测试技术陈光军--习题解答

第二章 习题解答

1．判断题

2-1×；2-2√；2-3×；2-4×；2-5×；2-6√；2-7×；2-8×；2-9×；2-10×；2-11√；2-12√；2-13√；2-14√；2-15√；2-16×；2-17×；2-18×；2-19×；2-20√ 2．选择题

21-25 DACBC 26-30 CDDAD 31-35 BAAAD 36 B 3．填空题

2-37 由敏感元件、转换元件、基本转换电路3部分；非电量；电量 2-38 静态；静态；动态

2-39 自源型；带激励源型；外源型；转换型；控制型 2-40 相同传感器；不同传感器；差动结构 2-41 电阻应变式；压磁式；压电

2-42 电阻应变效应；压阻效应；横向效应

2-43 变磁阻式；电磁感应；自感系数；互感系数 2-44 零点残余电压；相敏检波电路 2-45 面积；极距；介质；极距

2-46 减小极板厚度；带保护环；驱动电缆法；整体屏蔽法；组合式与集成技术 2-47 光电管；光电倍增管；光敏电阻；光电池；光敏二极管；光敏品体管 2-48 电涡流，金属

2-49 压磁效应；磁致伸缩效应

2-50 霍尔效应；霍尔电势；磁阻效应 2-51 石英晶体；压电陶瓷

2-52 热电偶；热电阻；热敏电阻

2-53 外光电效应；内光电效应；光生伏特效应

2-54 光源；光纤；光探测器；传光型；传感性；多模；单摸 4．问答题

2-55答：应变片测量技术之所以得到广泛应用，是由于它具有以下优点： （1）非线性小，电阻的变化同应变成线性关系；

（2）应变片尺寸小（我国的应变片栅长最小达0.178mm），重量轻（一般为0.1～0.2g），惯性小，频率响应好，可测0500kHz的动态应变；

（3）测量范围广，一般测量范围为1010?4量级的微应变；用高精度、高稳定性测量系统和半导体应变片可测出10?2量级的微应变；

（4）测量精度高，动态测试精度可达1%，静态测试技术可达0.1%； （5）可在各种复杂或恶劣的环境中进行测量。如从-270℃（液氦温度）深冷温度到+1000℃的高温；从宇宙空间的真空到介于几千个大气压的超高压状态；长时间地浸没于水下；大的

离心力和强烈振动；强磁场、放射性和化学腐蚀等恶劣环境中进行测量。

金属电阻应变片由5部分组成：敏感栅、基底、盖层、粘合剂、引线。分为金属丝式和箔式。金属电阻应变片主要特性参数：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。

应变片产生温度误差的原因是敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿的方法来减小或补偿温度误差。

2-56答：应变片主要工作参数：应变片的尺寸、应变片的电阻值、机械滞后、热滞后、零点漂移、蠕变、应变极限、绝缘电阻、疲劳寿命、最大工作电流等。

选用粘合剂时要根据应变片的工作条件、工作温度、潮湿程度、有无化学腐蚀、稳定性要求，加温加压、固化的可能性，粘贴时问长短要求等因素考虑，并注意粘合剂的种类是否与应变片基底材料相适应。

应变片粘贴工艺：（1）应变片检查：外观检查和电阻值检查；（2）修整应变片；（3）试件表面处理；（4）画粘贴应变片的定位线；（5）贴应变片；（6）粘合剂的固化处理；（7）应变片粘贴质量的检查；（8）引出线的固定保护；（9）应变片的防潮处理。

2-57答：（1）一般情况下，应变片的灵敏系数小于电阻丝的灵敏系数。

（2）原因是：当应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上时，由于基底和粘合剂的弹性模量与敏感栅的弹性模量之间有差别等原囚.弹性体或试件的变形不可能全部均匀地传递到敏感栅。另外还有丝栅转角及接线的影响。

2-58答：金属电阻具有正当电阻温度系数，一般温度每升高1℃，电阻增加0.4%～0.6%，而半导体制成的热敏电阻大多具有负温度系数，温度每升高1℃，电阻减小2%～6%。

金属电阻有较稳定的物理和化学性能，电阻随温度变化有很好的单值函数关系，复现性好：热敏电阻的优点是电阻温度系数大。是金属热电阻的十几倍，故灵敏度高。另外，热敏电阻的电阻值高，通常在常温下为数千欧姆以上，所以连接导线电阻对测量的影响可以忽略不计，给使用带来方便。它还具有体积小、热惯性小、结构简单可靠且价格低廉、化学稳定性好等优点。其缺点是测量范围较窄。

2-59答：相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小。又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。

2-60答：磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换为电信号的一种传感器，电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来测量的一种装置；磁电式传感器具有频响宽、动态范围大的特点；而电感式传感器存在交流零位信号，不宜用于高频动态信号检测，其响应速度较慢，也不宜做快速动态测量。

磁电式传感器测量的物理参数有：磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。

2-61答：采用双距测厚方法，装置如图2-49所示。工作原理为将两电涡流传感器之间的距离同定为h0，铝板从两者之问穿过，A传感器测出其与铝板上表面距离h1，B传感器测出其与铝板下表面之间距离h2。将乃h1、h2和h0的信号送入运算器，完成运算??h0?(h1?h2)即可实时测得铝板厚度。

图2-49 题2-61

2-62答：（1）不同点：自感式传感器把被测非电量的变化转换成自感系数的变化；差动变压器式传感器把被测非电呈的变化转换成互感系数的变化。

（2）相同点号两者都属于电感式传感器，都可以分为气隙型、截面型和螺管型3种类型。 2-63答：（1）在自感式传感器中，虽然螺管式自感传感器的灵敏度最低，但示值范围大、线性也较好。

（2）同时还具备自由行程可任意安排、制造装配方便、可互换性好等优点。

（3）由于具备了这些优点，而灵敏度低的问题，在放大电路方面加以解决，故目前螺管式自感传感器应用最广泛。

2-64答：差动变压器的两个磁极线圈反向串接，其工作原理是建立在互感变化的基础上：当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，差动变压器输出信号为0；当液位上升或下降时，差动变压器输出信号不为0，通过相应的测量电路便能确定液位的高低。

2-65答：优点：温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好；缺点：可以实现非接触测量、具有平均效应、输出阻抗高、负载能力差、寄生电容影响大、输出特性非线性等。

电容传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。

使用时要注意保护绝缘材料的绝缘性能；消除和减小边缘效应；消除和减小寄生电容的影响；防止和减小外界的干扰。

2-66答：（1）传感器两极板之问的电容很小，仅几十个?F，小的甚至只有几个?F。 （2）传感器与电子仪器之问的连接电缆却具有很大的电容，如屏蔽线的电容最小的l米也有几个?F，最大的可达上百个?F。这不仅使传感器的电容相对变化大大降低，灵敏度也降低，更严重的是电缆本身放置的位置和形状不同，或因振动等原因，都会引起电缆本身电容的较大变化，使输出不真实，给测量带来误差。

（3）解决的办法；一种方法是利用集成电路，使放大测量电路小型化。把它放在传感器内部，这样传输导线输出的是直流电压信号，不受分布电容的影响；另―种方法是采用双屏蔽传输电缆，适当降低分布电容的影响。由于电缆分布电容对传感器的影响。使电容式传感器的应用受到一定的限制。

2-67答：具有压电效应的敏感材料叫压电材料。可分为两大类，即压电品体与压电陶瓷，前者是单晶体，后者是多晶体。选用压电材料时应考虑以下几个方面：

（1）转换性能：具有较大的压电常数。

（2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。

（3）电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响范围和得到良好的低频特性。

（4）温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围。 （5）时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。 2-68答：（1）由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度。

（2）而在作动态测量时，电荷可以不断补充。从而供给测量电路一定的电流，故压电 式传感器适宜作动态测量。

2-69答：参量式传感器，如电阻应变式、电感式和电容式等，它们是无源器件，需要外加电源，通过改变电阻、电感、电容年物理参数产生正比于被测量的电信号输出。而发电式传感器，如压电式，它的工作原理是以压电材料的压电效应为基础，直接产生正比于被测量的电信号输出。磁电式传感器也属于发电式传感器，但它是一种结构型的而非物性型的传感器。

2-70答：光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数光电传感器都离不开光源，光电式传感器对光源的选择主要考虑波长、谱分布、相下性、体积、造价、功率等因素。

光源主要有：

（1）白炽光源：白炽光源中最常用的是钨丝灯，它产生的光谱线较丰富，包含可见光与红外光。使用时，常加用滤色片来获得不同窄带频率的光。

（2）气体放电光源：气体放电光源光辐射的持续，不仅要维持其温度.而且有赖于气体的原子或分子的激发过程。气体放电光源常用的有碳弧、低压水银弧、高压水银弧、钠弧、氤弧等。

（3）发光二极管：发光工极管是一种电致发光的半导体器件，它与钨丝白炽灯相比，具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、便于与集成电路相匹配等优点。

（4）激光器：激光是新颖的高亮度光，它是由各类气体、固体或半导体激光器产生的频率单纯的光。工作波长为0.638?m或1.5?m的氦氖激光器是最常用的气体激光器，它使用方便，亮废很高。

光源特性包含光源的辐射特性（如白炽灯辐射为非相干的朗勃光源）、光谱特性（辐射的中心波长?和谱宽??）光电转换特性（淘汰的电偏置与光源辐射的光学特性之间的关系） 及淘汰的环境特性（热系数、改时问漂移和老化等）等参量。

2-71答：光纤损耗主要有以下几种：①吸收性损耗：吸收损耗与组成光纤材料的中子受激和分子共振有关，当光的频率与分子的振动频率接近或相等时，会发生共振，并大量吸收光能量，引起能量损耗；②散射性损耗：是由于材料密度的微观变化、成分起伏，以及在制造过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起，一部分光会散射到各个方向去。不能传输到终点，从而造成散射性损耗；当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射磁粒。

光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的借口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。 5．分析计算题

max2-72 解：由传感器迟滞的定义知，?H??????100%

2Y???FS??1???H?将已知数据带入上式得，?H?2?1??3?10???????2?2??50?10???100%??3% ?2-73 解：由线性绕电位器传感器电阻灵敏度和电压灵敏度的定义知：

SR?2?(b?h)2?(b?h)I，Su??SRI AtAt将已知数据代入得：

2?3.14?10?3?(30?10?3?50?10?3)SR??1.6?104(?/m) ?6?63.14?10?1?10Su?1.6?104?3?4.8?104(V/m)

2-74 解：

dR?S?，dR?R?S?120?1200?10?6?2.5?0.36? R无应变时：i(t)?有应变时：i(t)?U2??8.3?10?3A?8.3mA 2R2?100U2??5.8?10?3A?5.8mA

2R??R240?0.362-75解：因为??所以，??F?AE?E，??2F A50?1000?10(N)????0.1?292?(m)?205?10(N/m)?2?

dR?R?S?120?3.1?10?4?2?774?10?4?0.754(?)

2-76 解：设受压缩力为F，轴向贴的应变片?R1??R3?S?R 横向贴的应变片：?R2??R4???SR

设原电阻R1?R2?R3?R4，则受力F后：

R1?R??R1，R3?R??R3，R2?R??R2，R4?R??R4 电桥输出电压变化：?U?R1R3?R2R4Ux(R1?R2)(R3R4)?R1??R2?R1??R2U??Ux x2R??R1??R2(R??R1?R??R2)2?R1??R2Ux2R????

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