機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課后習(xí)題答案

1、第三章：常用傳感器技術(shù)3-1傳感器主要包括哪幾部分？試舉例說(shuō)明。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)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(cè)壓力P，當(dāng)p發(fā)生變化時(shí)，引起膜盒上半部分移動(dòng)，可變線圈是傳感器的轉(zhuǎn)換元件，它把輸入的位移量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。3-2請(qǐng)舉例說(shuō)明結(jié)構(gòu)型傳感器與物性型傳感器的區(qū)別。答：結(jié)構(gòu)型傳感器主要是通過(guò)傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換。例如，水銀溫度計(jì)是利用水銀的熱脹冷縮性質(zhì)；壓電式傳感器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)等。3-3金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何區(qū)別？答：（1）金屬電阻應(yīng)變片是基于金屬導(dǎo)體的“電阻應(yīng)變效應(yīng)”，即電阻材料在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象，其電阻的相對(duì)變化為饗（1+2,）s；R（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片是基于半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)”，即電阻材料受到載荷作用而產(chǎn)生dRdp廠應(yīng)力時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，其電阻的相對(duì)變化為九Ee。RP3-4有一電阻應(yīng)變片（見(jiàn)圖3-105）,其靈敏度S0=2,R=120Q,設(shè)工作時(shí)其應(yīng)變?yōu)?0

3、00憾,問(wèn)AR=？設(shè)將此應(yīng)變片接成圖中所示的電路，試求：1）無(wú)應(yīng)變時(shí)電流指示值；2）有應(yīng)變時(shí)電流指示值；3）試分析這個(gè)變量能否從表中讀出？mV1.5VmV圖3-105題3-4圖解：根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)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(wú)法測(cè)量12.5mA的電流；如果采用毫安表，無(wú)法分辨0.025mA的電流變化。一般需要電橋來(lái)測(cè)量，將無(wú)應(yīng)

4、變時(shí)的零位位電流平衡掉，只取有應(yīng)變時(shí)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(cè)量電路有哪幾種?答：變壓器式交流電橋、直流極化電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大電路等。3-6一個(gè)電容測(cè)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(shí)，如果傳感器與工件的間隙變化量力滬1ym時(shí)，電容變化量是多少？2)如果測(cè)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(shí)，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(hào)如果采用交流電壓表指示，能否反映鐵芯的移動(dòng)方器經(jīng)常采用的差動(dòng)相敏檢波電路的原理。3-7壓器的輸出電壓信號(hào)如果采用交流電壓表指示，能否反映鐵芯的移動(dòng)方器經(jīng)常采用的差動(dòng)相敏檢波電路的原理。向？試描答：采用交流電壓表指示，無(wú)法反應(yīng)鐵芯移動(dòng)方向。差動(dòng)相敏檢波電路請(qǐng)參考教材115頁(yè)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(diǎn)？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(hào)。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(guān)，因電纜寄生電容C比C.和C都大，故整個(gè)iacia測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜寄生電容的變化非常敏感。連接電纜的長(zhǎng)度和形狀變化會(huì)引起Cc的變化，導(dǎo)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(gè)帶有反饋電容Cf的高增益運(yùn)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(wú)關(guān)。3-10熱電偶回路有哪些特點(diǎn)？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(diǎn)：如果構(gòu)成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體相同，則無(wú)論兩接點(diǎn)溫度如何，熱電

7、偶回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)為零；如果熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同，則盡管導(dǎo)體A、B的材料不同，熱電偶回路內(nèi)的總電動(dòng)勢(shì)也為零；3）熱電偶AB的熱電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體材料A、B的中間溫度無(wú)關(guān)，只與接點(diǎn)溫度有關(guān)。熱電偶基本定律：1）中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要其兩端溫度相同，則第三種導(dǎo)體的引入不會(huì)影響熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)。2）參考電極定律如教材圖3-54所示，將標(biāo)準(zhǔn)電極C接在A、B之間，當(dāng)熱電偶兩個(gè)接點(diǎn)溫度為T(mén)、T0時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。3）中間溫度定律如教材圖3-55所示，當(dāng)熱電偶AB的兩個(gè)接點(diǎn)溫度為T(mén)、T1時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)為EAB（T，片）；當(dāng)熱

8、電偶AB的兩個(gè)接點(diǎn)溫度為T(mén)、T0時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)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(dāng)熱電偶AB的兩個(gè)接點(diǎn)溫度為T(mén)、T0時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)為E（T,T）+E（I,T），E（T,T）AB1AB10AB03-13何謂霍爾效應(yīng)？用霍爾元件可以測(cè)量哪些物理量？答：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，沿著垂直于磁場(chǎng)方向通以電流，在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)?；魻栐梢詼y(cè)量磁場(chǎng)、電流、位移、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等。光纖被測(cè)對(duì)象光纖被測(cè)對(duì)象光纖被測(cè)對(duì)象光源光源光電器件光電器件光電器件電信號(hào)電信號(hào)電信號(hào)敏感元件(a

9、)(a)（b）圖3-80光纖傳感器的類(lèi)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(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移過(guò)程，在工程測(cè)試中有哪些應(yīng)用？答：1、光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移過(guò)程如下：電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器，結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)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(zhì)，在金屬電極上加正向電壓G時(shí)，由此形成的電場(chǎng)穿過(guò)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(gè)表面帶負(fù)電荷，而里面沒(méi)有電子和空穴的耗盡層。與此同時(shí)，SiSiO界面處的電勢(shì)發(fā)生相應(yīng)變化，若取硅襯底內(nèi)的電位為零，表面勢(shì)S的正值2方向朝下，當(dāng)金屬電極上所加的電壓G超過(guò)MOS晶體上開(kāi)啟電壓時(shí)，SiSiO界面可2存儲(chǔ)電子。由于電子在那里勢(shì)阱較低，可以形象的說(shuō)，半導(dǎo)體表面形成了電子勢(shì)阱，當(dāng)光照射到CCD硅片表面時(shí)，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。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(shì)阱中，形成信號(hào)電荷存儲(chǔ)起來(lái)，如果G保持時(shí)間不長(zhǎng)，則在各個(gè)MOS電容器的勢(shì)阱中儲(chǔ)積的電荷取決于照射到該點(diǎn)的光強(qiáng)。電荷包的轉(zhuǎn)移：若MOS電容器之間排列足夠緊密，使得相鄰的MOS電容的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合，那么就可以使信號(hào)電荷在各個(gè)勢(shì)阱中轉(zhuǎn)移，并盡可能的向表面勢(shì)S最大的位置堆積，因此，在各個(gè)