传感器原理及应用习题及答案 下载本文

习题图4-5

解:由习题图4-5可求 初始电容

2

C1=C2=C0=?S/d=?0?r/d0

8.85?10????12?10??0.6?10

变压器输出电压

?12?3?32?6.67?10?12F?6.67pF

? 其中Z1 ,Z2 分别为差动电容传感器C1 ,C2 的阻抗.在ΔX<

Z1?Z2Z1?Z2C1?C2?Usc?Z2???2U?U?Z2?Z1?U?C1?C2?U(V)

4-6 如习题图4-6所示的一种变面积式差动电容传感器,选用二极管双厂网络测量电路。差动电容器参数为:a=40mm,b=20mm,dl=d2=d0=1mm;起始

-12

时动极板处于中间位置,Cl=C2=C0,介质为空气,ε=ε0=8.85310F/m。测量电路参数:D1、D2为理想二极管;及R1=R2=R=10KΩ;Rf=1MΩ,激励电压Ui=36V,变化频率f=1MHz。试求当动极板向右位移△x=10mm时,电桥输出端电压Usc?

C0d00.6Usc??C?U??x?Usr?0.05?3sin?t?0.25sin?t

习题图4-6

解:由习题图4-6可求

传感器初始电容

C0?

?0S0?0??a20?b?8.85?10?12?40?102?31?10?3?20?10?3dd

?12

=3.54310(F)=3.54pF

当动极板向右移Δx=10mm时,单个电容变化量为

?C??xa/2C0?1040/2C0?12?3.54?1.77?pF?

?C??0b?xd0?8.85?10?12?12?20?101?10?3?3?1?10?3?1.77?10(F)?1.77pF或,

则 C1 = C0+ΔC,C2 = C0??C,由双T二极管网络知其输出电压 USC = 2 k Ui fΔC

R?R?2R??2RUf?C?R?R?10?10?2?10??2?10?36?10?1.77?10?10?2?10? ?2.55?V?

4-7 一只电容位移传感器如习题4-7图所示,由四块置于空气中的平行平板组成。板A、C和D是固定极板;板B是活动极板,其厚度为t,它与固定极板的间距为d。B、C和D极板的长度均为a,A板的长度为2a,各板宽度为b。忽略板C和D的间隙及各板的边缘效应,试推导活动极板刀从中间位置移动x=±a/2时电容CAC和CAD的表达式(x=0时为对称位置)。

f2fif44666?12462

习题图4-7

解:参见习题图4-7知

CAC是CAB与CBC串联,CAD是CAB与CBD串联。

当动极板向左位移a/2时,完全与C极板相对,此时 CAB=CBC=ε0ab/d, 则

CAC=CAB/2=CBC/2=ε0ab/2d; CAD=ε0ab/(2d+t)。

当动极板向右移a/2时,与上相仿,有

CAC =ε0ab/(2d+t);CAD=ε0ab/2d

4-8 已知平板电容传感器极板间介质为空气,极板面积

2

S=a3a=(2x2)cm,间隙d0=0.1mm。求:传感器的初始电容值;若由于装配关系,使传感器极板一侧间隙d0,而另一侧间隙为d0+b(b=0.01mm),此时传感器的电容值。

解:初始电容

-12

=35.4310(F) =35.4pF 当装配不平衡时可取其平均间隙

C0??Sd0??0Sd0?8.85?10?12?2?2?10?3?40.1?1022

=0.1+0.01/2=0.105(mm) 则其电容为

d?d0?(d0?b)?d0?b0.105?10 -12

=33.7310(F)=33.7pF

第5章 压电式传感器

5.1 为什么压电式传感器不能用于静态测量,只能用于动态测量中?而且是频率越高越好?

d?3C??0S?8.85?10?12?2?2?10?4

5. 2什么是压电效应?试比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应

6.4 设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么,为什么?

2

5-3 有一压电晶体,其面积为20mm,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: (1)零度X切的纵向石英晶体; (2)利用纵向效应的BaTiO3。 解:由题意知,压电晶体受力为

6-6

F=PS=10310320310=200(N)

12

(1)0°X切割石英晶体,εr=4.5,d11=2.31310?C/N 等效电容

d10?10

?14

=7.97310 (F) 受力F产生电荷

122

Q=d11F=2.31310?3200=462310?(C)=462pC

输出电压

?3Ca??0?rS?8.85?10?12?4.5?20?10?6 12

(2)利用纵向效应的BaTiO3,εr=1900,d33=191310?C/N 等效电容

Ca7.97?10Ua?Q?462?10?12?14?5.796?103?V?Ca??0?rSd-12

?8.85?10?12?1900?20?10?3?610?10

=33.6310(F)=33.6(pF) 受力F产生电荷

12128

Q=d33F=191310?3200=38200310? (C)=3.82310?C

输出电压

5-4某压电晶体的电容为1000pF,kq=2.5C/cm,电缆电容CC=3000pF,示波器的输入阻抗为1MΩ和并联电容为50pF,求: (1)压电晶体的电压灵敏度足Ku; (2)测量系统的高频响应;

(3)如系统允许的测量幅值误差为5%,可测最低频率是多少?

(4)如频率为10Hz,允许误差为5%,用并联连接方式,电容值是多大?

Ca33.6?10Ua?Q?3.82?10?8?12?1.137?103?V?1000pF 解:(1)

(2)高频(ω→∞)时,其响应

Ku?Kq/Ca?2.5C/cm?2.5?10V/cm9

Ku?UamFm??d33Ca?Cc?Ci2.5C/cm?kqCa?Cc?Ci?12

8 ?1000?3000?50??10 (3)系统的谐振频率

?n??1?6.17?10V/cmF

??1R?Ca?Cc?Ci?

16 由

1?10?1000??3000?50??10?12?247?rads?

K????UimUam?/?n1???/?n?2,得

?1??5%???/?n1???/?n?2(取等号计算)

2 ???n??0.90251???/?n?2??

2

2

解出 (ω/ωn)=9.2564→ω/ωn=3.0424

ω=3.0424ωn=3.04243247=751.5(rad/s)

?0.9025?0.9025???n?