传感器与检测技术 完美课后题答案 大连理工出版社

10、不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时,而出现的霍尔电势称为零位误差。

产生不等位电势的主要原因:①它是由于两个输出电极不在同一个等位面上造成的;②产生的原因主要有材料电阻率的不均匀,基片宽度和厚度不一致;③电极与基片间的接触位置不对称或接触不良造成的。

习 题

6-1 单项选择题

(1) 在两片间隙为1 mm的两块平行极板的间隙中插入 C ,可测得最大的电容量。 A.塑料薄膜 B.干的纸 C.湿的纸 D.玻璃薄片

(2) 电子卡尺的分辨率可达0.01 mm,行程可达200 mm,它的内部所采用的电容传感器型式是 B 。

A.变极距式 B.变面积式 C.变介电常数式

(3) 在电容传感器中,若采用调频法测量转换电路,则电路中 B 。 A.电容和电感均为变量 B.电容是变量,电感保持不变 C.电容保持常数,电感为变量 D.电容和电感均保持不变

(4) 差动电容传感器采用二极管双T型电路作测量电路时,其输出电压正比于( A )。 A.C1-C2 B.C1-C2 / C1+C2

C.C1+C2 / C1-C2 D.C1+C2 (5) 为减小电容传感器寄生电容的影响,可采用( B )。 A.电荷放大器 B.驱动电缆技术

C.相敏检波技术 D.电压放大器 (6) 利用湿敏电容可以测量 。

A.空气的绝对湿度 B.空气的相对湿度 C.空气的温度 D.纸张的含水量

(7) 传感器是一种采集信息的重要器件,图题6-1是由电容器作为传感器来测定压力变化的电路,当待测压力为F作用于可动膜片电极上时,以下说法中正确的(BD) A.若F向上压膜片电极,电路中有从a和b的电流 B.若F向上压膜片电极,电路中有从b和a的电流 C.若F向上压膜片电极,电路中不会出现电流 D.若电流表有示数则说明压力F发生变化

图题6-1

(8) 电容式接近开关对 D 的灵敏度最高。 A.玻璃 B.塑料 C.纸 D.鸡饲料

(9) 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系,除( B )外是线性的。 A、 变面积型 B、 变极距型 C、 变介电常数型 D、变体积型 (10) 自来水公司到用户家中抄自来水表数据,得到的是 B 。 A.瞬时流量,单位为t/h B.累积流量,单位为t或m3。 C.瞬时流量,单位为k/g D.累积流量,单位为kg (11) 管道中流体的流速越快,压力就越 B 。 A.大 B.小 C.不变 D.不确定

6-2 电容式传感器有什么主要特点? 解答:优点:(1)温度稳定性好(2)结构简单(3)动态响应好(4)可以实现非接触测量,具有平均效应。

缺点:(1)输出阻抗高,负载能力差(2)寄生电容影响大

6-3 根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型?各适用于什么场合?

解答:根据电容式传感器的工作原理,电容式传感器有三种基本类型,即变极距(d)型(又称变间隙型)、变面积(A)型和变介电常数(ε)型。变间隙型可测量位移,变面积型可测量直线位移、角位移、尺寸,变介电常数型可测量液体液位、材料含水量、材料厚度等。 6-4 如何改善单级式变极矩型传感器的非线性?

解答:非线性随相对位移??/?0的增加而增加,为保证线性度应限制相对位移的大小;起始极距?0与灵敏度、线性度相矛盾,所以变极距式电容传感器只适合于小位移测量;为提高传感器的灵敏度和改善非线性关系。变极距式电容传感器一般采用差动结构。

6-5 差动式变极距型电容传感器,若初始容量C1?C2?80?F,初始距离?0?4mm,当动极板现对于定级

板位移了???0.75mm时,试计算其非线性误差。若改为单平板电容,初始值不变,其非线性误差有多大?

解答:若初始容量C1?C2?80?F,初始距离?0?4mm,动极板现对于定级板位移了???0.75mm时,非线性误差为:

?L?(??)?100%?(20.754?0)?100%?3.5%

2改为单级平板电容,初始值不变,其非线性误差为:

?L????100%?0.754?100%?18.75%

?06-6 已知:圆盘形电容极板直径D=50mm,间距?0?0.2mm,在电极间置一块厚0.1mm的云母片(云母

片?r?7,空气?r?1)。求:(1)无云母片及有云母片两种情况下电容值C1及C2 是多少?(2)当间距变化???0.025mm时,电容相对变化量?C1/C1及?C2/C2是多少? 解答:1)C1??s?0?3.47?10?10F

C2??s?0?d?d/?r?6.08?10?10F

2)令???0?d?d/?r,则

/?C1C1?C2C2????/?01???/?0//????0????0.280

?0.143

??/?1???/????????/6-7 图6-26(b)为电容式液位计测量原理图。请为该测量装置设计匹配测量电路,要求输出电压U0与液

位h之间呈线性关系。

解答:由公式5-10 C?C0?2?h(?1??)lnD/d C0?2?h?lnD/d

可知。此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。由此,选用二极管双T型交流电桥作为测量电路。如图所示。

取R1=R2=R,C2=C0,C1=C,U为电源电压,由式5-34可知:

U0?ILRL?R(R?2RL)(R?RL)2RLU(C?C0)?UfM.2?h(?1??)lnD/d

M?R(R?2RL)(R?RL)2RL(常数)输出电压U0与液位h之间呈线性关系,满足要求。

6-8 有一个以空气为介质的变面积型平板电容传感器(如图5-5所示),其中a=8mm,b=12mm,l两板

极间距离为1mm。一块极板在原始位置上平移了5mm米后,求该传感器的位移灵敏度K(已知空气

相对介电常数??1,真空时的介电常数?0?8.854?10解答:电容变化量?C?C?C0??传感器的位移灵敏度 K?C?C0??0?rb?xd?12F/m。)

?0?rbd

带入数据,K=1.062?10-12F/m。

6-9 题 6-9图为电容式传感器的双T电桥测量电路,已知R1=R2=R=40K?,RL=20K?,e=10v,f=1MHz,

C0=10pF,C1=10pF,ΔC1=1pF。求UL的表达式及对应上述已知参数的UL值。

题 6-9

解答:当e为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止,于是电容C1充电,其等效电路如图(a)所示;在随后的

方波负半周,电容C1上的电荷通过电阻R1,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I1。当e为负半周时,VD2导通、VD1截止,则电容C0充电,其等效电路如图(b)所示;在随后出现的正半周中,C0通过电阻R2,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I2。根据上面所给的条件,则电流I1=I2,且方向相反,在一个周期内流过RL的平均电流为零。

若传感器输入不为0,则C1≠C0,I1≠I0,此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零,因此产生输出电压,输出电压在一个周期内平均值为

Uo?ILRL?1T?0?I1?t??TI2?t??dtRL?R(R?2RL)(R?RL)2?RLUf(C1?C0)

代入数据得:UL=-0.18V

6-10 简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。

解答: 电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测,其工作原理是在被测带材的上下两侧各放置一块面积相等,与带材距离相等的极板,这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极。而带材就是电容的另一个极,其总容量为C1?C2,如果带材的厚度发生变化,将引起电容量的变化,用交流电桥将电容的变化测出来,经过放大即可由电表指示测量结果。

思考题和习题答案

7-1 什么叫压电效应和逆压电效应?什么叫纵向压电效应和横向压电效应?

答案:某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应。 把沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应。而把沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。

7-2 石英晶体x,y,z轴的名称及其特点是什么?

答案:X轴称为电轴,比较常用的压电效应的方向,具有显著的纵向压电效应;Y轴称为机械轴,这个方向具有横向压电效应;Z轴称为光轴,这个方向上不存在光的双折射现象。

7-3 简述压电陶瓷的结构及其特性。

答案:压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。

在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。

7-4 画出压电元件的两种等效电路。

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