《自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》第6章練習分析

PAGE1PAGE1《自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》（“十四五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材）統(tǒng)一書號：ISBN978-7-111-62119-5第六章壓電傳感器思考題與習題分析說明：填空中的“紅色文字”以及分析題中的“提示”并不等于就是答案，只是給出了怎樣解題的思路和分析方法，給讀者一點啟發(fā)。作者還在有關(guān)題目中，增加了一些新的技術(shù)和應(yīng)用型知識。限于篇幅的限制，有的傳感器的內(nèi)容無法在本教材正文中展開來講的，現(xiàn)在有了這個“思考題與習題分析”，就可以在此展開介紹，希望對讀者有一點幫助。部分分析采用口語化的型式，希望能夠提高讀者的興趣。所展開的知識可能有一部分超過本教材的深度，讀者可以上網(wǎng)對照有關(guān)資料來理解和提高。希望讀者看完本分析之后，就其中的疑難、錯誤等問題，來信與作者進行探討，郵箱為liangsen2@126.com，上海電機學院的梁森老師代表編寫團隊與大家交流。謝謝大家。1．單項選擇題1）將超聲波（機械振動波）轉(zhuǎn)換成電信號是利用壓電材料的___振動壓力→電___；蜂鳴器中發(fā)出“嘀……嘀……”聲的壓電片發(fā)聲原理是利用壓電材料的___反過來哈___。A．應(yīng)變效應(yīng)B．電渦流效應(yīng)C．壓電效應(yīng)D．逆壓電效應(yīng)2）在實驗室作檢驗標準用的壓電儀表應(yīng)采用___最穩(wěn)定的___壓電材料；能制成薄膜，粘貼在一個微小探頭上、用于測量人的脈搏的壓電材料應(yīng)采用___塑料的___；用在壓電加速度傳感器中測量振動的壓電材料應(yīng)采用___不是塑料的___。A．PTCB．PZTC．PVDFD．SiO23）使用壓電陶瓷制作的力或壓力傳感器可測量___當靜態(tài)力被測量施加在壓電傳感器上面，大約2s之后，電荷就泄漏殆盡，所以被測量必須是動態(tài)的。例如當人站到壓電傳感器上面的時候，壓電傳感器會產(chǎn)生一個較大的沖擊電信號輸出（還可以聯(lián)想到我們站到磅秤上的瞬間，能觀察到磅秤的指針猛烈擺動）。但是，這個電信號很快就由于空氣濕度以及宇宙射線引起的空氣電離（空氣導電）而逐漸衰弱。通常在壓電片上面有很硬的彈簧片緊壓著（用于產(chǎn)生預應(yīng)力，防止非線性等），但是這個彈簧力的大小是隨機的，通常是不需要予以考慮的。在安裝旋緊的瞬間，可能有電信號產(chǎn)生，但是出廠的時候，電荷早就沒有了，不影響用戶用于測量“交變力”___。A．人的體重B．車刀的壓緊力C．車刀在切削時感受到的切削力的變化量D．自來水管中的水的壓力4）動態(tài)力傳感器中，兩片壓電片多采用___可以聯(lián)想到兩個電池如果并聯(lián)，則能增加輸出電流，減小內(nèi)阻___接法，可增大輸出電荷量；在電子打火機和煤氣灶點火裝置中，多片壓電片采用___可以聯(lián)想到兩個電池串聯(lián)，則能疊加輸出電壓，但內(nèi)阻也隨之增大___接法，可使輸出電壓達上萬伏，從而產(chǎn)生電火花。A．串聯(lián)B．并聯(lián)C．既串聯(lián)又并聯(lián)4）測量人的脈搏應(yīng)采用靈敏度K約為___最靈敏的（數(shù)值最大的）___的PVDF壓電傳感器；在家用電器（已包裝）做跌落試驗，以檢查是否符合國標準時，應(yīng)采用靈敏度K為___跌落試驗中，商品受撞擊的負的加速度大約為10g的數(shù)量級，僅能選用較低的靈敏度壓電傳感器，否則壓電傳感器的輸出信號容易飽和___的壓電傳感器。A．10V/gB．1V/gC．100mV/g圖6-01各種跌落試驗示意圖2．用壓電式加速度計及電荷放大器測量振動加速度，若傳感器的靈敏度為70pC/g（g為重力加速度），電荷放大器靈敏度K=10mV/pC，試確定輸入3g（平均值）加速度時，電荷放大器的輸出電壓（平均值，不考慮正負號），并計算此時該電荷放大器的反饋電容Cf。提示：第一步：計算壓電式加速度計在輸入3g（平均值）加速度時的輸出電荷量的平均值（交變電荷）：Q=K1×a=70pC/g×3g=？？？pC第二步：計算電荷放大器在輸入3g（平均值）加速度時的輸出電壓（交變電壓）的平均值：=K2×Q=10mV/pC×210pC=？？V第三步：根據(jù)式（6-4），計算電荷放大器在輸出電壓為時的反饋電容Cf為：Cf=Q/=210pC÷2.1V=？？？pF。3．圖6-21是振動式粘度計的原理示意圖。導磁的懸臂梁6與鐵心3組成激振器。壓電片4粘貼于懸臂梁上，振動板7固定在懸臂梁的下端，并插入到被測粘度的粘性液體中。請分析該粘度計的工作原理，并填空。圖6-21振動式粘度計原理示意圖1－交流勵磁電源2－勵磁線圈3－電磁鐵心4－壓電片5－質(zhì)量塊6-懸臂梁7-振動板8－粘性液體9-容器1）當勵磁線圈接到10Hz左右的交流激勵源ui上時，電磁鐵心產(chǎn)生___？？？___Hz（兩倍的激勵頻率）的交變___不會是電場___，___并對？___產(chǎn)生交變吸力。由于它的上端被固定，所以它將帶動振動板7在___在固體里頭是振動不起來的哈___里來回振動。提示：交流勵磁電流為正的最大值時，所產(chǎn)生的吸力最大。過了最大值后，隨著勵磁電流的減小，由于懸臂梁的彈性，懸臂梁向右彈開；激勵電流過零后，交流勵磁電流的負值越來越大，對懸臂梁的吸力也越來越多。當激磁電流達到負的最大值時，鐵心對懸臂梁的吸力也是最大的……如果懸臂梁本身不帶磁鐵，就不可能產(chǎn)生排斥力（類似的例子是日光燈。當日光燈兩端的電壓是50Hz時，日光燈的頻閃是電源頻率的兩倍，為100Hz）。但是，如果懸臂梁是帶磁性的（例如，在懸臂梁上固定一塊磁鐵，并將N或S極對準鐵心），就可能在激磁電流的正半周對磁鐵產(chǎn)生吸力，在負半周對磁鐵產(chǎn)生排斥力，這樣的磁路系統(tǒng)的磁力較高，效率也較高。請讀者考慮在有磁鐵的情況下，振動頻率與激磁電流的頻率的關(guān)系。2）液體的粘性越高，對振動板的阻力就越__粘住了____，振動板的振幅Ap就越__振不起來____，所以它的加速度a=Apω2sinωt就越___加速很困難___，因此質(zhì)量塊5對壓電片4所施加的慣性力F=ma就越___牛頓第二定律___，壓電片的輸出電荷量Q或電壓uo就越___成正比___，壓電片的輸出反映了液體的粘度。3）該粘度計的缺點是與溫度t有關(guān)。溫度升高，大多數(shù)液體的粘度變___不會是變得更粘稠的哈___，所以將帶來測量誤差。圖6-02粘度計工作原理圖4．兩根高分子壓電電纜（外形見6-7b）相距L=2m，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約50mm，如圖6-2圖6-22PVDF壓電電纜測速原理圖a）PVDF壓電電纜埋設(shè)示意圖b）A、B壓電電纜的輸出信號波形1－公路2－PVDF壓電電纜（A、B共兩根）3－車輪現(xiàn)有一輛超重車輛以較快的車速壓過測速傳感器，兩根PVDF壓電電纜的輸出信號如圖b所示，求：1）估算車速為多少km/h。2）估算汽車前后輪間距d（可據(jù)此判定車型）；輪距與哪些因素有關(guān)？3）說明載重量m以及車速v與A、B壓電電纜輸出信號波形的幅度或時間間隔之間的關(guān)系。1）估算車速v為多少km/h：提示：車速v等于前輪通過A、B壓電電纜的輸出脈沖信號的時間差（不要去涉及前后輪的時間差，車速的計算與后輪無關(guān)；當然，也可以只計算后輪，那么就不必考慮前輪的參數(shù)，前后輪的軸的直線位移速度在正常情況下，是一致的）第一步：找到A壓電電纜輸出信號波形的第一個脈沖，再找到壓電電纜B輸出信號波形的第一個脈沖。目測并以作圖法得到A、B壓電電纜的輸出脈沖信號的時間差有多少格。從左下圖可以看出，大約是2.4格。第二步：根據(jù)坐標圖的每格的掃描時間（從左下圖可以看出是25ms/div），計算出A、B壓電電纜的輸出脈沖信號的時間差ΔtAB=格數(shù)×每格掃描時間=2.4格×25ms/div=？？ms=？s圖6-03PVDF壓電電纜的輸出信號作圖法第三步：將A、B壓電電纜的安裝距離L除以汽車通過A、B壓電電纜的時間，就等于汽車前輪（此處不提及“后輪”是因為怕引起混亂，考慮后輪也是一樣的結(jié)果）的車輪軸的直線位移速度，也就是車速：v=L/tAB=2m÷0.06s=？？？？m/s；乘以3600s，再除以1000m，就等于每小時的公里數(shù)：v=(33.33m/s×3600)÷1000m=？？？km/s。2）估算汽車前后輪間距d（可據(jù)此判定車型）：提示：第一步：當汽車通過測速區(qū)時，前輪與后輪在A電纜（此處不提及“B電纜”是因為怕引起混亂，考慮B電纜也是一樣的結(jié)果）上產(chǎn)生兩個一前一后的脈沖。用作圖法測量這兩個脈沖的時間差：4.2格×25ms/div=？？？ms=0.？？？s。第二步：將前后輪的時間差乘以車速，就等于汽車前后輪間距d：d=0.105s×33.33m/s=3.5m。第三步：上網(wǎng)查閱最接近的車型（例如，輪距是3.5m的有“悍馬”等牌子的汽車）。這一步的目的是判斷“大概是什么車型”，從而為后續(xù)找到這一步肇事車提供依據(jù)。但是請思考：如果在A電纜上連續(xù)產(chǎn)生了三個脈沖（B電纜也如此），說明什么呢？以此類推，可以得出什么結(jié)論？輪距與哪些因素有關(guān)：當然，輪距是廠家設(shè)計的。但是，本題中的題意是測量結(jié)果與哪些因數(shù)有關(guān)：與車速成正比？反比？與前、后輪在壓電電纜上產(chǎn)生的脈沖間隔時間差成正比？反比？3）說明載重量m以及車速v與A、B壓電電纜輸出信號波形的幅度或時間間隔之間的關(guān)系：提示：載重量m越重，脈沖的高度就越？但是，載重量m影響還是不影響脈沖之間的時間差呢？車速v與A壓電電纜的兩個脈沖的間隔成正比，也與A、B壓電電纜的兩個脈沖的間隔成正比（這個請讀者自行研究）。脈沖的間隔越短，車速就？？拓展思考：上述壓電電纜在軍用和安全防護場合，還能用于什么的檢測？第六章壓電傳感器的思考題與習題的第4題解題步驟4．兩根高分子壓電電纜（外形見6-7b）相距L=2m，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約50mm，如圖6-圖6-22PVDF壓電電纜測速原理圖a）PVDF壓電電纜埋設(shè)示意圖b）A、B壓電電纜的輸出信號波形1－公路2－PVDF壓電電纜（A、B共兩根）3－車輪現(xiàn)有一輛超重車輛以較快的車速壓過測速傳感器，兩根PVDF壓電電纜的輸出信號如圖b所示，求：1）估算車速為多少km/h。2）估算汽車前后輪間距d（可據(jù)此判定車型）；輪距與哪些因素有關(guān)？3）說明載重量m以及車速v與A、B壓電電纜輸出信號波形的幅度或時間間隔之間的關(guān)系。1）估算車速v為多少km/h：提示：車速v等于前輪通過A、B壓電電纜的輸出脈沖信號的時間差（不要去涉及前后輪的時間差，車速的計算與后輪無關(guān)；當然，也可以只計算后輪，那么就不必考慮前輪的參數(shù)，前后輪的軸的直線位移速度在正常情況下，是一致的）第一步：找到A壓電電纜輸出信號波形的第一個脈沖，再找到壓電電纜B輸出信號波形的第一個脈沖。目測并以作圖法得到A、B壓電電纜的輸出脈沖信號的時間差有多少格。從左下圖可以看出，大約是2.4格。第二步：根據(jù)坐標圖的每格的掃描時間（從左下圖可以看出是25ms/div），計算出A、B壓電電纜的輸出脈沖信號的時間差與“格”的數(shù)目有關(guān)。目測有一點誤差不要緊。ΔtAB=格數(shù)×每格掃描時間=2.4格×25ms/div=60ms=0.06s圖6-03PVDF壓電電纜的輸出信號作圖法第三步：將A、B壓電電纜的安裝距離L除以汽車通過A、B壓電電纜的時間，就等于汽車前輪（此處不提及“后輪”是因為怕引起混亂，考慮后輪也是一樣的結(jié)果）的車輪軸的直線位移速度，也就是車速：v=L/tAB=2m÷0.06s=33.33m/s；乘以3600s，再除以1000m，就等于每小時的公里數(shù)：v=(33.33m/s×3600)÷1000m=120km/s。如果認為是2.5格，也可以，車速就不是整數(shù)。本來就是估算的2）估算汽車前后輪間距d（可據(jù)此判定車型）：提示：第一步：當汽車通過測速區(qū)時，前輪與后輪在A電纜（此處不提及“B電纜”是因為怕引起混亂，考慮B電纜也是一樣的結(jié)果）上產(chǎn)生兩個一前一后的脈沖。用作圖法測量這兩個脈沖的時間差：4.2格×25ms/div=？？？ms=0.？？？s。第二步：將前后輪的時間差乘以車速，就等于汽車前后輪間距d：d=0.105s×33.33m/s=3.5m。如果用32m/s來計算，軸距就是3.36m。第三步：上網(wǎng)查閱最接近的車型（例如，輪距是3.5m的有“悍馬”等牌子的汽車）。這一步的目的是判斷“大概是什么車型”，從而為后續(xù)找到這一步肇事車提供依據(jù)。但是請思考：如果在A電纜上連續(xù)