機械工程測試技術(shù)-課后習(xí)題及答案B

-.z.第三章常用傳感器與敏感元件3-1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。3-2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(fā)濕度計等。3-3電阻絲應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何區(qū)別？各有何優(yōu)缺點？應(yīng)如何針對具體情況來選用？解答：電阻絲應(yīng)變片主要利用形變效應(yīng)，而半導(dǎo)體應(yīng)變片主要利用壓阻效應(yīng)。 電阻絲應(yīng)變片主要優(yōu)點是性能穩(wěn)定，現(xiàn)行較好；主要缺點是靈敏度低，橫向效應(yīng)大。 半導(dǎo)體應(yīng)變片主要優(yōu)點是靈敏度高、機械滯后小、橫向效應(yīng)??；主要缺點是溫度穩(wěn)定性差、靈敏度離散度大、非線性大。 選用時要根據(jù)測量精度要求、現(xiàn)場條件、靈敏度要求等來選擇。3-4有一電阻應(yīng)變片（見圖3-84），其靈敏度Sg＝2，R＝120。設(shè)工作時其應(yīng)變?yōu)?000，問R＝？設(shè)將此應(yīng)變片接成如圖所示的電路，試求：1）無應(yīng)變時電流表示值；2）有應(yīng)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？圖3-84題3-4圖圖3-84題3-4圖1.5V解：根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)表達式R/R=Sg得R=SgR=2100010-6120=0.24 1）I1=1.5/R=1.5/120=0.0125A=12.5mA 2）I2=1.5/(R+R)=1.5/(120+0.24)0.012475A=12.475mA 3）=(I2-I1)/I1100%=0.2% 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12.5mA的電流；如果采用毫安表，無法分辨0.025mA的電流變化。一般需要電橋來測量，將無應(yīng)變時的靈位電流平衡掉，只取有應(yīng)變時的微小輸出量，并可根據(jù)需要采用放大器放大。3-5電感傳感器（自感型）的靈敏度與哪些因素有關(guān)？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。又因為線圈阻抗Z=L，所以靈敏度又可寫成 由上式可見，靈敏度與磁路橫截面積A0、線圈匝數(shù)N、電源角頻率、鐵芯磁導(dǎo)率0，氣隙等有關(guān)。 如果加大磁路橫截面積A0、線圈匝數(shù)N、電源角頻率、鐵芯磁導(dǎo)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(shù)N會增大傳感器尺寸，重量增加，并影響到動態(tài)特性；減小氣隙會增大非線性。3-6電容式、電感式、電阻應(yīng)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自感型變磁阻式電感傳感器的測量電路： 電阻應(yīng)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(diào)幅波。電容、電感式傳感器都可使用調(diào)幅電路、調(diào)頻電路等。 不同點：電阻應(yīng)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。3-7一個電容測微儀，其傳感器的圓形極板半徑r＝4mm，工作初始間隙=0.3mm，問：1）工作時，如果傳感器與工件的間隙變化量＝1m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(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV，在＝1解：1） 2）B=S1S2C=1005(4.9410-3)答：3-8把一個變阻器式傳感器按圖3-85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(guān)系？圖3-85題3-8圖圖3-85題3-8圖**pRLueuoR*Rp解答：輸入量是電刷相對電阻元件的位移*，輸出量為電刷到端點電阻R*。如果接入分壓式測量電路，則輸出量可以認為是電壓uo。，輸出電阻與輸入位移成線性關(guān)系。，輸出電壓與輸入位移成非線性關(guān)系。 由上式可見，只有當(dāng)Rp/RL0時，才有。所以要求后續(xù)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(guān)系。3-9試按接觸式與非接觸式區(qū)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(yīng)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(tài)圖像傳感器等。 可以實現(xiàn)非接觸測量的是：電容式、光纖式等傳感器。3-10欲測量液體壓力，擬采用電容式、電感式、電阻應(yīng)變式和壓電式傳感器，請繪出可行方案原理圖，并作比較。3-11一壓電式壓力傳感器的靈敏度S=90pC/MPa，把它和一臺靈敏度調(diào)到0.005V/pC的電荷放大器連接，放大器的輸出又接到一靈敏度已調(diào)到20mm/V的光線示波器上記錄，試繪出這個測試系統(tǒng)的框圖，并計算其總的靈敏度。解：框圖如下壓力傳感器壓力傳感器電荷放大器光線示波器壓力P 各裝置串聯(lián)，如果忽略負載效應(yīng)，則總靈敏度S等于各裝置靈敏度相乘，即S=*/P=900.00520=9mm/MPa。3-12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(yīng)工作的光電傳感器、利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電傳感器、利用光生伏特效應(yīng)工作的光電傳感器三種。外光電效應(yīng)（亦稱光電子發(fā)射效應(yīng)）—光線照射物體，使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象，包括光電管和光電倍增管。內(nèi)光電效應(yīng)（亦稱光導(dǎo)效應(yīng)）—物體受到光線照射時，物體的電子吸收光能是其導(dǎo)電性增加，電阻率下降的現(xiàn)象，有光敏電阻和由其制成的光導(dǎo)管。光生伏特效應(yīng)—光線使物體產(chǎn)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(biāo)器，照相機自動測光計，光度計，光電耦合器，光電開關(guān)（計數(shù)、位置、行程開關(guān)等），濁度檢測，火災(zāi)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(biāo)記，防盜報警，電視機中亮度自動調(diào)節(jié)，路燈、航標(biāo)燈控制，光控?zé)糇?，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(yīng)用。3-13何謂霍爾效應(yīng)？其物理本質(zhì)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(yīng)：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過薄片時，則在垂直于電流和磁場方向的兩側(cè)面上將產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，產(chǎn)生的電位差稱為霍爾電勢?；魻栃?yīng)產(chǎn)生的機理（物理本質(zhì)）：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(cè)面產(chǎn)生正、負電荷積累。 應(yīng)用舉例：電流的測量，位移測量，磁感應(yīng)強度測量，力測量；計數(shù)裝置，轉(zhuǎn)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。3-14試說明壓電式加速度計、超聲換能器、聲發(fā)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(yīng)（正壓電效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)）。 不同點：壓電式加速度計利用正壓電效應(yīng)，通過慣性質(zhì)量快將振動加速度轉(zhuǎn)換成力作用于壓電元件，產(chǎn)生電荷。 超聲波換能器用于電能和機械能的相互轉(zhuǎn)換。利用正、逆壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)可用于清洗、焊接等。聲發(fā)射傳感器是基于晶體組件的壓電效應(yīng)，將聲發(fā)射波所引起的被檢件表面振動轉(zhuǎn)換成電壓信號的換能設(shè)備，所有又常被人們稱為聲發(fā)射換能器或者聲發(fā)射探頭。材料結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)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(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。聲發(fā)射傳感器不同于加速度傳感器，它受應(yīng)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(zhuǎn)化為電量輸出。3-15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(fā)射傳感器（壓電式）等。3-16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(zhuǎn)換成位移。3-17說明紅外遙感器的檢測原理。為什么在空間技術(shù)中有廣泛應(yīng)用？舉出實例說明。解答：紅外遙感就是遠距離檢測被測目標(biāo)的紅外輻射能量?？臻g技術(shù)中利用飛船、航天飛機、衛(wèi)星等攜帶的紅外遙感儀器可以實現(xiàn)很多對地、對空觀測任務(wù)。如觀測星系，利用衛(wèi)星遙測技術(shù)研究地殼斷層分布、探討地震前兆，衛(wèi)星海洋觀測等。3-18試說明固態(tài)圖像傳感器（CCD器件）的成像原理，怎樣實現(xiàn)光信息的轉(zhuǎn)換、存儲和傳輸過程，在工程測試中有何應(yīng)用？ CCD固態(tài)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移出來。 應(yīng)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(chǎn)品分類，產(chǎn)品表面質(zhì)量評定，文字與圖象識別，傳真，空間遙感，光譜測量等。3-19在軋鋼過程中，需監(jiān)測薄板的厚度，宜采用那種傳感器？說明其原理。解答：差動變壓器、渦電流式、光電式，射線式傳感器等。3-20試說明激光測長、激光測振的測量原理。解答：利用激光干涉測量技術(shù)。3-21選用傳感器的基本原則是什么？試舉一例說明。解答：靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、可靠性、精確度、測量方法、體積、重量、價格等各方面綜合考慮。第四章信號的調(diào)理與記錄4-1以阻值R=120、靈敏度Sg=2的電阻絲應(yīng)變片與阻值為120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為3V，并假定負載電阻為無窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?和2000時，分別求出單臂、雙臂電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。解：這是一個等臂電橋，可以利用等比電橋和差特性表達式求解。=2時： 單臂輸出電壓： 雙臂輸出電壓：=2000時： 單臂輸出電壓： 雙臂輸出電壓： 雙臂電橋較單臂電橋靈敏度提高1倍。4-2有人在使用電阻應(yīng)變儀時，發(fā)現(xiàn)靈敏度不夠，于是試圖在工作電橋上增加電阻應(yīng)變片數(shù)以提高靈敏度。試問，在下列情況下，是否可提高靈敏度？說明為什么？ 1）半橋雙臂各串聯(lián)一片； 2）半橋雙臂各并聯(lián)一片。解答：電橋的電壓靈敏度為，即電橋的輸出電壓和電阻的相對變化成正比。由此可知： 1）半橋雙臂各串聯(lián)一片，雖然橋臂上的電阻變化增加1倍，但橋臂總電阻也增加1倍，其電阻的相對變化沒有增加，所以輸出電壓沒有增加，故此法不能提高靈敏度； 2）半橋雙臂各并聯(lián)一片，橋臂上的等效電阻變化和等效總電阻都降低了一半，電阻的相對變化也沒有增加，故此法也不能提高靈敏度。4-3為什么在動態(tài)應(yīng)變儀上除了設(shè)有電阻平衡旋鈕外，還設(shè)有電容平衡旋鈕解答：動態(tài)電阻應(yīng)變儀采用高頻交流電給電橋供電，電橋工作在交流狀態(tài)，電橋的平衡條件為Z1Z3=Z2Z4|Z1||Z3|=|Z2||Z4|，13=24 由于導(dǎo)線分布、各種寄生電容、電感等的存在，光有電阻平衡是不能實現(xiàn)阻抗模和阻抗角同時達到平衡，只有使用電阻、電容兩套平衡裝置反復(fù)調(diào)節(jié)才能實現(xiàn)電橋阻抗模和阻抗角同時達到平衡。4-4用電阻應(yīng)變片接成全橋，測量*一構(gòu)件的應(yīng)變，已知其變化規(guī)律為(t)=Acos10t+Bcos100t 如果電橋激勵電壓u0=Esin10000t，試求此電橋的輸出信號頻譜。解：接成等臂全橋，設(shè)應(yīng)變片的靈敏度為Sg，根據(jù)等臂電橋加減特性得到 幅頻圖為ff9900An(f)999010010101004-5已知調(diào)幅波*a(t)=(100+30cost+20cos3t)cosct，其中fc=10kHz，f=500Hz。試求： 1）*a(t)所包含的各分量的頻率及幅值； 2）繪出調(diào)制信號與調(diào)幅波的頻譜。解：1）*a(t)=100cosct+15cos(c-)t+15cos(c+)t+10cos(c-3)t+10cos(c+3)t 各頻率分量的頻率/幅值分別為：10000Hz/100，9500Hz/15，10500Hz/15，8500Hz/10，11500Hz/10。 2）調(diào)制信號*(t)=100+30cost+20cos3t，各分量頻率/幅值分別為：0Hz/100，500Hz/30，1500Hz/20。調(diào)制信號與調(diào)幅波的頻譜如圖所示。ff0An(f)調(diào)制信號頻譜1500f8500An(f)9500100001150020301001001015105001510調(diào)幅波頻譜4-6調(diào)幅波是否可以看作是載波與調(diào)制信號的迭加？為什么？解答：不可以。因為調(diào)幅波是載波幅值隨調(diào)制信號大小成正比變化，只有相乘才能實現(xiàn)。4-7試從調(diào)幅原理說明，為什么*動態(tài)應(yīng)變儀的電橋激勵電壓頻率為10kHz，而工作頻率為0~1500Hz？解答：為了不產(chǎn)生混疊，以及解調(diào)時能夠有效地濾掉高頻成分，要求載波頻率為5~10倍調(diào)制信號頻率。動態(tài)應(yīng)變儀的電橋激勵電壓為載波，頻率為10kHz，所以工作頻率（即允許的調(diào)制信號最高頻率）為0~1500Hz是合理的。4-8什么是濾波器的分辨力？與哪些因素有關(guān)？解答：濾波器的分辨力是指濾波器分辨相鄰頻率成分的能力。與濾波器帶寬B、品質(zhì)因數(shù)Q、倍頻程選擇性、濾波器因數(shù)等有關(guān)。帶寬越小、品質(zhì)因數(shù)越大、倍頻程選擇性越小、濾波器因數(shù)越小，分辨力越高。4-9設(shè)一帶通濾器的下截止頻率為fc1，上截止頻率為fc2，中心頻率為f0，試指出下列記述中的正確與錯誤。 1）倍頻程濾波器。 2）。 3）濾波器的截止頻率就是此通頻帶的幅值-3dB處的頻率。 4）下限頻率相同時，倍頻程濾波器的中心頻率是1/3倍頻程濾波器的中心頻率的倍。解答：1）錯誤。倍頻程濾波器n=1，正確的是fc2=21fc1=2fc1。 2）正確。 3）正確。 4）正確。4-10已知*RC低通濾波器，R=1k，C=1 1）確定各函數(shù)式H(s)；H()；A()；()。 2）當(dāng)輸入信號ui=10sin1000t時，求輸出信號uo，并比較其幅值及相位關(guān)系。解：CCRi(t)ui(t)uo(t)一階RC低通濾波器 1），=RC=100010-6=0.001s所以 ，， 2）ui=10sin1000t時，=1000rad/s，所以（穩(wěn)態(tài)輸出）相對輸入ui，輸出幅值衰減為（衰減了-3dB），相位滯后。4-11已知低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)式中=0.05s。當(dāng)輸入信號*(t)=0.5cos(10t)+0.2cos(100t-45)時，求其輸出y(t)，并比較y(t)與*(t)的幅值與相位有何區(qū)別。解：，，， y(t)=0.5A(10)cos[10t+(10)]+0.2A(100)cos[100t-45+(100 =0.447cos(10t-26.6)+0.039cos(100t-123.7) 比較：輸出相對輸入，幅值衰減，相位滯后。頻率越高，幅值衰減越大，相位滯后越大。4-12若將高、低通網(wǎng)絡(luò)直接串聯(lián)（見圖4-46），問是否能組成帶通濾波器？請寫出網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，并分析其幅、相頻率特性。RR1C1uo(t)圖4-46題4-12圖C2R2ui(t)解：1=R1C1，2=R2C2，3=RA(0)=0，(0)=/2；A()=0，()=-/2，可以組成帶通濾波器，如下圖所示。-50-50-40-30-20-100Magnitude(dB)101100101102103104-90-4504590Phase(deg)BodeDiagramFrequency(rad/sec)4-13一個磁電指示機構(gòu)和內(nèi)阻為Ri的信號源相連，其轉(zhuǎn)角和信號源電壓Ui的關(guān)系可用二階微分方程來描述，即設(shè)其中動圈部件的轉(zhuǎn)動慣量I為2.510-5kgm2，彈簧剛度r為10-3Nmrad-1，線圈匝數(shù)n為100，線圈橫截面積A為10-4m2，線圈內(nèi)阻R1為75，磁通密度B為150Wbm-1和信號內(nèi)阻Ri為125；1）試求該系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度（radV-1）。2）為了得到0.7的阻尼比，必須把多大的電阻附加在電路中？改進后系統(tǒng)的靈敏度為多少？解：1）式中：，，靜態(tài)靈敏度：阻尼比：固有角頻率： 2）設(shè)需串聯(lián)的電阻為R，則解得：改進后系統(tǒng)的靈敏度：

第五章信號處理初步5-1求h(t)的自相關(guān)函數(shù)。解：這是一種能量有限的確定性信號，所以5-2假定有一個信號*(t)，它由兩個頻率、相角均不相等的余弦函數(shù)疊加而成，其數(shù)學(xué)表達式為*(t)=A1cos(1t+1)+A2cos(2t+2)求該信號的自相關(guān)函數(shù)。解：設(shè)*1(t)=A1cos(1t+1)；*2(t)=A2cos(2t+2)，則因為12，所以，。又因為*1(t)和*2(t)為周期信號，所以同理可求得所以5-3求方波和正弦波（見圖5-24）的互相關(guān)函數(shù)。tty(t)t*(t)1-11T-1圖5-24題5-3圖sin(t)00解法1：按方波分段積分直接計算。解法2：將方波y(t)展開成三角級數(shù)，其基波與*(t)同頻相關(guān)，而三次以上諧波與*(t)不同頻不相關(guān)，不必計算，所以只需計算y(t)的基波與*(t)的互相關(guān)函數(shù)即可。所以解法3：直接按R*y()定義式計算(參看下圖)。tty(t)t*(t)1-11T-1sin(t)00ty(t+)1-10TT 參考上圖可以算出圖中方波y(t)的自相關(guān)函數(shù)Ry()0方波的自相關(guān)函數(shù)圖TT/25-4*一系統(tǒng)的輸人信號為*(t)（見圖5-25），若輸出y(t)與輸入*(t)相同，輸入的自相關(guān)函數(shù)R*()和輸入—輸出的互相關(guān)函數(shù)R*