?C??ab?(a??a)b?b?????a?8.85?10?12?4?10?3?2?10?3?0.5?10?3?1.416?10?3
K?C?b?3?124?10g??a???8.85?100.5?10?3?5.48?10?11c/m四、综合题(10分)
若将四片特性一致的半导体应变片平行贴在悬臂梁上,电阻值均为100?,试件初载等截面积为0.5?10?4m2,悬臂梁弹性模量E?200GN/m2,由50KN的压力引起的应变片电阻变化为1?,把应变片接入图(b)所示的电桥电路,电桥电源电压为1V。
(1)在图3(b)中标出对应的应变片标号。(2分)
(2)若采用并联调零电路调零,如图3(c),试用连线将调零电路接于电
桥
电路。 (2分)
(3)应变片灵敏系数是多少?(4分) (4)电桥输出电压是多少?(2分) (3)
??FES?5000N0.5?10?4m2?200?109N/m2?0.005?RR?K?
K?1100?0.005?1?2(4)对于全桥U?R1?R10?UR?1?100?0.005VU0?UR?1?100?0.005V ?5mV?5mV
??FES?5000N0.5?10?4m2?200?109N/m2?0.005?RR?K?
K?1?0.005?1100?2 C
10.热导式气体分析仪根据混合气体 导热能力的差异 ,实现气体组分的含量分析。
三:简答题(4小题,每小题5分,共20分)
1.利用电涡流式传感器测量物体位移。试问:如果被测物体是塑料材料制成,此时位移测量是否可行?为什么? 答:不行。
因为电涡流只能在铁磁性材料上产生。
2.电阻应变片温度误差产生的原因及补偿方法。 答:原因:(1)电阻温度系数的影响;
(2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。 补偿方法:(1)电桥补偿法;(2)应变片自补偿法;(3)热敏电阻补偿法 3.什么是霍尔效应,并写出霍尔电势与电流强度和磁感应强度的关系。
答:半导体薄片置于磁场中,当它的电流方向与磁场方向不一致时,半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间上产生电动势,此此现象为霍尔效应。 霍尔电动势与电流强度和磁场强度成正比,与载流体厚度成反比。
UH?KHBI
4.简述热电偶测温原理,说明在热电偶回路中可引入连接导线和仪表的依据是什么?
热电效应,将两种不同材料的导体或半导体串接成一个闭合回路,两个接点置于不同温度场,会产生电动势。冷端温度恒定,工作端置于被测温度场,由测得热电势可确定被测体温度。
- 5 -
中间导体定律,在热电偶回路中接入仪表或导线,只要两接点温度相同,不影响热电势的大小。
四、分析计算题(2小题,每小题10分,共20分) 1.单组式变面积型平板形线位移电容传感器,两极板相互覆盖的宽度为4mm。两极板的间隙为0.5mm,极板间介质为空气,试求其静态灵敏度?若极板相对移动2mm,求其电容变化量?已知??8.85?10?12
?C??ab?(a??a)b?????b?a?8.85?10?12?4?10?3?2?10?3?0.5?10?3?1.416?10?13F
K?C?b?3?124?10g??a???8.85?100.5?10?3?7.08?10?11F/m2、分析差动变压器的相敏检波电路工作原理。
当衔铁在零位以上时x(t)?0
(1)载波信号在(0~?)时
U与U0同相,变压器A次级输出电压U1上正下负,U2上正下负;变
压器B次级输出电压U01左正右负,U02左正右负。
U1正端接节点4,U01正端接节点1,由于U1??U01,所以4点电位低于1点,D1截止;
U1正端接节点4,U01负端接3,3点电压低于4点,D4截止; U2负端接2,U01正端接1,1点电位高于2点,D2导通;
U2负端接2,U02负端接3,由于U02>>U2,3点比4点电位更负,D3导通。
此时,D2回路
相敏检波电路
i2?U01?U2R?Rf,方向自下而上流经Rf
D3回路
i3?U02?U2R?Rf,方向自上而下流经Rf
由于i2?i3,因此,流经Rf的电流方向为自下而上,电压方向为下正上负,设,此时Rf的电压为正。
(2)载波信号为下半周(?~2?)时
U1上正下负,U2上正下负;变压器B次级输出电压U01左负右正,U02左负右正。
U1负端接节点4,U01负端接节点1,由于4点电位高于1点,D1导通; U1负端接节点4,U01正端接3,3点电压高于4点,D4导通; U2正端接2,U01负端接1,1点电位低于2点,D2截止;
U2正端接2,U02正端接3,由于U02>>U2,2点比3点电位低,D3截止。 D1回路
i1?U02?U1R?Rf,方向自上而下流经Rf
D4回路
- 6 -
i4?U02?U1R?Rf,方向自下而上流经Rf
由于i4?i1,因此,此时Rf上电流为自下而上,电压为正 2)当衔铁为零位以下时,分析情况同上
此时,Rf上的电流始终为自上而下,因此,Rf上电压为负
因此,当衔铁在零位以上时,Rf上电压始终为正,当衔铁在零位以下时,Rf上电压始终为负。以次来判断衔铁移动的极性,并且消除了零点残余电压。
四、分析计算题(2小题,每小题10分,共20分) 1.单组式变面积型平板形线位移电容传感器,两极板相互覆盖的宽度为4mm。两极板的间隙为0.5mm,极板间介质为空气,试求其静态灵敏度?若极板相对移动2mm,求其电容变化量?已知??8.85?10?12
?C??ab?(a??a)b?b?a??????12?8.85?10?4?10?3?2?10?30.5?10?3?1.416?10?13F
K??C??3?a?b??8.85?10?124?10g0.5?10?3?7.08?10?11F/m
五、设计题(10分)
一个悬臂梁受力作用弯曲,现在用电阻应变片测量作用力F。当考虑采用电阻应变片温度线路补偿法时,请画图表示应变片粘贴位置和测量线路的接法,画出调零电阻,并说明调零电阻在测量线路中的作用。
F
答:采用全桥测量电路消除温度对测量结果的影响,R1、R2、R3、R4分别为阻值相等的应变片,粘贴位置和测量电路如图所示。调零电阻使对角线电阻乘积相等,电桥平衡。
R3 RR34 F R1RR2R4R2 1 粘贴位置
测量电路
粘贴位置
R3 - 7 -
R4 F R 4.什么是光电效应,依其表现形式如何分类,并予以详细解释。
光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的连续轰击,物体吸收光子能量而产生
相应的电效应,称之为光电效应。这是实现光电转换的物理基础。
三、简答题(每题6分,共计30分) (2分) 1. 简述电涡流的趋肤效应的基本内容。 光电效应依据表现形式的不同,通常可分为三类:
电涡流式传感器在金属导体内产生的涡流存在趋肤效应。即涡流的渗透深度与激磁①光电导效应——光照射改变半导体导电率,从而引起半导体电阻值的变化效应。 电流的频率有关。(2分)频率越高,渗透深度越浅,趋肤效应越明显,频率越低,(4分)渗透深度越深,趋肤效应越弱。(5分) 2.试分析电容传感器中误差的主要来源以及减少和消除的方法。 (1)温度影响: a)温度主要影响传感器的结构尺寸。 (1分) 减少和消除方法:①尽量选择温度系数小且稳定的金属材料作电容器极板。 ②采用差动对称结构,在测量电路中加以补偿。 b)对某些介质的介电常数有一定的影响。 (2分) 减少和消除方法:这种变化引入的误差只有在测量电路中进行补偿。 (2)电场的边缘效应影响:边缘效应使电容传感器测量精度下降,非线性上升。(3分)
减少和消除方法:增加极板面积和减少极板间距离可减少边缘效应的影响。当检测
要求很高时,可考虑加装等位环,即在极板周边外围同一平面上加装一个同心圆环。(3)寄生电容的影响:电容传感器的电容值通常很小。测量电路若处理不当,寄生电容有可能大于传感器电容,使电容传感器无法工作。
减少和消除方法:①尽量减少电容器极板引出线长度,且不要平行布
线。 (4分)
②屏蔽电容器:可对传感器及测量电路实行整体屏蔽,即电容器,电路装在同一个屏蔽壳内,保持屏蔽体有效接地。 (5分)
3.简述热电偶的三个基本定律。
(1)中间导体定律:在热电偶测温时,在热电偶回路中接入第三种导体,
只要其两端温度相同,则不影响热电偶回路的总电势。 (1
分)
数学表达式为:EAB(T,T0)=EABC(T,T0) (2分)
(2)参考(标准)电极定律:当结点温度为T,T0时,导体A,B组成热电偶的回路电
势EAB(T,T0)等于导体A,C和C,B组成的热电偶回路电势EAC(T,T0)与ECB(T,T0)
之代数和。 (3分) 即EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0) (4分)
(3)中间温度定律:热电偶在接触点温度为T,T0时的回路总电势,等于该热电偶在接
触点温度为T,Tn和Tn,T0(T>Tn>T0)时回路电势的代数和。
即EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+ EAB(Tn,T0) (5分) (3分) ②光生伏特效应——光照改变半导体PN结电场,从而引起PN结电势的变化效应,又称PN结光电效应。 (4分) ③光电发射效应——某些物质(如金属丝)在光的照射下,能从表面向外
部发射电子的现象称为光电发射效应。 (5分)
5.简述拉依达准则的主要内容。 凡残余误差大于三倍标准偏差即被认为是粗差,它所对应的测量值就是坏值,应予以舍弃。 (3分) 数学表达式为:
Vb?Xb?X?3? (5分) 四、计算题(共计40分)
1.某1.0级电流表,满度值xm?100?A,求测量值分别x1?100?A
x2?80?A x3?20?A时的绝对误差和示值相对误差。 (10分)
解:对1.0级电流表可能产生的最大绝对误差:
?Xm??m?Xm??1.0%?100?A??1?A (2分)
而测得值分别为100?A、80?A、20?A时的示值相对误差各不相同。
??X1X%??Xm?100%??1?AX1??100A?100%??1.0% (4分) 1X1100? ? ?XX 2 ? X 2 ? 100 % ? ? X m ? 100 % ? ? 1 ?? A A ? 100 % ? ? 1.25% (6分) 2X280??X3??Xm?100%??1?AX3??100%?100%??5.0% (8分)
X20?A 3X3- 8 -