第二版传感器余成波部分课后题答案

3.3金属电阻式应变片和半导体电阻应变片在工作原理上有何不同 答金属应变片的工作原理是基于金属的应变效应， 利用的是金属材料的电 阻定律，应变 片的结构尺寸变化时，电阻相应地变化，其电阻率 p 并未发生变 化。 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应，压阻效应又是 指当半导体材 料的某一轴向受力作用，其电导率 p 则发生变化的现象。 E3VR3R4100Q， 100Q，灵敏度系数K2.0。两只 3.5题3.5图所示为一直流电桥，供电电源电动势 R 和 R2为相同型号的电阻应变片，其电阻均为 应变片分别粘贴等强度梁同一截面的正、反两面。设等强度梁在受力后产生的应 变为5000卩 ，试求此时电桥输出端电压Ua。 题 3.5 图 3 解此电桥为输出对称电桥，故U。f 2 3 5 10 2 2 15/mV 3.6哪些因素引起应变片的温度误差，写出相对误差表达式，并说明电路补偿 法的原理。 答 1引起应变片的温度误差的因素①由于电阻丝温度系数的存在，当温度 改变时，应变片 的标称电阻值发生变化。②当试件与与电阻丝材料的线膨胀系数 不同时，由于温度的变化而引起 的附加变形，使应变片产生附加电阻 2相对误差表达式 3电路补偿法的原理图3.6为电路补偿法的原理图。电桥输出电压U。与 桥臂参数的关系为 U 0 A RiR4RB R3 工程上，一般按 0 RiR4RB R3选取桥臂电阻。 电当温度升高或降低t t to时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等， 桥仍处于平衡状态，则 U 0A[ R1R1t R4 RBRBtR3] 0 R又有新的增量RiRK Uo AR1R4K ② 变面积型电感传感器这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即 磁通截面） 随被测量的变化而改变，从而改变磁阻。它的灵敏度为常数，线性度也 很好。 ③ 螺管插铁型电感传感器它由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构 成。其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。衔铁随被测物体移动时 改变了线圈的 电感量。这种传感器的量程大、灵敏度低、结构简单、便于制作。 3.13什么叫零点残余电压产生的原因是什么 答零点残余电压是指衔铁位于中间位置时的差动输出电压。理想情况是在 零点时，两个次 级线圈感应电压大小相等方向相反，差动输出电压为零。 产生的原因（1）两电感线圈的等效参数不对称， 例如线圈的电气参数及 导磁体的几 何尺寸不对称践困的分布电容不对称等； （2）电源电压中含有高次谐 波，传感器工作在磁化 曲线N4L线性段。 3.17 电涡流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响它的主要优点是什么 答电涡流式传 感器的灵敏度主要受导体的电导率、磁导率、几何形状，线 圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离等因素影响。 电涡流式传感器的主要优点结构简单、体积小、灵敏度高、测量线性围 大（频率响应 宽）、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响，并且可以进行无接 触测量等优点。 3.18 的 什么是压电效应以石英晶体为例说明压电晶体是怎样产生压电效应 答（1）当某些物质沿其一定方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这 种材料的两个 表面将产生符号相反的电荷。 当去掉外力后，它又重新回到不带电 状态。这种现象叫做压电效 应。 （2）石英晶体属于单晶体，化学式为SiO2,外形结构呈六面体,沿各方 向特征不同。 从石英晶体上沿机械轴（y）方向切下一块晶体片，当在电轴（x轴）方向受到力作用时，在与电 轴（x轴）垂直的平面上将产生电荷qx；若在同 一晶体片上，当在机械轴（y轴）方向受到力 作用时，则仍在与电轴（x轴）垂 直的平面上将产生电荷qy电荷qx和qy的符号由受力是拉力 还是压力决定的。qx的大小与晶体片形状尺寸无关，而qy与晶体片的几何尺寸有关。即沿X 方向 （电轴）的力作用产生电荷的压电效应称“纵向压电效应”；沿丫方向的（机械轴）的力作 用产生电荷的压电效应称”横向压电效应”； 沿Z方向的 （光轴） 的力作用 时不产生压电效应。 3.19 压电式传感器能否用于静态测量为什么 答压电式传感器不能用于静态测量。因为若要压电元件上的电荷长时间保 存，必须使压 电元件绝缘电阻与测量电路输入电阻为无穷大， 以保证没有电荷泄 漏回路。而实际上这是不可 能的，所以压电式传感器不能用于静态测量。 3.20 某压电式传感器的灵敏度为8*104pC/Pa,假设输入压力为3*105Pa时的 输出电压为1v， 试确定传感器总电容量 解根据qd FU C, Sq/F810 4pC/Pa，所以U CS F1012，所以 1 C S F1012，所以C81043105 10122.41010F，所以传感器的总 电容量为2.410 10F. 3.21 题3.21图所示是用压电式传感器和电荷放大器测量某种机器的振动，已 100pG/g 知传感器的灵敏度为电荷放大器的反馈电容Ct0.01 F，测的输出电 ， 压峰值为U m0.4V，振动频率为100Hz. 题 3.21 图 （1）求机器振动的加速度最大值am； （2） 假定振动为正弦波，求振动的速度v（t ） ； （3）求出振动的幅度的最大值Xm0。 1-传感器；2-机器；3-底座 （2）振动的速度已知a（t） 解 “加速度最大值館咒 （ 100 10 am sin t, 12 -40g 2 3.14 392.4m/s 2 2 f vt atdt amsin tdt “ 、 cos t 392.4 cos628t 6 （3）振动的幅度 xt vtdtamcos t -am2 sin t 392.4 sin 2628 628t 0.001si n628t 所以振动的幅度的最大值Xmo0.001m 3.22 根据题3.22图所示石英晶体切片上的受力方向，标出晶体切片上产生电 荷的符号。 答 JTJTT TX X 1 X X 此 *144 __ t_ _ - i1 t 何 滋砂脸蚣 处 r 代 --------1 （M 十* 必 十 *★ * H・ -■ ■■ ■ - ⑷⑷ 3.27什么是霍尔效应霍尔电压与哪些因素有关 答（1）在置于磁场的导体或半导体入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁 场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应。 （2）霍尔电压的表达式为UHRH/d*lc*B，式中，RH称为霍尔系数，d 为半导体材料的厚度，Ic是X方向的电流，B是z方向的磁场。所以霍尔电压与 控制电流及磁感 应强度的乘积成正比， 与元件厚度成反比，元件厚度越小，输出 电压越大。 3.28什么是霍尔元件的温度特性如何进行补偿 答（1）霍尔元件工作温度发生变化时，它的一些技术参数都要随着发生变化， 从而使霍尔 元件产生温差电压。 （2）补偿的方式①恒流源补偿；②利用输出回路的负载进行补偿；③不等 位电压补偿。 3.30简述热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。 答一是匀质导体定律