部分习题参考答案

第一章作业题2、请对如下机械系统进行力-电流和力-电压机电模拟。解答：i):力-电流模拟下表为力-电流相似系统中参量对应关系把题中的图一机械系统用用图二所示的电流激励并联电路来模拟。图一机械系统利用上表的对应关系可知，只要知道A点的电压就可以模拟机械系统中的质量相对应于大地的速度模拟了电路的激励电流就模拟了机械系统结构物的激励力，结构物相对于大地的速度是用激励电压来模拟的。对应关系是：2m2mvfxvu2amxuvifuv012mmvvv012uuu、相对速度为1m2m只要知道得到了模拟电路中a、b两节点的电压差即可模拟输出速度对输入速度的响应。xv0v图二电流激励并联电路ii):力-电压模拟下表为力-电流相似系统中参量对应关系把题中的图一机械系统用用图三所示的电压激励串联电路来模拟。22121xxmmmvivvvvvv类似以力-电流模拟，有以下对应关系：当研究输出速度的响应特性时，只需要研究中的响应电流即可。ov11CR1i第二章习题2、说明对传感器的输出输入特性曲线进行线性化的方法。解答：使传感器输出—输入特性线性化，所采用的直线称为拟合直线，目的是获得最小的非线性误差。拟合方法：①理论拟合；②过零旋转拟合；③端点连线拟合；④端点连线平移拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合下图1所示四种直线拟合方法。理论拟合过零旋转拟合端点连线拟合端点平移拟合图1几种直线拟合方法3、对照书上图2-9和2-11，说明传感器一阶和二阶系统的幅频相频特性。解答：i);传感器一阶幅频相频特性ii);传感器二阶幅频相频特性第四章作业2、什么叫横向效应？怎样减小横向效应的误差？答：将直的金属丝绕成敏感栅之后；虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因此灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。金属丝原长为：敏感栅总变形：1SnlrnyxyxxrnrnnlrnnlLLL2)1(2)1(2)(2)1(21因此横向效应可以用下式来表示：12112xxyxLSLnrnru横向应变＝从上式可知可以通过减小圆弧半径，以及金属丝的轴向应变。可以用如下几种结构来减小横向效应：1），将敏感栅的圆弧段直接用金属丝短接；2），采用萡式应变片；3、一应变片的电阻R＝120欧姆，k＝2.05，用作应变为800um／m的传感元件。①求ΔR和ΔR／R，②若电源电压U＝3v，求初始平衡时惠斯登电桥的输出电压。解：①利用（4-9）式可得2.058001201971971.64120xRKRRRR②由于题中只给出了一个应变片的阻值，我们采用不平衡电桥来解此题由1234,RRRR第五章习题0131.641.234UV3、在压力比指示系统中采用差动式变极距型电容传感器，已知原始极距δ1＝δ2＝0.25mm，极板直径D＝38.2mm，采用电桥电路作为其转换电路，电容传感器的两个电容分别接R＝5.1kΩ的电阻后作为电桥的两个桥臂，并接有效值为U1=60V的电源电压，其频率为f＝400HZ，电桥的另两桥臂为相同的固定电容C=0.001uF．试求该电容传感器的电压灵敏度。若Δδ＝10um时，求输出电压有效值。答案：电压灵敏度=15；输出电压有效值=2.4V提示：利用5.1.1节变间隙电容式传感器中关于差动式电桥结构灵敏度的分析得出ΔC与C0的关系，然后利用电路学方法求出U0的表达式，利用U0及ΔC与C0的关系求出Su的表达式。第六章作业4、电涡流传感器线圈的外径、内径和厦度分别为48mm、43mm和2mm，今用它检测钢材的厚度，若以x=2mm为零点，测量范围为+/-0.2mm，问用端点连线法求线性度相对误差约为多少？/tQEke渗解：根据6.3.2节可知，其中t未被测材料的厚度根据端点连线法2/0QEke1.8/QFSEke满量程值：'000.4/0.2/11QQFSEEeeeE'2.2/1.8/0QQEkee第七章习题1、用压电式传感器能测量静态和变化很缓慢的信号吗？为什么？而其阻尼比很小，为什么可以响应很高频率的输入信号而失真却很小?答：当作用在压电元件上的力是静态力（w=0）或者是变化很缓慢的力（w︽0）时，则前置放大器的输入电压等于零。因为电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。压电式传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联，阻尼比很小的压电式传感器可以认为电容很大，故在响应很高频率的输入信号时，压电式传感器的自身阻抗就会很小，输出失真也就很小。2、压电式传感器中采用电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度与电线长度有关？而电荷灵敏度无关?答：前置电荷放大器有两个作用，第一是把压电式传感器的微弱信号放大；第二是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。图7—18是压电式传感器与电荷放大器连接的等效电路，由“虚地”原理可知，反馈电容Cf折合到放大器输入端的有效电容C’f为当110facikCCCC时，传感器的输出灵敏度就可以认为与电缆电容有关。从上式也可以看出电压灵敏度与电荷灵敏度无关。3、有一零度X切的纵向石英晶体，其面积为20mm2，厚度为10mm，当受到压力P＝10MPa。作用时，求产生的电荷量及输出电压。解：根据（7-18）式，0rasCd，r=4.5，408.8510F/cm42418.85104.520107.97101010aCF电荷量1266112.311010102010xQdFdPS104.6210C输出电压107044.62105.8107.9710aQUVC第八章习题1、对动圈式磁电传感器进行动态特性分析。解答：图中V0为传感器外完的运动速度，即极洲物体运动速度Vm为传感器惯性质量块的运动速度。若V(t)为惯性质量块相对外壳的运动速度，则其运动方程为从磁电式速度传感器的幅频特性可以看到，只有在nww的情况下，1vAw，相对速度V(t)的大小才可以作为被测振动速度V0(t)的量度。第九章习题1、举例分析热敏电阻、热电偶和集成热电传感器的原理。2、参考电极定律有何实际意义？已知在某特定条件下材料A与铂配对的热电势为13.967mv，材料B与铂配对的热电势为8.345mv，求出在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势。解：利用参考电极定律可以用来测量被测物件的温度。利用（9-1）式可得，000B(,)(,)(,)ABAETTETTETT铂铂=13.967-8.345=5.622（mv）3、画图说明对热敏电阻进行非线性补偿，和对热电偶进行温度补偿的方法。解：热敏电阻的线性化可通过在热敏电阻上串并联固定电阻，作成组合式元件来代替单个热敏元件，使组合式元件电路特性参数保持一致并获得一定程度的线性特性。对热电偶进行温度补偿：补偿方法主要有：（1）冷端温度修正法；（2）冷端温度自动补偿法；（3）延引电极法。随便一一种方法具体说明即可。第十章习题1、举例分析三种光电效应的光电传感器原理。答：（1）在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象叫外光电效应，以光电管来说明原理…（2）在光线作用下使物体电阻率改变的现象叫内光电效应，以光敏电阻来说明原理…（3）在光线作用下使物体产生一定方向的电动势的现象叫阻挡层光电效应，以光电池来说明原理…2、设计三种转速传感器。可以利用电磁感应定律、压电原理、光电效应等等第十一章习题1、举例说明不同集成度智能传感器系统，并请说明CCD固态传感器的工作原理及工作过程。解答：按集成度划分，智能传感器系统可以分为初级集成度、中级集成度和高级集成度。以DTP型智能式压力传感器进行说明。其由以下构成：主传感器(压力传感器)辅助传感器(温度传感器、环境压力传感器异步发送／接收器(uART)微处理器及存储器地址／数据总线程控放大器(PFA)A／D转换器、DA转换器可调节激励源电源CCD固态传感器的工作原理见266页CCD原理，工作过程见268页第二段。2、说明集成智能传感器系统的集成工艺。答：按制造工艺分，智能传感器可以分为：集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器。集成传感器用于标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造，通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。薄膜传感器通过沉积在介质衬底上的相应敏感材料的薄膜形成的。厚膜传感器是利用相应材料的浆料涂覆在陶瓷基片上制成的。陶瓷传感器采用标准陶瓷工艺或某种变种工艺生产。第十二章习题1、利用斯乃尔定律推导出的临界角θ表达式，计算水与空气分界面(n＝1.33)的θ值。答案：提示利用斯奈尔定律求得11sin48.751.332、求光纤n1＝1.46，n2＝1.45的NA值，如外部的no=1，求昀大入射角θ=？答案：提示利用斯奈尔定律及全反射条件求得昀大入射角arcsin0.179.8c3、设计光纤测温系统。解：利用课本上的马赫-泽德光纤温度传感器或者法布里-珀罗光纤温度传感器进行论述即可第十四章习题1、说明半导体电阻式和非电阻式气敏传感器的工作原理。答：电阻式半导体气体传感器是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。电阻式传感器又分为表面控制型和体控制型电阻式传感器。表面控制型电阻式传感器：它是利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化的特性制成的；敏感元件的阻值R与空气中被测气体的浓度C成对数关系变：n与气体检测灵敏度有关、除了随传敏感器材料和气体种类不同而变化外，还会由于测量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化。m表示随气体浓度而变化的传感器的灵敏度(也称之为气体分离率)。对于可燃性气体来说，M值多数介于1／2吏1／3之间。体控制型电阻式传感器：在采用反应性强容易还原的氧化物作为材料的传感器中，即使是在温皮较低的条件下，也可因可燃性气体而改变其体内的结构组成(晶格缺陷)，并使敏感元件的阻值发生变化。2、为什么多数气敏传感器带有加热器？答：主要有两个用途；第一，用作烧灼元件表面油垢或污物；第二，可起加速被测气体的吸、脱过程。第十五章习题1、说明湿度的定义和表达方法。答：绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表达式为VMV相对湿度是气体的绝对湿度(V)与在同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度(W)之比，常表示为％RH．其表达式为露（霜）点：相对湿度为100%ＲＨ时的温度。2、氧化锂和半导体湿敏传感器各有何特点？答：氯化锂湿敏元件灵敏、准确、可靠。其主要缺点是在高湿的环境中，潮解性盐的浓度会被稀释，因此，使用寿命短，当灰尘附着时，潮解性盐的吸湿功能降低，重复性变坏。半导体湿度传感器根据电阻变化情况有正特性与负特性之分，Ｎ型半导体的在Ｈ＋静电场很大时都呈现负特性，且半导体湿敏传感器受温度影响较大。第十六章习题1、说明大气窗口的含义。答：红外辐射在大气中传播时．由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐能在传输过程中逐渐衰减。红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段．即2—2.6cm．3—5um和8—14um，统称为“大气窗口”。2、设计红外测温系统。解：见331页给出结构原理并叙述其工作原理第十七章习题1、说明半导体应变片和金属应变片有何不同。答：半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。金属应变片的工作原理是基于金属的电阻应变效应。金属丝的电阻随受力产生的形变而变化的现象称为金属的电阻应变效应。不同点：半导体应变片灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍；半导体应变片横向效应和机械滞后极小；半导体应变片温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。2、设计一个利用半导体应变片的测压系统。提示：参照17.2节。3、