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)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。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

2、感器輸出信號一般都很微弱，需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行放大、運算調(diào)制等，信號調(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)時輸出與輸入的關(guān)系。如果被測量是一個不隨時間變化，或隨 時間變化緩慢的量，可以只考慮其靜態(tài)特性，這時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應(yīng)關(guān)系，關(guān)系式中不含有時間變量。對靜態(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€如下的多項式表示：y=ao+aix+a

3、2x2+anXn式中：ao輸入量x為零時的輸出量；ai,a2，an非線性項系數(shù)。各項系數(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y與引起輸出量增量 y的相應(yīng)輸入量增量x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，偏差值Lmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用表示傳感器越靈敏。 即S =丄2、線性度：傳感器的線性度是指在全量程范圍內(nèi)實際特性曲線與擬合直線之間的最大丫 L表示，即L仝訃竺io。，式中A LmaxYfs

4、為最大非線性絕對誤差；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。對于同一大小的輸入信 號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。傳感器在全量程范圍內(nèi)最大的遲滯差值A(chǔ) H-與滿量程輸出值YFs之比稱為遲滯誤差，用YH表示，即=注100% . 4、重復(fù)性：重復(fù)性是指傳感器在輸入量按丫FS 同一方向作全量程連續(xù)屢次變化時，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d計算，也可用正反行程中最大重復(fù)差值A(chǔ) Rnax計算，即23或.'Rmax。5、

5、漂移：在輸入量不變的情'r =丈 X100 %'r = X100%FSFS況下，傳感器輸出量隨著時間變化，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時的輸出值的變化量與溫度變化量之比E來表示，即 _ % y20，式中A t為工作環(huán)境溫度t偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)-這境溫度t20之差，即A t=t-t 20； yt為傳感器在環(huán)境溫度 t時的輸出；y20為傳感器在環(huán)境溫度t20時的輸出。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。

6、傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下標(biāo)定的，靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件：沒有加速度、振動和沖擊，環(huán)境溫度為室溫15-25 ° C、相對濕度小于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；根據(jù)傳感器量程分 點情況，由小到大逐漸一點一點的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；將輸入值由大到小一點一 點的減少下來，同時記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；按照上述過程，對傳感器進(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)

7、。3、什么是傳感器的動態(tài)特性？其分析方法有哪幾種？如何標(biāo)定？答：傳感器的動態(tài)特性是指輸入量隨時間變化時傳感器的響應(yīng)特性。傳感器的動態(tài)特性一般都可以用下述的微分方程來描述，angV豈py丸孚4丄聳淞bx其中，a0、a1、，旳b0、b1、.,bm是與 n dtndtn 1dtm dtmdtm 丄dt 0傳感器的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的常系數(shù)。通過測量傳感器的階躍響應(yīng)，0，二階傳感器的動態(tài)響應(yīng)參數(shù)有阻尼比E和固有傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時間響應(yīng)，從時域中對傳感器的響應(yīng)和過渡過程進(jìn)行分析的方法稱為時域分析法。傳感器對不 同頻率成分的正弦輸入信號的響應(yīng)特性稱為頻率響應(yīng)特性。傳感器的動態(tài)標(biāo)定主要是 研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)和

8、相關(guān)的參數(shù)，一階傳感器只有時間常數(shù)角頻率3 n0確定一階傳感器時間常數(shù)T的方法63.2%所經(jīng)過的時間為時間常數(shù)T,測量結(jié)果1對于一階傳感器，測得階躍響應(yīng)之后，取輸出值到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的 的可靠性僅取決于個別的瞬時值，沒有涉及響應(yīng)的全過程。Z =_! z=ln1yO上式說明中間變量 Z和時間t成線性關(guān)系，并且有，根據(jù)測得的yu值，作出Z-t曲線，并根據(jù)=，求得時間常數(shù)T,這種方法考慮了瞬2 一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號為yt=1,二將上式改寫為態(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. 1 _ 2的角頻率做衰減振蕩的，此角頻率稱為阻尼

9、固有頻率，記為。按照求極值得通用方法，可以求得各振蕩值所對應(yīng)的時間+ n - 20tp=O,丄丄，-d 二階傳感器特性的微分方程為d2y(t) 2 dy(t) jy(t)二2kx(t)輸入一階躍信號，上式變躍信號的幅值。特征方程及其兩根分別為丄s2芒s書s丄上忖口&時2関 _e"2.對二階傳感器，當(dāng)輸入單位階躍信號時，輸出為_：2sin( 1 _2 t )121(S2 s 1)y(s) =k°A .一-n- ns2 40 n當(dāng)厶：1時，1 A為階sy 占°Ai將t二代入上式，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， 設(shè)皿對應(yīng)的時間為那么M的關(guān)系為

10、？，測得e小12y=1廠；sin( dt -arctg 二)M之后，即可求得阻尼比(*)令 M =e-Sjt ,E。如果測得E ,其中n是兩峰值間隔的周期數(shù)(整數(shù))。(“)式，可得m i2n.?：(“)整理后得lnTJM-假設(shè)傳感器是精確的二階系統(tǒng)，n值MinVE值不會有差異，反之，當(dāng)n取不同值時，獲得不同的可以利用兩個超調(diào)量對應(yīng)的時間為.n.和M.丄來求得阻尼比2n-將此式代入JL121 一+_:-n .當(dāng)E小于0.1時匸2：1，此時，由式(.)可得一，其中竺二 I 4二2n2采用任意正整數(shù)所得到的E值不會有差異，反之，當(dāng)n取不同值時，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

11、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，求得一階 傳感器的時間常數(shù)和欠阻尼傳感器的阻尼比E和固有角頻率 3 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，但獲得階躍信號輸入?yún)s很方便，此時，使用階躍信號來標(biāo)定動態(tài)參數(shù)。4、 某一階傳感器的傳遞函數(shù)為H二1 ， =0.0°1s求允許幅值誤差為10%寸，該傳感器輸入信號的工作頻帶。解：相應(yīng)的幅頻特性為A( ),4/ 1(. )2川=0時，A(0) =1差不超過10%應(yīng)滿足A( ).4/1 ( )2 1J0%=0.9由此解得因此該傳感器輸入信號工作頻帶為0-77Hz。

12、5、某壓電式加速度計動態(tài)特性可用下述微分方程描述，無幅值誤差。 =0時，A(.,八：1，出現(xiàn)幅值誤差。為使幅值誤(1/0.9)2 二 將.=0.001s 代入上式，考慮到 f = ./2 二，得 f : H 。 00 二雪 3.0 103-dq 2.25 1010q =11.0 1010a式中，q 為輸出電何(pC)； dtdt仙、阻尼系數(shù)©、靜態(tài)靈敏度K的值。a dY .aY=bX此式與微分方程比擬可得：靜態(tài)靈 dt21 dt 0- 0敏度系數(shù)b0 11.0 10102固有振蕩頻率a 2 25 10105 阻尼比 akJ 二ccu*10 389pC/(m/s2)側(cè)弓1 亙 Tm.5

13、X105rad/sP_ 二一一 a0 2.25 XIOF a2 k 12、a0a2 2、2.25 翅010 易6、證明：(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，測溫傳感器是一個一階傳感器；(2)帶保護(hù)套管的熱電偶插入恒溫水池中測量溫度時，測溫傳感器是一個二階傳感器；(提示：根據(jù)能量守恒定律，列出熱電偶的熱平衡方程)證明:(1)設(shè)熱電偶質(zhì)量為m,比熱容為C1,熱接點溫度為T1；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：m1C1dT1/dq01 q0(T0T1)/ 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

14、變量q01，令時間常數(shù)為d=R1m1C1，得T _聲1此即典型的一階傳感器方程。設(shè)套管質(zhì)量為 m,比熱容為C2,溫度為T2,被測介質(zhì)溫度為T。，被測介質(zhì)與套管之間的熱阻為間的熱阻為R1,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：該加速度計為二階傳感器，其微分方程根本型式為a2a。q2i J)/Ri q對熱電偶列方程:R2,套管與熱電偶之/dt =q02 T21 q 一衛(wèi)一巴 02 - R202為被測介質(zhì)傳給套管的熱量，q21為套管傳給熱電偶的熱量。設(shè)熱電偶質(zhì)量為m,比熱容為C1,m1C1dT1 / dt 二q21q21=(T2-T1)/R1因 q21<< q02

15、,從上面各式消去中間變量，得: 1亠(.1'.2 )dT1亠T人dt2dt1 一 0熱電偶熱接點溫度為 T1，根據(jù)熱力學(xué)能量守恒定律，對套管列方程:dt式中， 1二只沖1。1第二次作業(yè)： 1 、比擬金屬絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片相同點和不同點。 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，其電阻值相 應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng) 。R=ii,_ A 到拉力F作用時， 將伸長 I，橫截面積相應(yīng)減小 A,電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了 而引起電阻值相對變化量為 dR =色_dA .蘭，或dR._E) ,o應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的

16、變化"Rm 衛(wèi)r',2 =R2m2C2。這是典型的二階傳感器的微分方程。當(dāng)電阻絲受d p ,從 即1+2 口，應(yīng)要比d p / p/ &大得多，而半導(dǎo)體材料的d p / p/ &項的值比1+2 口大得多。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，當(dāng)某一軸向受外力作用時，其電阻率p發(fā)生變化的現(xiàn)象。實驗證明，半導(dǎo)體應(yīng)變片n E比1+2 口大上百倍，所以1+2 口可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)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)變時非線性比擬嚴(yán)重，使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。用應(yīng)變片測量應(yīng)

17、變或應(yīng)力時，根據(jù)上述特點，在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。2、當(dāng)一力傳感器承受負(fù)荷時，假設(shè)貼在其上的電阻應(yīng)變片 R1和R3受拉應(yīng)變，R2和R4受壓應(yīng)變。1畫出該傳感器的測量電橋 全橋。2假設(shè) 承受1000微應(yīng)變時的電橋輸出電壓。解1全橋如右圖所示。2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U。=E =Ku =KuE =2 5 1000 100.01V3、如果將 100 R1R1電阻應(yīng)變片貼在彈性試件上，假設(shè)試件受力橫截面積S=0.5 10-m2，彈性模量E =2 1011 N/m 2,假設(shè)有F =5 104N的

18、拉力引起應(yīng)變電阻變化為1。試求該應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。解：應(yīng)變片電阻相對變化量為空二丄 由材料力學(xué)理論知，應(yīng)變.壬匚為試件所受應(yīng)力，.一 =_F故應(yīng)變R 一100一E_SF二5號04耳005應(yīng)變片靈敏度系數(shù)為K J1R/R_1/100 _2"SE 一0.510 土 21011一-;一 0.005 一4、簡述電容式傳感器的工作原理及其類型，并指出其設(shè)計要點。答：由絕緣介質(zhì)分開的兩個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。二蘭，式中，&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)，&

19、; r極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)； S為兩平行板所覆蓋的面積；d為兩平行板之間的距離。當(dāng)被測參數(shù)變化使得上式中的S、d或£發(fā)生變化時， 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過變面積型和變介電常數(shù)型三種。變極距型變面積型可測微小位移和角位移加二c_c二&名adxb變C00d0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、 可測微小位CC dC0 -. C 竺飛債 1迺d01介電常數(shù)型用來測量厚度和濕度c 竝.巳 hm .匯工0 2 工 1- h _A .Bh D0In .d設(shè)計要點是：靈敏度、

20、非線性和測量電路對非線性誤差S為_.d/d。2 100% d|.9巾0丨° d°大。運算放大器的放大倍數(shù)非常大，輸入阻抗 的測量電路。下列圖是運算放大器式電路原理圖 壓；工是虛地點。由運算放大器工作原理可得100%In 盯 171亠-dddd變極距型電容傳感器的靈敏度為,.C/C0 1變極距型電容傳感器的相要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙dO,但非線性誤差卻隨著 d0的減小而增Zi很高，運算放大器的這一特點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；U是輸出信號電c j ,如果傳感器是一只平板電容，貝UCX= £S/d,可得UUiUou

21、。=UCd，式中“-號表示輸出電壓 Uo的相位與電源電壓反相，運算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。運算放大器式電路雖解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題，但要求Zi及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓 U的幅值和固定電容 C值穩(wěn)定。5、：差動式電容傳感器的初始電容0= Q=100pF,交流信號源電壓有效值 U=6V頻率f=100kHz。求：1在滿足有最高輸出電壓靈敏度條件下設(shè)計交流不平衡電橋電路，并畫出電路原理圖。2計算另外兩個橋臂的匹配阻抗值；3 當(dāng)傳感器電容變化量為10pF 時，求橋路輸出電壓。解 1 ：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,

22、相角日=90。時，橋路輸出電壓靈敏度系數(shù)由最大值km -0.5，按此設(shè)計的不平衡電橋如右圖所示。因為滿足a=1,那么 斗缶,當(dāng)=90。時要選擇為電容和電阻元件。jwc2 <11、 3交流電橋輸出信號電壓根據(jù)差動測量原理及橋壓公式得RTfc 匕乂翅05易0山二15%Use =2 km 0 U =2 0.510 6 = 0.6VC100作業(yè)6：如下圖氣隙型電感傳感器，銜鐵橫截面積S =4 4mm2，氣隙長度 0.4mm，銜鐵最大位移0.08mm，鼓勵線圈匝數(shù)N =2500匝，導(dǎo)線直徑d =0.06mm ,電阻率;=1.7：10- cm。當(dāng)鼓勵電源頻率為f =4000Hz時，忽略漏磁及鐵損。

23、要求計算：1線圈電感值；2電感的最大變化量；3當(dāng)線圈外斷面積為11 11mm2時求其直流電阻值；4線圈的品質(zhì) 因數(shù)；5當(dāng)線圈存在200pF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n2 n2 "0s0 25002 4二10鼻4 4 106(2)當(dāng)銜鐵最大位移= _0.08mm時，分別計算| 一一_亠 15/mHRm - 2j. _0T'； 0.08mm 電感值 L 1 為 Ln24s°25002 4- 10 4 4 10(0.8 42x0.08)x10 皂N2豁。25002舲恢0耳4><4甸0邑H銜鐵最大位移變化= 40.08mm時電感變化

24、量為 AL=L _L =196_131=65mHI96【11H：.131mH,- -0.08mm 電感l(wèi)2-飛. 一(0.8 /0.08)10 三(3)線圈直流電阻4pNl cp 4 1.75 10仝2500 3 式中I cp為線圈平均每匝長度。根據(jù)鐵心截面4 4mm'及線圈外Re=亦(0.06燦分-64Q斷面11 11mm取平均值，按斷面為7.5 7.5mm2計算每匝總長度I CP為 lCP =4x7.5 仝0mm (4)線圈品質(zhì)因數(shù)464Lo l.-0157 10 3 也 P 0一砧LoC)丄0 7丄2宓000)2爲(wèi) 煥*甸0吐57甸0一 乂160 J57) 10 3 .mH以上結(jié)

25、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，求傳感器輸出電荷 解：當(dāng)兩片石英晶片并聯(lián)時，輸出電荷為單片的2倍，并聯(lián)總電容為單電容的 2倍，得C /c /丄衛(wèi)2 _2 1/36二4.5Tt = 0.2mm ，圓片半徑 r =1cm，： =4.5，x 切型 d =2.31 10 丄2C/N。 q和電極間電壓Ua值。所以得到 q /qx =2九匕/X2.31X10上江兀:好“僅訶 fe：145x10上C：=125pF所以電極間電壓為Ua=q/C =1.16Vt =0028、畫出電壓前置放大器與電荷前置放大器的電路圖

26、，并分析兩者的區(qū)別和特點。C _ L _2fL _2二4000 157 10丄耳5 ( 5)當(dāng)線圈存在分布電容C=200pF時引起電感變化為解：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， 前置放大器的輸出電壓等于零，因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，此時壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。當(dāng)3 (Ca+Cc+Ci)R>>時，即作用力的變化頻率與測量回路的時間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1時，3/ 3 0>3，放大器輸入電壓 Um為_ dFm ，式中Cc為連im 飛 4C +C.aci接電纜電容，當(dāng)電纜長度改變時，Cc

27、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，由一個反應(yīng)電容Cf和高增益運算放大器構(gòu)成。由于運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Ra和Ri并聯(lián)電阻。u 7式中uo為放大器輸出電壓；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。在實際電路中，Cr的溫度和時間穩(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，范圍為第三次作業(yè)：要求反應(yīng)電容100104pF。Uo

28、；ud1、 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，并且光敏二極管響應(yīng)時間為10隹，問此時光柵允許最快的運 動速度V是多少？光柵運動速度與光敏二極管響應(yīng)時間成反比，即:解：(1)光柵的柵線密度為 50線/nm,故光柵常數(shù) 閃=丄=002mm莫爾條紋的間距bh w公腫七W _0.02_加山(2)v = W =0.02 1°-3 =20m/ s，所以最大允許速度為 20m/s。-t -10色 _2、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

29、必要條件是什么？答：兩種不同材料的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成一個閉合回路，當(dāng)兩接點溫度T和T0不同時，那么在該回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動勢稱為熱電勢。熱電勢由兩局部構(gòu)成：接觸電勢和溫差電勢。如果熱電偶兩個電極的材料相同，兩個接點溫度不同，不會產(chǎn)生電勢；如果兩個電極的材料不同，但兩接點溫度相同，也不 會產(chǎn)生電勢；當(dāng)熱電偶兩個電極的材料不同，且兩接點固定后，熱電勢是兩接點溫度T、T0的函數(shù)，當(dāng)冷端溫度 T0保持不變時，熱電勢是熱電偶熱端溫度T的單值函數(shù)。3、 某霍爾元件尺寸為長L=10mm寬b=3.5mm,厚d=1mm沿L方向通以電流I=1.0mA，在垂直于b*d兩方向上加均勻磁

30、場，輸出霍爾電勢U=6.55mVo求該霍爾元件得靈敏度系數(shù)KH和載流子濃度n是多少？=Kh IB解：根據(jù)霍爾元件輸出電勢表達(dá)式u =Rh=k |B，得K =U=_6.55 =218mV/mA T靈敏度系數(shù) K=FH/d =H d HH IB 10.3.1/n ed= up /d,式中e為電子所帶電荷量。故載流子濃度n = 1 =1_2 86汩020伽3一KHed 一21.8漢1.6><10*10丄4、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？答：霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率口的乘積。 假設(shè)要霍爾效應(yīng)強(qiáng)，

31、那么希望有較大的霍爾系數(shù)FH,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?。欢^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)霍爾元件的鼓勵電流為I時，假設(shè)兀件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零， 電勢，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：那么它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位 霍爾電極安裝位置不對稱或不在冋一等電位面上；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； 鼓勵電極接觸不良造成鼓勵電流不均勻分布等。 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，霍爾元件的載流子

32、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 或采用恒溫措施外，由 U=KhIB可看出：采用恒流源供電是個有效措施，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電流I的變化的影響?；魻栐撵`敏系數(shù) KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度變化將引起霍爾電勢的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成K=K<1+a T,式中Kh0為溫度TL時的Kh值； T=T-T。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 aA T倍。 但如果同時讓鼓勵

33、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。，電路中Is為恒流源，分流電阻 Rp與霍爾元件的鼓勵電極相并聯(lián)。當(dāng)霍爾元件的輸入 旁路分流電阻Rp自動地增大分流，減小了霍爾元件的鼓勵電流 I H,從而到達(dá)補(bǔ)償?shù)哪炕魻栐斎腚娮铻镽0,靈敏系數(shù)為KH0,分流電阻為Rp0,根據(jù)分流概念得，RpoIs,0Ih0Rp。林 當(dāng)溫度升至T時，電路中各參數(shù)變?yōu)?R申。1垢茁尺仝p°i+陋，式中§為霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；卩為分流電阻溫度系數(shù)。.Rp® _Rp0i.丁兒，雖然溫度升高了 A T,為使霍爾電勢不變，補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、&#

34、39;LR 二頤!：；，t只。1川丁喬后的霍爾電勢不變，即Uh=LH,貝y KJh0B=KhIhB，即KdH0=KK，經(jīng)整理并略去 A T2高次項后得-瀘。，當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻R0和溫度系數(shù)§及霍爾電勢溫度系數(shù) a是確定值。由上式,RpIsI H左圖為恒流溫度補(bǔ)償電路 電阻隨溫度升高而增加時， 的。設(shè)初始溫度為T0,Rpoot即可計算出分流電阻Rpo及所需的溫度系數(shù)卩值。為了滿足 Rp0及卩兩個條件，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) 值孔徑NA為魯耳“甘二.蘆2，數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領(lǐng)的一個重要參數(shù)，即反映光纖接收光量的多少。-'_n0- 2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，說明它的集光能力越強(qiáng)，一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有