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1、第2.1章 思考題與習(xí)題1、何為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)?怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片?答:(1)當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時,其電阻值將發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。(2)應(yīng)變片是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng),將金屬絲繞成柵形,稱為敏感柵。并將其粘貼在絕緣基片上制成。把金屬絲繞成柵形相當(dāng)于多段金屬絲的串聯(lián)是為增大應(yīng)變片電阻,提高靈敏度,2、什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)?它與電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同?為什么?答:(1)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)是指應(yīng)變片安裝于試件表面,在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下,應(yīng)變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。(2)實驗表明,電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)恒小于電阻
2、絲的靈敏系數(shù)其原因除了粘貼層傳遞變形失真外,還存在有恒向效應(yīng)。3、對于箔式應(yīng)變片,為什么增加兩端各電阻條的截面積便能減小橫向靈敏度?答:對于箔式應(yīng)變片,增加兩端圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多(圓弧部分截面積大),其電阻值較小,因而電阻變化量也較小。所以其橫向靈敏度便減小。4、用應(yīng)變片測量時,為什么必須采用溫度補(bǔ)償措施?答:用應(yīng)變片測量時,由于環(huán)境溫度變化所引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級,從而產(chǎn)生很大的測量誤差,所以必須采用溫度補(bǔ)償措施。5、一應(yīng)變片的電阻 R=120, k=2.05。用作應(yīng)變?yōu)?00m/m的傳感元件。 求R和R/R;若電源電壓U=3V,求初始平衡時惠斯
3、登電橋的輸出電壓U0。已知:R=120, k=2.05,=800m/m; 求:R=?,R/R=?U=3V時,U0=?解: 解:初始時電橋平衡(等臂電橋) 6、在材料為鋼的實心圓柱形試件上,沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120的金屬應(yīng)變片R1和R2,把這兩應(yīng)變片接入差動電橋(參看圖2-9a)。若鋼的泊松系數(shù)=0.285,應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k=2,電橋電源電壓U=2V,當(dāng)試件受軸向拉伸時,測得應(yīng)變片R1的電阻變化值R =0.48,試求電橋的輸出電壓U0。圖2-9a 差動電橋已知:R1= R2=120,=0.285,k=2,U=2V,R1 =0.48,R1 / R1=0.48/120=0.004求:U
4、0=?解: 又 設(shè):R1=R2=R3=R4=R,對電橋若四臂電阻都變其輸出為: 則有:本題:7、金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何不同?答:金屬應(yīng)變片的工作原理是:金屬應(yīng)變片在外力的作用下,應(yīng)變片的幾何尺寸(長度和截面積)發(fā)生變化(機(jī)械形變)而引起應(yīng)變片的電阻改變,運(yùn)用它們的對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)測量目的。其靈敏系數(shù)(k1+2)主要是材料幾何尺寸變化引起的。半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是:半導(dǎo)體應(yīng)變片受到作用力后,應(yīng)變片的電阻率發(fā)生變化,而引起應(yīng)變片的電阻值改變。其靈敏系數(shù)(k=/)主要是半導(dǎo)體材料的電阻率隨應(yīng)變變化引起的。補(bǔ)充題:已知四個相同的應(yīng)變片,靈敏度為k,泊松系數(shù)為,在試件上粘貼如圖。接入電橋
5、如圖(A)(B)(C)(D)求: 解:各應(yīng)變片電阻的相對變化1號應(yīng)變片: 2號應(yīng)變片:3號應(yīng)變片:4號應(yīng)變片:由式:對圖(a):對圖(b):對圖(c):對圖(d):所以:第2.2章 思考題與習(xí)題1、何謂電感式傳感器?它是基于什么原理進(jìn)行檢測的?答:電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感量或互感量的變換,再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的一種裝置。它是基于電磁感應(yīng)原理進(jìn)行檢測的。2、減小零殘電壓的有效措施有哪些?答:(1)盡量使兩個線圈對稱設(shè)計時應(yīng)使上下磁路對稱,制造時應(yīng)使上下磁性材料特性一致,磁筒、磁蓋、磁芯要配套挑選,線圈排列要均勻,松緊要一致,最好每層的匝數(shù)都相等。(
6、2)減小磁化曲線的非線性由于磁化曲線的非線性產(chǎn)生零殘電壓的高次諧波成分,所以選用磁化曲線為線性的磁芯材料或調(diào)整工作點(diǎn),使磁化過程在磁化曲線的線性區(qū)。(3)使振蕩變壓器二次側(cè)對稱,兩個二次電壓的相位相同在一次側(cè)線圈上并聯(lián)一個電容,并調(diào)整電容大小使兩個二次電壓的相位相同。3、渦流式傳感器有何特點(diǎn)?它有哪些應(yīng)用:答:渦流式傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測量,靈敏度較高,適應(yīng)性強(qiáng)。它的應(yīng)用有四個方面:(1)利用位移為變換量,可做成測量位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速等傳感器,也可做成接近開關(guān)、計數(shù)器等;(2)利用材料的電阻率作為變換量,可做成測量溫度、材質(zhì)判別等傳感器;(3)利用磁導(dǎo)率作為變
7、換量,可做成測量應(yīng)力、硬度等傳感器;(4)利用三個變換量的綜合影響,可做成探傷裝置。4、試比較渦流傳感器的幾種應(yīng)用電路的優(yōu)缺點(diǎn)?答:交流電橋電路:線性好、溫度穩(wěn)定性高,但存在零點(diǎn)殘余電壓問題及測量范圍較??;諧振電路:電路簡單,靈敏度高,但線性度差及范圍更小;正反饋電路:測量范圍較大,是電橋的2至3倍,但電路復(fù)雜。5、有一4極感應(yīng)感應(yīng)同步器,設(shè)h=5mm、=150、=0.15mm、r=6.5mm、N1=N2=900匝,勵磁電流I1=35mA、f=400Hz,試求:輸出信號的靈敏度k(mV/deg)=?勵磁電壓u=?第2.3章 思考題與習(xí)題1、如何改善單組式變極距型電容傳感器的非線性?答:對于變極
8、距單組式電容器由于存在著原理上的非線性,所以在實際應(yīng)用中必須要改善其非線性。改善其非線性可以采用兩種方法。(1)使變極距電容傳感器工作在一個較小的范圍內(nèi)(0.01m至零點(diǎn)幾毫米),而且最大應(yīng)小于極板間距的1/51/10。(2)采用差動式,理論分析表明,差動式電容傳感器的非線性得到很大改善,靈敏度也提高一倍。2、單組式變面積型平板形線位移電容傳感器,兩極板相對覆蓋部分的寬度為4mm,兩極板的間隙為0.5mm,極板間介質(zhì)為空氣,試求其靜態(tài)靈敏度?若兩極板相對移動2mm,求其電容變化量。(答案為0.07pF/mm,0.142pF)已知:b=4mm,=0.5mm,0=8.851012F/m求:(1)k
9、=?;(2)若a=2mm時 C=?。解:如圖所示 ; ; 3、畫出并說明電容傳感器的等效電路及其高頻和低頻時的等效電路。答:電容傳感器的等效電路為:其中:r:串聯(lián)電阻(引線、焊接點(diǎn)、板極等的等效電阻);L:分布電感(引線、焊接點(diǎn)、板極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的);CP:引線電容(引線、焊接點(diǎn)、測量電路等形成的總寄生電容)C0:傳感器本身電容;Rg:漏電阻(極板間介質(zhì)漏電損耗極板與外界的漏電損耗電阻)低頻時等效電路和高頻時等效電路分別為圖(a)和圖(b): 4、設(shè)計電容傳感器時主要應(yīng)考慮哪幾方面因素答:電容傳感器時主要應(yīng)考慮四個幾方面因素:(1)減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響,保證絕緣材料的絕緣性能;(2)
10、消除和減小邊緣效應(yīng);(3)減小和消除寄生電容的影響;(4)防止和減小外界干擾。5、何謂“電纜驅(qū)動技術(shù)”?采用它的目的是什么?答:電纜驅(qū)動技術(shù),即:傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜,其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線(即電纜芯線)通過1 :1放大器而為等電位,從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號等大變化的電壓,因此稱為“驅(qū)動電纜”。采用“電纜驅(qū)動技術(shù)”的目的是減小或消除寄生電容的影響。6、畫出電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,并說明其工作原理。答:電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖為:其中:1、5為兩個固定極板;2為殼體;3為支撐彈簧片;4質(zhì)量塊;A面和B面為固定在質(zhì)量塊
11、上的電容器的極板。當(dāng)測量垂直方向上直線加速度時,傳感器的殼體2固定在被測振動體上,振動體的振動使殼體相對質(zhì)量塊運(yùn)動,因而與殼體固定在一起的兩固定極板1、5相對質(zhì)量塊4運(yùn)動,致使上固定極板5與質(zhì)量塊4的A面組成的電容器Cx1以及下固定極板與質(zhì)量塊4的B面組成的電容器Cx2隨之改變,一個增大,一個減小,它們的差值正比于被測加速度,而實現(xiàn)測量加速度的目的。7、什么是電容式集成傳感器?它有何特點(diǎn)?答:運(yùn)用集成電路工藝把電容敏感元件與測量電路制作在一起構(gòu)成電容式集成傳感器。她的核心部件是一個對被測量敏感的集成電容器。集成電容傳感器的特點(diǎn)是:體積小、輸出阻抗小、可批量生產(chǎn)、重復(fù)性好、靈敏度高、工作溫度范圍
12、寬、功耗低、寄生電容小等特點(diǎn)。補(bǔ)充題:已知差動式極距型電容傳感器,原始極距0=0.25mm,極板直徑D=38.2mm,采用電橋作轉(zhuǎn)換電路,傳感器兩電容分別串接R=5.1K的電阻作為電橋兩臂,另兩臂為固定電容C=0.001F,電橋供電電壓為U=60V,頻率f=400Hz,求:傳感器靈敏度;動極板位移=10m時,輸出電壓有效值為多大。已知:0=0.25mm;D=38.2mm;R=5 .1K;C=0.001F;U=60V;f=400Hz;=10m。求:k=?;U0=?解: 、 同理:則有:所以:則: 第2.4章 思考題與習(xí)題1、什么是壓電效應(yīng)?答:沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)加力而使其變形時,在一定表面
13、上產(chǎn)生電荷,當(dāng)外力取消,又重新回到不帶電狀態(tài),這一現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)在某些電介質(zhì)的極化方向上施加電場,這些電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力,當(dāng)外加電場散去,這些變形和應(yīng)力也隨之消失,此即稱為逆壓電效應(yīng)。2、為什么壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量?答:壓電元件送入放大器的輸入電壓由上式可知,用當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜壓力(=0)時,前置放大器輸入電壓等于零。因為電荷就會通過放大器的輸入電阻和傳感器本身的泄漏電阻漏掉。所以壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量。3、壓電式傳感器中采用電荷放大器有何優(yōu)點(diǎn)?為什么電壓靈敏度與電纜長度有關(guān)?而電荷靈敏度與電纜長度無關(guān)?答:p115補(bǔ)充題:1、有一壓電晶體
14、,其面積為20mm2,厚度為10mm,當(dāng)受到壓力p=10MPa作用時,求產(chǎn)生的電荷及輸出電壓:零度X切的縱向石英晶體;利用縱向效應(yīng)之BaTiO3(壓電陶瓷)。已知:S=20 mm2,=10mm,P=10MPa,求:Q=?,V=?解: 而: 又 而: 解 而: 同上:又 而: 2、某壓電晶體的電容為1000pF;Kq=2.5C/cm,Cc=3000pF,示波器的輸入阻抗為1M和并聯(lián)電容為50pF,求;壓電晶體的電壓靈敏度;測量系統(tǒng)的高頻響應(yīng)如系統(tǒng)允許的測量幅值誤差為5%,可測最低頻率時多少?如頻率為10Hz,允許誤差為5%,用并聯(lián)方式,電容值是多少?已知:求:解 解依據(jù)教材p113(6-14)式
15、 ;而: 解依據(jù)教材p113(6-15)式因: 高頻響應(yīng)時:而:則:其中:解得:解因: 則: 其中:解得:3、用石英晶體加速度計及電荷放大器測量機(jī)器的振動,已知:加速度計靈敏度為5pC/g,電荷放大器靈敏度為50mV/pC,當(dāng)機(jī)器達(dá)到最大加速度值時相應(yīng)的輸出電壓幅值為2V,試求該機(jī)器的振動加速度。已知:ka=5pC/g,kq=50mV/pC,Vomax=2V求:amax=?解:因為: 則有: 所以: 4、石英晶體壓電式傳感器,面積為1cm2,厚度為1mm,固定在兩金屬板之間,用來測量通過晶體兩面力的變化。材料的彈性模量是91010Pa,電荷靈敏度為2pC/N, 相對介電常數(shù)是5.1,材料相對兩面間電
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