机械工程测试技术-课后习题及答案2

机械工程测试技术基础习题解答

教材：机械工程测试技术基础,熊诗波黄长艺主编，机械工业出版社,2006年9月第3版第二次印刷。

绪论

0-1叙述我国法定计危单位的星本内容。

解答：教材PM5,二、法定计量单位。

0-2如何保证最值的准确和一致？

解答：(参考教材P4F,二、法定计量单位〜五、量值的传递和计量器具检定)

1、对计战单位做出严格的定义：

2、有保存、发现和传递单位的一整套制度和设备；

3、必须保存有基准计量器具，包括国家基准、副基准、I：作基准等。

3、必须按检定规程对计量器具实施检定或校准，将国家级准所史观的计量单位量值经过各级计算标准传递到工作计量器具。

0-3何谓测量误差？通常酒量误差是如何分类表示的？

解答：(教材P870,八、测量误差)

0-4请将下列诸测后结果中的绝对误差改写为相对谡差。

①1.0182544V±7.即丫

②(25.04894±0.00003)g

③(5.482±0.026)g/cmZ

解答：

①±7.8x10-6/1.0182544»±7.6601682/106

②±0.00003/25.04894«±1.197655/106

③±0.026/5.482-4.743%。

0-5何谓测后不确定度？国际计报局于1980年提出的建议《实验不确定度的规定建议书INCMI980)》的要点是什么？

解答：

⑴测最不确定度是表征被测疑侑的口值在所处锹值范困的个估计，亦即由于测域误差的存在而对被测后值不能行定的程度。

(2)要点：见教材P1L,

0-6为什么选用电表时，不但要考虑它的潴确度，而且要考虑它的量程？为什么是川电表时应尽可能地在电表量程上限的♦分之.以上使用？川量程为150V的0.5

级电压表和量程为30V1EJ1.5级电乐表分别测盘25V电压，请问哪个测量准确度高？

解答：

(1)因为多数的电工仪表、热工仪表和部分无线电测量仪器是按引用误弟分级的(例如，精度等级为0.2级的电表，其引用误差为0.2%),而

引用误差=绝对误差/引用位

其中的引用值•般是仪表的满度值(或量程)，所以用电表测量的结果的绝对误差大小与量程有关。量程越大，引起的绝对误势越大,所以在选用电表时，不但要考虑它的

准确度，而且要考虑它的量程。

(2)从(1)中可知，电表测址所带来的绝对误差=格度等级x量程“00,即电表所带来的绝对误差是一定的，这样，当被测量值越大，测址结果的相对•误差就越小，测知

准确度就越高.所以用电表时应尽可能地在电表量程上限的三分之二以上使用。

(3)150V的0.5级电压表所带来的绝对误差:0.5xl50/100=0.75V；30V的1.5级电压表所带来的绝对误柴=L5x30"00=0.45V。所以30V的1.5级电压表测量精度高。

0-7如何表达测量结果？对某量进行8次测墩，测得值分别为：802.40,802.50,802.38,802.48,802.42,802.46,802.45,802.43«求其测量结果。

解答:

(1)测量结果=样木平均值士不确定度

v一人一S

或X=x+(J-=x-\—f=

8

⑵亍=上」=802.44

8

8

Xi-x)2

0.040356

8-1

冬=太=0.014268

所以测质结果=802.44+0.014268

0-8用米尺逐段丈量段10m的距离，设丈量Im距离的标准差为0.2mm。如何表示此项间接测量的函数式？求测此10m距离的标准非。

10

解答：（1）

⑵%=0.6mm

0-9匕网柱体的直径及高的相对•标准差均为0.5%,求其体积的相对标准差为变少？

解答：设直径的平均值为d，高的平均值为/2.体积的平•均值为/，则

~7cdh

V---------

4

所以Q

V

第一章信号的分类与描述

图1-4周期方波信号波形图

解答：在一个周期的表达式为

-A(--<Z<0)

XO=-2

A(0</<^-)

积分区间取(-T/2.172)

C”=；以(小小&=；1佟

—PAe-Jn^dt

，02，02T。

4

=7——(cos〃4-1)(77=0,±1,±2,±3,

’YI兀

所以且指数函数形式的傅里叶级数为

848]

x«)=Zc/w=一/一Z—(l—cos〃;r)e'w.〃=0,±1,±2,±3,•••.

〃yn〃yn

A、

C.=----(1-COSH7T),

<nrc(H=0,±1,±2,±3,•••)

C„R=°

,A侬

n—±1,±3,士,・・•

C“|=Jc”/+C,J=—(l-COS"乃)

n7i

[o〃=0,±2,±4,±6,…

7C

--〃=+14,+3,+5，•一

C.It1cL

(pn=arctanj—〃二一1,一3,—5,…

C“R2

0w=0,±2,±4,±6,…

没有偶次谐波。其频谱图如卜.图所示。

2A/7t2A/n

2Z/3TT

2Z/3乃2A/57t

24/5兀I

-5OJ（）-3G>Q-CD（）3Go5g①

幅频图相频图

周期方波复指数函数形式频谱图

1-2求正弦信号的绝对均值"区和均方根值Xmv

%（/）=XQsincot1s

解密品=0（,⑺W="fk。sin①他=争fsin（od=一号coscot^=萼=?

%=JEW='1"sin%疝=栏『-。『出=是

al

1-3求指数函数X。）=Ae~（a>0,/>0）的频谱。

-（a+y,2^/）r

/二A（a_j2/rf）

X（/）=£>）产〃力=[Ae--e-^'dt=4+/2小。+/2万/—/+（2万/）2

|x（/）|=/,k

折+（2句）

8（/）=araanXl=—arctan应

ReX（/）。

单边指数衰减信号频谱图

1-4求符号函数（见图l-25a）和单位阶跃函数（见图1.25b）的频i普。

sgn(O

1

0

--1

a）符号函数b）阶跃函数

图1-25题1-4图

a)符号函数的频谱

[+1/>0

x(/)=sgn(/)=1

-1z<0

尸0处可不予定义，或规定sgn（0）=0°

该信号不满足绝对可积条件，不能直接求解，但傅里叶变换存在。

可以借助于双边指数衰减信号与符号函数相乘，这样便满足傅里叶变换的条件“先求此乘枳信号修⑴的频谱，然后取极限得出符号函数M）的腋谱。

t>0

Xi(Z)=e-"'sgn(/)=<

/<0

x(/)=sgn(/)=limx,(/)

-0

j2f，兀

XI(/)=rxSty"dt=r—e'772中dt+^ea,ej2,rf'dt=-j4f

J-COJ-00

〃+(2s了

X(f)=F[sgn(Z)]=limX,(7)=-j-y

=右

71

/<0

/八2

。(/)=1

71

/>0

b)阶跋函数频谱

1/>0

〃(/)=，

0Z<0

在跳变点尸0处函数值未定义,或规定"(0)=l/2.

阶跃信号不满足绝对可积条件,但却存在傅里叶交换.由于不满足绝时可积条件，不能直接求其傅里叶变换，可采用如下方法求解。

解法1;利用符号函数

/、11/、

»(O=-+-sgn(/)

0(/)=F[w(Z)]=F+[sgn(Z)]=1<^(/)+1=；<>(/)-7-7

l_2」222nj)27if

2k2(/)+

|W)|=

2

结果表明,唯位阶跃信号”(r)的频谱在户。处存在一个冲激分量，这是因为〃⑺含有直流分量，在侦料之中。同时，由于〃⑴不是纯直流信号，在D处彳j跳变,因

此在频谱中还包含其它脓率分量。

单位阶跃信号频谱

解法2：利用冲激函数

“、ifl”。时

u(t)=f^(r)dr=<

上[0/<0时

根据傅里叶变换的积分特性

U(/)=F「f^(r)dr1=—^―A(/)+1A(0)^(/)=13(f)-j^-

L乩」j2:ij22[_71j

1-5求被极断的余弦函数COSCO^t（见图1-26）的傅里叶变换。

cosco()t

X。）=,

0

解：x(Z)=w(/)cos(2^fQt)

M⑺为矩形脉冲信号

//)=27sinc(2乃O)

j2

cos(2万//)=；(/哂+e-^)

/2f

所以x(Z)=；)e，w+；w(l)e~^°

根据频移特性和叠加性得:

W>|^(/-.4)+1^(/+.4)

=Tsinc[2乃T(7-f0)]+Tsinc[2乃7(/+7G)]图1-26被裁断的余弦函数

可见被截断余弦函数的频谱等于将矩形脉冲的频谱一分为二，各向左右移动儿,同时谱线高度减小一半。也说明，雅频率的简谐信号由于截断导致频谱变得无限

宽。

at

1-6求指数衰减信号x（/）=e~sinojQt的频谱

指数衰减信号

解答:

所以x")=e-"':伫知—)

at

单边指数衰减信号玉(Z)=e~((7>0,/>0)的频谱密度函数为

%(/)=£/(/).""由=VJe-a,ej61'dt=」一=幺二妈

)a+jcoa~+CD

根据频移特性和冲加性得:

X3)q因…。)一乂(…°)]$匕竟覆，。一/侬+4)

U~+(69+g)~

/[。2—(02_42)]2a①0①

---------------------------------------J--------------------------------------

[。-+(@—g)?][/+(①+4)2]----[/+(0—g)2][Q~+(0+g)~]

做战波。试求调幅信号/'(，)COS①0/的傅里叶变换，示意画出调幅信号及其频谱。又问：若①0<①小时将会出现什么情况？

图1-27题1-7图

解：x(t)=/(Z)cos(ty0Z)

^)=F[/(/)]

cos(6V)=g(e'%+e-"%')

所以x(/)=g/(/)e"'+；/«)e-m’

根据戚移特性和叠加性得：

X(7)=；E(O—/)+；产(0+4)

可见调幅信号的频谱等于将调制信号的频潜一分为一,各向左右移动载频。如，同时谱线高度减小一半。

若Q>()<COm将发生混叠。

1-8求正弦信“x(/)=x0sin(co/+(p)的均值、均方值上；和概率密度出数p(x)。

7

..1f/Xi1%.z、，八T2兀

(I)"丫=lim—Ix(r)d/=—IxQsin(①7+(p)dt=0,式中()=——正弦信号周期

TT8TJo北Jo①

2

⑵/=即*¥(/)山=y-f'x02sin(cy/+夕)山=^-j1二cos：―+9)@=

(3)在个周期内

T*o=+加2=2△/

TT2A/

P[x<x(^x+Ax]=lim-=^=—

P[x<x(t)<x+Ax]

p(x)=lim而22=2业=J

Ax->0Ar22

—"ArTodx^x0-x

正弦信号

第二章测试装置的基本特性

2-1进行某动态压力测强时，所采用的压电式力传感器的灵敏度为90.9nC/MPa,将它与增益为0.005V/nC的电荷放大器相连，而电荷放大赛的输出接到台笫式记

录仪上，记录仪的灵敏度为20mm7。试计算这个测量系统的总灵敏度。当压力变化为3.5MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量是多少？

解：若不考虑负载效应，则各装置串联后总的英敬度等于各装置灵敏度相乘，即

S=90.9(nC/MPa)x0.005(V/nC)x2(Xmm/V)=9.09mm./MPac

偏移量：>-5x3.5=9.09x3.5=31.815mtnv

2-2用个时间常数为0.35$的一阶装置去测量周期分别为1s、25和5s的正弦信号，问稳态响应幅值误差将是多少？

解：设一阶系统H(s)=——.H(①)=—-—

T5+11+jrco

4(⑼=|"3)|r是输入的正弦信号的周期

稳态响应相对幅值误差6=|^((y)-l|xl00%.将已知周期代入得

58.6%r=ls

,32.7%T=2s

8.5%7=5s

2-3求周期信号M)=0.5cosl0什O.2cos(100/-45。)通过传递函数为〃(s)=l/(0.005s+I)的装置后得到的稳态响应。

解：H(①)=-------------------.4(G)=/1.(p{co)=-arctan(0.005^)

1+70.005«Jl+(0.005⑼2

该装置是一线性定常系统，设稳态响应为w。，根据线性定常系统的频率保持性、比例性和登加性得到

)</)二Poicos(10/+他)4j(i2cos(1001-45。+8)

其中Voi=4(10)/1=/1x0.5B0.499,(p{=(p(l0)=-arctan(0.005x10)«-2.86°

J1+(0.005x1Op

%-^(100)x02=/1=x0.2-0.179.(p2=^(100)=-arctan(O.OO5xlOO)»-26.57°

~Jl+(0.005x100)2

所以稳态响应为y(t)=0.499cos(l0/-2.86°)+0.179cos(l00/-71.57°)

2-4气象气球携带种时间常数为15s的阶温度计，以5m/s的上升速度通过大气层。设温度按每升高30m卜降0.15C的规律而变化，气球将温度和高度的数据

用无线电送回地面。在3000m处所记录的温度为TC。试问实际出现T'C的真实而度是多少？

解：该温度计为阶系统，其传递函数设为“(S)=——-——温度随高度线性变化，对温度计来说相当于输入了•个斜坡信号，而这样的阶系统对斜坡

155+1

信号的稳态响应滞后时间为时间常数k15s,如果不计无线电波传送时间，则温度计的输出实际上是15$以前的温度，所以实际出现TC的真实高度是

Kr=3OOO-5x]5=2925m

2-5想用个阶系统做100Hz正弦信号的测量，如要求限制械幅误差在5%以内，那么时间常数应取多少？若用该系统测量50Hz正弦信号，问此时的振幅误差和

相角差是多少？

解：设该•阶系统的频响函数为

H(①)=----------.用时间常数

1+jrco

则A((v)=.T=

J1+(T3)2

稳态响应相对幅值误差＜y=|j(«y)-l|xlOO%=1一~/X100%

IVl+(2^/)2J

令5W5%,/=iOOHz,解得运523RS。

如果尸50Hz,则

/\

相对幅值误差:xlOO%=1/X100%®1.3%

、71+(2^x523x10^x50)^

相处差：(p{co)=-arctan(2^r/)=-arctan(2^x523x10"'x50)--9.33°

24试说明一阶装置阻尼比《多采用0.6-0.8的原因。

解答：从不失真条件出发分析。4在0.707左右时，幅频特性近似常数的频率范闱最宽，而相频特性曲线最接近直线。

2-7将信号cos所输入个传递函数为H(s)=l/”+1)的•阶装置后，试求其包括瞬态过程在内的输出火)的表达式。

S

解答：令x(r)=cos®/,则X(S)=-----------.所以

S+。

y(s)="(s)x(s)=112s2

TS+lS+CD

利用部分分式法可得到

2

l+(iyr)?2(1+jrcD)s-jco2(1-JIM)s+jco

T

利用逆拉普拉斯变换得到

1-L11

X0=L-,[y(5)]=---------e，+——-——*+——-——6

1+(姓)2(1+jrco)2(1-jrai)

1初)

1+(cor)2e2[1+(w)2]

=----——7「coscot+COTsincot-e~1!T1

1+(3)2L」

=------7Jl+(侬尸cos(69/一arctancor)-e~lT

1+(3)L」

2-8求频率响应函数为3155072/(1+0.01j⑼(1577536+I760jo-说的系统对正弦输入x(/)=10sin(62.8r)的稔态响应的均值显R

解：该系统可以看成是个•阶线性定常系统和一个：阶线性定常系统的申联，串帙后仍然为线性定常系统。根据线性定常系统的频率保持性可知，当输入为正弦

信号时，其稳态响应仍然为同频率的正弦信号，而正弦信号的平均值为0,所以稳态响应的均值显示为0。

2-9试求传递函数分别为1.5/(3.5s+0.5)和41g2/(J+L4&ns+4)的两环节串联后组成的系统的总灵敏度(不考虑负载效应)。

解：

〃/、1.53K、

1=F3.5—5+0.5-7~5+~17二丁75+已1即静态灵敏度K=3

41纤2

42(S)=丁K就一一即静态灵敏度

『+1Aa)s+①：

nS4-1Acons+CDn

因为两者串联无负载效应，所以

总静态灵敏度K=&xK=3x4]=123

2-10设某力传感器可作为二阶振荡系统处理。已知传感瑞的固有频率为800Hz,阻尼比60.14,问使用该传感器作频率为400Hz的正弦力测试时，其幅值比/(⑼

和相角差板⑼各为多少？若该装宜的阻尼比改为3)7问4⑼和板⑼又将如何变化？

,工，

解：&H(8)则

2+23/+①;

A{(o)-,。(切=-arctan,即

+2^—

k①n)

将《=800Hz,<=0.14,/=400Hz,代入上面的式子得到

4(400)x1.31,^400)®10.57°

如果？=0.7,则4(400)=0.975,吠400)=-43.03°

2-11对一个可视为二阶系统的装置输入-单位阶跃函数后，测得其响应的第一个超调攒峰值为L5，振荡周期为6.28s。设已知该装置的静态增益为3,求该装置的传

递函数和该装置在无阻尼固有频率处的频率响应。

11

解：？=寸0.215

2

兀71

1+1+

ln(A///Cx0)ln(1.5/3)

因为％=6.28s,所以

(DA=2叽|=1rad/s

,—x1.024rad/s

Vl-0.2152

所以H(s)=--近——工=--正---------

/+2网5+以2/+044s+1.05

36V_3.15

〃⑼=

o~—a)~+j2q(o”(o1.05—o)~+y0.4469

/(。)=

r/、2丫、

,(Oc““。

1--+0.44

\I©J

2<—

-arctan%

93)=、2

CD

①J

当”=他，时，

4。“)=«6.82

9(0,)=—90。

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。

选用时要根据测置精度要求、现场条件、汉敏度要求等来选择。

3-4有一电阴应变片（见图3.84）,其灵敏度壬=2,R=120C°设I：作时其应变为1000晔，问AR=?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流；4）试分析这个变城能否从表中读出？

图3-84题3-4图

解：根据应变效应表达式A/?/R=S*My

A/?=Sg£R=2x1000x1o*x120=0.24Q

1）；）=!.5//?=1.5/120=0.0125A=12.5mA

2）Z2=1.5/（/?+A/?）=1.5/（120+0.24）^）.012475A=12.475mA

3）户必xl（X）%=0.2%

4）电流变化员太小，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：如果采用亳安表，无法分辨0.025mA的

电流变化。•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）的央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。

_dL_N一〃（）4

又因为线圈阻抗2=«3所以灵敏度又可写成

_dZ_N〜即人①

o=—=----z-

d8281

由上式可见，灵敏度与磁路横截面积4）、线圈匝数N、电源角频率0、铁芯磁导率的，气隙磁有关。

如果加大磁路横截面积为、线圈匝数N、电源角频率e、铁芯磁导率外，减小气隙3,都可提高灵敏度。

加大磁路横截面积4、线圈也数N会增大传感器尺寸，重鼠增加，并影响到动态特性：减小气隙J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

谐振式调幅电路

调幅电路

电桥电路

直放式

调频电路

外差式

运算放大器电路

二极管T型网络

差动脉宽调制电路

极化电路等

自感型变磁阴式也感传感器的测量电路:

.谐振式调幅电路

,惠斯登电桥

调幅电路，变压器电桥

电桥电路，

紧耦合电感臂电桥

、带相敏检波的电桥等

调频电路

调相电路等

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C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五流电桥电路，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b=0.3mm,问：I)工作时，如果传感器与工件的间隙变化量A6=±l「m时，电容变化后是多少？2)

如果测量电路的灵敏度$=100mV/pF,读数仪表的灵敏度&=5格/mV,在A3=±Rm时，读数仪表的指示值变化多少格？

解：1)

△C_/£/_/£丛58庐AA5

=，一6+八厂4®+必)"b；

_8.85xlQ-|2xlx^x(4xl0-3)2(±lxlQ-6)

(0.3x10》

«±4.94X10-15F=±4.94x10-3pF

3

2)B=S1S2AC=100x5x(±4.94x10-)*±2.47格

答：

3-8把一个变阻器式传惑折按图3-85接线。它的输人量是什么？输出量是什么？在什么样条件卜它的输出量与输入量之间有较好的线性关系？

图3-85题3-8图

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凡。如果接入分压式测量电路，则输出量可以认为是电压火。

X

Rx=—R=k/Xccx,输出电阻与输入位移成线性关系。

Xp

X

—We

%x

=---------尸、-----------=-------1-----------，输出电压与输入位移成泮线性关系。

"+&1」）1+4王（1」）

RXRXX

XLPLPP

X

由上式可见，只有当&J&TO时，才仃〃0=一〃e0cX。所以要求后续测搔仪表的输入阻抗&要远大于变阻器式传感器的电阴R『，只药•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、热敏电阳、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、固态图像传感罂等。

可以实现非接触测房的是：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，清绘出可行方案原理图，并作比较。

3-11-压电式压力传感瑞的灵敏度S=90pC7MPa,把它和•台灵敏度调到0.005V/pC的电荷放大器连接，放大器的输出乂接到一灵敏度已调到20mm”的光线示波特上记

录，试绘出这个测试系统的框图，并计算其总的次敏度。

解：框图如下

各装置串联，如果忽略负投效应，则总灵敏度S等于各装置灵敏度相乘，即

S=At/AP=90x0.005x20=9mm./MPao

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怒、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：种。

外光电效应（亦称光电/发射效应）一光线照射物体，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）一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。

光生伏特效应一光线使物体产生-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、考卷自幼评阅机等），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：金屈或半导体薄片苴「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

位差称为霍加必势。

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FL（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，在两侧而产生正、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，制做霍尔电机一

无刷电机等。

3-14试说明压电式加速度计、超声换能器、声发射传感罂之间的异同点。

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，通过惯性质量快耨振动加速度转换成力作用于压电元件，产生电荷。

超声波换能器用广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氏信号的换能设备，所有乂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，以弛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罂，它受应力波作用时靠压电晶片白身的断振变形把被检试件表面振动物理址转化为电量摘出。

3-15有批涡轮机叶片，需要检测是否有裂纹，请举山两种以上方法，并阐明所用传感器的工作原理。

涡电流传感器，红外知射温度测量，声发射传感器（压电式）等。

3-16说明用光纤传感器测成压力和位移的工作原理，指出其不同点。

解答:

微弯测压力原理：力-＞微弯板t光纤变形t光纤传递的光强变化。

微弯测位移原理：位移f微弯板f光纤变形f光纤传递的光强变化。

不同点：压力需要弹性敏感元件转换成位移。

3-17说明红外遥感器的检测原理。为什么在空间技术中有广泛应用？举出实例说明。

解答：红外遥感就是远距离检测被测目标的红外粕射能量。空间技术中利用飞船、航天飞机、卫星等携带的红外遥感仪器可以实现很多对地、对空观测任务。如观测星系,

利用卫星遥测技术研究地壳断层分布、探讨地震前兆，R星海洋观测等。

3-18试说明固态图像传感器（CCD器件）的成像原理，怎样实现光信息的转换、存储和传输过程，在工程测试中有何应用？

CCD固态图像传感器的成像原理：MOS光敏元件或光敏..极管等将光信息转换成电荷存储在CCD的MOS电容中，然后再控制信号的控制下将MOS电容中的光

生电荷转移出来。

应用：如冶金部门中各种管、线、带材轧制过程中的尺寸测量，光纤及纤维制造中的丝径测珏，产品分类，产品表面质量评定，文字与图等识别，传真，空间遥感,

光谱测量等.

3-19在轧钢过程中，需监测薄板的厚度，宜采用那种传感器？说明其原理。

解答：差动变压器、涡电流式、光电式，射线式传感器等。

3-20试说明激光测长、激光测振的测量原理。

解答：利用激光干涉测量技术。

3-21选用传感制的基本原则是什么？试举例说明。

解答：灵敏度、响应特性、线性范闹、可靠性、精确度、测量方法、体积、重量、价格等各方面综合考虑.

第四章信号的调理与记录

4-1以阻值K120C、灵敏度S/2的电阻丝应变片与限值为120。的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V,并假定负载也阻为无穷大，当应变片的应变为2耻和2000“时，

分别求出单臂、双臂电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。

解：这是一个等臂电桥，可以利用等比电桥和差特性表达式求解。

a嘘（然—A7?->+A7?q

£=2用时：

1%Sg£q=；X2X2X10-6X3=3X1(T6V=3NV

单瞥输出电压：U=

o二4R5=

SsU=；X2X2X10-6X3=6X10-6V=6NV

双臂输出电压：U-=ge

Q2R,

户2000/£时：

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单臂输出电压：U=二=SsU.=-x2x2000xl0-x3=3xl0^V=3mV

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