机械工程测试技术课后习题答案

机械工程测试技术课后习题

答案

-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

第三章：常用传感器技术

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。

如图所示的气体压力传感器。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：

（1）金属电阻应变片是基于金属导体的“电阻应变效应”， 即电阻材料在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象，其电阻的相对变化为()12dR R

με=+； （2）半导体应变片是基于半导体材料的“压阻效应”，即电阻材料受到载荷作用而产生应力时，其电阻率发生变化的现象，其电阻的相对变化为dR d E R ρλερ

== 。 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 mV

解：根据应变效应表达式R /R =S g 得 R =S g R =2100010-6120=

1）I 1=R =120=0.0125A=

2）I 2=(R +R )=(120+0.012475A=

3）电流变化量太小，很难从电流表中读出。如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量程不够，无法测量的电流；如果采用毫安表，无法分辨的电流变化。一般需要电桥来测量，将无应变时的零位位电流平衡掉，只取有应变时的微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。

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、运算放大电路等。 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：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S 1=100mV/pF ，读数仪表的灵敏度S 2=5格/mV ，在Δδ=±1μm 时，读数仪表的指示值变化多少格

解：1） 0000200000

1232632

153()8.85101(410)(110)

(0.310)4.9410F 4.9410pF

A A A A C εεεεεεδεεδδδδδδδδπ------∆∆∆=

-=-≈-+∆+∆⨯⨯⨯⨯⨯±⨯=⨯≈⨯=⨯

2）B =S 1S 2C =100510-3)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。

答：采用交流电压表指示，无法反应铁芯移动方向。差动相敏检波电路请参考教材115页图4-11。

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。

前置放大器也有电压放大器和电荷放大器两种形式：

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。

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。其输出电压与电荷量成正比，而且与电缆分布电容无关。

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：

图3-105 题3-4图

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：

1）中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要其两端温度相同，则第三种导体的引入不会影响热电偶的热

电动势。

2）参考电极定律 如教材图3-54所示，将标

准电极C 接在A 、B 之间，当热电偶两个接点

温度为T 、T 0时，用导体A 、B 组成的热电偶

的热电动势等于AC 热电偶和CB 热电偶的热

电动势的代数和。

3）中间温度定律 如教材图3-55所示，当热

电偶AB 的两个接点温度为T 、T 1时，热电动势为

E AB （T ，T 1）；当热电偶AB 的两个接点温度为T 1、T 0时，热电动势为E AB （T 1，T 0）；

当热电偶AB 的两个接点温度为T 、T 0时，热电动势为

()()()0AB 01AB 1AB T T E T T E T T E ，，，=+

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

光源 光电器件

电信号 光纤

被测对象 光源

光电器件 电信号 敏感元件 光电器件

电信号 被测对象 光纤 T 1 A B T 1 0 A B T 0 A

B + = 图3-55 中间温度定律示意图 （a ） （b ） （c ） 图3-80 光纤传感器的类型 （a ）功能型 （b ）非功能型 （c ）拾光型