第2章-力、壓力傳感器課后習(xí)題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上力傳感器的組成是什么？答：力傳感器主要由力敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量、顯示電路組成。彈性敏感元件的作用是什么？其分類有幾種？各有何特點(diǎn)？答：作用：彈性敏感元件的作用是把力或壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移，然后再轉(zhuǎn)換電路將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。分類：（1）力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移的變換力的彈性敏感元件 （2）壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移的變換壓力的彈性敏感元件特點(diǎn)：變換力的彈性敏感元件圓柱式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可承受較大的載荷，便于加工，實(shí)心圓柱形可測(cè)量大于10kN的力，空心圓柱形可測(cè)量110kN的力，且應(yīng)力變化均勻。圓環(huán)式：圓環(huán)式的敏感元件比圓柱式輸出的位移大，因而具有較高的靈敏度，適用于測(cè)量較小的

2、力。懸臂梁式：它的一端固定，一端自由，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，應(yīng)變和位移較大，適用測(cè)量15kN的力。壓力的彈性敏感元件彈簧管：C形彈簧管的一端密封但不固定，成為自由端，另一端連接在管接頭上且固定，流體壓力通過管接頭進(jìn)入彈簧管后，在壓力F作用下，彈簧管的橫截面力圖變成圓形截面，截面的短軸力圖伸長(zhǎng)。使彈簧管趨向伸直，一直伸展到管彈力與壓力的作用相平衡為止。這樣自由端便產(chǎn)生了位移。通過測(cè)量位移的大小，比可得到壓力的大小。波紋管：波紋管的軸向在流體壓力作用極易變形，有較高的靈敏度。波紋膜片和膜盒：線性度好，靈敏度高及各種誤差小。薄壁圓筒：筒壁均勻受力，并均勻向外擴(kuò)張，所以在管壁的軸線方向產(chǎn)生拉伸力和應(yīng)變力

3、。3、電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是什么？它是如何測(cè)量試件的應(yīng)變的？答：工作原理：通過一定的機(jī)械裝置將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測(cè)量電路進(jìn)一步將電阻的改變轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)輸出。測(cè)試原理：測(cè)試時(shí)，將應(yīng)變片用粘接劑牢固的粘貼在被測(cè)試件的表面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻的變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過一定的測(cè)量線路將這種電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就能知道被測(cè)試件應(yīng)變量的大小。4、電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路有哪些？各有何特點(diǎn)？答：恒壓源供電的

4、直流電橋特點(diǎn)：當(dāng)被測(cè)量無變化時(shí)，電橋平衡，輸出為零。當(dāng)測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，電橋平衡被打破，有電壓輸出，輸出的電壓與被測(cè)量的變化成比例。恒流源供電的直流電橋特點(diǎn)：當(dāng)橋臂電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋有輸出，輸出大小與橋臂電阻變化成正比。5、電阻應(yīng)變片為什么要進(jìn)行溫度補(bǔ)償？補(bǔ)償方法有哪些？答： 電阻應(yīng)變片傳感器是靠電阻值來來度量應(yīng)變的，所以希望它的電阻只隨應(yīng)變而變，不受其它因素的影響。但實(shí)際上，雖然用作電阻絲材料的銅、康銅溫度系數(shù)很小(大約在a=(2.55.0)10-5/)， 但與所測(cè)應(yīng)變電阻的變化比較，仍屬同一量級(jí)。如不補(bǔ)償，會(huì)引起很大誤差。這種由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的變化而給測(cè)量帶來的誤差，稱之為應(yīng)變片的溫度

5、誤差。 補(bǔ)償方法：（1）線路補(bǔ)償。 （2）應(yīng)變片自補(bǔ)償。6、應(yīng)變片的粘貼、固化和檢查工藝有哪些？答：去污試件表面的處理粘貼之前，應(yīng)先將試件表面清理干凈，用細(xì)砂紙將試件表面打磨平整，再用丙酮、四氯化碳或氟利昂徹底清洗試件表面的灰塵、油漬，清理面積約為應(yīng)變片的35倍。粘貼在清理的試件表面上均勻涂刷一薄層粘接劑作為底層，待其干燥固化后，再在此底層及應(yīng)變片基地的地面上均勻涂刷一薄層粘接劑，等粘接劑稍干，即將應(yīng)變片貼在畫線位置，用手指滾壓，把氣泡和多余的粘接劑擠出。注意，應(yīng)變片的底面也要清理。粘貼后測(cè)量從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，尋找端子折斷和損壞的應(yīng)變片。焊接將引線和端子用烙鐵焊接起

6、來，注意不要把端子扯斷。（5）固定焊接后用膠布將引線和被測(cè)對(duì)象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片7、圖2-88為一直流應(yīng)變電橋，試求：（1）為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)變化量為時(shí)，電橋輸出電壓為多少？（2）都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋的輸出電壓圖 2-88 直流應(yīng)變電橋（3）題（2）中，如果感受應(yīng)變的極性相反， 且，電橋的輸出電壓（4）由題（1）（3）能得出什么結(jié)論與推論？答：（1）當(dāng)為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻時(shí)，電橋?yàn)閱伪酃ぷ麟姌?，?dāng)變化量為時(shí)，電橋輸出電壓： （2）當(dāng)都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感受應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻時(shí)，根據(jù)電

7、橋的輸出總公式 可知，此時(shí)，。電橋的輸出：（3）題（2）中，如果感受應(yīng)變的極性相反，且也就是，此時(shí)電橋?yàn)椴顒?dòng)雙臂電橋（半橋），電橋輸出電壓：此時(shí)電橋。（4）由題（1）（3）可知雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，電橋的相鄰兩個(gè)橋臂為應(yīng)變片工作橋臂時(shí)，感受的應(yīng)變必須是一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，電橋才有輸出。8.壓電式傳感器的工作原理是什么？壓電材料有哪些？答：原理：某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，相應(yīng)的在晶體表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，外力去掉后，電荷消失，力的方向改變時(shí)，電荷的方向也隨之改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 材料：（1）石英晶體（2）壓電陶瓷 （3） 高分子壓電材料9.試用石英晶體為

8、例說明壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過程。答：石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體，它是二氧化硅單晶體 ，為規(guī)則的正六角棱柱體，石英晶體的每一個(gè)晶體單元中，有3個(gè)硅離子和6個(gè)氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上。當(dāng)無外力作用時(shí)，正負(fù)電荷中心重合，對(duì)外不顯電性。當(dāng)在x軸向施加壓力時(shí)，如圖a所示，正電荷中心向B面移動(dòng)，負(fù)電荷中心向A面移動(dòng)，所以B面呈現(xiàn)正電荷，A面呈現(xiàn)負(fù)點(diǎn)荷。當(dāng)在x軸施加拉力時(shí)，如圖b所示，各晶格上的帶電粒子沿x軸向外產(chǎn)生位移，因而A面呈現(xiàn)正電荷，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。在y軸上施加壓力時(shí)，如圖c所示，晶格沿y軸被向內(nèi)壓縮，A面呈現(xiàn)正電荷，B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。在y軸上施加拉力時(shí)，如圖d所示，晶格在y軸被拉長(zhǎng)，x

9、向縮短，B面呈現(xiàn)正電荷，A呈現(xiàn)負(fù)電荷。沿z軸方向施加力的作用時(shí)，由于硅離子和氧離子是對(duì)稱的平移，故在表面沒有電荷出現(xiàn)，因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，這就是石英晶體的壓電效應(yīng)產(chǎn)生的過程。10.壓電陶瓷有何特點(diǎn)？答:壓電陶瓷是人工制造的一種多晶體電體，它由無數(shù)的單晶組成,各單晶的自發(fā)極化方向是任意排列的，因此每個(gè)單晶具有強(qiáng)的壓電性質(zhì)，但組成單晶后，各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了，所以，原始的壓電陶瓷是一個(gè)非壓電體，不具有壓電效應(yīng)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，就必須進(jìn)行極化處理。所謂的極化處理就是在一定的溫度的條件下，對(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)，使極性軸轉(zhuǎn)動(dòng)到接近電場(chǎng)的方向，規(guī)則排列。這個(gè)方向就是壓電陶瓷的極化方向，

10、這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，留下很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)壓電陶瓷受到力的作用時(shí)，極化強(qiáng)度就發(fā)生變化，在垂直于極化方向上就會(huì)出現(xiàn)電荷，所以采用壓電陶瓷的壓電式傳感器靈敏度較高。11.壓電傳感器的測(cè)量電路是什么？各有何特點(diǎn)？為什么壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)的力？答：電壓放大器 電荷放大器特點(diǎn)：由電壓放大器的輸出可以看出，放大器輸入電壓與電纜的電容Cc有關(guān)系，當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)，Cc將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化。在設(shè)計(jì)時(shí)，通常把電纜長(zhǎng)度定為常數(shù)，使用時(shí)如要改變電纜長(zhǎng)度，則必須重新校正電壓靈敏度值。電荷放大器輸出電壓， 可以看出電荷放大器輸出電壓與電

11、纜電容無關(guān)。因此電纜可以很長(zhǎng)，可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米，甚至上千米，靈敏度卻無明顯損失。這是電荷放大器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。因此在測(cè)量時(shí)，不必考慮傳感器與放大器配套的問題，放大器與傳感器可以任意互換。為什么壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)的力？由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄露的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的。因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)量時(shí)，放大器的輸入電阻和傳感器的泄漏電阻不可能為無窮大，因此電荷就會(huì)通過放大器的輸入電阻和傳感器的泄漏電阻漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測(cè)量。 壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷得到補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。12.

12、如圖2-32b所示電荷放大器等效電路。壓電元件為壓電陶瓷，壓電陶瓷的壓電系數(shù)dzz=5x10-10C/N，反饋電容Cf=0.01uF，若輸出電壓Uo=0.4V，求壓電傳感器所受力的大?。看?-32 電荷放大器等效電路：根據(jù)電荷放大器的輸出可知, 壓電陶瓷上產(chǎn)生的電荷根據(jù)，壓電傳感器所受的力13.石英晶體的縱向壓電系數(shù)，晶體的長(zhǎng)度是的寬2倍，是厚的3倍，求：（1） 當(dāng)沿電軸方向施加的力時(shí)，用反饋電容為的電荷放大器測(cè)量的輸出電壓是多少？（2） 當(dāng)沿機(jī)械軸施加力時(shí)，用同樣的電荷放大器測(cè)出的輸出電壓為3V，為多少？ 答： （1）電荷放大器的輸出 (2) 根據(jù)題意，參考石英晶體的切片圖，可以看出當(dāng)沿機(jī)械

13、軸施加力時(shí)，產(chǎn)生的由根據(jù)式得，即 求出14. 用壓電式傳感器測(cè)量一正弦變化的作用力，采用電荷放大器，壓電元件用兩片壓電陶瓷并聯(lián)，壓電系數(shù)dzz=190x10-12C/N ，放大器為理想運(yùn)放，反饋電容Cf=3800pF ，實(shí)際測(cè)得放大器輸出電 壓為Uo=10sint（V） ，試求此時(shí)的作用力F=?答：根據(jù)題意壓電元件是兩片壓電陶瓷并聯(lián)，所以總電荷是單個(gè)壓電元件電荷的兩倍，即,根據(jù)電荷放大器的輸出，得，,得壓電傳感器受到的作用力15.電容式傳感器的工作原理是什么？可分成幾種類型？各有個(gè)特點(diǎn)？答：根據(jù)平行極板的電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，則電容器的電容量為 由上式可知，電容C是A、的函數(shù)，即。當(dāng)A

14、、改變時(shí)，電容量C也隨之改變。若保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，通過被測(cè)量的變化改變其中的一個(gè)參數(shù)，就可把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。這就是電容傳感器的基本工作原理。分類：電容式傳感器根據(jù)工作原理不同，可分為變間隙式、變面積式、變介電常數(shù)式三種；按極板形狀不同有平板形和圓柱形兩種。特點(diǎn)：變間隙式電容傳感器：只能測(cè)量微小位移（微米級(jí)）；變面積式電容傳感器：可以測(cè)量較大位移的變化，常為厘米級(jí)位移量。變介電常數(shù)式電容式傳感器。可用來測(cè)量物位或液位，也可測(cè)量位移，可以測(cè)量較大位移的變化。16.試說明差動(dòng)式電容傳感器結(jié)構(gòu)是如何提高測(cè)量靈敏度，減小非線性誤差的？答：以變間隙式電容傳感器為例來分析。當(dāng)變化時(shí)，電容

15、量的相對(duì)變化約為 （2-35） 為了提高測(cè)量的靈敏度，減小非線性誤差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。如圖2-44所示，兩個(gè)定極板對(duì)稱安裝，中間極板為動(dòng)極板。當(dāng)中間極板不受外力作用時(shí)，由于，所以。當(dāng)中間極板向上移動(dòng)x時(shí)， 增加，減小，總電容的變化量為圖2-44 差動(dòng)式電容器結(jié)構(gòu) （2-37）式（2-37）與式（2-35）相比，輸出靈敏度提高了一倍。17.電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路主要有哪些？答: 常見的電容式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路有橋式電路、調(diào)頻電路、充放電脈沖電路、運(yùn)算放大器電路等。18.有一個(gè)以空氣為介質(zhì)的變面積型平板電容傳感器，如圖2-45a所示，其中a=8mm， b=12mm，兩極板間距為d=

16、1mm。當(dāng)動(dòng)極板在原始位置上平移了5mm后，求傳感器電容量的變化C及電容相對(duì)變化量C/Co 。答：根據(jù)變面積型平板式電容傳感器的電容表達(dá)式：可得當(dāng)動(dòng)極板在原始位置上平移了，也就是公式中后，電容的相對(duì)變化量為傳感器電容量的變化19.電感傳感器的基本原理是什么？可分成幾種類型？答：電感傳感器的基本原理是電磁感應(yīng)原理。利用電磁感應(yīng)將被測(cè)非電量(如壓力、位移等)轉(zhuǎn)換成電感量的變化輸出，再經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，將電感量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，來實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的。 電感傳感器的分類：根據(jù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。20.電感傳感器的常用的測(cè)量電路有哪些？答：自感式傳感器常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路有橋式測(cè)量電路、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路，在自感式傳感器中，用得較多的是橋式測(cè)量電路和調(diào)幅電路。 差動(dòng)變壓器輸出電壓可直接用交流電壓表接在反相串聯(lián)的兩個(gè)二次繞組上測(cè)量，此時(shí)空載輸出電壓為，也可采用電橋電路來測(cè)量。21.電渦流傳感器的工作原理是什么？形成電渦流的兩個(gè)必備條件是什么？答：電渦流傳感器的工作原理是電渦流效應(yīng)。即塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金