第6-11章习题解答.

第６章习题解答1、磁敏二极管、三极管基本原理有哪些异同?答：相同点：磁敏二极管和磁敏三极管都是PN结型的磁敏元件，都有本征区I，本征区I的长度较长，其一个侧面磨成光滑面，另一面打毛。粗糙的表面处容易使电子—空穴对复合而消失，称为r(recombination)面(或r区)，不同点：磁敏二极管的结构是在高阻半导体芯片(本征型)I两端，分别制作P、N两个电极，形成P-I-N结。当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压，则有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有大量电子注入P区，形成电流。当磁敏二极管受到外界磁场H+(正向磁场)作用时，电子和空穴受到洛伦兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合消失速度比光滑面I区快，因此形成的电流因复合速度快而减小。当磁敏二极管受到外界磁场H-(反向磁场)作用时，电子—空穴对受到洛伦兹力作用向光滑面偏转，电子—空穴的复合率明显减小，因而形成的电流变大。磁敏二极管反向偏置时，仅流过很微小电流，几乎与磁场无关。磁敏三极管的结构是在弱P型近本征半导体（本征区I）上，用合金法或扩散法形成三个结，即发射结、基极结、集电结。当磁敏三极管未受到磁场作用时，基极电流大于集电极电流，使β=Ic/Ib1。受到正向磁场(H+)作用时，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降，当反向磁场(H-)作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。2、线性集成霍尔传感器与开关型集成霍尔传感器的应用场合有何不同？答：线性集成霍尔传感器的输出电压与输入的磁感应强度成线性关系，因此常用来测量磁场的磁感应强度或能转换成磁场的磁感应强度的其他非电量。这些非电量是连续变化的模拟量。开关型集成霍尔传感器的输出只有高电平和低电平两种状态，常用来测量磁场的有或无，也可用来测量能转换成磁场的其他开关型非电量。3、图1为一个用电流型集成温度传感器AD590构成的测温电路，试计算在0°C和100°C时R上的电压值。图1答：据公式(6-2-5)可知，图1的输出电压为tCmVmVktCAARtCIRIUI12.2731)12.273()(0000当Ct0时，mVU2.2730；当Ct100时，mVU2.3730。4、设IH3605的电源供电电压为5V，试计算温度为t=30°C，相对湿度H在0～100%RH范围时，IH3605的输出电压范围。答：据公式(6-2-9)H在0～100%RH范围时，对应的0H为HHtHH9892.0)3000218.00546.1()00218.00546.1(0＝0～98.93%RH。代入公式(6-2-8)计算得16.05)16.00062.0(00HEU～)16.093.980062.0(5=8.0～87.3V第７章习题解答1、设图7-1-1中码盘为5位循环码盘，图中只有最靠近码盘中心的一个光电元件受光照产生电信号即输出数码“1”，其余4个光电元件均未受到光照不产生电信号即输出数码“0”，试计算码盘此时的转角。（348.75°）解：由题意可知：1000054321RRRRR，1R～nR转换为1C～nC的公式为：∴1111154321CCCCC，05051075.348213602360iiiC。2、增量编码器有几条码道?各有何作用?答：有三条码道。码盘上最外圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲将给计数系统提供一个初始的零位(清零)信号；中间一圈码道称为增量码道，最内一圈码道称为辨向码道。这两圈码道都等角距地分布着m个透光与不透光的扇形区，但彼此错开半个扇形区即90°/m。所以增量码道产生的增量脉冲与辨向码道产生的辨向脉冲在时间上相差四分之一个周期，即相位上相差90°。增量码道产生的增量脉冲的个数用于确定码盘的转动角度，辨向脉冲与增量脉冲的相位关系用于确定码盘的转动方向。3、试说明光栅传感器为什么能测量很微小的位移?为什么能判别位移的方向?答：由图7－２－２可见，主光栅沿栅线垂直方向(即x轴方向)移动一个光栅栅距W，莫尔条纹沿y轴正好移动一个条纹间距H（HW），光电元件的输出电压变化一个周期。在y=0处和y=H/4处各安放一个光电元件，这两个光电元件的输出信号u1和u2的相位差正好等于π/2。将它们送到图7-1-8所示辨向电路，就可测量出光栅的移动方向和移动的栅距数。主光栅每移动一个光栅栅距W，莫尔条纹信号u1和u2就相应地变化一个周期，图6-1-8中或门就产生一个计数脉冲，可逆计数器就加1或减1，可逆计数器的计数结果就是主光栅移动的栅距数。显然，图7-1-8电路的分辨率就是一个光栅栅距。如果在主光栅移动一个栅距过程中即莫尔条纹信号变化一个周期内，能得到m个彼此相位差360°/m的正弦交流信号ui，光栅每移动一个栅距W，m个ui波形便可依次得m个过零脉冲，而与光栅位移x对应的过零脉冲计数值即位移的数字测量结果为：/xxNmWWm由上式可见，分辨率不再是W,而是W/m，这样就达到m细分的目的。因此，光栅传感器能测量很微小的位移。4、用四只光敏二极管接收长光栅的莫尔条纹信号，如果光敏二极管响应时间为610秒，光栅的栅线密度为50线/毫米，试计算一下长光栅所允许的移动速度。（20m/S）答：长光栅所允许的移动速度V受光敏二极管响应时间的限制VW故smsmWV/20105010635、已知长光栅的栅距为20微米，标尺光栅与指示光栅的夹角为0.2度，试计算莫尔条纹宽度以及当标尺光栅移动100微米时，莫尔条纹移动的距离。（5.73mm,2.865cm）答：莫尔条纹宽度为mmmmWH73.522.0sin210202sin23当标尺光栅移动100微米时，莫尔条纹移动的距离为mmmm65.2810100102073.5666、磁栅与光栅相比，有哪些相同点?有哪些不同点?答：相同点：磁栅与光栅都是栅式传感器，光栅上面刻有节距为W的刻线，磁栅上面记录有节距为W的矩形波或正弦波磁信号。光栅有两个彼此相距(n±1/4)W的光电元件产生相位差π/2的两个检测信号。磁栅也两个彼此相距(n±1/4)W的静态磁头产生相位差π/2的两个检测信号。磁栅与光栅每移动一个栅距W，两个检测信号就变化一个周期。不同点：光栅是利用光电效应，把主光栅相对与指示光栅的位移转换成电信号；磁栅是利用磁电效应，把磁头相对于磁栅的位置或位移转换成电信号。磁栅可方便地录制任意节距的磁栅，发现所录磁栅不合适时可抹去重录。光栅的栅线刻好后却不能再改变。7、在长感应同步器的滑尺上，相邻正弦绕组与余弦绕组，相邻正弦绕组和正弦绕组，相邻余弦绕组与余弦绕组的间距分别为多少?答：相邻正弦绕组与余弦绕组的间距为(n/2+1/4)W，断续绕组中，与连续绕组间的互感为余弦函数的绕组称为余弦绕组。距余弦绕组l1=(n/2+1/4)节距W。相邻正弦绕组和正弦绕组，相邻余弦绕组与余弦绕组的间距都为n倍节距W。8、感应同步器测量系统对位移的分辨率是由哪些因素决定的?怎样提高位移分辨率?答：感应同步器测量系统对位移的分辨率mW/是由节距W和细分数m决定的，因此要提高位移分辨率，就要选用节距W小的感应同步器和增大细分数m。9、感应同步器为什么要设置正弦绕组与余弦绕组?答：感应同步器设置正弦绕组与余弦绕组是为了能判别位移的方向。10、试指出振弦、振筒、振膜、振梁式四种频率式传感器的共同的特点和共同的工作原理?答：振弦、振筒、振膜、振梁式四种频率式传感器的共同的特点是都由由振动体、激振器、拾振器和放大振荡电路组成一个反馈振荡系统，作为振动体的振弦、振筒、振膜、振梁都是用具有导磁性的恒弹性合金制成，当激振器使振动体振动时，磁路的磁阻交替变化，在拾振器中产生感应电压，感应电压的变化频率等于振动体振动频率。它们共同的工作原理是，被测非电量如力、压力、密度等使振动体振动频率即拾振器感应电压的频率改变，因此测量拾振器感应电压的频率就可测出被测非电量。11、石英晶体谐振式传感器的原理是什么?有哪些用途?答：当给石英晶体的电极上施加交变激励电压时，根据逆压电效应，石英晶体会产生机械振动，而当晶体振动时两电极上又会出现交变电压，如果把石英晶体接入具有正反馈的放大电路中，两电极上出现的电压经放大后又以相同的相位反馈到晶体电极上，加强了原来的交变电场。于是晶体的振动能够继续维持，这就是石英晶体振荡器的基本原理。石英晶体是弹性体，它存在固有振动频率。当强迫振动频率等于它的固有振动频率时，就会产生谐振。因此石英晶体振荡器的振荡频率就是石英晶体的固有频率。利用石英晶体的谐振特性，可以组成石英晶体谐振式传感器(也称石英晶体频率式传感器)。当石英谐振器承受静态压力或者感受温度变化时，其固有频率发生相应的变化，因此，将石英谐振器接入振荡电路，就可以制成石英晶体谐振式压力传感器或石英晶体频率式温度传感器。12、能不能用无导磁性的金属丝做振弦传感器的振弦？为什么？答：不能。因为用没有导磁性的金属丝细弦做振弦，振弦就不能与磁铁组成磁路，因此激励线圈和电磁铁就不能吸引金属细弦振动，金属细弦振动时，磁铁磁路的磁阻也不能变化，绕在永久磁钢上的拾振线圈也就不能产生感应电压。这样就不能通过测量感应电压的频率而测量出振弦的固有频率。第８章习题解答1、试说明光纤传光的原理与条件。答：光导纤维简称光纤，由透光的纤芯和包层以及不透光的尼龙外套组成。纤芯内传播的光入射到纤芯和包层的交界面时，由于纤芯的折射率比包层的折射率大，只要入射角θ1大于临界角θc，即)arcsin(121nnc，光就不会穿过两个介质的分界面，而只会完全反射回来，这种只有反射没有透射的情况称为全反射。在光纤的入射端，光线从空气(折射率为n0=1)中以入射角0射入光纤纤芯，当入射角022210arcsinnnnc时，就会使θ1θc即满足全反射条件，这样，光线就能在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在纤芯内向前传播，从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光原理。2、为什么图8-1-7中受力越大，光纤出射端输出的光强度越小?答：当光纤发生弯曲到一定程度使光线入射角小于临界角时，射到纤芯与包层界面上的光有一部分将穿过界面透射进包层造成传输损耗——微弯损耗，从而引起光纤出射端输出的光通量发生变化。图8-1-7中变形器的位移或所受力越大，变形器使光纤发生周期性弯曲就越厉害，引起传输光的微弯损耗越大，光纤出射端输出的光强度越小。通过检测光纤输出的光强变化就能测出位移或力信号。3、试说明图8-2-6中16个光敏单元的“电荷包”产生、转移及移出过程，并指明移出顺序。答：在曝光（光积分）时间，图7-2-6中各个光敏元曝光，吸收光生电荷，产生“电荷包”。曝光结束时，全部“电荷包”实行场转移，亦即在一个瞬间内将感光区整场的“电荷包”图象迅速地转移到存贮器列阵中去，譬如将脚注为a1、a2、a3、a4的光敏元中的光生电荷分别转移到脚注相同的存储单元中去。此时光敏元开始第二次曝光（光积分），而存储器列阵则将它里面存贮的光生电荷信息一行行地转移到读出移位寄存器，在高速时钟驱动下的读出移位寄存器，读出每行中各位的光敏信息，如第一次将a1、b1、c1、d1这一行信息转移到读出移位寄存器，读出移位寄存器立即将它们按a1、b1、c1、d1的次序有规则地输出。接着再将a2、b2、c2、d2这一行信息传到读出寄存器，…，直至最后由读出移位寄存器输出a4、b4、c4、d4的信息为止。4、什么叫激光传感器?有哪几种类型?答：激光式传感器实际上是以激光为光源的光电式传感器。按照它所应用的激光的特性不同可分为以下几类：激光干涉传感器，激光衍射传感器，激光扫描传感器等。5、红外探测器有哪两种类型?二者有何区别?答：红外探测器是能够把红外辐射量的变化转换为电量变化的器件，它是红外传感器的关键部件——传感元件。按其所依据的物理效应可分为光敏和热敏两大类型，其中光敏红外探测器