机械工程测试技术课后习题及答案第一章传感器及检测系统的基本概念1、检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用2、怎样选择仪表的量程大小？3、测量误差可以分为哪几类？引起各类误差的原因是什么？4、传感器按照被测物理量来分，可以分为哪几种？5、某电路中的电流为10A，用甲乙两块电流表同时测量，甲表读数为10.8A，乙表读数为9.5A，请计算两次测量的绝对误差和相对误差。
6、用1.0级量限100V的电压表甲，0.5级量限250V的电压表乙分别测量某电压，读数皆为80V，试比较两次测量结果的准确度。
7、有三台测温仪表，量程均为0～800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？解答：1、一个完整的工程检测系统包括：传感器、信号调理电路、信号处理电路和显示记录部分。
各部分作用：传感器——感受被测量，并将其转换为电信号；信号调理电路——将传感器输出信号进行放大和转换；信号处理电路——对电信号进行计算和分析；显示记录部分——显示记录测试结果。
2、应根据被测量的大小，兼顾仪表的准确度等级和量程，使其工作在不小于满度值2/3以上的区域。
3、测量误差可以分为：系统误差、随机误差和疏失误差三类。
引起的原因如下:系统误差——仪器误差、零位误差、理论误差、环境误差和观察者误差等随机误差——温度、磁场，零件摩擦、间隙，气压和湿度的变化，测量人员分辨本领的限制等疏失误差——操作、读数、记录和计算等方面的人为误差等4、传感器按被测物理量可以分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。
5、绝对误差：△I= I﹣I=10.8-10=+0.8A；△I= I﹣I=9.5-10=﹣0.5A相对误差：γ甲=△I甲/ I0=+0.8/10=8%；γ乙=△I乙/ I0=﹣0.5/10=﹣5%6、最大绝对误差：△V m甲=±K%·V m甲=±1.0%×100=±1.0V；△V m乙=±K%·V m乙=±0.5%×250=±1.25V最大相对误差：γm甲=△V m甲/ V=±1.0/80=±1.25%；γm乙=△V m乙/ V=±1.25/80=±1.56%故：甲表测量结果的准确度高于乙表。
7、要求相对误差不超过2.5%，那么要求的最大绝对误差为：△T m=±2.5%·T =±2.5%×500=±12.5℃而三台仪表测量的最大绝对误差分别为：2.5级：△T m1=±2.5%·T m =±2.5%×800=±20.0℃2.0级：△T m2=±2.0%·T m =±2.0%×800=±16.0℃1.5级：△T m3=±1.5%·T m =±1.5%×800=±12.0℃故：选用1.5级测温仪表合理。
第二章电阻式传感器1、电阻应变式传感器由哪几部分组成？各组成部分有何功能？可用于测量哪些物理量？2、什么是电阻应变效应？金属丝式应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？3、电阻应变最常采用的测量电路是什么电路？它是怎样将电阻应变片的应变大小εx测量出来的？4、一电位计式位移传感器及接线图如图2-19所示，变阻器有效长度为L，总电阻R=200Ω，读数仪表电阻R L=500Ω，活动触点位置x=L/5。
求：读数仪表的指示值U a。
图2-19 电位计式位移传感器及接线图1、电阻应变式传感器由电阻应变片和弹性敏感元件组成。
电阻应变片通过应变效应感受应力的变化，弹性敏感元件将力、压力和力矩转换为应变或位移等物理量。
可用于测量力、压力、位移、加速度和扭矩等物理量。
2、电阻应变效应指金属导体的电阻在导体受力产生变形（伸长或缩短）时发生变化的物理现象。
金属丝应变片与半导体应变片的机理是一样的，都是应变电阻效应。
区别是前者是利用导体形变引起电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。
3、电阻应变最常采用的测量电路是电桥。
电桥的输出电压与被测应变εx的大小成正比，通过测量电阻的变化来测量相应的应变εx。
4、解：1)计算R ab：R ab=1/(1/R x+1/R L)=1/(1/40+1/500)=1000/27=37Ω2)计算U a：U a=[R ab /( R ab+160)]×U i=[37/(37+160) ]×10=1.88V第三章电容式传感器1、电容式传感器有哪几种类型？2、为什么说变极板间距型电容传感器是非线性的？采取什么措施可改善其非线性特征？3、试分析变有效截面积型和变极板间距型电容传感器的灵敏度。
为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施？4、有一个直径为2m、高5m的铁桶，往桶内连续注水，当注水数量达到桶容量的80%时就应当停止，试分析用应变片式或电容式传感器系统来解决该问题的途径和方法。
5、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。
6、一个圆形极板式电容传感器，极板半径r=4mm，工作初始间隙δ0=0.2mm，请问：(1)工作时，如果传感器的极板间隙发生改变且△δ=±2μm，则电容变化量是多少？(2)如果车辆电路的灵敏度S=100mV/pF，指示仪表的分格常数为n=0.2mV/div，那么在△δ=±2μm 时，读数仪表的指示值将有多少格的变化量？空气的介电常数为ε0=8.85×10﹣12F/m。
1、电容式传感器可分为：变极板间距型、变有效面积型和变极板间介质型三种。
2、变极板间距型电容传感器静态电容量为dAC ε=0，当活动极板移动x 后，其电容量为()()()2202220000111dx d xC x d dx d C x d x d x d d C x d d C d x C x d A C -+=-+=+-+=-=-=-=ε，当x <<d 时，1122≈-d x ，于是)1(0dxC C +=，可见其特性为非线性。
其非线性特性可以这样解决：(1)将结构设计成差动形式，也就是在两个固定极板之间插入动极板，动极板与两边固定极板构成两个互为差动的电容。
其中一个电容增加多少，另一个电容就减少多少。
(2)将上述差动结构的电容作为桥式电路中相邻的两个桥臂，此时，电桥的输出电压与动极板的移动距离呈线性关系（并且灵敏度较之单个电容增加到2倍）。
3、变有效截面积型电容传感器的灵敏度：dbS ε=；要提高灵敏度，就要增大极板长度b ，减小极板间距d 。
变极板间距型电容传感器的灵敏度：20dAS ε=；要要提高灵敏度，就要降低d 0，但d 0过小，会导致电容器击穿，而且会增大非线性，因此采用差动式可提高灵敏度，并且大大降低非线性。
4、可选用应变片式传感器通过测量桶内水的重力或者通过变极板间介质型电容传感器来控制注水数量。
5、优点：温度稳定性好；结构简单、适应性强；动态应好；可以实现非接触测量。
缺点：具有平均效应；b 输出阻抗高、负载能力差；寄生电容影响大；输出特性非线性。
主要应用场合：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。
使用中应注意的问题：要注意保护绝缘材料的的绝缘性能；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。
6、解：(1) 2.22pF F 1022.22.04101085.8122312000=⨯=•⨯⨯⨯==---πδεA CpF 1022.222.2102230--⨯±=⨯⨯±=•∆=∆⇒∆=∆δδC C C 电容变化量：(2)电压变化量：△V=S·△C=100×(±2.22×10﹣2)=±2.22mV仪表变化格数：△V /n=±2.22/0.2=±11.1格第四章电感式传感器1、电感式传感器可分为哪几类？它们的工作原理各是什么？2、什么是差动变压器的零点残余电压，有哪些方法可以进行残余电压补偿？3、双螺管自感传感器相比于单螺管自感传感器有哪些优点？适用于怎样的场合？4、电感式传感器可以直接测量哪些物理量？解答：1、根据转换原理，电感式传感器可分为自感式和互感式两种。
自感式电感传感器工作原理是其电路中自身电流的变换引起感应电动势，称为自感；互感式电感传感器是由于一个电路中电流的变换而在邻近的另一个电路中引起感生电动势的，称为互感。
2、当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。
但实际上，当使用电桥是，在零点仍有一个微小的电压值存在，称为零点残余电压。
消除零点残余电压的方法：从设计和工艺上保证结构对称性；选用合适的测量线路；采用补偿线路。
3、双螺管自感传感器相比于单螺管自感传感器有较高的灵敏度及较好的线性度，常用于电感测微计。
4、电感式传感器可以直接测量线位移和角位移。
第五章电涡流式传感器1、什么是电涡流？2、高频反射式传感器在使用时需要注意什么?3、为了保证较好的线性度和灵敏度，低频透射式传感器在使用时需要注意什么？4、电涡流式传感器可以直接测量哪些物理量？解答：1、成块金属置于变化的磁场中运动时，金属体内会产生感应电流，这种电流就叫电涡流。
2、为了充分有效的利用电涡流效应，保证灵敏度，对被测物体的尺寸有一定要求。
平板型被测体的半径应大于线圈半径的1.8倍，圆柱形被测物体的直径应大于线圈直径的3.5倍以上。
3、测量密度较小的材料时，应选较低的频率，测量密度较大的材料，应选用较高的频率。
4、位移。
第六章压电式传感器1、什么是正压电效应？什么是逆压电效应？压电材料有哪几类？压电传感器的结构和应用特点分别是什么？2、为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不适用于静态测量？3、石英晶体x、y、z轴的名称是什么？有哪些特征？4、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么？为什么？5、一压电式传感器的灵敏度k1=10pC/MPa，连接灵敏度k2=0.008V/pC的电压放大器，所用的笔式记解答：1、正压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，并且电荷密度与力大小成比例，当外力去掉后，介质又重新恢复到不带电状态。
这种现象称为正压电效应。
逆压电效应：当在电介质两个表面施加外电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。