传感器与检测技术 完美课后题答案 大连理工出版社 - 图文

答案:

7-5 电荷放大器所要解决的核心问题是什么?试推导其输入和输出的关系。

答案:电荷放大器所要解决的核心问题是电荷的累积,所以必须用于动态测量。 电荷输入和电压输出的关系如下:

qUo ≈ -

cf

7-6 简述压电式加速度传感器的工作原理。

答案:当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用,根据牛顿第二定律,此惯性力是加速度的函数。

F=m·a

式中 : F——质量块产生的惯性力; m——质量块的质量; a——加速度。

此时惯性力F作用于压电元件上,因而产生电荷q,当传感器选定后,m为常数,则传感器输出电荷为q=d11F=d11ma。与加速度a成正比。因此,测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。

7-7 请利用压电式传感器设计一个测量轴承支座受力情况的装置。 答案:

7-8 压电式传感器能否用于静态测量,为什么?

答案:不能用于静态测量。q=d11F=d11ma,静态时,F=0,即q=0。

7-9 图7-14所示是用压电式传感器和电荷放大器测量某种机器的振动,已知传感器的灵敏度为10mv/g,测得输出电压峰值为UOM=0.04V,振动频率为100HZ,g为重力加速度。 1)求机器振动的加速度最大值am(m/s2); 2)假定振动为正弦波,求振动的速度v(t); 3)求振动幅度最大值xm。

答案:(1)5.25×10 m/s(2)5.25×10m/s(3)52.5nm

7-10 用石英晶体加速度计测量机器的振动,已知加速度计的灵敏度为2.5 pC/g(g为重力加速度,g = 9.8 m/s2),电荷放大器灵敏度为80mV/pC,当机器达到最大加速度时,相应的输出幅值电压为4V。试计算机器的振动加速度。

答案:整个测试系统的灵敏度系数K应该等于加速度计灵敏度与电荷放大器灵敏度的乘积,所以K=2.5×80=200mV∕g 又K=

Ua-4

2

-6

,因此a=

UK=

4200?10?3=20g,机器的振动加速度为20g。

思考题和习题答案

8-1 简述变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理。

答案:恒磁通式的磁路系统产生恒定的直流磁场,磁路中的工作气隙固定不变,因而气隙中磁通也是恒定不变的。 其运动部件可以是线圈(动圈式),也可以是磁铁(动铁式)。而变磁通式使气隙磁阻产生周期性变化,从而引起磁路中磁通的变化,使线圈内产生周期性变化的感应电动势。 8-2 磁电式传感器的误差及其补偿方法是什么? 答案:当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时,其灵敏度将发生变化,

dSIdBdldR从而产生测量误差,其相对误差为 ?????SIBlR

在结构允许的情况下,在传感器的磁铁下设置热磁分路,进行温度补偿。 8-3 磁电式传感器测量扭矩的工作原理是什么? 答案:磁电式传感器测量扭矩的示意图如下:

磁电式传感器测量扭矩的工作原理如图所示,在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘。它们旁边装有相应的两个磁电传感器。传感器的检测元件部分由永久磁铁、感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链。当齿形圆盘旋转时,圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化,于是磁通量也发生变化,在线圈中感应出交流电压,其频率在数值上等于圆盘上齿数与转数的乘积。

习 题

11-1 光电效应有哪几种?相对应的光电元件各有哪些? 解答:(1)外光电效应 光电器件:光电管、光电倍增管。

(2)内光电效应 光电器件:米电池、光敏二极管、光敏晶体管。 11-2 简述外光电效应的光电倍增管的工作原理。若单位时间入射到单位面积上的光子为10 个(一个光子

等效于一个电子电量),光电倍增管共有16个倍增极,输出阳极电流为20A,且16个倍增极二次发射电子数按自然数的平方递增,试求光电倍增管的电流放大倍数和倍增系数。 11-3 试简单叙述光敏电阻的结构,用哪些参数和特性来表示它的性能?

解答:光敏电阻的结构:光敏电阻是具有内光电效应的光导材料制成的,为纯电阻器件。表示性能:光电流;伏安特性;光照特性;光谱特性;频率特性;光谱温度特性。

11-4 试比较光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的性能差异,在实际应用时各有什么特点? 解答:(1)光敏电阻:光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线,将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻如图所示。为了增加灵敏度,两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,成为自由电子,同时产生空穴,电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强,光生电子—空穴对就越多,阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后,流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失,电子-空穴对逐渐复合,电阻也逐渐恢复原值,电流也逐渐减小。

(2)光敏二极管:光敏二极管是利用硅PN结受光照后产生光电流的一种光电器件。同一型号的光敏二极管在一定的反偏电压、相同强度和不同波长的入射光照射下,产生的光电流并不相同,但有一最大值。不同型号的光敏二极管在同一反偏电压、同一强度的入射光照射下,所产生的光电流最大值也不相同,且光电流最大值所对应的入射光的波长也不相同。 光敏二极管工作时加有反向电压,没有光照时,其反向电阻很大,只有很微弱的反向饱和电流(暗电池)。当有光照时,就会产生很大的反向电流(亮电流),光照越强,该亮电流就越大。光敏二极管是一种光电转换二极管,所以又叫光电二极管。 (3)光敏晶体管: 根据PN结反向特性可知,在一定反向电压范围内,反向电流很小且处于饱和状态。此时,如果无光照射PN结,则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限,反向饱和电流保持不变,在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时,结内将产生附加的大量电子空穴对(称之为光生载流子),使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增,此时的反向电流称为光电流。不同波长的光(兰光、红光、红外光)在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。

(4) 光电池:光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单,核心部分是一个大面积的PN 结,把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路,当二极管的管芯(PN结)受到光照时,你就会看到微安表的表针发生偏转,显示出回路里有电流,这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多,所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。 11-5 光敏二极管和普通二极管有什么区别?如何鉴别光敏二极管的好坏?

解答:光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结,和普通二极管相比,在结构上不同的是,为了便于接受入射光照,PN结面积尽量做的大一些,电极面积尽量小些,而且PN结的结深很浅,一般小于1微米。 光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。检测方法:没有光照时,反向电流很小(一般小于0.1微安),称为暗电流。当有光照时,携带能量的光子进入PN结后,把能量传给共价键上的束缚电子,使部分电子挣脱共价键,从而产生电子---空穴对,称为光生载流子。有光照和没有光照时所测得的两个正向电阻值相差越大越好。 11-6 如何检测光敏电阻和光敏三极管的好坏? 解答:(1)光敏电阻:一、用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住,此时万用表的指针基本保持不动,阻值接近无穷大。此值越大说明光敏电阻性能越好。若此值很小或接近为零,说明光敏电阻已烧穿损坏,不能再继续使用。 二、将一光源对准光敏电阻的透光窗口,此时万用表的指针应有较大幅度的摆动,阻值

明显减小,此值越小说明光敏电阻性能越好。若此值很大甚至无穷大,表明光敏电阻内部开路损坏,也不能再继续使用。 三、将光敏电阻透光窗口对准入射光线,用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动,使其间断受光,此时万用表指针跟随黑纸片的晃动而左右摆动。如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动,说明光敏电阻的光敏材料已经损坏。

(2)光敏三极管:在实际应用中、小功率三极管多直接焊接在印刷电路板上,由于元件的安装密度大,拆卸比较麻烦,所以在检测时常常通过用万用表直流电压挡,去测量被测三极管各引脚的电压值,来推断其工作是否正常,进而判断其好坏。

11-7 光电耦合器分为哪几类?各有什么用途?

解答:根据结构和用途的不同,可将光电耦合器件分为两类,一类是用于实现光电隔离的光电耦合器,另一类是用于检测物体位置或检测有无物体的光电开关。

光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器,它具有抗干扰性能和单项信号传输等功能,有时刻取代继电器、变压器、斩波器等,广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制等场合。

光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作为光控制和光探测装置。可在自动检测系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全警报等。

11-8 试述光电开关的工作原理

解答:在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光,光的强度取决于激励电流的大小,此光照射到封装在一起的受光器上后,因光电效应而产生了光电流,由受光器输出端引出,这样就实现了电-光-电的转换。 11-9 试分析下列控制电路的工作原理。

解答:图一:在无光照时,光敏二极管(反向)截止,则BG1截止,BG2截止,继电器不动作,灯泡保持亮;有光照时,光敏管产生光电流,光强度达到某一值时,BG1导通,BG2导通,J常闭端打开,使灯泡熄灭。

图二:有无光照时,光敏电阻阻值较大,BT1截止,继电器不动作,灯泡保持亮;有光照时,光敏电阻阻值变小,光强度达到某一值时,BG1导通,BG2导通,J常闭端打开,使灯泡熄灭。

图三:当无光照时,光敏三极管无电流产生,继电器不工作,灯泡亮;有光照时,BG1产生光电流,继电器闭合,灯泡熄灭。

11-10 设计一个自动航标灯电路图。

要求: 1)用Si太阳能电池和蓄电池联合供电。

2)由日光照度控制其打开和关闭。

解答:如图所示,

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