传感器原理及工程应用_(第三版)_((郁有文))_(西安电子科技大学出版)_详细答案

14-12电涡流传感器常用的测量电路有哪几种？其测量原理如何？各有什么特点？1、用于电涡流传感器的测量电路主要有：调频式、调幅式电路两种。2、测量原理（1）调频式测量原理传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x),该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。图4-6调频式测量原理图（2）调幅式测量原理由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io。当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。2图4-7调幅式测量原理图除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。3、特点调频式测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点。调幅式测量电路线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。4-13利用电涡流式传感器测板材厚度，已知激励电源频率f=1MHz，被测材料相对磁导率μr=1，电阻率ρ=2.9×10-6ΩCm，被测板材厚度为=（1+0.2）mm。试求：（1）计算采用高频反射法测量时，涡流透射深度h为多大？（2）能否采用低频透射法测板材厚度？若可以需采取什么措施？画出检测示意图。【解】1、为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。两传感器的输出电压之和为2Uo，数值不变。如果被测带材厚度改变量为Δδ，则两传感器与带材之间的距离也改3变一个Δδ，两传感器输出电压此时为2Uo±ΔU。ΔU经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。计算高频反射法测板材厚度时，涡流穿透深度：mmfhr7.851057.81011014.3414.3109.256780可见穿透深度很浅。图4-8高频反射法测量原理图2、若采用低频透射法测板材厚度，必须使涡流穿透深度大于板材厚度。由于ρ、μ0、μr都是常数，所以必须降低激励电源频率，使之满足：/0/fhr由此解得穿透板材所需的最高频率为：KHzHzfr1.5101.5102.11014.3414.3109.2367820/当满足激励电源频率小于5.1KHz时，发射探头的信号才能透过板材，被接收探头接收。发射探头在交变电压e1的激励下，产生交变磁场，透过被测板材后达到接收探头，使之产生感应电动势e2，它是板材厚度的函数，只要两个探头之间的距离x一定，测量e2的值即可测得板材厚度。4图4-9低频透射法测量原理图6-4画出压电元件的两种等效电路。1、电压源等效电路2、电流源等效电路6-5电荷放大器所要解决的核心问题是什么？试推导其输入与输出的关系。【答】51、传感器的灵敏度与电缆电容无关，更换电缆或使用较长的电缆时，不用重新校正传感器的灵敏度。改进了电压放大器的缺点。2、输入与输出的关系电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压：通常A=104~108，因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为6-8用石英晶体加速度计测量机械的振动，已知加速度计的灵敏度为2.5pC/g（g=9.8m/s2），电荷放大器灵敏度为80mV/pC，当机器达到最大加速度时，相应的输出幅值为4V。试计算机器的振动加速度。【解】系统灵敏度Sn等于传感器灵敏度与电荷放大器灵敏度的乘积，即Sn=2.5×80=200mV/g系统灵敏度Sn、输出电压幅值U0及被测加速度幅值a的关系为：ficaoCACCCAqu)1(foCqu6aUSn0所以该机器的振动加速度幅值为：230/19620102004smgSUan7-4什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？【答】1、通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。2、霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。7-5影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？如何补偿？1、影响霍尔元件输出零点的因素当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。产生这一现象的原因有：（1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；（2）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；（3）激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。2、不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。可以把霍尔元件等效为一个电桥，用电桥平衡来补偿不等位电势。由于A、B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势7不等于零。此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。7-8试分析霍尔元件输出接有负载RL时，利用恒压源和输入回路串联电阻RT进行温度补偿的条件。补偿电路如图(a)所示，输入回路与输出回路的等效电路如图(b)、(c)所示。设RL不随温度改变，由于霍尔元件输出电阻Rout随温度变化，输出霍尔电势UH也随温度变化，使得负载电阻上的输出电压HoutLLURRRU与温度有关。(a)霍尔元件接有负载ERTRinUHRoutRL(b)输入回路等效电路(c)输出回路等效电路温度为T0时，负载电阻上的输出电压为RTRL8))((0000000000inToutLHLHoutLLHoutLLRRRRBEKRBIKRRRURRRU设RT的温度系数，霍尔元件内阻温度系数为，灵敏度温度系数为，则温度升高T后，负载电阻上的电压为)1()1()1()1(0000TRTRBETKTRRRUinTHoutLL要实现温度补偿，应使0UU，即00000000)1()1()1()1(inTHoutLLinTHoutLLRRBEKRRRTRTRBETKTRRR消去二阶小量（即含2或的项），解得000))(())((inoutoutLoutoutLTRRRRRRRR为了获得最大的输出功率，可使outLRR，则002232inTRR7-10（补充题）试对利用霍尔式传感器实现转速测量进行解释。【答】转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉9冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。N-转速；f-信号频率；n-槽数。8-1光电效应有哪几种？相对应的光电器件各有哪些？【答】1、光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。2、光电器件（1）基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。（2）基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。（3）基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。8-2试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应用时各有什么特点？【答】1、光敏电阻的工作原理其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻)/(60分转nfN10的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。2、光敏二极管的工作原理在无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，其反向电阻很大，反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。当有光照射到光敏二极管的PN结时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，它们在反向电压和内电场的作用下，漂移越过PN结，形成比无光照时大得多的反向电流，该反向电流称为光电流，此时，光敏二极管的反向电阻下降。若入射光的强度增强，产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也响应增大，即光电流与光照度成正比。如果外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的信号。光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。3、光敏晶体管的工作原理大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压。当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。4、光电池的工作原理硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-11空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。8-3光电耦合器件分为哪两类？各有什么用途？【答】光电耦合器件分为两类：一类是用于实现电隔离的光电耦合器（又称光电耦合器），另一类是用于检测物体位置或检测有无物体的光电开关（又称光电断续器）。8-5如何理解电荷耦合器件有“电子自扫描”作用？【答】面阵CCD包括x、y两个方向用于摄取平面图像，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。8-6光在光纤中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求？【答】1、光在光纤内的全内反射进行传输的，实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。2、为满足光在光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的入射角θi应满足222101arcsinnnnci12一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样上式可表示为8-7光纤数值孔径NA的物理意义是什么？对NA取值大小有什么意义？【答】1、数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2θc的光椎角内，光纤才能导光。如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光。2、光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率；但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.2~0.4。8-8当光纤的n1=1.46，n2=1.45，如光纤外部介质的n0=1，求光在光纤内产生全内反射时入射光的最大入射角c的值？【解】根据光纤数值孔径NA的定义入射临界角c为08.91706.0arcsinarcNAc故，得该种光纤最大