【正文】 ? ? ? ? ? ?=2020??時(shí)： 單臂輸出電壓： 63o e e11 2 20 00 10 3 3 10 V 3 m V44 gRU U S UR ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 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(shí)，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(shí)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(jī)、衛(wèi)星等攜帶的紅外 遙感 儀 器 可以實(shí)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(shí)例說明。 不同點(diǎn)：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(qiáng)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(shí)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(diǎn)：壓電式加速度計(jì)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(jì)、超聲換能器、聲發(fā)射傳感器之間的異同點(diǎn)。 霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理 （物理本質(zhì)） ：在磁場中運(yùn)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(yùn)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(gè)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(jī)自動測光計(jì)，光度計(jì)，光電耦合器，光電開關(guān)（計(jì)數(shù)、位置、行程開關(guān)等），濁度檢測，火災(zāi)報(bào)警，光電閱讀器（如紙帶閱讀機(jī)、條形碼讀出器、考卷自動評閱機(jī)等），光纖通信，光纖傳感， CCD，色差，顏色標(biāo)記，防盜報(bào)警，電視機(jī)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(jī)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(shí)，物體的電子吸收光能是其導(dǎo)電性增加，電阻率圖 385 題 38 圖 x xp RL ue uo Rx Rp 壓力傳感器 電荷放大器 光線示波器 壓力 P 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(diǎn)？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(gè)測試系統(tǒng)的 框 圖 ， 并計(jì)算其總的靈敏度。 可以實(shí)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(shí)，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(diǎn)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 圖 384 題 34 圖 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(yùn) 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?yàn)榫€圈阻抗 Z=?L，所以靈敏度又可寫成 2 0022NAdZS d ????? ? ? 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(shí)的靈位電流平衡掉，只取有應(yīng)變時(shí)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(shí)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(shí)電流表示值； 2） 有應(yīng)變時(shí)電流表示值； 3） 電流表指示值相對變化量； 4） 試分析這個(gè)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(shí)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(diǎn)是 性能穩(wěn)定，現(xiàn)行較好；主要缺點(diǎn)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(jì)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?yàn)閮烧叽?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(shí)，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(shí)，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(shí)際出現(xiàn) ?l℃ 的真實(shí)高度是多少？ 解：該溫度計(jì)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(gè)時(shí)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(shí)，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 tT