材料加工测试技术--练习题_31351

一、计算

1．图为一直流恒压源应变电桥，E=4V，R1=R2=R3=R4=350Ω。

求：①R1为应变片，其余为外接电阻，R1增量△R1=3.5Ω时的输出U0=?

②R1、R2是应变片，感受应变极性、大小相同，其余为电阻，电压输出U0=?

③R1、R2感受应变极性相反，输出U0=?

④R1、R2、R3、R4都是应变片，对臂同性，邻臂异性，电压输出U0=? 解：①

②

③

④

2．有一吊车的拉力传感器如图所示，电阻应变片R1、R2、R3、R4贴在等截面轴上，已知R1~R4标称阻值为120Ω，桥路电压为2V，物重m引起R1、R2变化增量为1.2Ω。请画出应变片电桥电路，计算出测得的输出电压和电桥输出灵敏度，R3、R4起什么作用？

3．一个量程为10kN的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm，内径18mm，在其表面粘贴八各应变片，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120Ω，灵敏度为2.0，波松比为0.3，材料弹性模量E=2.1×1011Pa。求：①绘出弹性元件贴片位置及全桥电路；

②计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化；

③当桥路的供电电压为10V 时，计算传感器的输出电压。

答：(1)

全桥电路如右图所示

(2)

圆桶截面积：

应变片1、2、3、4感受纵向应变：

应变片5、6、7、8感受纵向应变：

传感器在满量程时：

(3)

()()()()132457680.0103542L U U R R R R R R R R V R =?+?+?+?-?+?-?+?=?????　

()()()1357682444443

611++++42222102(7.97610+2.39310+2.393107.97610)0.010374

11221010102.010.30.01259.710 2.110

L L U U K V U U F U K K AE

εεεεεεεεμεμ-----??????????=

--+ ? ? ? ?????????????

=?????+?==+=+?=??+=???或： 或： 037V 4．今有一悬臂梁，如图所示，在其中部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，在悬臂梁端部受一向下力F=0.5N ，试求此时四个应变片的电阻值。已知：应变片灵敏系数K=2.1；应变片空载电阻R0=120Ω。

答：

5．铂线电阻在20℃时为10Ω。求50℃时的电阻。

解：R=R0（1+αt ）中，t=20℃，R=10Ω，α=30×10-4/℃。

因此，10=R0（1+30×

10-4×20），R=R0（1+30×10-4×50），得R≈10.8Ω 6．已知某压力传感器的测定范围为0～10000Pa ，输入特性为：y=10(x －0.00007x 2+2000)。问这种传感器能使用吗？

答：dy/dx=10－0.0014x 。导数值在x <7143Pa 时为正，x >7143Pa 时为负，故不能使用。

7．使用K 型热电偶，基准接点为0℃、测量接点分别为30℃和900℃时，温差电动势分别为1.203mV 和37.326mV 。当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为多少？

答：现t 2=900℃，t 1=30℃，基准接点温度为30℃，测温接点温度为900℃时的温差电动势设为E ，则37.326=1.203+E ，所以E=36.123mV 。

8．用铜和康铜分别与铂相配构成热电偶，热电势E 铜－铂(100，0)＝+0.75mV ，E 康铜－铂(100，0)＝－0.35mV 。求E 铜－康铜(100，0)的热电势。

9．某铜电阻在20℃时的阻值R20＝16.28Ω，α＝4.25×10-3℃-1，求该热电阻在100℃时的阻值。

10．已知管径为120mm ，管道内水流动的平均速度为1.8m/s ，这时水的密度为990kg/m 3，确定该状态下水的容积流量和质量流量。

11．某电容式液位传感器由高1.2m ，直径为40mm 和8mm 的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm ，高为1.2m 。被储存液体的εr ＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(ΔC max /ΔV max ，pF/L)。 解：pF m m pF r r H C 46.415ln 2.1)/85.8(2ln 21

20min =??==ππε

0max 21

241.46 2.187.07ln r H C pF pF r r πεε==?= 22(0.5) 1.2235.644d m V H m L ππ=

=?= max min 87.0741.460.19/235.6C C pF pF K pF L V L

--=== 12．下面是热电阻测量电路，试说明电路工作原理并计算：1)已知Rt 是Pt100

铂电阻(()()237200

11 3.9410 5.80210t R R At Bt R t t --??=++=?+??+-????)，且其测量温度为t=50℃，试计算输出Rt 的值和Ra 的值；2)电路中已知R1、R2、R3和E ，试计算电桥的输出电压V AB 。其中（R1=10k Ω，R2=5k Ω，R3=10k Ω，E=5V ）

解：该热电阻测量温度电路由热敏电阻、测量电阻和显示电表组成。 图中G 为指示电表，R1、R2、R3为固定电阻，Ra 为零位调节电阻。热电阻都通过电阻分别为r2、r3、Rg 的三根导线和电桥连接，r2和r3分别接在相邻的两臂。当温度变化时，只要r2、r3和Rg 分别接在指示电表和电源的回路中，其电阻变化不会影响电桥的平衡状态。电桥在零位调整时，应使R4=Ra+Rt0为电阻在参考温度（如0℃）时的电阻值。三线接法的缺点之一是可调电阻的接触电阻和电桥臂的电阻相连，可能导致电桥的零点不稳。

1) ()()23720

11001 3.941050 5.8021050119.55t R R At Bt --??=++=?+??+-????=

Ra=R1-Rt0=5000-100=4900

2) ()()312

12421234122123(314)1000010000

000119.551005500010000100000.00489 4.89AB L R R R R R R U U E R R R R R R R R R V mV ??????==--+- ?+?????-=??--+ ?+??

==

二、简答题、填空题

1．压力传感器测量砝码数据如下，试解释这是一种什么误差，产生这种误差的原因是什么？

N(g) 0 1 2 3 4 5

正行程(mv)0 1.5 2 2.5 3 3.5

反行程(mv)0 0.5 1 2 2.5 3.5

解：迟滞误差；静态误差；传感器本身材料的缺陷造成。

2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？

3．什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？

答：金属丝在外力作用下发生机械形变时，它的电阻值将发生变化，这种现象称电阻应变效应。固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同，但应变不同。圆弧部分使灵敏度K下降了，这种现象称为横向效应。

4．用电阻应变片组成的半桥、全桥电路与单桥相比有哪些改善？

5．说明电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？

6．金属电阻应变片由哪四部分组成？分哪几种？主要特性参数有哪些？

答：金属电阻应变片由四部分组成：敏感栅、基底、盖层、引线。

分两种：金属丝式和箔式。

主要特性参数：灵敏系数、横向效应、机械滞后、零漂及蠕变、温度效应、应变极限、疲劳寿命、绝缘电阻、最大工作电流、动态响应特性。

7．分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的过程。

8．应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？

9．电容传感器有哪些类型？

10．叙述电容传感器的工作原理，输出特性。

11．为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式，差动结构形式的特点是什么？

12．说明各种电容传感器的结构和工作原理。

13．差动式电容测厚传感器系统的工作原理？

14．推导差动式电容传感器的灵敏度，并与单极式电容传感器相比较。答：……………………….。差动式电容传感器的灵敏度比单极式提高一倍，而且非线性也大为减小。

15．根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？

16．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。17．什么是正压电效应？什么是逆压电效应？有压电效应的材料有哪些种类？压电传感器的结构和应用特点是什么？能否用压电传感器测量静态压力？

答：①正压电效应：某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象，同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复到不带电的状态，而当作用力方向改变时电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。

②逆压电效应：与正压电效应相反，对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离变形也随之消失，称为逆压电效应。

③压电材料有：石英晶体、一系列单晶硅、多晶陶瓷、有机高分子聚合材料。

④压电传感器的结构和应用特点：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。

⑤压电传感器使用时，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，只有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。

18．石英晶体X、Y、Z轴的名称是什么？有哪些特征？

19．简述压电陶瓷特性，作为压电元件比较他与石英晶体有哪些特点？

20．简述电压式加速传感器的工作原理？

21．热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响?为消除冷端温度影响可采用哪些措施？

22．热电阻传感器主要分为几种类型？

答：热电阻传感器分为以下几种类型：①铂电阻传感器②铜电阻传感器③铁电阻和镍电阻。

23．什么叫热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作定律的应用。分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法。

24．试述热电偶测温的基本原理和基本定理。

25．试比较电阻温度计与热电偶温度计的异同点。

答：电阻温度计利用电阻随温度变化的特性来测量温度。热电偶温度计是根据热电效应原理设计而成的。前者将温度转换为电阻值的大小，后者将温度转换为电势大小。

相同点：都是测温传感器，精度及性能都与传感器材料特性有关。

26．试解释负电阻温度系数热敏电阻的伏安特性，并说明其用途（p26，图3-3）。答：伏安特性表征热敏电阻在恒温介质下流过的电流I与电压降U之间的关系。当电流很小时，不足以引起自身发热，阻值保持恒定，电压降与电流间符合欧姆定律。当电流I>Ia时，随着电流增加，功耗增大、产生自热，阻值随电流增加

而减小，电压降增加速度逐渐减慢，因而出现非线性的正阻区ab。电流增大到Ib时，电压降达到最大值Um。此后，电流继续增大时，自热更为强烈，由于热敏电阻的电阻温度系数大，阻值随电流增加而减小的速度大于电压降增加的速度，于是就出现负阻区bc段。

研究伏安特性，有助于正确选择热敏电阻的工作状态。对于测温、控温和温度补偿，热敏电阻应工作于伏安特性的线性区，这样就可以忽略自热的影响，使电阻值仅取决于被测温度。对于利用热敏电阻的耗散原理工作的场合，例如测量风速、流量、真空等，则应工作于伏安特性的负阻区。

27．试述压力的定义。何谓大气压力、绝对压力、表压力和真空度？常用压力仪表？

28．电容传感器有哪些类型？

29．叙述电容传感器的工作原理，输出特性。

30．说明各种电容传感器的结构和工作原理。

31．在变压器式传感器中，原方和副方互感M的大小与绕组匝数成正比，与穿过线圈的磁通成正比，与磁回路中磁阻成反比。

32．根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？

答：………………。电容传感器的应用：可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测温、高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。

33．什么是正压电效应？什么是逆压电效应？压电效应有哪些种类？压电传感器的结构和应用特点是什么？能否用压电传感器测量静态压力？答：………………………若作用在压电组件上的力是静态力，则电荷会泄露无法进行测量。所以压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量。

34．电阻应变片式传感器按制造材料可分为金属材料和半导体材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中金属材料的电阻变化主要是由电阻应变效应形成的，而半导体材料的电阻变化主要是由压阻效应造成的。半导体材料传感器的灵敏度大。

35．简述压电陶瓷特性，作为压电元件比较它与石英晶体有哪些特点？

36．简述压电式加速传感器的工作原理？

37．要测1000℃左右的高温，用什么类型的热电偶好？要测1500℃左右的高温呢？

答：1000℃左右温度用镍铬-镍铝，铂铑10-铂，1500℃用铂铑30-铂铑6。(表4-3) 38．按流量所使用的单位不同，它可分为哪几种？常用流量计？

39．高温加热的钢板为红色，当温度继续升高时变为白色，试说明原因。

答：与温度相对应，物体放射出具有一定波长分布的光，高温时，所有波长的能量增大，波长分布的峰值向短波长方向移动。对应于黑体的波长分布可由普朗克分布规则求得。1000℃的钢板，波长分布的峰值在近红外区域，发出的光波长在0.6μm 以上，属于可视光的红光区域，因此看到的光呈现红色。温度升高使得波长分布的峰值向短波方向移动。可视光的短波成分增加，可视光所有波长成分混合使钢板颜色接近白色。

40．

金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称电阻应变效应；固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度K 下降了，这种现象称为横向效应。

41．测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨率、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。

42．

霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度下和单位控制电流时霍尔原件输出的霍尔电势值。U H =K H IB

43．

光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应，这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电仪表。

44．热电偶所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的，其表达式为 000()(,)ln ()d T A AB A B T B

K T T n E T T T e n σσ-=+-?。

在热电偶温度补偿中，补偿导线法（即冷端延长线法）是在连接导线和热电偶之间接入补偿导线(延长线)，它的作用是将热电偶的参考端(冷端)移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。

45．把一导体（或半导体）两端通以控制电流I ，在垂直电流方向施加磁场B ，在导体另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称霍尔效应，这个电动势称为霍尔电势。

46．外加磁场使半导体（导体）的电阻值随磁场变化的现象成磁阻效应。 47．变气隙式自感型传感器，当衔铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）。

48．仪表的精度等级是用仪表的（①相对误差②绝对误差③引用误差）来表示的。(引用误差＝（绝对误差的最大值/仪表量程）×100%)

49. 电容传感器的输入被测量与输出量C 间的关系，除（①变面积型②变极距型③变介电常数型）外是线性的。

50．差动变压器式传感器(P61-64)理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上差动变压器输出电压不为零，这个不为零的电压称为零点残余电压；利用差动变压器测量位移时，如果要求区别位移方向（或正负）可采用相敏整流电路。

51．传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件，以及相应的信号调节转换电路组成。

52．测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为绝对误差、相对误差和引用误差三类，其中绝对误差可以通过对多次测量结果求平均的方法来减小它对测量结果的影响。

53．什么是传感器的动态特性和静态特性？简述在什么频域条件下只研究静态特就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性？答：传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。传感器的输入输出特性是其基本特性，一般把传感器作为二端网络研究时，输入输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。由于输入量的状态（静态、动态）不同分静态特性和动态特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器的输入-输出特性。动态特性指当输入量随时间变化时传感器的输入-输出特性。

54．简述霍尔电势产生的原理。

答：一块半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时，电子受到洛仑兹力的作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累，而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面形成电场，该电场产生的力阻止电子继续偏转。当两力相平衡时，电子积累也平衡。这时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，相应的电势称为霍尔电势U H。

55．分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的过程。

答：在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数αt及栅丝与试件膨胀系数(βf 与βS)之差异性而产生虚假应变输出，有时会产生与真实应变同数量级的误差。