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第5章习题解答

1、图5-1-1(a)磁电式传感器与图4-3-1(a)自感式传感器有哪些异同?为什么后者可

测量静位移或距离而前者却不能?

答:相同点:都有线圈和活动衔铁。不同点:图5-1-1(a)磁电式传感器的线圈是绕在

永久磁钢上,图4-3-1(a)自感式传感器的线圈是绕在不带磁性的铁心上。自感式传感器的

线圈的自感取决于活动衔铁与铁心的距离,磁电式传感器线圈的感应电压取决于活动衔铁的

运动速度。当衔铁不动时,气隙磁阻不变化,线圈磁通不变化,线圈就没有感应电压,因此

后者可测量静位移或距离而前者却不能。

2、为什么磁电感应式传感器又叫做速度传感器?怎样用它测量运动位移和加速度?

答:根据电磁感应定律,磁电感应式传感器的线圈感应电压与线圈磁通对时间的导数成

正比,而实现磁通变化有两种方式:活动衔铁相对磁铁振动或转动,线圈相对磁铁振动或转

动。这两种方式产生的感应电压都与振动或转动的速度成正比,因此磁电感应式传感器又叫

做速度传感器。由图5-1-3可见,在磁电感应式传感器后面接积分电路可以测量位移,

后面接微分电路可以测量加速度。因为位移是速度的积分,而加速度是速度的微分。

3、磁电感应式传感器有哪几种类型?它们有什么相同点?有什么不同点?

答:磁电感应式传感器有两种类型结构:变磁通式和恒磁通式。相同点:都有线圈、磁

铁、活动衔铁。不同点:变磁通式是线圈和永久磁铁(俗称磁钢)均固定不动,与被测物体连

接而运动的部分是利用导磁材料制成的动铁心(衔铁),它的运动使气隙和磁路磁阻变化引起

磁通变化,而在线圈中产生感应电势,因此变磁通式结构又称变磁阻式结构。在恒磁通式结

构中,工作气隙中的磁通恒定,感应电势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切

割磁力线而产生的。这类结构有两种:一种是线圈不动,磁铁运动,称为动铁式,另一种是

磁铁不动,线圈运动,称为动圈式。

4、用压电式传感器能测量静态和变化缓慢的信号吗?为什么?

答:不能。因(5-2-23)和(5-2-28)式中ω都不能为零,所以不论采用电压放大还是电荷

放大,压电式传感器都不能测量频率太低的被测量,特别是不能测量静态参数(即ω=0),因

此压电传感器多用来测量加速度和动态力或压力。

5、为什么压电式传感器多采用电荷放大器而不采用电压放大器?

答:由(5-2-17)和(5-2-24)式可知,连接电缆电容Cc改变会引起C改变,进而引起灵敏

度改变,所以当更换传感器连接电缆时必须重新对传感器进行标定,这是采用电压放大器的

一个弊端。

由(5-2-28)式可见,在采用电荷放大器的情况下,灵敏度只取决于反馈电容CF,而与

电缆电容Cc无关,因此在更换电缆或需要使用较长电缆(数百米)时,无需重新校正传感器

的灵敏度。

因此,压电式传感器多采用电荷放大器而不采用电压放大器。

6、压电元件的串联与并联分别适用于什么测量场合?

答:串联使压电传感器时间常数减小,电压灵敏度增大,适用于电压输出、高频信号测

量的场合;并联使压电传感器时间常数增大,电荷灵敏度增大,适用于电荷输出、低频信号

测量的场合。

7、石英晶体压电式传感器的面积为1cm2,厚度为1mm,固定在两金属极板之间,用来

测量通过晶体两面力的变化。石英晶体的弹性模量是9×1010Pa,电荷灵敏度是2PC/N,相对

介电常数是5.1,晶体相对两面间电阻是1014Ω,传感器后接电路的输入电容为20PF,输入

103

电阻为100MΩ,若所加力F=0.01Sin(t)N,求:两极板间电压峰-峰值。(1.6mV)

εε−12−4

⋅S8.85×10×5.1×1×10

答:C=0r==4.51×10−12F=4.51PF,

aδ1×10−3

C=C+C=20+4.51=24.51PF=24.51×10-12F

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