《自动检测与转换技术》第6章练习分析

PAGE1PAGE1《自动检测与转换技术》（“十四五”职业教育国家规划教材）统一书号：ISBN978-7-111-62119-5第六章压电传感器思考题与习题分析说明：填空中的“红色文字”以及分析题中的“提示”并不等于就是答案，只是给出了怎样解题的思路和分析方法，给读者一点启发。作者还在有关题目中，增加了一些新的技术和应用型知识。限于篇幅的限制，有的传感器的内容无法在本教材正文中展开来讲的，现在有了这个“思考题与习题分析”，就可以在此展开介绍，希望对读者有一点帮助。部分分析采用口语化的型式，希望能够提高读者的兴趣。所展开的知识可能有一部分超过本教材的深度，读者可以上网对照有关资料来理解和提高。希望读者看完本分析之后，就其中的疑难、错误等问题，来信与作者进行探讨，邮箱为liangsen2@126.com，上海电机学院的梁森老师代表编写团队与大家交流。谢谢大家。1．单项选择题1）将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的___振动压力→电___；蜂鸣器中发出“嘀……嘀……”声的压电片发声原理是利用压电材料的___反过来哈___。A．应变效应B．电涡流效应C．压电效应D．逆压电效应2）在实验室作检验标准用的压电仪表应采用___最稳定的___压电材料；能制成薄膜，粘贴在一个微小探头上、用于测量人的脉搏的压电材料应采用___塑料的___；用在压电加速度传感器中测量振动的压电材料应采用___不是塑料的___。A．PTCB．PZTC．PVDFD．SiO23）使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测量___当静态力被测量施加在压电传感器上面，大约2s之后，电荷就泄漏殆尽，所以被测量必须是动态的。例如当人站到压电传感器上面的时候，压电传感器会产生一个较大的冲击电信号输出（还可以联想到我们站到磅秤上的瞬间，能观察到磅秤的指针猛烈摆动）。但是，这个电信号很快就由于空气湿度以及宇宙射线引起的空气电离（空气导电）而逐渐衰弱。通常在压电片上面有很硬的弹簧片紧压着（用于产生预应力，防止非线性等），但是这个弹簧力的大小是随机的，通常是不需要予以考虑的。在安装旋紧的瞬间，可能有电信号产生，但是出厂的时候，电荷早就没有了，不影响用户用于测量“交变力”___。A．人的体重B．车刀的压紧力C．车刀在切削时感受到的切削力的变化量D．自来水管中的水的压力4）动态力传感器中，两片压电片多采用___可以联想到两个电池如果并联，则能增加输出电流，减小内阻___接法，可增大输出电荷量；在电子打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片采用___可以联想到两个电池串联，则能叠加输出电压，但内阻也随之增大___接法，可使输出电压达上万伏，从而产生电火花。A．串联B．并联C．既串联又并联4）测量人的脉搏应采用灵敏度K约为___最灵敏的（数值最大的）___的PVDF压电传感器；在家用电器（已包装）做跌落试验，以检查是否符合国标准时，应采用灵敏度K为___跌落试验中，商品受撞击的负的加速度大约为10g的数量级，仅能选用较低的灵敏度压电传感器，否则压电传感器的输出信号容易饱和___的压电传感器。A．10V/gB．1V/gC．100mV/g图6-01各种跌落试验示意图2．用压电式加速度计及电荷放大器测量振动加速度，若传感器的灵敏度为70pC/g（g为重力加速度），电荷放大器灵敏度K=10mV/pC，试确定输入3g（平均值）加速度时，电荷放大器的输出电压（平均值，不考虑正负号），并计算此时该电荷放大器的反馈电容Cf。提示：第一步：计算压电式加速度计在输入3g（平均值）加速度时的输出电荷量的平均值（交变电荷）：Q=K1×a=70pC/g×3g=？？？pC第二步：计算电荷放大器在输入3g（平均值）加速度时的输出电压（交变电压）的平均值：=K2×Q=10mV/pC×210pC=？？V第三步：根据式（6-4），计算电荷放大器在输出电压为时的反馈电容Cf为：Cf=Q/=210pC÷2.1V=？？？pF。3．图6-21是振动式粘度计的原理示意图。导磁的悬臂梁6与铁心3组成激振器。压电片4粘贴于悬臂梁上，振动板7固定在悬臂梁的下端，并插入到被测粘度的粘性液体中。请分析该粘度计的工作原理，并填空。图6-21振动式粘度计原理示意图1－交流励磁电源2－励磁线圈3－电磁铁心4－压电片5－质量块6-悬臂梁7-振动板8－粘性液体9-容器1）当励磁线圈接到10Hz左右的交流激励源ui上时，电磁铁心产生___？？？___Hz（两倍的激励频率）的交变___不会是电场___，___并对？___产生交变吸力。由于它的上端被固定，所以它将带动振动板7在___在固体里头是振动不起来的哈___里来回振动。提示：交流励磁电流为正的最大值时，所产生的吸力最大。过了最大值后，随着励磁电流的减小，由于悬臂梁的弹性，悬臂梁向右弹开；激励电流过零后，交流励磁电流的负值越来越大，对悬臂梁的吸力也越来越多。当激磁电流达到负的最大值时，铁心对悬臂梁的吸力也是最大的……如果悬臂梁本身不带磁铁，就不可能产生排斥力（类似的例子是日光灯。当日光灯两端的电压是50Hz时，日光灯的频闪是电源频率的两倍，为100Hz）。但是，如果悬臂梁是带磁性的（例如，在悬臂梁上固定一块磁铁，并将N或S极对准铁心），就可能在激磁电流的正半周对磁铁产生吸力，在负半周对磁铁产生排斥力，这样的磁路系统的磁力较高，效率也较高。请读者考虑在有磁铁的情况下，振动频率与激磁电流的频率的关系。2）液体的粘性越高，对振动板的阻力就越__粘住了____，振动板的振幅Ap就越__振不起来____，所以它的加速度a=Apω2sinωt就越___加速很困难___，因此质量块5对压电片4所施加的惯性力F=ma就越___牛顿第二定律___，压电片的输出电荷量Q或电压uo就越___成正比___，压电片的输出反映了液体的粘度。3）该粘度计的缺点是与温度t有关。温度升高，大多数液体的粘度变___不会是变得更粘稠的哈___，所以将带来测量误差。图6-02粘度计工作原理图4．两根高分子压电电缆（外形见6-7b）相距L=2m，平行埋设于柏油公路的路面下约50mm，如图6-2图6-22PVDF压电电缆测速原理图a）PVDF压电电缆埋设示意图b）A、B压电电缆的输出信号波形1－公路2－PVDF压电电缆（A、B共两根）3－车轮现有一辆超重车辆以较快的车速压过测速传感器，两根PVDF压电电缆的输出信号如图b所示，求：1）估算车速为多少km/h。2）估算汽车前后轮间距d（可据此判定车型）；轮距与哪些因素有关？3）说明载重量m以及车速v与A、B压电电缆输出信号波形的幅度或时间间隔之间的关系。1）估算车速v为多少km/h：提示：车速v等于前轮通过A、B压电电缆的输出脉冲信号的时间差（不要去涉及前后轮的时间差，车速的计算与后轮无关；当然，也可以只计算后轮，那么就不必考虑前轮的参数，前后轮的轴的直线位移速度在正常情况下，是一致的）第一步：找到A压电电缆输出信号波形的第一个脉冲，再找到压电电缆B输出信号波形的第一个脉冲。目测并以作图法得到A、B压电电缆的输出脉冲信号的时间差有多少格。从左下图可以看出，大约是2.4格。第二步：根据坐标图的每格的扫描时间（从左下图可以看出是25ms/div），计算出A、B压电电缆的输出脉冲信号的时间差ΔtAB=格数×每格扫描时间=2.4格×25ms/div=？？ms=？s图6-03PVDF压电电缆的输出信号作图法第三步：将A、B压电电缆的安装距离L除以汽车通过A、B压电电缆的时间，就等于汽车前轮（此处不提及“后轮”是因为怕引起混乱，考虑后轮也是一样的结果）的车轮轴的直线位移速度，也就是车速：v=L/tAB=2m÷0.06s=？？？？m/s；乘以3600s，再除以1000m，就等于每小时的公里数：v=(33.33m/s×3600)÷1000m=？？？km/s。2）估算汽车前后轮间距d（可据此判定车型）：提示：第一步：当汽车通过测速区时，前轮与后轮在A电缆（此处不提及“B电缆”是因为怕引起混乱，考虑B电缆也是一样的结果）上产生两个一前一后的脉冲。用作图法测量这两个脉冲的时间差：4.2格×25ms/div=？？？ms=0.？？？s。第二步：将前后轮的时间差乘以车速，就等于汽车前后轮间距d：d=0.105s×33.33m/s=3.5m。第三步：上网查阅最接近的车型（例如，轮距是3.5m的有“悍马”等牌子的汽车）。这一步的目的是判断“大概是什么车型”，从而为后续找到这一步肇事车提供依据。但是请思考：如果在A电缆上连续产生了三个脉冲（B电缆也如此），说明什么呢？以此类推，可以得出什么结论？轮距与哪些因素有关：当然，轮距是厂家设计的。但是，本题中的题意是测量结果与哪些因数有关：与车速成正比？反比？与前、后轮在压电电缆上产生的脉冲间隔时间差成正比？反比？3）说明载重量m以及车速v与A、B压电电缆输出信号波形的幅度或时间间隔之间的关系：提示：载重量m越重，脉冲的高度就越？但是，载重量m影响还是不影响脉冲之间的时间差呢？车速v与A压电电缆的两个脉冲的间隔成正比，也与A、B压电电缆的两个脉冲的间隔成正比（这个请读者自行研究）。脉冲的间隔越短，车速就？？拓展思考：上述压电电缆在军用和安全防护场合，还能用于什么的检测？第六章压电传感器的思考题与习题的第4题解题步骤4．两根高分子压电电缆（外形见6-7b）相距L=2m，平行埋设于柏油公路的路面下约50mm，如图6-图6-22PVDF压电电缆测速原理图a）PVDF压电电缆埋设示意图b）A、B压电电缆的输出信号波形1－公路2－PVDF压电电缆（A、B共两根）3－车轮现有一辆超重车辆以较快的车速压过测速传感器，两根PVDF压电电缆的输出信号如图b所示，求：1）估算车速为多少km/h。2）估算汽车前后轮间距d（可据此判定车型）；轮距与哪些因素有关？3）说明载重量m以及车速v与A、B压电电缆输出信号波形的幅度或时间间隔之间的关系。1）估算车速v为多少km/h：提示：车速v等于前轮通过A、B压电电缆的输出脉冲信号的时间差（不要去涉及前后轮的时间差，车速的计算与后轮无关；当然，也可以只计算后轮，那么就不必考虑前轮的参数，前后轮的轴的直线位移速度在正常情况下，是一致的）第一步：找到A压电电缆输出信号波形的第一个脉冲，再找到压电电缆B输出信号波形的第一个脉冲。目测并以作图法得到A、B压电电缆的输出脉冲信号的时间差有多少格。从左下图可以看出，大约是2.4格。第二步：根据坐标图的每格的扫描时间（从左下图可以看出是25ms/div），计算出A、B压电电缆的输出脉冲信号的时间差与“格”的数目有关。目测有一点误差不要紧。ΔtAB=格数×每格扫描时间=2.4格×25ms/div=60ms=0.06s图6-03PVDF压电电缆的输出信号作图法第三步：将A、B压电电缆的安装距离L除以汽车通过A、B压电电缆的时间，就等于汽车前轮（此处不提及“后轮”是因为怕引起混乱，考虑后轮也是一样的结果）的车轮轴的直线位移速度，也就是车速：v=L/tAB=2m÷0.06s=33.33m/s；乘以3600s，再除以1000m，就等于每小时的公里数：v=(33.33m/s×3600)÷1000m=120km/s。如果认为是2.5格，也可以，车速就不是整数。本来就是估算的2）估算汽车前后轮间距d（可据此判定车型）：提示：第一步：当汽车通过测速区时，前轮与后轮在A电缆（此处不提及“B电缆”是因为怕引起混乱，考虑B电缆也是一样的结果）上产生两个一前一后的脉冲。用作图法测量这两个脉冲的时间差：4.2格×25ms/div=？？？ms=0.？？？s。第二步：将前后轮的时间差乘以车速，就等于汽车前后轮间距d：d=0.105s×33.33m/s=3.5m。如果用32m/s来计算，轴距就是3.36m。第三步：上网查阅最接近的车型（例如，轮距是3.5m的有“悍马”等牌子的汽车）。这一步的目的是判断“大概是什么车型”，从而为后续找到这一步肇事车提供依据。但是请思考：如果在A电缆上连续