傳感器原理及應(yīng)用課后習(xí)題答案吳建平機(jī)械工業(yè)出版.doc

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第1章 概述 1.1 什么是傳感器？按照國(guó)標(biāo)定義，“傳感器”應(yīng)該如何說(shuō)明含義？ 1.2 傳感器由哪幾部分組成？試述它們的作用及相互關(guān)系。 1.3 簡(jiǎn)述傳感器主要發(fā)展趨勢(shì)，并說(shuō)明現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的特征。 1.4 傳感器如何分類？按傳感器檢測(cè)的范疇可分為哪幾種？ 1.5 傳感器的圖形符號(hào)如何表示？它們各部分代表什么含義？應(yīng)注意哪些問(wèn)題？ 1.6 用圖形符號(hào)表示一電阻式溫度傳感器。 1.7 請(qǐng)例舉出兩個(gè)你用到或看到的傳感器，并說(shuō)明其作用。如果沒(méi)有傳感器，應(yīng)該出現(xiàn)哪種狀況。 1.8 空調(diào)和電冰箱中采用了哪些傳感器？它們分別起到什么作用？ 答案 1.1答： 從廣義的角度來(lái)說(shuō)，感知信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理部分總稱為傳感器。我們對(duì)傳感器定義是：一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置。從狹義角度對(duì)傳感器定義是：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—87）對(duì)傳感器（Sensor/transducer）的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置”。定義表明傳感器有這樣三層含義：它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的一種檢測(cè)裝置；能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關(guān)系。按使用的場(chǎng)合不同傳感器又稱為變換器、換能器、探測(cè)器。 1.2答： 組成——由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路組成； 關(guān)系，作用——傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)試系統(tǒng)的接口位置，即檢測(cè)與控制之首。傳感器是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息都要通過(guò)傳感器獲取并通過(guò)它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理的電信號(hào)，其作用與地位特別重要。 1.3答：（略） 1.4答： 按照我國(guó)制定的傳感器分類體系表，傳感器分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器以及生物量傳感器三大類，含12個(gè)小類。按傳感器的檢測(cè)對(duì)象可分為：力學(xué)量、熱學(xué)量、流體量、光學(xué)量、電量、磁學(xué)量、聲學(xué)量、化學(xué)量、生物量、機(jī)器人等等。 1.5 答： 圖形符號(hào)（略），各部分含義如下： ①敏感元件：指?jìng)鞲衅髦兄苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分。 ②傳感器：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 ③信號(hào)調(diào)理器：對(duì)于輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的 裝置。 ④變送器：能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器 1.6答：（略） 1.7答：（略） 1.8答：（略） 第2章 傳感器的基本特性 2.1傳感器的靜態(tài)特性是什么？由哪些性能指標(biāo)描述？它們一般可用哪些公式表示？ 2.2傳感器的線性度是如何確定的？確定擬合直線有哪些方法？傳感器的線性度表征了什么含義？為什么不能籠統(tǒng)的說(shuō)傳感器的線性度是多少。 2.3傳感器動(dòng)態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？它們的意義是什么？ 2.4傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)的定義是什么？它們之間有何聯(lián)系與區(qū)別？ 2.5有一溫度傳感器，微分方程為，其中為輸出電壓（mV) , 為輸入溫度（℃）。試求該傳感器的時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。 2.6有一溫度傳感器，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度為t1，測(cè)溫傳感器顯示溫度為t2時(shí)，可用下列方程表示：。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度從25℃突然變化到300℃時(shí)，測(cè)溫傳感器的時(shí)間常數(shù)τ0 =120s，試求經(jīng)過(guò)350s后該傳感器的動(dòng)態(tài)誤差。 2.7某力傳感器屬二階傳感器，固有頻率為l000Hz，阻尼比為0.7，試求用它測(cè)量頻率為600Hz的正弦交變力時(shí)的振幅相對(duì)誤差和相位誤差。 2.8已知某二階傳感器系統(tǒng)的固有頻率為20kHz，阻尼比為0.1，若要求傳感器的輸出幅值誤差不大于3%，試確定該傳感器的工作頻率范圍。 2.9設(shè)有兩只力傳感器均可作為二階系統(tǒng)處理，固有頻率分別為800Hz和2.2kHz，阻尼比均為0.4，欲測(cè)量頻率為400Hz正弦變化的外力，應(yīng)選用哪一只？并計(jì)算所產(chǎn)生的振幅相對(duì)誤差和相位誤差。 答案 2.1答： 靜特性是當(dāng)輸入量為常數(shù)或變化極慢時(shí)，傳感器的輸入輸出特性，其主要指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)定性。傳感器的靜特性由靜特性曲線反映出來(lái)，靜特性曲線由實(shí)際測(cè)繪中獲得。人們根據(jù)傳感器的靜特性來(lái)選擇合適的傳感器。 2.2答： 1）實(shí)際傳感器有非線性存在，線性度是將近似后的擬合直線與實(shí)際曲線進(jìn)行比較，其中存在偏差，這個(gè)最大偏差稱為傳感器的非線性誤差，即線性度， 2）選取擬合的方法很多，主要有：理論線性度(理論擬合)；端基線性度(端點(diǎn)連線擬合)；獨(dú)立線性度(端點(diǎn)平移擬合)；最小二乘法線性度。 3）線性度是表征實(shí)際特性與擬合直線不吻合的參數(shù)。 4）傳感器的非線性誤差是以一條理想直線作基準(zhǔn)，即使是同一傳感器基準(zhǔn)不同時(shí)得出的線性度也不同，所以不能籠統(tǒng)地提出線性度, 當(dāng)提出線性度的非線性誤差時(shí)，必須說(shuō)明所依據(jù)的基準(zhǔn)直線。 2.3答： 1）傳感器動(dòng)態(tài)特性主要有：時(shí)間常數(shù)τ；固有頻率；阻尼系數(shù)。 2）含義：τ越小系統(tǒng)需要達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越少；固有頻率越高響應(yīng)曲線上升越快；當(dāng)為常數(shù)時(shí)響應(yīng)特性取決于阻尼比，阻尼系數(shù)越大，過(guò)沖現(xiàn)象減弱，時(shí)無(wú)過(guò)沖，不存在振蕩，阻尼比直接影響過(guò)沖量和振蕩次數(shù)。 2.4答：（略） 2.5解： 對(duì)微分方程兩邊進(jìn)行拉氏變換，Y(s)(30s+3)=0.15X(s) 則該傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 該傳感器的時(shí)間常數(shù)τ=10，靈敏度k=0.05 2.6解： 動(dòng)態(tài)誤差由穩(wěn)態(tài)誤差和暫態(tài)誤差組成。先求穩(wěn)態(tài)誤差： 對(duì)方程兩邊去拉氏變換得： 則傳遞函數(shù)為 對(duì)于一階系統(tǒng)，階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差，再求暫態(tài)誤差： 當(dāng)t=350s時(shí)，暫態(tài)誤差為 故所求動(dòng)態(tài)誤差為： 2.7解：所求幅值誤差為0.947,相位滯后5270′ 則，頻率為600Hz時(shí)的幅值為 相對(duì)誤差為 （1-0.947）100%=5.3% 2.8解： 令， 則 解得 代入上式，得 令，則 解得 代入上式，得 由圖2-18二階傳感器系統(tǒng)的幅頻特性曲線知，該傳感器的工作頻率范圍為： 或 2.9解：ξ=0.4＜1，由二階傳感器的頻率特性，固有頻率比被測(cè)信號(hào)頻率越大越好，故應(yīng)選固有頻率為2.2kHz的那只。 相對(duì)誤差為（1-0.940）100%=6.0% 故相位滯后833′。 第3章 電阻應(yīng)變式傳感器 3.1 何為電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？ 3.2 什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與金屬電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？ 3.3 為什么增加應(yīng)變片兩端電阻條的橫截面積便能減小橫向效應(yīng)？ 3.4 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？半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少，金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少？為什么有這種差別，說(shuō)明其優(yōu)缺點(diǎn)。舉例說(shuō)明金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。 3.5 一應(yīng)變片的電阻R=120Ω，靈敏系數(shù)k=2.05，用作應(yīng)變?yōu)榈膫鞲性? 求：①和；② 若電源電壓U=3V，初始平衡時(shí)電橋的輸出電壓U0。 3.6 在以鋼為材料的實(shí)心圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120Ω的金屬應(yīng)變片R1和R2（如圖3-28a所示），把這兩應(yīng)變片接入電橋（見(jiàn)圖3-28b）。若鋼的泊松系數(shù)，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。試求：①軸向應(yīng)變；②電橋的輸出電壓。 圖3-29 3.7 一測(cè)量吊車起吊重物的拉力傳感器如圖3-29a所示。R1、R2、R3、R4按要求貼在等截面軸上。已知:等截面軸的截面積為0.00196m2，彈性模量E=21011N/m2，泊松比，且R1=R2=R3=R4=120Ω, 所組成的全橋型電路如題圖3-29b所示，供橋電壓U=2V?，F(xiàn)測(cè)得輸出電壓U0=2.6mV。求：①等截面軸的縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變?yōu)槎嗌?？②力F為多少？ 圖3-28 3.8 已知：有四個(gè)性能完全相同的金屬絲應(yīng)變片（應(yīng)變靈敏系數(shù)）, 將其粘貼在梁式測(cè)力彈性元件上，如圖3-30所示。在距梁端處應(yīng)變計(jì)算公式為 設(shè)力，，，，。求： 圖 3-30 ①說(shuō)明是一種什么形式的梁。在梁式測(cè)力彈性元件距梁端處畫出四個(gè)應(yīng)變片粘貼位置，并畫出相應(yīng)的測(cè)量橋路原理圖；②求出各應(yīng)變片電阻相對(duì)變化量；③當(dāng)橋路電源電壓為6V時(shí)，負(fù)載電阻為無(wú)窮大，求橋路輸出電壓U0是多少？ 3.9 圖3-31為一直流電橋，負(fù)載電阻RL趨于無(wú)窮。圖中E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，試求：① R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)R1的增量為ΔR1=1.2Ω時(shí)，電橋輸出電壓U0=? ② R1、R2為金屬應(yīng)變片，感應(yīng)應(yīng)變大小變化相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓U0=? ③ R1、R2為金屬應(yīng)變片，如果感應(yīng)應(yīng)變大小相反，且ΔR1=ΔR2 =1.2Ω，電橋輸出電壓U0=? 答案 3.1 答： 導(dǎo)體在受到拉力或壓力的外界力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，同時(shí)機(jī)械變形會(huì)引起導(dǎo)體阻值的變化，這種導(dǎo)體材料因變形而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 當(dāng)外力作用時(shí)，導(dǎo)體的電阻率、長(zhǎng)度、截面積都會(huì)發(fā)生變化，從而引起電阻值的變化，通過(guò)測(cè)量電阻值的變化，檢測(cè)出外界作用力的大小。 3.2答： 金屬絲靈敏系數(shù)主要由材料的幾何尺寸決定的。受力后材料的幾何尺寸變化為，電阻率的變化為。而實(shí)際應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)包括基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng)。雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，金屬絲做成成品的應(yīng)變片（粘貼到試件上）以后，靈敏系數(shù)降低了。 3.3答： 敏感柵越窄，基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，橫向效應(yīng)越小，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上兩端電阻條的橫截面積大的應(yīng)變片橫向效應(yīng)較小。 3.4答： 金屬導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化是利用機(jī)械形變產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)，對(duì)于半導(dǎo)體而言，應(yīng)變傳感器主要是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。金屬電阻絲的靈敏系數(shù)可近似寫為 ，即；半導(dǎo)體靈敏系數(shù)近似為 ≈50～100。 3.5解： 3.6解1： 1） 則軸向應(yīng)變?yōu)椋? 2）電橋的輸出電壓為： 解2： 3.7解： 3.8解： ①梁為一種等截面懸臂梁；應(yīng)變片沿梁的方向上下平行各粘貼兩個(gè)； ② ③ 3.9解: ① ② ③ 第4章 電容式傳感器 4.1 如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？ 4.2 為什么高頻工作時(shí)的電容式傳感器連接電纜的長(zhǎng)度不能任意變化？ 4.3 差動(dòng)式變極距型電容傳感器，若初始容量，初始距離，當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了時(shí)，試計(jì)算其非線性誤差。若改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大？ 4.4 電容式傳感器有哪幾類測(cè)量電路？各有什么特點(diǎn)？差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路用于電容傳感器測(cè)量電路具有什么特點(diǎn)？ 4.5 一平板式電容位移傳感器如圖4-5所示，已知：極板尺寸，極板間隙，極板間介質(zhì)為空氣。求該傳感器靜態(tài)靈敏度；若極板沿方向移動(dòng)，求此時(shí)電容量。 4.6 已知：圓盤形電容極板直徑，間距，在電極間置一塊厚的云母片（），空氣（）。求：①無(wú)云母片及有云母片兩種情況下電容值及是多少？②當(dāng)間距變化時(shí)，電容相對(duì)變化量及是多少？ 4.7 壓差傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-30a所示，傳感器接入二極管雙T型電路，電路原理示意圖如圖4-30b所示。已知電源電壓UE =10V，頻率f = 1MHz，R1=R2=40kΩ，壓差電容C1=C2=10pF，RL=20kΩ。試分析，當(dāng)壓力傳感器有壓差PH＞PL使電容變化ΔC=1pF時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓URL平均值的大小與方向。 a) b) 圖4-30 答案 4.1答： 非線性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對(duì)位移的大??；起始極距與靈敏度、線性度相矛盾，所以變極距式電容傳感器只適合小位移測(cè)量；為提高傳感器的靈敏度和改善非線性關(guān)系，變極距式電容傳感器一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。 4.2答： 低頻時(shí)容抗較大，傳輸線的等效電感和電阻可忽略。而高頻時(shí)容抗減小，等效電感和電阻不可忽略，這時(shí)接在傳感器輸出端相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)諧振，有一個(gè)諧振頻率存在，當(dāng)工作頻率諧振頻率時(shí)，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振對(duì)傳感器的輸出起破壞作用，使電路不能正常工作。通常工作頻率10MHz以上就要考慮電纜線等效電感的影響。 4.3解：若初始容量，初始距離，當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了時(shí)，非線性誤差為： 改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差為： 4.4（略） 4.5解：對(duì)于平板式變面積型電容傳感器，它的靜態(tài)靈敏度為： 極板沿x方向相對(duì)移動(dòng)2mm后的電容量為： 4.6解：1） 2）令，則 4.7解：當(dāng)時(shí)，； 由于，電壓UE的負(fù)半周占優(yōu)勢(shì)，故的方向下正上負(fù)。 第5章 電感式傳感器 5.1 何謂電感式傳感器？電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點(diǎn)？ 5.2 提高電感式傳感器線性度有哪些有效的方法。 5.3 說(shuō)明單線圈和差動(dòng)變間隙式電感傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性。 5.4 說(shuō)明產(chǎn)生差動(dòng)電感式傳感器零位殘余電壓的原因及減小此電壓的有效措施。 5.5 為什么螺線管式電傳感器比變間隙式電傳感器有更大的測(cè)位移范圍？ 5.6 電感式傳感器測(cè)量電路的主要任務(wù)是什么？變壓器式電橋和帶相敏整流的交流電橋在電感式傳感器測(cè)量電路中各可以發(fā)揮什么作用？采用哪種電路可以獲得理想輸出。 5.7 概述變間隙式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特性，試比較單線圈和差動(dòng)螺線管式電傳感器的基本特性，說(shuō)明它們的性能指標(biāo)有何異同？ 5.8 差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電路有幾種類型？試述差動(dòng)整流電路的組成和基本原理。為什么這類電路可以消除零點(diǎn)殘余電壓？ 5.9 概述差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用范圍，并說(shuō)明用差動(dòng)變壓器式傳感器檢測(cè)振動(dòng)的基本原理。 5.10 什么叫電渦流效應(yīng)？說(shuō)明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。電渦流式傳感器的基本特性有哪些？它是基于何種模型得到的？ 5.11 電渦流式傳感器可以進(jìn)行哪些物理量的檢測(cè)？能否可以測(cè)量非金屬物體，為什么？ 5.12 試用電渦流式傳感器設(shè)計(jì)一在線檢測(cè)的計(jì)數(shù)裝置，被測(cè)物體為鋼球。請(qǐng)畫出檢測(cè)原理框圖和電路原理框圖。 答案 5.1答： 電感式傳感器是一種機(jī)-電轉(zhuǎn)換裝置，電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置，傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。它可以用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、密度等參數(shù)。 電感式傳感器種類：自感式、渦流式、差動(dòng)式、變壓式、壓磁式、感應(yīng)同步器。 工作原理：自感、互感、渦流、壓磁。 5.2答： 電感傳感器采用差動(dòng)形式，轉(zhuǎn)換電路采用相敏檢波電路可有效改善線性度。 5.3（略） 5.4答： 差動(dòng)變壓器式傳感器的鐵芯處于中間位置時(shí)，在零點(diǎn)附近總有一個(gè)最小的輸出電壓，將鐵芯處于中間位置時(shí)，最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的主要原因是由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組電氣系數(shù)（互感 M 、電感L、內(nèi)阻R）不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保證完全一致。 為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，除工業(yè)上采取措施外，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)償：①串聯(lián)電阻；②并聯(lián)電阻、電容，消除基波分量的相位差異，減小諧波分量；③加反饋支路，初、次級(jí)間加入反饋，減小諧波分量；④相敏檢波電路對(duì)零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。 5.5答： 螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器利用互感原理，結(jié)構(gòu)是：塑料骨架中間繞一個(gè)初級(jí)線圈，兩次級(jí)線圈分別在初級(jí)線圈兩邊，鐵心在骨架中間可上下移動(dòng)，根據(jù)傳感器尺寸大小它可測(cè)量1~100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移。變間隙式電感傳感器是利用自感原理，銜鐵的與鐵芯之間位移（氣隙）與磁阻的關(guān)系為非線性關(guān)系，可動(dòng)線性范圍很小，因此測(cè)量范圍受到限制。 5.6（略）5.7（略）5.8（略）5.9（略） 5.10答： 1）塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。 2）形成渦流必須具備兩個(gè)條件：第一存在交變磁場(chǎng)；第二導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中。電渦流式傳感器通電后線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬導(dǎo)體置于線圈附近。當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流同樣產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)的反作用使線圈的等效電感和等效阻抗發(fā)生變化，使流過(guò)線圈的電流大小、相位都發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)與阻抗有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行非電量檢測(cè)。 3）因?yàn)榻饘俅嬖谮吥w效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)，實(shí)際上渦流的分布是不均勻的。渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同，存在徑向分布和軸向分布。所以電渦流傳感器的檢測(cè)范圍與傳感器的尺寸（線圈直徑）有關(guān)。 4）回路方程的建立是把金屬上渦流所在范圍近似看成一個(gè)單匝短路線圈作為等效模型。 5.11答： 1）凡是能引起變化的物理量，均可以引起傳感器線圈 的變化，可以進(jìn)行非電量檢測(cè)；如被測(cè)體（金屬）的電阻率，導(dǎo)磁率，厚度，線圈與被測(cè)體之間的距離，激勵(lì)線圈的角頻率等都可通過(guò)渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗發(fā)生關(guān)系，使變化；若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，便可使阻抗成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。 2）電渦流傳感器不可以直接測(cè)量非金屬物體，這是由于傳感器本身特性決定的。 5.12（略） 第7章 壓電式傳感器 7.1 什么是壓電效應(yīng)？什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？ 7.2 石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)有何不同之處？為什么說(shuō)PZT壓電陶瓷是優(yōu)能的壓電元件？比較幾種常用壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)出各自適用于什么場(chǎng)合？ 7.3 壓電傳感器能否用于靜態(tài)測(cè)量？試結(jié)合壓電陶瓷加以說(shuō)明。 7.4 壓電元件在使用時(shí)常采用多片串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。試述在不同接法下輸出電壓、電荷、電容的關(guān)系，它們分別適用于何種應(yīng)用場(chǎng)合？ 7.5 電壓放大器和電荷放大器本質(zhì)上有何不同，電荷放大器和電壓放大器各有何特點(diǎn)？它們各自適用于什么情況？ 7.6 己知電壓前置放大器輸人電阻及總電容分別為，，求與壓電加速度計(jì)相配，測(cè)振動(dòng)時(shí)幅值誤差是多少？ 7.7 已知電壓式加速度傳感器阻尼比。若其無(wú)阻尼固有頻率, 要求傳感器輸出幅值誤差在以內(nèi)，試確定傳感器的最高響應(yīng)頻率。 7.8 一壓電加速度計(jì)，供它專用電纜的長(zhǎng)度為，電纜電容為，壓電片本身電容為。出廠標(biāo)定電壓靈敏度為，若使用中改用另一根長(zhǎng)電纜，其電容量為，問(wèn)其電壓靈敏度如何改變？ 7.9 為什么壓電器件一定要高阻抗輸出？ 7.10 用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量加速度，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)器加速度達(dá)到最大值時(shí)，相應(yīng)輸出電壓幅值為2V，試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。 答案 7.1答： 某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時(shí)，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時(shí)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng) 7.2答： 1）石英晶體整個(gè)晶體是中性的，受外力作用而變形時(shí)沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。壓電陶瓷PZT是一種多晶鐵電體，原始的壓電陶瓷材料并不具有壓電性，必須在一定溫度下做極化處理后，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，才能使其呈現(xiàn)出壓電特性。 2）比較石英晶體、，壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)大的多，是它們的上百倍。所以壓電陶瓷制作的傳感器靈敏度高。常用的優(yōu)能壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛（PZT），它具有很高的介電常數(shù)，工作溫度可達(dá)250℃。 3）（略） 7.3答： 1）由壓電傳感器的等效電路可見(jiàn)，要保證輸出信號(hào)與輸入作用力間的線性關(guān)系，只有在負(fù)載電阻較大，工作頻率較高時(shí)，傳感器電荷才能得以保存補(bǔ)充，需要測(cè)量電路具有無(wú)限大的輸入阻抗。但實(shí)際上這是不可能的，故壓電傳感器只能作動(dòng)態(tài)測(cè)量，不宜作靜態(tài)信號(hào)測(cè)量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，并給測(cè)量電路一定的電流。 2）（略） 7.4.答： 1）在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個(gè)壓電組件。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電芯片的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接，常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。 2）如果按相同極性粘貼，相當(dāng)兩個(gè)壓電片（電容）串聯(lián)。輸出總電容為單片電容的一半，輸出電荷與單片電荷相等，輸出電壓是單片的兩倍；若按不同極性粘貼，相當(dāng)兩個(gè)壓電片（電容）并聯(lián)，輸出電容為單電容的兩倍，極板上電荷量是單片的兩倍，但輸出電壓與單片相等。 7.5答：（略） 7.6解： 幅值誤差為： 相對(duì)誤差為： 7.7解： 控制傳感器在5%以內(nèi)的幅值誤差為： 式中f為最高響應(yīng)頻率： 7.8解： 可見(jiàn)電纜加長(zhǎng)后電壓靈敏度下降。 7.9（略） 7.10解： 當(dāng)輸出幅值為2V時(shí)，機(jī)器振動(dòng)加速度為： 第8章 光電效應(yīng)及器件 8.1什么是內(nèi)光電效應(yīng)？什么是外光電效應(yīng)？說(shuō)明其工作原理并指出相應(yīng)的典型光電器件。 8.2普通光電器件有哪幾種類型？各有何特點(diǎn)？利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件有哪些？用光生伏特效應(yīng)制成的光電器件有哪些？ 8.3普通光電器件都有哪些主要特性和參數(shù)？ 8.4什么是光敏電阻的亮電阻和暗電阻？暗電阻電阻值通常在什么范圍？ 8.5試述光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光電池的工作原理。如何正確選用這些器件？舉例說(shuō)明。 8.6光敏二極管由哪幾部分組成，它與普通二極管在使用時(shí)有什么不同？請(qǐng)說(shuō)明原理。 8.7光敏三極管與普通三極管的輸出特性是否相同？主要區(qū)別在哪里？ 8.8何為光電池的開(kāi)路電壓及短路電流？為什么作為檢測(cè)元件時(shí)要采用短路電流輸出形式，作為電壓源使用時(shí)采用開(kāi)路電壓輸出形式？ 8.9光電池的結(jié)構(gòu)特征是什么？它如何工作的？ 8.10采用波長(zhǎng)為0.8～0.9的紅外光源時(shí)，宜采用哪種材料的光電器件做檢測(cè)元件？為什么？ 8.11反射式光電傳感器常見(jiàn)的有哪些類型？有什么特點(diǎn)？應(yīng)用時(shí)要注意哪些影響？ 8.12舉出日常生活中的兩個(gè)光電式傳感器的應(yīng)用例子，并說(shuō)明原理。 8.13試擬定一光電開(kāi)關(guān)用于自動(dòng)裝配流水線上工件計(jì)數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)（用示意圖表示出裝置結(jié)構(gòu)），并畫出計(jì)數(shù)電路原理示意圖， 并說(shuō)明其工作原理。 8.14試敘述智能小車設(shè)計(jì)中，如何利用反射式光電傳感器實(shí)現(xiàn)“尋跡”功能，并設(shè)計(jì)出光電傳感器檢測(cè)電路原理圖。 圖8-53 8.15光電傳感器控制電路如圖8-53所示，試分析電路工作原理：① GP—IS01是什么器件，內(nèi)部由哪兩種器件組成？② 當(dāng)用物體遮擋光路時(shí)，發(fā)光二極管LED有什么變化？③ R1是什么電阻，在電路中起到什么作用？如果VD二極管的最大額定電流為60mA， R1應(yīng)該如何選擇？④ 如果GP—IS01中的VD二極管反向連接，電路狀態(tài)如何？晶體管VT 、LED如何變化？ 8.16光柵傳感器的基本原理是什么？莫爾條紋是如何形成的？有何特點(diǎn)？分析光柵傳感器具有較高測(cè)量精度的原因。 8.17某光柵的柵線密度為100線/mm ，要使形成莫爾條紋寬度為10mm，求柵線夾角是多少? 答案： 8.1答：當(dāng)用光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 1）當(dāng)光線照在物體上,使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)，典型的光電器件有光敏電阻；光照時(shí)物體中能產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)，光電池、光敏晶體管。 2）在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，典型的光電器件有光電管、光電倍增管。 8.2答：（略） 8.3答： 光照特性；光譜特性；伏安特性；溫度特性；頻率特性等 8.4答： 暗電阻，無(wú)光照時(shí)的電阻為暗電阻，暗電阻電阻值范圍一般為0.5～200MΩ； 亮電阻、受光照時(shí)的電阻稱亮電阻，亮電阻的阻值一般為0.5～20KΩ。 8.5答：（略）8.6答：（略）8.7答：（略） 8.8答： 1）光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)系為開(kāi)路電壓曲線，短路電流是指外接負(fù)載電阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的光電流值。 2）短路電流曲線在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，因此光電池作為檢測(cè)元件使用時(shí)，一般不作電壓源使用，而作為電流源的形式應(yīng)用。而開(kāi)路電壓與光照度關(guān)系在照度為2000lx以上趨于飽和呈非線性關(guān)系，因此適于作電壓源使用。 8.9答：（略） 8.10答： 1）采用波長(zhǎng)為0.8～0.9的紅外光源時(shí)，宜采硅光電池或硅光敏管，其光譜響應(yīng)峰值在0.8附近，波長(zhǎng)范圍在0.4～1.2。 2）其中硅光電池適于接受紅外光，可以在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)應(yīng)用。 8.11答：（略）8.12答：（略）8.13答：（略）8.14答：（略） 8.15電路分析： 1）GP—IS01是光電開(kāi)關(guān)器件，內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成； 2）當(dāng)用物體遮擋光路時(shí)，Vg無(wú)光電流VT截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光； 3）R1是限流電阻，在電路中可起到保護(hù)發(fā)光二極管VD的作用；如果VD二極管的最大額定電流為60mA，選擇電阻大于R1 =（12V-0.7）/0.6 = 18.8Ω。 4）如果GP—IS01中的VD二極管反向連接，Vg無(wú)光電流VT截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光；電路無(wú)狀態(tài)變化。 8.16答：（略） 8.17解： 已知：光柵的柵線密度為100線/mm 即W=0.02mm，B=10mm (即006′53″) 什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？什么是縱向壓電效應(yīng)和橫向壓效應(yīng)？ 答：某些電介質(zhì)當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝κ顾冃危鋬?nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”；相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生形變，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。我們用三條互相垂直的軸來(lái)表示石英晶體的各向，通常把沿電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)械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫壓電效應(yīng)”。