传感器原理及应用习题

2-4、现有栅长为3mm和5mm两种丝式应变计，其横向效应系数分别为5%和3%，欲用来丈量泊松比μ=的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布(其应力分布梯度较大)。试问：应采纳哪一种应变计为何答：应采纳栅长为5mm的应变计。由公式dR(12)xd和dR(12)C(12)xKmx知应力大小是经过丈量应RR变片电阻的变化率来实现的。电阻的变化率主要由受力后金属丝几何尺寸变化所致部分（相对较大）加上电阻率随应变而变的部分（相对较小）。一般金属μ≈，所以(1+2μ)≈；后部分为电阻率随应变而变的部分。以康铜为例，C≈1，C(1-2μ)≈，所以此时K0=Km≈。明显，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。从结构尺寸看，栅长为5mm的丝式应变计比栅长为3mm的应变计在同样力的作用下，惹起的电阻变化大。2-5、现采纳丝栅长10mm的应变计检测弹性模量E=2×101123N/m、密度ρ=cm的钢构件承受谐振力作用下的应变，要求丈量精度不低于%。试确定构件的最大应变频率限。答：机械应变波是以同样于声波的形式和速度在资猜中流传的。当它挨次经过必定厚度的基底、胶层(二者都很薄，可忽视不计)和栅长l而llmax6e或fmaxv6el为应变计所响应时，就会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动向(高频)应变丈量，尤会产生偏差。由式中v为声波在钢构件中流传的速度；又知道声波在该钢构件中的流传速度为：E21011N/m2106m3;7.8103kg21089.8Kgm2/s21.585104m/s；7.8kg可算得fmaxv6|e|1.585104m/s60.5%112kHz。l10103m2-6、为何常用等强度悬臂梁作为应变式传感器的力敏元件现用一等强度梁：有效长l=150mm，固支处宽b=18mm，厚h=5mm，弹性模量E=2×10524片等阻值、K=2的电阻应变计，并接入四等臂差动电桥构成称重传感器。试问：N/mm，贴上悬臂梁上如何布片又如何接桥为何当输入电压为3V，有输出电压为2mV时的称重量为多少答：当力F作用在弹性臂梁自由端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面对称地点上应变大小相当，极性相反，若分别粘贴应变片R1、6Flx423ob0h2E不随应变片粘贴地点变化。R和R、R，并接成差动电桥，则电桥输出电压U与力F成正比。等强度悬臂梁的应变1）、悬臂梁上布片如图2-20a所示。接桥方式如图2-20b所示。这样当梁上受力时，R1、R4受拉伸力作用，阻值增大，R2、R3受压，阻值减小，使差动输出电压成倍变化。可提升敏捷度。2）、当输入电压为3V，有输出电压为2mV时的称重量为：计算以下：UoUiKxUiK6Flbh2EFUo由公式：b0h2E6KlUi代入各参数算F=；1牛顿=千克力；所以，F=。此处注意：F=m*g；即力=质量*重力加快度；1N=1Kg*s2.力的单位是牛顿（N）和质量的单位是Kg；所以称得的重量应当是。;2-7、何谓压阻效应扩散硅压阻式传感器与贴片型电阻应变式传感器对比有什么长处，有什么弊端如何战胜答：“压阻效应”是指半导体资料（锗和硅）的电阻率随作用应力的变化而变化的现象。长处是尺寸、横向效应、机械滞后都很小，敏捷系数极大，因此输出也大，可以不需放大器直接与记录仪器连接，使得丈量系统简化。弊端是电阻值和敏捷系数随温度稳固性差，丈量较大应变时非线性严重；敏捷系数随受拉或压而变，且分别度大，一般在(3-5)%之间，因此使得丈量结果有(±3-5)%的偏差。压阻式传感器广泛采纳全等臂差动桥路来提升输出敏捷度，又部分地除掉阻值随温度而变化的影响。2-8

、一应变片的电阻

R=120Ω，k=，用作应变片为

800μm/m的传感元件。a.求

R/R和

R；b.若电源电压U=3V，惠斯登电桥初始均衡，求输出电压U0。答：dR(12)C(12)x此处dlx=800μm/m；所以dRkx1.64103；RKmxRmlR1.641031200.197；全桥电路连接时，输出电压可按下式计算：R1U0UR1式中n＝R2/R1，为桥臂比；此处取四个电阻相等，所以n=1；算得U0=。2-9、在资料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的应变片R1和R2，把这两片应变片接入差动电桥（如图2-19），若钢的泊松系数μ=，应变片的敏捷度系数k=2，电桥电源电压U=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片的电阻变化R1=Ω，求电桥的输出电压U0为多少图2-12a半桥电路R110.48答：由Kx轴向应变惹起的电阻变化；可求的轴向应变系数xR0.002;总的应变系数R1R1K1202xy1x1.2850.0020.00257；又U0Uik2.57mV4或：也可以依据分压定律来做。得U0=。4-1有一只变极距电容传感元件，两极板重叠有效面积为8×10-421mm，已知空气的相对介电常数是，试计算该传感器的m，两极板间的距离为位移敏捷度。kgC/C01答：由变极距型电容传感器知识可知，其位移敏捷度0，由已知条件可知01，代入数据可以求得：kg1。4-2简述电容式传感器的工作原理CSr0S答：有物理知识可知，物体间的电容量，电容式传感器的基根源理就是基于物体间的电容量与其结构参数之间的关系来实现。也即当被测参数变化使得上式中的S、或发生变化时，电容量C也随之变化。假如保持此中两个参数不变，而仅改变此中一个参数，即可把该参数的变化变换为电容量的变化C，这就构成了电容式传感器。4-5采纳运算放大器作为电容传感器的丈量电路，其输出特征能否为线性为何U0CUi答：采纳运算放大器作为电容传感器的丈量电路时，其输出/输入特征关系为：S。可见运算放大器的输出电压与极板间距离成线性关系。所以，运算放大器式电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。但要求输入阻抗Zi及放大倍数足够大。同时，为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳固。6-4什么是霍尔效应霍尔电势与哪些要素有关答：置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。UHRHIBKHIBdUH正比于激励电流I及磁感觉强度B，其敏捷度霍尔器件工作产生的霍尔电势为，由表达式可知，霍尔电势KH与霍尔系数RH成正比，而与霍尔片厚度d成反比。6-5影响霍尔元件输出零点的要素有哪些如何赔偿答：影响霍尔元件输出零点的要素主若是霍尔元件的初始地点。霍尔位移传感器，是由一块永久磁铁构成磁路的传感器，在霍尔元件处于初始地点x0时，霍尔电势UH不等于零。霍尔式位移传感器为了获取较好的线性分布，在磁极端面装有极靴，霍尔元件调整好初始地点时，可以使霍尔电势UH＝0。6-6温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响如何赔偿答：霍尔元件的敏捷系数KH是温度的函数，关系式为：KHKH01T，大多数霍尔元件的温度系数是正当，所以，它们的霍尔电势也将随温度高升而增添αΔT倍。赔偿温度变化对霍尔电势的影响，平常采纳一种恒流源赔偿电路。基本思想是：在温度增添的同时，让激励电流I相应地减小，并能保持KHI乘积不变，也就可以相对抵消温度对敏捷系数KH增添的影响，从而抵消对霍尔电势的影响。7-1在炼钢厂中，有时直接将廉价热电极（易耗品，比方镍铬、镍硅热偶丝，时间稍长即融化）插入钢水中丈量钢水温度，如图7-27所示。试说明丈量钢水温度的基根源理为何不用将工作端焊在一起要满足哪些条件才不影响丈量精度采纳上述方法是利用了热电偶的什么定律如果被测物不是钢水，而是融化的塑料行吗为何答：丈量钢水温度的基根源理是利用了热电效应；因为钢水是导体，又处在同一个温度下，把钢水看作是第三导体接入，利用了热电偶的导体接入定律；假如被测物不是钢水，而是融化的塑料不可以，因为，塑料不导电，不可以形成热电势。

—钢水包；—钢熔融体；3—热电极A、B4、7—赔偿导线接线柱5—赔偿导线6—保护管8—毫伏表9、10—毫伏表接7-5用镍铬-镍硅（K）热电偶测温度，已知冷端温度t0为40℃，用高精图7—27用浸入式热电偶丈量熔融金属表示图度毫伏表测得这时的热电势为，求被测点温度答：查K分度表，热电偶在40℃时相对于0℃的热电势为：;由公式：U(t,0)U(t,40)U(40,0)=+=;查K分度表得被测点温度值为：740℃。7-6图7-29为利用XCT-101型动圈仪表构成的热电偶测温、控温电路。请正确连线。答：主回路：380V交流电从接线排引入，经过交流接触器，到退火电炉主加热回路。检测回路：取220V单相电给控制盒，获取低压直流电，给检测回路供电；热电偶接入控制盒输入端，经内部办理电路，控制直流继电器线圈，用直流继电器的常开触点控制交流接触器的线圈电压。L1火线经过交流接触器的线圈一端，线圈另一端接直流继电器的常开触电端，直流继电器的公共端接交流电的零线。使合适直流继电器吸合时，交流接触器线圈得点，吸合。利用XCT-101工作过程：上电后，热电偶传感器检测退火炉中的温度，当温度低于要图7—29型动圈仪表构成求的温度点时，交流接触器线圈得电吸合，退火炉加热；当传感器检测到退热电偶测温、控温电路火炉的温度高于要求值后，控制直流继电器开释，交流接触器线圈失电，主回路断电，退火炉不加热。从而达到控制炉温在设定的范围。7-9使用k型热电偶，基准接点为0℃、丈量接点为30℃和900℃时，温差电动势分别为和。当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为多少答：由公式U(900,0)U(900,30)U(30,0)，得：U(900,30)U(900,0)U(30,0)当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为:。9-1利用热导率式气敏传感器原理，设计一真空检测仪表，并说明其工作原理。答：每种气体都有固定的热导率，混杂气体的热导率也可以近似求得。因为以空气为比较基准的校订比较简单实现，所以用热导率变化法测气体浓度时，常常以空气为基准比较被测气体。其基本丈量电路如图9-32所示，此中F1、F2可用不带催化剂的白金线圈制作，也可用热敏电阻。F2内封存入已知的比较气体，F1与外界相通，当被测气体与其相接触时，因为热导率相异而使F1的温度变化，F1的阻值也发生相应变化，电桥失掉均衡，电桥输出信号的大小与被测气体的种类中浓度有确立的关系，这种气体传感器因为不用催化剂，所以不存在受催化剂影响而使特征变坏的问题，它除了用于丈量可燃性气体外，也可用于无机气体及浓度的丈量。10-4依据你已学过的知识设计一个超声波探伤适用装置(画出原理框图)，并简要说明它探伤的工作过程

TB高频接收F发生器放大T探头工件缺点FB图10—8反射法探伤表示图图9-32热导率气敏元件丈量电路原理图图10-4超声波探伤原理框图答：高频发生器产生高频振荡波，发达后驱动超声波发生器，将超声波发生器和被测工件充分接触，在接触的表面会反射回第一个回波T，一部分超声波连续往前流传，当遇到有砂眼、裂纹等缺点时，会返回一个波到接收探头F，超声波连续前行遇到工件B面再反射回波B到探头接收器。经过将接收到的回波整形，丈量T波到F波的时间差，就可以计算出缺点离T面的距离。11-4试用核辐射原理设计一个物体探伤仪，并说明其工作原理。答：核辐射探测器的作用是将核辐射信号变换成电信号，从而探测出射线的强弱和变化。对于必定的放射源和必定的资料就有必定的和，则测出J和J0。即可计算确立该资料的厚度t。放射源一般用、X或射线。当射线经过有裂纹、沙眼等缺点的被测物体时，因为密度不一样，使接收器收到的射线强度和其余部分不一样。12－5试述光栅传感器中莫尔条纹的辨向和细分的原理。答：（1）辨向原理：在相隔BH/4间距的地点上，搁置两个光电元件1和2，获取两个相位差π/2的电信号u1和u2（画图，在图中波形是除掉直流重量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号u1'和u2'。从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿A方向挪动时，u1'经微分电路后产生的脉'冲，正好发生在u2的“1”电平常，从而经Y1输出'一个计数脉冲；而u1经反相并微分后产生的脉冲，'则与u2的“0”电平相遇,与门Y2被堵塞，无脉冲输'出。在光栅沿A方向挪动时，u1的微分脉冲发生在u2'为“0”电平常，与门Y1无脉冲输出；而u1'的反相微分脉冲则发生在u2'的“1”电平常，与门Y2'输出一个计数脉冲，则说明u2的电平状态作为与门

3124BHuu1u24图BB40WWWx42Au1Au2u1Y1Au2AY2'的控制信号，来控制在不一样的挪动方向时,u1所产生的脉冲输出。这样就可以依据运动方向正确地给