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机械工程测试技术课后习题及答案第一章 传感器及检测系统的基本概念1、检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用2、怎样选择仪表的量程大小？3、测量误差可以分为哪几类？引起各类误差的原因是什么？4、传感器按照被测物理量来分，可以分为哪几种？5、某电路中的电流为10A，用甲乙两块电流表同时测量，甲表读数为10.8A，乙表读数为9.5A，请计算两次测量的绝对误差和相对误差。6、用1.0级量限100V的电压表甲，0.5级量限250V的电压表乙分别测量某电压，读数皆为80V，试比较两次测量结果的准确度。7、有三台测温仪表，量程均为0800，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？解答：1、一个完整的工程检测系统包括：传感器、信号调理电路、信号处理电路和显示记录部分。各部分作用：传感器感受被测量，并将其转换为电信号；信号调理电路将传感器输出信号进行放大和转换；信号处理电路对电信号进行计算和分析；显示记录部分显示记录测试结果。2、应根据被测量的大小，兼顾仪表的准确度等级和量程，使其工作在不小于满度值2/3以上的区域。3、测量误差可以分为：系统误差、随机误差和疏失误差三类。引起的原因如下:系统误差仪器误差、零位误差、理论误差、环境误差和观察者误差等随机误差温度、磁场，零件摩擦、间隙，气压和湿度的变化，测量人员分辨本领的限制等疏失误差操作、读数、记录和计算等方面的人为误差等4、传感器按被测物理量可以分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。5、绝对误差：I甲= I甲I0=10.8-10=+0.8A；I乙= I乙I0=9.5-10=0.5A相对误差：甲=I甲/ I0=+0.8/10=8%；乙=I乙/ I0=0.5/10=5%6、最大绝对误差：Vm甲= K%Vm甲=1.0%100=1.0V；Vm乙= K%Vm乙=0.5%250=1.25V最大相对误差：m甲=Vm甲/ V=1.0/80=1.25%；m乙=Vm乙/ V=1.25/80=1.56%故：甲表测量结果的准确度高于乙表。7、要求相对误差不超过2.5%，那么要求的最大绝对误差为：Tm=2.5%T =2.5%500=12.5而三台仪表测量的最大绝对误差分别为：2.5级：Tm1=2.5%Tm =2.5%800=20.02.0级：Tm2=2.0%Tm =2.0%800=16.01.5级：Tm3=1.5%Tm =1.5%800=12.0故：选用1.5级测温仪表合理。第二章 电阻式传感器1、电阻应变式传感器由哪几部分组成？各组成部分有何功能？可用于测量哪些物理量？2、什么是电阻应变效应？金属丝式应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？3、电阻应变最常采用的测量电路是什么电路？它是怎样将电阻应变片的应变大小x测量出来的？4、一电位计式位移传感器及接线图如图2-19所示，变阻器有效长度为L，总电阻R=200，读数仪表电阻RL=500，活动触点位置x=L/5。求：读数仪表的指示值Ua。图2-19 电位计式位移传感器及接线图解答：1、电阻应变式传感器由电阻应变片和弹性敏感元件组成。电阻应变片通过应变效应感受应力的变化，弹性敏感元件将力、压力和力矩转换为应变或位移等物理量。可用于测量力、压力、位移、加速度和扭矩等物理量。2、电阻应变效应指金属导体的电阻在导体受力产生变形（伸长或缩短）时发生变化的物理现象。金属丝应变片与半导体应变片的机理是一样的，都是应变电阻效应。区别是前者是利用导体形变引起电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。3、电阻应变最常采用的测量电路是电桥。电桥的输出电压与被测应变x的大小成正比，通过测量电阻的变化来测量相应的应变x。4、解：1)计算Rab：Rab=1/(1/Rx+1/RL)=1/(1/40+1/500)=1000/27=372)计算Ua：Ua=Rab /( Rab+160)Ui=37/(37+160) 10=1.88V第三章 电容式传感器1、电容式传感器有哪几种类型？2、为什么说变极板间距型电容传感器是非线性的？采取什么措施可改善其非线性特征？3、试分析变有效截面积型和变极板间距型电容传感器的灵敏度。为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施？4、有一个直径为2m、高5m的铁桶，往桶内连续注水，当注水数量达到桶容量的80%时就应当停止，试分析用应变片式或电容式传感器系统来解决该问题的途径和方法。5、总结电容式传感器的优缺点，主要应用场合以及使用中应注意的问题。6、一个圆形极板式电容传感器，极板半径r=4mm，工作初始间隙0=0.2mm，请问：(1)工作时，如果传感器的极板间隙发生改变且=2m，则电容变化量是多少？(2)如果车辆电路的灵敏度S=100mV/pF，指示仪表的分格常数为n=0.2mV/div，那么在=2m时，读数仪表的指示值将有多少格的变化量？空气的介电常数为0=8.851012F/m。解答：1、电容式传感器可分为：变极板间距型、变有效面积型和变极板间介质型三种。2、变极板间距型电容传感器静态电容量为，当活动极板移动x后，其电容量为，当xd时，于是，可见其特性为非线性。其非线性特性可以这样解决：(1)将结构设计成差动形式，也就是在两个固定极板之间插入动极板，动极板与两边固定极板构成两个互为差动的电容。其中一个电容增加多少，另一个电容就减少多少。(2)将上述差动结构的电容作为桥式电路中相邻的两个桥臂，此时，电桥的输出电压与动极板的移动距离呈线性关系（并且灵敏度较之单个电容增加到2倍）。3、变有效截面积型电容传感器的灵敏度：；要提高灵敏度，就要增大极板长度b，减小极板间距d。变极板间距型电容传感器的灵敏度：；要要提高灵敏度，就要降低d0，但d0过小，会导致电容器击穿，而且会增大非线性，因此采用差动式可提高灵敏度，并且大大降低非线性。4、可选用应变片式传感器通过测量桶内水的重力或者通过变极板间介质型电容传感器来控制注水数量。5、优点：温度稳定性好；结构简单、适应性强；动态应好；可以实现非接触测量。缺点：具有平均效应；b输出阻抗高、负载能力差；寄生电容影响大；输出特性非线性。主要应用场合：在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。使用中应注意的问题：要注意保护绝缘材料的的绝缘性能；消除和减小边缘效应；消除和减小寄生电容的影响；防止和减小外界的干扰。6、解：(1) (2)电压变化量：V=SC=100(2.22102)=2.22mV仪表变化格数：V /n=2.22/0.2=11.1格第四章 电感式传感器1、电感式传感器可分为哪几类？它们的工作原理各是什么？2、什么是差动变压器的零点残余电压，有哪些方法可以进行残余电压补偿？3、双螺管自感传感器相比于单螺管自感传感器有哪些优点？适用于怎样的场合？4、电感式传感器可以直接测量哪些物理量？解答：1、根据转换原理，电感式传感器可分为自感式和互感式两种。自感式电感传感器工作原理是其电路中自身电流的变换引起感应电动势，称为自感；互感式电感传感器是由于一个电路中电流的变换而在邻近的另一个电路中引起感生电动势的，称为互感。2、当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用电桥是，在零点仍有一个微小的电压值存在，称为零点残余电压。消除零点残余电压的方法：从设计和工艺上保证结构对称性；选用合适的测量线路；采用补偿线路。3、双螺管自感传感器相比于单螺管自感传感器有较高的灵敏度及较好的线性度，常用于电感测微计。4、电感式传感器可以直接测量线位移和角位移。第五章 电涡流式传感器1、什么是电涡流？2、高频反射式传感器在使用时需要注意什么?3、为了保证较好的线性度和灵敏度，低频透射式传感器在使用时需要注意什么？4、电涡流式传感器可以直接测量哪些物理量？解答：1、成块金属置于变化的磁场中运动时，金属体内会产生感应电流，这种电流就叫电涡流。2、为了充分有效的利用电涡流效应，保证灵敏度，对被测物体的尺寸有一定要求。平板型被测体的半径应大于线圈半径的1.8倍，圆柱形被测物体的直径应大于线圈直径的3.5倍以上。3、测量密度较小的材料时，应选较低的频率，测量密度较大的材料，应选用较高的频率。4、位移。第六章 压电式传感器1、什么是正压电效应？什么是逆压电效应？压电材料有哪几类？压电传感器的结构和应用特点分别是什么？2、为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不适用于静态测量？3、石英晶体x、y、z轴的名称是什么？有哪些特征？4、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么？为什么？5、一压电式传感器的灵敏度k1=10pC/MPa，连接灵敏度k2=0.008V/pC的电压放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度k3=25mm/V，当压力变化p=8 MPa时，记录笔在记录纸上的偏移为多少？解答：1、正压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，并且电荷密度与力大小成比例，当外力去掉后，介质又重新恢复到不带电状态。这种现象称为正压电效应。逆压电效应：当在电介质两个表面施加外电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。压电材料有：石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅。结构和应用特点：在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和并联连接，常用的是并联连接，可以增大输出电荷，提高灵敏度。使用时，两片压电芯片上必须有一定的预紧力，以保证压电组件在工作中始终受到压力作用，同时可消除两片压电芯片因接触不良而引起的非线性误差，保证输出信号与输入作用力间的线性关系，因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的，所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，并给测量电路一定的电流。故压电传感器只能作动态测量。2、压电式传感器所积累的电荷不可能长期保存，因为使用时存在负载电阻泄漏电荷现象，所以压电式传感器不宜做静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，提供给测量电路一定的电流，故压电式传感器只适宜做动态测量。3、x轴电轴；y轴机械轴；z轴光轴。x轴：电轴，经过六面体棱线并垂直于光轴。此方向的压电效应最明显。一般把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”。y轴：机械轴，与x和z轴同时垂直的轴。把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷压电效应称为“横向压电效应”。z轴：纵向轴，光轴，此方向不产生压电效应。4、基本考虑点是如何更好的改变传感器的频率特性，以使传感器能用于更广泛的领域。5、解：压力变化p=8 MP时，电容变化为：C= k1p=108=80pC；经电压放大器后输出电压为：U= k2C =0.00880=0.64V；记录笔偏移为：Uk3=0.6425=16mm。第七章 热电偶传感器1、上网查找6家以上生产热电偶的企业，列出它们所生产的热电偶型号规格，了解其特点和适用范围。动手设计一个测量水温度的系统。2、什么是热电效应？热电偶的测温原理是什么？3、试述热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理。4、热电偶的测温线路有哪几种，各适用于什么场合？5、现用一支镍铬-康铜(E)热电偶测温。其冷端温度为30，动圈显示仪表(机械零位在0)指示值为400，则认为热端实际温度为430，对不对？为什么？正确值应是多少？6、已知铂铑10-铂(S)热电偶的冷端温度t0=25，现测得热电动势E(t，t0)=11.712mV，求热端温度是多少度？解答：1、序号热电偶名称型号规格生产厂家1高温及中温盐浴炉专用热电偶KZWY/S北京昆仑中大工控技术发展有限公司2镍铬康铜热电偶WRK北京天航大业自动化仪表有限公司3高温防腐热电偶WRPF-130G上海屹川自控系统有限公司4一体化防爆热电阻WZPB西安庆成机电设备有限公司5端面热电偶WZCM-201江苏特雷默克仪表有限公司6耐磨型热电偶WZP-230NM天康集团安徽仪表电缆销售中心用热电偶测量水温2、将不同的导体A和B组成闭合回路，如果两接点的温度不同，在回路中就会产生电动势，有电流流过，这种现象称为热电效应。3、热电偶冷端温度补偿的方法主要有：一是冷端恒温法，将热电偶的冷端放在恒温场合；二是补偿导线法，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所，根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的；三是技术修正法，修正公式为：EAB(t，t0)=EAB(t，t1)+ EAB(t1，t0)；四是电桥补偿法。4、热电偶的测温线路有：测量某点温度；两点间温差的测量；平均温度的测量；温度偏差的测量。5、解：采用热电动势修正法并查表7-4可得：E(t，0)=E(400，0)+ E(30，0)=28.946+1.801=30.747mV；查表7-4可知，实际温度应为：422.36、解：采用热电动势修正法并查表7-2可得：E(25，0)=0.143mV；于是热端实际电动势为：E(t，0)=11.712+0.143=11.855 mV查表7-2有：11.851mV1200；13.159mV1300。利用插值法可求得热端温度为：t=1200.311.851mV120011.855mVt13.159mV1300第八章 霍尔元件1、何谓霍尔效应？其物理本质是什么？2、用霍尔元件可测量哪些物理量？请举出三个例子进行说明。3、霍尔灵敏度与霍尔元件厚度之间有什么关系？为什么霍尔元件一般采用N型半导体材料？4、霍尔元件零位误差的主要来源是什么？怎样补偿？5、集成霍尔传感器有什么特点？6、设计一个采用霍尔传感器的液位控制系统。解答：1、霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。其物理本质是由于运动电荷受到磁场中的洛伦兹力作用形成的。2、用霍尔元件可测量位移、力、加速度和转速等。例子：位移测量将线性霍尔传感器放在两块磁铁中间，其磁感应强度为零，这个位置可以作为位移的零点，当霍尔传感器在x方向上有位移时，霍尔元件有一电压输出。测力霍尔元件装在悬臂梁一端通过测量位移的变化测出力的大小。测转速当齿对准霍尔元件是，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空档对准霍尔元件时，输出为低电平。3、厚度越小，灵敏度越高，但是考虑到厚度对其它因素的影响，厚度不是越小越好。由于在N型半导体材料中，电子的迁移率比空穴的大，且np，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。4、霍尔元件在不加控制电流或不加磁场时出现的电势称为零位误差。5、集成霍尔传感器结构简单，精度高，线性度好，体积小，重量轻，能实现非接触式测量6、液位控制系统原理：霍尔元件固定不动，磁铁与探测杆固定在一起，连接到装液体的容器旁边，通过管道与内部连接。当液位达到控制位置时霍尔元件输出控制信号，通过处理电路和电磁阀来控制阀门的开启与关闭，如液位低于控制位置时开启阀门，超过控制位置时则关闭阀门。第九章 光电式传感器1、什么是材料的光电效应？2、光电效应有哪几种？与之对应的光电元件各有哪些？3、根据光源、被测物和光电元件三者之间的关系，光电传感器可分为哪几类？4、反射式和遮光式光电传感器各适用于什么场合？5、光电传感器的常用光源有哪几种？解答：1、光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象称为光电效应2、光电效应分为：外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种。外：光电管、光电倍增管；内：光敏电阻、光敏二极管、光电池；光生伏特效应：3、分为：辐射式、吸收式、反射式和遮光式。4、反射式光电传感器：适用于检测被测物表面性质参数或状态参数；遮光式光电传感器：适用于检测被测物的机械变化。5、常用光源：发光二极管、钨丝灯泡和激光。第十章 光纤传感器1、光纤传感器的工作原理是什么？可分为哪几类？2、光纤传感器的性能有何特殊之处？主要有哪些应用？3、光纤传感器由哪几部分组成？各部分的作用是什么？解答：1、光纤传感器的工作原理是将来自光源的光仅供光纤送入调制器，使待测参数进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质发生变化，称为被调制的信号光，再仅供光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。可分为：功能型和传光型2、光纤传感器具有信息量大、抗干扰性强、灵敏度高、动态范围广以及耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰、可非接触测量等一系列优点。主要应用于：高温、高压、易燃易爆等恶劣环境中位移、压力、温度、流量、速度、加速度、液面、流量等机械参数的测量中。3、光纤传感器由三部分组成：信号的转换、信号的传输、信号的接收与处理。信号的转换将被测参数转换为便于传输的光信号信号的传输利用光导纤维的特性将转换的光信号进行传输信号的接收与处理由测量电路进行接收处理与输出第十一章 超声波传感器1、什么是超声波？用于检测的超声波频率范围是多少？2、超声波是怎样产生的？又是怎样接收的？3、超声波检测的原理是什么？4、超声波直探头、斜探头和表面波探头分别可以产生哪种类型的波？解答：1、频率高于20kHz的弹性波称为超声波。用于检测的超声波频率范围是(0.2515)MHz。2、超声波的产生：当压电材料加上高频电压时在厚度方向会产生高频伸缩，耦合到工件材料中工件材料的质点就会随之振动从而产生超声波，或者磁致伸缩材料处于交变磁场中产生伸缩，即机械振动，从而产生超声波。超声波的接收：与产生完全相反的过程，通过超声波使压电材料或者磁致伸缩材料产生振动。3、超声波检测的原理：利用被测物理量与超声波声学特性的超声量之间的关系，通过超声量的测定来测出这些被测物理量。4、探头纵波；斜探头横波；表面波探头纵波和横波的双重性第十二章 数字式传感器1、什么是数字式传感器？它有哪些特点？2、请简述光电式编码器的工作原理。3、频率式传感器可分为哪几种？转换原理有何不同？解答：1、不需要(A/D)转换，能够直接将非电量转换为数字量，直接用数字显示的传感器就是数字传感器。其特点为：提高了测量精度和分辨率，易于与微机连接，提高了系统可靠性，抗干扰能力强，适宜远距离传输。2、光电式编码器通过光敏元件以透光区和不透光区来表示代码的状态“1”和“0”，从而实现测量。3、频率式传感器可分为：振弦式频率传感器、RC振荡器式频率传感器和压控振荡器。转换原理：振弦式频率传感器利用力学系统固有频率的变换反映被测量的大小RC振荡器式频率传感器利用电子振荡器的原理，将被测量的变化转化为振荡器振荡频率的变化压控振荡器先将被测非电量转换为电压量，然后再用该电压控制振荡器的振荡频率第十三章 信号的调理及检测系统的集成1、对传感器输出的微弱电压进行放大时，为什么要采用测量放大器？2、常用的信号显示记录装置可以分为哪几类？分别有哪些常用的装置？3、检测装置中常见的干扰有几种？采取何种措施予以防止？4、屏蔽有几种形式？各起什么作用？5、计算机数据采集系统有哪几种？各适用于什么场合？6、采用阻值为120，灵敏度系数k=2.0的金属电阻应变片和阻值为120的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。7、如图13-47所示为一直流电桥，供电电源电动势E=3V，R3= R4=100，R1和R2为同型号的电阻应变片，其电阻均为50，灵敏度系数K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为5000，试求此时电桥输出端的电压U0。图13-47 直流电桥解答：1、因为测量放大器不但具有很高的放大倍数，而且具有十分稳定的输出特性，符合传感器微弱信号放大的要求。2、常用的信号显示记录装置可以分为模拟信号显示记录装置和数字信号显示记录装置。模拟信号显示记录装置：动圈指示仪表、自动平衡记录仪、X-Y记录仪、磁带记录仪和电子示波器数字信号显示记录装置：LED显示器、LC显示器、磁盘3、检测装置中常见的干扰有放电噪声源、电气干扰源和固有噪声。采用的抑制技术主要有屏蔽技术、接地技术、浮置技术、平衡电路和滤波技术等。4、屏蔽主要有静电屏蔽、(低频)磁屏蔽和电磁屏蔽。作用：静电屏蔽能防止静电场的影响；磁屏蔽主要是为了抑制低频磁场；电磁屏蔽主要抑制高频电磁场的干扰。5、共有四种。(1)不带采样/保持器的数据采集系统，适用于采集直流或低频信号。(2)多路共享采样/保持器和A/D转换器的的数据采集系统。(3)多路共享A/D转换器的的数据采集系统。适用于在同一时刻测量各被测信号的瞬时值。(4)多路并行A/D转换的的数据采集系统。适用于高速系统和高频信号采集。6、(1)单臂时，所以应变为1时/V，应变为1000时应为/V；(2)双臂时，所以应变为1时/V，应变为1000时应为/V；(3)全桥时，所以应变为1时/V，应变为1000时应为/V。从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。7、此电桥为输出对称电桥，故(利用教材P146公式13-5演变的公式)