[工學]機械工程測試技術基礎第三版課后答案全集(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 1 511 l n ( 1 . 5 / 3 )l n ( / )M K x???? ? ?? ? ? ??? ? ? ? ????? 因為 ?d = ，所以 ?d = 2?/?d = 1rad/s 221 r a d/s1 1 ?? ?? ? ?? ? 所以 22 2 23 3 . 1 5() 2 0 . 4 4 1 . 0 5nnnHs s s s s?? ? ???? ? ? ? 22 2 23 3 . 1 5() 2 1 . 0 5 0 . 4 4nnnH jj?? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? 2223()1 0 .4 4nnA ??????? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ??? 22( ) a r c ta n1nn???????????????? 當 ? = ?n時， 2223( ) 6 . 8 21 0 . 4 4nnnA ???????? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ??? ( ) 90n?? ?? ? 第三章 常用傳感器與敏感元件 31 在機械式傳感器中，影響線性度的主要因素是什么？可舉例說明。 解答：主要因素是彈性敏感元件的蠕變、彈性后效等。 32 試舉出你所熟悉的五種機械式傳感器，并說明它們的變換原理。 解答：氣壓表、彈簧秤、雙金屬片溫度傳感器、液體溫度傳感器、毛發濕度計等。 33 電阻絲應變片與半導體應變片在工作原理上有何區別？各有何優缺點？應如何針對具體情況來選用？ 解答：電阻絲應變片主要利用形變效應，而半導體應變片主要利用壓阻效應。 電阻絲應變片主要優點是性能穩定，現行 較好；主要缺點是靈敏度低，橫向效應大。 半導體應變片主要優點是靈敏度高、機械滯后小、橫向效應小；主要缺點是溫度穩定性差、靈敏度離散度大、非線性大。 選用時要根據測量精度要求、現場條件、靈敏度要求等來選擇。 34 有一電阻應變片（見圖 384），其靈敏度 Sg＝ 2， R＝ 120?。設工作時其應變為 1000??，問 ?R＝？設將此應變片接成如圖所示的電路，試求： 1）無應變時電流表示值； 2）有應變時電流表示值； 3）電流表指示值相對變化量； 4）試分析這個變量能否從表中讀出？ 解：根據應變效應表達式 ?R/R=Sg?得 ?R=Sg? R=2?1000?106?120=? 1） I1= 2） I2=(R+?R)=(120+)?= 3） ?=(I2I1)/I1?100%=% 4）電流變化量太小，很難從電流表中讀出。如果采用高靈敏度小量程的微安表，則量程不夠，無法測量 的電流；如果采用毫安表，無法分辨 的電流變化。一 般需要電橋來測量，將無應變時的靈位電流平衡掉，只取有應變時的微小輸出量，并可根據需要采用放大器放大。 35 電感傳感器（自感型）的靈敏度與哪些因素有關？要提高靈敏度可采取哪些措施？采取這些措施會帶來什么樣后果？ 解答：以氣隙變化式為例進行分析。 2 0022NAdLS d ???? ? ? 又因為線圈阻抗 Z=?L，所以靈敏度又可寫成 2 0022NAdZS d ????? ? ? 圖 384 題 34 圖 由上式可見，靈敏度與磁路橫截面積 A0、線圈匝數 N、電源角頻率 ?、鐵芯磁導率 ?0，氣隙 ?等有關。 如果 加大磁路橫截面積 A0、線圈匝數 N、電源角頻率 ?、鐵芯磁導率 ?0，減小氣隙 ?，都可提高靈敏度。 加大磁路橫截面積 A0、線圈匝數 N 會增大傳感器尺寸，重量增加，并影響到動態特性；減小氣隙 ?會增大非線性。 36 電容式、電感式、電阻應變式傳感器的測量電路有何異同？舉例說明。 解答：電容式傳感器的測量電路 T? ?? ???? ?? ?? ????????諧 振 式 調 幅 電 路調 幅 電 路電 橋 電 路直 放 式調 頻 電 路外 差 式運 算 放 大 器 電 路二 極 管 型 網 絡差 動 脈 寬 調 制 電 路極 化 電 路 等 自感型變磁阻式電感傳感器的測量電路： ? ????? ????? ?? ??? ??????????諧 振 式 調 幅 電 路惠 斯 登 電 橋調 幅 電 路 變 壓 器 電 橋電 橋 電 路緊 耦 合 電 感 臂 電 橋帶 相 敏 檢 波 的 電 橋 等調 頻 電 路調 相 電 路 等 電阻應變式傳感器的測量電路：電橋電路（直流電橋和交流電橋）。 相同 點：都可使用電橋電路，都可輸出調幅波。電容、電感式傳感器都可使用調幅電路、調頻電路等。 不同點：電阻應變式傳感器可以使用直流電橋電路，而電容式、電感式則不能。另外電容式、電感式傳感器測量電路種類繁多。 37 一個電容測微儀，其傳感器的圓形極板半徑 r＝ 4mm，工作初始間隙 ?=，問： 1）工作時，如果傳感器與工件的間隙變化量 ??＝ ?1?m 時，電容變化量是多少？ 2）如果測量電路的靈敏度 S1=100mV/pF，讀數儀表的靈敏度 S2=5 格 /mV，在 ??＝ ?1?m 時，讀數儀表的指示值變化多少格？ 解： 1） 0 0 0 020 0 0 0 01 2 3 2 6321 5 3()8 .8 5 1 0 1 ( 4 1 0 ) ( 1 1 0 )( 0 .3 1 0 )4 .9 4 1 0 F 4 .9 4 1 0 p FA A A AC ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ??? ? ??????? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? 2） B=S1S2?C=100?5?(??103)?? 格 答： 38 把一個變阻器式傳感器按圖 385 接線。它的輸人量是什么？輸出量是什么？在什么樣條件下它的輸出量與輸人量之間有較好的線性關系？ 解答：輸入量是電刷相對電阻元件的位移 x，輸出量為電刷到端點電阻 Rx。如果接入分壓式測量電路，則輸出量可以認為是電壓 uo。 x p lpxR R k x xx? ? ?，輸出電阻與 輸入位移成線性關系。 eeo( 1 ) 1 ( 1 )pp p pL p L p px uxuux R Rx x xx R x R x x??? ? ? ?，輸出電壓與輸入位移成非線性關系。 由上式可見，只有當 Rp/RL?0 時，才有oepxu u xx??。所以要求后續測量儀表的輸入阻抗 RL 要遠大于變阻器式傳感器的電阻 Rp，只有這樣才能使輸出電壓和輸入位移有較好的線性關系。 39 試按接觸式與非接觸式區分傳感器，列出它們的名稱、變換原理，用在何處？ 解答：接觸式：變阻器式、電阻應變式、電感式（渦流式除外）、電容式、磁電式、壓電式、熱電式、廣線式、熱敏電阻、氣敏、濕敏 等傳感器。 非接觸式：渦電流式、光電式、熱釋電式、霍爾式、固態圖像傳感器等。 可以實現非接觸測量的是：電容式、光纖式等傳感器。 310 欲測量液體壓力，擬采用電容式、電感式、電阻應變式和壓電式傳感器，請繪出可行方案原理圖，并作比較。 311 一壓電式壓力傳感器的靈敏度 S=90pC/MPa，把它和一臺靈敏度調到 放大器連接，放大器的輸出又接到一靈敏度已調到 20mm/V 的光線示波器上記錄，試繪出這個測試系統的框圖，并計算其總的靈敏度。 解：框圖如下 各裝置串聯，如果忽略負載效應，則總靈敏度 S 等于各裝置靈敏度相乘，即 圖 385 題 38 圖 x xp RL ue uo Rx Rp 壓力傳感器 電荷放大器 光線示波器 壓力 P S=?x/?P=90??20=9mm/MPa。 312 光電傳感器包含哪兒種類型？各有何特點？用光電式傳感器可以測量哪些物理量？ 解答：包括利用外光電效應工作的光電傳感器、利用內光電效應工作的光電傳感器、利用光生伏特效應工作的光電傳感器三種。 外光電效應（亦稱光電子發射效應） — 光線照射物體，使物體的電子逸出表面的現象，包括光電管和光電倍增管。 內光電效應（亦稱光導效應） — 物體受到光線照射時，物體的 電子吸收光能是其導電性增加，電阻率下降的現象，有光敏電阻和由其制成的光導管。 光生伏特效應 — 光線使物體產生一定方向的電動勢。 如遙控器，自動門（熱釋電紅外探測器），光電鼠標器，照相機自動測光計，光度計，光電耦合器，光電開關（計數、位置、行程開關等），濁度檢測，火災報警，光電閱讀器（如紙帶閱讀機、條形碼讀出器、考卷自動評閱機等），光纖通信，光纖傳感， CCD，色差，顏色標記，防盜報警，電視機中亮度自動調節，路燈、航標燈控制，光控燈座，音樂石英鐘控制（晚上不奏樂），紅外遙感、干手器、沖水機等。 在 CCD 圖象 傳感器、紅外成像儀、光纖傳感器、激光傳感器等中都得到了廣泛應用。 313 何謂霍爾效應？其物理本質是什么？用霍爾元件可測哪些物理量？請舉出三個例子說明。 解答： 霍爾（ Hall）效應：金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過薄片時，則在垂直于電流和磁場方向的兩側面上將產生電位差，這種現象稱為 霍爾效應 ，產生的電位差稱為 霍爾電勢 。 霍爾效應產生的機理（物理本質）：在磁場中運動的電荷受到磁場力 FL（稱為洛侖茲力）作用，而向垂直于磁場和運動方向的方向移動，在兩側面產生正、負電荷積累。 應用舉例：電流的測量，位移測量，磁感應強度測量，力測量；計數裝置，轉速測量（如計程表等），流量測量，位置檢測與控制，電子點火器，制做霍爾電機 — 無刷電機等。 314 試說明壓電式加速度計、超聲換能器、聲發射傳感器之間的異同點。 解答：相同點：都是利用材料的壓電效應（正壓電效應或逆壓電效應）。 不同點：壓電式加速度計利用正壓電效應，通過慣性質量快將振動加速度轉換成力作用于壓電元件，產生電荷。 超聲波換能器用于電能和機械能的相互轉換。利用正、逆壓電效應。利用逆壓電效應可用于清洗、焊接等。 聲發射傳感器是 基于晶體組件的壓電效應，將聲發射波所引起的被檢件表面振動轉換成電壓信號的換能設備，所有又常被人們稱為聲發射換能器或者聲發射探頭。 材料結構受外力或內力作用產生位錯 滑移 微裂紋形成 裂紋擴展 斷裂，以彈性波的形式釋放出應變能的現象稱為聲發射。 聲發射傳感器不同于加速度傳感器，它受應力波作用時靠壓電晶片自身的諧振變形把被檢試件表面振動物理量轉化為電量輸出。 315 有一批渦輪機葉片，需要檢測是否有裂紋，請舉出兩種以上方法，并闡明所用傳感器的工作原理。 渦電流傳感器，紅外輻射溫度測量，聲發射傳感器（壓電 式）等。 316 說明用光纖傳感器測量壓力和位移的工作原理，指出其不同點。 解答： 微彎測壓力原理：力 ?微彎板 ?光纖變形 ?光纖傳遞的光強變化。 微彎測位移原理：位移 ?微彎板 ?光纖變形 ?光纖傳遞的光強變化。 不同點：壓力需要彈性敏感元件轉換成位移。 317 說明紅外遙感器的檢測原理。為什么在空間技術中有廣泛應用？舉出實例說明。 解答：紅外遙感就是遠距離檢測被測目標的紅外輻射能量。 空間技術中利用飛船、航天飛機、衛星等攜帶的紅外遙感儀器可以實現很多對地、對空觀測任務 。如觀測星系， 利用衛星遙測技術研究地殼 斷層分布、探討地震前兆， 衛星海洋觀測 等。 318 試說明固態圖像傳感器（ CCD 器件）的成像原理，怎樣實現光信息的轉換、存儲和傳輸過程，在工程測試中有何應用？ CCD 固態圖像傳感器的成像原理： MOS 光敏元件或光敏二極管等將光信息轉換成電荷存儲在 CCD 的 MOS 電容中，然后再控制信號的控制下將 MOS 電容中的光生電荷轉移出來。 應用：如冶金部門中各種管、線、帶材軋制過程中的尺寸測量，光纖及纖維制造中的絲徑測量，產品分類，產品表面質量評定，文字與圖象識別，傳真，空間遙感，光譜測量等。 319 在軋鋼過程中，需 監測薄板的厚度，宜采