图14-4 由于集肤效应和焊接缺陷所引起的表面电流密集情况

(a)无焊接缺陷；(b)有焊接缺陷

14-5 试说明光子传感器的分类及各自特点。

解答：按照光子传感器的工作原理，可将其分为内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。

14-6 红外无损检测和超声无损检测有何区别?

解答：（1）红外无损检测是20世纪60年代以后发展起来的实用技术。它是通过测量热流或热量来鉴定物质材料质量、探测内部缺陷的。与多种常用的检测技术，如超声波、X射线、磁化等相比，红外无损检测技术具有适用面广（可用于所有金属和非金属材料），速度快（每个则量周期一般只需数秒钟），观测面积大（根据被测对象，一次测量可覆盖面积近一平方米），测量结果用图象显示，直观易懂，无需接触试件等优点。

（2）超声波检测的优点：a.适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；b.穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；c.缺陷定位较准确；d.对面积型缺陷的检出率较高；e.灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；f.检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。

14-7 简述红外线气体分析仪的组成结构及工作原理

解答：组成：分析仪由红外线辐射光源、气室、红外探测器及电路等部分组成。

工作原理：红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段(吸收带)不同，图14-5给出了几种气体对红外线的透射光谱，从图中可以看出，CO气体对波长为4.65μm附近的红外线具有很强的吸收能力，C02气体则在2.78μm和4.26μm附近以及波长大于13μm的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26μm附近的吸收波段进行分析。 14-8 试采用热释电传感器，设计一款自动门开关电路

电路如图所示。它由热释电红外传感模块、延时控制网络、led/' target='_blank'>光电耦合及可控硅控制电路、语言发声电路、交流降压整流电路等组成。HN911D是一块热释电红外探测模块。

14-9 试用红外探测器设计一个自动防盗报警器电路 解答：

K1K电源R1滤光片凸透镜R2VD1R3VT1RP1VD2声光报警VT2K2S

思考题与习题

4.1 什么叫金属导体应变电阻效应？电阻应变片的基本结构由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 答：金属的应变电阻效应，即金属导体材料在受到外界拉力或压力作用时，产生机械变形，机械变形导致导体材料的阻值变化，这种因形变而使其电阻值发生变化的现象称为金属的应变电阻效应。电阻应变片的基本结构由1敏感栅、2导线、3覆盖层和4基底四个部分组成。敏感栅是应变片内实现应变—电阻转换的传感元件。为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上，再在敏感栅上面粘贴一层纸质或胶质的覆盖层，起防潮、防蚀、防损等作用。导线即为敏感栅引出线，用以与外接测量电路连接。应变片使用时用粘结剂将基底粘贴到试件表面的被测部位，基底及其粘合层起着把试件应变传递给敏感栅的作用。为此基底必须很薄，而且还应有良好的绝缘、抗潮和耐热性能。 4.2什么是金属电阻应变片的灵敏度系数？它与金属电阻丝的灵敏度系数有何不同？为什么？

答：金属电阻应变片的灵敏系数k是指应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。而应变电阻材料金属电阻丝的应变灵敏系数k0是指应变电阻材料金属丝的阻值相对变化与应变电阻材料金属丝的的应变之比。实验表明：k小于k0。其原因是：①由于基片粘合层传递应变有损失。②存在横向效应的缘故。

4.3 电阻应变片的灵敏度定义为：K= △R/ Rε，其中△R为受到应变ε作用后应变片电阻的变化，R为应变片初始电阻。一个初始电阻为120Ω的应变片，灵敏度为K=2.0，如果将该应变片用总阻值为12Ω的导线连接到测量系统，求此时应变片的灵敏度。

答：由应变片灵敏度的定义可知应变的表达式为：???R/RK??RKR。当用导线将应变片连接到测量系统

的前后，由于应变片的应变量相同，故用导线连接后应变片的灵敏度变为：

K???R/R???R/R??R/(KR)?KRR??2?120120?12?1.82。

?4.4 金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别？各有何优缺点？

答：金属电阻应变片的工作原理是基于导体材料的“电阻应变效应”，半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的“压阻效应”。和金属电阻应变片相比，半导体应变片具有灵敏度系数大，横向效应小，机械滞后小，尺寸小等优点，但是，半导体应变片多数用薄硅片制成，容易断裂，其测试时的可测应变范围通常限制在3000με左右，而金属电阻应变片的可测应变值达40000με。另外，半导体应变片的温度稳定性差，

测量较大应变时非线性严重，所以其应用仍然受到一定的限制。

4.5 有一电阻应变片，其灵敏度系数K=2，R=120Ω，设工作时其应变为1000με（微应变）， 问：（1）ΔR=？；2）将此应变片接成习题图3-1电路，无应变时的电流值。

答：（1）ΔR=K×R×1000×10-6 = 0.24Ω。（2）有应变时的

1.5?1000/120?125分别求有应变和

电流值为：

；无应变时的电流值为：

1.5?1000/(120?0.24)?124.75mA 习题图4-1 应变片连接电路

4.6 应变片称重传感器，其弹性体为圆柱体，直径D=100mm，材料弹性模量E=205×109N/m2，用它称500kN

的物体，若用电阻丝式应变片，应变片的灵敏系数K=2，R=120?，问电阻变化多少？ 答：圆柱体横截面积S??D42?7.85?10?3m2，根据材料力学理论，应变为：

??FES?500?107.85?10?339?205?10?3.107?10?4。所以电阻变化为：

?R?RK??120?2?3.107?10?4?0.075?。

4.7 试述金属应变片温度误差的概念、产生原因和补偿办法。

答：应变片安装在自由膨胀的试件上，在没有外力作用时，由于测量现场环境温度的改变从而使应变片的电阻也会变化，这种变化给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。

应变片的温度误差主要来源有两个：一个原因是应变片本身电阻温度系数的影响；另一个原因是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数随温度变化的影响。温度补偿方法可采用电桥线路补偿法和应变片自补偿法两种补偿方法。

4.8什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？

答：直流电桥是用直流电源供电的电桥，只能接入电阻元件。直流电桥按桥臂工作方式可分为：单臂工作电桥、双臂工作电桥（差动电桥）和差动全桥电路三种。

4.9 拟在等截面的悬臂梁上粘贴4个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，试问： （1）4个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？ （2）画出相应的电桥电路图。

答：（1）4个应变片的粘贴方法是：使要变化阻应变片应粘贴在悬臂梁的相同侧。 （2）相应的电桥电路图如图示。图中使要的电阻应变片连接在相邻桥臂上。

4.10习题图4-2所示为一直流应变电桥。图中R1=R2=R3=R4=120?，试求：

U=4V

，

变化性质相同性质相同的电

（1）R1为金属应变片，其余为外接电阻。 当R1的增量为ΔR1=1.2?时，电桥输出电压 UO为多少？

（2）R1和R2都是应变片，且批号相同，感

受应变的极性相反，且?R1??R2?1.2?， 习题图4-2 直流应变电桥电路 其余为外接电阻电桥输出电压UO为多少？ 答：（1）等臂电桥ΔR1=1.2?时，输出电压UO=（2）此为差动输入方式，输出电压UO=

1?R2R1?R4R12U??1.212014?1.2120?4?0.01V；

U??4?0.02V；

4.11在使用金属电阻应变片半桥双臂工作电桥时，有人发现灵敏度不够，于是试图在工作电桥的双臂上各并联一片电阻应变片以提高灵敏度，如图习题图4-3所示。计设R，试问是否可提高灵敏度？为什?R?R?R?R1234答： 灵敏度不变，因为在工作电桥半桥双臂上并联一片电阻片，灵敏度与原来相等，所以没有提高灵敏度。 灵敏度如下：

算时假么？ 应

变

1U0?E2?E?2(R??R)R?E?1?R2R，所以可知其灵敏度为习题图4-3 半桥双臂电桥

E

：KU?2

4.12习题图4-4所示为等强度梁测力系统，R1为电阻应 变片灵敏系数K=2.05，未受应变时，R1=120?。当试件 受力F时，应变片承受平均应变ε=8×10-3，求： （1）应变片电阻变化量ΔR1和电阻相对变化量 ΔR1/R1。

（2）将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电源 习题图4-4 等强度梁测力系统 电压为电流3V，求电桥输出电压及电桥非线性误差。

（3）若要减小非线性误差，应采取何种措施？并分析系统电桥输出电压及非线性误差大 小。 答：(1)

?R1R1?K??2.05?8?10?3?1.64?10?2?R1?R1K??120?2.05?8?10?3?1.97?