传感器与测试技术第3次记分作业及答案

第3次记分作业：

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。

答：不能。压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为 1mm, 频率为1 Hz 的信号其加速度值仅为0.04m/s2 (0.004g)；然而对高频振动当位移为0.1mm，频率为10 kHz的信号其加速度值可达4 x 10 5m/s2 (40000g)。因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。所以变化缓慢的信号频率低，无法被分辨。

2. 比较各种压电材料的优缺点。

答：1）压电晶体（单晶）如：石英晶体的主要性能特点是：第一，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℃范围内气电压系数变化率仅为-0.016%；第二，机械强度和品质因数搞，允许应力高达6.8×107~9.8×107Pa，刚度大，动态特性好；第三，居里点573℃，无热释电性，绝缘性好，重复性好。天然石英较之人工石英性能更好，所以常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。如：铌酸锂是一种无色或者淡黄色单晶，属三角系，熔点1250℃，居里点高达1200℃，它的时间稳定性好，适于做高温传感器。此外，它还具有较好的光电、声光效应，在光电、微波声学、激光调制等方面都有重要应用。它的各向异性很明显，质地脆、抗机械和热冲击性差，因而加工和使用时要小心。

2）压电陶瓷（多晶半导瓷）二元系陶瓷如：钛酸钡压电系数和相对介电常数较高，但居里点较低，为120℃，机械强度差，价格便宜。如：锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）的居里点在300℃以上，性能稳定，具有很高的压电系数和相对介电系数，通过加入少量杂质或适当改变组份的方法能明显地改变机电耦合系数、介电系数等特性，得到满足不同使用目的的许多材料，是目前应该用最广泛的压电陶瓷。三元系陶瓷如：铌镁酸铅压电陶瓷PMN，成分比例不同，可以配出不同性能的压电陶瓷。

3）压电半导体如硫化锌，碲化镉，氧化锌，硫化镉，碲化锌，砷化镓等，由于压电半导体既有压电特性，又有半导体特性，因此既可以用其压电性研制传感器，又可以用半导体制作电子器件，也可将二者结合，研制集转换元件和电子线路于一体的新型压电传感器测试系统。

4）高分子压电材料一类，如聚氟乙烯，聚氯乙烯等，独特优点是质轻柔软、抗拉强度高、蠕变小、耐冲击、击穿强度为150~200kV/mm、可以大量生产和制成较大的面积。另一类，是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末如PZT或钛酸钡

制成的高分子压电陶瓷薄膜，这种复合材料保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数和机电耦合系数。

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？

答：压电式传感器内阻很高,且信号微弱,一般不能直接显示和记录.需进行阻抗变换和信号放大.由于压电传感器产生的电荷量很少,除自身要有极高的绝缘电阻外,同时要求测量电路前极输入也要有足够高的阻抗.要高阻抗输出.压电放大器与电荷放大器的实质是阻抗变换放大器。

4. 光线在光纤中传播的原理是什么？

答:光线在光纤中传播的原理是：折射。光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层,并将射入纤芯的光信号,经包层界面反射,使光信号在纤芯中传播前进的媒体.一般是由纤芯,包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。

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？

答：环冯又称为格雷码,因为这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即由“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，因光电管安装不准等产生的阅读数误差，最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。所以，它是消除非单值性误差的一种有效方法。

6. 迈克尔逊干涉仪的原理是什么？

答：迈克尔逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折射率的测量，若观察到干涉条纹移动一条，便是M2的动臂移动量为λ/2，等效于M1与M2之间的空气膜厚度改变λ/2。在近代物理和近代计量技术中，如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中都有着重要的应用。利用该仪器的原理，研制出多种专用干涉仪。※特别强调：干涉条纹是等光程差点的轨迹，因此，要分析某种干涉产生的图样，必求出相干光的光程差位置分布的函数。若干涉条一架光学台上的迈克耳孙干涉仪纹发生移动，一定是场点对应的光程差发生了变化，引起光程差变化的原因，可能是光线长度L发生变化，或是光路中某段介质的折射率n发生了变化，或是薄膜的厚度e发生了变化。

7. 简述PSD光学三角法测距原理。

答：三角法测距的基本原理激光三角法测距的基本原理是基于平面三角几何。其方法是让一束激光经发射透镜准直后照射到被测物体表面上, 由物体表面散

射的光线通过接收透镜会聚到高分辨率的光电检测器件上, 形成一个散射光斑, 该散射光斑的中心位置由传感器与被测物体表面之间的距离决定。而光电检测器件输出的电信号与光斑的中心位置有关。因此, 通过对光电检测器件输出的电信

号进行运算处理就可获得传感器与被测物体表面之间的距离信息。为了达到精确的聚焦, 发射光束和光电检测器件受光面以及接收透镜平面必须相交于一点。