传感器设计和计算题

1、设计题（20分，每个10分）1.依据已学知识设计一光纤位移传感器（要求画出框架图，并解释位移与输出信号的关系）一删1B2M)w.-二一接收光束被测目标探头到被测_目标平面距离2.依据已学知识设计一种加速度传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件）质最块7-197393V/Z,膜片管对中套管J号一片英I-光纤I0.254mm厚的膜片3.用所学知识设计出一种压力传感器，说明他的工作原理?P103图4.10光纤测压传感器或者P151图6.264.光纤干涉仪有较高的灵敏度，具有非常大的动态范围等优势。利用集成电路技术和目前的电光技术起来，请画出集成的迈克尔逊（Michelson）干涉仪，并写出具体部

2、件。依据已学知识设计一硒蒸发膜湿度传感器（标明电极）图见书本P187页用热释电传感器设计一个热释电报警器？CCD图像传感器的工作原理？依据已学知识设计一容器内液体重量传感器微压传感器感压膜依据已学知识设计一种热释电传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件）画出你所认知的一种光电式传感器，要求注明结构如图是光电管阳极阴极阳极阴极设计微弯光纤传感器104页依据已学知识设计一种筒式压力传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件）依据已学知识设计一应变式感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件）应变电阻1和4沉积在杆的凹面处应变电阻2和3沉积在杆的凸面处依据已学知识，设计一个用差动变压式加速度传感器

3、来测量某测试台平台振动的加速度（只画出原理图）依据所学知识，设计一种实现自相关检测传感器（只画出原理图）依据已学知识设计一种零差法检测的光纤相位传感器（要求只画出框架图）依据已学知识设计一光纤磁传感器（要求画出框架图，并解释位移与输出信号的关系）答：书本P121，图4.38依据已学知识设计一种位移传感器（要求画出结构图并注明所用的敏感元件）（5分）P101图4.7（a）所示2计算题(10分)对于钢材v=5000m/s,若要e=l%时，对L=1mm的应变计，其允许的最高工作频率多大？答：f=v(6e)1/2/nl=5X106X(6X0.01)1/2/(nXI)=390kHz某温度传感器特性方程为

4、20dy/dt+5y=0.15x，其中y为输出电压(mV),x为输入温度(C),求该传感器的时间常数T和静态灵敏度k。用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计的灵敏度为5pC/g，电荷放大灵敏度为50mV/pC，当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V,试求机器的振动加速度。(g为重力加速度)解：由题意知，振动测量系统(压电式加速度计加上电荷放大器)的总灵敏度K=K1*K2=5pC/g*50mV/pC=250mV/g二U/a式中U为输出电压，a为振动系数的加速度。当输出电压为2V时，振动加速度为a=U/K=2*103/250=8(g)已知均匀光纤的折射率为n=1.5

5、0，相对折射率差为/=0.01,纤芯半径为1a=25卩m，试求：该光纤LP模的截止波长。若九=1卩m，试计算光纤的归010一化截止频率V及其中传输的模数量N各等于多少。(8%)由，/二_2=0.01，可得n1（3分）n=1.4852n2一n2=11.28pm12（3分）V=孝Jn2一n2=27.14Hz（3分）九12（3分）N=368已知某二阶系统传器的自振频率f0=lOkHz,阻尼比g=0.5,若要求传感器的输出幅值误差小于5%,试确定该传感器的工作频率范围。某压电加速度传感器的电容为Cs=100pF，电荷灵敏度Kq=2.5pC/g，求压电加速度传感器的电压灵敏度；外接电缆和示波器组成一个测

6、量系统，电缆电容Cc=100pF，示波器的输入阻抗为Ri=100MQ和并联电容为Ci=50pF，如测量系统允许的幅值误差为5%，最低可测频率是多少？根据一阶(惯性)系统的传递函数：型=G(s)=J，求冲激响应。X(s)ts+17.答：设输入信号为6函数，即:8(tt二0o,心0(0.1)且J8(t)dt=1(0.2)根据拉普拉斯变化：X(s)=L右(t)=1(0.3)所以：Y(s)=G(s)X(s)=G(s)=-/Ts+1/t(0.4)y(t)=L-i(Y(s)=-eVt8.6.25一应变片的电阻K=2.05,用柞应变为SOOiam的传感元件。(1求AR与/XR/R；若电源电压U-3V,求其惠

7、斯通测量电桥的非平衡输出电压Uq*AT?；A解：由Q，得ARSOOluh_3=Ke=2.05x:=1.64x10R10沁耻AR=1.64xlO-3xR=1.64x103x120Q=0197Q萇输出电压为TTAg孑U.=亠=-xl.64xlO-J=1.23x10-3($)&47?41.23(mV)9.7频率响应特性可由频率响应函数表示。设输出信号x(t)二sin3tLx(t)=3/s2+w2求稳态响应。Y(s)二k3/t(s+1/t)仏2+32)求变换其中e二一arctan3n稳定响应y(t)二ksin(3t+屮)/(1+32t210.1,如图所示，设R为电桥工作臂，受应1变时，其电阻变化为AR

8、,R,R,R均为固定桥臂。在起始时，电桥处于平TOC o 1-5 h z1234衡状态，此时Use二0当有AR1时，求电桥输出电压？R竺1答:因为Use=UR3R(1+当+R2)(1+R4)R1R1R3起始电桥处于平衡状态，所以=令，略去分母中的貧项,得Use=U(1+n)a2R1根据上图所示，已知此电路为直流电桥，Rl=l,R2=2,R3=3,求R4?根据R1R4=R2R3,得R4=R2R3/R1=6对于钢材应变波速是5000m/,若要相对误差是1%。对L=1mm的应变计，其允许的最咼工作的频率是?F=5x106x0.01=390khz兀已知P=IU为常数的图形,max求极限情况下的电导和电

9、压变化。如图已知叮IQP=2ELI=1EGQ2lP=UImaxQQ故可求得GL4P=max-E2如果照度变化足够大，既从零变至Ev,则电压变化为(OM-AB)GE-1 HYPERLINK l bookmark16 OB二()二一l0tan(arctanG)GLL式中，I为A点的暗电流。将G代入上式得到的电压变化为OL(maxI)OBT04PmaxE2在某二阶传感器的频率特性测试中发现，谐振发生在频率为216HZ处，并得到最大幅值比为1.4:1,试估该传感器的阻尼比和有角频率的大小。答：二阶系统P76页例题的电路分析计算有一直流电桥，如图，桥臂由R1,R2,R3,R4组成。求a,b两端开路电压和内阻答:R4R1R2R3(R3+R4)(R1+R2)小_R1R2(R3+R4)