傳感器唐文彥習(xí)題答案

.z.第一章思考題與習(xí)題1、什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能指標(biāo)？答：輸入量為常量或變化很慢情況下，輸出與輸入兩者之間的關(guān)系稱(chēng)為傳感器的靜態(tài)特性。它的性能指標(biāo)有：線(xiàn)性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度與靈敏度誤差、分辨率與閾值、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、抗干擾穩(wěn)定性和靜態(tài)誤差（靜態(tài)測(cè)量不確定性或精度）。2、傳感器動(dòng)特性取決于什么因素？答：傳感器動(dòng)特性取決于傳感器的組成環(huán)節(jié)和輸入量，對(duì)于不同的組成環(huán)節(jié)（接觸環(huán)節(jié)、模擬環(huán)節(jié)、數(shù)字環(huán)節(jié)等）和不同形式的輸入量（正弦、階躍、脈沖等）其動(dòng)特性和性能指標(biāo)不同。3、*傳感器給定相對(duì)誤差為2%FS，滿(mǎn)度值輸出為50mV，求可能出現(xiàn)的最大誤差δ（以mV計(jì)）。當(dāng)傳感器使用在滿(mǎn)刻度的1/2和1/8時(shí)計(jì)算可能產(chǎn)生的百分誤差。并由此說(shuō)明使用傳感器選擇適當(dāng)量程的重要性。已知：,；求：δm=？解：∵；∴若:則:若:則:由此說(shuō)明,在測(cè)量時(shí)一般被測(cè)量接近量程(一般為量程的2/3以上),測(cè)得的值誤差小一些。4、有一個(gè)傳感器，其微分方程為，其中y為輸出電壓（mV），*為輸入溫度（0C），試求該傳感器的時(shí)間常數(shù)τ和靜態(tài)靈敏度k。已知：；求：τ=？，k="解：將化為標(biāo)準(zhǔn)方程式為：與一階傳感器的標(biāo)準(zhǔn)方程：比較有：5、已知*二階系統(tǒng)傳感器的自振頻率f0=20kHz,阻尼比ξ=0.1，若要求傳感器的輸出幅值誤差小于3%，試確定該傳感器的工作頻率圍。已知：f0=20kHz,ξ=0.1。求：時(shí)的工作頻率圍。解：二階傳感器頻率特性(p14-1—30式)∵∴式中：則有：由（1）式：由（2）式：即：?。簞t有：第二章思考題與習(xí)題1、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？答：（1）當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。（2）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(chēng)為敏感柵。并將其粘貼在絕緣基片上制成。把金屬絲繞成柵形相當(dāng)于多段金屬絲的串聯(lián)是為增大應(yīng)變片電阻，提高靈敏度，2、什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？答：（1）應(yīng)變片的靈敏系數(shù)是指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸線(xiàn)方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。（2）實(shí)驗(yàn)表明，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)恒小于電阻絲的靈敏系數(shù)其原因除了粘貼層傳遞變形失真外，還存在有恒向效應(yīng)。3、對(duì)于箔式應(yīng)變片，為什么增加兩端各電阻條的截面積便能減小橫向靈敏度？答：對(duì)于箔式應(yīng)變片，增加兩端圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多（圓弧部分截面積大），其電阻值較小，因而電阻變化量也較小。所以其橫向靈敏度便減小。4、用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，為什么必須采用溫度補(bǔ)償措施？答：用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，由于環(huán)境溫度變化所引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，所以必須采用溫度補(bǔ)償措施。5、一應(yīng)變片的電阻R=120Ω，k=2.05。用作應(yīng)變?yōu)?00μm/m的傳感元件。①求△R和△R/R；②若電源電壓U=3V，求初始平衡時(shí)惠斯登電橋的輸出電壓U0。已知：R=120Ω，k=2.05，ε=800μm/m；求：①△R=？，△R/R=？②U=3V時(shí)，U0=？解①：∵∴解②：初始時(shí)電橋平衡（等臂電橋）∵∴6、在材料為鋼的實(shí)心圓柱形試件上，沿軸線(xiàn)和圓周方向各貼一片電阻為120Ω的金屬應(yīng)變片R1和R2，把這兩應(yīng)變片接入差動(dòng)電橋（參看圖2-9a）。若鋼的泊松系數(shù)μ=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△R=0.48Ω,試求電橋的輸出電壓U0。圖2-9a差動(dòng)電橋已知：R1=R2=120Ω，μ=0.285，k=2，U=2V，△R1=0.48Ω，△R1/R1=0.48/120=0.004求：U0=？解：∵∴又∵∴設(shè)：R1=R2=R3=R4=R，對(duì)電橋若四臂電阻都變其輸出為：∵則有：本題：7、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？答：金屬應(yīng)變片的工作原理是：金屬應(yīng)變片在外力的作用下，應(yīng)變片的幾何尺寸（長(zhǎng)度和截面積）發(fā)生變化（機(jī)械形變）而引起應(yīng)變片的電阻改變，運(yùn)用它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的。其靈敏系數(shù)（k≈1+2μ）主要是材料幾何尺寸變化引起的。半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是：半導(dǎo)體應(yīng)變片受到作用力后，應(yīng)變片的電阻率ρ發(fā)生變化，而引起應(yīng)變片的電阻值改變。其靈敏系數(shù)（k=△ρ/ρε）主要是半導(dǎo)體材料的電阻率隨應(yīng)變變化引起的?！裱a(bǔ)充題：已知四個(gè)相同的應(yīng)變片，靈敏度為k，泊松系數(shù)為μ，在試件上粘貼如圖。接入電橋如圖（A）（B）（C）（D）求：解：各應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化1號(hào)應(yīng)變片：2號(hào)應(yīng)變片：3號(hào)應(yīng)變片：4號(hào)應(yīng)變片：由式：對(duì)圖（a）：對(duì)圖（b）：對(duì)圖（c）：對(duì)圖（d）：所以：第三章思考題與習(xí)題1、何謂電感式傳感器？它是基于什么原理進(jìn)行檢測(cè)的？答：電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈自感量或互感量的變換，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的一種裝置。它是基于電磁感應(yīng)原理進(jìn)行檢測(cè)的。2、減小零殘電壓的有效措施有哪些？答：（1）盡量使兩個(gè)線(xiàn)圈對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使上下磁路對(duì)稱(chēng)，制造時(shí)應(yīng)使上下磁性材料特性一致，磁筒、磁蓋、磁芯要配套挑選，線(xiàn)圈排列要均勻，松緊要一致，最好每層的匝數(shù)都相等。（2）減小磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)性由于磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)性產(chǎn)生零殘電壓的高次諧波成分，所以選用磁化曲線(xiàn)為線(xiàn)性的磁芯材料或調(diào)整工作點(diǎn)，使磁化過(guò)程在磁化曲線(xiàn)的線(xiàn)性區(qū)。（3）使振蕩變壓器二次側(cè)對(duì)稱(chēng)，兩個(gè)二次電壓的相位相同在一次側(cè)線(xiàn)圈上并聯(lián)一個(gè)電容，并調(diào)整電容大小使兩個(gè)二次電壓的相位相同。3、渦流式傳感器有何特點(diǎn)"它有哪些應(yīng)用：答：渦流式傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測(cè)量，靈敏度較高，適應(yīng)性強(qiáng)。它的應(yīng)用有四個(gè)方面：（1）利用位移為變換量，可做成測(cè)量位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開(kāi)關(guān)、計(jì)數(shù)器等；（2）利用材料的電阻率作為變換量，可做成測(cè)量溫度、材質(zhì)判別等傳感器；（3）利用磁導(dǎo)率作為變換量，可做成測(cè)量應(yīng)力、硬度等傳感器；（4）利用三個(gè)變換量的綜合影響，可做成探傷裝置。4、試比較渦流傳感器的幾種應(yīng)用電路的優(yōu)缺點(diǎn)？答：交流電橋電路：線(xiàn)性好、溫度穩(wěn)定性高，但存在零點(diǎn)殘余電壓?jiǎn)栴}及測(cè)量圍較??；諧振電路：電路簡(jiǎn)單，靈敏度高，但線(xiàn)性度差及圍更?。徽答侂娐罚簻y(cè)量圍較大，是電橋的2至3倍，但電路復(fù)雜。5、有一4極感應(yīng)感應(yīng)同步器，設(shè)h=5mm、θ=150、δ=0.15mm、r=6.5mm、N1=N2=900匝，勵(lì)磁電流I1=35mA、f=400Hz,試求：①輸出信號(hào)的靈敏度k（mV/deg）="②勵(lì)磁電壓u="第四章思考題與習(xí)題1、如何改善單組式變極距型電容傳感器的非線(xiàn)性？答：對(duì)于變極距單組式電容器由于存在著原理上的非線(xiàn)性，所以在實(shí)際應(yīng)用中必須要改善其非線(xiàn)性。改善其非線(xiàn)性可以采用兩種方法。（1）使變極距電容傳感器工作在一個(gè)較小的圍（0.01μm至零點(diǎn)幾毫米），而且最大△δ應(yīng)小于極板間距δ的1/5—1/10。（2）采用差動(dòng)式，理論分析表明，差動(dòng)式電容傳感器的非線(xiàn)性得到很大改善，靈敏度也提高一倍。2、單組式變面積型平板形線(xiàn)位移電容傳感器，兩極板相對(duì)覆蓋部分的寬度為4mm，兩極板的間隙為0.5mm，極板間介質(zhì)為空氣，試求其靜態(tài)靈敏度？若兩極板相對(duì)移動(dòng)2mm，求其電容變化量。（答案為0.07pF/mm,0.142pF）已知：b=4mm，δ=0.5mm，ε0=8.85×10－12F求：（1）k="；(2)若△a=2mm時(shí)△C="。解：如圖所示∵；；3、畫(huà)出并說(shuō)明電容傳感器的等效電路及其高頻和低頻時(shí)的等效電路。答：電容傳感器的等效電路為：其中：r：串聯(lián)電阻（引線(xiàn)、焊接點(diǎn)、板極等的等效電阻）；L：分布電感（引線(xiàn)、焊接點(diǎn)、板極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的）；CP：引線(xiàn)電容（引線(xiàn)、焊接點(diǎn)、測(cè)量電路等形成的總寄生電容）C0：傳感器本身電容；Rg：漏電阻（極板間介質(zhì)漏電損耗極板與外界的漏電損耗電阻）低頻時(shí)等效電路和高頻時(shí)等效電路分別為圖（a）和圖(b)：4、設(shè)計(jì)電容傳感器時(shí)主要應(yīng)考慮哪幾方面因素答：電容傳感器時(shí)主要應(yīng)考慮四個(gè)幾方面因素：(1)減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能；（2）消除和減小邊緣效應(yīng)；（3）減小和消除寄生電容的影響；（4）防止和減小外界干擾。5、何謂“電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)”？采用它的目的是什么？答：電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)，即：傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線(xiàn)為雙屏蔽層電纜，其屏蔽層與信號(hào)傳輸線(xiàn)（即電纜芯線(xiàn)）通過(guò)1：1放大器而為等電位，從而消除了芯線(xiàn)與屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線(xiàn)上有隨傳感器輸出信號(hào)等大變化的電壓，因此稱(chēng)為“驅(qū)動(dòng)電纜”。采用“電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)”的目的是減小或消除寄生電容的影響。6、畫(huà)出電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，并說(shuō)明其工作原理。答：電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖為：其中：1、5為兩個(gè)固定極板；2為殼體；3為支撐彈簧片；4質(zhì)量塊；A面和B面為固定在質(zhì)量塊上的電容器的極板。當(dāng)測(cè)量垂直方向上直線(xiàn)加速度時(shí)，傳感器的殼體2固定在被測(cè)振動(dòng)體上，振動(dòng)體的振動(dòng)使殼體相對(duì)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，因而與殼體固定在一起的兩固定極板1、5相對(duì)質(zhì)量塊4運(yùn)動(dòng)，致使上固定極板5與質(zhì)量塊4的A面組成的電容器C*1以及下固定極板與質(zhì)量塊4的B面組成的電容器C*2隨之改變，一個(gè)增大，一個(gè)減小，它們的差值正比于被測(cè)加速度，而實(shí)現(xiàn)測(cè)量加速度的目的。7、什么是電容式集成傳感器？它有何特點(diǎn)？答：運(yùn)用集成電路工藝把電容敏感元件與測(cè)量電路制作在一起構(gòu)成電容式集成傳感器。她的核心部件是一個(gè)對(duì)被測(cè)量敏感的集成電容器。集成電容傳感器的特點(diǎn)是：體積小、輸出阻抗小、可批量生產(chǎn)、重復(fù)性好、靈敏度高、工作溫度圍寬、功耗低、寄生電容小等特點(diǎn)?！裱a(bǔ)充題：已知差動(dòng)式極距型電容傳感器，原始極距δ0=0.25mm，極板直徑D=38.2mm，采用電橋作轉(zhuǎn)換電路，傳感器兩電容分別串接R=5.1KΩ的電阻作為電橋兩臂，另兩臂為固定電容C=0.001μF，電橋供電電壓為U=60V，頻率f=400Hz，求：①傳感器靈敏度；②動(dòng)極板位移△δ=10μm時(shí)，輸出電壓有效值為多大。已知:δ0=0.25mm；D=38.2mm；R=5.1KΩ；C=0.001μF；U=60V；f=400Hz；△δ=10μm。求：k="；U0="解：∵、同理：則有：所以：則：第五章思考題與習(xí)題1、簡(jiǎn)述磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理。磁電感應(yīng)式傳感器有哪幾種類(lèi)型？答：磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，N匝線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線(xiàn)或線(xiàn)圈所在磁場(chǎng)的磁通量變化時(shí)，線(xiàn)圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小取決于穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通φ的變化率，即：根據(jù)這個(gè)原理，可將磁電感應(yīng)式傳感器分為恒定磁通式和變磁通式兩類(lèi)。2、*些磁電式速度傳感器中線(xiàn)圈骨架為什么采用鋁骨架？答：*些磁電式速度傳感器中線(xiàn)圈采用鋁骨架是因?yàn)榫€(xiàn)圈在磁路系統(tǒng)氣隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋁骨架中感應(yīng)產(chǎn)生渦流，形成系統(tǒng)的電磁阻尼力，此阻尼起到衰減固有振動(dòng)和擴(kuò)展頻率響應(yīng)圍的作用。3、何謂磁電式速度傳感器的線(xiàn)圈磁場(chǎng)效應(yīng)，如何補(bǔ)償？答：線(xiàn)圈磁場(chǎng)效應(yīng)是指磁電式速度傳感器的線(xiàn)圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)恒定磁場(chǎng)作用，而使其變化。如公式知，由于B的變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差。補(bǔ)償方法通常是采用補(bǔ)償線(xiàn)圈與工作線(xiàn)圈串接，來(lái)抵消線(xiàn)圈中感應(yīng)電流磁場(chǎng)對(duì)恒定磁場(chǎng)的影響。4、為什么磁電感應(yīng)式傳感器在工作頻率較高時(shí)的靈敏度，會(huì)隨頻率增加而下降？答：由理論推到可得傳感器靈敏度與頻率關(guān)系是：當(dāng)振動(dòng)頻率低于傳感器固有頻率時(shí)，這種傳感器的靈敏度是隨振動(dòng)頻率變化；當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于固有頻率時(shí)，傳感器的靈敏度基本上不隨振動(dòng)頻率而變化，而近似為常數(shù)；當(dāng)振動(dòng)頻率更高時(shí)，線(xiàn)圈阻抗增大，傳感器靈敏度隨振動(dòng)頻率增加而下降。5、變磁通式傳感器有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？答：變磁通式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在－150—+9006、什么是霍爾效應(yīng)？霍爾式傳感器有哪些特點(diǎn)？答：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)。在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)?；魻杺鞲衅鞯奶攸c(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、堅(jiān)固、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、動(dòng)態(tài)圍（輸出電動(dòng)勢(shì)的變化圍）大、無(wú)觸點(diǎn)、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、易于微型化和集成化。但它的轉(zhuǎn)換率較低，溫度影響大，在要求轉(zhuǎn)換精度較高時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。7、*霍爾元件l、b、d尺寸分別為1.0cm×0.35cm×0.1cm，沿l方向通以電流I=1.0mA，在垂直于lb面方向加有均勻磁場(chǎng)B=0.3T，傳感器的靈敏度系數(shù)為22V/A·T，試求其輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)及載流子濃度。已知：l×b×d=1.0cm×0.35cm×0.1cm；I=1.0mA；B=0.3T；kH=22V/A·T；求：UH="；n=？解：如圖∵∴而：∴n=8、試分析霍爾元件輸出接有負(fù)載RL時(shí)，利用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻R進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臈l件。如圖，設(shè)：t0時(shí)，靈敏系數(shù)kH0；輸入電阻Ri0；輸出電阻RO0。t時(shí)，靈敏系數(shù)kHt；輸入電阻Ri0；輸出電阻ROt。兩者關(guān)系為：因?yàn)椋?；而：所以：；則：VL不隨溫度t變化的條件是：而：即有：若忽略Ro的影響，即RO0=0，則有：9、試說(shuō)明霍爾式位移傳感器的輸出UH與位移*成正比關(guān)系。答：因?yàn)榛魻栯妷簽椋?，若I一定，而使霍爾元件在一個(gè)沿空間均勻梯度的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)即：。則有：，所以霍爾式位移傳感器的輸出UH與位移*成正比關(guān)系。10、霍爾式速度傳感器和磁電感應(yīng)式速度傳感器相比，各有哪些特點(diǎn)。答：霍爾式速度傳感器能測(cè)量慢速運(yùn)動(dòng)物體的速度。另外它的信號(hào)處理電路通常也集成在一起封裝的，無(wú)需外加信號(hào)處理電路，提高了抗干擾能力，并且，大多數(shù)霍爾式速度傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，所以它與數(shù)字邏輯、微機(jī)及PLC兼容。而磁電感應(yīng)式速度傳感器不適合于測(cè)量低速運(yùn)動(dòng)的物體。其輸出為模擬信號(hào)，若要輸出數(shù)字信號(hào)需要附加處理電路，另外，磁電感應(yīng)式速度傳感器可以應(yīng)用于較高溫度的環(huán)境，工作溫度超過(guò)300度，而前者工作溫度圍較小。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)?些電介質(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(chēng)為正壓電效應(yīng)。當(dāng)在*些電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，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(chǎng)散去，這些變形和應(yīng)力也隨之消失，此即稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。2、為什么壓電傳感器不能測(cè)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（ω=0）時(shí)，前置放大器輸入電壓等于零。因?yàn)殡姾删蜁?huì)通過(guò)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(cè)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)？為什么電壓靈敏度與電纜長(zhǎng)度有關(guān)？而電荷靈敏度與電纜長(zhǎng)度無(wú)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：①零度*切的縱向石英晶體；②利用縱向效應(yīng)之BaTiO3（壓電瓷）。已知：S=20mm2，δ=10mm，P=10MPa，求：Q=？，V=？解：①∵而：∴又∵而：∴解②∵而：∴同上：又∵而：∴2、*壓電晶體的電容為1000pF;Kq=2.5C/cm,Cc=3000pF,示波器的輸入阻抗為1MΩ和并聯(lián)電容為50pF,求；①壓電晶體的電壓靈敏度；②測(cè)量系統(tǒng)的高頻響應(yīng)③如系統(tǒng)允許的測(cè)量幅值誤差為5%,可測(cè)最低頻率時(shí)多少？④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：求：解①∵∴解②依據(jù)教材p113(6-14)式∵；而：∴解③依據(jù)教材p113(6-15)式因：高頻響應(yīng)時(shí)：而：則：其中：解得：解④因：則：其中：解得：3、用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)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，Voma*=2V求：ama*=？解：因?yàn)椋簞t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(lái)測(cè)量通過(guò)晶體兩面力的變化。材料的彈性模量是9×1010Pa,電荷靈敏度為2pC/N,相對(duì)介電常數(shù)是5.1，材料相對(duì)兩面間電阻是1014Ω。一個(gè)20pF的電容和一個(gè)100MΩ的電阻與極板相連。若所加力F=0.01sin(103t)N,求；①兩極板間電壓峰一峰值；②晶體厚度的最大變化。已知：S=1cm2，δ=1mm，E=9×1010Pa，kq=2pC/N，εr=5.1，Ra=1014Ω，Ci=20pF，Ri=100MΩ，F(xiàn)=0.01sin(103t)N，F(xiàn)ma*=0.01N，ω=103求：①Vop-p="②Δδma*=？解①由圖知而：所以：則：又因：則有：Vop-p=2Uom=1.5mV解②因?yàn)椋簞t有：即有：所以：第七章思考題與習(xí)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？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。可作為紅外光源的有白熾燈、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(cè)器和光子探測(cè)器兩類(lèi)。熱探測(cè)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(duì)波長(zhǎng)沒(méi)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(cè)。而光子探測(cè)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。其特點(diǎn)是：具有一定的截止波長(zhǎng)，只能探測(cè)短于這一波長(zhǎng)的光線(xiàn)，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(xiàn)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(shuō)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(chēng)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，φ1高電位，φ2、φ3低電位。此時(shí)φ1電極下的表面勢(shì)最大，勢(shì)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φ1電極下的勢(shì)阱中。t2時(shí)刻，φ1、φ2為高電位，φ3為低電位，則φ1、φ2下的兩個(gè)勢(shì)阱的空阱深度相同，但因φ1下面存儲(chǔ)有電荷，則φ1勢(shì)阱的實(shí)際深度比φ2電極下面的勢(shì)阱淺，φ1下面的電荷將向φ2下轉(zhuǎn)移，直到兩個(gè)勢(shì)阱中具有同樣多的電荷。t3時(shí)刻，φ2仍為高電位，φ3仍為低電位，而φ1由高到低轉(zhuǎn)變。此時(shí)φ1下的勢(shì)阱逐漸變淺，使φ1下的剩余電荷繼續(xù)向φ2下的勢(shì)阱中轉(zhuǎn)移。t4時(shí)刻，φ2為高電位，φ1、φ3為低電位，φ2下面的勢(shì)阱最深，信號(hào)電荷都被轉(zhuǎn)移到φ2下面的勢(shì)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(guò)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(chēng)一位）。因此，時(shí)鐘的周期變化，就可使CCD中的電荷包在電極下被轉(zhuǎn)移到輸出端，其工作過(guò)程從效果上看類(lèi)似于數(shù)字電路中的移位寄存器。5、簡(jiǎn)述利用CCD進(jìn)行工件尺寸測(cè)量的原理及測(cè)量系統(tǒng)的組成。答：利用CCD進(jìn)行工件尺寸測(cè)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(lái)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(cè)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(cè)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：*A為入射光點(diǎn)位置；L為PSD的長(zhǎng)度。顯然，通過(guò)I1與I2可確定入射光點(diǎn)位置*A。7、利用由斯乃爾定律推導(dǎo)出的臨界角θc表達(dá)式，計(jì)算水（n=1.33）與空氣（n≈1）分界面的θc的值。已知：n0=1；n1=1.33求：θc=？解：∵而：θ/=900，θ=θc∴8、求n1=1.46,n2=1.45的光纖的NA值；若外部的n0=1，求最大入射角θc="已知：n1=1.46；n2=1.45；n0=1求：NA="；θm=？解①：解②：∵∴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、利用光纖傳感器進(jìn)行位移測(cè)量的方法有哪些？簡(jiǎn)述其工作原理。答：利用光纖傳感器進(jìn)行位移測(cè)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(cè)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(duì)光纖端面的位移而變化而實(shí)現(xiàn)測(cè)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(duì)光纖軸線(xiàn)有相同角度，斜面拋光，以便光線(xiàn)再接收光纖頭形成全反射。當(dāng)兩光纖距離較遠(yuǎn)時(shí)，沒(méi)有光通過(guò)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，全反射時(shí)雖然沒(méi)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(chēng)為瞬逝波。所以，當(dāng)兩切面距離小于光波波長(zhǎng)時(shí)，將有部分光透過(guò)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(cè)量測(cè)。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(cè)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(xiàn)面相對(duì)，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(xiàn)之間有很小的夾角，則在近似垂直于柵線(xiàn)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(xiàn)方向每移過(guò)一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋近似沿柵線(xiàn)方向移過(guò)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(guò)的距離，實(shí)現(xiàn)測(cè)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(xiàn)面相對(duì)，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(xiàn)之間有很小的夾角，則由于兩光柵的柵線(xiàn)相互擋光作用的結(jié)果，在近似垂直于柵線(xiàn)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(duì)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(cè)量精度？14、長(zhǎng)、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(zhǎng)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(xiàn)密度為50線(xiàn)1mm16、與單頻激光干涉儀相比較，說(shuō)明雙頻激光干涉儀有哪些特點(diǎn)"17、激光測(cè)微側(cè)頭為什么采用激光二極管作光源？18、簡(jiǎn)述激光掃描測(cè)長(zhǎng)的基本原理。19、簡(jiǎn)述激光多普勒測(cè)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?！摺?1.45補(bǔ)充題：1、一自感式變氣隙型傳感器，圓形截面鐵芯平均長(zhǎng)度為12cm，截面積為1.5cm2，氣隙總長(zhǎng)為0.5mm，平均相對(duì)磁導(dǎo)率μr=2000，供電電源頻率f=500Hz,均勻繞線(xiàn)500匝①該線(xiàn)圈電感量L0。（μ0=4π×10―7H/m）②該線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)Q(忽略鐵損)已知：l=12cm=0.12m；S=1.5cm2=1.5×10-4m2；δ=0.5mm=0.5×10-3；μr=2000；f=500Hz；N=500；d=0.1mm。μ0求：①L0=？②Q=？解①因?yàn)椋篖0=N2/Rm而Rm=（l/μ0μrS）+δ/μ0S所以:解②因?yàn)椋篞=ωL0/R而:ω=2πf=2π×500=3141.59r