《傳感器原理及應(yīng)用》課后答案

1、第1章 傳感器基礎(chǔ)理論思考題與習(xí)題答案1.1什么是傳感器？（傳感器定義）解：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)的器件或裝置，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成。1.2傳感器特性在檢測(cè)系統(tǒng)中起到什么作用？解：傳感器的特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎肓亢洼敵隽恐g的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以它在檢測(cè)系統(tǒng)中的作用非常重要。通常把傳感器的特性分為兩種：靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性是指輸入不隨時(shí)間而變化的特性，它表示傳感器在被測(cè)量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)下輸入輸出的關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性是指輸入隨時(shí)間而變化的特性，它表示傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。1.3傳感器由哪幾部分組成？說(shuō)明各部分的作用。解：傳感器通

2、常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路三部分組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部分，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路是指將非適合電量進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成適合電量的部分，如書(shū)中圖1.1所示。1.4傳感器的性能參數(shù)反映了傳感器的什么關(guān)系？靜態(tài)參數(shù)有哪些？各種參數(shù)代表什么意義？動(dòng)態(tài)參數(shù)有那些？應(yīng)如何選擇？解：在生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，要對(duì)各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，就要求傳感器能感受被測(cè)非電量的變化并將其不失真地變換成相應(yīng)的電量，這取決于傳感器的基本特性，即輸出輸入特性。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、 靈敏度，遲滯和重復(fù)性等。意義略（見(jiàn)

3、書(shū)中）。動(dòng)態(tài)參數(shù)有最大超調(diào)量、延遲時(shí)間、上升時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間等，應(yīng)根據(jù)被測(cè)非電量的測(cè)量要求進(jìn)行選擇。1.5某位移傳感器，在輸入量變化5mm時(shí)，輸出電壓變化為300mV，求其靈敏度。解：其靈敏度1.6某測(cè)量系統(tǒng)由傳感器、放大器和記錄儀組成，各環(huán)節(jié)的靈敏度為：S1=0.2mV/、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系統(tǒng)的總的靈敏度。1.7某線性位移測(cè)量?jī)x，當(dāng)被測(cè)位移由4.5mm變到5.0mm時(shí)，位移測(cè)量?jī)x的輸出電壓由3.5V減至2.5V，求該儀器的靈敏度。解：該儀器的靈敏度為V/mm1.8某測(cè)溫系統(tǒng)由以下四個(gè)環(huán)節(jié)組成，各自的靈敏度如下：鉑電阻溫度傳感器： 0.45/電橋： 0.02V/放大

4、器 ： 100(放大倍數(shù)) 筆式記錄儀：0.2cm/V求：(1)測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度；(2)記錄儀筆尖位移4cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度變化值。解：（1）測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度為cm/（2）記錄儀筆尖位移4cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度變化值為1.9有三臺(tái)測(cè)溫儀表，量程均為0800，精度等級(jí)分別為2.5級(jí)、2.0級(jí)和1.5級(jí)，現(xiàn)要測(cè)量500的溫度，要求相對(duì)誤差不超過(guò)2.5，選那臺(tái)儀表合理?解：2.5級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為20，測(cè)量500時(shí)的相對(duì)誤差為4；2.0級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為16，測(cè)量500時(shí)的相對(duì)誤差為3.2；1.5級(jí)時(shí)的最大絕對(duì)誤差值為12，測(cè)量500時(shí)的相對(duì)誤差為2.4。因此，應(yīng)該選用1.5級(jí)的測(cè)溫儀器。

5、1.10某溫度傳感器為時(shí)間常數(shù) T=3s 的一階系統(tǒng)，當(dāng)傳感器受突變溫度作用后，試求傳感器指示出溫差的1/3和1/2時(shí)所需的時(shí)間。解：設(shè)溫差為A，測(cè)此溫度傳感器受幅度為A的階躍響 應(yīng)為(動(dòng)態(tài)方程不考慮初態(tài))當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，1.11某傳感器為一階系統(tǒng)，當(dāng)受階躍函數(shù)作用時(shí)，在t=0時(shí)，輸出為10mV；t時(shí)，輸出為100mV；在t=5s時(shí)，輸出為50mV，試求該傳感器的時(shí)間常數(shù)。解：由題意知：第2章 應(yīng)變式傳感器思考題與習(xí)題答案2.1試述金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)有什么不同?答：金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是由于其幾何形狀的變化而產(chǎn)生的，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)則主要取決于材料的電阻率隨應(yīng)變所引起

6、的變化產(chǎn)生的。2.2試述金屬電阻應(yīng)變片直流測(cè)量電橋和交流測(cè)量電橋有什么區(qū)別?答：它們的區(qū)別主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，交流電橋用交流電源，適用于所有電路元件。2.3采用阻值為120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定負(fù)載電阻無(wú)窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1000時(shí)，試求單臂、雙臂和全橋工作時(shí)的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。解：?jiǎn)伪蹠r(shí)，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)V，應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為V；雙臂時(shí)，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)V，應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為V；全橋時(shí)，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)V，應(yīng)變?yōu)?000時(shí)應(yīng)為V。從上面的計(jì)算可知：?jiǎn)伪蹠r(shí)靈敏度最低，雙臂

7、時(shí)為其兩倍，全橋時(shí)最高，為單臂的四倍。2.4采用阻值R=120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時(shí)，若要使輸出電壓大于10mV，則可采用單臂、半橋和全橋的哪種方式（設(shè)輸出阻抗為無(wú)窮大）？解：由于不知是何種工作方式，可設(shè)為n，故可得：mV得n要小于2，故應(yīng)采用全橋工作方式。2.5如題2.5圖所示為一直流電橋，供電電源電動(dòng)勢(shì)E=3V，R3=R4=100，R1和R2為同型號(hào)的電阻應(yīng)變片，其電阻均為50，靈敏度系數(shù)K=2.0。兩只應(yīng)變片分別粘貼于等強(qiáng)度梁同一截面的正反兩面。設(shè)等強(qiáng)度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000，試求此時(shí)電橋

8、輸出端電壓Uo。題2.5圖解：此電橋?yàn)檩敵鰧?duì)稱(chēng)電橋，故mV2.6有一吊車(chē)的拉力傳感器如題2.6圖所示，電阻應(yīng)變片R1、R2、R3、R4等截面軸上，已知R1R4標(biāo)稱(chēng)阻值為120，橋路電壓2V，物重m引起R1、R2變化增量為1.2。請(qǐng)畫(huà)出應(yīng)變片電橋電路，計(jì)算出測(cè)得的輸出電壓和電橋輸出靈敏度，R3、R4起什么作用？題2.6圖解：應(yīng)變片電橋電路如書(shū)中圖2.14b)，把R2與R4對(duì)換一下位置。又因?yàn)檩^小，可忽略R3、R4可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償和減小非線性誤差的作用。2.7試述金屬應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因及減小或補(bǔ)償溫度誤差的方法是什么？解：電阻應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的原因：敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度發(fā)生變化試件材

9、料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法：通常有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類(lèi)。1）電橋補(bǔ)償是最常用的且效果較好的線路補(bǔ)償法。電橋補(bǔ)償法簡(jiǎn)單易行，而且能在較大的溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償，但上面的四個(gè)條件不一滿足，尤其是兩個(gè)應(yīng)變片很難處于同一溫度場(chǎng)。 2）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片。2.8如題2.8圖所示一受拉的優(yōu)質(zhì)碳素鋼材，已知鋼材的彈性模量E=F/S，E2l011Nm2，應(yīng)變片的電阻為120，試用允許通過(guò)的最大電流為30mA的康銅絲應(yīng)變片組成一單臂受感電橋。試求出此電橋空載時(shí)的最大可能的輸出電壓。題2.8圖解：應(yīng)變片所受應(yīng)力：V2.9在題2.8中，若鋼材上粘貼的

10、應(yīng)變片的電阻變化率為0.1%，鋼材的應(yīng)力為10kg/mm2。求鋼材的應(yīng)變及應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。解：鋼材的應(yīng)變?yōu)?0010-6時(shí)，粘貼的應(yīng)變片的電阻變化率為多少?解：2.10有一電阻應(yīng)變片初始阻值為120，靈敏度K=2，沿軸向粘貼于直徑0.04m的圓形鋼柱表面，鋼材的彈性模量E2l011Nm2，泊松比=0.3，當(dāng)鋼柱承受外力98l03N時(shí)。求：該鋼柱的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變r(jià)；此時(shí)電阻應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化量R/R；應(yīng)變片的電阻值變化了多少歐?是增大了還是減少了?如果應(yīng)變片是沿圓柱的圓周方向(徑向)粘貼，鋼柱受同樣大小的拉力作用，此時(shí)應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化量為多少?電阻是增大了還是減少了?解：電阻是增大

11、了。電阻是減小了。2.11一臺(tái)采用等強(qiáng)度梁的電子秤，在梁的上下兩面各貼有兩片電阻應(yīng)變片，做成秤重傳感器，如圖題2.11所示。已知l=100mm，b=11mm，t=3mm，E=2.1104N/mm2，接入直流四臂差動(dòng)電橋，供電電壓6V，當(dāng)稱(chēng)重0.5kg時(shí)，電橋的輸出電壓Uo為多大？題2.11圖解：對(duì)于等強(qiáng)度梁，粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)閙V第3章 電感式傳感器思考題與習(xí)題答案3.1試述影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是什么？解：影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是：傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)的對(duì)稱(chēng)性、磁性材料的殘余應(yīng)力、測(cè)量電路零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)等。3.2試述電渦流式傳感器的靈敏度主要

12、受哪些因素影響？它的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？解：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵(lì)電流頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離等因素影響。電渦流式傳感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量范圍大、抗干憂能力強(qiáng)，特別是有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。3.3試述自感式電感傳感器的工作原理。解:將非電量轉(zhuǎn)換成自感系數(shù)變化的傳感器通常稱(chēng)為自感式電感傳感器，自感式電感傳感器又稱(chēng)為電感式傳感器，它由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成。當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，鐵心與銜鐵之間的氣隙磁阻隨之變化，從而引起線圈的自感發(fā)生變化。因此，自感式傳感器實(shí)質(zhì)上

13、是一個(gè)具有可變氣隙的鐵心線圈。3.4試說(shuō)明差動(dòng)變壓器（螺線管式）傳感器的結(jié)構(gòu)形式與輸出特性。解:螺線管式互感傳感器它由初級(jí)線圈，兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。螺線管式差動(dòng)變壓器按線圈繞組排列的方式不同可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類(lèi)型，一節(jié)式靈敏度高，三節(jié)式零點(diǎn)殘余電壓較小，通常采用的是二節(jié)式和三節(jié)式兩類(lèi)。理想的差動(dòng)變壓器輸出電壓與位移成線性關(guān)系，實(shí)際上由于線圈、鐵心、骨架的結(jié)構(gòu)形狀、材質(zhì)等諸多因素的影響，不可能達(dá)到完全對(duì)稱(chēng)，使得實(shí)際輸出電壓呈非線性狀態(tài)，但在變壓器中間部分磁場(chǎng)是均勻的且較強(qiáng)，因而有較好的線性段，此線性段的位移范圍x約為線圈骨架的1/101/4。提高兩次

14、級(jí)線圈磁路和電路的對(duì)稱(chēng)性，可改善輸出電壓的線性度。采用相敏整流電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行處理，可進(jìn)一步改善互感式電感傳感器輸出電壓的線性。3.5什么是零點(diǎn)殘余電壓，有哪些方法可以進(jìn)行殘余電壓補(bǔ)償？解: 差動(dòng)變壓器輸出電壓在零點(diǎn)總有一個(gè)最小的輸出電壓。一般把這個(gè)最小的輸出電壓稱(chēng)為零點(diǎn)殘余電壓，即指銜鐵位于中間位置時(shí)的差動(dòng)輸出電壓。殘余電壓補(bǔ)償方法：提高差動(dòng)變壓器的組成結(jié)構(gòu)及電磁特性的對(duì)稱(chēng)性；引入相敏整流電路，對(duì)差動(dòng)變壓器輸出電壓進(jìn)行處理；采用外電路補(bǔ)償。3.6用差動(dòng)變壓器進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)采用那種電路形式可以直接由輸出電壓區(qū)別位移的大小和方向？解: 采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量。3.7什么是電渦流

15、效應(yīng)？電渦流傳感器可以進(jìn)行哪些非電量參數(shù)測(cè)量？該傳感器可將哪些物理量轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行輸出？解: 電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)，金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流的流線呈閉合回線，類(lèi)似水渦形狀，故稱(chēng)之為電渦流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電渦流效應(yīng)。可用來(lái)測(cè)量位移、金屬體厚度、溫度等參數(shù)，并可用作探傷?？晌灰?、厚度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度等物理量轉(zhuǎn)換為電量輸出。3.8差動(dòng)式自感傳感器結(jié)構(gòu)有什么優(yōu)點(diǎn)，采用變壓器式電橋電路，能否判斷位移的方向，如不能，則需采用何種電路？解：差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高一倍，對(duì)于差動(dòng)變間隙式自感傳感器的線性度也能得到明顯改善。不能判斷位移的方向，需采用整流電路或相敏檢波電路。3.9試述電感

16、式傳感器有哪些種類(lèi)及其工作原理。解：自感式傳感器又叫電感式傳感器，其有變間隙式、變面積式、螺線管式（變氣隙導(dǎo)磁系數(shù)）三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。將非電量轉(zhuǎn)換成自感系數(shù)變化，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，鐵心與銜鐵之間的氣隙磁阻隨之變化，從而引起線圈的自感發(fā)生變化。3.10分析電感傳感器出現(xiàn)非線性的原因，并說(shuō)明如何改善？解：電感式傳感器即為自感式傳感器，對(duì)于變間隙式自感傳感器輸出存在非線性誤差。主要是因?yàn)楸粶y(cè)量的變化引起傳感器的參數(shù)發(fā)生變化，此變化參數(shù)在電感表達(dá)式的分母上。采用差動(dòng)電路。3.11圖題3.11所示是一簡(jiǎn)單電感式傳感器。尺寸已示于圖中。磁路取為中心磁路，不記漏磁，設(shè)鐵心及銜鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率為104，空

17、氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，真空的磁導(dǎo)率為410-7Hm-1,試計(jì)算氣隙長(zhǎng)度為零及為2mm時(shí)的電感量。圖中所注尺寸單位均為mm。題3.11圖解：計(jì)算時(shí)以中間位置的長(zhǎng)度作為磁路長(zhǎng)度的基準(zhǔn)，當(dāng)氣隙長(zhǎng)度為零時(shí)當(dāng)氣隙長(zhǎng)度為2mm時(shí)3.12簡(jiǎn)述電渦流效應(yīng)及構(gòu)成電渦流傳感器的可能的應(yīng)用場(chǎng)合。解：電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)，金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流的流線呈閉合回線，類(lèi)似水渦形狀，故稱(chēng)之為電渦流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可進(jìn)行位移、厚度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度等多參數(shù)的測(cè)量。3.13試說(shuō)明如圖所示的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理。題3.13圖解：此電路的分析方法同圖3.22，文中給

18、出了詳細(xì)的分析過(guò)程。3.14題3.14圖所示的差動(dòng)電感式傳感器的橋式測(cè)量電路，L1、L2為傳感器的兩差動(dòng)電感線圈的電感，其初始值均為L(zhǎng)0。R1、R2為標(biāo)準(zhǔn)電阻，u為電源電壓。試寫(xiě)出輸出電壓uo與傳感器電感變化量L間的關(guān)系。 題3.14圖 解: 3.15試分析圖3.21c)所示的全橋整流電路的工作原理。解：電橋輸出電壓為Uab=Uac-Ubc。當(dāng)銜鐵位于零位時(shí)，I1=I2，Uac=Ubc，故Iab=0，Uab=0；當(dāng)銜鐵位于零位以上時(shí)，I1I2，UacUbc，故Iab0，Uab0；當(dāng)銜鐵位于零位以下時(shí)，I1I2，UacUbc，故Iab0，Uab0。第四章 電容式傳感器思考題與習(xí)題答案4.1電容式

19、傳感器有哪些類(lèi)型？解：電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類(lèi)型。4.2敘述電容式傳感器的工作原理，輸出特性。解：電容式傳感器是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。多數(shù)場(chǎng)合下，它是由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為，當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得c中的A、d或發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器的類(lèi)型不同，其輸出特性也不同。變極距型的輸出存在非線性誤差，變面積型和變介質(zhì)型的輸出是線性的。4.3為什么電感式和電容式傳感器的結(jié)構(gòu)多采用差動(dòng)形式，差動(dòng)結(jié)構(gòu)形

20、式的特點(diǎn)是什么？解：因?yàn)椴顒?dòng)形式的靈敏度比單圈式的靈敏度提高一倍，同時(shí)也可以減小非線性誤差。4.4電容式傳感器的測(cè)量電路有哪些？敘述二極管雙T型交流電橋的工作原理。解：電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。二極管雙T型交流電橋的工作原理見(jiàn)書(shū)中。4.5試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度?為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應(yīng)注意什么問(wèn)題?解：以變面積式電容傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。直線位移型電容式傳感器當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為C=b（a-x）/d=C0-bx/d

21、 （1）電容因位移而產(chǎn)生的變化量為其靈敏度為 可見(jiàn)增加b或減小d均可提高傳感器的靈敏度。4.6為什么說(shuō)變間隙型電容傳感器特性是非線性的?采取什么措施可改善其非線性特征?解：下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。圖中1為固定極板，2為與被測(cè)對(duì)象相連的活動(dòng)極板。當(dāng)活動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)的改變而引起移動(dòng)時(shí)，兩極板間的距離d發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量C。設(shè)極板面積為A，其靜態(tài)電容量為，當(dāng)活動(dòng)極板移動(dòng)x后，其電容量為 (1)當(dāng)xd時(shí) 則 (2)由式（1）可以看出電容量C與x不是線性關(guān)系，只有當(dāng) xd時(shí)，才可認(rèn)為是最近似線形關(guān)系。同時(shí)還可以看出，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d過(guò)小時(shí)。但當(dāng)d過(guò)小時(shí)，又容

22、易引起擊穿，同時(shí)加工精度要求也高了。為此,一般是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來(lái)改善這種情況。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。4.7有一平面直線位移差動(dòng)傳感器，其測(cè)量電路采用變壓器交流電橋，如題4.7圖所示。電容傳感器起始時(shí)b1=b2=b=200mm，a1=a2=20mm，極距d=2mm，極間介質(zhì)為空氣，測(cè)量電路ui=3sintV，且u=ui。試求當(dāng)動(dòng)極板上輸入一位移量x=5mm時(shí),電橋輸出電壓uo為多少？題4.7圖解：根據(jù)測(cè)量電路可得mV4.8變間隙電容傳感器的測(cè)量電路為運(yùn)算放大器電路，如題4.8圖所示。C0=200pF，傳感器的起始電容量Cx0=20

23、pF,定動(dòng)極板距離d0=1.5mm,運(yùn)算放大器為理想放大器（即K,Zi）,Rf極大,輸入電壓ui=5sintV。求當(dāng)電容傳感動(dòng)極板上輸入一位移量x=0.15mm使d0減小時(shí),電路輸出電壓uo為多少？題4.8圖解：由測(cè)量電路可得 V4.9推導(dǎo)差動(dòng)式電容傳感器的靈敏度，并與單極式電容傳感器相比較。解：以變極距式為例，在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極板向上位移d時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-d，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d，此時(shí)電容器C1和C2的電容量分別為，因，略去高次項(xiàng)，則則差動(dòng)電容式傳感器的靈敏度K0為與單極式電容傳感器相比，其靈敏度提高一倍。4.10有一臺(tái)變間隙非接觸式電容測(cè)微儀，其傳感

24、器的極板半徑r=4mm，假設(shè)與被測(cè)工件的初始間隙0=0.3mm，已知極板間介質(zhì)為空氣，空氣介電常數(shù)0=8.8510-12F/m，試問(wèn)如果傳感器與工件的間隙變化量=+10m，那么電容變化量為多少?如果測(cè)量電路的靈敏度K=100mV/pF，則在=+1m時(shí)的輸出電壓為多少?解：（1）根據(jù)公式，其中S=（2）根據(jù)公式，可得到=4.12根據(jù)電容式傳感器的工作原理說(shuō)明它的分類(lèi)，電容式傳感器能夠測(cè)量哪些物理參量？解：電容式傳感器是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。多數(shù)場(chǎng)合下，它是由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為，當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式中的A、d或發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保

25、持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。根據(jù)傳感器的工作原理可把電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類(lèi)型。電容式傳感器不但廣泛用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的精密測(cè)量，還應(yīng)用于壓力、壓差、液面、料面、成份含量等方面的測(cè)量。4.13總結(jié)電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，主要應(yīng)用場(chǎng)合以及使用中應(yīng)注意的問(wèn)題。解：優(yōu)點(diǎn)：(1) 溫度穩(wěn)定性好(2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(3) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好（4）可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)。缺點(diǎn)：（1）輸出阻抗高，負(fù)載能力差（2）寄生電容影響大。主要應(yīng)用在非電量測(cè)量和自動(dòng)檢測(cè)中，電容傳感元件的實(shí)際相對(duì)變

26、化量與傳感元件的固有電感（包括引線電感）有關(guān)。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須與標(biāo)定時(shí)的條件相同，否則將會(huì)引入測(cè)量誤差。4.14簡(jiǎn)述電容式傳感器用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路的工作原理及特點(diǎn)。解：詳細(xì)敘述見(jiàn)本章脈沖調(diào)寬調(diào)制電路。4.15有一個(gè)直徑為2m、高5m的鐵桶，往桶內(nèi)連續(xù)注水，當(dāng)注水?dāng)?shù)量達(dá)到桶容量的80%時(shí)就應(yīng)當(dāng)關(guān)閉閥門(mén)，停止加水，試分析用應(yīng)變片式或電容式傳感器系統(tǒng)來(lái)解決該問(wèn)題的途徑和方法。解：提示采用書(shū)中的圓筒式變介質(zhì)式電容傳感器可實(shí)現(xiàn)。第五章 壓電式傳感器思考題與習(xí)題答案5.1什么是正壓電效應(yīng)？什么是逆壓電效應(yīng)？壓電效應(yīng)有哪些種類(lèi)？壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)是什么？能否用壓電傳感器測(cè)量靜態(tài)壓力？解：某些電

27、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(chēng)為正壓電效應(yīng)。反之，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(chēng)為逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)和橫向壓電效應(yīng)。壓電材料有：石英晶體、一系列單晶硅、多晶陶瓷、有機(jī)高分子聚合材料。結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)： 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，

28、常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。使用時(shí)，兩片壓電芯片上必須有一定的預(yù)緊力，以保證壓電組件在工作中始終受到壓力作用，同時(shí)可消除兩片壓電芯片因接觸不良而引起的非線性誤差，保證輸出信號(hào)與輸入作用力間的線性關(guān)系,因此需要測(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，所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)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。故壓電傳感器只能作動(dòng)態(tài)測(cè)量。5.2試述石英晶體X、Y、Z軸的名稱(chēng)是什么？有哪些特征？解：電軸：X軸穿過(guò)六棱柱的棱線，在垂直于此軸的面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)； 機(jī)械軸：Y軸垂直六棱柱面。在電場(chǎng)作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯； 光軸

29、：Z軸晶體上、下晶錐項(xiàng)點(diǎn)連線重合，也叫中性軸，光線沿該軸通過(guò)時(shí)，無(wú)折射及壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力作用時(shí)，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子相對(duì)位置隨之發(fā)生變化。則在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力作用時(shí)，則在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。當(dāng)石英晶體受到沿Y軸方向的壓力作用時(shí)，在X軸正方向的晶體表面上出現(xiàn)負(fù)電荷。同樣，在垂直于Y軸和Z軸的晶體表面上不出現(xiàn)電荷。當(dāng)晶體受到沿Z軸方向的力（無(wú)論是壓力或拉力）作用時(shí)，因?yàn)榫w在X方向和Y方向的變形相同，正、負(fù)電荷中心始終保持重合，電偶極矩在X、Y方向的分量等于零。所以，沿光軸方向施加

30、力，石英晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。5.3簡(jiǎn)述壓電陶瓷特性，作為壓電元件比較他與石英晶體有哪些特點(diǎn)？解：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)。壓電陶瓷是一種多晶體。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，才能使其呈現(xiàn)出壓電性。所謂極化，就是以強(qiáng)電場(chǎng)使“電疇”規(guī)則排列，而電疇在極化電場(chǎng)除去后基本保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化。當(dāng)極化后的壓電陶瓷受到外力作用時(shí)，其剩余極化強(qiáng)度將隨之發(fā)生變化，從而使一定表面分別產(chǎn)生正負(fù)電荷。在極化方向上壓電效應(yīng)最明顯。壓電陶瓷的參數(shù)也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化老化，壓電陶瓷老化將使壓電效應(yīng)

31、減弱。5.4說(shuō)明電壓放大器與電荷放大器的優(yōu)缺點(diǎn)，各自要解決什么問(wèn)題？解：傳感器與電壓放大器連接的電路其輸出電壓與壓電元件的輸出電壓成正比，但容易受電纜電容的影響。傳感器與電荷放大器連接的電路其輸出電壓與壓電元件的輸出電荷成正比，電纜電容的影響小。5.5用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量機(jī)器振動(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，最大加速度時(shí)輸出幅值2V，試求機(jī)器振動(dòng)加速度。解：5.6為什么壓電傳感器通常都用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)或瞬態(tài)參量？解：如作用在壓電組件上的力是靜態(tài)力，則電荷會(huì)泄露，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。所以壓電傳感器通常都用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)或瞬態(tài)參量。5.7設(shè)計(jì)壓電式傳感器檢測(cè)

32、電路時(shí)應(yīng)該考慮什么因素？為什么？解：基本考慮點(diǎn)是如何更好的改變傳感器的頻率特性，以使傳感器能用于更廣泛的領(lǐng)域。5.8壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是什么?其核心是解決什么問(wèn)題? 解：壓電式傳感器的產(chǎn)生的電量非常小，內(nèi)阻很高。測(cè)量電路的作用是進(jìn)行阻抗變換和放大，即要求測(cè)量電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，通常用高輸入阻抗運(yùn)放。其核心是要解決微弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大，得到足夠強(qiáng)的輸出信號(hào)。 5.9一壓電式傳感器的靈敏度K110pCMPa，連接靈敏度K2=0.008VpC的電放大器，所用的筆式記錄儀的靈敏度K3=25mmV，當(dāng)壓力變化p=8MPa時(shí)，記錄筆在記錄紙上的偏移為多少?解：記錄筆在記錄紙上的偏移為

33、S=100.008258=16mm5.10已知電壓前置放大器的輸入電阻為100M，測(cè)量回路的總電容為100pF，試求用壓電式加速度計(jì)相配測(cè)量1Hz低頻振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的幅值誤差。解：壓電式傳感器的實(shí)際輸入電壓幅值和理想輸入電壓幅值分別為：，時(shí)間常數(shù)：，相對(duì)誤差為：=93.7%5.11用壓電式傳感器測(cè)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(guò)5%，若測(cè)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： 計(jì)算得：5.12巳知壓電式加速度傳感器的阻尼比=0.1，其無(wú)阻尼固有頻率f0=32kHz，若要求傳感器的輸出幅值誤差在5%以內(nèi)，試確定傳感器的最高響應(yīng)頻率。解：（取等

34、號(hào)）解出 或（舍去）則 則 5.13壓電元件在使用時(shí)常采用多片串接或并接的結(jié)構(gòu)形式，試述在不同接法下輸出電壓、輸出電荷、輸出電容的關(guān)系，以及每種接法適用于何種場(chǎng)合。解：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)兩片壓電片的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接。 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；適合測(cè)量變化較快且以電壓輸出的場(chǎng)合；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，適

35、合測(cè)量變化較慢且以電荷輸出的場(chǎng)合。第六章 磁電式傳感器思考題與習(xí)題答案6.1為什么說(shuō)磁電感應(yīng)式傳感器是一種有源傳感器？解：磁敏式傳感器是通過(guò)磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器也稱(chēng)為電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)式的，它不需要輔助電源就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是有源傳感器。6.2變磁阻式傳感器有哪幾種結(jié)構(gòu)形式？可以檢測(cè)哪些非電量？解：變磁阻式傳感器的三種基本類(lèi)型，電感式傳感器、變壓器式傳感器和電渦流式傳感器。變磁阻式傳感器可以用于測(cè)量位移和尺寸，也可以測(cè)量能夠轉(zhuǎn)換為位移量的其他參

36、數(shù)力、張力、壓力、壓差、應(yīng)變、轉(zhuǎn)短、速度和加速度等。6.3磁電式傳感器是速度傳感器，它如何通過(guò)測(cè)量電路獲得相對(duì)應(yīng)的位移和加速度信號(hào)？解：磁電式傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律，它的輸出電動(dòng)勢(shì)信號(hào)和切割磁力線的速度成正比，常做成測(cè)量速度的傳感器，所以也稱(chēng)速度傳感器。只要在測(cè)量電路中加上微分電路或積分電路即可得到加速度或位移信號(hào)。6.4磁電式傳感器與電感式傳感器有哪些不同？磁電式傳感器主要用于測(cè)量哪些物理參數(shù)？解：磁敏式傳感器是通過(guò)磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器也稱(chēng)為電動(dòng)式傳感器或感應(yīng)式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電

37、動(dòng)式的，它不需要輔助電源就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是有源傳感器。 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、重量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的裝置。6.5試證明霍爾式位移傳感器的輸出與位移成正比。解：霍爾式位移傳感器的輸出電動(dòng)勢(shì)，在一定范圍內(nèi)，由于dB/dx=常數(shù)，則dUH/dx=KHIdB/dx=常數(shù)，所以UH正比于位移x。6.6霍爾元件能夠測(cè)量哪些物理參數(shù)？霍爾元件的不等位電勢(shì)的概念是什么？溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？解：霍爾元件可測(cè)量磁場(chǎng)、電流、位移、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等。 霍爾元件的不等位電勢(shì)是霍

38、爾元件在額定控制電流作用下，在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，兩輸出電極之間的空載電勢(shì)，可用輸出的電壓表示。 溫度補(bǔ)償方法：a分流電阻法：適用于恒流源供給控制電流的情況。b電橋補(bǔ)償法 6.7簡(jiǎn)述霍爾效應(yīng)、構(gòu)成以及霍爾傳感器可能的應(yīng)用場(chǎng)合。解：一塊長(zhǎng)為l、寬為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)（磁場(chǎng)方向垂直于薄片）中，當(dāng)有電流I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)UH。這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)?；魻栐嘤肗型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，且比較薄。 霍爾式傳感器轉(zhuǎn)換效率較低，受溫度影響大，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、堅(jiān)固、頻率響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍（輸出電勢(shì)變化）大、無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、易微型化和集成電路化，因此在測(cè)

39、量技術(shù)、自動(dòng)控制、電磁測(cè)量、計(jì)算裝置以及現(xiàn)代軍事技術(shù)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 6.8什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電勢(shì)的大小與方向和哪些因素有關(guān)？影響霍爾電勢(shì)的因素有哪些？解：當(dāng)把一塊金屬或半導(dǎo)體薄片垂直放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，沿著垂直于磁場(chǎng)方向通過(guò)電流，就會(huì)在薄片的另一對(duì)側(cè)面間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為霍爾電動(dòng)勢(shì)?；魻栯妱?dòng)勢(shì)的大小正比于激勵(lì)電流Ic與磁感應(yīng)強(qiáng)度B，且當(dāng)Ic或B的方向改變時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)UH的方向也隨著改變，但當(dāng)Ic和的B方向同時(shí)改變時(shí)霍爾電動(dòng)勢(shì)UH極性不變。影響因素：電流的大小，載流子濃度，電子速度，薄片面積。6.9如果沒(méi)有磁場(chǎng)，能否便用霍爾元件，為什么?

40、解：不能，因?yàn)榛魻栐歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)的原理制作的，而霍爾效應(yīng)：在置于磁場(chǎng)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中通入電流，若電流與磁場(chǎng)垂直，則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，所以必須要有磁場(chǎng)的存在。6.10若一個(gè)霍爾元件的KH=4mV/(mAkGs)(1kGs=0.1T)，控制電流I=3mA，將它置于1Gs5kGs變化的磁場(chǎng)中，它輸出的霍爾電勢(shì)范圍多大?解：當(dāng)B=1Gs時(shí)，mV當(dāng)B=5kGs時(shí)， mV6.11有一測(cè)量轉(zhuǎn)速裝置，調(diào)制盤(pán)上有100對(duì)永久磁極，N、S極交替放置，調(diào)制盤(pán)由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在磁極上方固定一個(gè)霍爾元件，每通過(guò)一對(duì)磁極霍爾元件產(chǎn)生一個(gè)方脈沖送到計(jì)數(shù)器。假定t=5mi

41、n的采樣時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器收到N=15萬(wàn)個(gè)脈沖，求轉(zhuǎn)速n=？轉(zhuǎn)/分。解：轉(zhuǎn)/分6.12磁敏元件有哪些？什么是磁阻效應(yīng)？簡(jiǎn)述磁敏二極管、磁敏三極管工作原理。解：磁敏元件有磁電式傳感器，霍爾傳感器，磁電式磁敏電阻，磁敏二極管和磁敏三極管。將一載流導(dǎo)體置于外磁場(chǎng)中，除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，其電阻也會(huì)隨磁場(chǎng)而變化。這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁電阻效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)磁阻效應(yīng)。磁敏二極管是利用磁阻效應(yīng)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的。詳細(xì)見(jiàn)書(shū)中工作原理。當(dāng)無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)，由于磁敏三極管基區(qū)長(zhǎng)度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，因此發(fā)射區(qū)注入的載流子除少量輸運(yùn)到集電區(qū)外，大部分通過(guò)E-I-B，形成基極電流，基極電流大于集電極電流，所以電流放大倍數(shù)IC/IB1。當(dāng)存在

42、H+磁場(chǎng)時(shí)，由于洛倫茲力的作用，載流子向發(fā)射極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使集電極電流IC明顯下降。當(dāng)存在H-磁場(chǎng)時(shí)，載流子受到洛倫茲力的作用，則向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流IC增大。6.13磁敏電阻與磁敏三極管有哪些不同？與霍爾元件在本質(zhì)上的區(qū)別是什么？解：磁敏三極管有放大作用。磁敏電阻和磁敏三極管不能辨別磁場(chǎng)的極性。6.14磁敏三極管與普通三極管的區(qū)別是什么？解：普通晶體管無(wú)磁靈敏度。6.15發(fā)電機(jī)是利用導(dǎo)線在永久磁鐵的磁場(chǎng)中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而發(fā)電的。無(wú)論負(fù)載怎樣消耗這個(gè)電能，永久磁鐵不會(huì)變?nèi)?，這是什么道理？解：發(fā)電機(jī)供應(yīng)給負(fù)載的電能是轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)發(fā)電機(jī)所得的機(jī)械能（火力或水力）變換而來(lái)的能量。磁鐵持有的能量未

43、被消耗，所以磁鐵不會(huì)變?nèi)?。第七?光電式傳感器思考題與習(xí)題答案7.1什么是外光電效應(yīng)？?jī)?nèi)光電效應(yīng)？光生伏特效應(yīng)？光電導(dǎo)效應(yīng)？與之對(duì)應(yīng)的光電元件各有哪些?解：在光照射下，電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)，亦稱(chēng)光電發(fā)射效應(yīng)。通過(guò)入射光子引起物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，這些光生載流子引起物質(zhì)電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。絕大多數(shù)的高電阻率半導(dǎo)體，受光照射吸收光子能量后，產(chǎn)生電阻率降低而易于導(dǎo)電的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。光照射引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等；基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等；基于光

44、生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。7.2光電器件中的光照特性、光譜特性分別描述的是光電器件的什么性能？解：光電器件的光照特性光照度（E）與光電流之間的關(guān)系光電器件的光譜特性是指入射光照度一定時(shí)，光電器件的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化，一種光電器件只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感，這就是光電器件的光譜特性。7.3試述光敏電阻、光敏晶體管、光電池的器件結(jié)構(gòu)和工作原理。解：光敏電阻的結(jié)構(gòu)：絕緣襯底上均勻地涂上一層具有光導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料，作為光電導(dǎo)層，在半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過(guò)引出線端接入電路。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏三極管的結(jié)構(gòu)與一般三極管很

45、相似，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。光敏三極管的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光電池是用單晶硅制成的，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的PN結(jié)，P層很薄，從而使光能穿透到PN結(jié)上。由于光線的照射，使P區(qū)帶正電荷，N區(qū)帶負(fù)電荷，從而在兩區(qū)之間形成電位差，即構(gòu)成光電池，若接于外電路中就可產(chǎn)生電流。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。7.4當(dāng)光源波長(zhǎng)為0.80.9m時(shí)宜采用哪種材料的光敏元件進(jìn)行測(cè)量？解：可以采用銫材料作為陰極的光電管進(jìn)行測(cè)量。7.5敘述電荷耦合器件（CCD）的結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)電荷與轉(zhuǎn)移電荷的工作過(guò)程。解：CCD是一種半導(dǎo)體器件，在N型或P型硅

46、襯底上生長(zhǎng)一層很薄的SiO2，再在SiO2薄層上依次序沉積金屬電極，這種規(guī)則排列的MOS電容數(shù)組再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片,CCD可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。每一個(gè)脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強(qiáng)弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就起到圖像傳感器的作用。詳細(xì)敘述如書(shū)中的圖7.29和圖7.29。7.6光敏電阻、光電二極管和光電三極管是根據(jù)什么原理工作的？他們的光電特性有何不同？解：光敏電阻、光電二極管和光電三極管都是根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)的原理工作的。不同光敏電阻是不相同的。絕大多數(shù)光敏電阻的光照特性曲線是非線性的，光敏電阻不宜作線性測(cè)量元

47、件，一般用作開(kāi)關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。硅光電二極管的光電特性（光照特性）是線性較好，適合于做檢測(cè)元件。硅光電三極管的光電特性（光照特性）是在弱光時(shí)電流增長(zhǎng)緩慢，采用較小的發(fā)射區(qū)面積，則能提高弱光時(shí)的發(fā)射結(jié)電流密度而使起始時(shí)增長(zhǎng)變快，有利于弱光的檢測(cè)。7.7用光電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速，已知測(cè)量孔數(shù)為60，頻率計(jì)的讀數(shù)為4000Hz,問(wèn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速是多少？解：n=60f/N 所以n=4000r/min7.8試設(shè)計(jì)一個(gè)路燈自動(dòng)控制電路，使天黑時(shí)路燈亮，天亮?xí)r路燈滅。解：（參考）路燈與繼電器的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)到220V交流電壓上。當(dāng)天亮?xí)r，光敏二極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電而動(dòng)作，繼電器的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，路燈滅。天黑時(shí)

48、，光敏二極管不導(dǎo)通，繼電器線圈沒(méi)有電流，繼電器的常閉觸點(diǎn)保持閉合，路燈不滅。7.9光電管使用的CdS材料和InSb材料的性質(zhì)差異是什么？解：InSb光電管雖然響應(yīng)速度快，但必須使用液體氮冷卻。7.10在用光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)物體的系統(tǒng)中，由受光器的受光次數(shù)，可計(jì)算通過(guò)輸送帶上物體的個(gè)數(shù)，那么，用輸送帶搬運(yùn)兩種高度的物體時(shí)，畫(huà)出能分別計(jì)算兩種高度的物體個(gè)數(shù)的系統(tǒng)組成圖。解：在運(yùn)輸帶兩邊分別設(shè)置發(fā)光器A和B，受光器A和B。高度低的物體通過(guò)時(shí)，受光器A受光但B不受光。若是高的物體，則A和B都不受光。設(shè)受光時(shí)輸出是0V（L水平），不受光時(shí)輸出是6V（H水平），結(jié)果如表1所示，分別數(shù)一數(shù)輸出A，B為L(zhǎng)，H時(shí)（低

49、的物體）或者H，H時(shí)（高的物體）的個(gè)數(shù)即可。7.11按照光纖在傳感器中的作用的不同。光纖傳感器可分為幾種？試舉例說(shuō)明。解：光纖傳感器一般可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是功能型傳感器(Function Fiber Optic Sensor)，又稱(chēng)FF型光纖傳感器；另一類(lèi)是非功能型傳感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又稱(chēng)NF型光纖傳感器。在功能型光纖傳感器中，光纖不僅起傳光作用，同時(shí)又是敏感元件，即利用被測(cè)物理量直接或間接對(duì)光纖中傳送光的光強(qiáng)(振幅)、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等進(jìn)行調(diào)制而構(gòu)成的一類(lèi)傳感器。其中有光強(qiáng)調(diào)制型、光相位調(diào)制型、光偏振調(diào)制型等。這種光纖傳感器的光纖本身就

50、是敏感元件，因此加長(zhǎng)光纖的長(zhǎng)度可以得到很高的靈敏度，尤其是利用干涉技術(shù)對(duì)光的相位變化進(jìn)行測(cè)量的光纖傳感器，具有極高的靈敏度。制造這類(lèi)傳感器的技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較困難。非功能型光纖傳感器中光纖不是敏感元件，只是作為傳光元件。一般是在光纖的端面或在兩根光纖中間放置光學(xué)材料及敏感元件來(lái)感受被測(cè)物理量的變化，從而使透射光或反射光強(qiáng)度隨之發(fā)生變化來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。這里光纖只作為光的傳輸回路，所以要使光纖得到足夠大的受光量和傳輸?shù)墓夤β?。這種傳感器常用數(shù)值孔徑和芯徑較大的光纖。非功能型光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，技術(shù)上易實(shí)現(xiàn)，但靈敏度、測(cè)量精度一般低于功能型光纖傳感器。7.12若某光柵的柵線密度為50線m

51、m，主光柵與指標(biāo)光柵之間夾角=0.01rad。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：(1)其形成的莫爾條紋間距BH是多少?(2)若采用四只光敏二極管接收莫爾條紋信號(hào)，并且光敏二極管響應(yīng)時(shí)間為10-6s，此時(shí)光柵允許最快的運(yùn)動(dòng)速度v是多少?解：(1) 根據(jù)公式可求莫爾條紋間距，式中為主光柵與指標(biāo)光柵夾角，得 (2)光柵運(yùn)動(dòng)速度與光敏二極管響應(yīng)時(shí)間成反比，即 所以最大允許速度為20m/s。7.13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。解：由光柵密度100線/mm，可知其光柵柵距 根據(jù)公式可求莫爾條紋間距，所以第八章 氣敏與濕敏傳感器思考題與習(xí)題答案8.1氣敏傳感器能完成那些檢測(cè)任務(wù)

52、？解：主要用于天然氣、煤氣、石油化工等工業(yè)部門(mén)的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制。8.2半導(dǎo)體氣敏傳感器有哪幾種類(lèi)型？解：半導(dǎo)體氣敏傳感器按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面，還是在其內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型兩類(lèi)；按照半導(dǎo)體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型兩種。8.3簡(jiǎn)單說(shuō)明表面控制型半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作原理。解：電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用半導(dǎo)體接觸氣體時(shí)，其阻值的改變來(lái)檢測(cè)氣體的成分或濃度；而非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件根據(jù)其對(duì)氣體的吸附和反應(yīng)，使其某些有關(guān)特性變化對(duì)氣體進(jìn)行直接或間接檢測(cè)。8.4說(shuō)明多數(shù)半導(dǎo)體氣敏器件工作時(shí)都需要加熱器的原因。解：加熱器是用來(lái)燒去

53、附在元件表面的油霧與塵埃，加速氣體的吸附，從而提高元件的靈敏度和響應(yīng)速度。元件的工作加熱溫度取決于氧化物材料及被測(cè)氣體的種類(lèi)，一般在200400。8.5如何提高半導(dǎo)體氣敏傳感器對(duì)氣體的選擇性和檢測(cè)靈敏度？解：改善氣敏元件的氣體選擇性常用的方法：（1）向氣敏材料摻雜其他金屬氧化物或其他添加物；（2）控制氣敏元件的燒結(jié)溫度；（3）改善元件工作時(shí)的加熱溫度。一般用金屬或金屬氧化物材料的催化作用來(lái)提高氣體檢測(cè)的靈敏度。8.6試述MOS氣敏二極管工作原理。解：MOS二極管是利用電容-電壓關(guān)系（C-V特性）來(lái)檢測(cè)氣體的敏感器件。8.7試分析SnO2氣敏元件的工作特性。解：SnO2氣敏元件易受環(huán)境溫度和濕度

54、的影響，書(shū)中圖8.9給出了SnO2氣敏元件受環(huán)境溫度、濕度影響的綜合特性曲線。由于環(huán)境溫度、濕度對(duì)其特性有影響，所以使用時(shí)，通常需要加溫度補(bǔ)償。8.8試述熱導(dǎo)式氣體分析儀工作原理。解：熱導(dǎo)式氣體分析儀工作原理如書(shū)中圖8.12b)所示，主要由4個(gè)外殼用相同材料制成的分析室組成。分析室Rk1和Rk2為參考室，室內(nèi)充入潔凈的空氣，另外兩個(gè)分析室Rx1和Rx2充入被分析的混合氣體，四個(gè)分析室組成橋路。工作時(shí)先將潔凈空氣通入分析室Rx1和Rx2，調(diào)節(jié)RP3使電橋達(dá)到平衡，而后使被測(cè)混合氣體進(jìn)入分析室Rx1和Rx2，電橋失去平衡，其不平衡輸出是混合氣體組分的函數(shù)。8.9試述光學(xué)吸收式氣體分析儀工作原理。解

55、：當(dāng)物質(zhì)吸收特征波長(zhǎng)的光輻射時(shí)，透射光能量與入射光能量之間關(guān)系稱(chēng)之為透射比，以表示，=W/W0。透射比對(duì)數(shù)的負(fù)數(shù)稱(chēng)為吸光度，以A表示。它們與試樣中吸光物質(zhì)的濃度c之間的關(guān)系為，若a、b為已知數(shù)值，則通過(guò)測(cè)量透射光與入射光能量的比值，就可以確定吸光物質(zhì)的濃度。8.10試述光電比色計(jì)的作用及其工作原理。解：光電比色計(jì)是分析化學(xué)中測(cè)定少量物質(zhì)最簡(jiǎn)便的方法之一，在各個(gè)領(lǐng)域如工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生等化學(xué)檢驗(yàn)中用得很多，可以用于無(wú)機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)，也可以用于液體或氣體。光電比色計(jì)工作原理如書(shū)中圖8.14所示，由光源l發(fā)出的光，分左右兩路經(jīng)透鏡2、濾光片3得到一定波長(zhǎng)范圍的光束。左半部分為參比介質(zhì)光路，比色皿

56、4盛放的是蒸餾水或不含被測(cè)成分的某種液體（或氣體），右半部分為被測(cè)介質(zhì)的測(cè)量光路，比色皿5中盛放的是被測(cè)樣品，光束分別經(jīng)被測(cè)介質(zhì)比色皿和參比介質(zhì)比色皿至檢測(cè)元件6。參比光路中比色皿的參比介質(zhì)對(duì)光束波長(zhǎng)沒(méi)有吸收作用，而測(cè)量光路中的比色皿的被測(cè)介質(zhì)對(duì)通過(guò)光束的某些波長(zhǎng)有一定的吸收作用，服從比爾定律。這樣，兩路光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)元件的輸出就不一樣，通過(guò)比較放大器7后在顯示器8上顯示出被測(cè)介質(zhì)的含量。8.11絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度指標(biāo)有何不同？以哪一種指標(biāo)反映濕度較為合理？解：絕對(duì)濕度是指單位空間中所含水蒸汽的絕對(duì)含量或者濃度或者密度，一般用符號(hào)AH表示。相對(duì)濕度是指被測(cè)氣體中蒸汽壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比，一般用符號(hào)RH表示。AH絕對(duì)濕度給出了水分在空間的具體含量，RH相對(duì)濕度則給出了大氣的潮濕程度，故使用更加廣泛。8.12試述濕敏度傳感器的主要特性參數(shù)及分類(lèi)情況。解：濕敏度傳感器的主要特性參數(shù)：濕度量程、感濕特性曲線、靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、濕度溫度系數(shù)、濕滯回線和濕滯回差。分類(lèi)：