部分習(xí)題參考答案

1、第一章第一章作業(yè)題 2、請對如下機械系統(tǒng)進(jìn)行力-電流和力-電壓機電模擬。2、請對如下機械系統(tǒng)進(jìn)行力-電流和力-電壓機電模擬。 解答： i):力-電流模擬 下表為力-電流相似系統(tǒng)中參量對應(yīng)關(guān)系 把題中的圖一機械系統(tǒng)用用圖二所示的電流激勵并聯(lián)電路來模擬。 圖一 機械系統(tǒng) 利用上表的對應(yīng)關(guān)系可知，只要知道 A點的電壓就可以模擬機械系統(tǒng)中的 質(zhì)量 相對應(yīng)于大地的速度 模擬了電路的激勵電流就模擬了機械 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物的激勵力 ，結(jié)構(gòu)物相 對于大地的速度 是用激勵電壓 來模擬的。對應(yīng)關(guān)系是： 2 m 2m v f x v u 2am x uv if uv 012mm vvv 012 uuu 、 相對速度為 1

2、 m 2 m 只要知道得到了模擬電路中a、b兩節(jié)點的電壓差 即可模擬輸出速度 對輸入速度 的響應(yīng)。 x v 0 v 圖二 電流激勵并聯(lián)電路 ii):力-電壓模擬 下表為力-電流相似系統(tǒng)中參量對應(yīng)關(guān)系 把題中的圖一機械系統(tǒng)用用圖三所示的電壓激勵串聯(lián)電路來模擬。 22 121 x xm mm vi vvv vvv 類似以力-電流模擬，有以 下對應(yīng)關(guān)系： 當(dāng)研究輸出速度 的響應(yīng)特性 時，只需要研究 中的響應(yīng)電 流 即可。 o v 11 C R 1 i 第二章習(xí)題 2、說明對傳感器的輸出輸入特性曲線進(jìn)行線性化的方法。2、說明對傳感器的輸出輸入特性曲線進(jìn)行線性化的方法。 解答：使傳感器輸出輸入特性線性化

3、，所采用的直線稱為擬合直 線，目的是獲得最小的非線性誤差。 擬合方法：理論擬合；過零旋轉(zhuǎn)擬合；端點連線擬合；端點連線 平移擬合；最小二乘擬合；最小包容擬合 下圖1所示四種直線擬合方法。 理論擬合理論擬合過零旋轉(zhuǎn)擬合 端點連線擬合端點平移擬合 圖1 幾種直線擬合方法 過零旋轉(zhuǎn)擬合 端點連線擬合端點平移擬合 圖1 幾種直線擬合方法 3、對照書上圖2-9和2-11，說明傳感器一階和二階系統(tǒng)的幅頻相頻特性。3、對照書上圖2-9和2-11，說明傳感器一階和二階系統(tǒng)的幅頻相頻特性。 解答：i);傳感器一階幅頻相頻特性 ii);傳感器二階幅頻相頻特性 第四章作業(yè) 2、什么叫橫向效應(yīng)？怎樣減小橫向效應(yīng)的誤差？

4、、什么叫橫向效應(yīng)？怎樣減小橫向效應(yīng)的誤差？ 答：將直的金屬絲繞成敏感柵之后；雖然長度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不 同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，因此靈敏系數(shù)有所降 低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。 金屬絲原長為： 敏感柵總變形： 1Snlr n yxyxx rnrnnlrn nlLLL 2 ) 1( 2 ) 1(2 )( 2 ) 1( 21 因此橫向效應(yīng)可以用下式來表示： 1 2 1 1 2 x xy x LSL nr nr u 橫向應(yīng)變 從上式可知可以通過減小圓弧半徑 ，以及金屬絲的軸向應(yīng)變。 可以用如下幾種結(jié)構(gòu)來減小橫向效應(yīng)： 1），將敏感柵的圓弧段直接用金屬絲短接； 2），采用萡式應(yīng)

5、變片； 3、一應(yīng)變片的電阻、一應(yīng)變片的電阻R120歐姆，歐姆，k2.05，用作應(yīng)變?yōu)?，用作?yīng)變?yōu)?00umm的傳感 元件。求 的傳感 元件。求R和和RR，若電源電壓，若電源電壓U3v，求初始平衡時惠斯登電 橋的輸出電壓。 ，求初始平衡時惠斯登電 橋的輸出電壓。 解：利用（4-9）式可得 2.05 800 120197 197 1.64 120 x RKR R R R 由于題中只給出了一個應(yīng)變片的阻值，我們采用不平衡電橋來解此題 由 1234 ,RR RR 第五章 習(xí)題 0 1 3 1.641.23 4 UV 3、在壓力比指示系統(tǒng)中采用差動式變極距型電容傳感器，已知原始極距、在壓力比指示系統(tǒng)中采

6、用差動式變極距型電容傳感器，已知原始極距1 20.25mm，極板直徑，極板直徑D38.2mm，采用電橋電路作為其轉(zhuǎn)換電路，電容傳 感器的兩個電容分別接 ，采用電橋電路作為其轉(zhuǎn)換電路，電容傳 感器的兩個電容分別接R5.1k的電阻后作為電橋的兩個橋臂，并接有效值 為 的電阻后作為電橋的兩個橋臂，并接有效值 為U1=60V的電源電壓，其頻率為的電源電壓，其頻率為f400HZ，電橋的另兩橋臂為相同的固定 電容 ，電橋的另兩橋臂為相同的固定 電容C=0.001uF試求該電容傳感器的電壓靈敏度。若 試求該電容傳感器的電壓靈敏度。若 10um時，求輸出 電壓有效值。 時，求輸出 電壓有效值。 答案：電壓靈敏

7、度=15；輸出電壓有效值=2.4V 提示：利用5.1.1節(jié)變間隙電容式傳感器中關(guān)于差動式電橋結(jié)構(gòu)靈敏 度的分析得出C與C0 的關(guān)系，然后利用電路學(xué)方法求出U0 的表達(dá) 式，利用U0 及C與C0 的關(guān)系求出Su 的表達(dá)式。 第六章 作業(yè) 4、 電渦流傳感器線圈的外徑、內(nèi)徑和廈度分別為48mm、43mm和 2mm，今用它檢測鋼材的厚度，若以x=2mm為零點，測量范圍為 +/-0.2mm，問用端點連線法求線性度相對誤差約為多少？ / t Q Eke 滲 解：根據(jù)6.3.2節(jié)可知， 其中t未被測材料的厚度 根據(jù)端點連線法 2/ 0 Q Eke 1.8/Q FS Eke滿量程值： 00 0.4/0.2/

8、 1 1 QQ FS EE eee E 2.2/1.8/ 0 QQ Ek ee 第七章第七章 習(xí)題習(xí)題 1、 用壓電式傳感器能測量靜態(tài)和變化很緩慢的信號嗎？為什么？而其阻尼比很小， 為什么 可以響應(yīng)很高頻率的輸入信號而失真卻很小? 答：當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力（w=0）或者是變化很緩慢的力（w0）時，則前置 放大器的輸入電壓等于零。 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。 壓電式傳感器可以等效為一個電荷源與一個電容并聯(lián)， 阻尼比很小的壓電式傳感器可以 認(rèn)為電容很大，故在響應(yīng)很高頻率的輸入信號時，壓電式傳感器的自身阻抗就會很小，輸出 失真也就很小。 2、壓電式傳感器

9、中采用電荷放大器有何優(yōu)點？為什么電壓靈敏度與電線長度有關(guān)？而電荷 靈敏度無關(guān)? 答：前置電荷放大器有兩個作用，第一是把壓電式傳感器的微弱信號放大；第二是把傳感器 的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。 圖 718 是壓電式傳感器與電荷放大器連接的等效電路，由“虛地”原理可知，反饋電容 Cf折合到放大器輸入端的有效電容 Cf為 當(dāng)110 faci k CCCC時，傳感器的輸出靈敏度就可以認(rèn)為與電纜電容有關(guān)。從 上式也可以看出電壓靈敏度與電荷靈敏度無關(guān)。 3 、 有一零度 X 切的縱向石英晶體， 其面積為 20mm2， 厚度為 10mm， 當(dāng)受到壓力 P10MPa。 作用時，求產(chǎn)生的電荷量及輸出電壓。 解

10、：根據(jù)（7-18）式， 0r a s C d ， r =4.5， 4 0 8.85 10 F/cm 42 4 1 8.85 104.5 20 10 7.97 10 10 10 a C F 電荷量 1266 11 2.31 1010 1020 10 x QdFdPS 10 4.62 10C 輸出電壓 10 7 0 4 4.62 10 5.8 10 7.97 10 a Q UV C 第八章第八章 習(xí)題習(xí)題 1、對動圈式磁電傳感器進(jìn)行動態(tài)特性分析。 解答：圖中 V0為傳感器外完的運動速度，即極洲物體運動速度 Vm 為傳感器慣性質(zhì)量塊的 運動速度。若 V(t)為慣性質(zhì)量塊相對外殼的運動速度，則其運動方

11、程為 從磁電式速度傳感器的幅頻特性可以看到，只有在 n ww的情況下， 1 v Aw ，相對速 度 V(t)的大小才可以作為被測振動速度 V0(t)的量度。 第九章第九章 習(xí)題習(xí)題 1、舉例分析熱敏電阻、熱電偶和集成熱電傳感器的原理。 2、參考電極定律有何實際意義？已知在某特定條件下材料 A 與鉑配對的熱電勢為 13.967mv，材料 B 與鉑配對的熱電勢為 8.345mv，求出在此特定條件下材料 A 與材料 B 配 對后的熱電勢。 解：利用參考電極定律可以用來測量被測物件的溫度。利用（9-1）式 可得， 000B ( ,)( ,)( ,) ABA ET TET TET T 鉑鉑 =13.96

12、7-8.345=5.622（mv） 3、畫圖說明對熱敏電阻進(jìn)行非線性補償，和對熱電偶進(jìn)行溫度補償?shù)姆椒ā?解：熱敏電阻的線性化 可通過在熱敏電阻上串并聯(lián)固定電阻， 作成組合式元件來代替單個熱敏元件， 使組合式元件 電路特性參數(shù)保持一致并獲得一定程度的線性特性。 對熱電偶進(jìn)行溫度補償： 補償方法主要有： （1）冷端溫度修正法； （2）冷端溫度自動補償法； （3）延引電極法。 隨便一一種方法具體說明即可。 第十章第十章 習(xí)題習(xí)題 1、舉例分析三種光電效應(yīng)的光電傳感器原理。 答： （1）在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)，以光電管來說明原理 （2）在光線作用下使物體電阻率改變的現(xiàn)象叫

13、內(nèi)光電效應(yīng)，以光敏電阻來說明原理 （3） 在光線作用下使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫阻擋層光電效應(yīng)， 以光電池來 說明原理 2、設(shè)計三種轉(zhuǎn)速傳感器。 可以利用電磁感應(yīng)定律、壓電原理、光電效應(yīng)等等 第十一章第十一章 習(xí)題習(xí)題 1、舉例說明不同集成度智能傳感器系統(tǒng)，并請說明 CCD 固態(tài)傳感器的工作原理及工作過 程。 解答：按集成度劃分，智能傳感器系統(tǒng)可以分為初級集成度、中級集成度和高級集成度。 以 DTP 型智能式壓力傳感器進(jìn)行說明。其由以下構(gòu)成： 主傳感器(壓力傳感器) 輔助傳感器(溫度傳感器、環(huán)境壓力傳感器 異步發(fā)送接收器(uART) 微處理器及存儲器 地址數(shù)據(jù)總線 程控放大器(PFA)

14、 AD 轉(zhuǎn)換器、DA 轉(zhuǎn)換器 可調(diào)節(jié)激勵源 電源 CCD 固態(tài)傳感器的工作原理見 266 頁 CCD 原理， 工作過程見 268 頁第二段。 2、說明集成智能傳感器系統(tǒng)的集成工藝。 答：按制造工藝分，智能傳感器可以分為：集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳 感器。 集成傳感器用于標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造， 通常還將用于初步處理被 測信號的部分電路也集成在同一芯片上。 薄膜傳感器通過沉積在介質(zhì)襯底上的相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。 厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料涂覆在陶瓷基片上制成的。 陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)陶瓷工藝或某種變種工藝生產(chǎn)。 第十二章第十二章 習(xí)題習(xí)題 1、利用斯乃爾

15、定律推導(dǎo)出的臨界角表達(dá)式，計算水與空氣分界面(n1.33)的值。 答案：提示利用斯奈爾定律求得 1 1 sin48.75 1.33 2、求光纖 n11.46，n21.45 的 NA 值，如外部的 no=1，求最大入射角 =？ 答案：提示利用斯奈爾定律及全反射條件求得最大入射角arcsin0.179.8 c 3、設(shè)計光纖測溫系統(tǒng)。 解：利用課本上的馬赫-澤德光纖溫度傳感器或者法布里-珀羅光纖溫度傳感器進(jìn)行論述即可 第十四章第十四章 習(xí)題習(xí)題 1、 說明半導(dǎo)體電阻式和非電阻式氣敏傳感器的工作原理。 答：電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器是用氧化錫、氧化鋅等金屬氧化物材料制作的敏感元件，利用 其阻值的變化來檢測

16、氣體的濃度。電阻式傳感器又分為表面控制型和體控制型電阻式傳感 器。 表面控制型電阻式傳感器： 它是利用半導(dǎo)體表面因吸附氣體引起半導(dǎo)體元件電阻值變化的特 性制成的；敏感元件的阻值 R 與空氣中被測氣體的濃度 C 成對數(shù)關(guān)系變： n 與氣體檢測靈敏度有關(guān)、除了隨傳敏感器材料和氣體種類不同而變化外，還會由于測 量溫度和激活劑的不同而發(fā)生大幅度的變化。m 表示隨氣體濃度而變化的傳感器的靈敏 度(也稱之為氣體分離率)。對于可燃性氣體來說，M 值多數(shù)介于 12 吏 13 之間。 體控制型電阻式傳感器： 在采用反應(yīng)性強容易還原的氧化物作為材料的傳感器中， 即使是在 溫皮較低的條件下，也可因可燃性氣體而改變其

17、體內(nèi)的結(jié)構(gòu)組成(晶格缺陷)，并使敏感元件 的阻值發(fā)生變化。 2、為什么多數(shù)氣敏傳感器帶有加熱器？ 答：主要有兩個用途；第一，用作燒灼元件表面油垢或污物；第二，可起加速被測氣體的吸、 脫過程。 第十五章第十五章 習(xí)題習(xí)題 1、說明濕度的定義和表達(dá)方法。 答：絕對濕度表示單位體積空氣里所含水汽的質(zhì)量，其表達(dá)式為 V M V 相對濕度是氣體的絕對濕度( V )與在同一溫度下，水蒸汽已達(dá)到飽和的氣體的絕對 濕度( W )之比，常表示為RH其表達(dá)式為 露（霜）點：相對濕度為 100%時的溫度。 2、氧化鋰和半導(dǎo)體濕敏傳感器各有何特點？ 答：氯化鋰濕敏元件靈敏、準(zhǔn)確、可靠。其主要缺點是在高濕的環(huán)境中，潮解

18、性鹽的濃度會 被稀釋，因此，使用壽命短，當(dāng)灰塵附著時，潮解性鹽的吸濕功能降低，重復(fù)性變壞。 半導(dǎo)體濕度傳感器根據(jù)電阻變化情況有正特性與負(fù)特性之分，型半導(dǎo)體的在 靜電場很 大時都呈現(xiàn)負(fù)特性，且半導(dǎo)體濕敏傳感器受溫度影響較大。 第十六章第十六章 習(xí)題習(xí)題 1、說明大氣窗口的含義。 答：紅外輻射在大氣中傳播時由于大氣中的氣體分子、水蒸汽以及固體微粒、塵埃等物 質(zhì)的吸收和散射作用， 使輻能在傳輸過程中逐漸衰減。 紅外輻射在通過大氣層時被分割成三 個波段即 22.6cm35um 和 814um，統(tǒng)稱為“大氣窗口” 。 2、設(shè)計紅外測溫系統(tǒng)。 解：見 331 頁給出結(jié)構(gòu)原理并敘述其工作原理 第十七章第十七

19、章 習(xí)題習(xí)題 1、說明半導(dǎo)體應(yīng)變片和金屬應(yīng)變片有何不同。 答：半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的，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)體材料在某一軸向受外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 金屬應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 金屬絲的電阻隨受力產(chǎn)生的形變而變化 的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 不同點：半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍； 半導(dǎo)體應(yīng)變片橫向效應(yīng)和機械滯后極?。?半導(dǎo)體應(yīng)變片溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多。 2、設(shè)計一個利用半導(dǎo)體應(yīng)變片的測壓系統(tǒng)。 提示：參照 17.2 節(jié)。 3、如何補償半導(dǎo)體應(yīng)變片的零位漂移和溫度誤差。 解：零位漂移的補償：溫度變化引起的零點漂移方向不同，因此可以采用并串聯(lián)調(diào)零法，即 在 R3上串聯(lián) Rs的同時，又在 R4上并聯(lián) RP，適當(dāng)選擇 Rs和 RP的值，可以使電橋失調(diào)為零， 而且在調(diào)零之后溫度變化原則上不會引起零點源移。若滿足上述零漂為零，要求 Rs與 RP為 補償半導(dǎo)體應(yīng)變片的溫度誤差： 壓阻式壓力傳感器的電橋完全對稱時，全橋輸出電壓為 由于半導(dǎo)體材料對溫度比較敏感，一般講 K 將隨溫度變化而變化，因此電橋的靈敏度也與 溫度有關(guān)。常用的補償方法有：一，恒流源