【正文】 第 10 章 信號(hào)處理及抗干擾技術(shù) 習(xí)題答案 1. 對(duì)傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，為什么要采用測(cè)量放大器？ 36 答：因?yàn)闇y(cè)量放大器不但具有很高的放大倍數(shù)，而且具有十分穩(wěn)定的輸出特性，符合傳感器微弱信號(hào)放大的要求。橫向振蕩只能在固體中產(chǎn)生，而縱向振蕩可在固體、液體和氣體中產(chǎn)生。這類傳感器主要有紅外二極管、三極管等。 光電型是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，其核心是光電元件。 熱敏型是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，其核心是熱敏元件。光纖傳感器具有靈敏度高，不受電磁波干擾，傳輸頻帶寬，絕緣性能好，耐水抗腐蝕性好，體積小，柔軟等優(yōu)點(diǎn)。 8. 設(shè)計(jì)一個(gè)采用霍爾傳感器的液位控制系統(tǒng)。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠性。輸出回路的輸出電阻及霍爾電壓與溫度之間的關(guān)系為 UHt=UH0(1+α t) Rvt=Rv0(1+β t) 32 式中， UHt為溫度為 t時(shí)的霍爾電壓； UH0為 0時(shí)的霍爾電壓； Rvt為溫度為 t時(shí)的輸出電阻； Rv0為０時(shí)的輸出電阻。 將元件的 α、β 值代入式 (2)，根據(jù) Ri0的值就可確定串聯(lián)電阻R的值。兩個(gè)輸入端串聯(lián)補(bǔ)償電阻 R并接恒電源，輸出端開路。與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內(nèi)阻、輸出電壓等參數(shù)也將隨溫度而變化。 2. 為什么導(dǎo) 體材料和絕緣體材料均不宜做成霍爾元件？ 答：因?yàn)閷?dǎo)體材料 的 μ 雖然很大，但 ρ 很小，故不宜做成元件，而絕緣材料的 ρ 雖然很大，但 μ 很小，故也不宜做成元件。 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。如圖 d 所示。這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計(jì)和照度計(jì)；二是恒定光源發(fā)射的光通量穿過被測(cè)物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上，吸收量取決于被測(cè)物的某些參數(shù)。圖中 Ф 1是光源發(fā)出的光信號(hào)， Ф 2是光電器件接受的光信號(hào)，被測(cè)量可以是 x1 或者 x2，它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號(hào) I。 它們的電路符號(hào)如下圖所示： 光 敏 二 極 管 光 敏 三 極 管 光 電 池 3．對(duì)每種半導(dǎo)體光電元件，畫出一種測(cè)量電路。反之，如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。 6. 簡(jiǎn)述正、逆壓電效應(yīng)。 缺點(diǎn)： 電纜長(zhǎng)，電纜電容 Cc 就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。 3．一壓電式傳感器的靈敏度 K1＝ 10pC／ MPa，連接靈敏度K2=／ pC 的電 荷 放大器，所用的筆式記錄儀的靈敏度K3=25mm／ V，當(dāng)壓力變化Δ p=8MPa 時(shí)，記錄筆在記錄紙上的偏移為多少 ? 解：記錄筆在記錄紙上的偏移為 S=10 25 8=16/mm 4．某加速度計(jì)的校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)，它能作 50Hz 和 1g 的振動(dòng)，今有壓電式加速度計(jì)出廠時(shí)標(biāo)出靈敏度 K＝ 100mV／ g，由于測(cè)試要求需加長(zhǎng)導(dǎo)線，因此要重新標(biāo)定加速度計(jì)靈敏度，假定所用的阻抗變換器放大倍數(shù)為 1，電壓放大器放大倍數(shù)為 100，標(biāo)定時(shí)晶 25 體管毫伏表上指示為 ，試畫出標(biāo)定系統(tǒng)的框圖，并計(jì)算加速度計(jì)的電壓靈敏度。 熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷、錳、鎳等的氧化物，采用不同比例的配方，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，然后采用不同的封裝形式制成 珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等各種形狀。 解：熱電阻將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值大小的熱電式傳感器 ,熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。其冷端溫度為 30℃，動(dòng)圈顯示儀表 (機(jī)械零位在 0℃ )指示值為 400℃，則認(rèn)為熱端實(shí)際溫度為 430℃，對(duì)不對(duì) ?為什么 ?正確值是多少 ? 解： 不對(duì)，因?yàn)閮x表的機(jī)械零位在 0℃，正確值為 400℃。 修 正 公 式 為 ：)t,(tE)t( t,E)t( t,E 01AB1AB0AB ?? ；四是電橋補(bǔ)償法。 答：熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕校阂皇抢涠撕銣胤?。只要測(cè)得各種金屬與純鉑組 成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)可直接計(jì)算出來。根據(jù)這個(gè)定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。該電場(chǎng)阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動(dòng)，最后也達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下， A 與B 兩導(dǎo)體的接觸處就產(chǎn)生了電位差 ，稱為接觸電動(dòng)勢(shì)。現(xiàn)假設(shè)導(dǎo)體 A 的自由電子密度大于導(dǎo)體 B 的自由電子密度，則導(dǎo)體 A 擴(kuò)散到導(dǎo)體 B 的電子數(shù)要比導(dǎo)體 B 擴(kuò)散到導(dǎo)體 A 的電子數(shù)大。 答：熱電效應(yīng)就是兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A 和 B 組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。 R R2 為標(biāo)準(zhǔn)電阻， u 為電源電壓。 第四章 電感式傳感器思考題答案 ？ 17 答：影響差動(dòng)變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是： 傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)的對(duì)稱性、磁性材料的殘余應(yīng)力、測(cè)量電路零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)等。 上 式 說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離 d 線性關(guān)系。 15 3 124200 ?? ?????? ? ???? aC /pF xkxCxaaC x )(4 00 ?????? ?? (x的單位為米 ) ?? )4 00 axCCC x ????? 3 21200 ??? ?????????? ? ???? ax CCK x /pF 1 02 03 04 0p FCx1 2 34xc m0 6. 某電容傳感器（平行極板電容器）的圓形極板半徑 )(4 mmr? ，工作初始極板間距離)( mm?? ，介質(zhì)為空氣。 b1da 1Δ xb2a 2C 1C 2C 1C 2u iu 0uu 題 3 圖 解： 根據(jù)測(cè)量電路可得 ttuaxuC Cuu ii ?? s in750s in320500 ???????? /mV ，如圖所示 。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。 12d1– 固 定 極 板 2活 動(dòng) 極 板 設(shè)極板面積為 A，其靜態(tài)電容量為 dAC ?? ，當(dāng)活動(dòng)極板移動(dòng) x后，其電容量為 22011dxdxCxd AC????? ? (1) 當(dāng) xd 時(shí) 11 22 ??dx 則 )1(0 dxCC ?? (2) 由式（ 1）可以看出電容量 C 與 x 不是線性關(guān)系，只有當(dāng) xd時(shí)，才可認(rèn)為是最近似線形關(guān)系?！?x/d （ 1） 電容因位移而產(chǎn)生的變化量為 axCxdbCCC ????????? 00 ? 其靈敏度為 dbxCK ?????? 可見增加 b 或減小 d 均可提高傳感器的靈敏度。 （ a） （ b） 習(xí)題圖 11 等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng) 解： （ 1） 4311 8 10 10R KR ? ??? ? ? ? ? ? ?， 311 1. 64 10 12 0 0. 19 68R k R? ?? ? ? ? ? ? ? ? 解：（ 2） 3111 1 2 3 4141 1 2 3 441311 2 41 1 3()( ) ( )(1 ) (1 )oRRRUER R R R RRRER R R R RRRRRER R RR R R????? ? ? ???? ? ? ????? ? ? 設(shè)橋臂比 21Rn R? ， 分母中 11/RR? 可忽略 ， 并考慮到平衡條件 3124RRRR? ， 則上式 可寫為 ： 121(1 )oRnUE nR?? ? ? ?32323 4 10(1 ) 2 101nnnn??? ? ? ??? ? ?? 1R F 11 10． 單臂電橋存在非線性誤差，試說明解決方法。電橋補(bǔ)償 法簡(jiǎn)單易行，而且能在較大的溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償，但上面的四個(gè)條件不一滿足，尤其是兩個(gè)應(yīng)變片很難處于同一溫度場(chǎng)。 在工業(yè)應(yīng)用中主要就是通過光的變化來各種電路的控制。兩只應(yīng)變片分別粘貼于等強(qiáng)度梁同一截面的正反兩面。從上面的計(jì)算可知：?jiǎn)伪蹠r(shí)靈敏度最低