第六章 思考题与习题1、什么是压电效应？答：沿着一定方向对某些电介质加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力取消，又重新回到不带电状态，这一现象称为正压电效应。
当在某些电介质的极化方向上施加电场，这些电介质在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场散去，这些变形和应力也随之消失，此即称为逆压电效应。
2、为什么压电传感器不能测量静态物理量？ 答：压电元件送入放大器的输入电压22233)(1i c a m im C C C R R F d U +++=ωω由上式可知，用·当作用在压电元件上的力是静压力（ω=0）时，前置放大器输入电压等于零。
因为电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。
所以压电传感器不能测量静态物理量。
3、压电式传感器中采用电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度与电缆长度有关？而电荷灵敏度与电缆长度无关？ 答：p115 ●补充题：1、有一压电晶体，其面积为20mm 2，厚度为10mm ，当受到压力p=10MPa 作用时，求产生的电荷及输出电压：①零度X 切的纵向石英晶体；②利用纵向效应之BaTiO 3（压电陶瓷）。
已知：S=20 mm 2，δ=10mm ，P=10MPa ， 求：Q=？，V=？ 解：①∵ PS d F d Q 1111== 而：)/(1031.21211N c d -⨯= ∴ c PS d Q 10111062.4-⨯== 又∵ SQ S Q C Q U r r a εεδδεε00)/(/=== 而：)/(1085.85.412-0m F r ⨯==εε、 ∴ )(8.5797/0V SQ C Q U r a ===εεδ解②∵ PS d F d Q 3333== 而：)/(10901233N c d -⨯= ∴ c PS d Q 833108.3-⨯== 同上：又∵ SQ S Q C Q U r r a εεδδεε00)/(/=== 而：)/(1085.8120012-0m F r ⨯==εε、∴ )(3.1788/0V SQ C Q U r a ===εεδ2、某压电晶体的电容为1000pF;Kq=2.5C/cm,Cc=3000pF,示波器的输入阻抗为1M Ω和并联电容为50pF,求；①压电晶体的电压灵敏度；②测量系统的高频响应③如系统允许的测量幅值误差为5%,可测最低频率时多少？④如频率为10Hz,允许误差为5%,用并联方式，电容值是多少？已知：pF C M R pF C N c k pF C i i c q a 5013000/5.21000=Ω====；；；； 求： ?%,5,10?%5/)(?=≤==≤∞==i L LC L m im V V C Hz f f F U k k 并联电容④时，③②高频响应，①γγ解①∵ a q V C k k /= ∴ )/(105.29N V k V ⨯= 解②依据教材p113(6-14)式 ∵ ic a m im V C C Cd F U k ++=∞=33/)(；而：3333//d F F d F Q k q ===∴ )/(1017.68N V C C C k k ic a qV ⨯=++=解③依据教材p113(6-15)式 因： 222)(1)()(i c a i c a C C C R C C C R k +++++=ωωω高频响应时：1)(*=∞=k k而：%5)(**≤-k k k Lωγ 则：%95)(1)()(222≥+++++=i c a i c a C C C R C C C R k ωωω其中：;2405010//6⎪⎩⎪⎨⎧==++Ω=≈=L Li c a i i a fpF C C C R R R R πω 解得：Hz f LCL 5.1192==πω 解④因： %5)(**≤-k k k Lωγ 则： %95)(1)()(222≥+++++=i c a i c a C C C R C C C R k ωωω其中：⎩⎨⎧==Ω=≈=fHz f R R R R i i a πω21010//6， 解得：pF C C C C c a 48447=++=3、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计灵敏度为5pC/g,电荷放大器灵敏度为50mV/pC,当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V ,试求该机器的振动加速度。
已知：ka=5pC/g ，kq=50mV/pC ，Vomax=2V 求：a max =？ 解：因为： Q V k a Q k q a //0==； 则有： a k k V q a =0 所以： g k k V a qa 8max0max ==4、石英晶体压电式传感器，面积为1cm 2，厚度为1mm ，固定在两金属板之间，用来测量通过晶体两面力的变化。
材料的弹性模量是9×1010Pa,电荷灵敏度为2pC/N, 相对介电常数是5.1，材料相对两面间电阻是1014Ω 。
一个20pF 的电容和一个100M Ω的电阻与极板相连。
若所加力F=0.01sin(103t)N,求；①两极板间电压峰一峰值；②晶体厚度的最大变化。
已知：S=1cm 2，δ=1mm ，E=9×1010Pa ，kq=2pC/N ，εr=5.1，Ra=1014Ω，Ci=20pF ，Ri=100M Ω，F=0.01sin(103t) N ，Fmax=0.01 N ，ω=103求：①Vop-p=? ②Δδmax=？ 解①由图知)()(0i a i a C C j G G IU +++=••ω而：••==Q j dtdQI ω所以：2220)()(i a i a C C G G QU +++=ωω则：2220)()(i a i a mm C C G G Q U +++=ωω又因：pC F k Q m q m 02.001.02=⨯== 则有：Vop-p=2Uom=1.5mV 解②因为：δδεσ//∆==SF E则有：δδES F=∆即有：δδESF mm =∆ 所以：m ESF mm 12max 102.222-⨯===∆δδδ 第七章 思考题与习题1、光电式传感器常用光源有哪几种，哪些光源可用作红外光源？答：光电式传感器常用光源有自然光源和人造光源，人造光源包括热辐射光源、气体放电光源、电致发光光源和激光光源。
可作为红外光源的有白炽灯、Nd ：YAG 固体激光器、氦氖激光器、半导体激光器和染料激光器等。
2、光电式传感器常用接收器件有哪几种，各基于什么原理各有什么特点？ 答： 光电式传感器常用接收器件按原理可分为热探测器和光子探测器两类。
热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热效应。
它其特点是：对波长没有选择性（具有宽广和平坦的光谱响应），只与接收到的总能量有关，适应于红外探测。
而光子探测器是基于一些物质的光电效应，即利用光子本身能量激发载流子。
其特点是：具有一定的截止波长，只能探测短于这一波长的光线，但它们的响应速度快，灵敏度高，使用广泛。
3、电荷藕合器件有哪几种，各有那几部分组成？答：电荷藕合器件有线阵电荷耦合器件和面阵电荷耦合器件。
它由MOS光敏单元和读出移位寄存器组成。
4、电荷藕合器件中的信号电荷是如何传输的？答：以典型的三相CCD为例说明CCD电荷转移的基本原理。
三相CCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOS结构组成的阵列。
每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲。
三相时钟脉冲的波形如下图所示。
在t1时刻，φ1高电位，φ2、φ3低电位。
此时φ1电极下的表面势最大，势阱最深。
假设此时已有信号电荷（电子）注入，则电荷就被存储在φ1电极下的势阱中。
t2时刻，φ1、φ2为高电位，φ3为低电位，则φ1、φ2下的两个势阱的空阱深度相同，但因φ1下面存储有电荷，则φ1势阱的实际深度比φ2电极下面的势阱浅，φ1下面的电荷将向φ2下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。
t3时刻，φ2仍为高电位，φ3仍为低电位，而φ1由高到低转变。
此时φ1下的势阱逐渐变浅，使φ1下的剩余电荷继续向φ2下的势阱中转移。
t4时刻，φ2为高电位，φ1、φ3为低电位，φ2下面的势阱最深，信号电荷都被转移到φ2下面的势阱中，这与t1时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。
当经过一个时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期（也称一位）。
因此，时钟的周期变化，就可使CCD中的电荷包在电极下被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的移位寄存器。
5、简述利用CCD进行工件尺寸测量的原理及测量系统的组成。
答：利用CCD进行工件尺寸测量的原理是根据工件成像轮廓覆盖的光敏单元的数量来计算工件尺寸数据。
如果在光学系统放大率为1/M的装置中，有：2L)=(±NdMd式中：L—工件尺寸；N—覆盖的光敏单元数；d—相邻光敏单元中心距离（±2d 为图像末端两个光敏单元之间可能的最大误差）。
CCD测量系统由光学系统、图像传感器和微处理机等组成。
6、试述用一维PSD进行距离测量的原理。
答：一维PSD结构图如下：由于横向光电效应，当PSD工作在反向偏压状态时（公用极3正电压），流经电极1、2的电流I1和I2与入射光的强度和入射光点的位置有关。
如下式：0101)21(21)21(21I X LI I X L I A A +=-= 由上两式得：L I I I I X A 121221+-⨯=式中：XA 为入射光点位置；L 为PSD 的长度。
显然，通过I 1与I 2可确定入射光点位置X A 。
7、利用由斯乃尔定律推导出的临界角θc 表达式，计算水（n=1.33）与空气（n ≈1）分界面的θc 的值。
已知：n 0=1；n 1=1.33 求：θc=？解： ∵ θθ'=sin sin 01n n 而：θ/=900，θ=θc∴ 01075.48)33.1/1arcsin()/arcsin(===n n c θ8、求n 1=1.46,n 2=1.45的光纤的NA 值；若外部的n 0=1，求最大入射角θc =? 已知：n 1=1.46；n 2=1.45；n 0=1 求：NA=?；θm =？ 解①：173.0)10.213.2()(sin 2/12/122210=-=-==n n n NA C θ解②： ∵ C n NA θsin 0=∴ 0096.9arcsin===n NAc m θθ 9、光纤传感器有哪几种调制方式?答：光纤传感器有3种调制方法，即：光强度调制型、光相位调制型和光偏振态调制型。
10、利用光纤传感器进行位移测量的方法有哪些？简述其工作原理。
答：利用光纤传感器进行位移测量主要有反射方式和瞬逝波方式两种方法。