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《傳感器技術(shù)》習(xí)題答案目錄第一章傳感器的基本概念及一般特性 1第二章電阻式傳感器 3第三章電容式傳感器 5第四章電感式傳感器 6第五章磁電式傳感器 8第六章壓電式傳感器 9第七章光電式傳感器 12第八章熱電及紅外輻射傳感器 13第九章數(shù)字式傳感器 14第十章氣敏和濕敏傳感器 15第十三章傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn) 19
第一章傳感器的基本概念及一般特性4.解:對于一階傳感器,其幅頻特性為要求幅值誤差不超過5%,即因為ω=2πf=200π,帶入解得0≤τ≤5.23×10-4s=523μs5.解:一階傳感器,其微分方程為對照題目所給微分方程可見:a1=1,a0=3,b0=0.15。靜態(tài)靈敏度;時間常數(shù)。于是可求得=a1/a0=1/3=0.33(s)k=b0/a0=0.15/3=0.05(mV/oC)6.由,得令當(dāng)時解得,(舍去負(fù)值),即(舍去負(fù)值)當(dāng)時,解得,所以,工作頻率為,。但由于距離太近,易引起共振,工程上一般不予采用,故最終的工作頻率范圍為。
第二章電阻式傳感器5.解:由題意可知,=800m/m=800×10-6m/m=1\*GB3①由k=(R/R)/得R/R=k=2.05×800×10-6=1.64×10-3R=kR=1.64×10-3×120=196.8×10-3=196.8m=2\*GB3②根據(jù)惠斯登電橋的平衡條件公式可得U0=U/4×R/R=3/4×1.64×10-3=1.23×10-3V=1.23mV6.解:應(yīng)變片的非線性誤差為(1)根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)可知QUOTE(2)電橋的非線性誤差γL<0.5%,由式(1)、(2)可求得=5×10-3最大應(yīng)變時電壓輸出=0.025V7.解:(1)根據(jù)引力應(yīng)變關(guān)系(1)又因為(2)所以,應(yīng)變片的軸向應(yīng)變?yōu)镼UOTE則應(yīng)變片電阻的相對變化量為代入題目中所給數(shù)據(jù)后可得QUOTE4.246×10-4(2)徑向應(yīng)變QUOTE,此時應(yīng)變片電阻的相對變化量為代入題目中所給數(shù)據(jù)后可得QUOTE-1.274×10-48.解:由題意可知,R1承受軸向應(yīng)變,R2承受橫向應(yīng)變’。=1\*GB3①對于R1,由k=(R1/R1)/可得=(R1/R1)/k=(0.48/120)/2=0.002=2\*GB3②由軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變之間的關(guān)系,可得’=-=-0.285×0.002=-0.57×10-3于是可得電橋的輸出電壓為U0=U/4×R1/R1-U/4×R2/R2=U/4×k-U/4×k’=U/4×k×(-’)=2.57×10-3V=2.57mV10.解:1)根據(jù)引力應(yīng)變關(guān)系(1)又因為(2)所以:2)根據(jù)公式(其中——試件材料線膨脹系數(shù),——應(yīng)變片敏感柵線膨脹系數(shù),——應(yīng)變片靈敏系數(shù))可得:3)應(yīng)變片的應(yīng)變受溫度的影響較大,在實際應(yīng)用中需要進(jìn)行溫度補償。
第三章電容式傳感器3.補充說明:習(xí)題3最后一行中的“若極板間距增加2mm”應(yīng)為“若極板滑動2mm”。解:由題可得:當(dāng)移動2mm后,4.解:當(dāng)頻率為60Hz時,6.當(dāng)間距改變時,7.
第四章電感式傳感器6.解:1)設(shè)鐵芯移動后電感線圈電感的改變量為,則電橋的輸出電壓為顯然,為了在初試時電橋能夠平衡,必須有,令。得橋路的電壓靈敏度為為了使電壓靈敏度達(dá)到最大,應(yīng)有于是得即當(dāng)時,電壓靈敏度達(dá)到最大。在本例中,帶入數(shù)據(jù)后可得到Ω。2)電橋輸出電壓的值為=0.0798V=79.8mV10.解:(1)采用高頻反射式電渦流傳感器測量時,渦流穿透深度h的計算公式如下:QUOTE代入題中所給數(shù)據(jù)后可得h=8.57×10-5m=85.7μm(2)透射式電渦流傳感器采用低頻激勵,貫穿深度大,適用于測量金屬材料的厚度。
第五章磁電式傳感器4.f0=20Hz,k=3200N/m時,f0′=10Hz時,由則6.由KH=1/ned,得(1)n=1/(KHed)=1/(22×1.61019×1×10-3)=2.84×1020個/m3(2)輸出霍爾電壓UH=KHIB=22V/A?T×1.0mA×0.3T=6.6×103V=6.6mV
第六章壓電式傳感器3.答:壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件輸入前置放大器的電壓為由上式可知,用作用在壓電元件上的力是靜壓力(ω=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靜態(tài)物理量。4.答:對應(yīng)壓電元件兩種等效電路形式,壓電式傳感器的靈敏度有電壓靈敏度Ku和電荷靈敏度Kq兩種,分別表示單位應(yīng)力產(chǎn)生的電壓和單位應(yīng)力產(chǎn)生的電荷,即,,且電壓靈敏度Ku與電荷靈敏度Kq之間關(guān)系為。5.答:并聯(lián)接法如a)圖所示,串聯(lián)接法如b)圖所示。a)并聯(lián)接法 b)串聯(lián)接法當(dāng)兩壓電元件并聯(lián)連接,是將相同極性端連接在一起,總電容量C′、總電壓U′、總電荷Q′與單片的C、U、Q關(guān)系為 當(dāng)兩壓電元件串聯(lián)連接,是將不同極性端連接在一起,總電容量C′、總電壓U′、總電荷Q′與單片的C、U、Q關(guān)系為 可見,并聯(lián)接法輸出電荷大,本身電容大,時間常數(shù)大,適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方;串聯(lián)接法輸出電壓大,本身電容小,適宜用于以電壓作輸出信號,且測量電路輸入阻抗很高的地方。6.解:(1)系統(tǒng)總靈敏度=90pC/kPa×0.005V/pC×20mm/V=9mm/kPa(2)偏移量=3.5×9=31.5(mm)7.解:(1) (2)串聯(lián)連接, 8.解:傳感器相對幅頻特性為f=1Hz,τ=RC,解之得到R>9.5×109Ω。9.答:超聲波探頭有許多不同的結(jié)構(gòu),可分直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭等。以直探頭為例,主要由壓電晶片、阻尼塊和保護(hù)膜組成,可發(fā)射和接收縱波,其結(jié)構(gòu)如圖所示。壓電晶片是換能器中的主要元件,一般采用PZT壓電陶瓷材料制作,利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。發(fā)射探頭是利用逆壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的,極化的壓電陶瓷在周期電信號激勵下,產(chǎn)生伸縮振動(機械振動),推動周圍介質(zhì)運動,激發(fā)出超聲波。接收探頭則利用正壓電效應(yīng)工作,超聲波在傳播過程中引起介質(zhì)機械振動,壓電陶瓷接收機械振動,轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。11.答:SAW是沿彈性體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?,是一種機械波,在SAW傳感器中是通過叉指換能器激勵產(chǎn)生,并通過SAW諧振器產(chǎn)生振蕩,測量振蕩頻率的變化實現(xiàn)被測量的測量。a)延遲線型振蕩器 b)振子型振蕩器叉指換能器是由若干沉積在壓電基底材料上的金屬膜電極組成,這些電極條互相交叉放置,兩端由匯流條連在一起。其形狀如同交叉平放的兩排手指,故稱為叉指換能器(IDT)。叉指換能器激勵SAW的物理過程是通過壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)的,當(dāng)在叉指換能器上施加適當(dāng)頻率的交流電信號,由于基片的逆壓電效應(yīng),這個電場使指條電極間的材料發(fā)生形變,使質(zhì)點發(fā)生位移。周期性的應(yīng)變就產(chǎn)生沿叉指換能器兩側(cè)表面?zhèn)鞑コ鋈サ腟AW,頻率等于所施加電信號的頻率。SAW諧振器基本結(jié)構(gòu)如圖所示,有延遲線型和振子型兩種型式。延遲線型振蕩器,兩個叉指換能器,一個用作發(fā)射SAW,另一個用作接收SAW,并通過壓電效應(yīng)將接收到的SAW轉(zhuǎn)化為電信號,經(jīng)放大后,正反饋到輸入端,只要滿足一定條件,這樣組成的諧振器就可起振,并且輸出單一振蕩頻率,與壓電石英諧振器工作原理相類似。振子型振蕩器,叉指換能器做在基片材料表面中央,并在其兩側(cè)配置兩組反射柵陣,形成起諧振器。對于起振后的SAW諧振器,其諧振頻率正比于SAW速度,且會隨著溫度、壓電基底材料的變形等因素影響而發(fā)生變化,頻率的變化量可以作為被測量的量度。
第七章光電式傳感器10.解:線陣CCD器件的像素間距為28.672mm/2048=14μm工件直徑是=14μm×924/3=4312μm=4.312mm
第八章熱電及紅外輻射傳感器7.解:由題意,溫度為t1=30℃時熱電偶輸出為E(t,t1)=25mV根據(jù)中間溫度定律,以參考溫度t0=0℃為基礎(chǔ)時的熱電偶輸出為E(t,t0)=E(t,t1)+E(t1,t0)=25+30×0.04=26.2mV所以,熱電偶的熱端溫度,即爐子的實際溫度是t=26.2/0.04=655℃9.答:熱電阻采用三線制或四線制,主要是為了消除引線誤差,即補償導(dǎo)線電阻。三線制組成橋式電路可以較好地消除引線電阻影響;四線制中兩線為熱電阻提供恒流源,另兩線測試未知電阻壓降。在電壓表輸入阻抗足夠高的條件下,電流幾乎不流過電壓表,即可十分精確地測量未知電阻上的壓降,再計算得到電阻值。10.答:測量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的電阻值時,不論采用什么方法,都會有電流通過溫度計。該電流將在熱電阻和引線上產(chǎn)生焦耳熱,此熱效應(yīng)將使熱電阻自身的溫度升高,引起測量誤差。為使這種現(xiàn)象對測量的影響不超過一定的限度和規(guī)范,規(guī)定其工作電流為1mA。
第九章數(shù)字式傳感器8.解:1)柵線密度為1/0.02=50線/mm2)條紋間距B=W/θ=0.02/0.01=2mm3)設(shè)光柵移動速度為v,當(dāng)移動一條柵線的時間光敏二極管的響應(yīng)時間10-6s時,能保證二極管能正常反應(yīng)采樣,所以最大允許速度為=2×104mm/s=20m/s9.解:=360/N=360/210=0.3510.解:Δ=·n=360/N·n=360/5000200=14.4
第十章氣敏和濕敏傳感器1.答:按照半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì),可分為電阻型和非電阻型兩種。電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用半導(dǎo)體接觸氣體時,其阻值的改變來檢測氣體的成分或濃度,是目前廣泛應(yīng)用的氣體傳感器之一,按結(jié)構(gòu)分:燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種,敏感體一般都需要在一定的溫度下才能正常工作,保證測量靈敏度和響應(yīng)速度,加熱器是不可缺少的。這類氣敏器件的優(yōu)點是:工藝簡單,價格便宜,使用方便;對氣體濃度變化響應(yīng)快;即使在低濃度(3000mg/kg)下,靈敏度也很高。其缺點在于:穩(wěn)定性差,老化較快,氣體識別能力不強;各器件之間的特性差異大等,在使用中受環(huán)境溫濕度影響較大,需要改進(jìn)。。非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件根據(jù)其對氣體的吸附反應(yīng),使其某些有關(guān)特性發(fā)生變化,對氣體進(jìn)行直接或間接檢測。這類器件的制造工藝成熟,便于器件集成化,因而其性能穩(wěn)定且價格便宜。利用特定材料還可以使器件對某些氣體特別敏感。2.答:導(dǎo)電機理可以用吸附效應(yīng)來解釋。在半導(dǎo)體表面原子性質(zhì)特別活躍,很容易吸附氣體分子。當(dāng)氣體分子的親和能(電勢能)大于半導(dǎo)體表面的電子逸出功時,吸附分子將從半導(dǎo)體表面奪取電子而變成負(fù)離子吸附,被稱為氧化型氣體,是電子接收性氣體,如氧氣、氧化氮等。當(dāng)N型半導(dǎo)體表面形成負(fù)離子吸附時,表面多數(shù)載流子(電子)濃度減少,電阻增加;對于P型半導(dǎo)體,則表面多數(shù)載流子(空穴)濃度增大,電阻減小。若氣體分子的電離能小于半導(dǎo)體表面的電子逸出功時,則氣體供給半導(dǎo)體表面電子,形成正離子吸附,被稱為還原型氣體,是電子供給性氣體,如H2、CO、C2H5OH(乙醇)及各種碳?xì)浠衔?。?dāng)N型半導(dǎo)體表面形成正離子吸附時,多數(shù)載流子(電子)濃度增加,電阻減?。粚τ赑型半導(dǎo)體,則多數(shù)載流子(空穴)濃度減少,電阻增加。利用半導(dǎo)體表面電阻變化就可以檢測出氣體的種類和濃度。3.答:傳感器均由三部分組成:敏感體及其依附的基底、加熱器以及信號引出電級,按其結(jié)構(gòu)不同分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型氣敏傳感器長期穩(wěn)定性、氣體識別能力等不太令人滿意,且工作溫度較高會使敏感膜層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理變化。燒結(jié)型又分為內(nèi)熱式和旁熱式,旁熱式相比內(nèi)熱式穩(wěn)定性、可靠性好。薄膜型氣敏傳感器具有很高的靈敏度和響應(yīng)速度,敏感體的薄膜化有利于器件的低功耗、小型化,以及與集成電路制造技術(shù)兼容,同時具有較高的機械強度,而且具有互換性好、產(chǎn)量高、成本低等優(yōu)點。厚膜型氣敏傳感器一致性較好,機械強度高,適于批量生產(chǎn)。4.答:氣敏器件的加熱器作用是加速氣體吸附,提高測量靈敏度和響應(yīng)速度;同時加熱器能燒掉附著在測控部分中的油霧、塵埃等。6.答:MOS二級管的結(jié)構(gòu)和等效電路如圖所示。在P型半導(dǎo)體硅片上,利用熱氧化工藝生成一層厚度為(50~100)nm左右的二氧化硅(SiO2)層,然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)的金屬薄膜,作為柵電極。由于SiO2層電容Ca固定不變,而Si和SiO2界面電容Cs是外加電壓的函數(shù),因此由等效電路可知,總電容C也是柵偏壓的函數(shù)。其函數(shù)關(guān)系稱為該類MOS二極管的C-V特性,如圖曲線a所示。由于鈀對氫氣(H2)特別敏感,當(dāng)鈀吸附了H2以后,會使鈀的功函數(shù)降低,導(dǎo)致MOS管的C-V特性向負(fù)偏壓方向平移,如曲線b所示。根據(jù)這一特性就可用于測定H2的濃度。7.答:氣敏半導(dǎo)體器件易受環(huán)境條件變化的影響。為了使器件處于最佳工作狀態(tài),使用時需注意控制以下因素:1)氣敏半導(dǎo)體器件使用之前,必須經(jīng)過一定的電老化時間。器件從開始通電到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時間與器件存放的條件和時間有關(guān)。經(jīng)過長時間存放的元件在標(biāo)定使用之前,一般需要1~2周的老化時間。連續(xù)測試時要注意保持前后測試條件一致。老化一般可以采用加熱及兩端加一定電壓的方式實現(xiàn)。2)在精度要求較高的檢測中要注意保持環(huán)境的溫濕度的一致性,因為器件表面吸附羥基(-OH)的量與環(huán)境濕度關(guān)系極為密切,需要較長時間才能達(dá)到平衡狀態(tài)。3)一般燒結(jié)型氣敏元件對某種氣體的檢測并不具有絕對的選擇性,不同種類、不同濃度的氣體傳感器有不同的電阻值,因此在使用時,一般可通過標(biāo)準(zhǔn)被測氣體對傳感器靈敏度進(jìn)行調(diào)整和校正。同時在應(yīng)用中要注意環(huán)境氣氛的清潔。8.答:濕度是大氣中含水的量,表明了大氣的干濕程度。絕對濕度是指一定大小空間中水蒸氣的絕對含量,可用“kg/m3”表示,其定義式為:。相對濕度是待測空氣的水汽分壓與相同溫度下水的飽和水汽壓的比值的百分?jǐn)?shù)。這是一個無量綱的量,常表示為%RH。相對濕度。 9.答:對于負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷,如果該半導(dǎo)瓷是P型半導(dǎo)體(多數(shù)載流子是空穴),則由于水分子吸附使表面電勢下降,將吸引更多的空穴到達(dá)其表面,
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