傳感器作業(yè)解答

1、第一次作業(yè)：1、什么叫傳感器它由哪幾局部組成它們的相互作用及相互關(guān)系如何?答：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并根據(jù)一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置.通常,傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成如圖 1所示.其中,敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的局部；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號(hào)局部.敏感元件的輸入是被測的非電 量,如溫度、壓力、位移、加速度等,敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入,轉(zhuǎn)換元件的輸出是電量,如電壓、電流、電容、電阻等,輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定.比方在金屬電阻應(yīng)變式傳感器中,應(yīng)變片是敏感元件,電阻絲是轉(zhuǎn)換元件.由于傳感器輸

2、出信號(hào)一般都很微弱,需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路,進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等,信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助的電源,因此信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一局部.2、什么是傳感器的靜態(tài)特性它有哪些性能指標(biāo)如何用公式表征這些性能指標(biāo)如何標(biāo)定答：傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸出與輸入的關(guān)系.如果被測量是一個(gè)不隨時(shí)間變化,或隨時(shí)間變化緩慢的量,可以只考慮其靜態(tài)特性,這時(shí)傳感器的輸入量與輸出量之間在數(shù)值上一般具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,關(guān)系式中不含有時(shí)間變量.對(duì)靜態(tài)特性而言,傳感器的輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系通?？捎靡粋€(gè)如下的多項(xiàng)式表示：y=a+aix+a2x2+ anxn

3、式中：ao輸入量x為零時(shí)的輸出量；ai,32,an非線性項(xiàng)系數(shù).各項(xiàng)系數(shù)決定了靜態(tài)特性曲線的具體形式.傳感器的靜態(tài)特性一般用下述5個(gè)性能指標(biāo)來描述,如靈敏度、遲滯、線性度、重復(fù)性和漂移等.1、靈敏度：傳感器的靈敏度是輸出量增量Ay與引起輸出量增量 Ay的相應(yīng)輸入量增量Ax之比.用S表示靈敏度,它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化,很顯然,靈敏度S值越大,表示傳感器越靈敏.即q 丫2、線性度：傳感器的線性度是指在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大 Sx偏差值A(chǔ) Lmax與滿量程輸出值YFS之比.線性度也稱為非線性誤差,用 丫 L表示,即心、©%,式中A LmaxL

4、式 °為最大非線性絕對(duì)誤差；Yfs為滿量程輸出值.3、遲滯：傳感器在輸入量由小到大 正行程及輸入量由大到小反行程變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯,遲滯誤差又稱為回差或變差.對(duì)于同一大小的輸入信號(hào),傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等,這個(gè)差值稱為遲滯差值.傳感器在全量程范圍內(nèi)最大的遲滯差值A(chǔ)H.ax與滿量程輸出值Ys之比稱為遲滯誤差,用YH表示,即H旦x 100%.4、重復(fù)性：重復(fù)性是指傳感器在輸入量按Yfs同一方向作全量程連續(xù)屢次變化時(shí),所得特性曲線不一致的程度.重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差,常用標(biāo)準(zhǔn)差b計(jì)算,也可用正反行程中最大重復(fù)差值A(chǔ) Rnax計(jì)算,即 2 3 100%

5、或 Rmax 100%.5、漂移：在輸入量不變的情R丫RVYFSYFS況下,傳感器輸出量隨著時(shí)間變化,此現(xiàn)象稱為漂移.周圍環(huán)境溫度變化而引起的輸出變化稱為溫度漂移,溫度漂 移主要表現(xiàn)為溫度零點(diǎn)漂移和溫度靈敏度漂移.溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度一般為 20C時(shí)的輸出值的變化量與溫度變化量之比己來表示, 即 比上,式中At為工作環(huán)境溫度t偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度t20之差,即A t =t-t 20; yt為傳感器在環(huán)境溫度 t時(shí)的輸出；y20為傳感器在環(huán)境溫度t 20時(shí)的輸出. 靜 態(tài)特性的標(biāo)定方法：創(chuàng)造靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件、選擇標(biāo)定用的儀器設(shè)備、標(biāo)定傳感器靜態(tài)特性.傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)

6、準(zhǔn)條件下標(biāo)定的, 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件：沒有加速度、振動(dòng)和沖擊,環(huán)境溫度為室溫15-25 ° C、相對(duì)濕度小于85% 大氣壓力為101+8kpa的情況.標(biāo)定的步驟：將傳感器全量程測量范圍分成假設(shè)干等間距點(diǎn)；根據(jù)傳感器量程分 點(diǎn)情況,由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值,并記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值；將輸入值由大到小一點(diǎn)一 點(diǎn)的減少下來,同時(shí)記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值；根據(jù)上述過程,對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)屢次測 試,將得到的輸出-輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線；對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)處理結(jié)果,確定傳感器的線 性度、靈敏度、滯后、重復(fù)性和漂移等靜態(tài)特性指標(biāo).3、什么是傳感器的動(dòng)

7、態(tài)特性其分析方法有哪幾種如何標(biāo)定答：傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性.傳感器的動(dòng)態(tài)特性一般都可以用下述的微分方程來描述,dnydn1y dydmxdm1xdx 其中a0、a1、,an,b0、b1、.,bm是與3nm 3n1 丁31dt a°y bmdm bm1 寸b1 石 b°x傳感器的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的常系數(shù).傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時(shí)間響應(yīng),從時(shí)域中對(duì)傳感器的響應(yīng)和過渡過程進(jìn)行分析的方法稱為時(shí)域分析法.傳感器對(duì)不 同頻率成分的正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性稱為頻率響應(yīng)特性.傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要是通過測量傳感器的階躍響應(yīng), 研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和相關(guān)的參數(shù),一階傳感器

8、只有時(shí)間常數(shù).,二階傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)有阻尼比E和固有角頻率con.確定一階傳感器時(shí)間常數(shù)T的方法1對(duì)于一階傳感器,測得階躍響應(yīng)之后,取輸出值到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的63.2%所經(jīng)過的時(shí)間為時(shí)間常數(shù)一 測量結(jié)果的可靠性僅取決于個(gè)別的瞬時(shí)值,沒有涉及響應(yīng)的全過程.2 一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號(hào)為yt1 /將上式改寫為z上z ln1 yut上式說明中間變量 z和時(shí)間t成線性關(guān)系,并且有_L,根據(jù)測得的yu值,彳出z-t曲線,并根據(jù)求得時(shí)間常數(shù)這種方法考慮了瞬zz態(tài)響應(yīng)的全過程.二階傳感器的阻尼比 E和固有角頻率 3n的角頻率做衰減振蕩的,此角頻率稱為阻尼固n有頻率,記為 .根據(jù)求極值得通用方法,d可以求得

9、各振蕩值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間二階傳感器特性白微分方程為d2y(t) 2-dtdy(t)IF2y(t)2kx(t)輸入一階躍信號(hào),n y(t ) n kX(t )躍信號(hào)的幅值.特征方程及其兩根分別為12sn上 s 1 0s1 (2 1)c 20d d上式變 1 2 2(s2_s 1)y(s)nn-H)當(dāng)1時(shí), n1 朝一 sA為階e ny k°A1 sin( 112vt)1對(duì)二階傳感器,當(dāng)輸入單位階躍信號(hào)時(shí),輸出為e ,12()sin ( d t arctg)將t 代入上式,可得最大超調(diào)量 M和阻尼比 d階躍響應(yīng)的瞬變過程較長,可以利用兩個(gè)超調(diào)量E的關(guān)系為 ,測得1M之后,即可求得阻尼比如果測

10、得設(shè)Mi對(duì)應(yīng)的時(shí)間為ti,那么Mi n對(duì)應(yīng)的時(shí)間為ti ntiMi和Mi n來求得阻尼比E ,其中n是兩峰值間隔的周期數(shù) (整數(shù)).2n12n將此式代入()式,可得一2一,其中 n一 22 2n 4 nn ln/-當(dāng)E小于0.1時(shí)JM i n1,此時(shí),由式()可得,M lnM-2n-IMln!_Min假設(shè)傳感2n ()整理后得精確的二階系統(tǒng), n值典型欠阻尼二階傳感器的階躍響應(yīng)函數(shù)說明它的瞬態(tài)響應(yīng)是以采用任意正整數(shù)所得到的E值不會(huì)有差異,反之,當(dāng) n取不同值時(shí),獲得不同的 E值,那么該傳感器不是線性二階系統(tǒng).還可以利用正弦輸入,測定輸出和輸入的幅值比與相位差,來確定傳感器的幅頻特性、相頻特性,

11、求得一階傳感器的時(shí)間常數(shù)和欠阻尼傳感器的阻尼比E和固有角頻率co n0假設(shè)傳感器不是純電氣系統(tǒng),而是機(jī)械-電氣或其他物理系統(tǒng),一般很難獲得正弦輸入信號(hào),但獲得階躍信號(hào)輸入?yún)s很方便,此時(shí),使用階躍信號(hào)來標(biāo)定動(dòng)態(tài)參數(shù).4、某一階傳感器的傳遞函數(shù)為H(s)解：相應(yīng)的幅頻特性為差不超過10%應(yīng)滿足A( ) 1/ 1 ()2A( ) 1/ 1 ()2 1 10%1 ,s 10 時(shí),A(0)Q9由此解得0.001s求允許幅值誤差為10%寸,該傳感器輸入信號(hào)的工作頻帶.,無幅值誤差.3(1/0.9)2 1 將0時(shí),A( ) 1,出現(xiàn)幅值誤差.為使幅值誤0.001s代入上式,考慮到f /2,得f 77Hz.因

12、此該傳感器輸入信號(hào)工作頻帶為0-77Hz.5、某壓電式加速度計(jì)動(dòng)態(tài)特性可用下述微分方程描述d2q3 dq3.0 10 dt2.25 1010q 11.0 1010a式中,q 為輸出電何(pC)；a為輸入加速度m / s2.試確定該測量裝置的固有振蕩頻率 解：該加速度計(jì)為二階傳感器,其微分方程根本型式為、阻尼系數(shù) n2d Y dY 、, a2 2 a1 a0Y dt21 dt 0、靜態(tài)靈敏度K的值.修此式與微分方程比擬可得：靜態(tài)靈敏度系數(shù)k包電工4.89pC/(m/s2)固有振蕩頻率 a02.25 1010a.2.25 1010、a215 阻尼比 a5a1.5 10 rad/s 3.0 1036

13、、證實(shí)：(1)用不帶保護(hù)套管的熱電偶插入恒溫水池中測量溫度時(shí),測溫傳感器是 套管的熱電偶插入恒溫水池中測量溫度時(shí),測溫傳感器是一個(gè)二階傳感器；2. a 0a22 2.25 1010個(gè)一階傳感器；0.011(2)帶保護(hù)(提示：根據(jù)能量守恒定律,列出熱電偶的熱平衡方程)證實(shí)：(1)設(shè)熱電偶質(zhì)量為 m,比熱容為C1,熱接點(diǎn)溫度為 ；被測介質(zhì)溫度為 T°被測介質(zhì)與熱電偶之間的熱阻為R.根據(jù)能量守恒定律,列出熱電偶的熱平衡方程為：mCdTJdt q01 q01 (T0 T1)/R1式中,q01為被測介質(zhì)傳遞給熱電偶的熱量.將上式整理,消去中間變量q01,令時(shí)間常數(shù)為 RmC ,得T1dT1 T

14、此即典型的一階傳感器方程.(2)111110 1 1dt設(shè)套管質(zhì)量為但,比熱容為C2,溫度為T2,被測介質(zhì)溫度為T0,被測介質(zhì)與套管之間的熱阻為F2,套管與熱電偶之間的熱阻為R1,熱電偶熱接點(diǎn)溫度為 T1,根據(jù)熱力學(xué)能量守恒定律,對(duì)套管列方程:m2czdTz/dt q°2q?1 qq 02q21 (T2 TJ/Ri q對(duì)熱電偶列方程:02為被測介質(zhì)傳給套管的熱量,q 21為套管傳給熱電偶的熱量.設(shè)熱電偶質(zhì)量為mQdT/dt q21 q21 (T2 T1)/R1因q21<< q02,從上面各式消去中間變量,得:m,比熱容為T0 T2R2Ci,1 2dTdt2(12)dTdt

15、TiT0式中,1 RmG,2 R2m2C2.這是典型的二階傳感器的微分方程.第二次作業(yè)：1、比擬金屬絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片相同點(diǎn)和不同點(diǎn).答：電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng),即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí),應(yīng)發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)一根金屬電阻絲,在其未受力時(shí),原始電阻值為其電阻值相R -'當(dāng)電阻絲受A到拉力F作用時(shí), 將伸長Al,橫截面積相應(yīng)減小 AA,電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了而引起電阻值相對(duì)變化量為dR dl dA d ,或理.應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化即1+2,應(yīng) (I 2 E)R l AR1+2 的值變片受力后材料的電阻率發(fā)生

16、的變化即( d p / p ) / £.對(duì)金屬材料來說,電阻絲靈敏度系數(shù)表達(dá)式中要比d p / p / £大得多,而半導(dǎo)體材料的d p / p / £項(xiàng)的值比1+2 科大得多.半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料其電制成的,其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng).壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料,當(dāng)某一軸向受外力作用時(shí),阻率p發(fā)生變化的現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)證實(shí),半導(dǎo)體應(yīng)變片兀E比1+2 w大上百倍,所以1+2 w可以忽略,因而半導(dǎo)體應(yīng)使它的應(yīng)用范變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高5080倍,但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大,應(yīng)變時(shí)非線性比擬嚴(yán)重,圍受到一定的限制.用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí),根據(jù)上述特點(diǎn),在外力作

17、用下,被測對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形,應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化, 2、當(dāng)一力傳感器承受負(fù)荷時(shí),同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化O假設(shè)貼在其上畫出該傳感器的測量電橋全橋.2假設(shè)承受1000微應(yīng)變時(shí)的電橋輸出電壓.解1全橋如右圖所示.2電阻應(yīng)變片貼在彈性試件上,假設(shè)試件受力橫截面積 起應(yīng)變電阻變化為1.試求該應(yīng)變片的靈敏度系數(shù).U0的電阻應(yīng)變片 R1和R3受拉應(yīng)變,R2和R4受壓應(yīng)變.1應(yīng)變片靈敏系數(shù) K=2,電橋電源電壓為 5V,求出當(dāng)應(yīng)變片S 0.5 10 4m2 ,K RiKk彈性模量KuE 2 5 1000 10 6 0.01V 3、如果將 100E 2 10"N/m2,假設(shè)有F 5 1

18、04N的拉力引解：應(yīng)變片電阻相對(duì)變化量為 R 工 由材料力學(xué)理論知,應(yīng)變?yōu)樵嚰軕?yīng)力,5 104 -4 -SE 0.5 102 10R 1000 006應(yīng)變片靈敏度系數(shù)為K R/R0.005K £故應(yīng)變S1/1000.0054、簡述電容式傳感器的工作原理及其類型,并指出其設(shè)計(jì)要點(diǎn).C _S ,式中,e為C答：由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器,如果不考慮邊緣效應(yīng),其電容量為d電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù), £ =£ 0 £ r,其中£ 0為真空介電常數(shù),£ r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；S為兩平行板所覆蓋的面積；d為兩平行板之

19、間的距離.當(dāng)被測參數(shù)變化使得上式中的S、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,通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出.因此,電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種.變極距型可測微小位CC0c 0 rSCo0d0dl_dd 0變面積型可測微小位移和角位移dd7C.d-drC C 0 r (a x)b 變0 d介電常數(shù)型用來測量厚度和濕度1h 2 (H h)lnD d設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：靈敏度、非線性和測量電路lnDd2 (1- )h A BhlnDd變極距型電容傳感器的靈敏度為C/Cd1d0變極距型電

20、容傳感器的相對(duì)非線性誤差 B為(d/d.)2 | d/d0|100% d d°l100%要提Wj靈敏度,應(yīng)減小起始間隙d0,但非線性誤差卻隨著比的減小而增大.運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大,輸入阻抗 的測量電路.下列圖是運(yùn)算放大器式電路原理圖壓；2是虛地點(diǎn). 由運(yùn)算放大器工作原理可得Zi很高,運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比擬理想,圖中G為電容式傳感器電容；U是交流電源電壓；U0是輸出信號(hào)電, C ,如果傳感器是一只平板電容,那么CX= £ S/d,可得UoC；U'UoUiCSd,式中“ 一號(hào)表示輸出電壓Uo的相位與電源電壓反相,運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間

21、距離d成線性關(guān)系. 運(yùn)算放大器式電路雖解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問題, 為保證儀器精度,還要求電源電壓 Ui的幅值和固定電容 C值穩(wěn)定.5、：差動(dòng)式電容傳感器的初始電容C= C2=100pF,交流信號(hào)源電壓有效值足有最高輸出電壓靈敏度條件下設(shè)計(jì)交流不平衡電橋電路,并畫出電路原理圖.抗值；3當(dāng)傳感器電容變化量為10pF 時(shí),求橋路輸出電壓.但要求Zi及放大倍數(shù)足夠大.U=6V 頻率 f=100kHz.求：1在滿2計(jì)算另外兩個(gè)橋臂的匹配阻解大值kD：根據(jù)交流電橋電壓靈敏度曲線可知,當(dāng)橋臂比A的模a=1,相角按此設(shè)計(jì)的不平衡電橋如右圖所示.由于滿足a=1,那么口 jwc90o時(shí),橋路

22、輸出電壓靈敏度系數(shù)由最當(dāng)90o時(shí)要選擇為電容和電阻元件.jwcUsc2 km-C2 fc 2105U 2 0.510 1010100159k60.6V交流電橋輸出信號(hào)電壓根據(jù)差動(dòng)測量原理及橋壓公式得作業(yè)6:如下圖氣隙型電感傳感器,銜鐵橫截面積 圈匝數(shù) N 2500匝,導(dǎo)線直徑d 0.06mm , 要求計(jì)算：1線圈電感值；2電感的最大變化量;S 4電阻率(3)4mm2 ,氣隙長度 0.4mm ,銜鐵最大位移1.75 10 6 ?cm. 當(dāng)鼓勵(lì)電源頻率為f 4000Hz時(shí),當(dāng)線圈外斷面積為1111mm2時(shí)求其直流電阻值;0.08mm ,鼓勵(lì)線忽略漏磁及鐵損.4線圈的品質(zhì)因數(shù)；5當(dāng)線圈存在200pF

23、分布電容與之并聯(lián)后其等效電感值變化多大?解(1)氣隙電感 L N2 N2 0so 25002 4 10 7Rm0.08mm電感值L 12為 N2120.8 10f 4 10 6 157mH2當(dāng)銜鐵最大位移325002 410 7 4 4 10 6,131mH0.08mm電感25002 410 74 4 10 6(0.8 2 0.08) 10 3196mH0.8 2 0.08 10 3銜鐵最大位移變化0.08mm 時(shí),分別計(jì)算0.08mm時(shí)電感變化量為 L L L196 131 65mH3線圈直流電阻4pNl CPRe4 1.75 10 6 2500 3(0.06 10 1)2464式中1.0為

24、線圈平均每匝長度.根據(jù)鐵心截面4 4mm2及線圈外斷面1111mm2取平均值,按斷面為7.5 7.5mm2計(jì)算每匝總長度l CP為$4 7.5 30mm4線圈品質(zhì)因數(shù)Re2 fL 2 4000 157 10 3 85 5當(dāng)線圈存在分布電容C=200pF時(shí)引起電感變化為Lp LpL0(160 157) 10L0l(1 TO03 3mH157 10 3157 10 3以上結(jié)果說明分布電容的存在使得等效電感Lp的值增大.7、某壓電式壓力傳感器為兩片石英晶體并聯(lián)每片厚度當(dāng)0.1MPa壓力垂直作用于平面時(shí),求傳感器輸出電荷解：當(dāng)兩片石英晶片并聯(lián)時(shí), 輸出電荷為單片的2倍,t 0.2mm ,圓片半徑r 1

25、cm,4.5, x切型q和電極間電壓U值.所以得到 q 2qx 2dliFx 2d11r2旦 2 2.31 10 1212du 231 10 12C/N.并聯(lián)總電容為單電容的2倍,得C, 2c 2 0 r r2 2 1/3.64.512 125Hz所以電極間電壓為U .CC 2C 2125pFU a q / Ct0.028、畫出電壓前置放大器與電荷前置放大器的電路圖,開分析兩者的區(qū)別和特點(diǎn).125Cr0.1 102 145 10 12 C1451.16V(a)(b)解：電壓前置放大器與電荷前置放大器的電路圖分別如下所示1當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力3=0時(shí), 前置放大器的輸出電壓等于零,由于電

26、荷會(huì)通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉,此時(shí)壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量.當(dāng)3Ci+CC+CiR>>時(shí),即作用力的變化頻率與測量回路的時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1時(shí),3/3 0>3,放大器輸入電壓 Um為UU imdFm,式中S為連cCC a c i接電纜電容,當(dāng)電纜長度改變時(shí),Cc也將改變,因而 Um也隨之變化.因此,壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換, 否那么將引入測量誤差.2電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路,由一個(gè)反應(yīng)電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成.由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高,放大器輸入端幾乎沒有分流,故可略去 2和Ri并聯(lián)電阻.u uq_式中uo為放

27、大器輸出電壓；ucr為反應(yīng)電容兩端電壓.電荷放大器的輸出電壓uo只取決于輸入電荷uo u d/Cr與反應(yīng)電容Cr,與電纜電容Cc無關(guān),且與q成正比,這是電荷放大器的最大特點(diǎn).在實(shí)際電路中,要求反應(yīng)電容Cr的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性都很好,考慮到不同的量程等因素,Cr的容量做成可選擇的,范圍為100104pF.第三次作業(yè)：1、某光柵的柵線密度為50線/nm,主光柵與指標(biāo)光柵之間夾角0.01rad,求：1求其形成的莫爾條紋間距是多少 2假設(shè)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,問此時(shí)光柵允許最快的運(yùn)動(dòng)速度V是多少解：1光柵的柵線密度為 50線/nm,故光柵常數(shù).1莫爾條紋

28、的間距b w /9cin w 0.022W 0.02mmH /2sin 2mm5020.01光柵運(yùn)動(dòng)速度與光敏二極管響應(yīng)時(shí)間成反比,即：W 0.02 10-3所以最大允許速度為20m/s.V 2 20211/ St 102、什么叫熱電效應(yīng)熱電勢有哪幾局部組成的熱電偶產(chǎn)生熱電勢的必要條件是什么答：兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路,當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí),那么在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng) ,該電動(dòng)勢稱為熱電勢.熱電勢由兩局部構(gòu)成：接觸電勢和溫差電勢.如果熱電偶兩個(gè)電極的材料相同,兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同,不會(huì)產(chǎn)生電勢；如果兩個(gè)電極的材料不同,但兩接點(diǎn)溫度相同,也不會(huì)產(chǎn)生電勢

29、；當(dāng)熱電偶兩個(gè)電極的材料不同,且兩接點(diǎn)固定后,熱電勢是兩接點(diǎn)溫度保持不變時(shí),熱電勢是熱電偶熱端溫度T的單值函數(shù).T、T0的函數(shù),當(dāng)冷端溫度 T03、某霍爾元件尺寸為長L=10mm寬b=3.5mm,厚d=1mm 1L L方向通以電流I=1.0mA ,在垂直于b*d兩方向上加均勻磁場,輸出霍爾電勢U=6.55mV.求該霍爾元件彳導(dǎo)靈敏度系數(shù)KH和載流子濃度n是多少解：根據(jù)霍爾元件輸出電勢表達(dá)式RhIB得U _6竺 91RmX/mA 丁靈敏度系數(shù) K=R/d =U hKhIb k h2i.8mv / mA idIB 1 0.31/ned= p/d,式中e為電子所帶電荷量.故載流子濃度n 119RR

30、in20/m3n - 2.8. i0 / mKHed 21.8 1.6 10 19 10 34、制作霍爾元件應(yīng)采用什么材料霍爾片不等位電勢差是如何產(chǎn)生的為了減小霍爾元件的溫度誤差應(yīng)采取哪些 補(bǔ)償方法464答：霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積. 假設(shè)要霍爾效應(yīng)強(qiáng),那么希望有較大的霍爾系數(shù)R,因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率.一般金屬材料載流子遷移率很高,但電阻率很小；而絕緣材料電阻率極高,但載流子遷移率極低,故只有半導(dǎo)體材料才適于制造霍爾片.當(dāng)霍爾元件的鼓勵(lì)電流為I時(shí),假設(shè)元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,那么它的霍爾電勢應(yīng)該為零,但實(shí)際不為零.這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱為

31、不等位電勢,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有： 霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上； 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻； 鼓勵(lì)電極接觸不良造成鼓勵(lì)電流不均勻分布等.霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的,因此許多參數(shù)都有較大的溫度系數(shù).溫度變化時(shí),霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化,使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差.為了減小霍爾元件的溫度誤差,除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫舉措外,由 U=MB可看出：采用恒流源供電是個(gè)有效舉措,可使霍爾電勢穩(wěn)定,但也只能是減小由于 輸入電阻隨溫度變化所引起的鼓勵(lì)電流I的變化的影響.霍爾元件的靈敏系數(shù) KH也是溫度的函數(shù),它隨溫度變化將引

32、起霍爾電勢的變化.霍爾元件的靈敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成KH=K<1+a AT,式中Kho為溫度T時(shí)的Kh值；AT=T-To為溫度變化量；a為霍爾電勢溫度系數(shù).大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)a是正值,它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加 a AT倍. 但如果同時(shí)讓鼓勵(lì)電流Is相應(yīng)地減小, 并能保持KH-Is乘積不變,也就抵消了靈 敏系數(shù)KH增加的影響.左圖為恒流溫度補(bǔ)償電路,電路中Is為恒流源,分流電阻 Rp與霍爾元件的鼓勵(lì)電極相并聯(lián).當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí),旁路分流電阻Rp自動(dòng)地增大分流,減小了霍爾元件的鼓勵(lì)電流IH,從而到達(dá)補(bǔ)償?shù)哪康?設(shè)初始溫度為T0,霍爾元件輸入電阻為R0,靈

33、敏系數(shù)為KHO,分流電阻為Rp0,根據(jù)分流概念得口人,1H0 Rpo Ro當(dāng)溫度升至T時(shí),電路中各參數(shù)變?yōu)?R Rio1 T,Rp Rpo1 T,式中B為霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；3為分流電阻溫度系數(shù).RpIsRp01 TIs,雖然溫度升高了 AT,為使霍爾電勢不變,補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、I H - = -Rp R Rp01 T R01 T后的霍爾電勢不變,即 LH0=LH,那么 KJh0B=KhIhB ,即“0Ih0=KJh ,經(jīng)整理并略去 a § AT2高次項(xiàng)后得 r R.,當(dāng)霍爾元件選定后,它的輸入電阻R0和溫度系數(shù)B及霍爾電勢溫度系數(shù)a是確定值.由上式Rp0即可計(jì)算出分流電

34、阻 R0及所需的溫度系數(shù) 3值.為了滿足 Rp0及3兩個(gè)條件,分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩 種電阻的串、并聯(lián)組合.5、光電器件主要有哪些光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑是多少CCD勺原理是什么答：光電器件主要有光敏電阻、光敏二極管和光敏晶體管、光電池、光電耦合器件和電荷耦合器件.光導(dǎo)纖維的數(shù) 值孔彳空NA為na sin 1.釘np數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領(lǐng)的一個(gè)重要參數(shù),即反映光纖接收光量的多少.c n02無論光源發(fā)射功率有多大,只有入射角處于2 e C的光椎角內(nèi),光纖才能導(dǎo)光.如入射角過大,光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光.光纖的 NA越大,說明它的集光水平越強(qiáng),一般希望有大的數(shù)值孔徑,這有利于提升耦合效率；但數(shù)值孔徑