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第1章 概述 1.1 什么是傳感器？按照國標(biāo)定義，“傳感器”應(yīng)該如何說明含義？ 1.2 傳感器由哪幾部分組成？試述它們的作用及相互關(guān)系。 1.3 簡述傳感器主要發(fā)展趨勢，并說明現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的特征。 1.4 傳感器如何分類？按傳感器檢測的范疇可分為哪幾種？ 1.5 傳感器的圖形符號如何表示？它們各部分代表什么含義？應(yīng)注意哪些問題？ 1.6 用圖形符號表示一電阻式溫度傳感器。 1.7 請例舉出兩個你用到或看到的傳感器，并說明其作用。如果沒有傳感器，應(yīng)該出現(xiàn)哪種狀況。 1.8 空調(diào)和電冰箱中采用了哪些傳感器？它們分別起到什么作用？ 答案 1.1答： 從廣義的角度來說，感知信號檢出器件和信號處理部分總稱為傳感器。我們對傳感器定義是：一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件和裝置。從狹義角度對傳感器定義是：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件。 我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—87）對傳感器（Sensor/transducer）的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置”。定義表明傳感器有這樣三層含義：它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的一種檢測裝置；能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成電信號輸出；傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關(guān)系。按使用的場合不同傳感器又稱為變換器、換能器、探測器。 1.2答： 組成——由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路組成； 關(guān)系，作用——傳感器處于研究對象與測試系統(tǒng)的接口位置，即檢測與控制之首。傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動化生產(chǎn)過程要獲取的信息都要通過傳感器獲取并通過它轉(zhuǎn)換成容易傳輸與處理的電信號，其作用與地位特別重要。 1.3答：（略） 1.4答： 按照我國制定的傳感器分類體系表，傳感器分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器以及生物量傳感器三大類，含12個小類。按傳感器的檢測對象可分為：力學(xué)量、熱學(xué)量、流體量、光學(xué)量、電量、磁學(xué)量、聲學(xué)量、化學(xué)量、生物量、機(jī)器人等等。 1.5 答： 圖形符號（略），各部分含義如下： ①敏感元件：指傳感器中直接感受被測量的部分。 ②傳感器：能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 ③信號調(diào)理器：對于輸入和輸出信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換的 裝置。 ④變送器：能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器 1.6答：（略） 1.7答：（略） 1.8答：（略） 第2章 傳感器的基本特性 2.1傳感器的靜態(tài)特性是什么？由哪些性能指標(biāo)描述？它們一般可用哪些公式表示？ 2.2傳感器的線性度是如何確定的？確定擬合直線有哪些方法？傳感器的線性度表征了什么含義？為什么不能籠統(tǒng)的說傳感器的線性度是多少。 2.3傳感器動態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？它們的意義是什么？ 2.4傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)的定義是什么？它們之間有何聯(lián)系與區(qū)別？ 2.5有一溫度傳感器，微分方程為，其中為輸出電壓（mV) , 為輸入溫度（℃）。試求該傳感器的時間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度。 2.6有一溫度傳感器，當(dāng)被測介質(zhì)溫度為t1，測溫傳感器顯示溫度為t2時，可用下列方程表示：。當(dāng)被測介質(zhì)溫度從25℃突然變化到300℃時，測溫傳感器的時間常數(shù)τ0 =120s，試求經(jīng)過350s后該傳感器的動態(tài)誤差。 2.7某力傳感器屬二階傳感器，固有頻率為l000Hz，阻尼比為0.7，試求用它測量頻率為600Hz的正弦交變力時的振幅相對誤差和相位誤差。 2.8已知某二階傳感器系統(tǒng)的固有頻率為20kHz，阻尼比為0.1，若要求傳感器的輸出幅值誤差不大于3%，試確定該傳感器的工作頻率范圍。 2.9設(shè)有兩只力傳感器均可作為二階系統(tǒng)處理，固有頻率分別為800Hz和2.2kHz，阻尼比均為0.4，欲測量頻率為400Hz正弦變化的外力，應(yīng)選用哪一只？并計算所產(chǎn)生的振幅相對誤差和相位誤差。 答案 2.1答： 靜特性是當(dāng)輸入量為常數(shù)或變化極慢時，傳感器的輸入輸出特性，其主要指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、各種抗干擾穩(wěn)定性。傳感器的靜特性由靜特性曲線反映出來，靜特性曲線由實際測繪中獲得。人們根據(jù)傳感器的靜特性來選擇合適的傳感器。 2.2答： 1）實際傳感器有非線性存在，線性度是將近似后的擬合直線與實際曲線進(jìn)行比較，其中存在偏差，這個最大偏差稱為傳感器的非線性誤差，即線性度， 2）選取擬合的方法很多，主要有：理論線性度(理論擬合)；端基線性度(端點連線擬合)；獨立線性度(端點平移擬合)；最小二乘法線性度。 3）線性度是表征實際特性與擬合直線不吻合的參數(shù)。 4）傳感器的非線性誤差是以一條理想直線作基準(zhǔn)，即使是同一傳感器基準(zhǔn)不同時得出的線性度也不同，所以不能籠統(tǒng)地提出線性度, 當(dāng)提出線性度的非線性誤差時，必須說明所依據(jù)的基準(zhǔn)直線。 2.3答： 1）傳感器動態(tài)特性主要有：時間常數(shù)τ；固有頻率；阻尼系數(shù)。 2）含義：τ越小系統(tǒng)需要達(dá)到穩(wěn)定的時間越少；固有頻率越高響應(yīng)曲線上升越快；當(dāng)為常數(shù)時響應(yīng)特性取決于阻尼比，阻尼系數(shù)越大，過沖現(xiàn)象減弱，時無過沖，不存在振蕩，阻尼比直接影響過沖量和振蕩次數(shù)。 2.4答：（略） 2.5解： 對微分方程兩邊進(jìn)行拉氏變換，Y(s)(30s+3)=0.15X(s) 則該傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 該傳感器的時間常數(shù)τ=10，靈敏度k=0.05 2.6解： 動態(tài)誤差由穩(wěn)態(tài)誤差和暫態(tài)誤差組成。先求穩(wěn)態(tài)誤差： 對方程兩邊去拉氏變換得： 則傳遞函數(shù)為 對于一階系統(tǒng)，階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差，再求暫態(tài)誤差： 當(dāng)t=350s時，暫態(tài)誤差為 故所求動態(tài)誤差為： 2.7解：所求幅值誤差為0.947,相位滯后5270′ 則，頻率為600Hz時的幅值為 相對誤差為 （1-0.947）100%=5.3% 2.8解： 令， 則 解得 代入上式，得 令，則 解得 代入上式，得 由圖2-18二階傳感器系統(tǒng)的幅頻特性曲線知，該傳感器的工作頻率范圍為： 或 2.9解：ξ=0.4＜1，由二階傳感器的頻率特性，固有頻率比被測信號頻率越大越好，故應(yīng)選固有頻率為2.2kHz的那只。 相對誤差為（1-0.940）100%=6.0% 故相位滯后833′。 第3章 電阻應(yīng)變式傳感器 3.1 何為電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？ 3.2 什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與金屬電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？ 3.3 為什么增加應(yīng)變片兩端電阻條的橫截面積便能減小橫向效應(yīng)？ 3.4 金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何不同？半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少，金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少？為什么有這種差別，說明其優(yōu)缺點。舉例說明金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的相同點和不同點。 3.5 一應(yīng)變片的電阻R=120Ω，靈敏系數(shù)k=2.05，用作應(yīng)變?yōu)榈膫鞲性? 求：①和；② 若電源電壓U=3V，初始平衡時電橋的輸出電壓U0。 3.6 在以鋼為材料的實心圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120Ω的金屬應(yīng)變片R1和R2（如圖3-28a所示），把這兩應(yīng)變片接入電橋（見圖3-28b）。若鋼的泊松系數(shù)，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k =2，電橋電源電壓U=2V，當(dāng)試件受軸向拉伸時，測得應(yīng)變片R1的電阻變化值。試求：①軸向應(yīng)變；②電橋的輸出電壓。 圖3-29 3.7 一測量吊車起吊重物的拉力傳感器如圖3-29a所示。R1、R2、R3、R4按要求貼在等截面軸上。已知:等截面軸的截面積為0.00196m2，彈性模量E=21011N/m2，泊松比，且R1=R2=R3=R4=120Ω, 所組成的全橋型電路如題圖3-29b所示，供橋電壓U=2V?，F(xiàn)測得輸出電壓U0=2.6mV。求：①等截面軸的縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變?yōu)槎嗌伲竣诹為多少？ 圖3-28 3.8 已知：有四個性能完全相同的金屬絲應(yīng)變片（應(yīng)變靈敏系數(shù)）, 將其粘貼在梁式測力彈性元件上，如圖3-30所示。在距梁端處應(yīng)變計算公式為 設(shè)力，，，，。求： 圖 3-30 ①說明是一種什么形式的梁。在梁式測力彈性元件距梁端處畫出四個應(yīng)變片粘貼位置，并畫出相應(yīng)的測量橋路原理圖；②求出各應(yīng)變片電阻相對變化量；③當(dāng)橋路電源電壓為6V時，負(fù)載電阻為無窮大，求橋路輸出電壓U0是多少？ 3.9 圖3-31為一直流電橋，負(fù)載電阻RL趨于無窮。圖中E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，試求：① R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)R1的增量為ΔR1=1.2Ω時，電橋輸出電壓U0=? ② R1、R2為金屬應(yīng)變片，感應(yīng)應(yīng)變大小變化相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓U0=? ③ R1、R2為金屬應(yīng)變片，如果感應(yīng)應(yīng)變大小相反，且ΔR1=ΔR2 =1.2Ω，電橋輸出電壓U0=? 答案 3.1 答： 導(dǎo)體在受到拉力或壓力的外界力作用時，會產(chǎn)生機(jī)械變形，同時機(jī)械變形會引起導(dǎo)體阻值的變化，這種導(dǎo)體材料因變形而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 當(dāng)外力作用時，導(dǎo)體的電阻率、長度、截面積都會發(fā)生變化，從而引起電阻值的變化，通過測量電阻值的變化，檢測出外界作用力的大小。 3.2答： 金屬絲靈敏系數(shù)主要由材料的幾何尺寸決定的。受力后材料的幾何尺寸變化為，電阻率的變化為。而實際應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)包括基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng)。雖然長度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，金屬絲做成成品的應(yīng)變片（粘貼到試件上）以后，靈敏系數(shù)降低了。 3.3答： 敏感柵越窄，基長越長的應(yīng)變片，橫向效應(yīng)越小，因為結(jié)構(gòu)上兩端電阻條的橫截面積大的應(yīng)變片橫向效應(yīng)較小。 3.4答： 金屬導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化是利用機(jī)械形變產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)，對于半導(dǎo)體而言，應(yīng)變傳感器主要是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。金屬電阻絲的靈敏系數(shù)可近似寫為 ，即；半導(dǎo)體靈敏系數(shù)近似為 ≈50～100。 3.5解： 3.6解1： 1） 則軸向應(yīng)變?yōu)椋? 2）電橋的輸出電壓為： 解2： 3.7解： 3.8解： ①梁為一種等截面懸臂梁；應(yīng)變片沿梁的方向上下平行各粘貼兩個； ② ③ 3.9解: ① ② ③ 第4章 電容式傳感器 4.1 如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？ 4.2 為什么高頻工作時的電容式傳感器連接電纜的長度不能任意變化？ 4.3 差動式變極距型電容傳感器，若初始容量，初始距離，當(dāng)動極板相對于定極板位移了時，試計算其非線性誤差。若改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大？ 4.4 電容式傳感器有哪幾類測量電路？各有什么特點？差動脈沖寬度調(diào)制電路用于電容傳感器測量電路具有什么特點？ 4.5 一平板式電容位移傳感器如圖4-5所示，已知：極板尺寸，極板間隙，極板間介質(zhì)為空氣。求該傳感器靜態(tài)靈敏度；若極板沿方向移動，求此時電容量。 4.6 已知：圓盤形電容極板直徑，間距，在電極間置一塊厚的云母片（），空氣（）。求：①無云母片及有云母片兩種情況下電容值及是多少？②當(dāng)間距變化時，電容相對變化量及是多少？ 4.7 壓差傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-30a所示，傳感器接入二極管雙T型電路，電路原理示意圖如圖4-30b所示。已知電源電壓UE =10V，頻率f = 1MHz，R1=R2=40kΩ，壓差電容C1=C2=10pF，RL=20kΩ。試分析，當(dāng)壓力傳感器有壓差PH＞PL使電容變化ΔC=1pF時，一個周期內(nèi)負(fù)載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓URL平均值的大小與方向。 a) b) 圖4-30 答案 4.1答： 非線性隨相對位移的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對位移的大?。黄鹗紭O距與靈敏度、線性度相矛盾，所以變極距式電容傳感器只適合小位移測量；為提高傳感器的靈敏度和改善非線性關(guān)系，變極距式電容傳感器一般采用差動結(jié)構(gòu)。 4.2答： 低頻時容抗較大，傳輸線的等效電感和電阻可忽略。而高頻時容抗減小，等效電感和電阻不可忽略，這時接在傳感器輸出端相當(dāng)于一個串聯(lián)諧振，有一個諧振頻率存在，當(dāng)工作頻率諧振頻率時，串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大，諧振對傳感器的輸出起破壞作用，使電路不能正常工作。通常工作頻率10MHz以上就要考慮電纜線等效電感的影響。 4.3解：若初始容量，初始距離，當(dāng)動極板相對于定極板位移了時，非線性誤差為： 改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差為： 4.4（略） 4.5解：對于平板式變面積型電容傳感器，它的靜態(tài)靈敏度為： 極板沿x方向相對移動2mm后的電容量為： 4.6解：1） 2）令，則 4.7解：當(dāng)時，； 由于，電壓UE的負(fù)半周占優(yōu)勢，故的方向下正上負(fù)。 第5章 電感式傳感器 5.1 何謂電感式傳感器？電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點？ 5.2 提高電感式傳感器線性度有哪些有效的方法。 5.3 說明單線圈和差動變間隙式電感傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性。 5.4 說明產(chǎn)生差動電感式傳感器零位殘余電壓的原因及減小此電壓的有效措施。 5.5 為什么螺線管式電傳感器比變間隙式電傳感器有更大的測位移范圍？ 5.6 電感式傳感器測量電路的主要任務(wù)是什么？變壓器式電橋和帶相敏整流的交流電橋在電感式傳感器測量電路中各可以發(fā)揮什么作用？采用哪種電路可以獲得理想輸出。 5.7 概述變間隙式差動變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特性，試比較單線圈和差動螺線管式電傳感器的基本特性，說明它們的性能指標(biāo)有何異同？ 5.8 差動變壓器式傳感器的測量電路有幾種類型？試述差動整流電路的組成和基本原理。為什么這類電路可以消除零點殘余電壓？ 5.9 概述差動變壓器式傳感器的應(yīng)用范圍，并說明用差動變壓器式傳感器檢測振動的基本原理。 5.10 什么叫電渦流效應(yīng)？說明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。電渦流式傳感器的基本特性有哪些？它是基于何種模型得到的？ 5.11 電渦流式傳感器可以進(jìn)行哪些物理量的檢測？能否可以測量非金屬物體，為什么？ 5.12 試用電渦流式傳感器設(shè)計一在線檢測的計數(shù)裝置，被測物體為鋼球。請畫出檢測原理框圖和電路原理框圖。 答案 5.1答： 電感式傳感器是一種機(jī)-電轉(zhuǎn)換裝置，電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的一種裝置，傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。它可以用來測量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、密度等參數(shù)。 電感式傳感器種類：自感式、渦流式、差動式、變壓式、壓磁式、感應(yīng)同步器。 工作原理：自感、互感、渦流、壓磁。 5.2答： 電感傳感器采用差動形式，轉(zhuǎn)換電路采用相敏檢波電路可有效改善線性度。 5.3（略） 5.4答： 差動變壓器式傳感器的鐵芯處于中間位置時，在零點附近總有一個最小的輸出電壓，將鐵芯處于中間位置時，最小不為零的電壓稱為零點殘余電壓。產(chǎn)生零點殘余電壓的主要原因是由于兩個次級線圈繞組電氣系數(shù)（互感 M 、電感L、內(nèi)阻R）不完全相同，幾何尺寸也不完全相同，工藝上很難保證完全一致。 為減小零點殘余電壓的影響，除工業(yè)上采取措施外，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)償：①串聯(lián)電阻；②并聯(lián)電阻、電容，消除基波分量的相位差異，減小諧波分量；③加反饋支路，初、次級間加入反饋，減小諧波分量；④相敏檢波電路對零點殘余誤差有很好的抑制作用。 5.5答： 螺線管式差動變壓器傳感器利用互感原理，結(jié)構(gòu)是：塑料骨架中間繞一個初級線圈，兩次級線圈分別在初級線圈兩邊，鐵心在骨架中間可上下移動，根據(jù)傳感器尺寸大小它可測量1~100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移。變間隙式電感傳感器是利用自感原理，銜鐵的與鐵芯之間位移（氣隙）與磁阻的關(guān)系為非線性關(guān)系，可動線性范圍很小，因此測量范圍受到限制。 5.6（略）5.7（略）5.8（略）5.9（略） 5.10答： 1）塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運(yùn)動時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。 2）形成渦流必須具備兩個條件：第一存在交變磁場；第二導(dǎo)電體處于交變磁場中。電渦流式傳感器通電后線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，金屬導(dǎo)體置于線圈附近。當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場中時，導(dǎo)體內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流，這個渦流同樣產(chǎn)生交變磁場。由于磁場的反作用使線圈的等效電感和等效阻抗發(fā)生變化，使流過線圈的電流大小、相位都發(fā)生變化。通過檢測與阻抗有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行非電量檢測。 3）因為金屬存在趨膚效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)，實際上渦流的分布是不均勻的。渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同，存在徑向分布和軸向分布。所以電渦流傳感器的檢測范圍與傳感器的尺寸（線圈直徑）有關(guān)。 4）回路方程的建立是把金屬上渦流所在范圍近似看成一個單匝短路線圈作為等效模型。 5.11答： 1）凡是能引起變化的物理量，均可以引起傳感器線圈 的變化，可以進(jìn)行非電量檢測；如被測體（金屬）的電阻率，導(dǎo)磁率，厚度，線圈與被測體之間的距離，激勵線圈的角頻率等都可通過渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗發(fā)生關(guān)系，使變化；若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個參數(shù)，便可使阻抗成為這個參數(shù)的單值函數(shù)。 2）電渦流傳感器不可以直接測量非金屬物體，這是由于傳感器本身特性決定的。 5.12（略） 第7章 壓電式傳感器 7.1 什么是壓電效應(yīng)？什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？ 7.2 石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)有何不同之處？為什么說PZT壓電陶瓷是優(yōu)能的壓電元件？比較幾種常用壓電材料的優(yōu)缺點，說出各自適用于什么場合？ 7.3 壓電傳感器能否用于靜態(tài)測量？試結(jié)合壓電陶瓷加以說明。 7.4 壓電元件在使用時常采用多片串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。試述在不同接法下輸出電壓、電荷、電容的關(guān)系，它們分別適用于何種應(yīng)用場合？ 7.5 電壓放大器和電荷放大器本質(zhì)上有何不同，電荷放大器和電壓放大器各有何特點？它們各自適用于什么情況？ 7.6 己知電壓前置放大器輸人電阻及總電容分別為，，求與壓電加速度計相配，測振動時幅值誤差是多少？ 7.7 已知電壓式加速度傳感器阻尼比。若其無阻尼固有頻率, 要求傳感器輸出幅值誤差在以內(nèi)，試確定傳感器的最高響應(yīng)頻率。 7.8 一壓電加速度計，供它專用電纜的長度為，電纜電容為，壓電片本身電容為。出廠標(biāo)定電壓靈敏度為，若使用中改用另一根長電纜，其電容量為，問其電壓靈敏度如何改變？ 7.9 為什么壓電器件一定要高阻抗輸出？ 7.10 用石英晶體加速度計及電荷放大器測量加速度，已知：加速度計靈敏度為5PC/g，電荷放大器靈敏度為50mV/PC，當(dāng)機(jī)器加速度達(dá)到最大值時，相應(yīng)輸出電壓幅值為2V，試求該機(jī)器的振動加速度。 答案 7.1答： 某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng) 7.2答： 1）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(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。壓電陶瓷PZT是一種多晶鐵電體，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后，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，才能使其呈現(xiàn)出壓電特性。 2）比較石英晶體、，壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)大的多，是它們的上百倍。所以壓電陶瓷制作的傳感器靈敏度高。常用的優(yōu)能壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛（PZT），它具有很高的介電常數(shù)，工作溫度可達(dá)250℃。 3）（略） 7.3答： 1）由壓電傳感器的等效電路可見，要保證輸出信號與輸入作用力間的線性關(guān)系，只有在負(fù)載電阻較大，工作頻率較高時，傳感器電荷才能得以保存補(bǔ)充，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，故壓電傳感器只能作動態(tài)測量，不宜作靜態(tài)信號測量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，并給測量電路一定的電流。 2）（略） 7.4.答： 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(gòu)成一個壓電組件。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電芯片的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接，常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷，提高靈敏度。 2）如果按相同極性粘貼，相當(dāng)兩個壓電片（電容）串聯(lián)。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；若按不同極性粘貼，相當(dāng)兩個壓電片（電容）并聯(lián)，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。 7.5答：（略） 7.6解： 幅值誤差為： 相對誤差為： 7.7解： 控制傳感器在5%以內(nèi)的幅值誤差為： 式中f為最高響應(yīng)頻率： 7.8解： 可見電纜加長后電壓靈敏度下降。 7.9（略） 7.10解： 當(dāng)輸出幅值為2V時，機(jī)器振動加速度為： 第8章 光電效應(yīng)及器件 8.1什么是內(nèi)光電效應(yīng)？什么是外光電效應(yīng)？說明其工作原理并指出相應(yīng)的典型光電器件。 8.2普通光電器件有哪幾種類型？各有何特點？利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件有哪些？用光生伏特效應(yīng)制成的光電器件有哪些？ 8.3普通光電器件都有哪些主要特性和參數(shù)？ 8.4什么是光敏電阻的亮電阻和暗電阻？暗電阻電阻值通常在什么范圍？ 8.5試述光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光電池的工作原理。如何正確選用這些器件？舉例說明。 8.6光敏二極管由哪幾部分組成，它與普通二極管在使用時有什么不同？請說明原理。 8.7光敏三極管與普通三極管的輸出特性是否相同？主要區(qū)別在哪里？ 8.8何為光電池的開路電壓及短路電流？為什么作為檢測元件時要采用短路電流輸出形式，作為電壓源使用時采用開路電壓輸出形式？ 8.9光電池的結(jié)構(gòu)特征是什么？它如何工作的？ 8.10采用波長為0.8～0.9的紅外光源時，宜采用哪種材料的光電器件做檢測元件？為什么？ 8.11反射式光電傳感器常見的有哪些類型？有什么特點？應(yīng)用時要注意哪些影響？ 8.12舉出日常生活中的兩個光電式傳感器的應(yīng)用例子，并說明原理。 8.13試擬定一光電開關(guān)用于自動裝配流水線上工件計數(shù)檢測系統(tǒng)（用示意圖表示出裝置結(jié)構(gòu)），并畫出計數(shù)電路原理示意圖， 并說明其工作原理。 8.14試敘述智能小車設(shè)計中，如何利用反射式光電傳感器實現(xiàn)“尋跡”功能，并設(shè)計出光電傳感器檢測電路原理圖。 圖8-53 8.15光電傳感器控制電路如圖8-53所示，試分析電路工作原理：① GP—IS01是什么器件，內(nèi)部由哪兩種器件組成？② 當(dāng)用物體遮擋光路時，發(fā)光二極管LED有什么變化？③ R1是什么電阻，在電路中起到什么作用？如果VD二極管的最大額定電流為60mA， R1應(yīng)該如何選擇？④ 如果GP—IS01中的VD二極管反向連接，電路狀態(tài)如何？晶體管VT 、LED如何變化？ 8.16光柵傳感器的基本原理是什么？莫爾條紋是如何形成的？有何特點？分析光柵傳感器具有較高測量精度的原因。 8.17某光柵的柵線密度為100線/mm ，要使形成莫爾條紋寬度為10mm，求柵線夾角是多少? 答案： 8.1答：當(dāng)用光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電子吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)的電效應(yīng)（如電阻率變化、發(fā)射電子或產(chǎn)生電動勢等）。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 1）當(dāng)光線照在物體上,使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)，典型的光電器件有光敏電阻；光照時物體中能產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)，光電池、光敏晶體管。 2）在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，典型的光電器件有光電管、光電倍增管。 8.2答：（略） 8.3答： 光照特性；光譜特性；伏安特性；溫度特性；頻率特性等 8.4答： 暗電阻，無光照時的電阻為暗電阻，暗電阻電阻值范圍一般為0.5～200MΩ； 亮電阻、受光照時的電阻稱亮電阻，亮電阻的阻值一般為0.5～20KΩ。 8.5答：（略）8.6答：（略）8.7答：（略） 8.8答： 1）光生電動勢與照度之間關(guān)系為開路電壓曲線，短路電流是指外接負(fù)載電阻相對于光電池內(nèi)阻很小時的光電流值。 2）短路電流曲線在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，因此光電池作為檢測元件使用時，一般不作電壓源使用，而作為電流源的形式應(yīng)用。而開路電壓與光照度關(guān)系在照度為2000lx以上趨于飽和呈非線性關(guān)系，因此適于作電壓源使用。 8.9答：（略） 8.10答： 1）采用波長為0.8～0.9的紅外光源時，宜采硅光電池或硅光敏管，其光譜響應(yīng)峰值在0.8附近，波長范圍在0.4～1.2。 2）其中硅光電池適于接受紅外光，可以在較寬的波長范圍內(nèi)應(yīng)用。 8.11答：（略）8.12答：（略）8.13答：（略）8.14答：（略） 8.15電路分析： 1）GP—IS01是光電開關(guān)器件，內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成； 2）當(dāng)用物體遮擋光路時，Vg無光電流VT截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光； 3）R1是限流電阻，在電路中可起到保護(hù)發(fā)光二極管VD的作用；如果VD二極管的最大額定電流為60mA，選擇電阻大于R1 =（12V-0.7）/0.6 = 18.8Ω。 4）如果GP—IS01中的VD二極管反向連接，Vg無光電流VT截止，發(fā)光二極管LED不發(fā)光；電路無狀態(tài)變化。 8.16答：（略） 8.17解： 已知：光柵的柵線密度為100線/mm 即W=0.02mm，B=10mm (即006′53″) 什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？什么是縱向壓電效應(yīng)和橫向壓效應(yīng)？ 答：某些電介質(zhì)當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝κ顾冃危鋬?nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”；相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生形變，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。我們用三條互相垂直的軸來表示石英晶體的各向，通常把沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”；而把沿機(jī)械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫壓電效應(yīng)”。