【正文】 ? ? ? ? ? ? ? ? 雙臂輸出電壓： 63o e e 2 2 0 0 0 1 0 3 6 1 0 V 6 m V22 gRU U S UR ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 雙臂電橋較單臂電橋靈 敏度提高 1 倍。 第四章 信號的調(diào)理與記錄 41 以阻值 R=120?、靈敏度 Sg=2 的電阻絲應(yīng)變片與阻值為 120?的固定電阻組成電橋，供橋電壓為 3V，并假定負(fù)載電阻為無窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?2??和 2020??時，分別求出單臂、雙臂電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。 321 選用傳感器的基本原則是什么？試舉一例說明。 320 試說明激光測長、激光測振的測量原理。 319 在軋鋼過程中，需 監(jiān)測薄板的厚度，宜采用那種傳感器？說明其原理。 318 試說明固態(tài)圖像傳感器（ CCD 器件）的成像原理，怎樣實現(xiàn)光信息的轉(zhuǎn)換、存儲和傳輸過程，在工程測試中有何應(yīng)用？ CCD 固態(tài)圖像傳感器的成像原理： MOS 光敏元件或光敏二極管等將光信息轉(zhuǎn)換成電荷存儲在 CCD 的 MOS 電容中，然后再控制信號的控制下將 MOS 電容中的光生電荷轉(zhuǎn)移出來。 空間技術(shù)中利用飛船、航天飛機、衛(wèi)星等攜帶的紅外遙感儀器可以實現(xiàn)很多對地、對空觀測任務(wù) 。為什么在空間技術(shù)中有廣泛應(yīng)用？舉出實例說明。 不同點：壓力需要彈性敏感元件轉(zhuǎn)換成位移。 解答： 微彎測壓力原理：力 ?微彎板 ?光纖變形 ?光纖傳遞的光強變化。 渦電流傳感器，紅外輻射溫度測量，聲發(fā)射傳感器（壓電 式）等。 聲發(fā)射傳感器不同于加速度傳感器，它受應(yīng)力波作用時靠壓電晶片自身的諧振變形把被檢試件表面振動物理量轉(zhuǎn)化為電量輸出。 聲發(fā)射傳感器是 基于晶體組件的壓電效應(yīng)，將聲發(fā)射波所引起的被檢件表面振動轉(zhuǎn)換成電壓信號的換能設(shè)備，所有又常被人們稱為聲發(fā)射換能器或者聲發(fā)射探頭。利用正、逆壓電效應(yīng)。 不同點：壓電式加速度計利用正壓電效應(yīng)，通過慣性質(zhì)量快將振動加速度轉(zhuǎn)換成力作用于壓電元件，產(chǎn)生電荷。 314 試說明壓電式加速度計、超聲換能器、聲發(fā)射傳感器之間的異同點。 霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的機理（物理本質(zhì)）：在磁場中運動的電荷受到磁場力 FL（稱為洛侖茲力）作用，而向垂直于磁場和運動方向的方向移動，在兩側(cè)面產(chǎn)生正、負(fù)電荷積累。 313 何謂霍爾效應(yīng)？其物理本質(zhì)是什么？用霍爾元件可測哪些物理量？請舉出三個例子說明。 如遙控器，自動門（熱釋電紅外探測器），光電鼠標(biāo)器，照相機自動測光計，光度計，光電耦合器，光電開關(guān)（計數(shù)、位置、行程開關(guān)等），濁度檢測，火災(zāi)報警，光電閱讀器（如紙帶閱讀機、條形碼讀出器、考卷自動評閱機等），光纖通信，光纖傳感， CCD，色差，顏色標(biāo)記，防盜報警，電視機中亮度自動調(diào)節(jié)，路燈、航標(biāo)燈控制，光控?zé)糇?，音樂石英鐘控制（晚上不奏樂），紅外遙感、干手器、沖水機等。 內(nèi)光電效應(yīng)（亦稱光導(dǎo)效應(yīng)） — 物體受到光線照射時，物體的 電子吸收光能是其導(dǎo)電性增加，電阻率下降的現(xiàn)象，有光敏電阻和由其制成的光導(dǎo)管。 312 光電傳感器包含哪兒種類型？各有何特點？用光電式傳感器可以測量哪些物理量？ 解答：包括利用外光電效應(yīng)工作的光電傳感器、利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電傳感器、利用光生伏特效應(yīng)工作的光電傳感器三種。 311 一壓電式壓力傳感器的靈敏度 S=90pC/MPa，把它和一臺靈敏度調(diào)到 放大器連接，放大器的輸出又接到一靈敏度已調(diào)到 20mm/V 的光線示波器上記錄，試?yán)L出這個測試系統(tǒng)的框圖，并計算其總的靈敏度。 可以實現(xiàn)非接觸測量的是：電容式、光纖式等傳感器。 39 試按接觸式與非接觸式區(qū)分傳感器，列出它們的名稱、變換原理，用在何處？ 解答：接觸式：變阻器式、電阻應(yīng)變式、電感式（渦流式除外）、電容式、磁電式、壓電式、熱電式、廣線式、熱敏電阻、氣敏、濕敏 等傳感器。 由上式可見，只有當(dāng) Rp/RL?0 時，才有oepxu u xx??。 x p lpxR R k x xx? ? ?，輸出電阻與 輸入位移成線性關(guān)系。它的輸人量是什么？輸出量是什么？在什么樣條件下它的輸出量與輸人量之間有較好的線性關(guān)系？ 解答：輸入量是電刷相對電阻元件的位移 x，輸出量為電刷到端點電阻 Rx。另外電容式、電感式傳感器測量電路種類繁多。電容、電感式傳感器都可使用調(diào)幅電路、調(diào)頻電路等。 解答：電容式傳感器的測量電路 T? ?? ???? ?? ?? ????????諧 振 式 調(diào) 幅 電 路調(diào) 幅 電 路電 橋 電 路直 放 式調(diào) 頻 電 路外 差 式運 算 放 大 器 電 路二 極 管 型 網(wǎng) 絡(luò)差 動 脈 寬 調(diào) 制 電 路極 化 電 路 等 自感型變磁阻式電感傳感器的測量電路： ? ????? ????? ?? ??? ??????????諧 振 式 調(diào) 幅 電 路惠 斯 登 電 橋調(diào) 幅 電 路 變 壓 器 電 橋電 橋 電 路緊 耦 合 電 感 臂 電 橋帶 相 敏 檢 波 的 電 橋 等調(diào) 頻 電 路調(diào) 相 電 路 等 電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路：電橋電路（直流電橋和交流電橋）。 加大磁路橫截面積 A0、線圈匝數(shù) N 會增大傳感器尺寸，重量增加，并影響到動態(tài)特性；減小氣隙 ?會增大非線性。 2 0022NAdLS d ???? ? ? 又因為線圈阻抗 Z=?L，所以靈敏度又可寫成 2 0022NAdZS d ????? ? ? 圖 384 題 34 圖 由上式可見，靈敏度與磁路橫截面積 A0、線圈匝數(shù) N、電源角頻率 ?、鐵芯磁導(dǎo)率 ?0，氣隙 ?等有關(guān)。一 般需要電橋來測量，將無應(yīng)變時的靈位電流平衡掉，只取有應(yīng)變時的微小輸出量，并可根據(jù)需要采用放大器放大。設(shè)工作時其應(yīng)變?yōu)?1000??，問 ?R＝？設(shè)將此應(yīng)變片接成如圖所示的電路，試求： 1）無應(yīng)變時電流表示值； 2）有應(yīng)變時電流表示值； 3）電流表指示值相對變化量； 4）試分析這個變量能否從表中讀出？ 解：根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式 ?R/R=Sg?得 ?R=Sg? R=2?1000?106?120=? 1） I1= 2） I2=(R+?R)=(120+)?= 3） ?=(I2I1)/I1?100%=% 4）電流變化量太小，很難從電流表中讀出。 選用時要根據(jù)測量精度要求、現(xiàn)場條件、靈敏度要求等來選擇。 電阻絲應(yīng)變片主要優(yōu)點是性能穩(wěn)定，現(xiàn)行 較好；主要缺點是靈敏度低，橫向效應(yīng)大。 解答：氣壓表、彈簧秤、雙金屬片溫度傳感器、液體溫度傳感器、毛發(fā)濕度計等。 解答：主要因素是彈性敏感元件的蠕變、彈性后效等。設(shè)已知該裝置的靜態(tài)增益為 3，求該裝置的傳遞函數(shù)和該裝置在無阻尼固有頻率處的頻率響應(yīng)。 解： 11 1 .5 3() 3 .5 0 .5 7 1 7 1KHs s s s? ? ?? ? ?，即靜態(tài)靈敏度 K1=3 22 22 2 2 2 241() 1 . 4 1 . 4nnn n n nKHs s s s s??? ? ? ???? ? ? ?，即靜態(tài)靈敏度 K2=41 因為兩者串聯(lián)無負(fù)載效應(yīng)，所以 總靜態(tài)靈敏度 K = K1 ? K2 = 3 ? 41 = 123 210 設(shè)某力 傳感器可作為二階振蕩系統(tǒng)處理。根據(jù)線性定常系統(tǒng)的頻率保持性可知，當(dāng)輸入為正弦信號時，其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)仍然為同頻率的正弦信 號，而正弦信號的平均值為 0，所以穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的均值顯示為 0。 解答：令 x(t)=cos?t，則22() sXs s ?? ?，所以 221( ) ( ) ( ) 1 sY s H s X s ss???? ?? 利用部分分式法可得到 21 1 1 1 1 1() 11 ( ) 2 ( 1 ) 2 ( 1 )Ys j s j j s js?? ? ? ? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? ?? 利用逆拉普拉斯變換得到 1222/22/21 1 1( ) [ ( ) ]1 ( ) 2( 1 ) 2( 1 )1 ( )1 ( ) 2 [ 1 ( ) ]1c os si n1 ( )11 ( ) c os( a r c t a n )1 ( )tj t j tt j t j t j t j ttty t Y s e e ejje e j e eet t ete???? ? ? ?????? ? ? ? ????? ? ?? ?? ???? ? ? ????????????? ? ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?????? ? ??????? ? ? ????L 28 求頻率響應(yīng)函數(shù)為 3155072 / (1 + ?)(1577536 + 1760j? ?2)的系統(tǒng)對正弦輸入 x(t)=10sin()的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的均值顯示。 ?在 左右時，幅頻特性近似常數(shù)的頻率范圍最寬，而相頻特性曲線最接近直線。 如果 f=50Hz，則 相對幅值誤差：2 6 2111 1 0 0 % 1 1 0 0 % 1 . 3 %1 ( 2 ) 1 ( 2 5 2 3 1 0 5 0 )f? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? 相角差： 6( ) a r c t a n ( 2 ) a r c t a n ( 2 5 2 3 1 0 5 0 ) 9 . 3 3f? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 26 試說明二階裝置阻尼比 ?多采用 ~ 的原因。試問實際出現(xiàn) ?l℃的真實高度是多少？ 解：該溫度計為一階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)設(shè)為 1()15 1Hs s? ?。 設(shè)溫度按每升高 30m 下降 ℃的規(guī)律而變化，氣球?qū)囟群透叨鹊臄?shù)據(jù)用無線電送回地面。 22 用一個時間常數(shù)為 的一階裝置去測量周期分別為 1s、 2s 和 5s 的正弦信號，問穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值誤差將是多少？ 解：設(shè)一階系統(tǒng) 1()1Hs s?? ?， 1()1H j? ??? ? 2 211( ) ( )21 ( ) 1 ( )AHT?? ????? ? ???， T 是輸入的正弦信號的周期 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)相對幅值誤差 ? ? 1 100%A??? ? ?，將已知周期代入得 5 8 .6 % 1s3 2 .7 % 2s8 .5 % 5sTTT?????????? 23 求周期信號 x(t)=+(100t ? 45?) 通 過 傳 遞 函 數(shù) 為H(s)=1/(+1)的裝置后得到的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)壓力變化為 時，記錄筆在記錄紙上的偏移量是多少？ 解：若不考慮負(fù)載效應(yīng)，則各裝置串聯(lián)后總的靈敏度等于各裝置靈敏度相乘，即 S=(nC/MPa)?(V/nC)?20(mm/V)=。 解答： (1) 0000 011l im ( ) d sin ( ) d 0TTx Tμ x t t x ω t φ tTT??? ? ? ???，式中0 2πT ω?— 正弦信號周期 (2)00 222 2 2 2 0000 0 0001 1 1 c o s 2 ( )l im ( ) d s in ( ) d d22T T TxTxx ω t φψ x t t x ω t φ ttT T T????? ? ? ? ?? ? ? (3)在一個周期內(nèi) 0 1 2Δ Δ 2ΔxT t t t? ? ? 0002 Δ[ ( ) Δ ] l im xxTTT tP x x t x x T T T??? ? ? ? ? ? 22Δ 0 Δ 0 00 0[ ( ) Δ ]2 Δ 2 d 1( ) l im l imΔ Δ dxxP x x t x x t tpx x T x T x π xx??? ? ?? ? ? ? ? x(t) 正弦信號 x x+Δx Δt Δt t f X(f) ω0 ω0 矩形調(diào)幅信號頻譜 第二