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=±1
2.0℃
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=37Ω
2)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。
