兩光纖距離較遠(yuǎn)時(shí)，沒有光通過斜切面耦合到接收光纖。但是，當(dāng)兩斜切面非常接近時(shí)，由于光是一種電磁波，全內(nèi)反射時(shí)雖然沒有光能進(jìn)入相鄰介質(zhì)，但電磁波卻能進(jìn)入相鄰介質(zhì)一定的深度，此電磁波就稱為瞬逝波。所以，當(dāng)兩切面距離小于

11、光波波長時(shí)，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(jìn)行測量測。光柵式傳感器一般由光源、標(biāo)尺光柵、指示光柵和光電器件組成。測量時(shí)取兩塊光柵常數(shù)相同的光柵，其中一塊用作標(biāo)尺光柵，它可以移動(dòng)（或固定不動(dòng)），另一塊用作指示光柵，它固定不動(dòng)（或可以移動(dòng)），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(dāng)標(biāo)尺光柵沿垂直于柵線方向每移過一個(gè)

12、柵距時(shí)，莫爾條紋近似沿柵線方向移過一個(gè)條紋間距。用光電器件接收莫爾條紋信號(hào)，經(jīng)電路處理后用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，可得到標(biāo)尺光柵移過的距離，實(shí)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(yùn)動(dòng)有嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系、位移放大作用和誤差平均效應(yīng)等特點(diǎn)。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

13、受長光柵的莫爾條紋信號(hào)，如果光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為10-6s ,光柵的柵線密度為50線1mm,試計(jì)算長光柵所允許的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)?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(bǔ)充題：若要使光纖的最大入射角，纖芯的折射率n1=1.46，外部空氣折射率n0=1，試確定包層采用何種折射率n2的材料。 =1.45 2、利用某渦流傳感器（靈敏度為SV=4V/mm）測量簡諧振動(dòng)速度和加速度，已知振動(dòng)頻率為20HZ，測得傳感器輸出電壓VO，P-P=0.4V，求： 振動(dòng)的最大速度

14、和最大加速度。已知：SV=4V/mm；f=20Hz；VO，P-P=0.4V。求：Vm=？am=?解：設(shè)簡諧振動(dòng)為：而=2f=220=40因?yàn)椋篠V=u0/x則：而： mm 所以：3、利用某磁電式振動(dòng)速度傳感器測量簡諧振動(dòng)，其振動(dòng)頻率f=20HZ，振幅為5mm ，若傳感器的靈敏度為SV=4.88V/ms-1 。問該傳感器輸出電壓多少？若測得頻率為100HZ的某振動(dòng)的輸出電壓為VO，P-P=0.5V 。問該振動(dòng)體的速度和振幅是多少？已知：f=20HZ；Am = 5 mm；SV=4.88V/ms-1；求：m =？；當(dāng)f=100Hz，VO，P-P=0.5V時(shí)，Vm=？；Am=？。解：設(shè)簡諧振動(dòng)為：而: = 2f則： Vm = A m= 2f Am = 2205mm = 0.6283 ms-1因?yàn)椋?SV =U/ V/ms-1 所以：Um = SV m = 4.880.6283 = 3.066 V 解 因?yàn)椋簃 =Um/ SV Um = 0.5 VO，P-P =0.50.5V = 0.25V 所以：m = 0.25/4.88 = 0.0512 ms-1 Am=m/2f = 0.0512/(2100) = 8.1510-5 m = 81.5m 4、變極距式電容傳感器的初始極距0=1mm ，要求電容傳感器理論相對非線性誤差小于0.1%時(shí)，允許的最大測量范圍max