精選文檔精選文檔PAGEPAGE13精選文檔PAGE第三章常用傳感器與敏感元件

3-1在機械式傳感器中，影響線性度的主要要素是什么？可舉例說明。

解答：主要要素是彈性敏感元件的蠕變、彈性后效等。

3-2試舉出你所熟習的五種機械式傳感器，并說明它們的變換原理。

解答：氣壓表、彈簧秤、雙金屬片溫度傳感器、液體溫度傳感器、毛發(fā)濕度計等。

3-3電阻絲應變片與半導體應變片在工作原理上有何差別？各有何優(yōu)弊端？應如何針對詳盡狀況來采納？

解答：電阻絲應變片主要利用形變效應，而半導體應變片主要利用壓阻效應。

電阻絲應變片主要長處是性能堅固，現(xiàn)行較好；主要弊端是敏捷度低，橫向效應大。

半導體應變片主要長處是敏捷度高、機械滯后小、橫向效應小；主要弊端是溫度堅固性差、敏捷度失散度大、非線性大。采納時要依據(jù)丈量精度要求、現(xiàn)場條件、敏捷度要求等來選擇。3-4有一電阻應變片（見圖3-84），其敏捷度Sg＝2，R＝120。設工作時其應變成1000問R＝？設將此應變片接成以以以下圖的電路，試求：1）無應變時電流表示值；2）有應變時電流表示值；3）電流表指示值相對變化量；4）試剖析這個變量能否從表中讀出？

，

圖3-84題3-4圖

解：依據(jù)應變效應表達式R/R=Sg得

R=SgR=2100010-6

1）I1

2）I2

3）=(I2-I1)/I1100%=0.2%

4）電流變化量太小，很難從電流表中讀出。假如采納高敏捷度小量程的微安表，則量

程不夠，沒法丈量的電流；假如采納毫安表，沒法分辨的電流變化。一般需要電橋來丈量，將無應變時的靈位電流均衡掉，只取有應變時的微小輸出量，并可依據(jù)需要采納放大器放大。

3-5電感傳感器（自感型）的敏捷度與哪些要素相關？要提升敏捷度可采納哪些措施？采納這些措施會帶來什么樣結果？

解答：以氣隙變化式為例進行剖析。

又因為線圈阻抗Z=L，因此敏捷度又可寫成

由上式可見，敏捷度與磁路橫截面積A0、線圈匝數(shù)N、電源角頻率、鐵芯磁導率0，氣隙等相關。

假如加大磁路橫截面積A0、線圈匝數(shù)N、電源角頻率、鐵芯磁導率0，減吝嗇隙，都可提升敏捷度。

加大磁路橫截面積A0、線圈匝數(shù)N會增大傳感器尺寸，重量增添，并影響到動向特色；減吝嗇隙會增大非線性。

3-6電容式、電感式、電阻應變式傳感器的丈量電路有何異同？舉例說明。

解答：電容式傳感器的丈量電路

自感型變磁阻式電感傳感器的丈量電路：

電阻應變式傳感器的丈量電路：電橋電路（直流電橋和交流電橋）。

同樣點：都可使用電橋電路，都可輸出調(diào)幅波。電容、電感式傳感器都可使用調(diào)幅電路、調(diào)頻電路等。

不同樣點：電阻應變式傳感器可以使用直流電橋電路，而電容式、電感式則不可以。其余電容式、電感式傳感器丈量電路種類眾多。

3-7一個電容測微儀，其傳感器的圓形極板半徑r＝4mm，工作初始縫隙，問：1）工作時，假如傳感器與工件的縫隙變化量＝1m時，電容變化量是多少？2）假如丈量電路的敏捷度S12=100mV/pF，讀數(shù)儀表的敏捷度S=5格/mV，在＝1m時，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？解：1）2）B=S1S2-3)格答：3-8把一個變阻器式傳感器按圖3-85接線。它的輸人量是什么？輸出量是什么？在什么樣條件下它的輸出量與輸人量之間有較好的線性關系？

uoRLxRxxpRpue圖3-85題3-8圖解答：輸入量是電刷相對電阻元件的位移x，輸出量為電刷到端點電阻Rx。假如接入分壓式丈量電路，則輸出量可以以為是電壓uo。RxxRpklxx，輸出電阻與輸入位移成線性關系。xpuexueuoxp，輸出電壓與輸入位移成非線性關系。xpRpxRpxx)(1)1(1xRLxpRLxpxp由上式可見，只有當Rp/RL0時，才有uoxuex。因此要求后續(xù)丈量儀表的輸入xp阻抗RL要遠大于變阻器式傳感器的電阻Rp，只有這樣才能使輸出電壓和輸入位移有較好的

線性關系。

3-9試按接觸式與非接觸式區(qū)分傳感器，列出它們的名稱、變換原理，用在哪處？

解答：接觸式：變阻器式、電阻應變式、電感式（渦流式除外）、電容式、磁電式、壓電式、熱電式、廣線式、熱敏電阻、氣敏、濕敏等傳感器。

非接觸式：渦電流式、光電式、熱釋電式、霍爾式、固態(tài)圖像傳感器等。

可以實現(xiàn)非接觸丈量的是：電容式、光纖式等傳感器。

3-10欲丈量液體壓力，擬采納電容式、電感式、電阻應變式和壓電式傳感器，請繪出可行方案原理圖，并作比較。

3-11一壓電式壓力傳感器的敏捷度S=90pC/MPa，把它和一臺敏捷度調(diào)到的電荷

放大器連接，放大器的輸出又接到一敏捷度已調(diào)到20mm/V的光輝示波器上記錄，試繪出

這個測試系統(tǒng)的框圖，并計算其總的敏捷度。

解：框圖以下壓力

P壓力傳感器

電荷放大器

光輝示波器各裝置串連，假如忽視負載效應，則總敏捷度S=x/P=900.00520=9mm/MPa。

S等于各裝置敏捷度相乘，即3-12光電傳感器包含哪兒各種類？各有何特色？用光電式傳感器可以丈量哪些物理量？

解答：包含利用外光電效應工作的光電傳感器、利用內(nèi)光電效應工作的光電傳感器、利用光生伏殊效應工作的光電傳感器三種。

外光電效應（亦稱光電子發(fā)射效應）—光輝照耀物體，使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象，包含光電管和光電倍增管。

內(nèi)光電效應（亦稱光導效應）—物體遇到光輝照耀時，物體的電子汲取光能是其導電性增添，電阻率降落的現(xiàn)象，有光敏電阻和由其制成的光導管。

光生伏殊效應—光輝使物體產(chǎn)生必然方向的電動勢。

如遙控器，自動門（熱釋電紅外探測器），光電鼠標器，照相機自動測光計，光度計，

光電耦合器，光電開關（計數(shù)、地點、行程開關等），濁度檢測，火災報警，光電閱讀器（如

紙帶閱讀機、條形碼讀出器、考卷自動評閱機等），光纖通訊，光纖傳感，CCD，色差，顏色標志，防盜報警，電視機中亮度自動調(diào)理，路燈、航標燈控制，光控燈座，音樂石英鐘控制（夜晚不奏樂），紅外遙感、干手器、沖水機等。

在CCD圖象傳感器、紅外成像儀、光纖傳感器、激光傳感器等中都獲得了廣泛應用。3-13何謂霍爾效應？其物理實質(zhì)是什么？用霍爾元件可測哪些物理量？請舉出三個例子說明。

解答：

霍爾（Hall）效應：金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過薄片刻，則在垂直于

電流和磁場方向的雙側面大將產(chǎn)生電位差，這類現(xiàn)象稱為霍爾效應，產(chǎn)生的電位差稱為霍爾

電勢。

霍爾效應產(chǎn)生的機理（物理實質(zhì)）：在磁場中運動的電荷遇到磁場力FL（稱為洛侖茲力）

作用，而向垂直于磁場和運動方向的方向挪動，在雙側面產(chǎn)生正、負電荷累積。

應用舉例：電流的丈量，位移丈量，磁感覺強度丈量，力丈量；計數(shù)裝置，轉(zhuǎn)速丈量（如

計程表等），流量丈量，地點檢測與控制，電子點火器，制做霍爾電機—無刷電機等。

3-14試說明壓電式加快度計、超聲換能器、聲發(fā)射傳感器之間的異同點。

解答：同樣點：都是利用資料的壓電效應（正壓電效應或逆壓電效應）。

不同樣點：壓電式加快度計利用正壓電效應，經(jīng)過慣性質(zhì)量快將振動加快度變換成力作用

于壓電元件，產(chǎn)生電荷。

超聲波換能器用于電能和機械能的互相變換。

用于沖刷、焊接等。

利用正、逆壓電效應。利用逆壓電效應可聲發(fā)射傳感器是基于晶體組件的壓電效應，將聲發(fā)射波所引起的被檢件表面振動變換成電壓信號的換能設備，全部又常被人們稱為聲發(fā)射換能器也許聲發(fā)射探頭。

資料結構受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生位錯-滑移-微裂紋形成-裂紋擴展-斷裂，以彈性波的形式開釋出應變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。

聲發(fā)射傳感器不同樣于加快度傳感器，它受應力波作用時靠壓電晶片自己的諧振變形把被檢試件表面振動物理量轉(zhuǎn)變成電量輸出。

3-15有一批渦輪機葉片，需要檢測能否有裂紋，請舉出兩種以上方法，并說明所用傳感器的工作原理。

渦電流傳感器，紅外輻射溫度丈量，聲發(fā)射傳感器（壓電式）等。

3-16說明用光纖傳感器丈量壓力和位移的工作原理，指出其不同樣點。

解答：

微彎測壓力原理：力微彎板光纖變形光纖傳達的光強變化。

微彎測位移原理：位移微彎板光纖變形光纖傳達的光強變化。

不同樣點：壓力需要彈性敏感元件變換成位移。

3-17說明紅外遙感器的檢測原理。為何在空間技術中有廣泛應用？舉出實例說明。

解答：紅外遙感就是遠距離檢測被測目標的紅外輻射能量。空間技術中利用飛船、航天飛機、

衛(wèi)星等攜帶的紅外遙感儀器可以實現(xiàn)很多對地、對空察看任務。如察看星系，利用衛(wèi)星遙測

技術研究地殼斷層分布、商討地震先兆，衛(wèi)星海洋察看等。

3-18試說明固態(tài)圖像傳感器（CCD器件）的成像原理，如何實現(xiàn)光信息的變換、儲蓄和傳

輸過程，在工程測試中有何應用？

CCD固態(tài)圖像傳感器的成像原理：MOS光敏元件或光敏二極管等將光信息變換成電荷

儲蓄在CCD的MOS電容中，此后再控制信號的控制下將MOS電容中的光生電荷轉(zhuǎn)移出來。

應用：如冶金部門中各種管、線、帶材軋制過程中的尺寸丈量，光纖及纖維制造中的絲徑丈量，產(chǎn)品分類，產(chǎn)品表面質(zhì)量評定，文字與圖象鑒別，傳真，空間遙感，光譜丈量等。

3-19在軋鋼過程中，需監(jiān)測薄板的厚度，宜采納那種傳感器？說明其原理。

解答：差動變壓器、渦電流式、光電式，射線式傳感器等。

3-20試說明激光測長、激光測振的丈量原理。

解答：利用激光干涉丈量技術。

3-21采納傳感器的基根源則是什么？試舉一例說明。

解答：敏捷度、響應特色、線性范圍、靠譜性、精確度、丈量方法、體積、重量、價格等各方面綜合考慮。

第四章信號的調(diào)理與記錄

4-1以阻值R=120、敏捷度Sg=2的電阻絲應變片與阻值為120的固定電阻構成電橋，供橋

電壓為3V，并假定負載電阻為無量大，當應變片的應變成2和2000時，分別求出單臂、

雙臂電橋的輸出電壓，并比較兩種狀況下的敏捷度。

解：這是一個等臂電橋，可以利用等比電橋和差特色表達式求解。=2時：單臂輸出電壓：Uo1RSgUe122104Ue4R雙臂輸出電壓：Uo1RUeSgUe122102R2=2000時：

6

6

33106V3μV36106V6μV單臂輸出電壓：Uo1RUeSgUe122000104R4雙臂輸出電壓：Uo1RUeSUe122000102Rg2

6

6

33103V3mV36103V6mV雙臂電橋較單臂電橋敏捷度提升1倍。

4-2有人在使用電阻應變儀時，發(fā)現(xiàn)敏捷度不夠，于是試圖在工作電橋上增添電阻應變片數(shù)以提升敏捷度。試問，在以下狀況下，能否可提升敏捷度？說明為何？

1）半橋雙臂各串連一片；

2）半橋雙臂各并聯(lián)一片。解答：電橋的電壓敏捷度為SUo，即電橋的輸出電壓UoSR和電阻的相對變化R/RR

成正比。由此可知：

1）半橋雙臂各串連一片，固然橋臂上的電阻變化增添1倍，但橋臂總電阻也增添1倍，其電阻的相對變化沒有增添，因此輸出電壓沒有增添，故此法不可以提升敏捷度；

2）半橋雙臂各并聯(lián)一片，橋臂上的等效電阻變化和等效總電阻都降低了一半，電阻的相對變化也沒有增添，故此法也不可以提升敏捷度。

4-3為何在動向應變儀上除了設有電阻均衡旋鈕外，還設有電容均衡旋鈕

解答：動向電阻應變儀采納高頻交流電給電橋供電，電橋工作在交流狀態(tài)，電橋的均衡條件

為

Z1Z3=Z2Z4|Z1||Z3|=|Z2||Z4|，13=24

因為導線分布、各種寄生電容、電感等的存在，光有電阻均衡是不可以實現(xiàn)阻抗模和阻抗角同時達到均衡，只有使用電阻、電容兩套均衡裝置頻頻調(diào)理才能實現(xiàn)電橋阻抗模和阻抗角同時達到均衡。

4-4用電阻應變片接成全橋，丈量某一構件的應變，已知其變化規(guī)律為

(t)=Acos10t+Bcos100t

假如電橋激勵電壓u0=Esin10000t，試求此電橋的輸出信號頻譜。

解：接成等臂全橋，設應變片的敏捷度為Sg，依據(jù)等臂電橋加減特色獲得幅頻圖為

An(f)SgEASgEB2SgEB

22

990099901001010100f

4-5已知調(diào)幅波xa(t)=(100+30cost+20cos3t)cosct，此中fc=10kHz，f=500Hz。試求：

1）xa(t)所包含的各重量的頻率及幅值；

2）繪出調(diào)制信號與調(diào)幅波的頻譜。

解：1）xact+15cos(c-)t+15cos(c+)t+10cos(c-3)t+10cos(c(t)=100cos+3)t各頻率重量的頻率/幅值分別為：10000Hz/100，9500Hz/15，10500Hz/15，8500Hz/10，11500Hz/10。2）調(diào)制信號x(t)=100+30cost+20cos3t，各重量頻率/幅值分別為：0Hz/100，500Hz/30，1500Hz/20。調(diào)制信號與調(diào)幅波的頻譜以以以下圖。An(f)nA(f)100100

30151520101001500f85009500100001050011500f調(diào)制信號頻譜調(diào)幅波頻譜4-6調(diào)幅波能否可以看作是載波與調(diào)制信號的迭加？為何？

解答：不可以。因為調(diào)幅波是載波幅值隨調(diào)制信號大小成正比變化，只有相乘才能實現(xiàn)。

4-7試從調(diào)幅原理說明，為何某動向應變儀的電橋激勵電壓頻率為10kHz，而工作頻率為0~1500Hz？解答：為了不產(chǎn)生混疊，以及解調(diào)時可以有效地濾掉高頻成分，要求載波頻率為5~10倍調(diào)制信號頻率。動向應變儀的電橋激勵電壓為載波，頻率為10kHz，因此工作頻率（即贊成的調(diào)制信號最高頻率）為0~1500Hz是合理的。4-8什么是濾波器的分辨力？與哪些要素相關？解答：濾波器的分辨力是指濾波器分辨相鄰頻率成分的能力。與濾波器帶寬B、質(zhì)量因數(shù)Q、倍頻程選擇性、濾波器因數(shù)等相關。帶寬越小、質(zhì)量因數(shù)越大、倍頻程選擇性越小、濾波器因數(shù)越小，分辨力越高。4-9設一帶通濾器的下截止頻率為f，上截止頻率為fc2，中心頻率為f，試指出以下記述中c10的正確與錯誤。1）倍頻程濾波器fc22fc1。2）f0fc1fc2。3）濾波器的截止頻率就是此通頻帶的幅值-3dB處的頻率。4）下限頻率同樣時，倍頻程濾波器的中心頻率是1/3倍頻程濾波器的中心頻率的32倍。

解答：1）錯誤。倍頻程濾波器n=1，正確的選項是fc2=21fc1=2fc1。

2）正確。

3）正確。

4）正確。

4-10已知某RC低通濾波器，R=1k，C=1F，試；

1）確立各函數(shù)式H(s)；H( )；A( )；( )。

2）當輸入信號ui=10sin1000t時，求輸出信號uo，并比較其幅值及相位關系。

解：

R

ui(t)

i(t)

Cuo(t)

一階RC低通濾波器

111）H(s)，H( )s11j=RC=100010-6因此11H(s)，H( )

A( )1，( )(0.001)212）ui=10sin1000t時，=1000rad/s，因此

uo10A(1000)sin[1000t(1000)]52sin(1000t)（穩(wěn)態(tài)輸出）4相對輸入ui，輸出幅值衰減為52（衰減了-3dB），相位滯后。44-11已知低通濾波器的頻率響應函數(shù)式中。當輸入信號x(t)=0.5cos(10t)+0.2cos(100t-45)時，求其輸出y(t)，并比較y(t)與x(t)的幅值與相位有何差別。解：A( )1，( )arctan( )21A(10)1，(10)arctan(0.0510)10)211A(100)，(100)arctan(0.05100)1(0.05100)2

y(t)=0.5A(10)cos[10t+(10)]+0.2A(100)cos[100t-45+(100)]

=0.447cos(10t-26.6)+0.039cos(100t-123.7)

比較：輸出相對輸入，幅值衰減，相位滯后。頻率越高，幅值衰減越大，相位滯后越大。

4-12若將高、低通網(wǎng)絡直接串連（見圖4-46），問能否能構成帶通濾波器？請寫出網(wǎng)絡的傳達函數(shù)，并剖析其幅、相頻率特色。

C1R2

u(t)12u(t)iRCo

圖4-46題4-12圖解：H(s)1s12s2(123)s11=R1C1，2=R2C2，3=R1C2

A(0)=0，(0)=/2；A( )=0，( )=-/2，可以構成帶通濾波器，以以以下圖所示。

BodeDiagram

0

)-10d(ed-20utin-30gaM-40-5090)ge45d(es0ahP-45-90110010110210310410Frequency(rad/sec)4-13一個磁電指示機構和內(nèi)阻為Ri的信號源相連，其轉(zhuǎn)角和信號源電壓Ui的關系可用二階微分方程來描述，即設此中動圈零件的轉(zhuǎn)動慣量I為-5kgm2，彈簧剛度r為10-3Nmrad-1，線圈匝數(shù)n為100，線圈橫截面積A為10-4m2，線圈內(nèi)阻R1為75，磁通密度B為150Wbm-1和信號內(nèi)阻Ri為125；1）試求該系統(tǒng)的靜態(tài)敏捷度（radV-1）。2）為了獲得的阻尼比，必然把多大的電阻附帶在電路中？改進后系統(tǒng)的敏捷度為多少？

nAB(s)r(RiR1)解：1）H(s)InABUi(s)2s2sr(Ris1rR1)

nABrr(RiR1)IKn2rnABrs22ns2nIr(RiR1)sI

式中：n

r1nABnABI，(RiR1)，K2Irr(RiR1)

nAB靜態(tài)敏捷度：Kr(RiR1)

1nAB阻尼比：2Ir(RiR1)

1001041501103(12575)11001041501051032(12575)

固有角頻率：n

r1020radgs1I52）設需串連的電阻為R，則

7500解得：R改進后系統(tǒng)的敏捷度：KnAB1001041501r(RRR)103(125756576.3)gi1

第五章信號辦理初步

5-1求h(t)的自相關函數(shù)。

解：這是一種能量有限的確定性信號，因此

5-2假定有一個信號x(t)，它由兩個頻率、相角均不相等的余弦函數(shù)疊加而成，其數(shù)學表達式為

x(t)=A1cos(1t+1)+A2cos(2t+2)

求該信號的自相關函數(shù)。

解：設x1(t)=A1cos(1t+1)；x2(t)=A2cos(2t+2)，則

因為12，因此Rxx( )0，Rxx( )0。1221又因為x1(t)和x2(t)為周期信號，因此同理可求得Rx( )A22cos(2)12因此Rx()Rx( )Rx( )A12cos(1)A22cos(2)12225-3求方波和正弦波（見圖5-24）的互相關函數(shù)。x(t)1sin(t)

0Tt-1

y(t)

1

0t

-1

圖5-24題5-3圖

解法1：按方波分段積分直接計算。

解法2：將方波y(t)張開成三角級數(shù)，其基波與x(t)同頻相關，而三次以上諧波與x(t)不同樣頻

不相關，不用計算，因此只需計算y(t)的基波與x(t)的互相關函數(shù)即可。

1Tx(t)y(t)dt1Tt)