傳感器原理及應(yīng)用課后習(xí)題

習(xí)題集1.1什么是傳感器？1.2傳感器由哪幾部分組成？試述它們的作用及相互關(guān)系。1.3簡(jiǎn)述傳感器主要發(fā)展趨勢(shì)，并說(shuō)明現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的特征。1.4傳感器如何分類？1.5傳感器的靜態(tài)特性是什么？由哪些性能指標(biāo)描述？它們一般可用哪些公式表示？1.6傳感器的線性度是如何確定的？電阻應(yīng)變式傳感器3.1何為電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？3.2什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與金屬電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？3.3金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何不同？半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少，金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)范圍是多少？為什么有這種差別，說(shuō)明其優(yōu)缺點(diǎn)。3.4一應(yīng)變片的電阻R=120Ω，靈敏系數(shù)k=2.05，用作應(yīng)變?yōu)榈膫鞲性?。求：①和；②若電源電壓U=3V，初始平衡時(shí)電橋的輸出電壓U0。3.5在以鋼為材料的實(shí)心圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120Ω的金屬應(yīng)變片R1和R2（如圖3-28a所示），把這兩應(yīng)變片接入電橋（見圖3-28b）。若鋼的泊松系數(shù)，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k=2，電橋電源電壓U=2V，當(dāng)試件受軸向拉伸時(shí)，測(cè)得應(yīng)變片R1的電阻變化值EMBEDEquation.DSMT4

。試求：①軸向應(yīng)變；②電橋的輸出電壓。圖3-283.6圖3-31為一直流電橋，負(fù)載電阻RL趨于無(wú)窮。圖中E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，試求：①R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)R1的增量為ΔR1=1.2Ω時(shí)，電橋輸出電壓U0=?②R1、R2為金屬應(yīng)變片，感應(yīng)應(yīng)變大小變化相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓U0=?③R1、R2為金屬應(yīng)變片，如果感應(yīng)應(yīng)變大小相反，且ΔR1=ΔR2=，電橋輸出電壓U0=?圖3-28電容式傳感器4.1如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？4.2差動(dòng)式變極距型電容傳感器，若初始容量，初始距離，當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了時(shí)，試計(jì)算其非線性誤差。若改為單極平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大？4.3一平板式電容位移傳感器如圖4-5所示，已知：極板尺寸，極板間隙，極板間介質(zhì)為空氣。求該傳感器靜態(tài)靈敏度；若極板沿方向移動(dòng)，求此時(shí)電容量。4.4已知：圓盤形電容極板直徑，間距4.5壓差傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-30a所示，傳感器接入二極管雙T型電路，電路原理示意圖如圖4-30b所示。已知電源電壓UE=10V，頻率f=1MHz，R1=R2=40kΩ，壓差電容C1=C2=10pF，RL=20kΩ。試分析，當(dāng)壓力傳感器有壓差PH＞PL使電容變化ΔC=1pF時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載電阻上產(chǎn)生的輸出電壓URL平均值的大小與方向。b)b)圖4-30電感式傳感器5.1何謂電感式傳感器？電感式傳感器分為哪幾類？各有何特點(diǎn)？5.2提高電感式傳感器線性度有哪些有效的方法。5.3說(shuō)明單線圈和差動(dòng)變間隙式電感傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和基本特性。5.4說(shuō)明產(chǎn)生差動(dòng)電感式傳感器零位殘余電壓的原因及減小此電壓的有效措施。5.5為什么螺線管式電傳感器比變間隙式電傳感器有更大的測(cè)位移范圍？5.6電感式傳感器測(cè)量電路的主要任務(wù)是什么？變壓器式電橋和帶相敏整流的交流電橋在電感式傳感器測(cè)量電路中各可以發(fā)揮什么作用？采用哪種電路可以獲得理想輸出。5.7概述變間隙式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理和輸出特性，試比較單線圈和差動(dòng)螺線管式電傳感器的基本特性，說(shuō)明它們的性能指標(biāo)有何異同？5.8差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電路有幾種類型？試述差動(dòng)整流電路的組成和基本原理。為什么這類電路可以消除零點(diǎn)殘余電壓？5.9概述差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用范圍，并說(shuō)明用差動(dòng)變壓器式傳感器檢測(cè)振動(dòng)的基本原理。5.10什么叫電渦流效應(yīng)？說(shuō)明電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。電渦流式傳感器的基本特性有哪些？它是基于何種模型得到的？5.11電渦流式傳感器可以進(jìn)行哪些物理量的檢測(cè)？能否可以測(cè)量非金屬物體，為什么？5.12試用電渦流式傳感器設(shè)計(jì)一在線檢測(cè)的計(jì)數(shù)裝置，被測(cè)物體為鋼球。請(qǐng)畫出檢測(cè)原理框圖和電路原理框圖。第6章磁電式傳感器6.1試述磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式。6.2說(shuō)明磁電感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生誤差的原因及補(bǔ)償方法。6.3為什么磁電感應(yīng)式傳感器的靈敏度在工作頻率較高時(shí)，將隨頻率增加而下降？6.4什么是霍爾效應(yīng)？6.5霍爾元件常用材料有哪些？為什么不用金屬做霍爾元件材料？6.6霍爾元件不等位電勢(shì)產(chǎn)生的原因有哪些？6.7某一霍爾元件尺寸為，,，沿方向通以電流，在垂直于和的方向加有均勻磁場(chǎng)，靈敏度為，試求輸出霍爾電勢(shì)及載流子濃度。6.8試分析霍爾元件輸出接有負(fù)載時(shí)，利用恒壓源和輸人回路串聯(lián)電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臈l件。6.9霍爾元件靈敏度，控制電流，將它置于～線性變化的磁場(chǎng)中，它輸出的霍爾電勢(shì)范圍有多大？壓電式傳感器7.1什么是壓電效應(yīng)？什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？7.2石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)有何不同之處？為什么說(shuō)PZT壓電陶瓷是優(yōu)能的壓電元件？比較幾種常用壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)出各自適用于什么場(chǎng)合？7.3壓電傳感器能否用于靜態(tài)測(cè)量？試結(jié)合壓電陶瓷加以說(shuō)明。7.4壓電元件在使用時(shí)常采用多片串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。試述在不同接法下輸出電壓、電荷、電容的關(guān)系，它們分別適用于何種應(yīng)用場(chǎng)合？7.5電壓放大器和電荷放大器本質(zhì)上有何不同，電荷放大器和電壓放大器各有何特點(diǎn)？它們各自適用于什么情況？光電效應(yīng)及器件8.1什么是內(nèi)光電效應(yīng)？什么是外光電效應(yīng)？說(shuō)明其工作原理并指出相應(yīng)的典型光電器件。8.2普通光電器件有哪幾種類型？各有何特點(diǎn)？利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件有哪些？用光生伏特效應(yīng)制成的光電器件有哪些？8.3普通光電器件都有哪些主要特性和參數(shù)？8.4什么是光敏電阻的亮電阻和暗電阻？暗電阻電阻值通常在什么范圍？熱電式傳感器9.1什么是熱電效應(yīng)？熱電偶測(cè)溫回路的熱電動(dòng)勢(shì)由哪兩部分組成？由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢(shì)嗎？9.2為什么熱電偶的參比端在實(shí)際應(yīng)用中很重要？對(duì)參比端溫度處理有哪些方法？9.3解釋下列有關(guān)熱電偶的名詞：熱電效應(yīng)、熱電勢(shì)、接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)、熱電極、測(cè)量端、參比端、分度表。9.4試比較熱電偶、熱電阻、熱敏電阻三種熱電式傳感器的特點(diǎn)。9mV/℃，把它放在溫度為1200℃處的溫度場(chǎng)，若指示表（冷端）處溫度為50℃，試求熱電勢(shì)的大??？9.6某熱電偶的熱電勢(shì)在E(600,0)時(shí)，輸出E=5.257mV，若冷端溫度為0℃時(shí)，測(cè)某爐溫輸出熱電勢(shì)E=5.267mV。試求該加熱爐實(shí)際溫度是多少？9.7已知鉑熱電阻溫度計(jì)0℃時(shí)電阻為,100℃時(shí)電阻為139Ω，當(dāng)它與某熱介質(zhì)接觸時(shí)，電阻值增至281Ω，試確定該介質(zhì)溫度。9.8用分度號(hào)為K型鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)溫度，在未采用冷端溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，儀表顯示500℃，此時(shí)冷端為60℃。試問(wèn)實(shí)際測(cè)量溫度為多少度？若熱端溫度不變，設(shè)法使冷端溫度保持在20℃，此時(shí)顯示儀表指示多少度？傳感與檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)什么是測(cè)量值的絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、引用誤差？答：某量值的測(cè)得值和真值之差稱為絕對(duì)誤差。相對(duì)誤差有實(shí)際相對(duì)誤差和標(biāo)稱相對(duì)誤差兩種表示方法。實(shí)際相對(duì)誤差是絕對(duì)誤差與被測(cè)量的真值之比；標(biāo)稱相對(duì)誤差是絕對(duì)誤差與測(cè)得值之比。引用誤差是儀表中通用的一種誤差表示方法，也用相對(duì)誤差表示，它是相對(duì)于儀表滿量程的一種誤差。引用誤差是絕對(duì)誤差（在儀表中指的是某一刻度點(diǎn)的示值誤差）與儀表的量程之比。什么是測(cè)量誤差？測(cè)量誤差有幾種表示方法？它們通常應(yīng)用在什么場(chǎng)合？答：測(cè)量誤差是測(cè)得值與被測(cè)量的真值之差。測(cè)量誤差可用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差表示,引用誤差也是相對(duì)誤差的一種表示方法。在實(shí)際測(cè)量中，有時(shí)要用到修正值，而修正值是與絕對(duì)誤差大小相等符號(hào)相反的值。在計(jì)算相對(duì)誤差時(shí)也必須知道絕對(duì)誤差的大小才能計(jì)算。采用絕對(duì)誤差難以評(píng)定測(cè)量精度的高低，而采用相對(duì)誤差比較客觀地反映測(cè)量精度。引用誤差是儀表中應(yīng)用的一種相對(duì)誤差，儀表的精度是用引用誤差表示的。用測(cè)量范圍為-50～+150kPa的壓力傳感器測(cè)量140kPa壓力時(shí)，傳感器測(cè)得示值為142kPa，求該示值的絕對(duì)誤差、實(shí)際相對(duì)誤差、標(biāo)稱相對(duì)誤差和引用誤差。解：絕對(duì)誤差kPa實(shí)際相對(duì)誤差標(biāo)稱相對(duì)誤差引用誤差什么是隨機(jī)誤差？隨機(jī)誤差產(chǎn)生的原因是什么？如何減小隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響？答：在同一測(cè)量條件下，多次測(cè)量同一被測(cè)量時(shí)，其絕對(duì)值和符號(hào)以不可預(yù)定方式變化著的誤差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差是由很多不便掌握或暫時(shí)未能掌握的微小因素（測(cè)量裝置方面的因素、環(huán)境方面的因素、人員方面的因素），如電磁場(chǎng)的微變，零件的摩擦、間隙，熱起伏，空氣擾動(dòng)，氣壓及濕度的變化，測(cè)量人員感覺器官的生理變化等，對(duì)測(cè)量值的綜合影響所造成的。對(duì)于測(cè)量列中的某一個(gè)測(cè)得值來(lái)說(shuō)，隨機(jī)誤差的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，即誤差的大小和符號(hào)是不能預(yù)知的，但當(dāng)測(cè)量次數(shù)增大，隨機(jī)誤差又具有統(tǒng)計(jì)的規(guī)律性，測(cè)量次數(shù)越多，這種規(guī)律性表現(xiàn)得越明顯。所以一般可以通過(guò)增加測(cè)量次數(shù)估計(jì)隨機(jī)誤差可能出現(xiàn)的大小，從而減少隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。什么是系統(tǒng)誤差？系統(tǒng)誤差可分哪幾類？系統(tǒng)誤差有哪些檢驗(yàn)方法？如何減小和消除系統(tǒng)誤差？答：在同一測(cè)量條件下，多次測(cè)量同一量值時(shí)，絕對(duì)值和符號(hào)保持不變，或在條件改變時(shí)，按一定規(guī)律變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差可分為恒值（定值）系統(tǒng)誤差和變值系統(tǒng)誤差。誤差的絕對(duì)值和符號(hào)已確定的系統(tǒng)誤差稱為恒值（定值）系統(tǒng)誤差；絕對(duì)值和符號(hào)變化的系統(tǒng)誤差稱為變值系統(tǒng)誤差，變值系統(tǒng)誤差又可分為線性系統(tǒng)誤差、周期性系統(tǒng)誤差和復(fù)雜規(guī)律系統(tǒng)誤差等。在測(cè)量過(guò)程中形成系統(tǒng)誤差的因素是復(fù)雜的，通常人們難于查明所有的系統(tǒng)誤差，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差必須根據(jù)具體測(cè)量過(guò)程和測(cè)量?jī)x器進(jìn)行全面的仔細(xì)的分析，這是一件困難而又復(fù)雜的工作，目前還沒(méi)有能夠適用于發(fā)現(xiàn)各種系統(tǒng)誤差的普遍方法，只是介紹一些發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的一般方法。如實(shí)驗(yàn)對(duì)比法、殘余誤差觀察法，還有準(zhǔn)則檢查法如馬利科夫判據(jù)和阿貝檢驗(yàn)法等。由于系統(tǒng)誤差的復(fù)雜性，所以必須進(jìn)行分析比較，盡可能的找出產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的因素，從而減小和消除系統(tǒng)誤差。1.從產(chǎn)生誤差根源上消除系統(tǒng)誤統(tǒng)誤差的影響；3.在測(cè)量系統(tǒng)中采用補(bǔ)償實(shí)時(shí)反饋修正的辦法，來(lái)消除復(fù)雜的變化系統(tǒng)誤差。什么是粗大誤差？如何判斷測(cè)量數(shù)據(jù)中存在粗大誤差？答：超出在規(guī)定條件下預(yù)期的誤差稱為粗大誤差，粗大誤差又稱疏忽誤差。此誤差值較大，明顯歪曲測(cè)量結(jié)果。在判別某個(gè)測(cè)得值是否含有粗大誤差時(shí)，要特別慎重，應(yīng)作充分的分析和研究，并根據(jù)判別準(zhǔn)則予以確定。通常用來(lái)判斷粗大誤差的準(zhǔn)則有：3準(zhǔn)則（萊以特準(zhǔn)則）；肖維勒準(zhǔn)則；格拉布斯準(zhǔn)則。什么是直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量？答：在使用儀表或傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)得值直接與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，不需要經(jīng)過(guò)任何運(yùn)算，直接得到被測(cè)量，這種測(cè)量方法稱為直接測(cè)量。在使用儀表或傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先對(duì)與測(cè)量有確定函數(shù)關(guān)系的幾個(gè)量進(jìn)行直接測(cè)量，將直接測(cè)得值代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到所需要的結(jié)果，這種測(cè)量稱為間接測(cè)量。若被測(cè)量必須經(jīng)過(guò)求解聯(lián)立方程組求得，如：有若干個(gè)被測(cè)量y1，y2，，…，ym，直接測(cè)得值為把被測(cè)量與測(cè)得值之間的函數(shù)關(guān)系列成方程組，即（1-6）方程組中方程的個(gè)數(shù)n要大于被測(cè)量y的個(gè)數(shù)m，用最小二乘法求出被測(cè)量的數(shù)值，這種測(cè)量方法稱為組合測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)差有幾種表示形式？如何計(jì)算？分別說(shuō)明它們的含義。答：標(biāo)準(zhǔn)偏差簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)差，有標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)值及算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式()式中為測(cè)得值與被測(cè)量的真值之差。標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)值的計(jì)算公式式中為殘余誤差，是測(cè)得值與算術(shù)平均值之差，該式又稱為貝塞爾公式。算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式由于隨機(jī)誤差的存在，等精度測(cè)量列中各個(gè)測(cè)得值一般皆不相同，它們圍繞著該測(cè)量列的算術(shù)平均值有一定的分散，此分散度說(shuō)明了測(cè)量列中單次測(cè)得值的不可靠性，標(biāo)準(zhǔn)差是表征同一被測(cè)量的n次測(cè)量的測(cè)得值分散性的參數(shù)，可作為測(cè)量列中單次測(cè)量不可靠性的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。而被測(cè)量的真值為未知，故不能求得標(biāo)準(zhǔn)差，在有限次測(cè)量情況下，可用殘余誤差代替真誤差，從而得到標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)值，標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)值含義同標(biāo)準(zhǔn)差，也是作為測(cè)量列中單次測(cè)量不可靠性的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。若在相同條件下對(duì)被測(cè)量進(jìn)行m組的“多次重復(fù)測(cè)量”，每一組測(cè)量都有一個(gè)算術(shù)平均值，由于隨機(jī)誤差的存在，各組所得的算術(shù)平均值也不相同，它們圍繞著被測(cè)量的真值有一定分散，此分散說(shuō)明了算術(shù)平均值的不可靠性，算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差則是表征同一被測(cè)量的各個(gè)獨(dú)立測(cè)量列算術(shù)平均值分散性的參數(shù)，可作為算術(shù)平均值不可靠性的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。9．什么是測(cè)量不確定度？有哪幾種評(píng)定方法？答：測(cè)量不確定度定義為表征合理賦予被測(cè)量之值的分散性，與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。測(cè)量不確定度意味著對(duì)測(cè)量結(jié)果的可靠性和有效性的懷疑程度或不能肯定的程度。測(cè)量不確定度按其評(píng)定方法可分為A類評(píng)定和B類評(píng)定。第二章傳感器概述什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？它們的作用及相互關(guān)系如何？答：傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常傳感器有敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部份；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部份。由于傳感器輸出信號(hào)一般都很微弱，需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等，此外信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須要有輔助的電源，因此信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部份。什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能指標(biāo)？分別說(shuō)明這些性能指標(biāo)的含義。答：傳感器的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)(被測(cè)量是一個(gè)不隨時(shí)間變化，或隨時(shí)間變化緩慢的量)時(shí)的輸出輸入關(guān)系。傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標(biāo)來(lái)描述，有靈敏度、遲滯、線性度、重復(fù)性和漂移等。①靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵隽吭隽俊鱵與引起輸出量增量△y的相應(yīng)輸入量增量△x的之比。用S表示靈敏度，即S=△y/△x②傳感器的線性度是指在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值滿量程輸出值之比。線性度也稱為非線性誤差，用表示，即。③遲滯是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓坑尚〉酱螅ㄕ谐蹋┘拜斎肓坑纱蟮叫。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象。即傳感器在全量程范圍內(nèi)最大的遲滯差值ΔHmax與滿量程輸出值之比稱為遲滯誤差，用表示，即：④重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差，常用均方根誤差計(jì)算，也可用正反行程中最大重復(fù)差值計(jì)算，即:什么是傳感器的動(dòng)態(tài)特性？有哪幾種分析方法？它們各有哪些性能指標(biāo)？答：傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性。主要的分析方法有：瞬態(tài)響應(yīng)法（又稱時(shí)域分析法），相應(yīng)的性能指標(biāo)有時(shí)間常數(shù)τ、延遲時(shí)間td、上升時(shí)間tr、超調(diào)量σ和衰減比d等；頻率響應(yīng)法，相應(yīng)的性能指標(biāo)有通頻帶ω、工作頻帶ω0。95、時(shí)間常數(shù)τ、固有頻率ωn、跟隨角φ0。70等。第三章應(yīng)變式傳感器什么叫應(yīng)變效應(yīng)？利用應(yīng)變效應(yīng)解釋金屬電阻應(yīng)變片的工作原理。答：在外力作用下，導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料產(chǎn)生機(jī)械變形，從而引起材料電阻值發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變效應(yīng)。其表達(dá)式為，式中K為材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)，當(dāng)應(yīng)變材料為金屬或合金時(shí)，在彈性極限內(nèi)K為常數(shù)。金屬電阻應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量與金屬材料的軸向應(yīng)變成正比，因此，利用電阻應(yīng)變片，可以將被測(cè)物體的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成與之成正比關(guān)系的電阻相對(duì)變化量，這就是金屬電阻應(yīng)變片的工作原理。試述應(yīng)變片溫度誤差的概念，產(chǎn)生原因和補(bǔ)償辦法。答：由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度偏離應(yīng)變片標(biāo)定溫度而給測(cè)量帶來(lái)的附加誤差，稱為應(yīng)變片溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要原因有：⑴由于電阻絲溫度系數(shù)的存在，當(dāng)溫度改變時(shí)，應(yīng)變片的標(biāo)稱電阻值發(fā)生變化。⑵當(dāng)試件與與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)，由于溫度的變化而引起的附加變形，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加電阻。電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償法兩大類。電橋補(bǔ)償法是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償法，應(yīng)變片自補(bǔ)償法是采用溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片或雙金屬線柵應(yīng)變片來(lái)代替一般應(yīng)變片，使之兼顧溫度補(bǔ)償作用。什么是直流電橋？若按橋臂工作方式不同，可分為哪幾種？各自的輸出電壓如何計(jì)算？題圖3-3直流電橋答：如題圖3-3所示電路為電橋電路。若電橋電路的工作電源E為直流電源，則該電橋稱為直流電橋。題圖3-3直流電橋按應(yīng)變所在電橋不同的工作橋臂，電橋可分為：⑴單臂電橋，R為電阻應(yīng)變片，R、R、R為電橋固定電阻。其輸出壓為⑵差動(dòng)半橋電路，R、R為兩個(gè)所受應(yīng)變方向相反的應(yīng)變片，R、R為電橋固定電阻。其輸出電壓為：⑶差動(dòng)全橋電路，R1、R2、R3、R4均為電阻應(yīng)變片，且相鄰兩橋臂應(yīng)變片所受應(yīng)變方向相反。其輸出電壓為：4．?dāng)M在等截面的懸臂梁上粘貼四個(gè)完全相同的電阻應(yīng)變片組成差動(dòng)全橋電路，試問(wèn)：四個(gè)應(yīng)變片應(yīng)怎樣粘貼在懸臂梁上？畫出相應(yīng)的電橋電路圖。應(yīng)變片答：①如題圖3-4﹙ａ﹚所示等截面懸梁臂，在外力作用下，懸梁臂產(chǎn)生變形，梁的上表面受到拉應(yīng)變，而梁的下表面受壓應(yīng)變。當(dāng)選用四個(gè)完全相同的電阻應(yīng)變片組成差動(dòng)全橋電路，則應(yīng)變片如題圖3-4﹙ｂ﹚所示粘貼。應(yīng)變片題圖3-4（a）等截面懸臂梁（b）應(yīng)變片粘貼方式（c）測(cè)量電路②電阻應(yīng)變片所構(gòu)成的差動(dòng)全橋電路接線如圖3-4﹙ｃ﹚所示，、所受應(yīng)變方向相同，、、所受應(yīng)變方向相同，但與、所受應(yīng)變方向相反。第四章電感式傳感器說(shuō)明差動(dòng)變隙電壓傳感器的主要組成，工作原理和基本特性。題圖4-1差動(dòng)變隙電壓傳感器題圖4-1差動(dòng)變隙電壓傳感器若忽略上式中的高次項(xiàng)，可得為了使輸出特性能得到有效改善，構(gòu)成差動(dòng)的兩個(gè)變隙式電感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、材料、電氣參數(shù)等方面均應(yīng)完全一致。變隙試電感傳感器的輸入特性與哪些因素有關(guān)？怎樣改善其非線性？怎樣提高其靈敏度？答：變隙試電壓傳感器的輸出特性為：其輸出特性與初始電壓量，氣隙厚度，氣隙變化量有關(guān)。當(dāng)選定鐵芯，銜鐵材料及尺寸，確定線圈的匝數(shù)及電氣特性，則。從傳感器的輸出特性可以看出，與成非線性關(guān)系，為改善其非線性，通常采用差動(dòng)變隙式電感傳感器，如題圖4—1所示，輸出特性表達(dá)式為；將上式與單線圈變隙式傳感器相比，若忽略非線性項(xiàng)，其靈敏度提高一倍，若保留一項(xiàng)非線性項(xiàng)，則單線圈式，而差動(dòng)式由于<<1，因此，差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。差動(dòng)變壓器式傳感器有幾種結(jié)構(gòu)形式？各有什么特點(diǎn)？答：差動(dòng)變壓器式傳感器有變隙式差動(dòng)變壓器式和螺線管式差動(dòng)變壓器式傳感器二種結(jié)構(gòu)形式。變隙式差動(dòng)變壓器傳感器的輸出特性為，輸出電壓與比值成正比，然而比值與變壓器的體積與零點(diǎn)殘余電壓有關(guān)。應(yīng)綜合考慮；與成反比關(guān)系，因此要求越小越好，但較小的使測(cè)量范圍受到約束，通常在左右。螺線管式差動(dòng)變壓器式傳感器的輸出特性是激勵(lì)電壓和激磁頻率的函數(shù)，理論上，靈敏度與、成正比關(guān)系，而實(shí)際上由于傳感器結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱、鐵損、磁漏等因素影響，與不成正比關(guān)系，一般在400Hz～10KHz范圍內(nèi)有較大的穩(wěn)定值，與不論在理論上和實(shí)際上都保持較好的線性關(guān)系。一般差動(dòng)變壓器的功率控制在1瓦左右，因此取值在3～8伏范圍之內(nèi)。為保證傳感器有較好的線性度，其測(cè)量范圍為線圈骨架長(zhǎng)度的到。因此可以測(cè)量大位移范圍。差動(dòng)變壓器式傳感器的等效電路包括哪些元件和參數(shù)？各自的含義是什么？題圖4-4差動(dòng)變壓器式傳感器等效電路答：差動(dòng)變壓器式傳感器在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下，其等效電路如題圖4—4所示。其中為初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓，為初級(jí)線圈直流電阻，為初級(jí)線圈交流電感，，為兩次級(jí)線圈直流電阻，，為兩次級(jí)線圈的交流電感。初級(jí)線圈與兩次級(jí)線圈的互感系數(shù)為，，線圈的感應(yīng)電勢(shì)為，線圈的感應(yīng)電勢(shì)為。題圖4-4差動(dòng)變壓器式傳感器等效電路差動(dòng)變壓器式傳感器的零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么？怎樣減小和消除它的影響？答：差動(dòng)電壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。對(duì)零點(diǎn)殘余電壓進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)其頻譜主要由基波和三次諧波組成，基波產(chǎn)生的主要原因是傳感器兩個(gè)次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱，三次諧波產(chǎn)生的原因主要是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和，磁滯）所造成的。消除或減小零點(diǎn)殘余電壓的主要方法有：①盡可能保證傳感器幾何尺寸，線圈電氣參數(shù)和磁路的相互對(duì)稱。②傳感器設(shè)置良好的磁屏蔽，必要時(shí)再設(shè)置靜電屏蔽。③將傳感器磁回電路工作區(qū)域設(shè)計(jì)在鐵芯曲線的線性段。④采用外電路補(bǔ)償。⑤配用相敏檢波測(cè)量電路。題圖4題圖4—6相敏檢波電路答：相敏檢波電路如題圖4—6﹙ａ﹚所示。圖中，，，為四個(gè)性能相同的二極管。以同一方向串聯(lián)接成一個(gè)閉合回路，組成環(huán)形電橋。輸入信號(hào)（差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的調(diào)諧波電壓）通過(guò)變壓器加入環(huán)形電橋的一個(gè)對(duì)角線上，參考信號(hào)通過(guò)變壓器加到環(huán)形電橋的另一個(gè)對(duì)角線上，為保證相敏檢波電路可靠工作，要求的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)的幅值，以便有效控制四個(gè)二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，且和差動(dòng)變壓器式傳感器激勵(lì)電壓由同一振蕩器供電。保證二者同頻同相（或反相）。當(dāng)>0時(shí)，與同頻同相。，截止，，導(dǎo)通，則可得題圖4—6﹙ｂ﹚所示等效電路。其輸出電壓表達(dá)式為，在與均為負(fù)半周時(shí)，、截止，、導(dǎo)通，則題圖4—6﹙ｃ﹚所示為等效電路，其輸出電壓表達(dá)式亦為，這說(shuō)明只要位移>0，不論與是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻兩端得到的電壓始終為正。當(dāng)<0時(shí)，采用上述相同方法可以得到輸出電壓的表達(dá)式為。（為變壓器的變比）。故題圖4—6﹙ａ﹚所示相敏檢波電路輸出電壓的變化規(guī)律充分反映了被測(cè)位移量的變化規(guī)律，即電壓數(shù)值反映了大小，而極性則反映了位移的方向。題圖4-7差動(dòng)整流電橋電路已知一差動(dòng)整流電橋電路如題圖4-7所示。電路由差動(dòng)電感傳感器、及平衡電阻、（）組成。橋路的一個(gè)對(duì)角接有交流電源，另一個(gè)對(duì)角線為輸出端，試分析該電路的工作原理。題圖4-7差動(dòng)整流電橋電路解：題圖4—7為差動(dòng)整流電橋電路，，為差動(dòng)電壓傳感器，為平衡電阻，為交流電源，、、、構(gòu)成一型濾波電路，輸出電壓為。當(dāng)被測(cè)輸入量為零時(shí)，傳感器與傳感器相等，此時(shí)若為正半周，則、導(dǎo)通，、截止，電流流經(jīng)，，，電流流經(jīng)，，，如果四只二極管具有理想特性（導(dǎo)通時(shí)內(nèi)阻為零，截止時(shí)內(nèi)阻為無(wú)窮大），則，。且如題圖4—7所示與方向相反，。若為負(fù)半周，則、導(dǎo)通，、截止，電流流經(jīng)，，，而電流流經(jīng)，，，此時(shí)，，且如圖所示與方向相反，。當(dāng)被測(cè)輸入量不等于零，且>，若為正半周，此時(shí)有<，>，>0。若為負(fù)半周，此時(shí)，，<則>0，即不論為正半周還是負(fù)半周，輸出電壓始終為正。當(dāng)被測(cè)輸入量不等于零，且<時(shí)，采用相同的分析方法同理可得：<0，即不論為正半周還是負(fù)半周，輸出電壓始終為負(fù)。所以該測(cè)量電路輸出電壓幅值反映了被測(cè)量的大小，而的符號(hào)則反映了該被測(cè)量的變化方向。已知變氣隙電感傳感器的鐵芯截面積cm2，磁路長(zhǎng)度cm，相對(duì)磁導(dǎo)率，氣隙cm，mm，真空磁導(dǎo)率H/m，線圈匝數(shù)，求單端式傳感器的靈敏度。若做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，其靈敏度將如何變化？解：靈敏度：接成差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，則靈敏度提高一倍。何謂渦流效應(yīng)？怎樣利用渦流效應(yīng)進(jìn)行位移測(cè)量？答：塊狀金屬導(dǎo)體置于變化著的磁物中，或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈旋渦狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，所產(chǎn)生電渦流的現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器的測(cè)試系統(tǒng)由電渦流式傳感器和被測(cè)金屬兩部分組成。當(dāng)線圈中通以交變電流時(shí)，其周圍產(chǎn)生交變磁物，置于此磁物中的導(dǎo)體將感應(yīng)出交變電渦流，又產(chǎn)生新的交變磁物，的作用將反抗原磁物，導(dǎo)致線圈阻抗發(fā)生變化，的變化完全取決于導(dǎo)體中的電渦流效應(yīng)，而電渦流效應(yīng)既與導(dǎo)體的電阻率，磁導(dǎo)率，幾何尺寸有關(guān)，又與線圈的幾何參數(shù)、線圈中的激磁電流頻率有關(guān)，還與線圈和導(dǎo)體間的距離有關(guān)，因此，可得等效阻抗的函數(shù)差系式為（、、、、）式中為線圈與被測(cè)體的尺寸因子。以上分析可知，若保持，，，參數(shù)不變，而只改變參數(shù)。則就僅僅是關(guān)于單值函數(shù)。測(cè)量出等效阻抗，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的測(cè)量。電渦流的形成范圍包括哪些內(nèi)容？它們的主要特點(diǎn)是什么？答：電渦流的形成范圍包括電渦流的徑向形成范圍、電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系和電渦流的軸向貫穿深度。電渦流的徑向形成范圍的特點(diǎn)為：①金屬導(dǎo)體上的電渦流分布在以線圈軸線為同心，以（1.8～2.5）為半徑的范圍之內(nèi)（為線圈半徑），且分布不均勻。②在線圈軸線（即短路環(huán)的圓心處）內(nèi)渦流密度為零。③電渦流密度的最大值在附近的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)。電渦流強(qiáng)度與距離呈非線性關(guān)系。且隨著的增加，電渦流強(qiáng)度迅速減小。當(dāng)利用電渦流式傳感器測(cè)量位移時(shí)，只有在=0.05～0.15的范圍內(nèi)才具有較好的線性度和較高的靈敏度。電渦流的軸向貫穿深度按指數(shù)規(guī)律分布，即電渦流密度在被測(cè)體表面最大，隨著深度的增加，按指數(shù)規(guī)律衰減。電渦流傳感器常用測(cè)量電路有幾種？其測(cè)量原理如何？各有什么特點(diǎn)？答：電渦流傳感器常用的測(cè)量電路有：調(diào)頻式測(cè)量電路和調(diào)幅式測(cè)量電路二種。調(diào)頻式測(cè)量電路如題圖4—11﹙ａ﹚所示，傳感器線圈接入振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率變化，該變化的頻率是距離的函數(shù)，即，該電路輸出是頻率量，固抗干擾性能較好，但的表達(dá)式中有電容參數(shù)存在，為避免傳感器引線的分布電容影響。通題圖4—11﹙ａ﹚電渦流傳感器調(diào)頻式測(cè)量電路常將封裝在傳感器內(nèi)，此時(shí)電纜分布電容并聯(lián)在大電容上，因而對(duì)振蕩頻率的影響大大減小。題圖4—11﹙ａ﹚電渦流傳感器調(diào)頻式測(cè)量電路題圖4—11﹙ｂ﹚電渦流傳感器調(diào)幅式測(cè)量電路調(diào)幅式測(cè)量電路如題圖4—11﹙ｂ﹚所示，石英晶體振蕩器起恒流源作用，給諧振回路提供了一個(gè)激勵(lì)頻率穩(wěn)定的激勵(lì)電流，由傳感器線圈、電容器構(gòu)成一個(gè)振蕩電路，其輸出電壓，當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離電渦流傳感器或去掉時(shí)，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率即為石英振蕩頻率，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線