传感器补充习题3.ppt

补充习题3n 主要对应第67章需要掌握的知识点；n 大家回去后自己做习题，下次课让部分同学讲解。第6章o 知识要点：知识要点：o 压电效应；o 以石英晶体为例，说明压电效应；o 压电传感器的前置放大器；ba第6章p 电路图：电路图：p压电式传感器等效电路p压电传感器的测量电路；第6章o习题：习题：n什么是正压电效应？什么是逆压电效应？n石英晶体和压电陶瓷的压电效应有何不同之处？为什么说PZT压电陶瓷是优能的压电元件？n用压电元件和电荷放大器组成的压力测量系统能否用于静态测量？n压电传感器放大电路为什么常用电荷放大器？n用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度，已知：加速度计灵敏度为5PC/g，电荷放大器灵敏度为50mV/PC，当机器加速度达到最大值时，相应输出电压幅值为2V，试求该机器的振动加速度。答案o什么是正压电效应？什么是逆压电效应？答：某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。答案o石英晶体和压电陶瓷的压电效应有何不同之处？为什么说PZT压电陶瓷是优能的压电元件？比较几种常用压电材料的优缺点，说出各自适用于什么场合？答：石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电陶瓷PZT是一种多晶体，原始的压电陶瓷材料并不具有压电性，必须在一定温度下做极化处理后，留下了很强的剩余极化强度，才能使其呈现出压电特性。比较石英晶体d11、d12，压电陶瓷的纵向压电常数d33大得多，是它们的上百倍。所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度高。常用的优能压电陶瓷是锆钛酸铅（PZT），它具有很高的介电常数，工作温度可达250。电荷放大器放大器输入端的有效电容：u 电荷Q只对反馈电容Cf充电，充电电压UCf（反馈电容两端的电压）接近于放大器的输出电压。u 电荷放大器的突出优点：输出电压Uo与电缆电容Cc无关，而与Q成正比。因此，输出电压与被测压力成线性关系。答案o用压电元件和电荷放大器组成的压力测量系统能否用于静态测量？答：由压电传感器的等效电路可见，要保证输出信号与输入作用力间的线性关系，只有在负载电阻较大，工作频率较高时，传感器电荷才能得以保存补充，需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的，故压电传感器只能作动态测量，不宜作静态信号测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，并给测量电路一定的电流。电压放大器放大器的输入电压幅值为：输入电压与作用力间的相位差为：R无穷大，放大器的输入电压幅值：联立上两式：电路时间常数：对应的相角：电压放大器图6-8 电压幅值比和相角与频率比的关系曲线对应的相角：u 一般/13时，Uim与无关。压电传感器有很好的高频响应特性。u 压电传感器不能用于测量静态量，适合于动态测量。答案o压电传感器放大电路为什么常用电荷放大器？答：由于压电传感器输出信号很小，本身的内阻抗很大，输出阻抗很高，因此给它的后续测量电路提出了很高的要求。为了解决这一矛盾，通常需要将传感器的输出接入一个高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换后再送入普通的放大器进行放大、检波等处理。前置放大器有两种形式：电压放大器和电荷放大器。如果使用电压放大器，其输出电压与电容Ca、Ci、Cc相关，虽然Ca、Ci很小，但Cc随连接电缆的长度与形状而变化，从而会给测量带来不稳定因素，影响传感器的灵敏度。因此常采用性能稳定的电荷放大器。答案o 用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度，已知：加速度计灵敏度为5PC/g，电荷放大器灵敏度为50mV/PC，当机器加速度达到最大值时，相应输出电压幅值为2V，试求该机器的振动加速度。解：已知加速度计灵敏度为5PC/g，电荷放大器灵敏度为50mV/PC，当输出幅值为2V时，机器振动加速度为：第7章o 知识要点：知识要点：o 磁电式传感器的工作原理o 磁电感应式传感器产生的误差测量误差测量误差 n 非线性误差非线性误差n 主要原因：当磁电式传感器在进行测量时，传感器线圈会有电流流过，这时线圈会产生一定的交变磁通，此交变磁通会叠加在永久磁铁产生的传感器工作磁通上，导致气隙磁通变化。n 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为：非线性误差非线性误差 n 这种影响分为两种情况n 附加磁场1和工作磁场放那个方向相反时，n 灵敏度降低；n 附加磁场1和工作磁场放那个方向相同时n 灵敏度增大。u 线圈的运动方向和速度大小都会使传感器的灵敏度具有不同的数值，使传感器的基波能量降低，谐波能量增加。u 传感器的灵敏度越高，线圈中电流越大，这种非线性影响越严重。温度误差温度误差温度误差补偿办法：在结构允许的情况下，在传感器的磁铁下设置热磁分路，进行温度补偿。n 永久磁铁的磁感应强度B随温度的增加而减小，所以E也随温度增加而减小。n 线圈的电阻R、指示器电路的电阻Rf、附加电阻R2的温度系数是正的。当温度增加t时，电流如下：温度误差数值为：第7章o习题：习题：n说明磁电感应式传感器产生误差的原因及补偿方法。n为什么磁电感应式传感器的灵敏度在工作频率较高时，将随频率增加而下降？答案o说明磁电感应式传感器产生误差的原因及补偿方法。答：磁电感应式传感器两个基本元件，即永久磁铁和线圈，永久磁铁在使用前需要有稳定性处理，主要是线圈中电流产生的磁场对恒定磁场的作用（称为线圈磁场效应）是不能忽略的，需要采用补偿线圈与工作线圈相串联加以补偿。当环境温度变化较大时传感器温度误差较大，必须加以补偿。答案o为什么磁电感应式传感器的灵敏度在工作频率较高时，将随频率增加而下降？n答：因为磁电感应式传感器的灵敏度为e/v，振动频率过高时，线圈阻抗增大，使传感器灵敏度随振动频率增加而下降。传感器的输出电压和电压灵敏度分别为 第7章o 知识要点：知识要点：o 霍尔效应；o 霍尔元件结构；o 霍尔元件的基本检测电路。第7章p 习题：习题：p 什么是霍尔效应？p 霍尔元件常用材料有哪些？为什么不用金属做霍尔元件材料？p 某一霍尔元件尺寸为L=10mm，b=3.5mm，d=1.0mm，沿L方向通以电流，在垂直于L和b的方向加有均匀磁场B=0.3T，灵敏度为22V/(AT)，试求输出霍尔电势及载流子浓度。p 霍尔元件灵敏度KH=40V/(AT)，控制电流I=3.0mA，将它置于110-4 510-4T线性变化的磁场中，它输出的霍尔电势范围有多大？p 霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？答案o什么是霍尔效应？n答：通电的导体（半导体）放在磁场中，电流与磁场垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。o霍尔元件常用材料有哪些？为什么不用金属做霍尔元件材料？n答：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件。只有半导体材料适于制作霍尔元件。又因一般电子迁移率大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体制造。金属材料电子浓度虽然很高，但电阻率很小很小，使霍尔电势很小，因此不适于做霍尔元件材料。霍尔效应霍尔电动势UH为：对于N型半导体材料，霍尔系数RH为：N型材料的霍尔灵敏度KH为：霍尔灵敏度KH表征一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。N型材料的KH为负值，P型材料的KH为正值。或 UH=vBb；式中 b导电板宽度。霍尔电动势UH为可表示为：霍尔效应n 霍尔电动势除了正比于激励电流、电压Uc及磁感应强度B外，还与材料的迁移率及器件的宽度b成正比，与器件的长度l成反比。n 其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。n 霍尔电压是用控制电流来表示的。n 霍尔器件在使用中，电源是一常量UC，由于UC=El，而电子在电场中的平均迁移速度为：霍尔电动势UH为可表示为：UC答案解：p 某一霍尔元件尺寸为L=10mm，b=3.5mm，d=1.0mm，沿L方向通以电流，在垂直于L和b的方向加有均匀磁场B=0.3T，灵敏度为22V/(AT)，试求输出霍尔电势及载流子浓度。则输出霍尔电势：则载流子浓度为：答案p 霍尔元件灵敏度KH=40V/(AT)，控制电流I=3.0mA，将它置于110-4 510-4T线性变化的磁场中，它输出的霍尔电势范围有多大？解：则输出霍尔电势范围是：低端：高端：答案p霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？答：霍尔电势不为零的原因是：n霍尔引出电极安装不对称，不在同一等电位面上；n激励电极接触不良；n半导体材料不均匀造成电阻率不均匀等原因。