机械工程测试技术课后习题答案

第三章：常用传感器技术3-1传感器的主要部分是什么？举例说明。传感器通常由三部分组成：敏感元件、转换元件和基本转换电路。气体压力传感器，如图所示。内部胶片盒与大气压力连接，感受内部测量的压力p，如果p改变，膜盒上部移动，可变线圈是传感器的转换因子，将输入的位移量转换为电感的变化。基本电路是访问基本转换电路，该电路可以完成这些电感变化量并转换为电源输出。请举例说明3-2结构传感器和物理传感器之间的区别。答：结构型传感器主要通过传感器结构参数的变化实现信号转换。例如，电容式传感器会随着平板之间距离的变化而引起电能的变化。感应传感器依靠电枢位移引起磁电感或互感的变化。物理传感器利用敏感组件材料本身的物理特性变化来实现信号切换。例如，水银温度计使用水银的热膨胀和收缩特性。压电传感器使用石英晶体压电效应等。3-3金属电阻应变计和半导体应变计在工作原理上有何不同？回答：(1)金属电阻应变计基于金属导体的“电阻应变效应”。也就是说，阻力材料在外力引起机械变形时阻力发生变化的现象，阻力的相对变化如下：(2)半导体应变计基于半导体材料的“压阻效应”，即电阻材料在负载下产生应力时电阻率发生变化的现象，电阻器的相对变化。3-4包括电阻应变计(参见图3-105)、灵敏度S0=2、r=120、运行时应变1000、 r=？用图中所示的电路连接此应变计。请尝试一下。1)应变时间电流指示值；2)应变电流显示值；3)可以分析这个变量，在表中阅读吗？1.5V音乐视频图3-105问题3-4图解法：根据应变效果的表现法DR/R=SgeDR=Sge R=2100010-6120=0.24W1)i1=1.5/r=1.5/120=0.0125 a=12.5ma2)I2=1.5/(r dr)=1.5/(120 0.24)0.012475 a=12.475m3)电流的变化太小，在电流量下难以读取。采用高灵敏度小范围微米时，范围不足以测量12.5mA的电流。使用毫安不能区分0.025毫安的电流变化。一般来说，桥在没有应变的情况下平衡零电流，在应变时只取微输出量，必要时使用放大器放大。3-5电容式传感器常用的测量电路是什么？答：变压器交流桥、直流极化电路、调频电路、运算放大器等。3-6电容器测微仪该传感器的圆板半径r=4mm，工作初始间隙=0.3mm，q: 1)工作时传感器和工件的空间变化量=1 m的容量变化量是多少？2)在测量电路的灵敏度S1=100mV/pF、读数测量仪的灵敏度S2=5芯/mV、 =1 m处，读数测量仪的显示值发生变化的单元有多少？解决方案：1)2)B=S1S2DC=1005(4.9410-3)2.47栅格3-7差动变压器的输出电压信号显示为交流电压表时，能反映核心的移动方向吗？请说明差动变压器经常使用的差动相位检测电路的原理。答：显示为交流电压表，核心移动方向没有反应。差分相位检测电路见教材第115页也见第4-11页。前置放大器在3-9压电传感器中的主要作用？前导码主要由两种形式组成，每个特征是什么？答：引言的主要作用是将传感器的高阻抗输出作为低阻抗输出，第二个是放大传感器输出的弱电信号。前置放大器也有电压放大器和电荷放大器两种形式：与容量c和输出电压密切相关的电压放大器，包括电缆连接的寄生容量Cc、放大器的输入容量Ci和压电传感器的等效容量Ca，因为电缆寄生容量Cc大于Ci和Ca，所以整个测量系统对电缆寄生容量的变化非常敏感。更改连接缆线的长度和形状会导致Cc发生变化，从而更改传感器的输出电压，从而可能更改装置的灵敏度。电荷放大器是具有反馈容量Cf的高增益运算放大器。输出电压与电荷量成正比，与电缆分配电容无关。3-10热电偶电路的特点是什么？热电偶基本定律包括什么？答：热电偶电路具有以下特性：1)构成热电偶电路的两个导体相同的情况下，热电偶电路的总热电动势为零，与两个触点温度无关；2)热电偶2触点温度相同，即使导体a、b的材料不同，热电偶电路的总电动势也为零。3)热电偶AB的热电势与导体材料a、b的中间温度无关，仅与触点温度有关。热电偶基本定律：1)中间导体的规律在热电偶电路中连接到第三导体，只要两端温度相同，第三导体的引入就不会影响热电偶的热电动势。(2)参考电极定律，教材也在3-54中看到，标准电极c与a，b之间连接，热电偶的两个触点温度为t，T0时，由导体a，b组成的热电偶的热电动势等于交流热电偶与CB热电偶的热电动势的对数之和。3)热电偶AB的触点温度为T，t1时，热电偶ab (t，t1)的中间温度定律为EAB(T，T1)。如果热电偶AB的触点温度为T1，t0，则热电势为EAB(T1，T0)。tT1abT1T0abtT0ab2=图3-55中间温度定律图如果热电偶AB的触点温度为t，T0，则热电动势为什么是3-13洞效应？用霍尔元件可以测量什么物理量？答：这种物理现象称为霍尔效应，它将金属或半导体薄片放在磁场中，在与磁场垂直的方向通过电流，在与电流和磁场垂直的方向上产生电动势。霍尔元件可以测量磁场、电流、位移、压力、振动、速度等。光源光电设备电信号光纤被杀对象光源光电设备电信号光纤被杀对象敏感元件光电设备电信号被杀对象光纤(a) (b) (c)图3-80光纤传感器类型(a)功能类型(b)非功能类型(c)取货类型3-14 CCD固态图像传感器如何实现光电转换、电荷存储和传输过程在工程测试中有哪些应用？A: 1，光电转换，电荷存储和传递过程如下。生成、存储电荷：构成CCD的基本单元是MOS电容器，结构中半导体以p型硅为例，金属电极和硅基板是电容器的阳极，作为介质，在金属电极上添加正向电压g时，产生的电场位于通过薄层吸引硅的电子的接口上，排斥界面附近的空孔，形成具有电子或无孔面的表面。与此同时，如果接口的电位发生变化，使得硅衬底内的电位为零，表面电位s的正向朝下，则当添加到金属电极的电压g超过MOS晶体的开路电压时，接口可以存储电子。电子因为那里的势阱低，在半导体表面形成电子势阱，当光照射到CCD硅表面时，可以形象地将光子从栅附近的耗尽区域吸收，产生电子-气阱对。这是由于栅极电压的作用，孔被排除在耗尽区域，电子从势阱中收集，形成信号电荷并存储。g不持续很长时间的话，在每个MOS电容器的势阱中积累的电荷取决于照射该点的强度。电荷包传输：如果MOS电容器排列得足够紧密，使相邻MOS电容器的电位差能够相互通信，则可以在每个势阱中传递信号电荷，并尽可能累积到表面电位s的最大位置，因此，通过在每个栅极中使用不同振