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机械工程测试技术_课后习题及答案B.doc
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机械工程测试技术_课后习题及答案B.doc
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- -.
第三章 常用传感器与敏感元件
3-1 在机械式传感器中,影响线性度的主要因素是什么?可举例说明。
解答:主要因素是弹性敏感元件的蠕变、弹性后效等。
3-2 试举出你所熟悉的五种机械式传感器,并说明它们的变换原理。
解答:气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等。
3-3 电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别?各有何优缺点?应如何针对具
体情况来选用?
解答:电阻丝应变片主要利用形变效应,而半导体应变片主要利用压阻效应。
电阻丝应变片主要优点是性能稳定,现行较好;主要缺点是灵敏度低,横向效应大。
半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小;主要缺点是温度稳定
性差、灵敏度离散度大、非线性大。
选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。
3-4 有一电阻应变片(见图 3-84),其灵敏度 S
g
=2,R=120。设工作时其应变为
1000,问R=?设将此应变片接成如图所示的电路,试求:1)无应变时电流表示值;
2)有应变时电流表示值;3)电流表指示值相对变化量;4)试分析这个变量能否从表中
读出?
解:根据应变效应表达式R/R=S
g
得
R=S
g
R=2100010
-6
120=0.24
1)I
1
=1.5/R=1.5/120=0.0125A=12.5mA
2)I
2
=1.5/(R+R)=1.5/(120+0.24)0.012475A=12.475mA
3)
=(I
2
-I
1
)/I
1
100%=0.2%
4)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 12.5mA 的电流;如果采用毫安表,无法分辨 0.025mA 的电流变化。
一般需要电桥来测量,将无应变时的灵位电流平衡掉,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 电感传感器(自感型)的灵敏度与哪些因素有关?要提高灵敏度可采取哪些措施?采
取这些措施会带来什么样后果?
解答:以气隙变化式为例进行分析。
又因为线圈阻抗 Z=
L,所以灵敏度又可写成
- - 总结
图 3-84 题 3-4 图
1.5V
- -.
由上式可见,灵敏度与磁路横截面积 A
0
、线圈匝数 N、电源角频率
、铁芯磁导率
0
,气隙
等有关。
如果加大磁路横截面积 A
0
、线圈匝数 N、电源角频率
、铁芯磁导率
0
,减小气隙
,
都可提高灵敏度。
加大磁路横截面积 A
0
、线圈匝数 N 会增大传感器尺寸,重量增加,并影响到动态特性;
减小气隙
会增大非线性。
3-6 电容式、电感式、电阻应变式传感器的测量电路有何异同?举例说明。
解答:电容式传感器的测量电路
自感型变磁阻式电感传感器的测量电路:
电阻应变式传感器的测量电路:电桥电路(直流电桥和交流电桥)。
相同点:都可使用电桥电路,都可输出调幅波。电容、电感式传感器都可使用调幅电
路、调频电路等。
不同点:电阻应变式传感器可以使用直流电桥电路,而电容式、电感式则不能。另外
电容式、电感式传感器测量电路种类繁多。
3-7 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=0.3mm,问:
1)工作时,如果传感器与工件的间隙变化量=1m 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=1m 时,
读数仪表的指示值变化多少格?
解:1)
- - 总结
- -.
2)B=S
1
S
2
C=1005(4.9410
-3
)2.47 格
答:
3-8 把一个变阻器式传感器按图 3-85 接线。它的输人量是什么?输出量是什么?在什么
样条件下它的输出量与输人量之间有较好的线性关系?
解答:输入量是电刷相对电阻元件的位移 x,输出量为电刷到端点电阻 R
x
。如果接入分压
式测量电路,则输出量可以认为是电压 u
o
。
,输出电阻与输入位移成线性关系。
,输出电压与输入位移成非线性关系。
由上式可见,只有当 R
p
/R
L
0 时,才有 。所以要求后续测量仪表的输
入阻抗 R
L
要远大于变阻器式传感器的电阻 R
p
,只有这样才能使输出电压和输入位移有较
好的线性关系。
3-9 试按接触式与非接触式区分传感器,列出它们的名称、变换原理,用在何处?
解答:接触式:变阻器式、电阻应变式、电感式(涡流式除外)、电容式、磁电式、压电
式、热电式、广线式、热敏电阻、气敏、湿敏等传感器。
非接触式:涡电流式、光电式、热释电式、霍尔式、固态图像传感器等。
可以实现非接触测量的是:电容式、光纤式等传感器。
3-10 欲测量液体压力,拟采用电容式、电感式、电阻应变式和压电式传感器,请绘出可
行方案原理图,并作比较。
3-11 一压电式压力传感器的灵敏度 S=90pC/MPa,把它和一台灵敏度调到 0.005V/pC
的电荷放大器连接,放大器的输出又接到一灵敏度已调到 20mm/V 的光线示波器上记录,
- - 总结
图 3-85 题 3-8 图
x
x
p
R
L
u
e
u
o
R
x
R
p
- -.
试绘出这个测试系统的框图,并计算其总的灵敏度。
解:框图如下
各装置串联,如果忽略负载效应,则总灵敏度 S 等于各装置灵敏度相乘,即
S=x/P=900.00520=9mm/MPa。
3-12 光电传感器包含哪儿种类型?各有何特点?用光电式传感器可以测量哪些物理量?
解答:包括利用外光电效应工作的光电传感器、利用内光电效应工作的光电传感器、利用
光生伏特效应工作的光电传感器三种。
外光电效应(亦称光电子发射效应)—光线照射物体,使物体的电子逸出表面的现象,
包括光电管和光电倍增管。
内光电效应(亦称光导效应)—物体受到光线照射时,物体的电子吸收光能是其导电
性增加,电阻率下降的现象,有光敏电阻和由其制成的光导管。
光生伏特效应—光线使物体产生一定方向的电动势。
如遥控器,自动门(热释电红外探测器),光电鼠标器,照相机自动测光计,光度计,
光电耦合器,光电开关(计数、位置、行程开关等),浊度检测,火灾报警,光电阅读器
(如纸带阅读机、条形码读出器、考卷自动评阅机等),光纤通信,光纤传感,CCD,色
差,颜色标记,防盗报警,电视机中亮度自动调节,路灯、航标灯控制,光控灯座,音乐
石英钟控制(晚上不奏乐),红外遥感、干手器、冲水机等。
在 CCD 图象传感器、红外成像仪、光纤传感器、激光传感器等中都得到了广泛应用。
3-13 何谓霍尔效应?其物理本质是什么?用霍尔元件可测哪些物理量?请举出三个例子
说明。
解答:
霍尔(Hall)效应:金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过薄片时,则在垂直
于电流和磁场方向的两侧面上将产生电位差,这种现象称为霍尔效应,产生的电位差称为
霍尔电势。
霍尔效应产生的机理(物理本质):在磁场中运动的电荷受到磁场力 F
L
(称为洛仑兹
力)作用,而向垂直于磁场和运动方向的方向移动,在两侧面产生正、负电荷积累。
应用举例:电流的测量,位移测量,磁感应强度测量,力测量;计数装置,转速测量
(如计程表等),流量测量,位置检测与控制,电子点火器,制做霍尔电机—无刷电机等。
3-14 试说明压电式加速度计、超声换能器、声发射传感器之间的异同点。
解答:相同点:都是利用材料的压电效应(正压电效应或逆压电效应)。
不同点:压电式加速度计利用正压电效应,通过惯性质量快将振动加速度转换成力作
用于压电元件,产生电荷。
超声波换能器用于电能和机械能的相互转换。利用正、逆压电效应。利用逆压电效应
可用于清洗、焊接等。
声发射传感器是基于晶体组件的压电效应,将声发射波所引起的被检件表面振动转换
成电压信号的换能设备,所有又常被人们称为声发射换能器或者声发射探头。
材料结构受外力或内力作用产生位错-滑移-微裂纹形成-裂纹扩展-断裂,以弹性波的形
式释放出应变能的现象称为声发射。
声发射传感器不同于加速度传感器,它受应力波作用时靠压电晶片自身的谐振变形把
被检试件表面振动物理量转化为电量输出。
3-15 有一批涡轮机叶片,需要检测是否有裂纹,请举出两种以上方法,并阐明所用传感
器的工作原理。
- - 总结
压力传感器 电荷放大器 光线示波器
压力 P
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