传感器原理及应用习题答案(完整)重点.pdf
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1、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% ,欲用来测量泊松比 =0.33 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:应选用哪一种应变 计?为什么 ? 答:应选用栅长为5mm 的应变计。由公式 d R dR x)21 ( 和 xmx KC R dR )21()21 ( 知 应力大小是通过测量应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0.3 ,因此 (1+2 ) 1.6; 后部分为电阻率随应变而变的部分。以康铜为例,C 1,C
2、(1-2 ) 0.4 ,所以此时K0=Km 2.0 。显然, 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 的应变计在相同力的作用下,引起的电阻变化大。 2-5 、现选用丝栅长10mm 的应变计检测弹性模量E=2 10 11N/m2、密度 =7.8g/cm3 的钢构件承受谐振力 作用下的应变,要求测量精度不低于0.5%。试确定构件的最大应变频率限。 答:机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、 胶层 (两者都很薄,可忽略不计)和栅长l而为应变计所响应时,就会有时间的迟后。应变计的这种响应 迟后对动态 (
3、高频 )应变测量,尤会产生误差。由 e l v fell66 maxmax或 式中v为声波在钢构件中传播的速度; 又知道声波在该钢构件中的传播速度为: kg mmNE 3 36211 108.7 10/102 ; sm kg smKg /10585.1 8.7 /8.9102 4 228 ; 可算得 kHz m sm e l v f112%5 .06 1010 /10585.1 |6 3 4 max 。 2-6 、为什么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 10 5N/mm2,贴上
4、4 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: 1) 悬臂梁上如何布片?又如何接桥 ?为什么 ? 2) 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、下表面对称位置上应变大小 相当,极性相反,若分别粘贴应变片R1、R4和R2、R3,并接成差动电桥,则电桥输出电压Uo与 力F成正比。等强度悬臂梁的应变 Ehb Fl x 2 0 6 不随应变片粘贴位置变化。 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、R
5、3 受压,阻值减小,使差动输出电压成倍变化。可提高灵敏度。 2) 、当输入电压为3V,有输出电压为2mV 时的称重量为: 计算如下: 由公式: o i ixio U KlU Ebh F Ehb Fl KUKUU 6 6 2 2 0 代入各参数算F=33.3N ; 1 牛顿 =0.102 千克力;所以, F=3.4Kg 。 此处注意:F=m*g ; 即力 =质量 *重力加速度; 1N=1Kg*9.8m/s 2. 力的单位是牛顿(N)和质量的单位是Kg;所以称得的重量应该是3.4Kg 。 ; 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相比有什么优点,有什么缺点?如 何克服
6、? 答: “压阻效应”是指半导体材料(锗和硅)的电阻率随作用应力的变化而变化的现象。 优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小,灵敏系数极大,因而输出也大,可以不需放大器直接与 记录仪器连接,使得测量系统简化。 缺点是电阻值和灵敏系数随温度稳定性差,测量较大应变时非线性严重;灵敏系数随受拉或压而变, 且分散度大,一般在(3-5)% 之间,因而使得测量结果有( 3-5)% 的误差。 压阻式传感器广泛采用全等臂差动桥路来提高输出灵敏度,又部分地消除阻值随温度而变化的影 响。 2-8 、一应变片的电阻R=120,k=2.05 ,用作应变片为800m/m的传感元件。 a. 求 R/R 和 R; b. 若电
7、源电压U=3V ,惠斯登电桥初始平衡,求输出电压U0。 答: xmxKC R dR )21 ()21 ( 此处 x l dl =800 m/m ;所以 3 1064.1 xm k R dR ; 197.01201064.1 3 R; 全桥电路连接时,输出电压可按下式计算: 1 1 0 R R UU 式中nR2/R1,为桥臂比;此处取四个电阻相等,所以n=1 ;算得 U0=4.92mV 。 2-9 、在材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120 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=0.285 ,应变片的灵敏度系数k=2,
8、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=0.48 ,求电桥的输出电压U0 为多少? 图 2-12a 半桥电路 答:由 x K R R 1 1 轴向应变引起的电阻变化;可求的轴向应变系数 002.0 2120 48. 0 1 1 KR R x ;总的应变 系数 00257.0002.0285.11 xyx ; 又 mVk U U i 57.2 4 0 或:也可以根据分压定律来做。得U0=2.567mV 。 4-1 有一只变极距电容传感元件,两极板重叠有效面积为810 -4 m 2,两极板间的距离为 1mm ,已知空气 的相对介电常数是1.0006 ,试计算该传感器的
9、位移灵敏度。 答:由变极距型电容传感器知识可知,其位移灵敏度 0 0 1/ CC kg , 由已知条件可知 1 0 ,代入数据可以求得: 1kg 。 4-2 简述电容式传感器的工作原理 答:有物理知识可知,物体间的电容量 SS C r0 ,电容式传感器的基本原理就是基于物体间 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。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转 换为电容量的变化 C ,这就组成了电容式传感器。 4-5 采用运算放大器作为电容传感器的测量电路,其输出特性是否为线性?为什么? 答:采用运算
10、放大器作为电容传感器的测量电路时,其输出/输入特性关系为: i U S C U 0 。 可见运算放大器的输出电压与极板间距离成线性关系。 因此,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 值稳定。 6-4 什 么 是 霍 尔 效 应 ? 霍 尔 电 势 与 哪 些 因 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。 霍尔器件工作产生的霍尔电势为 IBK d IBR U
11、H H H , 由表达式可知, 霍尔电势 H U正比于激励电流I 及磁感应强度 B,其灵敏度HK与霍尔系数 H R 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 因 素 有 哪 些 ? 怎 样 补 偿 ? 答:影响霍尔元件输出零点的因素主要是霍尔元件的初始位置。 霍尔位移传感器,是由一块永久磁铁组成磁路的传感器,在霍尔元件处于初始位置 0x 时,霍 尔电势 H U 不等于零。霍尔式位移传感器为了获得较好的线性分布,在磁极端面装有极靴,霍尔元件调 整好初始位置时,可以使霍尔电势 H U 0。 6-6 温 度 变 化 对 霍 尔 元 件 输 出 电 势
12、有 什 么 影 响 ? 如 何 补 偿 ? 答:霍尔元件的灵敏系数 H K 是温度的函数,关系式为: TKK HH 1 0 ,大多数霍尔元件的温 度系数是正值,因此,它们的霍尔电势也将随温度升高而增加T 倍。 补偿温度变化对霍尔电势的影响,通常采用一种恒流源补偿电路。基本思想是: 在温度增加的同时, 让激励电流 I 相应地减小,并能保持 IK H 乘积不变,也就可以相对抵消温度对灵敏系数 H K 增加的 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,例如镍铬、镍硅热偶丝,时间稍长即熔化)插 入钢水中测量钢水温度,如图 7-27 所示。 试说明测 量钢水温
13、度的基本原理?为什么不必将工作端焊在 一起?要满足哪些条件才不影响测量精度?采用 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,而是熔化的塑料行吗?为什么? 答:测量钢水温度的基本原理是利用了热电效 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;如果被测物不是钢水,而是熔化的塑料不行,因为,塑料不导电,不能形成热电势。 7-5 用镍铬 - 镍硅( K)热电偶测温度,已知冷端温度 0 t为 40,用高精度毫伏表测得这时的热电势为 29.186mV ,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: 1.6118
14、mV; 由公式:)0 ,40()40,()0 ,(UtUtU =29.186+1.6118mV=30.798mV; 查 K 分度表得被测点温度值为:740。 7-6 图 7-29 为利用 XCT-101 型动圈仪表组成的热电 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,获得低压直 流电,给检测回路供电;热电偶接入控制盒输入端, 经内部处理电路,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
15、端,直流继电器的公共端接交流电 的零线。使得当直流继电器吸合时,交流接触器线圈得点,吸合。 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;当传感器检测到退火炉的温度高于要求值后,控制直流继电器释放,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。 图 7 29 利用 XCT-101 型动圈仪表组成 热电偶测温、控温电路 图 727 用浸入式热电偶测量熔融金属示意图 1 钢水包; 2钢熔融体;3 热 电 极A 、 B4 、7补偿导 线接线柱 7-9 使用 k 型热电偶,基准接点为0、测量接点为30
16、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:由公式) 0,30()30,900() 0,900(UUU,得:)0 ,30() 0,900()30,900(UUU 当基准接点为30,测温接点为900时的温差电动势为:37.326-1.203=36.123mV 。 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,混合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 正比较容易实现,所以用热导率变化法测气体浓度时,往 往以空气为基准比较被测气体。其基本测
17、量电路如图9-32 所示,其中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,由于热导率相异而使F1 的温度 变化, F1 的阻值也发生相应变化,电桥失去平衡,电桥输 出信号的大小与被测气体的种类中浓度有确定的关系,这 类气体传感器因为不用催化剂,所以不存在受催化剂影响 而使特性变坏的问题,它除了用于测量可燃性气体外,也 可用于无机气体及浓度的测量。 10-4根据你已学过的知识设计一个超声波探伤实用装置 ( 画出原理框图) ,并简要说明它探伤的工作过程? 答:高频发生器产生高频振荡波,发达后驱动超声 波发生
18、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, 一部分超声波继续往前 传播,当遇到有砂眼、裂纹等缺陷时,会返回一个波到 接收探头F, 超声波继续前行遇到工件B 面再反射回波B 到探头接收器。 通过将接收到的回波整形,测量 T 波到 F 波的时间差,就可以计算出缺陷离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 转 换 成 电 信 号 ,从 而 探 测 出 射 线 的 强 弱 和 变 化 。 对 于 一 定 的 放 射 源 和 一 定 的 材 料 就 有 一 定 的
19、和 , 则 测 出J和 0 J。 即 可 计 算 确 定 该 材 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 陷 的 被 测 物 体 时 , 由 于 密 度 不 同 , 使 接 收 器 收 到 的 射 线 强 度 和 其 他 部 分 不 同 。 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 间距的位置上,放 置两个光电元件1 和 2, 得到两个相位差 /2 的电信号u1和u2 (画图,在图中波形是消除直流分量后的交流分量
20、),经过整形 后得两个方波信号 1u和 2u。 图 高频 发生器 工件 缺陷 F 探头 T 接收 放大 T F B B 图 108 反射法探伤示意图 图 10-4 超声波探伤原理框图 图 9-32 热导率气敏元件测量电路原理图 从图中波形的对应关系可看出,当光栅沿A方向移动时, 1 u经微分电路后产生的脉冲,正好发生在 2 u的“ 1”电平时,从而经Y1输出一个 计数脉冲;而 1 u经反相并微分后产生 的脉冲,则与 2 u的“ 0”电平相遇,与门 Y2被阻塞,无脉冲输出。在光栅沿A 方向移动时, 1 u的微分脉冲发生在 2 u 为“ 0”电平时,与门Y1无脉冲输出; 而 1 u的反相微分脉冲则
21、发生在 2 u 的 “ 1”电平时,与门Y2输出一个计数脉 冲,则说明 2 u的电平状态作为与门的 控制信号,来控制在不同的移动方向 时, 1 u所产生的脉冲输出。这样就可 以根据运动方向正确地给出加计数脉 冲或减计数脉冲,再将其输入可逆计 数器,实时显示出相对于某个参考点的位移量。 (2) 细分原理:就是在莫尔条纹信号变化一个周期内,发出若干个脉冲,以减小脉冲当量,如一个 周期内发出n 个脉冲,即可使测量精度提高到n 倍,而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计 数脉冲频率提高到了n 倍,因此也称之为n 倍频。细分方法有机械细分和电子细分两类。 传感器原理与工程应用练习题 一、单项选择
22、题 1、在整个测量过程中,如果影响和决定误差大小的全部因素(条件)始终保持不变,对同一被测量进 行多次重复测量,这样的测量称为(C ) A组合测量 B 静态测量 C等精度测量 D零位式测量 1.1 在直流电路中使用电流表和电压表测量负载功率的测量方法属于() 。 A. 直接测量 B. 间接测量 C. 组合测量 D. 等精度测量 2、属于传感器动态特性指标的是(B ) A重复性 B固有频率 C灵敏度 D漂移 21 不属于传感器静态特性指标的是() A 重复性 B固有频率 C灵敏度 D漂移 2.2 以下那一项不属于电路参量式传感器的基本形式的是( )。 A.电阻式B. 电感式 C.电容式D.电压式
23、 2.2 传感器的主要功能是() 。 A. 检测和转换 B. 滤波和放大 C. 调制和解调 D. 传输和显示 3. 电阻式传感器是将被测量的变化转换成( )变化的传感器。 A.电子B.电压C.电感D.电阻 Y1 Y2 A A 1 u 2 u A A B B 3 12 4 uu1u2 0x W 1 u 2 u 4 H B 4 W 2 W 4 3W 1、 2光 电 元 件 ; 3、 4光 栅 ; A( ) 光 栅 移 动 方 向 ;B( ) 与 A ( ) 对 应 的 莫 尔 条 纹 移 动 方 向 1、2光电元件;3、4光栅 A(A)光栅移动方向; B(B)对应的莫尔条纹移动方向 图 1210
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