机械工程测试技术课后习题答案

思考题与习题

3-1 传感器主要包括哪几部分试举例说明。

传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。

如气体压力传感器。其内部的膜盒就是敏感元件，它的外部与大气压力相通，内部感受被测压力p ，当p 发生变化时，引起膜盒上半部分移动，可变线圈是传感器的转换元件，它把输入的位移量转换成电感的变化。基本电路则是完成上述电感变化量接入基本转换电路，便可转换成电量输出。

3-2 请举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。

答：结构型传感器主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。

物性型传感器则是利用敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。例如，水银温度计是利用水银的热胀冷缩性质；压电式传感器是利用石英晶体的压电效应等。

3-3 金属电阻应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别 答：金属电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：金属电阻应变片是基于电阻应变效应工作的；半导体应变片则是基于压阻效应工作的。

3-4 有一电阻应变片（见图3-105），其灵敏度S 0=2，R =120Ω，设工作时其应变为1000με，问ΔR =设将此应变片接成图中所示的电路，试求：1）无应变时电流指示值；2）有应变时电流指示值；3）试分析这个变量能否从表中读出

解：由0dR R

s ε

=

得，0R R s ε∆=••即，6012010001020.24R R s ε-∆=••=⨯⨯⨯=

()1.5

12.5120

I mA =

=

3-5 电容式传感器常用的测量电路有哪几种

答：变压器式交流电桥、直流极化电路、调频电路、运算放大电路。

3-6 一个电容测微仪其传感器的圆形极板半径r=4mm ，工作初始间隙δ=0.3mm

，求：

图3-105 题3-4图

1）工作时，如果传感器与工件的间隙变化量Δδ=±1μm时，电容变化量是多少2）如果测量电路的灵敏度S1=100mV/pF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mV，在Δδ=±1μm时，读数仪表的指示值变化多少格

3-7 差动变压器的输出电压信号如果采用交流电压表指示，能否反映铁芯的移动方向试描述差动变压器经常采用的差动相敏检波电路的原理。

3-8 欲测量液体压力，拟采用电阻应变式、电感式、和压电式传感器，请绘出可行方案的原理图，并作比较。

答：

3-9 压电式传感器所采用的前置放大器的主要作用前置放大器主要包括哪两种形式，各有何特点

答：前置放大器的主要作用，一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，二是放大传感器输出的微弱电信号。

前置放大器也有电荷放大器和电压放大器两种形式

电荷放大器是一个带有反馈电容C f的高增益运算放大器。因传感器的漏电阻和电荷放大器的输入电阻都很大，可视为开路，传感器与电荷放大器连接的等效电路如图3-47所示。由于忽略漏电阻故

电压放大器，其输出电压与电容C（包括连接电缆的寄生电容C c、放大器的输入电容C i和压电式传感器的等效电容C a）密切相关，因电缆寄生电容C c比C i和C a都大，故整个测量系统对电缆寄生电容的变化非常敏感。连接电缆的长度和形状变化会引起C c的变化，导致传感器的输出电压变化，从而使仪器的灵敏度也发生变化。故目前多采用性能稳定的电荷放大器。

3-10 热电偶回路有哪些特点热电偶基本定律包括哪些内容

答：⑴热电偶回路有以下特点：

1）如果构成热电偶回路的两种导体相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路中的总热电动势为零；

2）如果热电偶两接点温度相同，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总电动势也为零；

3）热电偶AB的热电动势与导体材料A、B的中间温度无关，只与接点温度有关。

⑵热电偶基本定律：

中间导体定律、参考电极定律、中间温度定律。

3-11 光电效应主要包括哪几种形式基于各光电效应的光电器件有哪些

答：光电效应分为外光电效应和内光电效应两类。外光电效应亦称为光电子发射效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应两类。

外光电效应的：光电管

内光电效应的：光电导效应的光敏电阻、光生伏特效应的光电倍增管。

3-12 光纤传感器主要有哪几类试举出两类光纤传感器的应用实例。

答：光纤传感器按其传感原理分为传光型（非功能型），光纤传感器、传感型（功能型）光纤传感器和拾光型光纤传感器。

两类光纤传感器的应用实例：

（1）功能型（传感型）光纤传感器。如下图a所示，光纤既是传播光线的介质，又作为敏感元件，被测量作用于光纤，使其内部传输光线的特性发生变化，再经光电转换后获得被测量信息。

（2）非功能型（传光型）光纤传感器。如下图b 所示，光纤仅作为光线传输的介质，利用其他敏感元件实现对光的调制。

（3）拾光型光纤传感器。如下图c 所示，光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子如辐射式光纤温度传感器、光纤多普勒速度计等。

a b c 3-13 何谓霍尔效应用霍尔元件可以测量哪些物理量

答：金属或半导体薄片置于磁场中，沿着垂直于磁场方向通以电流，在垂直于电流和磁场方向上产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

霍尔元件可以测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。

3-14 CCD 固态图像传感器如何实现光电转换、电荷存储和转移过程，在工程测试中有哪些应用

答：⑴电荷的产生、存储：构成CCD 的基本单元是MOS 电容器，结构中半导体以P 型硅为例，金属电极和硅衬底为电容器的两极，2SiO 为介质，在金属电极上加正向电压G 时，由此形成的电场穿过2SiO 薄层，吸引硅中的电子在2Si SiO -的界面上，而排斥2Si SiO -界面附近的空穴，因此形成一个表面带负电荷，而里面没有电子和空穴的耗尽层。与此同时，2Si SiO -界面处的电势发生相应变化，若取硅衬底内的电位为零，表面 势S 的正值方向朝下，当金属电极上所加的电压G 超过MOS 晶体上开启电压时，2Si SiO -界面可存储电子。由于电子在那里势阱较低，可以形象的说，半导体表面形成了电子势阱，当光照射到CCD 硅片表面时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对。这是在栅极电压的作用下，空穴被排斥出耗尽区而电子被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来，如果G 保持时间不长，则在各个MOS 电容器的势阱中储积的电荷取决于照射到该点的光强。

⑵电荷包的转移：若MOS 电容器之间排列足够紧密，使得相邻的MOS 电容的势阱相互沟通，即相互耦合，那么就可以使信号电荷在各个势阱中转移，并尽可能的向表面势S 最大的位置堆积，因此，在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲，即可以改变他们对应的MOS 的表面势，亦可以改变势阱的深度，从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。 CCD 固态图像传感器在工程测试中的应用： ⑴物位、尺寸、形状、工件损伤的测量；

⑵作为光学信息处理的输入环节，如电视摄像、传真技术、光学文字识别和图像识别的输入环节；

⑶自动生产过程的控制敏感元件。