第二版?zhèn)鞲衅饔喑刹ǖ谌虏糠终n后題答案.

1、3.3金屬電阻式應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片在工作原理上有何不同？答：金屬應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)， 利用的是金屬材料的電 阻定律，應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)尺寸變化時，電阻相應(yīng)地變化，其電阻率p并未發(fā)生變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，壓阻效應(yīng)又是指當(dāng)半導(dǎo)體材料的某一軸向受力作用，其電導(dǎo)率p則發(fā)生變化的現(xiàn)象。3.5題3.5圖所示為一直流電橋，供電電源電動勢E=3V，R3二艮=100 Q，R和R2為相同型號的電阻應(yīng)變片，其電阻均為100Q,靈敏度系數(shù)K=2.0。兩只應(yīng)變片分別粘貼等強(qiáng)度梁同一截面的正、反兩面。設(shè)等強(qiáng)度梁在受力后產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?000卩&，試求此時電橋輸出端電壓Ua

2、。E題3.5圖解：此電橋?yàn)檩敵鰧ΨQ電橋，故 U 0二K U二_3_5_I0= 15/mV2 23.6哪些因素引起應(yīng)變片的溫度誤差，寫出相對誤差表達(dá)式，并說明電路補(bǔ)償 法的原理。答: (1)弓I起應(yīng)變片的溫度誤差的因素：由于電阻絲溫度系數(shù)的存在，當(dāng)溫度 改變時，應(yīng)變片的標(biāo)稱電阻值發(fā)生變化。當(dāng)試件與與電阻絲材料的線膨脹系數(shù) 不同時，由于溫度的變化而引起的附加變形，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加電阻(2) 相對誤差表達(dá)式：(3) 電路補(bǔ)償法的原理：圖3.6為電路補(bǔ)償法的原理圖。電橋輸出電壓 U。與 橋臂參數(shù)的關(guān)系為:Uo=A(RR4Rb&)U o = A( RR4 Rb R3) = 0工程上，一般按 R = R4

3、 = Rb二R3選取橋臂電阻。當(dāng)溫度升高或降低.Vt二t-1。時，兩個應(yīng)變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，則U 0 = A( R1 v 二 Rit )R4 - (RB * 二 RBt) R3) - 0R又有新的增量只nRK ；Uo 二 ARR4K ；u(4圖3.6電路補(bǔ)償法的原理圖3.12電感式傳感器有幾大類？各有何特點(diǎn)？答：(1)電感式傳感器分為自感式傳感器、 互感式傳感器和渦流式傳感器等三大 類。(2) 常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實(shí)際應(yīng)用中， 這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤 差。 變間隙型電感傳感器：這種傳

4、感器的氣隙 S隨被測量的變化而改變，從而 改變磁阻。它的靈敏度和非線性都隨氣隙的增大而減小，因此常常要考慮兩者兼 顧。S般取在毫米之間。 變面積型電感傳感器：這種傳感器的鐵芯和銜鐵之間的相對覆蓋面積（即磁通截面）隨被測量的變化而改變，從而改變磁阻。它的靈敏度為常數(shù)，線性度也 很好。 螺管插鐵型電感傳感器它由螺管線圈和與被測物體相連的柱型銜鐵構(gòu)成。其工作原理基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化。銜鐵隨被測物體移動時 改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大、靈敏度低、結(jié)構(gòu)簡單、便于制作。3.13什么叫零點(diǎn)殘余電壓？產(chǎn)生的原因是什么？答：零點(diǎn)殘余電壓是指銜鐵位于中間位置時的差動輸出電壓。理想情況是在

5、零點(diǎn)時，兩個次級線圈感應(yīng)電壓大小相等方向相反，差動輸出電壓為零。產(chǎn)生的原因：（1）兩電感線圈的等效參數(shù)不對稱， 例如線圈的電氣參數(shù)及 導(dǎo)磁體的幾何尺寸不對稱踐困的分布電容不對稱等； （2）電源電壓中含有高次諧 波，傳感器工作在磁化曲線 N4L線性段。3.17電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響？它的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？答：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線 圈的幾何參數(shù)，激勵電流頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離等因素影響。電渦流式傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、靈敏度高、測量線性范 圍大（頻率響應(yīng)寬）、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響，并且可以進(jìn)行無 接觸測量等

6、優(yōu)點(diǎn)。3.18什么是壓電效應(yīng)？以石英晶體為例說明壓電晶體是怎樣產(chǎn)生壓電效應(yīng)的？答：（1）當(dāng)某些物質(zhì)沿其一定方向施加壓力或拉力時，會產(chǎn)生變形，此時這 種材料的兩個表面將產(chǎn)生符號相反的電荷。 當(dāng)去掉外力后，它又重新回到不帶電 狀態(tài)。這種現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。（2）石英晶體屬于單晶體，化學(xué)式為SiO2,外形結(jié)構(gòu)呈六面體，沿各方向 特征不同。從石英晶體上沿機(jī)械軸（y）方向切下一塊晶體片，當(dāng)在電軸（x軸） 方向受到力作用時，在與電軸（x軸）垂直的平面上將產(chǎn)生電荷qx；若在同一晶 體片上，當(dāng)在機(jī)械軸（y軸）方向受到力作用時，則仍在與電軸（x軸）垂直的 平面上將產(chǎn)生電荷qy電荷qx和qy的符號由受力是拉力還是壓

7、力決定的。qx的 大小與晶體片形狀尺寸無關(guān)，而qy與晶體片的幾何尺寸有關(guān)。即沿X方向（電軸）的力作用產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱“縱向壓電效應(yīng)”；沿丫方向的（機(jī)械軸）的力作 用產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱”橫向壓電效應(yīng)”；沿Z方向的（光軸）的力作用時不產(chǎn) 生壓電效應(yīng)。3.19壓電式傳感器能否用于靜態(tài)測量？為什么？答：壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。因?yàn)槿粢獕弘娫系碾姾砷L時間保 存，必須使壓電元件絕緣電阻與測量電路輸入電阻為無窮大， 以保證沒有電荷泄 漏回路。而實(shí)際上這是不可能的，所以壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。3.20某壓電式傳感器的靈敏度為8*10pC/Pa,假設(shè)輸入壓力為3* 105 Pa時的 輸出電

8、壓為1v，試確定傳感器總電容量。解：根據(jù) q=d F=U C，S=q/F=8 10和C/Pa,所以 U C=S F 102，所以1 C= S F 10J2，所以 C=8 10* 3 105 10 J2=2.4 10F，所以傳感器的總 電容量為2.4 10J0F.3.21題3.21圖所示是用壓電式傳感器和電荷放大器測量某種機(jī)器的振動， 已知 傳感器的靈敏度為100pG/g，電荷放大器的反饋電容 Ct =0.01F，測的輸出電壓 峰值為Uom =0.4V，振動頻率為100Hz.（1）求機(jī)器振動的加速度最大值am ；（2）假定振動為正弦波，求振動的速度 V （t（3）求出振動的幅度的最大值Xm0。U

9、 x C 0 4漢0 01X1062解: ( 1) 加速度最大值 am= =亠 040(g) =392.4(m/s )kq1000(2) 振動的速度：已知 a(t)=amSin t嚴(yán)=2二f =2 3.14 100 = 628(rad/s)a3 9 .4v(t)二 a(t)dt 二 ams in (t)dt -cos(t)co s6(2 8) -0.6 2 5Co s6；2 Q 628(3) 振動的幅度：,amam392.4x(t) = Jv(t)dt = mcos(cot) = ：sin(cot) = 2 sin(628t) = O.OOIsin(628t)628所以振動的幅度的最大值 Xm

10、o =0.001 ( m)3.22根據(jù)題3.22圖所示石英晶體切片上的受力方向，標(biāo)出晶體切片上產(chǎn)生電荷 的符號。答：X1+ +T +rx1f 1-出 亠 4* 土-切紇繆- + + + + + + + + +(a)卩)W3.27什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電壓與哪些因素有關(guān)？答：(1)在置于磁場的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中通入電流，若電流與磁場垂直，則在 與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。(2)霍爾電壓的表達(dá)式為UH = RH/d*lc*B，式中，RH稱為霍爾系數(shù)，d 為半導(dǎo)體材料的厚度，Ic是X方向的電流，B是z方向的磁場。所以霍爾電壓與 控制電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積成正比， 與元

11、件厚度成反比，元件厚度越小，輸出 電壓越大。3.28什么是霍爾元件的溫度特性？如何進(jìn)行補(bǔ)償？答：(1)霍爾元件工作溫度發(fā)生變化時，它的一些技術(shù)參數(shù)都要隨著發(fā)生變化， 從而使霍爾元件產(chǎn)生溫差電壓。(2)補(bǔ)償?shù)姆绞剑汉懔髟囱a(bǔ)償；利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償；不等 位電壓補(bǔ)償。3.30簡述熱電偶的幾個重要定律，并分別說明它們的實(shí)用價值。答：一是勻質(zhì)導(dǎo)體定律：如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同， 無論兩 接點(diǎn)的溫度如何，熱電動勢為零。根據(jù)這個定律，可以檢驗(yàn)兩個熱電極材料成分 是否相同，也可以檢查熱電極材料的均勻性。二是中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體 的兩接點(diǎn)溫度相同，貝U回

12、路中總的熱電動勢不變。它使我們可以方便地在回路中 直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度測量。三是標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn) 生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。 只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可直接計算出來。四是中間溫度定律：熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、to時的熱電動勢等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、to時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。中間溫度定律為補(bǔ) 償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。3.31用鎳鎘-鎳硅（

13、K型）熱電偶測溫度，已知冷端溫度為 40oc，用高精度毫 伏表測得這時的熱電動勢為29.188mV，求被測點(diǎn)溫度。解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E（40,0） =1.638mV，可算出E(t,0) =(29.1881.638)mV =30.826mV再通過分度表查出其對應(yīng)的實(shí)際溫度為t =700(30.826 一29.129)*100 =740.9C33.27529.129所以，被測點(diǎn)的溫度為740.9oC 3.32試述熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)膸追N主要方法和補(bǔ)償原理。答：（1）冷端恒溫法使冷端的溫度保 將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中,持在0C不變。此法也稱冰浴法，它消除了 t0不等

14、于0oC而引入的誤差，由于冰 熔化較快，所以一般只適用于實(shí)驗(yàn)室中。 將熱電偶的冷端置于電熱恒溫器中，恒溫器的溫度略高于環(huán)境溫度的 上限（例如40C）。 將熱電偶的冷端置于恒溫空調(diào)房間中， 使冷端溫度恒定。（2）計算修正法當(dāng)熱電偶的冷端溫度t。工0oC時，測得的熱電勢Eab （t，t。）與冷端為0oc時所測得的熱電勢Eab （t，0OC ）不等。若冷端溫度高于0oC，則Eab （t，t0 ）Eab （ t，0OC ）。可以利用下式計算修正測量誤差Eab (t, 0C ) =Eab (t, to ) +Eab ( to , 0C )上式中，Eab （t, to ）是用毫伏表直接測得的熱電勢毫伏數(shù)。

15、校正時，先測出冷 端溫度t0，然后從該熱電偶分度表中查出Eab（ t0，0OC）（此值相當(dāng)于損失掉的 熱電勢），并把它加到所測得的Eab （ t，t0 ）上。求出Eab （t，0C）（此值是已 得到補(bǔ)償?shù)臒犭妱荩?，根?jù)此值再在分度表中，查出相應(yīng)的溫度值。計算修正法 需要分兩次查分度表。如果冷端溫度低于 0oC，由于查出的EAB （t。，0oC ）是 負(fù)值，所以仍可用上式計算修正。計算修正法適合于帶計算機(jī)的測溫系統(tǒng)。（3）儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法當(dāng)熱電偶與動圈式儀表配套使用時， 若熱電偶的冷端溫度比較恒定，對測量精度 要求又不太高時，可將動圈儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整至熱電偶冷端所處的 t0處，這相 當(dāng)于在輸

16、入熱電偶的熱電勢前就給儀表輸入一個熱電勢 E （t0，0C）。這樣，儀 表在使用時所指示的值約為e （t0， oc） +e （t， t0）o進(jìn)行儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整時，首先必須將儀表的電源及輸入信號切斷， 然后 用螺釘旋具調(diào)節(jié)儀表面板上的螺釘使指針指到 t。的刻度上。當(dāng)氣溫變化時，應(yīng)及 時修正指針的位置。此法雖有一定的誤差，但非常簡便，在工業(yè)上經(jīng)常采用。（4）電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變 化而引起的熱電勢變化值。熱電偶經(jīng)補(bǔ)償導(dǎo)線接至補(bǔ)償電橋，熱電偶的冷端與電 橋處于同一環(huán)境溫度中，橋臂電阻R2、R3、R4由電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞 制而成，Rcu

17、是由溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的?，F(xiàn)在可以買到與熱電偶同型號的 冷端補(bǔ)償器。3.34請說明熱電偶的參考端在實(shí)際應(yīng)用中的意義和處理方法。答：（1根據(jù)熱電偶的測溫原理，熱電勢的大小與熱電偶兩端的溫差有關(guān)，要準(zhǔn)確地測量溫度，必須要求熱電偶參考端溫度應(yīng)保持恒定，一般恒定在 0C。 熱電偶的分度表也是在參考端溫度為 0C的條件下制作的。所以在使用中應(yīng)使用 中應(yīng)使熱電偶參考端溫度恒定在 0C，如果不是0C，則必須對參考端溫度進(jìn)行修正（2熱電偶參考端溫度補(bǔ)償方法一般有以下幾種：冷端溫度校正法（計算法）；冷端恒溫法；儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法；補(bǔ)償電橋法（冷端補(bǔ)償器法）； 多點(diǎn)冷端溫度補(bǔ)償法。冷端恒溫法就是冰點(diǎn)器（或零點(diǎn)

18、儀等），要求熱電偶參考端所處的溫度恒定在某一溫度或 0C。冷端補(bǔ)償法就是采用補(bǔ)償措施來消除因 環(huán)境溫度變化造成熱電偶測量結(jié)果的溫差。3.35光電效應(yīng)有哪幾種？與之對應(yīng)的光電器件各是哪些？請簡述其特點(diǎn)。答：（1）光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。前一種現(xiàn)象 發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效 應(yīng)。（2）光電子發(fā)射：現(xiàn)在常用的半導(dǎo)體發(fā)光材料基本上都可以屬于這一類，常見的元器件有LED （發(fā)光二極管）。光電導(dǎo)效應(yīng)：光敏電阻。光伏特效應(yīng)：光伏板（太陽能電池板）。3.43比較微波傳感器與超聲波傳感器有何異同。答：相同之處：都是將被測信號轉(zhuǎn)換為電信號。不同之處：（1）超聲波傳感器：是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱為超聲波換 能器或超聲波探頭。這種裝置能夠發(fā)射超聲波和接收超聲波回波， 并轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 的電信號。穿透性較強(qiáng)，具有一定的方向性，傳輸過程中衰減較小，發(fā)射