傳感器習(xí)題周真

./傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)3.傳感器主要由哪些部分組成？并簡單介紹各個(gè)組成部分。答：傳感器的核心部件是敏感元件,它是傳感器中用來感知外界信息和轉(zhuǎn)換成有用信息的元件。傳感器一般由敏感元件、傳感元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。圖1-1傳感器的組成<1>敏感元件直接感受被測量,并以確定的關(guān)系輸出某一物理量。<2>傳感元件將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)量或電量。<3>基本轉(zhuǎn)換電路將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于測量的電量。基本轉(zhuǎn)換電路的類型又與不同的工作原理的傳感器有關(guān)。因此常把基本轉(zhuǎn)換電路作為傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。4.傳感器的靜態(tài)特性的參數(shù)主要有哪些？答：表征傳感器的靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯、重復(fù)性、穩(wěn)定性、漂移、閾值等。6.傳感器未來發(fā)展的方向主要有哪些？答：<1>開發(fā)新材料<2>提高傳感器性能擴(kuò)大檢測范圍<3>傳感器的微型化和微功耗<4>傳感器的智能化<5>傳感器的集成化和多功能化<6>傳感器的數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化電阻式傳感器2.說明電阻應(yīng)變片的組成、規(guī)格及分類。答：組成：電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引出線等部分組成。規(guī)格：應(yīng)變片規(guī)格一般是以有效使用面積和敏感柵的電阻值來表示。分類：電阻應(yīng)變片按其敏感柵的材料不同,可分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。常見的金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種形式。3.什么叫應(yīng)變效應(yīng)?利用應(yīng)變效應(yīng)解釋金屬電阻應(yīng)變片的工作原理。答：電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí),其阻值發(fā)生變化,此現(xiàn)象稱為電阻"應(yīng)變效應(yīng)"。根據(jù)這種效應(yīng),將應(yīng)變片用特制膠水粘在被測材料的表面,被測材料在外力的作用下產(chǎn)生的應(yīng)變就會(huì)傳送到應(yīng)變片上,使應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化,通過測量應(yīng)變片電阻值的變化就可得知被測量的大小。4.金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理有何區(qū)別?各有何優(yōu)缺點(diǎn)？答：金屬電阻應(yīng)變片可分為：<1>絲式應(yīng)變片：其優(yōu)點(diǎn)是粘貼性能好,能保證有效地傳遞變形,性能穩(wěn)定．且可制成滿足高溫、強(qiáng)的磁場、核輻射等特殊條件使用的應(yīng)變片。缺點(diǎn)是U形應(yīng)變片的圓弧形彎曲段呈現(xiàn)橫向效應(yīng),H形應(yīng)變片的焊點(diǎn)過多,可靠性下降；<2>箔式應(yīng)變片：優(yōu)點(diǎn)是黏合情況好,散熱能力較強(qiáng),輸出功率較大,靈敏度高等。在工藝上可按需要制成任意形狀,易于大量生產(chǎn),成本低廉,在電測中獲得廣泛應(yīng)用。尤其在常溫條件下,箔式應(yīng)變片已逐漸取代了絲式應(yīng)變片。薄膜型是在薄絕緣基片上蒸鍍金屬制成。半導(dǎo)體應(yīng)變片:是用鍺或硅等半導(dǎo)體材料制成敏感柵。半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)大、機(jī)械滯后小、頻率響應(yīng)快、阻值范圍寬<可從幾歐到幾十千歐>．易于做成小型和超小型；但熱穩(wěn)定性差,測量誤差較大。7.說明差動(dòng)電橋減小溫度誤差的原理。答：巧妙地安裝應(yīng)變片而不需補(bǔ)償并能得到靈敏度的提高。如圖2-1,測懸梁的彎曲應(yīng)變時(shí),將兩個(gè)應(yīng)變片分別貼于上下兩面對稱位置,R1與RB特性相同,所以兩電阻變化值相同而符號相反。將R1與RB按圖2-4裝在R1和R2的位置,因而電橋輸出電壓比單片時(shí)增加1倍。當(dāng)梁上下溫度一致時(shí),RB與R1可起溫度補(bǔ)償作用。2-1應(yīng)變片受力變化圖9.說明電橋的工作原理。若按不同的橋臂工作方式,可分為哪幾種?各自的輸出電壓如何計(jì)算?答：由于應(yīng)變片電橋電路的輸出信號一般比較微弱,所以目前大部分電阻應(yīng)變式傳感器的電橋輸出端與直流放大器相連,如圖2-2所示圖2-2直流電橋<1>等臂電橋當(dāng)R1R4＝R2R3時(shí),稱為等臂電橋,即電橋處于平衡狀態(tài)時(shí),輸出電壓U0＝0。若電橋各臂均有相應(yīng)電阻增量,得當(dāng)R1＝R2＝R3=R4＝R時(shí),又<i＝1,2,3,4>很小,上式可簡化為<2>差動(dòng)電橋①半橋差動(dòng)電路：若電橋橋臂兩兩相等,即R1=R2=R,R3=R4=若,,則得②全橋差動(dòng)電路：若將電橋4個(gè)臂接入4個(gè)應(yīng)變計(jì),即2個(gè)受拉應(yīng)變,2個(gè)受壓應(yīng)變,將2個(gè)應(yīng)變相同的應(yīng)變計(jì)接入相對橋臂上,構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。若且則,。10.如何提高應(yīng)變片電橋的輸出電壓靈敏度及線性度？答：<1>由可知,當(dāng)電源電壓U及應(yīng)變片電阻相對變化一定時(shí),電橋得輸出電壓及其電壓靈敏度與各橋臂得阻值無關(guān)。電橋電源電壓越高,輸出電壓的靈敏度越高。但提高電源電壓使應(yīng)變片和橋臂電阻功耗增加,溫度誤差增大。一般電源電壓取3V~6V為宜。<2>一般消除非線性誤差的方法有以下幾種：①采用差動(dòng)電橋。利用橋路電阻變化的特點(diǎn),可使橋路形成差動(dòng)電橋<半橋或全橋>。②采用高內(nèi)阻的恒流源電橋。采用恒流源比采用恒壓源的非線性誤差減小一倍。一般半導(dǎo)體應(yīng)變片的橋路采用恒流源供電。11.如果將電阻應(yīng)變片貼在彈性試件上,若試件受力橫截面積,彈性模量,若有的拉力引起應(yīng)變電阻變化為。試求該應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)？解：由題意得應(yīng)變片電阻相對變化量。根據(jù)材料力學(xué)理論可知：應(yīng)變<為試件所受應(yīng)力,>,故應(yīng)變應(yīng)變片靈敏度系數(shù)12.一臺用等強(qiáng)度梁作為彈性元件的電子秤,在梁的上、下面各貼兩片相同的電阻應(yīng)變片<K=2>如圖2-3<a>所示。已知,?，F(xiàn)將四個(gè)應(yīng)變片接入圖<b>直流橋路中,電橋電源電壓。當(dāng)力時(shí),求電橋輸出電壓？圖2-3解：由圖<a>所示四片相同電阻應(yīng)變片貼于等強(qiáng)度梁上、下面各兩片。當(dāng)重力F作用梁端部后,梁上表面和產(chǎn)生正應(yīng)變電阻變化而下表面和則產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變電阻變化,其應(yīng)變絕對值相等,即電阻相對變化量為現(xiàn)將四個(gè)應(yīng)變電阻按圖<b>所示接入橋路組成等臂全橋電路,其輸出橋路電壓為13.如將兩個(gè)電阻應(yīng)變片平行地粘貼在鋼制試件上,試件初載等截面積為,彈性模量E=200GN/m2,由50kN的拉力所引起的應(yīng)變片電阻變化為1。把它們接入惠斯登電橋中,電橋電源電壓為1V,求應(yīng)變片靈敏系數(shù)和電橋輸出電壓為多少？解:因?yàn)?應(yīng)力/應(yīng)變=E所以,應(yīng)變=應(yīng)力/E=50000N/<0.5×10-4m2×200×109N/m2>=0.005故應(yīng)變片靈敏系數(shù)k為當(dāng)電阻應(yīng)變片與匹配電阻構(gòu)成惠斯登電橋時(shí),兩應(yīng)變片處于不同的橋臂將會(huì)有不同的輸出：<1>兩應(yīng)變片接在相鄰的橋臂時(shí),由于兩應(yīng)變片平行貼在試件上,兩電阻變化值都是1,且符號相同,故它們對電橋的作用相互抵消,輸出電壓為零。這種效果在應(yīng)變片溫度補(bǔ)償中得到了應(yīng)用。<2>兩應(yīng)變片接在相對的橋臂時(shí),因那時(shí)它們對電橋的貢獻(xiàn)就相當(dāng)于兩個(gè)單臂電橋,故其輸出電壓U0為=應(yīng)當(dāng)指出,如果把兩應(yīng)變片平行粘貼在水平放置的懸臂梁的上、下兩側(cè),并把它們接入相鄰的兩橋臂,則組成了差動(dòng)電橋,輸出電壓U0也將是5mV,因?yàn)槟菚r(shí)兩應(yīng)片的電阻變化值的符號相反。14.圖2-4為一直流電橋。圖中E＝4V,R1＝R2＝R3＝R4＝120,試求：<1>R1為金屬應(yīng)變片,其余為外接電阻,當(dāng)Rl的增量△R＝1.2時(shí),電橋輸出電壓Uo是多少？<2>R1、R2都是應(yīng)變片,型號規(guī)格相同,感應(yīng)應(yīng)變的極性和大小都相同,其余為外接電阻,電橋輸出電壓U0是多少？<3>題<2>中,如果R2和R1感受應(yīng)變的極性相反,且R1＝R2＝1.2時(shí)．電橋輸出電壓Uo是多少？圖2-4直流電橋解：<1>根據(jù)式,其中,因?yàn)橐阎猂1＝R2＝R3＝R4,所以n=1,所以,電橋輸出電壓為。<2>當(dāng)雙橋臂變化時(shí),,因?yàn)镽1＝R2,,所以。<3>因?yàn)镽2和R1感受應(yīng)變的極性相反,所以輸出電壓為,將已知條件代入得。電容式傳感器3.電容式傳感器主要有哪幾種類型的測量電路?各有些什么特點(diǎn)?答：主要有電橋電路,雙T二極管交流電橋,差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路,運(yùn)算放大器電路和調(diào)頻測量電路。電容傳感器的平衡電橋測量電路在實(shí)際應(yīng)用中往往保證初始平衡狀態(tài)的分壓系數(shù)不變,而在傳感器中心極板位移引起其電容變化時(shí),測量電橋的不平衡輸出,即不平衡電橋電路。它一般用穩(wěn)頻、穩(wěn)幅和固定波形的低阻信號源去激勵(lì),最后經(jīng)過電流放大機(jī)相敏檢波處理得到直流輸出信號。雙T二極管交流電橋<又稱二極管T型網(wǎng)絡(luò)>如圖3-1所示。它是利用電容器沖放電原理組成的電路。他的主要應(yīng)用特點(diǎn)如下：圖3-14雙T二極管交流電橋<1>電源、傳感器電容、負(fù)載均可同時(shí)在一點(diǎn)接地；<2>二極管D1、D2工作于高電平下,因而非線性失真?。?lt;3>其靈敏度與電源頻率有關(guān),因此電源頻率需要穩(wěn)定；<4>將D1、D2、R1、R2安裝在C1、C2附近能消除電纜寄生電容影響；線路簡單；<5>輸出電壓較高。<6>負(fù)載電阻RL將影響電容放電速度,從而決定輸出信號的上升時(shí)間。脈沖寬度調(diào)制電路具有以下特點(diǎn)：<1>輸出電壓與被測位移<或面積變化>成線性關(guān)系；<2>不需要解調(diào)電路,只要經(jīng)過低通濾波器就可以得到較大的直流輸出電壓；<3>不需要載波；<4>調(diào)寬頻率的辯護(hù)對輸出沒有影響。運(yùn)算放大器電路的最大特點(diǎn)就是能夠克服變間隙電容式傳感器的非線性而使其輸出電壓與輸入位移<間隙變化>有線性關(guān)系。調(diào)制測量電路的特點(diǎn)是：靈敏度高,可測量0.01μm甚至更小的位移變化量；抗干擾能力強(qiáng)；能獲得高電平的直流信號或頻率數(shù)字信號。缺點(diǎn)是受溫度影響大,給電路設(shè)計(jì)和傳感器設(shè)計(jì)帶來一定的麻煩。4.舉例說明變面積型電容傳感器的特點(diǎn)。答：變面積型電容傳感器的輸出特性呈線性。因而其量程不受線性范圍的限制,適合于測量較大的直線位移和角位移。5.說明電容式傳感器調(diào)頻電路的工作原理和特點(diǎn)。答：這種電路是將電容傳感器元件與一個(gè)電感元件相配合構(gòu)成一個(gè)調(diào)頻振蕩器。當(dāng)被測量使電容傳感器的電容之發(fā)生變化時(shí),振蕩器的振蕩頻率產(chǎn)生相應(yīng)變化。特點(diǎn)是：靈敏度高,可測量0.01μm甚至更小的位移變化量；抗干擾能力強(qiáng)；能獲得高電平的直流信號或頻率數(shù)字信號。缺點(diǎn)是受溫度影響大,給電路設(shè)計(jì)和傳感器設(shè)計(jì)帶來一定的麻煩。6.說明雙T二極管交流電橋的工作原理及輸出特性。答：雙T二極管交流電橋<又稱二極管T型網(wǎng)絡(luò)>如圖3-2所示。它是利用電容器沖放電原理組成的電路。圖3-2

雙T二極管交流電橋其中,是高頻電源,提供幅值為U的對稱方波<正弦波也適用>；D1、D2為特性完全相同的兩個(gè)二極管,R1=R2=R；C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。當(dāng)傳感器沒有位移輸入時(shí),C1=C2,RL在一個(gè)周期內(nèi)流過的平均電流為零,無電壓輸出。當(dāng)C1或C2變化時(shí),RL上產(chǎn)生的平均電流將不再為零,因而有信號輸出。其輸出電壓的平均值為：

<3-2>式中f——為電源頻率。當(dāng)RL已知時(shí),上式中：為常數(shù),則其輸出電壓很高。7.說明脈沖寬度調(diào)制電路的工作原理及在差動(dòng)電容相等和不相等時(shí)的各點(diǎn)電壓波形。答：圖3-3為一種差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路。當(dāng)接通電源后,若觸發(fā)器Q端為高電平<U1>,則Q端為低電平<0>。圖3-3差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路

工作時(shí),當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器<FF>的輸出A點(diǎn)為高電位時(shí),通過R1對C1充電；當(dāng)F點(diǎn)電位UF升到與參考電壓Ur相等時(shí),比較器IC1產(chǎn)生一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),從而使Q端為低電平,端為高電平<U1>。此時(shí),由電容C1通過二極管D1迅速放電至零,而觸發(fā)器由端經(jīng)R2向C2充電；當(dāng)G點(diǎn)電位UG與參考電壓Ur相等時(shí),比較器IC2輸出一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),從而循環(huán)上述過程。當(dāng)C1=C2時(shí),各點(diǎn)的電壓波形如圖3-4<a>所示,Q和兩端電平的脈沖寬度相等,兩端間的平均電壓為零。當(dāng)C1＞C2時(shí),各點(diǎn)的電壓波形如圖3-4<b>所示。圖3-4各點(diǎn)電壓波形圖8.簡述電容式傳感器的主要應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)。答：<1>分辨力極高,能測量低達(dá)10-7的電容值或0.01μm的絕對變化量和高達(dá)<C/C>=100%~200%的相對變化量,因此尤適合微信息檢測；<2>動(dòng)極質(zhì)量小,可無接觸測量；自身的功耗、發(fā)熱和遲滯極小,可獲得高的靜態(tài)精度和好的動(dòng)態(tài)特性；<3>結(jié)構(gòu)簡單,不含有機(jī)材料或磁性材料,對環(huán)境<除高濕外>的適應(yīng)性較強(qiáng)；<4>過載能力強(qiáng)。電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅,尤其適合測量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。11.已知變面積型電容傳感器的兩極板間距離為10mm,ε=50μF／m,兩極板幾何尺寸一樣,為30mm×20mm×5mm,在外力作用下,其中動(dòng)極板在原位置上向外移動(dòng)了10mm,試求C=?S=?解：根據(jù)式,可得出將已知條件代入到上式中,12.一個(gè)圓形平板電容式傳感器,其極板半徑為5mm,工作初始間隙為0.3mm,空氣介質(zhì),所采用的測量電路的靈敏度為100,讀數(shù)儀表靈敏度為5格/mV。如果工作時(shí)傳感器的間隙產(chǎn)生2μm的變化量,則讀數(shù)儀表的指示值變化多少格?解：因?yàn)?所以又因?yàn)?所以而測量電路的靈敏度,所以,讀數(shù)儀表的指示值變化格數(shù)=格。13.有一個(gè)以空氣為介質(zhì)的極板電容式傳感器,兩塊極板的面積均為80mm2,其中一塊極板在原始位置上平移了15mm后,與另一極板之間的有效重疊面積為20mm2,兩極板間距為1mm。已知空氣相對介電常數(shù)ε=1F/m,真空時(shí)的介電常數(shù)ε0=8.854×10-12F/m,求該傳感器的位移靈敏度S=?答：,其中,所以14.已知：平板電容傳感器極板間介質(zhì)為空氣,極板面積,間隙。試求傳感器初始電容值；若由于裝配關(guān)系,兩極板間不平行,一側(cè)間隙為,而另一側(cè)間隙為。求此時(shí)傳感器電容值。圖3-8解：初始電容值式中；。如圖3-8所示兩極板不平行時(shí)電容值15.變間距〔d型平板電容傳感器,當(dāng)時(shí),若要求測量線性度為0.1%。求允許間距測量最大變化量是多少？解：當(dāng)變間距型平板電容傳感器的時(shí),其線性度表達(dá)式為由題意,故得,即測量允許變化量。壓電式傳感器1.什么是壓電效應(yīng)？壓電材料有哪些種類？壓電傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)是什么？答：<1>物質(zhì)基礎(chǔ)質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時(shí),其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí),它們又重新回到不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。<2>壓電材料主要分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類。<3>壓電式傳感器具有使用頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、質(zhì)量輕、測量范圍廣等許多優(yōu)點(diǎn),因此在壓力沖擊和振動(dòng)等動(dòng)態(tài)參數(shù)測試中,是主要的傳感器品種,它可以把加速度、壓力、位移、溫度、濕度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。近年來由于電子技術(shù)飛躍發(fā)展,隨著與之配套的二次儀表,以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn),使壓電傳感器使用更為方便,集成化、智能化的新型壓電傳感器也正在被開發(fā)出來。2.標(biāo)出圖4-1<b>、<c>、<d>中壓電片上電荷的極性。并結(jié)合下圖說明什么叫縱向壓電效應(yīng)？什么叫橫向壓電效應(yīng)？圖4-1答：圖4-2上標(biāo)出了圖4-1中<b>、<c>、<d>中壓電片上電荷的極性。圖4-2在直角坐標(biāo)系中,z軸表示其縱向軸,稱為光軸；x軸平行于正六面體的棱線,稱為電軸；y軸垂直于正六面體棱面,稱為機(jī)械軸。通常沿電軸<x軸>方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為"縱向壓電效應(yīng)"；而把沿機(jī)械軸<y軸>方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為"橫向壓電效應(yīng)"；在光軸<z軸>方向受力時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。6.壓電式傳感器中采用電荷放大器有何優(yōu)點(diǎn)？為什么電壓靈敏度與電纜長度有關(guān)？而電荷靈敏度與長度無關(guān)？答：使用電荷放大器突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,在一定條件下,傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。傳感器的電壓靈敏度為所以,壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí),連接電纜不能太長。電纜長,電纜電容就大,電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。圖4-3是壓電式傳感器與電荷放大器連接的等效電路,由"虛地"原理可知,反饋電容折合到放大器輸入端的有效電容為<4-1>設(shè)放大器輸入電容為、傳感器的內(nèi)部電容為和電纜電容為,則放大器的輸出電壓<4-2>當(dāng),放大器的輸出電壓為<4-3>當(dāng)時(shí),傳感器的輸出靈敏度就可以認(rèn)為與電纜電容無關(guān)了,即電荷靈敏度與電纜的長度無關(guān)。圖4-3壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路7.有一壓電晶體,其面積S=20mm2,厚度=10mm,當(dāng)受到壓力P=10MPa作用時(shí),求產(chǎn)生的電荷量Q及輸出電壓。<1>零度X切的縱向石10英晶體；<2>利用縱向效應(yīng)之BaTiO3。解：<1>石英晶體受力F作用后產(chǎn)生的電荷量為式中d11——壓電系數(shù)。石英晶體在x軸方向受壓縮力時(shí),P——壓力<1Pa=1N/m2>。代入相應(yīng)的值,得其內(nèi)部電容量式中——相對介電常數(shù),石英為4.5；——真空介電常數(shù),為。故則輸出電壓<2>同理可得BaTiO3壓電材料的參數(shù)：電荷電容==電壓8.若一個(gè)裝有石英晶體壓電傳感器的測量系統(tǒng)等效電路如圖4-4所示,其參數(shù)為：Ra=10,Rt=10,Ca=30pF,Co=10pF,Ct=20pF。求電路的等效時(shí)間常數(shù)；若誤差要求≤5%；求在單位階躍脈沖作用下的有效測量時(shí)間？圖4-4解：電容放電,則t=0.310-4s。9.某石英晶體受縱向壓力=9.8N,其截面積=5cm,厚度=0.5cm。試求：<1>此壓電元件兩極片間的電壓值？<2>若壓電元件與高阻抗運(yùn)算放大器之間連接電纜的電容為C0=4pF,求此時(shí)壓電式傳感器的輸出電壓。解：<1><2>10.用壓電式傳感器測量最低頻率為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：相對幅頻特性,將已知量代入,則R=34M12.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)的輸出電壓幅值等于2V,試計(jì)算該機(jī)器的振動(dòng)加速度。解：系統(tǒng)靈敏度k等于傳感器靈敏度與電荷放大器靈敏度的乘積,所以,測得的加速度=測得的電壓值/系統(tǒng)靈敏度=2/0.25=8g。13.用石英晶體加速度計(jì)測量機(jī)器的振動(dòng)。已知：加速度計(jì)的靈敏度為<g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度,>,電荷放大器靈敏度為,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,試計(jì)算該機(jī)器的振動(dòng)加速度。解：系統(tǒng)靈敏度k等于傳感器靈敏度與電荷放大器靈敏度的乘積,故測得的加速度=測得的電壓值/系統(tǒng)靈敏度a=<2/0.25>g=8g14.在某電荷放大器的說明書中有如下技術(shù)指標(biāo)：輸出電壓為,輸入電阻大于,輸出電阻為,頻率響應(yīng)：0~150kHz,噪聲電壓<有效值>最大為2mV<指輸入信號為零時(shí)所出現(xiàn)的輸出信號值>,非線性誤差：0.1%,溫度漂移：。<1>如果用內(nèi)阻為的電壓表測量電荷放大器的輸出電壓,試求由于負(fù)載效應(yīng)而減少的電壓值。<2>假設(shè)用以輸入電阻為的示波器并接在電荷放大器的輸入端,以便觀察輸入信號波形,此時(shí)對電荷放大器有何影響？<3>噪聲電壓在什么時(shí)候會(huì)成為問題？<4>試求當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),電荷放大器輸出電壓的變化值,該值對測量結(jié)果有否影響？<5>當(dāng)輸入信號頻率為180kHz時(shí),該電荷放大器是否適用？解：<1>設(shè)不接電壓表時(shí)輸出電壓為U,則加接電壓表后有輸出電壓=所以,減小的電壓值=也就是說,輸出電壓減少了1%。<2>可視為示波器輸入電阻與電荷放大器輸入電阻并聯(lián),前者為,后者大于,所以電荷放大器總的輸入電阻將小于。<3>當(dāng)電荷放大器的信號電平很低時(shí),噪聲電壓的干擾明顯增加。<4>由于電荷放大器溫度漂移為,故溫度變化時(shí)引起的輸出電壓變化為,因輸出電壓只有幾伏,故對測量精度沒有嚴(yán)重影響。<5>能用,但電荷放大器的增益會(huì)下降。電感式傳感器2.差動(dòng)變氣隙式自感傳感器與單線圈式自感傳感器相比,主要的優(yōu)點(diǎn)是什么？答：<1>差動(dòng)變氣隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式自感傳感器的2倍；<2>在線性化時(shí),差動(dòng)變氣隙式自感傳感器忽略以上的高次項(xiàng),單線圈式忽略以上的高次項(xiàng),因此差動(dòng)式自感傳感器線性度得到明顯改善。4.產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因是什么？我們可以采取哪些措施去減小零點(diǎn)殘余電壓。答：零點(diǎn)殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱,以及磁性材料的非線性等問題引起的。零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)雜,主要由基波和高次諧波組成?；óa(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱,導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的幅值不等、相位不同,因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置,兩線圈中感應(yīng)電勢都不能完全抵消。高次諧波中起主要作用的是三次諧波,產(chǎn)生的原因是由于磁性材料磁化曲線的非線性<磁飽和、磁滯>。為了減小電感傳感器的零點(diǎn)殘余電壓,可以采取下列措施：<1>在設(shè)計(jì)和工藝上,要求做到磁路對稱、線圈對稱。鐵心材料要均勻,特性要一致。兩線圈繞制要均勻,松緊一致。<2>采用拆圈的實(shí)驗(yàn)方法,調(diào)整兩個(gè)線圈的等效參數(shù),使其盡量相同,以減小零點(diǎn)殘余電壓。<3>在電路上進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償方法主要有：加串聯(lián)電阻、加并聯(lián)電容、加反饋電阻或反饋電容等。5.什么是差動(dòng)變壓器,根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為幾類。答：互感式電感傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的,并且次級繞組用差動(dòng)形式連接,故稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器,簡稱差動(dòng)變壓器。根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為變隙式、變面積式和螺管式等幾類。6.簡單敘述差動(dòng)變壓器應(yīng)用于壓力的測量時(shí)的工作原理。答：差動(dòng)變壓器式傳感器與彈性敏感元件<膜片、膜盒和彈簧管等>相結(jié)合,可以組成壓力傳感器。圖5-1所示為差動(dòng)變壓器式壓力傳感器,銜鐵固定在膜盒中心。在無壓力作用時(shí),膜盒處于初始狀態(tài),銜鐵位于差動(dòng)變壓器線圈的中部,輸出電壓為零。當(dāng)被測壓力作用在膜盒上使其發(fā)生膨脹,銜鐵移動(dòng),差動(dòng)變壓器輸出正比于被測壓力的電壓。這種微壓力傳感器可測的壓力。1-接頭2-膜盒3-底座4-線路板5-差動(dòng)變壓器線圈6-銜鐵7-罩殼8-插頭9-通孔圖5-1差動(dòng)變壓器式壓力傳感器7.有一只螺管形差動(dòng)式電感傳感器,已知電源電壓U=4V,f=400Hz,傳感器線圈銅電阻和電感量分別為,L=30mH,用兩只匹配電阻設(shè)計(jì)成4臂等阻抗電橋,如圖5-2所示,試求：圖5-2<1>匹配電阻R1和R2的值為多大才能使電壓靈敏度達(dá)到最大；<2>當(dāng)△Z=10時(shí),接成差動(dòng)電橋后的輸出電壓值。答：<1>阻抗的幅值為使4臂阻抗相有：<2>差動(dòng)8.圖5-3所示為一長螺線管,其長度l=20cm,截面積S=10cm2,線圈匝數(shù)N1=1000,在其中段密繞另一個(gè)匝數(shù)為N2=20的短線圈,請計(jì)算這兩個(gè)線圈的互感。若線圈1內(nèi)電流的變化率為10A/s,則線圈2內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢為多少？圖5-3答：9.如圖5-4所示氣隙型電感傳感器,銜鐵斷面積,氣隙總長度,銜鐵最大位移,激勵(lì)線圈匝數(shù)匝,導(dǎo)線直徑,電阻率。當(dāng)激勵(lì)電源頻率時(shí),忽略漏磁及鐵損。要求計(jì)算：<1>線圈電感值；<2>電感的最大變化量；<3>當(dāng)線圈外斷面積為時(shí)求其直流電阻值；<4>線圈的品質(zhì)因數(shù)；<5>當(dāng)線圈存在分布電容與之并聯(lián)后其等效電感值變化多大？圖5-4解：<1>由圖5-4可知?dú)庀缎碗姼杏?jì)算公式為<2>當(dāng)銜鐵最大位移時(shí),分別計(jì)算電感值為電感值為所以當(dāng)銜鐵最大位移變化時(shí)相應(yīng)電感變化量。<3>線圈直流電阻式中線圈平均每匝長度。根據(jù)鐵芯截面及線圈外斷面取平均值,按斷面為計(jì)算每匝總長。<4>線圈品質(zhì)因數(shù)<5>當(dāng)線圈存在分布電容時(shí)引起電感變化可按下式計(jì)算以上結(jié)果說明分布電容存在使等效電感值增大。10.試推導(dǎo)圖5-5所示差動(dòng)型電感傳感器電橋的輸出特性,已知電源角頻率為,Z1、Z2為傳感器兩線圈的阻抗,零位時(shí)Z1=Z2=,若以變間隙式傳感器接入該電橋,求靈敏度表達(dá)式多大<本題用有效值表示>。圖5-5答：11.簡單介紹渦流效應(yīng)的作用原理？電渦流傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)有哪些？答：金屬導(dǎo)體置于交變磁場中,在導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,這種電流在導(dǎo)體內(nèi)是閉合的,所以稱之為電渦流。這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。如圖5-6所示,把一個(gè)金屬導(dǎo)體置于線圈附近,當(dāng)線圈中通以交變電流時(shí),線圈的周圍空間就產(chǎn)生了交變磁場,處于此交變磁場中的金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流,此渦流將產(chǎn)生一個(gè)新的交變磁場,的方向和的方向相反,削弱了原磁場,從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗及品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。圖5-6渦流作用原理電渦流式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單,靈敏度較高,測量范圍大,抗干擾能力強(qiáng),易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測量等優(yōu)點(diǎn),因此得到廣泛的應(yīng)用。12.簡述電渦流傳感器應(yīng)用于位移測量時(shí)的工作原理。答：電渦流式傳感器可以測量各種形式的位移量。如圖5-7所示為汽輪機(jī)主軸的軸向位移測量示意圖。聯(lián)軸器安裝在汽輪機(jī)的主軸上,高頻反射式電渦流傳感器置于聯(lián)軸器附近。當(dāng)汽輪機(jī)主軸沿軸向存在位移時(shí),傳感器線圈與聯(lián)軸器<金屬導(dǎo)體>的距離發(fā)生變化,引起線圈阻抗變化,從而使傳感器的輸出發(fā)生改變。根據(jù)傳感器的輸出即可測得汽輪機(jī)主軸沿軸向的位移量。<a>為汽輪機(jī)主軸的軸向位移測量示意圖；<b>為磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移測量示意圖；<c>為金屬試件的熱膨脹系數(shù)測量示意圖。圖5-7汽輪機(jī)主軸的軸向位移測量13.什么是壓磁效應(yīng)？利用壓磁效應(yīng)做成的壓磁式傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？答：磁致伸縮材料在外力<或應(yīng)力、應(yīng)變>作用下,引起內(nèi)部發(fā)生形變,產(chǎn)生應(yīng)力,使各磁疇之間的界限發(fā)生移動(dòng),磁疇磁化強(qiáng)度矢量轉(zhuǎn)動(dòng),從而使材料的磁化強(qiáng)度和磁導(dǎo)率發(fā)生相應(yīng)的變化。這種由于應(yīng)力使磁性材料磁性質(zhì)變化的現(xiàn)象稱為壓磁效應(yīng),也稱逆磁致伸縮效應(yīng)。壓磁式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、線性好、輸出功率大、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長、維護(hù)方便、適于惡劣的工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、印刷、造紙、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。14.一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯,平均長度為12cm,截面積為1.5cm2,平均相對磁導(dǎo)率,求<1>均勻繞線500匝時(shí)的電感；<2>匝數(shù)增加1倍時(shí)的電感。解：當(dāng)線圈繞在這種圓環(huán)形的磁芯上時(shí),電感的計(jì)算式為式中——磁導(dǎo)率,對磁性材料來說；N——線圈匝數(shù)；S、l——分別為磁芯截面積和磁路長度。<1>N=500時(shí),電感為<2>當(dāng)其它條件不變時(shí),電感與匝數(shù)的平方成正比,故可用比例式求出可見,線圈匝數(shù)增加1倍,電感則增加4倍。磁電式傳感器5.螺管線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B〔Wb/m2可表示為B=12.57×10-7NI/L其中N為線圈匝數(shù),I為電流〔A,L為螺管線圈長度〔m。圖6-3所示的環(huán)形磁鐵,其B=0.1Wb/m2,螺管線圈由2000匝導(dǎo)線均勻地繞滿10mm直徑鋼環(huán)的一半。求所需要的電流I并計(jì)算當(dāng)單位長度的導(dǎo)線以1m/s的速度通過磁鐵間隙時(shí)會(huì)產(chǎn)生多大的感應(yīng)電動(dòng)勢？圖6-3答：L=1/2d=30×10-3mB=12.57×10-7NI/LB=0.1Wb/m2N=20006.簡述霍爾元件的原理,并給出霍爾元件的符號圖。答：當(dāng)電流垂直于外磁場方向通過導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片時(shí),在薄片垂直于電流和磁場方向的兩側(cè)表面之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象,稱為霍爾效應(yīng)。所產(chǎn)生的電位差稱作霍爾電勢,如圖6-4所示,它是由于運(yùn)動(dòng)載流子受到磁場作用力即洛侖茲力,在薄片兩側(cè)分別形成電子和正電荷的積累導(dǎo)致的。圖6-4霍爾效應(yīng)原理圖圖6-5霍爾元件符號7.霍爾元件不等位電勢產(chǎn)生的原因是什么？答：①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上,如圖6-6a>所示；②半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻使等位面傾斜,如圖6-6b>所示；③激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。a>兩電極點(diǎn)不在同一等位面上b>等位面歪斜圖6-6不等位電勢產(chǎn)生示意圖8.霍爾元件的誤差補(bǔ)償主要有哪幾種？產(chǎn)生這些誤差的原因分別是什么？并提出主要的補(bǔ)償方式。答：<1>不等位電勢誤差的補(bǔ)償不等位電勢是零位誤差中最主要的一種,它與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級,有時(shí)甚至超過霍爾電勢。如圖6-7所示,霍爾元件可以等效為一個(gè)四臂電橋,不等為電勢就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。圖6-7霍爾元件等效電路圖6-8給出了幾種常用的不等位電勢的補(bǔ)償電路。其中不對稱補(bǔ)償電路最簡單,而對稱補(bǔ)償溫度穩(wěn)定性好。圖6-8不等位電勢補(bǔ)償電路<2>霍爾元件溫度誤差的補(bǔ)償霍爾元件由半導(dǎo)體材料制成,因而它的性能參數(shù)對溫度很敏感。其都是溫度的函數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí),霍爾元件的電阻率、遷移率和載流子濃度、輸入、輸出電阻以及霍爾系數(shù)等都會(huì)發(fā)生變化,致使霍爾電動(dòng)勢變化,產(chǎn)生溫度誤差。為了減小溫度誤差,除選用溫度系數(shù)較小的材料如砷化銦外,還可以采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路。大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正的,即溫度升高,霍爾電勢也增大。對于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件,可采用在其輸入回路中并聯(lián)電阻的辦法補(bǔ)償溫度誤差,如圖6-9所示。圖6-9恒流源溫度補(bǔ)償電路9.為測量某霍爾元件的靈敏度系數(shù)kH,構(gòu)成圖6-10所示的實(shí)驗(yàn)線路,現(xiàn)施加B=0.1T的外磁場,方向如圖所示。調(diào)節(jié)Rp使IC=50mA,測得輸出電壓UH=25mV〔設(shè)表頭內(nèi)阻為∞,試求該霍爾元件的靈敏度系數(shù)。圖6-10答：10.試推導(dǎo)圖6-11所示霍爾元件HA和HB組成的無刷直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢E的方程式。解我們知道,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與霍爾元件法線一致時(shí),霍爾傳感器的霍爾電壓為,式中kR為靈敏度系數(shù),并認(rèn)為I和B味恒穩(wěn)電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖6-11在圖6-11<a>所示的測速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中,當(dāng)測速電機(jī)的轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),穿過霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與流過的電流I都與ω有關(guān)。兩個(gè)霍爾元件按圖6-11<b>所示線路連接后,總的輸出電動(dòng)勢E為兩者之和。設(shè)穿過霍爾元件HA及繞組A的磁感應(yīng)強(qiáng)度均按正弦變化：；又因?yàn)镠A的位置超前繞組A為π/2弧度,故作用在繞組A的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為式中Bm——最大磁感應(yīng)強(qiáng)度。則可寫出繞組A中的速度電動(dòng)勢EAν,而HA中的電流IA可寫成HA的輸出電動(dòng)勢EA式中——比例常數(shù)的相乘積同理可寫出HB的輸出電動(dòng)勢EB測速發(fā)電機(jī)的總輸出電動(dòng)勢E為兩霍爾元件輸出電動(dòng)勢之和,即式中波傳感器10.簡單介紹超聲波的基本特性及超聲波傳感器的工作原理。答：<1>束射特性:超聲波波長短,發(fā)散性能較弱,可以近似集中成一束射線;<2>吸收特性：超聲波在空氣、液體和固體中均會(huì)被吸收?？諝庵械奈兆顝?qiáng)烈,固體中吸收微弱；<3>高功率：由于頻率高,超聲波的功率比聲波大得多,它不僅能使所通過的介質(zhì)產(chǎn)生急速運(yùn)動(dòng),甚至?xí)茐钠浞肿咏Y(jié)構(gòu)；<4>聲壓作用：超聲波振動(dòng)使物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮和稀疏作用,這種由于聲波振動(dòng)引起的附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。超聲波傳感器是檢測伴隨超聲波傳播的聲壓或介質(zhì)形變的裝置。利用壓電效應(yīng)、電應(yīng)變效應(yīng)、磁應(yīng)變效應(yīng)、光彈性效應(yīng)等應(yīng)變與其它物理性的相互作用的方法,或用電磁的、靜電的或光學(xué)的手段等可檢測由聲壓作用產(chǎn)生的振動(dòng)。多數(shù)可兼有超聲波發(fā)生和檢測作用的可逆性,又稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波探頭既能發(fā)射超聲波信號又能接收發(fā)射出去的超聲波的回波,并能轉(zhuǎn)換成電信號。光電式傳感器1.光電式傳感器由那些部分組成？分別簡單介紹一下這幾個(gè)組成部分。答：光電式傳感器的組成框圖如圖8-1所示。它一般由輻射源、光學(xué)通路和光電器件三部分組成。圖8-1光電式傳感器組成框圖光源是光電傳感器的一個(gè)組成部分,大多數(shù)光電傳感器都離不開光源。光電式傳感器對光源的選擇要考慮很多因素,例如波長、譜分布、相干性、體積、造價(jià)和功率等。常用的光源可分為四大類：熱輻射光源、氣體放電光源、激光器和電致發(fā)光器件。光學(xué)通路是由一定的光學(xué)元件,按照一些光學(xué)定律和原理構(gòu)成的各種各樣的光路。常用的光學(xué)元件有各種反射鏡和透鏡。光電器件的作用是將光信號變換為電信號,它的作用原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。2.光電效應(yīng)分幾種？簡述它們產(chǎn)生的原因。與之對應(yīng)的光電元件有哪些？簡述其特點(diǎn)。答：<1>光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。其中內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。<2>外光電效應(yīng)產(chǎn)生的原因是光線照射在某些物體上,使電子從這些物體表面逸出。內(nèi)光電效應(yīng)產(chǎn)生的原因是物體受光照后,其內(nèi)部原子釋放出的電子不逸出物體表面,而仍留在內(nèi)部使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢的現(xiàn)象。前者稱光電導(dǎo)效應(yīng),后者稱光生伏特效應(yīng)。<3>基于外光電效應(yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器件,有光電管、光電倍增管等。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻<光電導(dǎo)型>和光敏二極管、光敏三極管<光電導(dǎo)結(jié)型>。基于光生伏特效應(yīng)的光電器件是光電池。<4>光電管的靈敏度較低,而光電倍增管具有很高的靈敏度；光敏電阻又稱光導(dǎo)管,它靈敏度高,體積小,重量輕,光譜響應(yīng)范圍寬,機(jī)械強(qiáng)度高,耐沖擊和振動(dòng),壽命長,但光敏電阻是一個(gè)純電阻器件,使用時(shí)需要外部電源,當(dāng)有電流流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱問題；光敏二極管和光敏晶體管的體積很小,所需偏置電壓不大于幾十伏。光敏二極管有很寬的帶寬,而雪崩光敏二極管的性能可與光電倍增管相媲美。一般光敏晶體管的光電流比具有相同有效面積的光敏二極管的光電流要大幾十乃至幾百倍,但是響應(yīng)速度較二極管差,帶寬較窄,但作為一種高電流響應(yīng)器件,應(yīng)用十分廣泛；光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源。硅太陽能電池與其它能量轉(zhuǎn)換器件相比,具有輕便、簡單、不會(huì)產(chǎn)生氣體或熱污染,易于適應(yīng)環(huán)境,轉(zhuǎn)換效率高。因此,凡是不宜鋪設(shè)電纜的地方都可采用,尤其適于為宇宙飛行器的各種儀表提供電源。3.試述光敏電阻的溫度特性。答：光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣,其特性受溫度影響較大。隨溫度的升高光敏電阻的暗電流及靈敏度將下降、光譜效