【導讀】2．傳感器按能量的傳遞方式分為有源的和無源的傳感器。的大小，將其二階響應分成三種情況.1??象，可分為外光電效應和內光電效應兩類。有反轉光敏二極管。子倍增極及電子收集極（陽極）等組成。高阻狀態(tài)；當有光照射時，其電阻值迅速減小。應管的閾值電壓的變化；肖特基金屬半導體二極管的勢壘變化進行氣體檢測。元件在弱磁場中呈現(xiàn)平方特性，而在強磁場中呈現(xiàn)線性變化。變效應；半導體或固體受到作用力后電阻率要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱壓阻效應。產(chǎn)，是一種很有前途的新型應變片。

　　

【正文】 量 E=1011Pa 。要求： ① 繪出彈性元件貼片位置及全橋電路； ② 計算傳感器在滿量程時，各應變片電阻變化； ③ 當橋路的供電電壓為 10V時，計算傳感器的輸出電壓。 解： ① ② 圓桶截面 積 應變片 4 感受縱向應變； 應變片 8 感受縱向應變； 綜合練習 滿量程時： （ 3） 5．圖所示一簡單電感式傳感器。尺寸已示于圖中。磁路取為中心磁路，不記漏磁，設鐵心及銜鐵的相對磁導率為 104，空氣的相對磁導率為 1，真空的磁導率為 4π10 7H﹒ m1， 試計算氣隙長度為零及為 2mm時的電感量。圖中所注尺寸 單位均為 mm. 解： 空氣氣隙為零時： 空氣氣 隙為 2mm 時： 6. 采用交流電橋電路的 電阻 應變儀由電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、振蕩器和電源部分組成 。試畫出電阻應變儀的方框圖，并說明各個部分的作用。 綜合練習 解： ① 電橋： 將應變計的電阻變化轉換成電壓或電流信號 ,以便放大器放大。通常電橋由正弦振蕩器供電 ,其頻率為 500 赫～ 50 千赫 ,較低頻率的被測應變信號對較高 的頻率的電橋電壓進行調幅，輸出一個窄頻帶的調幅波信號。 ② 放大器： 對電橋輸出的微弱信號進行不失真的放大，并以足夠的功率去推動指示器和記錄器。為提高 放大器的穩(wěn)定性，一般采用交流載波放大器，直流放大器僅用于超動態(tài)應變儀。 ③ 相敏檢波器： 將放大后的調幅波還原為被測應變信號波形，同時反映被測應變信號 的方向，通常采用環(huán)形相敏檢波器。 ④ 濾波器： 濾除相敏檢波器輸出信號中的高次諧波分量，以獲得理想的輸出波形。 ⑤ 振蕩器： 產(chǎn)生一個穩(wěn)定的振蕩電壓，作為電 橋供電電壓和相敏檢波器的參考電壓。 7. 試述光電耦合器的結構，特點和作用和應用場合。 （ 1）結構： 發(fā)光元件和光電傳感器同時封裝在一個外殼內組合而成的轉換元件。 （ 2）光電耦合器的特點： (a) 結構簡單、成本低，通常用于工作頻率 50kHz 以下的裝置。 (b)采用高速開關管構成的高速光電耦合器 ,適用于較高頻率的裝置中。 (c)采用放大三極管構成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅動和較低頻率的裝置中。 （ 3）作用和應用場合 以光為媒介進行耦合來傳遞電信號，可實現(xiàn)電隔離，在電氣上實現(xiàn)絕緣耦合，因而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于它具有單向信號傳 輸功能，因此適用于數(shù)字邏輯中開關信號的傳輸和在邏輯電路中作為隔離器件及不同邏輯電路間的接口。 8. 試述光在光纖中傳播的基本原理，列舉光纖的幾個重要參數(shù)和光纖的分類。 答：基本原理： 斯涅爾定理 (Snell39。s law)，光由光密介質入射到光疏介質時發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即 n1n2 時，θ r＞θ i。 n nθ r、θ i 間的數(shù)學關系為： n1sinθ i=n2sinθ r （ 1）當θ r=90186。 時，θ i仍＜ 90186。，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨界狀態(tài)。臨界角θ i0 為：θ i0=arcsin(n2/n1) 綜合練習 （ 2）當θ i＞θ i0 并繼續(xù)增大時，θ r＞ 90186。，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。 光纖是基于全內反射原理的。 光纖的重要參數(shù)分別為：數(shù)值孔徑，傳播模式和傳播損耗。 按折射率變化類型分類 ： 階躍折射率光纖 和漸變 折射率光纖 。 按傳播模式的多少： 單模光纖和多模光纖。 從傳感器機理上來說 ： 光纖傳感器可分為振幅型（也叫強度型）和相位型（也叫干涉儀型）兩種。 9. C形彈簧管變磁阻式傳感器結構圖如下，試分析其工作原理。 答：當被測壓力進入 C 形彈簧管時 , C 形彈簧管產(chǎn)生變形 , 其自由端發(fā)生位移 , 帶 動與自由端連接成一體的銜鐵運動 , 使線圈 1 和線圈 2 中的電感發(fā)生大小相等、 符號相反的變化 , 即一個電感量增大 , 另一個電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關系 , 所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓 , 即可得知被測壓力的大小。 10. 分析壓電加速度傳感器的工作原理，并畫出壓電加速度傳感器的實際應用等效電路。 答：當加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即 F=ma 式中： F—質量塊產(chǎn)生 的慣性力； m—質量塊的質量； a—加速度。 此時慣性力 F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷 q，當傳感器選定后， m 為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為 q=d11F=d11ma 與加速度 a 成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。 等效電路：（ a） 為電壓源等效電路，（ b）為電荷源等效電路。UaCaRaCcRiCiq RaCcRiCiCe( a ) ( b )綜合練習 11. 由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。說明前置放大器的作用和種類，說明電荷放大 器應用廣泛的原因并畫出其等效電路。 答：前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號。 前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓 (即傳感器的輸出 )成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計，故而電荷放大器應用日益廣泛。 等效電路圖如下： － Au oC iq C a C eC r 12. 根據(jù)以下光電池的特性曲線，分析光電 池的基本特性。 硅光電池的光照特性 硅光電池光照特性與負載的關系 光電池的光譜特性 光電池的頻率特性 綜合練習 硅光電池的溫度特性曲線 答： 1﹑光照特性 開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當照度為 2020lx 時趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。 短路電流：指外接負載相對于光電池內阻而言是很小的。負載電 阻 RL越小，光電流與照度的線性關系越好，且線性范圍越寬 。 2. 光譜特性 光電池在可見光譜范圍內有較高的靈敏度，峰值波長在 500nm附近，適宜測可見光。硅光電池應用的范圍 400nm— 1200nm，峰值波長在 800nm附近，因此可在很寬的范圍內應用。 3. 頻率特性 光電池的頻率特性就是指輸出電流隨調制光頻率變化的關系。頻率特性與材料、結構尺寸和使用條件等有關。由于光電池 PN 結面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。硅光電池具有較高的頻率響應，而硒光電池則較差。 4. 溫度特性 開路電壓和短路電流隨溫度變化的關 系。開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標。當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。