磁敏三极管的灵敏度比二极管大 倍到 倍,其工作电压的范围也较宽。(几;十几)2-4、现有栅长为3mm和5mm两种丝式应变计,其横向效应系数分别为5%和3%,欲用来测量泊松比μ=0.33的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布(其应力分布梯度较大)。试问:应选用哪一种应变计?为什么?答:应选用栅长为5mm的应变计。由公式dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)和dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)知应力大小是通过测量应变片电阻的变化率来实现的。电阻的变化率主要由受力后金属丝几何尺寸变化所致部分(相对较大)加上电阻率随应变而变的部分(相对较小)。一般金属μ≈0.3,因此(1+2μ)≈1.6;后部分为电阻率随应变而变的部分。以康铜为例,C≈1,C(1-2μ)≈0.4,所以此时K0=Km≈2.0。显然,金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。从结构尺寸看,栅长为5mm的丝式应变计比栅长为3mm的应变计在相同力的作用下,引起的电阻变化大。2-5、现选用丝栅长10mm的应变计检测弹性模量E=2×1011N/m2、密度ρ=7.8g/cm3的钢构件承受谐振力作用下的应变,要求测量精度不低于0.5%。试确定构件的最大应变频率限。答:机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、胶层(两者都很薄,可忽略不计)和栅长dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)而为应变计所响应时,就会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量,尤会产生误差。由dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)式中dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)为声波在钢构件中传播的速度;又知道声波在该钢构件中的传播速度为:dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p);dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p);可算得dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)。2-6、为什么常用等强度悬臂梁作为应变式传感器的力敏元件? 现用一等强度梁:有效长dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)=150mm,固支处宽b=18mm,厚h=5mm,弹性模量E=2×105N/mm2,贴上4片等阻值、K=2的电阻应变计,并接入四等臂差动电桥构成称重传感器。试问: 1)悬臂梁上如何布片?又如何接桥?为什么?2)当输入电压为3V,有输出电压为2mV时的称重量为多少?答:当力F作用在弹性臂梁自由端时,悬臂梁产生变形,在梁的上、下表面对称位置上应变大小相当,极性相反,若分别粘贴应变片R1 、R4 和R2 、R3 ,并接成差动电桥,则电桥输出电压Uo与力F成正比。等强度悬臂梁的应变dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)不随应变片粘贴位置变化。1)、悬臂梁上布片如图2-20a所示。接桥方式如图2-20b所示。这样当梁上受力时,R1、R4受拉伸力作用,阻值增大,R2、R3受压,阻值减小,使差动输出电压成倍变化。可提高灵敏度。2)、当输入电压为3V,有输出电压为2mV时的称重量为:计算如下:由公式:dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)代入各参数算F=33.3N;1牛顿=0.102千克力;所以,F=3.4Kg。此处注意:F=m*g;即力=质量*重力加速度;1N=1Kg*9.8m/s2.力的单位是牛顿(N)和质量的单位是Kg;所以称得的重量应该是3.4Kg。dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p) ;2-7、何谓压阻效应?扩散硅压阻式传感器与贴片型电阻应变式传感器相比有什么优点,有什么缺点?如何克服?答:“压阻效应”是指半导体材料(锗和硅)的电阻率随作用应力的变化而变化的现象。优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小,灵敏系数极大,因而输出也大,可以不需放大器直接与记录仪器连接,使得测量系统简化。缺点是电阻值和灵敏系数随温度稳定性差,测量较大应变时非线性严重;灵敏系数随受拉或压而变,且分散度大,一般在(3-5)%之间,因而使得测量结果有(±3-5)%的误差。压阻式传感器广泛采用全等臂差动桥路来提高输出灵敏度,又部分地消除阻值随温度而变化的影响。2-8 、一应变片的电阻R=120Ω,k=2.05,用作应变片为800μm/m的传感元件。A. 求ΔR/R和ΔR; B. U=3V,惠斯登电桥初始平衡,求输出电压U。 C. 答:dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)此处dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)=800μm/m;所以dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p); D. dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p); E. 全桥电路连接时,输出电压可按下式计算: F. R2/R1,为桥臂比;此处取四个电阻相等,所以n=1;算得U=4.92mV。 G. R1和R2,把这两片应变片接入差动电桥(如图2-19),若钢的泊松系数μ=0.285,应变片的灵敏度系数k=2,电桥电源电压U=2V,当试件受轴向拉伸时,测得应变片的电阻变化ΔR1=0.48 Ω,求电桥的输出电压U为多少?dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)半桥电路答:由dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)轴向应变引起的电阻变化;可求的轴向应变系数dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p);总的应变系数dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p);又 dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)U0=2.567mV。4-1 有一只变极距电容传感元件,两极板重叠有效面积为8×10-4m2,两极板间的距离为1mm,已知空气的相对介电常数是1.0006,试计算该传感器的位移灵敏度。答:由变极距型电容传感器知识可知,其位移灵敏度dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p),由已知条件可知dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p),代入数据可以求得:dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)。4-2 简述电容式传感器的工作原理S、dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)或dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p),这就组成了电容式传感器。4-5 采用运算放大器作为电容传感器的测量电路,其输出特性是否为线性?为什么?答:采用运算放大器作为电容传感器的测量电路时,其输出/输入特性关系为:dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)。Zi及放大倍数足够大。同时,为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定。6-4 什么是霍尔效应?霍尔电势与哪些因素有关?答:置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应。霍尔器件工作产生的霍尔电势为dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p),由表达式可知,霍尔电势dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)正比于激励电流dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)及磁感应强度dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p),其灵敏度dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)与霍尔系数dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)成正比,而与霍尔片厚度dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)成反比。6-5 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些?怎样补偿?答:影响霍尔元件输出零点的因素主要是霍尔元件的初始位置。霍尔位移传感器,是由一块永久磁铁组成磁路的传感器,在霍尔元件处于初始位置dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)时,霍尔电势dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)不等于零。霍尔式位移传感器为了获得较好的线性分布,在磁极端面装有极靴,霍尔元件调整好初始位置时,可以使霍尔电势dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)=0。6-6 温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响?如何补偿?T倍。补偿温度变化对霍尔电势的影响,通常采用一种恒流源补偿电路。基本思想是:在温度增加的同时,让激励电流dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)相应地减小,并能保持dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)乘积不变,也就可以相对抵消温度对灵敏系数dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)增加的影响,从而抵消对霍尔电势的影响。dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)7-1在炼钢厂中,有时直接将廉价热电极(易耗 品,例如镍铬、镍硅热偶丝,时间稍长即熔化)插入钢水中测量钢水温度,如图 7-27所示。试说明测量钢水温度的基本原理?为什么不必将工作端焊在一起? 要满足哪些条件才不影响测量精度?采用上述方法是利用了热电偶的什么定律?如果被测物不是钢水,而是熔化的塑料行吗?为什么?答:测量钢水温度的基本原理是利用了热电效应;因为钢水是导体,又处在同一个温度下,把钢水看作是第三导体接入,利用了热电偶的导体接入定律;如果被测物不是钢水,而是熔化的塑料不行,因为,塑料不导电,不能形成热电势。(K)热电偶测温度,已知冷端温度dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)为40℃,用高精度毫伏表测得这时的热电势为29.186mV ,求被测点温度?K分度表,热电偶在40℃时相对于0℃的热电势为:1.6118mV;由公式:dfrac (R)(R)=(1+2mu )(varepsilon )_(x)+dfrac (dp)(p)V=30.798mV;K分度表得被测点温度值为:740℃。XCT-101 型动圈仪表组成的热电偶测温、控温电路。请正确连线。V交流电从接线排引入,经过交流接触器,到退火电炉主加热回路。V单相电给控制盒,获得低压直流电,给检测回路供电;热电偶接入控制盒输入端,经内部处理电路,控制直流继电器线圈,用直流继电器的常开触点控制交流接触器的线圈电压。L1火线经过交流接触器的线圈一端,线圈另一端接直流继电器的常开触电端,直流继电器的公共端接交流电的零线。使得当直流继电器吸合时,交流接触器线圈得点,吸合。

磁敏三极管的灵敏度比二极管大 倍到 倍,其工作电压的范围也较宽。(几;十几)

2-4、现有栅长为3mm和5mm两种丝式应变计,其横向效应系数分别为5%和3%,欲用来测量泊松比μ=0.33的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布(其应力分布梯度较大)。试问:应选用哪一种应变计?为什么?

答:应选用栅长为5mm的应变计。由公式和知应力大小是通过测量应变片电阻的变化率来实现的。电阻的变化率主要由受力后金属丝几何尺寸变化所致部分(相对较大)加上电阻率随应变而变的部分(相对较小)。一般金属μ≈0.3,因此(1+2μ)≈1.6;后部分为电阻率随应变而变的部分。以康铜为例,C≈1,C(1-2μ)≈0.4,所以此时K0=Km≈2.0。显然,金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。从结构尺寸看,栅长为5mm的丝式应变计比栅长为3mm的应变计在相同力的作用下,引起的电阻变化大。

2-5、现选用丝栅长10mm的应变计检测弹性模量E=2×1011N/m2、密度ρ=7.8g/cm3的钢构件承受谐振力作用下的应变,要求测量精度不低于0.5%。试确定构件的最大应变频率限。

答:机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、胶层(两者都很薄,可忽略不计)和栅长而为应变计所响应时,就会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量,尤会产生误差。由式中为声波在钢构件中传播的速度;

又知道声波在该钢构件中的传播速度为:

;

;

可算得。

2-6、为什么常用等强度悬臂梁作为应变式传感器的力敏元件? 现用一等强度梁:有效长=150mm,固支处宽b=18mm,厚h=5mm,弹性模量E=2×105N/mm2,贴上4片等阻值、K=2的电阻应变计,并接入四等臂差动电桥构成称重传感器。试问: 1)悬臂梁上如何布片?又如何接桥?为什么?

2)当输入电压为3V,有输出电压为2mV时的称重量为多少?

答:当力F作用在弹性臂梁自由端时,悬臂梁产生变形,在梁的上、下表面对称位置上应变大小相当,极性相反,若分别粘贴应变片R1 、R4 和R2 、R3 ,并接成差动电桥,则电桥输出电压Uo与力F成正比。等强度悬臂梁的应变不随应变片粘贴位置变化。

1)、悬臂梁上布片如图2-20a所示。接桥方式如图2-20b所示。这样当梁上受力时,R1、R4受拉伸力作用,阻值增大,R2、R3受压,阻值减小,使差动输出电压成倍变化。可提高灵敏度。

2)、当输入电压为3V,有输出电压为2mV时的称重量为:

计算如下:

由公式:代入各参数算F=33.3N;

1牛顿=0.102千克力;所以,F=3.4Kg。此处注意:F=m*g;即力=质量*重力加速度;1N=1Kg*9.8m/s2.力的单位是牛顿(N)和质量的单位是Kg;所以称得的重量应该是3.4Kg。

;

2-7、何谓压阻效应?扩散硅压阻式传感器与贴片型电阻应变式传感器相比有什么优点,有什么缺点?如何克服?

答:“压阻效应”是指半导体材料(锗和硅)的电阻率随作用应力的变化而变化的现象。

优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小,灵敏系数极大,因而输出也大,可以不需放大器直接与记录仪器连接,使得测量系统简化。

缺点是电阻值和灵敏系数随温度稳定性差,测量较大应变时非线性严重;灵敏系数随受拉或压而变,且分散度大,一般在(3-5)%之间,因而使得测量结果有(±3-5)%的误差。

压阻式传感器广泛采用全等臂差动桥路来提高输出灵敏度,又部分地消除阻值随温度而变化的影响。

2-8 、一应变片的电阻R=120Ω,k=2.05,用作应变片为800μm/m的传感元件。

A. 求ΔR/R和ΔR;
B. U=3V,惠斯登电桥初始平衡,求输出电压U。
C. 答:此处=800μm/m;所以;
D. ;
E. 全桥电路连接时,输出电压可按下式计算:
F. R2/R1,为桥臂比;此处取四个电阻相等,所以n=1;算得U=4.92mV。
G. R1和R2,把这两片应变片接入差动电桥(如图2-19),若钢的泊松系数μ=0.285,应变片的灵敏度系数k=2,电桥电源电压U=2V,当试件受轴向拉伸时,测得应变片的电阻变化ΔR1=0.48 Ω,求电桥的输出电压U为多少?

半桥电路
答:由轴向应变引起的电阻变化;可求的轴向应变系数;总的应变系数;
又
U0=2.567mV。
4-1 有一只变极距电容传感元件,两极板重叠有效面积为8×10-4m2,两极板间的距离为1mm,已知空气的相对介电常数是1.0006,试计算该传感器的位移灵敏度。
答:由变极距型电容传感器知识可知,其位移灵敏度,
由已知条件可知,代入数据可以求得:。
4-2 简述电容式传感器的工作原理
S、或发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,这就组成了电容式传感器。
4-5 采用运算放大器作为电容传感器的测量电路,其输出特性是否为线性?为什么?
答:采用运算放大器作为电容传感器的测量电路时,其输出/输入特性关系为:。
Zi及放大倍数足够大。同时,为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定。
6-4 什么是霍尔效应?霍尔电势与哪些因素有关?
答:置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应。
霍尔器件工作产生的霍尔电势为,由表达式可知,霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔系数成正比,而与霍尔片厚度成反比。
6-5 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些?怎样补偿?
答:影响霍尔元件输出零点的因素主要是霍尔元件的初始位置。
霍尔位移传感器,是由一块永久磁铁组成磁路的传感器,在霍尔元件处于初始位置时,霍尔电势不等于零。霍尔式位移传感器为了获得较好的线性分布,在磁极端面装有极靴,霍尔元件调整好初始位置时,可以使霍尔电势=0。
6-6 温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响?如何补偿?
T倍。
补偿温度变化对霍尔电势的影响,通常采用一种恒流源补偿电路。基本思想是:在温度增加的同时,让激励电流相应地减小,并能保持乘积不变,也就可以相对抵消温度对灵敏系数增加的影响,从而抵消对霍尔电势的影响。
7-1在炼钢厂中,有时直接将廉价热电极(易耗 品,例如镍铬、镍硅热偶丝,时间稍长即熔化)插入钢水中测量钢水温度,如图 7-27所示。试说明测量钢水温度的基本原理?为什么不必将工作端焊在一起? 要满足哪些条件才不影响测量精度?采用上述方法是利用了热电偶的什么定律?如果被测物不是钢水,而是熔化的塑料行吗?为什么?
答:测量钢水温度的基本原理是利用了热电效应;因为钢水是导体,又处在同一个温度下,把钢水看作是第三导体接入,利用了热电偶的导体接入定律;如果被测物不是钢水,而是熔化的塑料不行,因为,塑料不导电,不能形成热电势。
(K)热电偶测温度,已知冷端温度为40℃,用高精度毫伏表测得这时的热电势为29.186mV ,求被测点温度?
K分度表,热电偶在40℃时相对于0℃的热电势为:1.6118mV;
由公式:
V=30.798mV;
K分度表得被测点温度值为:740℃。
XCT-101 型动圈仪表组成的热电偶测温、控温电路。请正确连线。
V交流电从接线排引入,经过交流接触器,到退火电炉主加热回路。
V单相电给控制盒,获得低压直流电,给检测回路供电;热电偶接入控制盒输入端,经内部处理电路,控制直流继电器线圈,用直流继电器的常开触点控制交流接触器的线圈电压。L1火线经过交流接触器的线圈一端,线圈另一端接直流继电器的常开触电端,直流继电器的公共端接交流电的零线。使得当直流继电器吸合时,交流接触器线圈得点,吸合。