部分习题参考答案

1、第一章第一章作业题 2、请对如下机械系统进行力-电流和力-电压机电模拟。2、请对如下机械系统进行力-电流和力-电压机电模拟。 解答： i):力-电流模拟 下表为力-电流相似系统中参量对应关系 把题中的图一机械系统用用图二所示的电流激励并联电路来模拟。 图一 机械系统 利用上表的对应关系可知，只要知道 A点的电压就可以模拟机械系统中的 质量 相对应于大地的速度 模拟了电路的激励电流就模拟了机械 系统结构物的激励力 ，结构物相 对于大地的速度 是用激励电压 来模拟的。对应关系是： 2 m 2m v f x v u 2am x uv if uv 012mm vvv 012 uuu 、 相对速度为 1

2、 m 2 m 只要知道得到了模拟电路中a、b两节点的电压差 即可模拟输出速度 对输入速度 的响应。 x v 0 v 图二 电流激励并联电路 ii):力-电压模拟 下表为力-电流相似系统中参量对应关系 把题中的图一机械系统用用图三所示的电压激励串联电路来模拟。 22 121 x xm mm vi vvv vvv 类似以力-电流模拟，有以 下对应关系： 当研究输出速度 的响应特性 时，只需要研究 中的响应电 流 即可。 o v 11 C R 1 i 第二章习题 2、说明对传感器的输出输入特性曲线进行线性化的方法。2、说明对传感器的输出输入特性曲线进行线性化的方法。 解答：使传感器输出输入特性线性化

3、，所采用的直线称为拟合直 线，目的是获得最小的非线性误差。 拟合方法：理论拟合；过零旋转拟合；端点连线拟合；端点连线 平移拟合；最小二乘拟合；最小包容拟合 下图1所示四种直线拟合方法。 理论拟合理论拟合过零旋转拟合 端点连线拟合端点平移拟合 图1 几种直线拟合方法 过零旋转拟合 端点连线拟合端点平移拟合 图1 几种直线拟合方法 3、对照书上图2-9和2-11，说明传感器一阶和二阶系统的幅频相频特性。3、对照书上图2-9和2-11，说明传感器一阶和二阶系统的幅频相频特性。 解答：i);传感器一阶幅频相频特性 ii);传感器二阶幅频相频特性 第四章作业 2、什么叫横向效应？怎样减小横向效应的误差？

4、、什么叫横向效应？怎样减小横向效应的误差？ 答：将直的金属丝绕成敏感栅之后；虽然长度相同，但应变状态不 同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因此灵敏系数有所降 低，这种现象称为应变片的横向效应。 金属丝原长为： 敏感栅总变形： 1Snlr n yxyxx rnrnnlrn nlLLL 2 ) 1( 2 ) 1(2 )( 2 ) 1( 21 因此横向效应可以用下式来表示： 1 2 1 1 2 x xy x LSL nr nr u 横向应变 从上式可知可以通过减小圆弧半径 ，以及金属丝的轴向应变。 可以用如下几种结构来减小横向效应： 1），将敏感栅的圆弧段直接用金属丝短接； 2），采用萡式应

5、变片； 3、一应变片的电阻、一应变片的电阻R120欧姆，欧姆，k2.05，用作应变为，用作应变为800umm的传感 元件。求 的传感 元件。求R和和RR，若电源电压，若电源电压U3v，求初始平衡时惠斯登电 桥的输出电压。 ，求初始平衡时惠斯登电 桥的输出电压。 解：利用（4-9）式可得 2.05 800 120197 197 1.64 120 x RKR R R R 由于题中只给出了一个应变片的阻值，我们采用不平衡电桥来解此题 由 1234 ,RR RR 第五章 习题 0 1 3 1.641.23 4 UV 3、在压力比指示系统中采用差动式变极距型电容传感器，已知原始极距、在压力比指示系统中采

6、用差动式变极距型电容传感器，已知原始极距1 20.25mm，极板直径，极板直径D38.2mm，采用电桥电路作为其转换电路，电容传 感器的两个电容分别接 ，采用电桥电路作为其转换电路，电容传 感器的两个电容分别接R5.1k的电阻后作为电桥的两个桥臂，并接有效值 为 的电阻后作为电桥的两个桥臂，并接有效值 为U1=60V的电源电压，其频率为的电源电压，其频率为f400HZ，电桥的另两桥臂为相同的固定 电容 ，电桥的另两桥臂为相同的固定 电容C=0.001uF试求该电容传感器的电压灵敏度。若 试求该电容传感器的电压灵敏度。若 10um时，求输出 电压有效值。 时，求输出 电压有效值。 答案：电压灵敏

7、度=15；输出电压有效值=2.4V 提示：利用5.1.1节变间隙电容式传感器中关于差动式电桥结构灵敏 度的分析得出C与C0 的关系，然后利用电路学方法求出U0 的表达 式，利用U0 及C与C0 的关系求出Su 的表达式。 第六章 作业 4、 电涡流传感器线圈的外径、内径和厦度分别为48mm、43mm和 2mm，今用它检测钢材的厚度，若以x=2mm为零点，测量范围为 +/-0.2mm，问用端点连线法求线性度相对误差约为多少？ / t Q Eke 渗 解：根据6.3.2节可知， 其中t未被测材料的厚度 根据端点连线法 2/ 0 Q Eke 1.8/Q FS Eke满量程值： 00 0.4/0.2/

8、 1 1 QQ FS EE eee E 2.2/1.8/ 0 QQ Ek ee 第七章第七章 习题习题 1、 用压电式传感器能测量静态和变化很缓慢的信号吗？为什么？而其阻尼比很小， 为什么 可以响应很高频率的输入信号而失真却很小? 答：当作用在压电元件上的力是静态力（w=0）或者是变化很缓慢的力（w0）时，则前置 放大器的输入电压等于零。 因为电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏 掉。 压电式传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联， 阻尼比很小的压电式传感器可以 认为电容很大，故在响应很高频率的输入信号时，压电式传感器的自身阻抗就会很小，输出 失真也就很小。 2、压电式传感器

9、中采用电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度与电线长度有关？而电荷 灵敏度无关? 答：前置电荷放大器有两个作用，第一是把压电式传感器的微弱信号放大；第二是把传感器 的高阻抗输出变换为低阻抗输出。 图 718 是压电式传感器与电荷放大器连接的等效电路，由“虚地”原理可知，反馈电容 Cf折合到放大器输入端的有效电容 Cf为 当110 faci k CCCC时，传感器的输出灵敏度就可以认为与电缆电容有关。从 上式也可以看出电压灵敏度与电荷灵敏度无关。 3 、 有一零度 X 切的纵向石英晶体， 其面积为 20mm2， 厚度为 10mm， 当受到压力 P10MPa。 作用时，求产生的电荷量及输出电压。 解

10、：根据（7-18）式， 0r a s C d ， r =4.5， 4 0 8.85 10 F/cm 42 4 1 8.85 104.5 20 10 7.97 10 10 10 a C F 电荷量 1266 11 2.31 1010 1020 10 x QdFdPS 10 4.62 10C 输出电压 10 7 0 4 4.62 10 5.8 10 7.97 10 a Q UV C 第八章第八章 习题习题 1、对动圈式磁电传感器进行动态特性分析。 解答：图中 V0为传感器外完的运动速度，即极洲物体运动速度 Vm 为传感器惯性质量块的 运动速度。若 V(t)为惯性质量块相对外壳的运动速度，则其运动方

11、程为 从磁电式速度传感器的幅频特性可以看到，只有在 n ww的情况下， 1 v Aw ，相对速 度 V(t)的大小才可以作为被测振动速度 V0(t)的量度。 第九章第九章 习题习题 1、举例分析热敏电阻、热电偶和集成热电传感器的原理。 2、参考电极定律有何实际意义？已知在某特定条件下材料 A 与铂配对的热电势为 13.967mv，材料 B 与铂配对的热电势为 8.345mv，求出在此特定条件下材料 A 与材料 B 配 对后的热电势。 解：利用参考电极定律可以用来测量被测物件的温度。利用（9-1）式 可得， 000B ( ,)( ,)( ,) ABA ET TET TET T 铂铂 =13.96

12、7-8.345=5.622（mv） 3、画图说明对热敏电阻进行非线性补偿，和对热电偶进行温度补偿的方法。 解：热敏电阻的线性化 可通过在热敏电阻上串并联固定电阻， 作成组合式元件来代替单个热敏元件， 使组合式元件 电路特性参数保持一致并获得一定程度的线性特性。 对热电偶进行温度补偿： 补偿方法主要有： （1）冷端温度修正法； （2）冷端温度自动补偿法； （3）延引电极法。 随便一一种方法具体说明即可。 第十章第十章 习题习题 1、举例分析三种光电效应的光电传感器原理。 答： （1）在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象叫外光电效应，以光电管来说明原理 （2）在光线作用下使物体电阻率改变的现象叫

13、内光电效应，以光敏电阻来说明原理 （3） 在光线作用下使物体产生一定方向的电动势的现象叫阻挡层光电效应， 以光电池来 说明原理 2、设计三种转速传感器。 可以利用电磁感应定律、压电原理、光电效应等等 第十一章第十一章 习题习题 1、举例说明不同集成度智能传感器系统，并请说明 CCD 固态传感器的工作原理及工作过 程。 解答：按集成度划分，智能传感器系统可以分为初级集成度、中级集成度和高级集成度。 以 DTP 型智能式压力传感器进行说明。其由以下构成： 主传感器(压力传感器) 辅助传感器(温度传感器、环境压力传感器 异步发送接收器(uART) 微处理器及存储器 地址数据总线 程控放大器(PFA)

14、 AD 转换器、DA 转换器 可调节激励源 电源 CCD 固态传感器的工作原理见 266 页 CCD 原理， 工作过程见 268 页第二段。 2、说明集成智能传感器系统的集成工艺。 答：按制造工艺分，智能传感器可以分为：集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传 感器。 集成传感器用于标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造， 通常还将用于初步处理被 测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 薄膜传感器通过沉积在介质衬底上的相应敏感材料的薄膜形成的。 厚膜传感器是利用相应材料的浆料涂覆在陶瓷基片上制成的。 陶瓷传感器采用标准陶瓷工艺或某种变种工艺生产。 第十二章第十二章 习题习题 1、利用斯乃尔

15、定律推导出的临界角表达式，计算水与空气分界面(n1.33)的值。 答案：提示利用斯奈尔定律求得 1 1 sin48.75 1.33 2、求光纤 n11.46，n21.45 的 NA 值，如外部的 no=1，求最大入射角 =？ 答案：提示利用斯奈尔定律及全反射条件求得最大入射角arcsin0.179.8 c 3、设计光纤测温系统。 解：利用课本上的马赫-泽德光纤温度传感器或者法布里-珀罗光纤温度传感器进行论述即可 第十四章第十四章 习题习题 1、 说明半导体电阻式和非电阻式气敏传感器的工作原理。 答：电阻式半导体气体传感器是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用 其阻值的变化来检测

16、气体的浓度。电阻式传感器又分为表面控制型和体控制型电阻式传感 器。 表面控制型电阻式传感器： 它是利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化的特 性制成的；敏感元件的阻值 R 与空气中被测气体的浓度 C 成对数关系变： n 与气体检测灵敏度有关、除了随传敏感器材料和气体种类不同而变化外，还会由于测 量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化。m 表示随气体浓度而变化的传感器的灵敏 度(也称之为气体分离率)。对于可燃性气体来说，M 值多数介于 12 吏 13 之间。 体控制型电阻式传感器： 在采用反应性强容易还原的氧化物作为材料的传感器中， 即使是在 温皮较低的条件下，也可因可燃性气体而改变其

17、体内的结构组成(晶格缺陷)，并使敏感元件 的阻值发生变化。 2、为什么多数气敏传感器带有加热器？ 答：主要有两个用途；第一，用作烧灼元件表面油垢或污物；第二，可起加速被测气体的吸、 脱过程。 第十五章第十五章 习题习题 1、说明湿度的定义和表达方法。 答：绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表达式为 V M V 相对湿度是气体的绝对湿度( V )与在同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对 湿度( W )之比，常表示为RH其表达式为 露（霜）点：相对湿度为 100%时的温度。 2、氧化锂和半导体湿敏传感器各有何特点？ 答：氯化锂湿敏元件灵敏、准确、可靠。其主要缺点是在高湿的环境中，潮解

18、性盐的浓度会 被稀释，因此，使用寿命短，当灰尘附着时，潮解性盐的吸湿功能降低，重复性变坏。 半导体湿度传感器根据电阻变化情况有正特性与负特性之分，型半导体的在 静电场很 大时都呈现负特性，且半导体湿敏传感器受温度影响较大。 第十六章第十六章 习题习题 1、说明大气窗口的含义。 答：红外辐射在大气中传播时由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物 质的吸收和散射作用， 使辐能在传输过程中逐渐衰减。 红外辐射在通过大气层时被分割成三 个波段即 22.6cm35um 和 814um，统称为“大气窗口” 。 2、设计红外测温系统。 解：见 331 页给出结构原理并叙述其工作原理 第十七章第十七

19、章 习题习题 1、说明半导体应变片和金属应变片有何不同。 答：半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻 效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。 金属应变片的工作原理是基于金属的电阻应变效应。 金属丝的电阻随受力产生的形变而变化 的现象称为金属的电阻应变效应。 不同点：半导体应变片灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍； 半导体应变片横向效应和机械滞后极小； 半导体应变片温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。 2、设计一个利用半导体应变片的测压系统。 提示：参照 17.2 节。 3、如何补偿半导体应变片的零位漂移和温度误差。 解：零位漂移的补偿：温度变化引起的零点漂移方向不同，因此可以采用并串联调零法，即 在 R3上串联 Rs的同时，又在 R4上并联 RP，适当选择 Rs和 RP的值，可以使电桥失调为零， 而且在调零之后温度变化原则上不会引起零点源移。若满足上述零漂为零，要求 Rs与 RP为 补偿半导体应变片的温度误差： 压阻式压力传感器的电桥完全对称时，全桥输出电压为 由于半导体材料对温度比较敏感，一般讲 K 将随温度变化而变化，因此电桥的灵敏度也与 温度有关。常用的补偿方法有：一，恒流源