《感测技术基础》(第四版)习题解答

感测技术基础 （第 四 版） 习题 解答 长江大学 孙传友 编 绪论 1、 什么是感测技术？为什么说它是信息的源头技术？ 答： 传感器原理、非电量测量、电量测量这三部分内容合称为传感器与检测技术，简称感测技术。 现代信息技术主要有三大支柱：一是信息的采集技术 (感测技术 )，二是信息的传输技术(通信技术 )，三是信息的处理技术 (计算机技术 )。所谓信息的采集是指从自然界中、生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。 信息的采集是通过感测技术实现的，因此感测技术实质上也就是信号采集技术。显而易见，在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环，没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”。因此，可以说，感测技术是信息的源头技术。 2、 非电量电测法有哪些优越性。 答：电测法就是把非电 量转换为电量来测量，同非电的方法相比，电测法具有无可比拟 的优越性： 1、便于采用电子技术，用放大和衰减的办法灵活地改变测量仪器的灵敏度，从而大大扩展仪器的测量幅值范围 (量程 )。 2、电子测量仪器具有极小的惯性，既能测量缓慢变化的量，也可测量快速变化的量，因此采用电测技术将具有很宽的测量频率范围 (频带 )。 3、把非电量变成电信号后，便于远距离传送和控制，这样就可实现远距离的自动测量。 4、把非电量转换为数字电信号，不仅能实现测量结果的数字显示，而且更重要的是能与计算机技术相结合，便于用计算机对测量数据进行处理，实现测量的微机化和智能化。 3、 什么叫传感器？什么叫敏感器？二者有何异同？ 答： 将 非电量转换成 与之有确定对应关系的电量的器件或装置 叫做传感器。能把被测非电量转换为传感器能够接受和转换的非电量 (即可用非电量 )的装置或器件，叫做敏感器。如果把传感器称为变换器，那么敏感器则可称作预变换器。敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量，而不是象传感器 那样把非电量转换成电量。 4、 常见的检测 仪表有哪几种类型？画出其框图 。 答： 目前，国内常见 的检测仪表与系统按照终端部分的不同，可分为模拟式、数字式和微机化三种基本类型。 其原理框图分别如图 0 0 0示。（略 见教材 ） 第 1 章 1、 、在图 1b）中，表头的满偏电流为 阻等于 4900 ，为构成 50 500 需量程扩展电阻 解： 据公式 (1算得 1 0 0 01321g， 据公式（ 1图 1b）有： 10)1004900(50 321221 1)1004900(500 32111 90,932 、在图 1电压表 V 的“ /V”数为 20V,分别用 5V 量程和 25 量程测量端电压 怎样从两次测量读数计算求出 解： 5 005201， 25V 档量程内阻 0025202。 图 1 伏50 E， 000， 5V 档读数 01 0 0 1 0 0001101 ， 25V 档读数 00002202 。 552512 入公式（ 1得： 。 3、证明近似计算公式 (1。 证明： 量程 1 ， 量程 的内阻为 2 ， 1212。 011001 ， 101 010 。 022002 ， 202 020 ， 202 02101 01 解得： 01 102 2001 0102 0212 01020201021021010212021201102212011 4、模拟直流电流表与模拟直流电压表有何异同？为什么电流表的内阻很小，而电压表的内阻却很大？ 答：模拟直流电流表与模拟直流电压表的表头都是 动圈式磁电系测量机构。 模拟直流电流表是由“表头”并联很小的分流电阻构成，指针的偏转角与被测直流电流成正比；模拟直流电压表是由“表头”串联很大的分压电阻构成，指针的偏转角与被测直流电压成正比。 由公式（ 1图 1见，电流表的内阻为 , 因 I ，故 。即 电流表的内阻很小。 由公式（ 1图 1见，电压表的内阻为 ， 因 U ，故 R 即 电压表的内阻很大。 5、用全波整流均值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，若电压表示值均为 10V，问三种波形被测电压的有效值各为多少 ? 解： 均值电压表 的读数是按正弦波的有效值定度的，因此对正弦波来说，其有效值就是均 值 电 压 表 的 读 数 值 ， 即 0， 其 平 均 值 为0/ 。 均值电压表测量三种波的读数相同，表明三者的平均值相同即均为 9V。因此 三角波的有效值为 ，方波的有效值为 919 。 6、用峰值电压表分别测量正弦波、三角波和方波，电压表均指在 10V 位置，问三种波形被测信号的峰值和有效值各为多少 ? 解： 峰 值电压表 的读数是按正弦波的有效值定度的，因此对正弦波来说，其有效值就是峰 值电压表 的读数值，即 0，其峰值为 P 。 峰值电压表测量三种波的读数相同，表明三者的峰值相同即均为 此， 三角波的有效值为 P ， 方波的有效值为 P 。 7、验证表 1齿波、脉冲波、三角波的 值。 解： 1)全波整流： ， 200 s s ， 2 4c i ns i 2020 ， 20220 220 2 2c s i 1 222s A 。 2/ ， 4 1 A P 2)锯齿波： 221 ，331033202 。 3/ ， A P 3)脉冲波： K ， t K 0 21 。 ， 4)三角波： 2221221 。 8、使用电流互感器要注意些什么 ? 答：由于电流互感器付边匝数远大于原边，在使用时付边绝对不允许开路。否则会使原边电流完全变成激磁电流，铁心达到高度饱和状态，使铁心严重发热并在付边产生很高的电压，引起互感器的热破坏和电击穿，对人身及设备造成伤害。此外，为了人身安全，互感器付边一端必须可靠地接地 (安全接地 )。 9、 用电动系功率表测量功率应怎样接线 ?怎样读数 ? 答： 第一，电流支路与负载串联，电压支路与负载并联。 第二，电流线圈的“ *”端和电压线圈的“ *”端应同是接高电位端或同是接低电位端。否则，电压线圈与电流线圈之间会有较大的电位差，这样不仅会 由于电场力的影响带来测量误差，而且会使两组线圈之间的绝缘受到破坏。 第三，电流线圈和电压线圈的“ *”端应同为电流的引入端或引出端，否则，功率表指针将反向偏转。如果负载是吸收有功功率 (即负载中电压与电流相位差 ，;当衔铁位于零位以下时， c 即满足全反射条件，这样，光线就能在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在纤芯内向前传播，从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光原理。 6、为什么图 6纤出射端输出的光强度越小 ? 答： 当光纤发生弯曲到一定程度使光线入射角小于临界角时，射到纤芯与包层界面上的光有一部分将穿过界面透射进包层造成传输损耗 微弯损耗，从而引起光纤出射端输出的光通量发生变化。图 6形器使光纤发生周期性弯曲就越厉害，引起传输光的微弯损耗越大，光纤出射端输出的光强度越小。通过检测光纤输出的光强变化就能测出位移或力信号。 7、试说明图 66个光敏单元的“电荷包”产生、转移及移出过程，并指明移出顺序。 答： 在曝光（光积分）时间，图 6收光生电荷，产生“电荷包”。曝光结束时，全部“电荷包”实行场转移，亦即在一个瞬间内将感光区整场的“电荷包”图象迅速地转移到存贮器列阵中去，譬如将脚注为 时光敏元开始第二次曝光（光积分），而存储器列阵则将它里面存贮的光生电荷信息一行行地转移到读出移位寄存器，在高速时钟驱动下的读出移位寄存器，读出每行中各位的光敏信息，如第一次将 出移位寄存器立即将它们按 着再将一行信息传到读出寄存器，直至最后由读出移位寄存器输出 b4、 8、什么叫激光传感器 ?有哪几种类型 ? 答： 激光式传感器实际上是以激光为光源的光电式传感器。按照它所应用的激光的特性不同可分为以下几类：激光干涉传感器，激光衍射传感器，激光扫描传感器等。 9、红外探测器有哪两种类型 ?二者有何区别 ? 答： 红外探测器是能够把红外辐射量的变化转换为电量变化的器件，它是红外传感器的关键部件 传感元件。按其所依据的物理效应可分为光敏和热敏两大类型，其中光敏红外探测器用得最多。 光敏红外探测器是采用电真空光电器件或半导体光电器件，通过红外辐射的光电效应，把红外辐射的光量变化转换为电量变化。 热敏红外探测器是采用热敏电阻、热电偶和热电堆，通过红外辐射的热电效应，把红外辐射的热量变化转换为电量变化。 10、什么叫热释电效应 ?热释电探测器有哪些优点 ? 答： 极性晶体本身具有自发的电极化。在单位体积内由自发极化产生的电矩叫作自发极化强度矢量，通常用 示。它是温度的函数，温度升高，极化强度降低，故极性晶体又称热释电晶体。热释电晶体受热时，在垂直于其自发极化强度 两电极表面将产生数量相等符号相反的电荷，两电极间就出现一个与温度变化速率 dT/种由于温度变化产生的电极化现象被称为热释电效应。 因为热释电信号正比于器件温升随时间的变化率，所以这种探测器的响应速度比其它热探测器快得多；它既可工作于低频，也可工作于高频。其探测率超过所有的室温探测器 。其应用日益广泛，不仅用于光谱仪、红外测温仪、热象仪、红外摄象管等方面，而且在快速激光脉冲监测和红外遥感技术中也得到实际应用。 第 7 章 1、磁敏二极管、三极管基本原理有哪些异同 ? 答： 相同点： 磁敏二极管和磁敏三极管都是 型的磁敏元件，都有本征区 I，本征区 一个侧面磨成光滑面，另一面打毛。粗糙的表面处容易使电子 空穴对复合而消失，称为 r( (或 ， 不同点： 磁敏二极管的结构是在高阻半导体芯片 (本征型 )I 两端，分别制作 P、 N 两个电极，形成 磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压，则有大量的空穴从 区进入 N 区，同时也有大量电子注入 P 区，形成电流。当磁敏二极管受到外界磁场 H+(正向磁场 )作用时，电子和空穴受到洛伦兹力的作用而向 r 区偏转，由于 r 区的电子和空穴复合消失速度比光滑面 此形成的电流因复合速度快而减小。当磁敏二极管受到外界磁场 向磁场 )作用时，电子 空穴对受到洛伦兹力作用向光滑面偏转，电子 空穴的复合率明显减小，因而形成 的电流变大。磁敏二极管反向偏置时，仅流过很微小电流，几乎与磁场无关。 磁敏三极管的结构是在弱 征区 I）上，用合金法或扩散法形成三个结，即发射结、基极结、集电结。当磁敏三极管未受到磁场作用时，基极电流大于集电极电流，使 =bW），光电元件的输出电压变化一个周期。 在 y=0 处和 y=H/4 处各安放一个光电元件，这两个光电元件的输出信号 2。将它们送到图 8可测量出光栅的移动方向和移动的栅距数。 主光栅每移动一个光栅栅距 W，莫尔条纹信号 8逆计数器就加 1或减 1，可逆 计数器的计数结果就是主光栅移动的栅距数。显然，图 8 如果在主光栅移动一个栅距过程中即莫尔条纹信号变化一个周期内，能得到 60 /光栅每移动一个栅距 W， m个 与光栅位移 x 对应的过零脉冲计数值即位移的数字测量结果为： / m 由上式可见，分辨率不再是 W,而是 W/m，这样就达到 因此，光栅传感器能测量很微小的位移。 4、用四只光敏二极管接收长光 栅的莫尔条纹信号，如果光敏二极管响应时间为 610 秒，光栅的栅线密度为 50 线 /毫米，试计算一下长光栅所允许的移动速度。 解： 长光栅所允许的移动速度 V 受光敏二极管响应时间 的限制 201050 10 63 5、已知长光栅的栅距为 20 微米，标尺光栅与指示光栅的夹角为 计算莫尔条纹宽度以及当标尺光栅移动 100微米时，莫尔条纹移动的距离。 解： 莫尔条纹宽度为因为标尺光栅每移动一个栅距 W，莫尔条纹就移动一个条纹宽度 H 的距离 ,所以当标尺光栅移动 100微米时，莫尔条纹移动的距离为 01020 6 6、磁栅与光栅相比，有哪些相同点 ?有哪些不同点 ? 答： 相同点：磁栅与光栅都是栅式传感器， 光栅上面刻有节距为 栅上面记录有节距为 光栅有 两个彼此相距 (n 1/4)2 的两个检测信号。 磁栅也 两个彼此相距 (n 1/4)W 的静态磁头产生相位差 /2 的两个检测信号。 磁栅与光栅 每移动一个栅距 W，两个检测信号就变化一个周期。 不同点： 光栅是利用光电效应，把主光栅相对与指示光栅的位移转换成电信号；磁栅是利用磁电效应，把磁头相对于磁栅的位置或位移转换成电信号。磁栅可方便地录制任意节距的磁栅，发现所录磁栅不合适时可抹去重录。光栅的栅线刻好后却不能再改变。 7、在长感应同步器的滑尺上，相邻正弦绕组与余弦绕组，相邻正弦绕组和正弦绕组，相邻余弦绕组与余弦绕组的间距分别为多少 ? 答： 相邻正弦绕组与余弦绕组的间距为 (n/2+1/4)W，断续绕组中，与连续绕组间的互感为余弦函数的绕组称为余弦绕组。距余弦绕组 n/2+1/4) 节距 W。 相邻正弦绕组和正弦绕组，相邻余弦绕组与余弦绕组的间距都为 n 倍 节距 W。 8、感应同步器测量系统对位移的分辨率是由哪些因素决定的 ?怎样提高位移分辨率 ? 答： 感应同步器测量系统对位移的分辨率 是由节距 W 和细分数 m 决定的，因此要提高位移分辨率，就要选用节距 W 小的感应同步器和增大细分数 m。 9、感应同步器为什么要设置正弦绕组与余弦绕组 ? 答： 感应同步器设置正弦绕组与余弦绕组是为了能在测量位移大小的同时还能判别位移的方向。 10、试指出振弦、振筒两种频率式传感器的共同的特点和共同的工作原理 ? 答： 振弦、振筒两种频率式传感器的共同的特点是都由由振动体、激振器、拾振器和放大振荡电路组成一个反馈振荡系统，作为振动体的振弦、振筒都是用具有导磁性的恒弹性合金制成，当激振器使振动体振动时，磁路的磁阻交 替变化，在拾振器中产生感应电压，感应电压的变化频率等于振动体振动频率。 它们共同的工作原理是，被测非电量如力、压力、密度等使振动体振动频率即拾振器感应电压的频率改变，因此测量拾振器感应电压的频率就可测出被测非电量。 11、能不能用无磁性的金属丝做振弦传感器的振弦？为什么？ 答： 不能。因为用没有导磁性的金属丝细弦做振弦，振弦就不能与磁铁组成磁路，因此激励线圈和电磁铁就不能吸引金属细弦振动，金属细弦振动时，磁铁磁路的磁阻也不能变化，绕在永久磁钢上的拾振线圈也就不能产生感应电压。这样就不能通过测量感应电压的频率而测量出振弦的固有频率。 第 9 章 1、压电式超声波探头有哪几种结构 ? 答： 典型的压电式超声波探头 有以下几种结构： (a)直探头 (纵波 )， (b)斜探头 (横波 )， (c)双探头 (一个发射，一个接收 )， (d)水浸探头 (可浸在液体中 )。压电式探头主要由压电晶片、吸收块 (阻尼块 )、保护膜等组成。压电晶片多为园板形，其两面镀有银层，作为导电的极板。 2、声表面波传感器的优点是什么？ 答： 声表面波 有频率式传感器所共有的优点。如频率的测量精度高，频率信号抗干扰能力强，适合于远距离传输，频率输出转换为数字输出，易与微机接口等。 仅体积小、重量轻、功耗小，而且可实现单片多功能，也能和逻辑器件集成一体组成智能敏感器件。由于具有上述 优点，声表面波传感器得到迅速发展和广泛应用。 3、微波传感器有哪些类型？ 答： 微波传感器可分为反射式与遮断式两类。 反射式微波传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来表达被测物的位置、位移、厚度等参数。 遮断式微波传感器通过检测接收天线接收到的微波功率大小，来判断发射天线与接收天线间有无披测物或被测物的厚度、含水量等参数。 4、核辐射传感器由哪些部分组成 ?怎样防护核辐射 ? 答： 核辐射传感器主要由放射源和探测器组成。 放射性辐射过度地照射人体，能够引起多种放射性疾病。因此在实际工作中要采取各种方式来减小射线的照射强度和照射时间。如采用屏蔽层，利用辅助工具，或是增加与辐射源的距离等各种措施。 第 10 章 1、试用两个对称的园弧形电位器连成差动电桥，构成角位移传感器，并导出角位移与电桥输出电压的关系。 答： 设两圆弧形电位器半径为 r，弧长为 L，连成如下图所示差动电桥，两电位器滑臂转角为 ，则电桥输出电压为： 3 6 0222200 测量范围23602）。 2、试推导图 10 解： 设测头 6 向左位移 x ，楔形块斜面倾角为 ，则悬臂梁绕度为 ，据公式（ 9应变电桥输出电压为： 220 222. 3、试推导图 10 解： 设摆长为 r，圆弧形电位器弧长为 L， L 对应的圆心角为 ，电位器电阻为 R。 当 0 时，调图 10电位器 电表读数为 0，即 00 U。 当 0 时， 220， 2360 36 020 L 4、试推导图 10 解： 据公式（ 10 10 31 ， 42 ，2，代入公式（ 4电桥的输出电压0 的关系式 2t a ns 5、分别用变气隙式自感传感器和变极距型电容器设计一个纸页厚度测量电路，使输出电流或电压与纸厚成线性关系。 解： 将纸页夹在变气隙式自感传感器的线圈铁心与活动衔铁之间，纸页的厚度为 ，导磁率为 ，此时，据公式（ 4自感传感器的电感为22 。将自感传感器 L 代入下图电路中的 固定电感 替。电路输出电压幅值为 000 2 将纸页夹在变极距型电容器的两极板之间，设纸页的厚度为 ，介电常数为 ，此时 ，据公式（ 4变极距型电容传感器的电容为，将电容传感器代入下图中的固定电容 替，电路输出电压幅值为 6、设计一个采用电容式传感器测量不粘滞导电液体液位的电路，使输出电压与液位高度成线性关系。 答： 如图所示，采用绝缘材料制作一个同轴圆筒形容器，轴心采用直径为 d 的金属圆棒作为内电极，金属圆棒外的绝缘材料包层直径为 D，绝缘材料的介电常数为 。因为容器内导电液体是不粘滞的，当液位下降时，导电液体不会粘滞在绝缘材料包层的表面，所以，导电液体（作为外电极）与金属圆棒（作为内电极）的复盖长度即为液位高度为 H。金属圆棒和导电液体构成一个变面积式电容传感器。 从容器底部引出的两根引线分别与金属圆棒和导电液体相连，据公式（）可知，传感器电容为 )/ 2 。将此电容传感器代入上图中的 固定电容替，电路输出电压幅值为 )/2000 。 图 2 7、试导出图 10的关系式。 答： 图 10使活动衔铁上升 x，即衔铁位移 x ，将公式（ 10入（ 4式 得，差动变压器输出电压与液位高度 )1(01208、试设计一个水深探测器，使潜水艇或潜水员能知道自己所潜入的深度，画出系统框图，并说明其工作原理。 答： 采用电容式差压传感器或压阻式差压传感器及相关测量电路（参见第题解答）将差压转换成电压，再配接一个电压表组成水深测量仪表。其组成框图如下图所示。 差压传感器及其仪表带在潜水员身边，差压传感器高压侧进气孔敞开与潜水员身边的水相通，低压侧进气孔通过一根很长的橡胶“背压管”与水面上的大气相通，据公式（ 10压传感器的差压与潜水员所潜入的深度被测液位 h 成正比 ，此差压由测量电路转换成与之成正比的电压读数，这样，潜水员就能从该电压表的读数知道自己所潜入的深度 h。 9、将图 10示电容式差压传感器接入图 3 1 6(b)或图 3路，测量图 10导出输出电压与液位高度的关系式。 解： 图 10示电容式差压传感器用于测量图 10闭容器中液位高度， 据公式（ 10此时， 电容式差压传感器的差动电容为 C 2121(1) 该电容式差压传感器接入图 3b)变压器电桥，将 (1)式代入公式（ 3 22221210接入图 3路，将 (1)式代入公式（ 3 E 21210第 11 章 1、图 11导出被测转速与转换成的相应二进制数码的对应关系。并导出该装置对转速的分辨力。 解： 铝盘转矩 ，游丝扭矩 ss 者平衡时 ，配接 m 位光电编码器，角分辨力 1 ，转速分辨力3 60 011 。 当转速 0n 时 00 ， 010001 当转速时 0180 ， 11111 当转速时 0180 ， 00001 ni 00 23 6 01 8 0 。 2、将图 11a）或图 11b)转速传感器接到图 2端， 10 端。已知图 11a）或图 11b)中齿轮齿数为 120, 图 2分频数为 1000。若被测转速为每分钟 3000转，试计算图 2 解 ： 据公式（ 11（ 2 6003000101060 1 201 00 0 3 对振动敏感器什么情况下可测量振动位移 ?什么情况下可测量振动加速度 ? 解：令 为被测振动角频率，为绝对振动传感器固有频率。 据公式（ 11当0时，mm ，故可测量振动位移。 据公式（ 11当0时， 20，故可测量振动加速度。 4、已知地震波引起的地面振动速度为 1 610 厘米 /秒，地震检波器 (动圈式振动速度传感器 )的开路灵敏度 ( /英寸 /秒，线圈内阻为 900 欧，线圈并联电阻为 2700欧姆。线圈及框架质量为 ，固有频率为 14 赫芝，开路阻尼为 计算检波器的总阻尼系数和检波器输出的地震信号电压 解： 秒米伏秒米伏英寸秒英寸伏 2 秒米秒 86 101101 3 0 02 7 0 0 2 7 0 80 伏， 202 5、磁电式速度传感器中线圈骨架为什么采用铝骨架 ? 答： 圆筒形铝制线圈骨架可看作是一个单匝闭合线圈，当线圈架随同线圈一起在磁场中运动时，铝制线圈架内将感应产生涡流，磁场对此涡流的作用力也将阻止线圈架运动，由 (10 式中 线圈架结构尺寸和材料决定的常数。 过去线圈骨架采用普通的绝缘骨架，因不能产生涡流阻尼力，就在线圈的活动空间灌满硅油，靠线圈与周围硅油的摩擦产生阻尼力。采用铝骨架后，用涡流阻尼取代硅油阻尼，传感器的体积和重量大大减小。 6、为什么磁电式速度传感器必须工作 0的范围 ? 答： 据公式（ 11 2 36）和（ 11 2 42），只有当 0 时，磁电式速度传感器的输出电压才与振 动速度成正比。因此磁电式速度传感器必须工作 0的范围 7、试指出所有加速度传感器的共同特点 ? 答： 这些传感器的共性就是传感器的壳体与被测振动体固接在一起，相对于大地做绝对振动，传感器的壳体通过弹簧片或其他弹性支承带动质量块相对于壳体做相对振动，质量块的相对振动位移被转换成电量，因而被测振动体的绝对振动加速度被转换成电量。 8、用石英晶体加速度传感器接电荷放大器测量机器的振动，已知二者的灵敏度分别为5PC/g,和 50C,输出电压幅值等于 2V，试计算该机器的振动加速度。 答： 解：已知，00 ， 5 050500 。 已知 00020 ，故 2502000 。 9、有一个压电式加速度传感器以电压放大器作为测量电路，压电陶瓷元件的压电常数为 190 1210 C/N,电容为 1000漏电阻为 100接电缆的分布电容为 3000压放大器输入电阻为 2入电容为 50大倍数为 10，压电加速度传感器阻尼系数为 12，固有频率为 30量块质量为 40 克。求该“加速度 电压”转换系统的通频带 )。设在此通频带中心频率处被测加速度幅值为 240 /试计算该系统的输出电压幅值。 解： 根据（ 5， 0 5 0503 0 0 01 0 0 0 ， 根 据（ 5， 100/， 根据（ 5， n 2 1 126 ， 由题意知： 00 ， 综合 (5（ 11得， 24033001111） 3，式中 G 为放大倍数。 令20 ，由（）式可得通频带为 0 即 020 ，通频带中心频率kH 52 0 。 当时， 5 0 101040101 9 2 312330 也可认为时， 8 7 10、用四只相同的电阻应变片 1示等强度梁上，相连成四臂电桥就可做成一台电子秤，请您画出应变片 贴位置及连成的电桥电路。若l=100mm,1mm,h=3=410 / 2应变片灵敏系数为 2，电桥电源电压为 6V，试计算当物重 ，电桥输出电压有多大 ? 解： 应变片 贴位置及连成的电桥电路如图 11示。 据公式（ 111 0 066 l ， 据公式（ 11 440 。 11、试用图 11a)配接适当的测量电路构成电子吊车秤，用图 11b)配接适当的测量电路构成电子平台秤，并导出测量电路输出电压 (或频率 )与被测重量的关系式。 解： 图 11a)中，令 0， F 为重量。 11 000图 11001 10。可见输出电压与重量成正比。 在图 11b）中， 00 1 0， 00 1 10。 并联总电容 ni 11，令总重量 ni 1000 。 接入图 1电路，把重量转换成电压。 12、用四只电阻值为 120、灵敏系数为 2 的电阻应变片粘贴到一承受扭矩的钢轴上，并接成电桥。轴的半径为 15轴的剪切弹性模量是 8 610 2电桥电源电压为 10伏，请画出应变片的粘贴位置和连接电路，若测得电桥输出电压为 10计算被测力矩。 解： 在承受扭矩的钢轴的圆周线上， 等间距地粘贴四个应变片，31,45 角，42,轴线成 45 角，再将四个应变片连接成电桥，如下图所示。 ，21026 108108 ， 450 0 ， 4 2 41080 1 010 103330 13、将图 11示扭矩传感器中两路磁电感应脉冲送到图 2a)，可构成扭矩数字测量系统，试导出该系统输出数字与扭矩的关系式。 解： 公式（ 11代入公式（ 2得， 图 2 a ）中 A/D 的输入电压为 420 2 。设 A/D 的量化单位为 q ,则 A/D 的输出数字为 420 2 第 12 章 1、将两只相同的金属应变片粘贴到图 12上，一个应变片 一个应变片 样将这两应变片连入电桥，请导出电桥输出电压与压力 说明 解： 两只相同的金属应变片粘贴到图 12示筒式压力传感器外壁的圆周上 ,当温度变化时，它们都会产生电阻变化，据公式 (4此电阻相对变化折算成“虚假视应变”为t。应变片 流体压力 P 作用于筒体内壁时，筒体空心部分发生变形，产生与压力 P 成正比的周向应变 ，因此应变片 阻相对变化为 )(01 1 。应变片 流体压力 P 作用于筒体内壁时，筒体底部实心部分不发生变形，应变片 电阻相对变化为022 。将这两应变片连入电桥相邻两臂，电桥的其他两臂用固定的平衡电阻，代入公式 (3，电桥输出电压为 R 002211 444)(4 2、试说明图 12示差动式光电压力传感器与只采用一个狭缝和一个光敏元件构成的光电压力传感器相比有哪些优越性 ? 答： 在图 11被测压力 片中心处位移引起两遮光板中狭缝一个变窄，一个变宽，从而使透射到两光敏元件上的光强度一个增强一个减弱，把两光敏元件接成差动电路，差动输出电压可设计成与压力成比例。这种差动结构不仅可提高灵敏度，而且能消除光源亮度变化产生的影响。 如果只采用一个狭缝和一个光敏元件，光源亮度变化引起的光敏元件上的光强度变化，同被测压力 法区分开，从而带来测量误差。 3、题 3图 1和题 3 图 2分别为二极管和三极管测温电路实例。试说明图中各电位器的作用，并说明应怎样进行调整。 题 3图 1 题 3 图 2 解： 图 1和图 2中电位器 1是用于调零， 2是用于调满度或调灵敏度。调零就 是当温度为 时，调节电位器 1使输出电压或 满度或调灵敏度是当当温度为 时，调节电位器 2使输出电压或 4、试分别用热电阻、热电偶、 设计三种测量温度差电路。并说明其工作原理。 答： 用热电阻测量温度差电路如图 12示， 两热电阻 T放在不同测温点，流经表 P 的电流代表两点温度之差。 用热电偶测量温度差电路如图 12两支同型号热电偶配用相同的补偿导线，连接时使两热电势相减，输入到仪表的电压为两热电势之差 E，代表 2间的温度差值。 E=1, 0)= 2) K(两支热电偶的冷端温度必须一样，它们的热电势 成线性关系，否则将产生测量误差。 用 测量温度差电路如图 12示， 图 122为电压跟 随器， 减法电路或差动放大电路（放大倍数为），输出电压为两个晶体管管压降的差。图中100位器用于调零，使两个晶体管的电流相等即 21 ，代入公式 (7，输出电压为 )()(21212111210 当两个晶体管放在一起即温度相同时，输出电压为零。输出电压与两管温度差成正比。 5、简述辐射式温度传感器的组成及其功能。为什么辐射式温度传感器中大多设有机械调制盘？ 答： 辐射式测温法是基于热辐射效应。任何物体受热后都将有一部分热能转变为辐射能，物体温度愈高，则辐射到周围空间的能量就愈多。热辐射同其它电磁辐射一样，无需任何媒介物即可传播，因此无需直接接触即可通过检测物体的热辐射来测量物体的温度。这是实现辐射式测温的基础。辐射式温度传感器一般包括两部分： 1）光学系统，用于瞄准被测物体，把被测物体的辐射能聚焦到辐射接收器上。 2）辐射接收器，利用各种热敏元件或光电元件将会聚的辐射能转换为电量。 6、将图 10b)变压器电桥构成差压计与图 12导出变压器电桥输出电压与所测流量 使输出电压与流量 加接什么电路 ? 解： 根据（ 12， 21 ； 代入（ 10，21222121 C ； 代入（ 3，22121211 22 。为使输出电压与流量 Q 成线性正比关系，应加接开方电路。开方电路输出为 213130 2，与 Q 成线性正比关系。 7、电磁流量计为什么要采用交变磁场 ? 答： 在实际工作中由于永久磁场产生的感应电动势 为直流，会导致电磁流量计中电极极化或介质电解，引起测量误差，所以在工业用电磁流量计 中多采用交变磁场。 8、为什么超声波流量计多采用差频法 ? 答： 超声波测量流速分别称为时差法、相差法和频差法。据公式（ 11（ 11知，时差法、相差法的测量结果与超声波在被测流体中的流速有关，据公式（ 11可知，频差法的测量结果与超声波在被测流体中的流速无关，只取决于流体本身的流速。因此目前超声波流量计多采用频差法。 9、图 122两个电位器各有何作用 ?应怎样调整 ? 答 ： 图 12电位器 零，当管道中的液体静止不流动时，调节电位器 流表读数为零。当管道中的液体流量达到满量程值时，调电位器 电流表使指针满偏转。 第 13 章 1、怎样用两支热电偶测量空气中的湿度 ? 答： 用两个热电偶取代图 13示干湿球湿度计中的两个温度计，并将这两个热电偶连接成图 12路，测得电路输出电压，即可测得“干球”和“湿球”的温度差，从而测量出空气中的湿度。 2、怎样用电容传感器分别测量固体中的水分和空气中的湿度 ? 答： 由于水的相对介电常数是空气的倍，干物料吸收水分以后，其介电常数将大大增加，根据物料介电常数与水分的关系，通过测量以物料为电介质的电容器的电容值即可确定物料的水分。 用具有迅速吸湿和脱湿能力的绝缘性高的高分子聚合物做成感湿薄膜，复盖在叉指形金电极 (下电极 )上，然后在感湿薄膜表面上再 蒸镀一层多孔金属膜 (上电极 )，构成一个平行板电容器。由于水的介电常数比高分子聚合物的大得多，当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿薄膜而被吸附时，高分子膜的介电常数随着其吸水量增加而增大，从而，高分子湿敏电容的电容值也随