传感器与测试技术作业评讲(3)

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1、传感器与测试技术作业评讲（3）责任教师张晓峰1.能否用压电传感器测量变化比较缓慢的力信号？试说明其理由。涉及的知识点及答题分析：这个题的考核知识点是压电传感器的特性。答：不能，由下图可知：当时，可以近似看作放大器的输入电压与作用力的频率无关。在时间常数一定的条件下，被测物理量的变化频率越高，则放大器的输入电压越接近理想情况。说明压电传感器具有良好的高频响应特性。测量变化比较缓慢的力信号时，被测物理量的变化频率越低，则放大器的输入电压不理想，测量不准确。2.比较各种压电材料的优缺点。涉及的知识点及答题分析：这个题的考核知识点是压电材料的分类及特性。答：压电材料可分为三大类：压电晶体（单晶）、压

2、电陶瓷（多晶半导瓷）和新型压电材料（包括压电半导体和高分子压电材料）。(1)压电晶体石英晶体压电系数和介电系数的温度稳定性好，常温下几乎不变，在20—200℃范围内其压电系数变化率仅为-0.016%；机械强度和品质因数高，允许应力高达6.8×107Pa～9.8×107Pa，刚度大，动态特性好；居里点573℃，无热释电性，绝缘性好，重复性好。(2)压电陶瓷制作工艺简单、耐湿、耐高温，发展极为迅速，应用广泛。传感技术中应用的压电陶瓷材料主要有以下几种：钛酸钡BaTiO3，锆钛酸铅，铌酸盐系压电陶瓷，铌镁酸铅压电陶瓷PMN。(3)压电半导体由于压电半导体既有压电特性又有半导体特性，因此既可用其压电

3、性研制传感器，又可用其半导体性制作电子器件。硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌（ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。(4)高分子压电材料一类是某些高分子聚合物经延展拉伸和电场极化后，具有压电性，称为高分子压电薄膜。另一类是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末如PZT或BaTiO3制成的高分子压电陶瓷薄膜。3.为什么压电式传感器要高阻抗输出？压电放大器与电荷放大器的实质是什么？涉及的知识点及答题分析：这个题的考核知识点是压电式传感器的特性。答：压电式传感器要高阻抗输出：由于压电式传感器输出功率小，再加上电缆分布电容和干扰问题，会严重影响输出特性，必须在测

4、量电路中加入前置放大器，将输入信号放大，这样传感器的电荷才不会泄漏，才能正确测量传感器的输出。电压放大器与电荷放大器的实质。电压放大器的功能是将压电传感器的高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器的微弱电压信号放大。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。压电传感器可以等效为一个电容器和一个电荷源，而电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。4.光线在光纤中传播的原理是什么？涉及的知识点及答题分析：这个题的考核知识点是光线在光纤中传播的原理。答：如图（a）所示，光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生

5、位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中，如图（b）所示。这是由于有些光束的入射角小于临界角，不能发生全反射的原因。这样输出的光强就发生了变化，而且受力越大，光纤微弯的程度也越大，泄漏的光越多，根据光强的变化就可确定所受压力的大小。5.为什么采用循环码码盘可以消除二进制码盘的那种粗误差？涉及的知识点及答题分析：这个题的考核知识点是码盘与码制的原理及应用。答：为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一

6、个比特。所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，都不会产生粗误差。由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛的应用。对n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码，最小分辨率α=360°/2n。6.迈克尔逊干涉仪的原理是什么？涉及的知识点及答题分析：这个题的考核知识点是迈克尔逊干涉仪的原理。答：迈克尔逊干涉仪原理是就是：如图所示的迈克尔逊双光束干涉系统。测量原理是来自光源S的光经半反半透分光镜B后分成两路，一路由固定反射镜M1反射，另一路经可动反射镜M2和B反射，在观察屏P处相遇产生干涉。当M2每移动半个光波波长时，干涉条纹亮暗变化一次，因此测长度的基本公式为式中，x——被测长度；N——

7、干涉条纹亮暗变化次数；——真空中光波波长；n——空气折射率。7.简述PSD光学三角法测距原理。涉及的知识点及答题分析：这个题的考核知识点是PSD在测距系统中的应用。答：PSD(PositionSensitiveDetector)传感器是一种对入射光位置敏感的光电器件。即当入射光照在器件感光面的不同位置时，PSD将输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光点在PSD器件感光面上的位置。应用PSD