传感器原理及应用课后考试题--湖南城市学院

6.11磁敏电阻温度补偿有哪些方法？磁敏二极管温度补偿有哪些方法？有哪些特点？

6.12 比较霍尔元件、磁敏电阻、磁敏晶体管，它们有哪些相同之处和不同之处？简述其各自的特点。

答案

6.1（略） 6.2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。 6.3答：

因为磁电感应式传感器的灵敏度为(e/?)，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。 6.4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。 6.5答：

1）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。

2）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H很小，因此不适于做霍尔元件材料。 6.6答：

霍尔电势不为零的原因是，霍尔引出电极安装不对称，不在同一等电位面上；激励电极接触不良，半导体材料不均匀造成电阻率6.7解：

U?不均匀等原因。

?KH?22V/(A?T),I?1.0mA,B?0.3T?输出霍尔电势： UH?KHIB?6.6mV?L?10mm,b?3.5mm,de?1.0mm，e?1.6?10?19?载流子浓度为： n??IB0.001?0.3??28.41?1019?19UHed0.0066?1.6?10?0.001

6.8（略） 6.9解：

?KH?40V/(A?T),I?3.0mA,B?1?10?4?5?10?4T?输出霍尔电势范围是： 低端：UH?KHIB?12?V 高端：UH?KHIB?60?V6.10（略） 6.11（略） 6.12答：

霍尔元件具有体积小、外围电路简单、动态特性好、灵敏度高、频带宽等许多优点，在霍尔元件确定后，可以通过测量电压、电流、磁场来检测非电量，如力、压力、应变、振动、加速度等等，所以霍尔元件应用有三种方式：①激励电流不变，霍尔电势正比于磁场强度，可进行位移、加速度、转速测量。②激励电流与磁场强度都为变量，传感器输出与两者乘积成正比，可测量乘法运算的物理量，如功率。③磁场强度不变时，传感器输出正比于激励电流，可检测与电流有关的物理量，并可直接测量电流。

磁敏电阻与霍尔元件属同一类，都是磁电转换元件，两者本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力，只有与辅助材料(磁钢)并用才具有识别磁极的能力。

磁敏二极管可用来检测交直流磁场，特别是弱磁场。可用作无触点开关、作箱位电流计、对高压线不断线测电流、小量程高斯计、漏磁仪、磁力探伤仪等设备装置。磁敏三极管具有较好的磁灵敏度，主要应用于①磁场测量，特别适于10-6T以下的弱磁场测量，不仅可测量磁场的大小，还可测出磁场方向；②电流测量。特别是大电流不断线地检测和保护；③制作无触点开关和电位器，如计算机无触点电键、机床接近开关等；④漏磁探伤及位移、转速、流量、压力、速度等各种工业控制中参数测量。

第7章 压电式传感器

7.1 什么是压电效应？什么是正压电效应和逆压电效应？

7.2 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？

7.3 压电传感器能否用于静态测量？试结合压电陶瓷加以说明。

7.4 压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试述在不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？

7.5 电压放大器和电荷放大器本质上有何不同，电荷放大器和电压放大器各有何特点？它们各自适用于什么情况？

7.6 己知电压前置放大器输人电阻及总电容分别为Ri?1M?，Ci?100pF，求与压电加速度计相配，测1Hz振动时幅值误差是多少？

7.7 已知电压式加速度传感器阻尼比??0.1。若其无阻尼固有频率f0?32kHz, 要求传感器输出幅值误差在5%以内，试确定传感器的最高响应频率。

7.8 一压电加速度计，供它专用电缆的长度为1.2m，电缆电容为100pF，压电片本身电容为1000pF。出厂标定电压灵敏度为100V/g，若使用中改用另一根长2.9m电缆，其电容量为300pF，问其电压灵敏度如何改变？

7.9 为什么压电器件一定要高阻抗输出？

7.10 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

7.1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

7.2答：

1）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是一种多晶铁电体，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。

2）比较石英晶体12、11，压电陶瓷的纵向压电常数33大的多，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℃。 3）（略）

7.3答：

ddd1）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。 2）（略）

7.4.答：

1）在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和并联连接，常用的是并联连接，可以增大输出电荷，提高灵敏度。

2）如果按相同极性粘贴，相当两个压电片（电容）串联。输出总电容为单片电容的一半，输出电荷与单片电荷相等，输出电压是单片的两倍；若按不同极性粘贴，相当两个压电片（电容）并联，输出电容为单电容的两倍，极板上电荷量是单片的两倍，但输出电压与单片相等。

7.5答：（略）

7.6解：

?信号频率f?1Hz;放大器输入电阻Ri?1M?,电容Ci?100pF

幅值误差为：

Uim(?)?Uim(?)?dFm?Ri1??2Ri2Ci2dFmCi相对误差为：

Uim(?)?Uim(?)Uim(?)??1??0.99Uim(?)Uim(?) (1?0.99)?100%?1%

7.7解：

?已知阻尼比??0.1,固有频率f0?32kHz;控制传感器在5%以内的幅值误差为：

|u(j?)|?[1?(f?45.40kHz

1?22?)]?[2?]2?n?n?[1?(1ff)2]2?[2?0.1?]232kHz32kHz?0.95

式中f为最高响应频率：

7.8解：

已知压电加速度计电缆长度为1.2m,电缆电容Cc=100pF,传感器电容Ca=1000pF;电压灵敏度为Ku?100V/g?电压灵敏度Ku?dd??100V/gCc?Ca?Ci100pF?1000pF?Ci