傳感器原理與應用課后答案(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 應。壓電效應縱向壓電效應和橫向壓電效應。壓電材料有：石英晶體、一系列單晶硅、多晶陶瓷、有機高分子聚合材料。結構和應用特點： 在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構成一個壓電組件。其中最常用的是兩片結構；根據兩片壓電芯片的連接關系，可分為串聯和并聯連接，常用的是并聯連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。使用時，兩片壓電芯片上必須有一定的預緊力，以保證壓電組件在工作中始終受到壓力作用，同時可消除兩片壓電芯片因接觸不良而引起的非線性誤差，保證輸出信號與輸入作用力間的線性關系,因此需要測量電路具有無限大的輸入阻抗。但實際上這是不可能的，所以壓電傳感器不宜作靜態測量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補充，并給測量電路一定的電流。故壓電傳感器只能作動態測量。、Y、Z軸的名稱是什么？有哪些特征？解：電軸：X軸穿過六棱柱的棱線，在垂直于此軸的面上壓電效應最強； 機械軸：Y軸垂直六棱柱面。在電場作用下，沿該軸方向的機械變形最明顯； 光軸：Z軸晶體上、下晶錐項點連線重合，也叫中性軸，光線沿該軸通過時，無折射及壓電效應。當晶體受到沿X方向的壓力作用時，晶體沿X方向將產生收縮，正、負離子相對位置隨之發生變化。則在X軸的正向出現正電荷，在Y、Z軸方向則不出現電荷。當晶體受到沿X方向的拉力作用時，則在X軸的正向出現負電荷，在Y、Z方向則不出現電荷。當石英晶體受到沿Y軸方向的壓力作用時，在X軸正方向的晶體表面上出現負電荷。同樣，在垂直于Y軸和Z軸的晶體表面上不出現電荷。當晶體受到沿Z軸方向的力（無論是壓力或拉力）作用時，因為晶體在X方向和Y方向的變形相同，正、負電荷中心始終保持重合，電偶極矩在X、Y方向的分量等于零。所以，沿光軸方向施加力，石英晶體不會產生壓電效應。，作為壓電元件比較他與石英晶體有哪些特點？解：石英晶體整個晶體是中性的，受外力作用而變形時，沒有體積變形壓電效應，但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。壓電陶瓷是一種多晶體。原始的壓電陶瓷材料并不具有壓電性，必須在一定溫度下做極化處理，才能使其呈現出壓電性。所謂極化，就是以強電場使“電疇”規則排列，而電疇在極化電場除去后基本保持不變，留下了很強的剩余極化。當極化后的壓電陶瓷受到外力作用時，其剩余極化強度將隨之發生變化，從而使一定表面分別產生正負電荷。在極化方向上壓電效應最明顯。壓電陶瓷的參數也會隨時間發生變化老化，壓電陶瓷老化將使壓電效應減弱。，各自要解決什么問題？解：傳感器與電壓放大器連接的電路其輸出電壓與壓電元件的輸出電壓成正比，但容易受電纜電容的影響。傳感器與電荷放大器連接的電路其輸出電壓與壓電元件的輸出電荷成正比，電纜電容的影響小。，已知，加速度計靈敏度為5pC/g；電荷放大器靈敏度為50mV/pC，最大加速度時輸出幅值2V，試求機器振動加速度。解：？解：如作用在壓電組件上的力是靜態力，則電荷會泄露，無法進行測量。所以壓電傳感器通常都用來測量動態或瞬態參量。？為什么？解：基本考慮點是如何更好的改變傳感器的頻率特性，以使傳感器能用于更廣泛的領域。?其核心是解決什么問題? 解：壓電式傳感器的產生的電量非常小，內阻很高。測量電路的作用是進行阻抗變換和放大，即要求測量電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，通常用高輸入阻抗運放。其核心是要解決微弱信號的轉換與放大，得到足夠強的輸出信號。 ＝10pC／MPa，連接靈敏度K2=／pC的電放大器，所用的筆式記錄儀的靈敏度K3=25mm／V，當壓力變化Δp=8MPa時，記錄筆在記錄紙上的偏移為多少?解：記錄筆在記錄紙上的偏移為S=10258=16mm，測量回路的總電容為100pF，試求用壓電式加速度計相配測量1Hz低頻振動時產生的幅值誤差。解：壓電式傳感器的實際輸入電壓幅值和理想輸入電壓幅值分別為：，時間常數：，相對誤差為：=%，要求在1Hz時靈敏度下降不超過5%，若測量回路的總電容為500pF，求所用電壓前置放大器的輸入電阻應為多大。解： 計算得：=，其無阻尼固有頻率f0=32kHz，若要求傳感器的輸出幅值誤差在5%以內，試確定傳感器的最高響應頻率。解：（取等號）解出 或（舍去）則 則 ，試述在不同接法下輸出電壓、輸出電荷、輸出電容的關系，以及每種接法適用于何種場合。解：1）在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構成一個壓電組件。其中最常用的是兩片結構；根據兩片壓電片的連接關系，可分為串聯和并聯連接。 2）如果按相同極性粘貼，相當兩個壓電片（電容）串聯。輸出總電容為單片電容的一半，輸出電荷與單片電荷相等，輸出電壓是單片的兩倍；適合測量變化較快且以電壓輸出的場合；若按不同極性粘貼，相當兩個壓電片（電容）并聯，輸出電容為單電容的兩倍，極板上電荷量是單片的兩倍，但輸出電壓與單片相等，適合測量變化較慢且以電荷輸出的場合。第六章 磁電式傳感器思考題與習題答案？解：磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。磁電感應式傳感器也稱為電動式傳感器或感應式傳感器。磁電感應式傳感器是利用導體和磁場發生相對運動產生電動式的，它不需要輔助電源就能把被測對象的機械量轉換成易于測量的電信號，是有源傳感器。？可以檢測哪些非電量？解：變磁阻式傳感器的三種基本類型，電感式傳感器、變壓器式傳感器和電渦流式傳感器。變磁阻式傳感器可以用于測量位移和尺寸，也可以測量能夠轉換為位移量的其他參數力、張力、壓力、壓差、應變、轉短、速度和加速度等。，它如何通過測量電路獲得相對應的位移和加速度信號？解：磁電式傳感器的工作原理是基于電磁感應定律，它的輸出電動勢信號和切割磁力線的速度成正比，常做成測量速度的傳感器，所以也稱速度傳感器。只要在測量電路中加上微分電路或積分電路即可得到加速度或位移信號。？磁電式傳感器主要用于測量哪些物理參數？解：磁敏式傳感器是通過磁電作用將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。磁電感應式傳感器也稱為電動式傳感器或感應式傳感器。磁電感應式傳感器是利用導體和磁場發生相對運動產生電動式的，它不需要輔助電源就能把被測對象的機械量轉換成易于測量的電信號，是有源傳感器。 電感式傳感器是利用電磁感應原理將被測非電量如位移、壓力、流量、重量、振動等轉換成線圈自感量L或互感量M的變化，再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出的裝置。解：霍爾式位移傳感器的輸出電動勢，在一定范圍內，由于dB/dx=常數，則dUH/dx=KHIdB/dx=常數，所以UH正比于位移x。？霍爾元件的不等位電勢的概念是什么？溫度補償的方法有哪幾種？解：霍爾元件可測量磁場、電流、位移、壓力、振動、轉速等。 霍爾元件的不等位電勢是霍爾元件在額定控制電流作用下，在無外加磁場時，兩輸出電極之間的空載電勢，可用輸出的電壓表示。 溫度補償方法：a分流電阻法：適用于恒流源供給控制電流的情況。b電橋補償法 、構成以及霍爾傳感器可能的應用場合。解：一塊長為l、寬為d的半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場（磁場方向垂直于薄片）中，當有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢UH。這種現象稱為霍爾效應。霍爾元件多用N型半導體材料構成，且比較薄。 霍爾式傳感器轉換效率較低，受溫度影響大，但其結構簡單、體積小、堅固、頻率響應寬、動態范圍（輸出電勢變化）大、無觸點，使用壽命長、可靠性高、易微型化和集成電路化，因此在測量技術、自動控制、電磁測量、計算裝置以及現代軍事技術等領域中得到廣泛應用。 ？霍爾電勢的大小與方向和哪些因素有關？影響霍爾電勢的因素有哪些？解：當把一塊金屬或半導體薄片垂直放在磁感應強度為B的磁場中，沿著垂直于磁場方向通過電流，就會在薄片的另一對側面間產生電動勢UH，這種現象稱為霍爾效應，所產生的電動勢稱為霍爾電動勢。霍爾電動勢的大小正比于激勵電流Ic與磁感應強度B，且當Ic或B的方向改變時，霍爾電動勢UH的方向也隨著改變，但當Ic和的B方向同時改變時霍爾電動勢UH極性不變。影響因素：電流的大小，載流子濃度，電子速度，薄片面積。，能否便用霍爾元件，為什么?解：不能，因為霍爾元件是根據霍爾效應的原理制作的，而霍爾效應：在置于磁場的導體或半導體中通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現一個電勢差