機械工程測試技術課后習題答案

1、第三章：常用傳感器技術3-1傳感器主要包括哪幾部分？試舉例說明。傳感器一般由敏感元件、轉換元件、基本轉換電路三部分組成。如圖所示的氣體壓力傳感器。其內(nèi)部的膜盒就是敏感元件，它的外部與大氣壓力相通,內(nèi)部感受被測壓力P，當p發(fā)生變化時，引起膜盒上半部分移動，可變線圈是傳感器的轉換元件，它把輸入的位移量轉換成電感的變化?；倦娐穭t是完成上述電感變化量接入基本轉換電路，便可轉換成電量輸出。3-2請舉例說明結構型傳感器與物性型傳感器的區(qū)別。答：結構型傳感器主要是通過傳感器結構參量的變化實現(xiàn)信號變換的。例如，電容式傳感器依靠極板間距離變化引起電容量的變化；電感式傳感器依靠銜鐵位移引起自感或互感的變化。物性

2、型傳感器則是利用敏感元件材料本身物理性質的變化來實現(xiàn)信號變換。例如，水銀溫度計是利用水銀的熱脹冷縮性質；壓電式傳感器是利用石英晶體的壓電效應等。3-3金屬電阻應變片與半導體應變片在工作原理上有何區(qū)別？答：（1）金屬電阻應變片是基于金屬導體的“電阻應變效應”，即電阻材料在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象，其電阻的相對變化為饗（1+2,）s；R（2）半導體應變片是基于半導體材料的“壓阻效應”，即電阻材料受到載荷作用而產(chǎn)生dRdp廠應力時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，其電阻的相對變化為九Ee。RP3-4有一電阻應變片（見圖3-105）,其靈敏度S0=2,R=120Q,設工作時其應變?yōu)?0

3、00憾,問AR=？設將此應變片接成圖中所示的電路，試求：1）無應變時電流指示值；2）有應變時電流指示值；3）試分析這個變量能否從表中讀出？mV1.5VmV圖3-105題3-4圖解：根據(jù)應變效應表達式R/R=S得gR=SR=2,1000,10-6,120=0.240gI=1.5/R=1.5/120=0.0125A=12.5mAI2=1.5/(R+R)=1.5/(120+0.24)0.012475A=12.475mA電流變化量太小，很難從電流表中讀出。如果采用高靈敏度小量程的微安表，則量程不夠，無法測量12.5mA的電流；如果采用毫安表，無法分辨0.025mA的電流變化。一般需要電橋來測量，將無應

4、變時的零位位電流平衡掉，只取有應變時的微小輸出量，并可根據(jù)需要采用放大器放大。3-5電容式傳感器常用的測量電路有哪幾種?答：變壓器式交流電橋、直流極化電路、調頻電路、運算放大電路等。3-6一個電容測微儀其傳感器的圓形極板半徑r=4mm，工作初始間隙5=0.3mm,求：1)工作時，如果傳感器與工件的間隙變化量力滬1ym時，電容變化量是多少？2)如果測量電路的靈敏度S=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV,在J=1gm時，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？解：1)AAAC=0-0=0+(+)2_8085X10-12X1X冗X(40X10-3)2(1X10-6)0(0.3X10-3)24.9

5、4x10-15F=4.94x10-3pF2)B=SS2C=100 x5x(丁.4.94x10-3)丁.2.47格壓器的輸出電壓信號如果采用交流電壓表指示，能否反映鐵芯的移動方器經(jīng)常采用的差動相敏檢波電路的原理。3-7壓器的輸出電壓信號如果采用交流電壓表指示，能否反映鐵芯的移動方器經(jīng)常采用的差動相敏檢波電路的原理。向？試描答：采用交流電壓表指示，無法反應鐵芯移動方向。差動相敏檢波電路請參考教材115頁圖4-11。3-9壓電式傳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兩種形式，各有何特點？答：前置放大器的主要作用，一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出，二是放大傳感器輸出的微弱電信

6、號。前置放大器也有電壓放大器和電荷放大器兩種形式：電壓放大器，其輸出電壓與電容C(包括連接電纜的寄生電容Cc、放大器的輸入電容C.和壓電式傳感器的等效電容C)密切相關，因電纜寄生電容C比C.和C都大，故整個iacia測量系統(tǒng)對電纜寄生電容的變化非常敏感。連接電纜的長度和形狀變化會引起Cc的變化，導致傳感器的輸出電壓變化，從而使儀器的靈敏度也發(fā)生變化。c電荷放大器是一個帶有反饋電容Cf的高增益運算放大器。其輸出電壓與電荷量成正比,而且與電纜分布電容無關。3-10熱電偶回路有哪些特點？熱電偶基本定律包括哪些內(nèi)容？答：熱電偶回路有以下特點：如果構成熱電偶回路的兩種導體相同，則無論兩接點溫度如何，熱電

7、偶回路中的總熱電動勢為零；如果熱電偶兩接點溫度相同，則盡管導體A、B的材料不同，熱電偶回路內(nèi)的總電動勢也為零；3）熱電偶AB的熱電動勢與導體材料A、B的中間溫度無關，只與接點溫度有關。熱電偶基本定律：1）中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種導體，只要其兩端溫度相同，則第三種導體的引入不會影響熱電偶的熱電動勢。2）參考電極定律如教材圖3-54所示，將標準電極C接在A、B之間，當熱電偶兩個接點溫度為T、T0時，用導體A、B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的代數(shù)和。3）中間溫度定律如教材圖3-55所示，當熱電偶AB的兩個接點溫度為T、T1時，熱電動勢為EAB（T，片）；當熱

8、電偶AB的兩個接點溫度為T、T0時，熱電動勢為EABH3-54委考電極走岸示童圍，+T0（T1，Q；H3-54委考電極走岸示童圍，+T0圖3-55中間溫度定律示意圖當熱電偶AB的兩個接點溫度為T、T0時，熱電動勢為E（T,T）+E（I,T），E（T,T）AB1AB10AB03-13何謂霍爾效應？用霍爾元件可以測量哪些物理量？答：金屬或半導體薄片置于磁場中，沿著垂直于磁場方向通以電流，在垂直于電流和磁場方向上產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應?；魻栐梢詼y量磁場、電流、位移、壓力、振動、轉速等。光纖被測對象光纖被測對象光纖被測對象光源光源光電器件光電器件光電器件電信號電信號電信號敏感元件(a

9、)(a)（b）圖3-80光纖傳感器的類型功能型（b）非功能型（c）拾光型(c)3-14CCD固態(tài)圖像傳感器如何實現(xiàn)光電轉換、電荷存儲和轉移過程，在工程測試中有哪些應用？答：1、光電轉換、電荷存儲和轉移過程如下：電荷的產(chǎn)生、存儲：構成CCD的基本單元是MOS電容器，結構中半導體以P型硅為例,金屬電極和硅襯底為電容器的兩極，SiO為介質，在金屬電極上加正向電壓G時，由此形成的電場穿過SiO薄層，吸引硅中的電子在SiSiO的界面上，而排斥SiSiO界222面附近的空穴，因此形成一個表面帶負電荷，而里面沒有電子和空穴的耗盡層。與此同時，SiSiO界面處的電勢發(fā)生相應變化，若取硅襯底內(nèi)的電位為零，表面勢S的正值2方向朝下，當金屬電極上所加的電壓G超過MOS晶體上開啟電壓時，SiSiO界面可2存儲電子。由于電子在那里勢阱較低，可以形象的說，半導體表面形成了電子勢阱，當光照射到CCD硅片表面時，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對。這是在柵極電壓的作用下，空穴被排斥出耗盡區(qū)而電子被收集在勢阱中，形成信號電荷存儲起來，如果G保持時間不長，則在各個MOS電容器的勢阱中儲積的電荷取決于照射到該點的光強。電荷包的轉移：若MOS電容器之間排列足夠緊密，使得相鄰的MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合，那么就可以使信號電荷在各個勢阱中轉移，并盡可能的向表面勢S最大的位置堆積，因此，在各個