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测试技术与信息处理--第2章 习题与答案


一、判断题(本题共 10 分,对则打“√” ,不对则打“×”)
1. 压电传感器的电压灵敏度及电荷灵敏度不受外电路的影响。 2.将传感器做成差动式可以提高灵敏度、改善非线性、实现某些补偿。 ( √ ) ( √ )

3.压电式传感器在后接电荷放大器时,可基本消除电缆电容的影响,而且可以实现对变化 缓慢的被测量的测量。 ( √ )

4.只要保证两组相对桥臂阻抗大小之积相等这一条件,就可使直流电桥及交流电桥达到平 衡。 5. 磁电式传感器由于存在运动部分, 因此不能用于高频测量。 ( × ) ( × )

6.测量小应变时,应选用灵敏度高的金属应变片;测量大应变时,应选用灵敏度低的半导 体应变片。 ( √ )

7.由于霍尔式传感器输出的霍尔电势与控制电流及所处的磁场强度的乘积成正比,因此可 用作乘法器。 ( √ )

8.压电式传感器的电荷灵敏度与外电路(连接电缆、前置放大器)无关,电压灵敏度则受 外电路的影响。 ( √ )

9. 用差动变压器式电感传感器测量位移时, 直接根据其输出就能辨别被测位移的正负极性。 ( × ) 10. 半导体应变片的灵敏度比金属应变片高, 线性和稳定性也比后者好。 (×)

11. 差动螺管式自感传感器与差动变压器式互感传感器的结构相似, 都是把被测位移的变化 转换成输出电压的变化。 (×)

12. 由于线圈可以做得比较轻巧, 因此动圈式磁电传感器可以用来测量变化比较快的被测量, 而动铁式磁电传感器则不能。 (×)

13. 压电式传感器的电荷灵敏度只取决于压电材料本身, 而电压灵敏度则还与外电路的电气 特性有关。 14.测量小应变时,应选用金属丝应变片, 测量大应变时, 应选用半导体应变片。 (√) (×)

15.测量小应变时,应选用灵敏度高的金属丝应变片,测量大应变时,应选用灵敏度低的半 导体应变片。 (√)

16. 作为温度补偿的应变片应和工作应变片作相邻桥臂且分别贴在与被测试件相同的置于同 一温度场的材料上。 17.交流电桥可测静态应变,也可测动态应变。 (√) (√)

18. 电荷放大器使压电加速度计输出的电荷量得到放大, 由此而得电荷放大器的名称。 √ ) ( 19.由于存在横向效应,所以用金属丝应变片单独测定横向应变时,其灵敏度比测定纵向应 变要低。 (√)

20. 接触式测温是基于热平衡原理进行的, 非接触式测温是基于热辐射原理进行的。 ( √ ) 21.同一材料构成的热电偶,即使两端点温度不等,也不会形成热电势。 22.压电式传感器与电压放大器配合使用时,传感器的灵敏度与电缆长度无关。 (√) (×)

二、填空
1.某些传感器常做成差动式使用,其优点是( 提高灵敏度 )( 改善非线性 )和( 实现 , 某些补偿 ) 。 2.压电式传感器的后面可连接两种测量电路,它们是( 电压放大器 )( 电荷放大器 ) , 。 3.金属应变片是基于材料的( 应变 )效应工作的,半导体应变片是基于材料的( 压阻 ) 效应工作的,压电传感器是基于材料的( 压电 )效应工作的。 4.属于结构型传感器的有( 电感传感器 )( 磁电传感器 )等,属于物性型传感器的有 、 ( 压电传感器 )( 霍尔传感器等 ) 、 。 5.出于负载效应的考虑,压电式加速度计的质量应尽可能地( 小 ) 。 6.光栅传感器具有( 平均 )作用,它可基本上消除栅线刻划误差的影响。 7.差动变压器式传感器是将被测位移量的变化转换成线圈( 互感系数 )的变化,通常两 个次级线圈要求( 反串 )连接。 8.用电容式传感器测量液位、薄膜厚度等参数时,其型式属于( 变介质 ) 。 9.压电效应有四种: 纵向压电效应 )( 横向压电效应 )( 切向压电效应 )( 逆压 ( 、 、 、 电效应 ) 。 10.热电偶是基于某些金属或半导体材料的( 热电 )效应工作的。 11.传感器的作用是( 感受被测量并将其转换成便于进一步处理的电量或电参数 ) ,它通 常由( 敏感元件 )元件和( 转换元件 )元件两部分组成。 12.在各种型式的电容传感器中,以( 变间隙 )型电容传感器的灵敏度最高。 13.光电元件是基于半导体材料的( 光电效应 )效应工作的。 14.压电式传感器在后接( 电压 )放大器时,由于电路存在比较明显的放电效应,因此不 能对缓慢变化的被测量进行测量。 15.将被测量的变化转换成敏感元件结构参数的变化的传感器称为( 结构 )型传感器,利 用敏感元件材料物理性质的某一特点工作的传感器称为( 物性 )型传感器。

三、选择正确的答案填空。 (10 分) 1.半导体应变片是基于材料的( B )工作的。 A.应变效应 C.热电效应 2.电容传感器中灵敏度最高的是( A ) 。 A.极距变化型 C.介质变化型 3.为提高应变电桥的灵敏度,可采取( C ) 。 A.半桥双臂各串联一片电阻应变片; C.适当提高供桥电源的电压; B.半桥双臂各并联一片电阻应变片; D.增加应变片的电阻值。 B.面积变化型 B.压阻效应 D.压电效应

4. D )传感器属于根据敏感元件材料本身的物理性质变化而工作的物性型传感器。 ( A.电感式 C.磁电式 B.电容式 D.压电式

5. 在电容传感器的测量电路中, C ) ( 可以使输出电压的幅值与传感器极板间隙成正比。 A.交流电桥 C.运算式电路 6.电阻应变片的灵敏度定义为( B ) 。 B.应变片电阻的相对变化与应变之比; D.应变片电阻的相对变化与形变之比。 B.调频电路

A.应变片的电阻变化与应变之比; C.应变片的电阻变化与形变之比;

7.可以实现非接触测量的传感器是( D ) 。 A.差动变压器 C.变阻器式传感器 B.压电传感器 D.涡流式传感器 ) 。 B.用弹簧秤称物体重量; D.线圈靶测速。

8.下述参量的测量属于间接测量法的是( D A.用天平测量物体质量; C.声级计测声强级;

9.磁感应测速传感器中的速度线圈之所以用两个线圈串联而成,其作用主要为( D ) 。 A.提高传感器的灵敏度及改善线性; B.提高传感器的灵敏度及改善频响特性; C.改善传感器的频响特性及补偿永久磁铁在线圈铁心垂直方向上的微小跳动对感应电 动势的影响;

D.提高传感器的灵敏度及补偿永久磁铁在线圈铁心垂直方向上的微小跳动对感应电动 势的影响; 10.压电式加速度计测量系统的工作频率下限取决于( C ) 。 A.压电测压传感器的力学系统的频率特性; B.压电晶体的电路特性; C.测量电路的时间常数; D.放大器的时间常数 ? 。

11.压电加速度测量系统的工作频率下限取决于( C ) 。 A.加速度力学系统的频率特性; B.压电晶体的电路特性; C.测量电路的时间常数。

12.在光作用下,使物体的内部产生定向电动势的现象,称( A )效应。 A.内光电; C.热电; B.外光电; D.阻挡层光电

13. D )传感器是根据敏感元件材料本身的物理性质变化而工作的。 ( A.差动变压器式; C.变阻器式; B.变间隙电容式; D.电压式

14.半导体电阻应变片在测量某一构件应变时,其电阻的相对变化主要是由( A )引起。 A.半导体电阻率的变化; C.贴片位置的温度变化; B.半导体几何尺寸的变化; D.供桥电源的变化。

15.压电式加速度计测量系统的工作频率下限取决于( C ) 。 A.加速度计力学系统的频率特性; B.压电晶体的电路特性; C.测量电路的时间常数。

16.压电式加速度传感器的阻尼率一般为( D ) 。 A.β >1; C.β =0.707; B.0.707<β <1; D.β <<0.707。

17.金属丝应变片在测量某一构件的应变时,其电阻的相对变化主要由( B )引起的。 A.贴片位置的温度变化; C.电阻材料的电阻率的变化。 18.压电式传感器最好采用电荷放大器的原因是( C ) 。 A.使放大器的增益增大; C.可忽略导线电容和分布电容; B.非线性失真小; D.频率特性特别好。 B.电阻丝几何尺寸的变化;

19.半导体应变片在测量某一构件应变时,其电阻相对变化是由( B )来决定的。 A.变形; C.弹性模量的变化; B.电阻率的变化; D.泊松比的变化。

20. D )传感器是根据敏感元件材料本身的物理性质变化而工作的。 ( A.差动变压器式; C.变阻器式; B.变间隙电容式; D.电压式。

21.半导体电阻应变片在测量某一构件应变时,其电阻的相对变化主要是由( A )引起。 A.半导体电阻率的变化; C.贴片位置的温度变化; B.半导体几何尺寸的变化; D.供桥电源的变化

22.压电式传感器与一般电压放大器连接使用时,中间要加一级前置放大器,其主要作用是 ( B ) 。 B.实现高阻抗输入、低阻抗输出的变换;

A.获得高的放大倍数;

C.实现低阻抗输入、高阻抗输出的变换。

四、简要回答下列问题。 1. 什么是压电效应?具体有哪几种压电效应?试画出压电传感器完整的等效电路,说明电 路中各符号所表示的参数。压电传感器后接的测量电路有哪两种?各有何特点? 答: 某些物质当受到外力作用时,其某些表面上会产生电荷。当外力去掉时,又回到原来 的状态,物质的这种性质称为压电效应。若将这类物质置于电场下,其几何尺寸也会发生变 化,称为逆压电效应或电致伸缩效应。 压电效应有四种:纵向压电效应、横向压电效应、切向压电效应、逆压电效应。 压电传感器完整的等效电路如下图所示。 2. 磁电式速度传感器中, 速度线圈采取上下两绕组相串联的目的是什么 ?磁头件与被测物 体固紧时有何要求? 答案: 1) 串联的作用: ①使两线圈的输出叠加,提高系统灵敏度; ②当永磁体有弹跳时,保证其与两线圈的距离和相等,可以消除弹跳引起的误差。 2)固紧要求: ①连接件的质量要小,刚度要大; ②固紧刚度要大。 目的:提高系统固有频率。 3.压电测压传感器与电压放大器相接时,为能测量静态压力信号(防止静电泄漏) ,从放大 器本身出发应采取哪些措施? 答案:为防止静电泄露要做到: ①放大器本身的输入阻抗要很高在 10″Ω 以上,一般采用 MOS 型场效应管。 ②输出阻抗要小,以达到阻抗变换的目的,一般采用射极输出。 ③为防止电缆电容的影响,可以将放大器小型化,装入传感器之中。 ④输入电容 Ci 要小,以提高灵敏度。 4.应变筒式测压传感器与应变管式测压传感器主要有哪些区别?(6 分) 答案: 筒式应变测压传感器的弹性元件是一只钻了肓孔的圆筒内部装有测压油。当有压力作 用时,应变片感受筒的周向应变。

管式应变测压传感器的弹性元件是一只应变管,它感受活塞上加载的集中应力、发生 径向形变,应变片贴于径向上。这种传感器的固有频率的筒式的高。

1.某电容测微仪的传感器为变间隙式电容传感器,其圆形极板半径 r ? 4 mm , 工作初始间隙 ? 0 ? 0.3mm,问: (1) 工作时,如果传感器的间隙变化 ?? ? ?1 ? m ,那么传感器电容量变化多少? (2) 如果测量电路的灵敏度 S1 ? 100mV/pF,记录仪的灵敏度为 S 2 ? 5格 / mV , 当间隙变化 ?? ? ?1 ? m 时,记录仪的指示变化多少? 解: (1) 变间隙式电容传感器电容量的变化为

?C ? ?

?? 0 A 1 ? (8.85 ? 10?12 F/m) ? [? ? (4 ? 10?3 m) 2 ] ?? ? ? (?1 ? 10?6 m) 2 ?3 2 ?0 (0.3 ? 10 m)

? 4.943? 10?15 F ? 4.943? 10?3 pF
(2) 根据⑴的结论,有

? ? (4.943? 10?3 pF) ? (100mV/pF) ? (5格 / mV) ? 2.5格
2.下图为一多极板平板电容器(各极板电容并联) ,极板之间的有效作用区域为正方形,边 长 a ? 40 mm ,极板初始间距 ? 0 ? 0.2mm 。若用此传感器测量位移 x ,试求此传感器的灵 敏度 μF/mm) 画出传感器的输入输出特性曲线 ( , (极板间为空气,? 0 ? 8.85?10?12 F/m ) 。

?0
x

a

解: 本传感器可看成是三对相同的极板所构成的平板电容器的并联。总电容量为

C?

3?? 0 A

?

?

3? 0 a 2

?

( ? 为极板间距)

当被测位移 x 使 ? 在 ?0 附近变化时,传感器的灵敏度近似为

S?

dC 3? a 2 3 ? 8.85? 10?12 ? (40 ? 10?3 )2 ? ? 02 ? ? ? ?1.062? 10?9 F/m ? ?1.062? 10?12 F/mm ?3 2 d? ?0 (0.2 ? 10 )

传感器的输入输出特性曲线如下图所示。

C

C0

0

?0

?

3. 分)以阻值 R ? 120 ? ,灵敏度 S ? 2.5 的电阻丝应变片与阻值为 120 ? 的固定电阻组 (4 成电桥,供桥电压为 4V,并假定负载电阻无穷大,当应变片的应变为 1000 ?? 时,分别求 出单臂、双臂电桥的输出电压。 解:单臂:

uy ?

?R 1 ?R 1 1 ? u0 ? ? u 0 ? S?u 0 ? ? 2.5 ?1000 ?10 ?6 ? 4 ? 2.5 ?10 ?3 V 4R 4 R 4 4 ?R 1 ?R 1 1 ? u0 ? ? u 0 ? S?u 0 ? ? 2.5 ?1000 ?10 ? 6 ? 4 ? 5 ?10 ?3 V 2R 2 R 2 2

(2 分)

双臂:

uy ?

(2 分)

4. 电容传感器 (平行极板电容器) 的圆形极板半径 r=4mm, 工作初始极板间距离δ 0=0.3mm, 介质为空气。问: ① 如果极板间距离变化量Δ δ =±lμ m,电容的变化量Δ C 是多少? ② 如果测量电路的灵敏度 S1=100mv/pF,读数仪表的灵敏度 S2=5 格/mV,在Δ δ = ±1 μ m 时,读数仪表的变化量为多少? 解

?C ?? ?? C ?

?C ? ?C

? 0 πr 2 ?? ? ?2 8.85?10?12 ? 3.14? (4 ?10?3 ) 2 (?10?3 ) ?? (0.3 ?10?3 ) 2
?? ??

? ?4.94?10?15 ? ?4.94?10?3 pF ?x ? S1 S 2 ?C ? 100mV/pF? 5格/mV? (?4.94?10?3 )pF
? ?2.47格


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