材料加工测试技术--练习题--作业

一、计算

1．图为一直流恒压源应变电桥，E=4V，R1=R2=R3=R4=350Ω。

求：①R1为应变片，其余为外接电阻，R1增量△R1=3.5Ω时的输出U0=?

②R1、感受应变极性、大小相同，其余为电阻，电压输出U0=? R2是应变片，③R1、R2感受应变极性相反，输出U0=?

④R1、R2、R3、R4都是应变片，对臂同性，邻臂异性，电压输出U0=? 2．有一吊车的拉力传感器如图所示，电阻应变片R1、R2、R3、R4贴在等截面轴上，已知R1~R4标称阻值为120Ω，桥路电压为2V，物重m引起R1、R2变化增量为1.2Ω。请画出应变片电桥电路，计算出测得的输出电压和电桥输出灵敏度，R3、R4起什么作用？

3．一个量程为10kN的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm，内径18mm，在其表面粘贴八各应变片，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120Ω，灵敏度为2.0，波松比为0.3，材料弹性模量E=2.1×1011Pa。求：①绘出弹性元件贴片位置及全桥电路；

②计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化；

③当桥路的供电电压为10V时，计算传感器的输出电压。

4．今有一悬臂梁，如图所示，在其中部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，在悬臂梁端部受一向下力F=0.5N，试求此时四个应变片的电阻值。已知：应变片灵敏系数K=2.1；应变片空载电阻R0=120Ω。

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5． 铂线电阻在20℃时为10Ω。已知铂温度系数α=30×10-4/℃。求50℃时的电阻。6．已知某压力传感器的测定范围为0～10000Pa，输入特性为：y=10(x－0.00007x2+2000)。问这种传感器能使用吗？

7．使用K型热电偶，基准接点为0℃、测量接点分别为30℃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？

8．用铜和康铜分别与铂相配构成热电偶，热电势E铜－铂(100，0)＝+0.75mV，E康铜－

铂(100，0)

＝－0.35mV。求E铜－康铜(100，0)的热电势。

9．α＝4.25×10-3℃-1，某铜电阻在20℃时的阻值R20＝16.28Ω，求该热电阻在100℃时的阻值。

10．已知管径为120mm，管道内水流动的平均速度为1.8m/s，这时水的密度为990kg/m3，确定该状态下水的容积流量和质量流量。

11．某电容式液位传感器由高1.2m，直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(ΔCmax/ΔVmax，pF/L)。

12．下面是热电阻测量电路，试说明电路工作原理并计算：1)已知Rt是Pt100

?3?72?)，1?3.94?10?t??5.802?10?t铂电阻(Rt?R0?1?At?Bt2??R0??????且其测

量温度为t=50℃，试计算输出Rt的值和Ra的值；2)电路中已知R1、R2、R3和E，试计算电桥的输出电压VAB。其中（R1=10kΩ，R2=5kΩ，R3=10kΩ，E=5V）

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二、简答题、填空题

1．压力传感器测量砝码数据如下，试解释这是一种什么误差，产生这种误差的原因是什么？

N(g) 0 1 2 3 4 5 正行程(mv)0 1.5 2 2.5 3 3.5 反行程(mv)0 0.5 1 2 2.5 3.5

解：迟滞误差；静态误差；传感器本身材料的缺陷造成。 2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？ 3．什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？

答：金属丝在外力作用下发生机械形变时，它的电阻值将发生变化，这种现象称电阻应变效应。固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同，但应变不同。圆弧部分使灵敏度K下降了，这种现象称为横向效应。

4．用电阻应变片组成的半桥、全桥电路与单桥相比有哪些改善？ 5．说明电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？ 6．金属电阻应变片由哪四部分组成？分哪几种？主要特性参数有哪些？ 答：金属电阻应变片由四部分组成：敏感栅、基底、盖层、引线。

分两种：金属丝式和箔式。

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。

7．分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的过程。

8．应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？ 9．电容传感器有哪些类型？

10．叙述电容传感器的工作原理，输出特性。

为什么电感式和电容式传感器的结构多采用差动形式，差动结构形式的特点11．是什么？

12．说明各种电容传感器的结构和工作原理。 13．差动式电容测厚传感器系统的工作原理？

14．推导差动式电容传感器的灵敏度，并与单极式电容传感器相比较。 答：……………………….。差动式电容传感器的灵敏度比单极式提高一倍，而且非线性也大为减小。

根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参15．量？

16．总结电容式传感器的优缺点，主要应用场合以及使用中应注意的问题。 什么是正压电效应？什么是逆压电效应？有压电效应的材料有哪些种类？压17．

电传感器的结构和应用特点是什么？能否用压电传感器测量静态压力？

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答：①正压电效应：某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象，同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复到不带电的状态，而当作用力方向改变时电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。

②逆压电效应：与正压电效应相反，对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离变形也随之消失，称为逆压电效应。

③压电材料有：石英晶体、一系列单晶硅、多晶陶瓷、有机高分子聚合材料。 ④压电传感器的结构和应用特点：在压电式传感器中为了提高灵敏度往往采用多片压电芯片构成一个压电组件，其中最常用的是两片结构。根据两片压电芯片的连接关系可分为串联和并联连接，常用的是并联连接，可以增大输出电荷提高灵敏度。

⑤压电传感器使用时，两片压电芯片上必须有一定的预紧力，以保证压电组件在工作中始终受到压力作用，同时可消除两片压电芯片因接触不良而引起的非线性误差，保证输出信号与输入作用力间的线性关系。因此，需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的。所以，压电传感器不宜作静态测量，只有在其上加交变力电荷才能不断得到补充，并给测量电路一定的电流。故压电传感器只能作动态测量。

18．石英晶体X、Y、Z轴的名称是什么？有哪些特征？

19．简述压电陶瓷特性，作为压电元件比较他与石英晶体有哪些特点？ 20．简述电压式加速传感器的工作原理？

21．热电偶冷端温度对热电偶的热电势有什么影响?为消除冷端温度影响可采用哪些措施？

22．热电阻传感器主要分为几种类型？

答：热电阻传感器分为以下几种类型：①铂电阻传感器②铜电阻传感器③铁电阻和镍电阻。

什么叫热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作23．

定律的应用。分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法。 24．试述热电偶测温的基本原理和基本定理。 25．试比较电阻温度计与热电偶温度计的异同点。

答：电阻温度计利用电阻随温度变化的特性来测量温度。热电偶温度计是根据热电效应原理设计而成的。前者将温度转换为电阻值的大小，后者将温度转换为电势大小。

相同点：都是测温传感器，精度及性能都与传感器材料特性有关。 26．试解释负电阻温度系数热敏电阻的伏安特性，并说明其用途（p26，图3-3）。 答：伏安特性表征热敏电阻在恒温介质下流过的电流I与电压降U之间的关系。当电流很小时，不足以引起自身发热，阻值保持恒定，电压降与电流间符合欧姆定律。当电流I>Ia时，随着电流增加，功耗增大、产生自热，阻值随电流增加

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而减小，电压降增加速度逐渐减慢，因而出现非线性的正阻区ab。电流增大到Ib时，电压降达到最大值Um。此后，电流继续增大时，自热更为强烈，由于热敏电阻的电阻温度系数大，阻值随电流增加而减小的速度大于电压降增加的速度，于是就出现负阻区bc段。

研究伏安特性，有助于正确选择热敏电阻的工作状态。对于测温、控温和温度补偿，热敏电阻应工作于伏安特性的线性区，这样就可以忽略自热的影响，使电阻值仅取决于被测温度。对于利用热敏电阻的耗散原理工作的场合，例如测量风速、流量、真空等，则应工作于伏安特性的负阻区。

27．试述压力的定义。何谓大气压力、绝对压力、表压力和真空度？常用压力仪表？

28．电容传感器有哪些类型？

29．叙述电容传感器的工作原理，输出特性。 30．说明各种电容传感器的结构和工作原理。

31．在变压器式传感器中，原方和副方互感M的大小与绕组匝数成正比，与穿过线圈的磁通成正比，与磁回路中磁阻成反比。

根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参32．量？

答：………………。电容传感器的应用：可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测温、高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。

什么是正压电效应？什么是逆压电效应？压电效应有哪些种类？压电传感器33．

的结构和应用特点是什么？能否用压电传感器测量静态压力？

答：………………………若作用在压电组件上的力是静态力，则电荷会泄露无法进行测量。所以压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量。

34．电阻应变片式传感器按制造材料可分为金属材料和半导体材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中金属材料的电阻变化主要是由电阻应变效应形成的，而半导体材料的电阻变化主要是由压阻效应造成的。半导体材料传感器的灵敏度大。

35．简述压电陶瓷特性，作为压电元件比较它与石英晶体有哪些特点？ 36．简述压电式加速传感器的工作原理？

左右的高温，用什么类型的热电偶好？要测1500℃左右的高温37．要测1000℃呢？

答：1000℃左右温度用镍铬-镍铝，铂铑10-铂，1500℃用铂铑30-铂铑6。(表4-3) 38．按流量所使用的单位不同，它可分为哪几种？常用流量计？ 39．高温加热的钢板为红色，当温度继续升高时变为白色，试说明原因。

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