机械工程测试技术基础熊诗波课后习题答案

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《机械工程测试技术基础》

-第三版一

熊诗波等著

绪论

0-1叙述我国法定计量单位的基本内容。

解答：教材P4~5,二、法定计量单位。

0-2如何保证量值的准确和一致？

解答：(参考教材P4~6，二、法定计量单位~五、量值的传递利计量器具检定)

1、对计量单位做出严格的定义；

2、有保存、复现和传递单位的一整套制度和设备；

3、必须保存有基准计量器具，包括国家基准、副基准、工作基准等。

3、必须按检定规程对计量器具实施检定或者校准，将国家级准所复现的计量单位量值经过各级计算标准

传递到工作计量器具.

0-3何谓测量误差？通常测量误差是如何分类表示的？

解答：(教材P8~10,八、测量误差)

0—请将下列诸测量结果中的绝对误差改写为相对误差。

①1.0182544V土7.8RV

②(25.04894±0.00003)g

③(5.482±0.026)g/cm2解

答：

①±7.8x1(W1.0182544«±7.6601682/1及

@±0.00003/25.04894^±1.197655/10

③±0.026/5.482=4.743%。

0—5何谓测量不确定度?国际计量局于1980年提出的建议《实验不确定度的规定建议书INC-l(1980)》的

要点是什么？

解答:

(1)测量不确定度是表征被测量值的真值在所处量值范围的一个估计，亦即由于测量误差的存在而对被

测量值不能肯定的程度。

(2)要点：见教材P11。

0-6为什么选用电表时，非但要考虑它的准确度，而且要考虑它的量程?为什么是用电表时应尽可能地

在电表量程上限的三分之二以上使用?用量程为150V的0o5级电压表和量程为30V的1。5级电压表分别测量

25V电压,请问哪一个测量准确度高？

解答：

(1)因为多数的电工仪表、热工仪表和部份无线电测量仪器是按引用误差分级的(例如，精度等级为0.2

级的电表，其引用误差为0。2%),而

引用误差=绝对误差/引用值

其中的引用值普通是仪表的满度值(或者量程)，所以用电表测量的结果的绝对误差大小与量程有关.量程越大,

引起的绝对误差越大，所以在选用电表时，非但要考虑它的准确度，而且要考虑它的量程。

(2)从(1)中可知，电表测量所带来的绝对误差=精度等级x量程/100,即电表所带来的绝对误差是一定的，

这样，当被测量值越大，测量结果的相对误差就越小，测量准确度就越高，所以用电表时应尽可能地在电表

量程上限的三分之二以上使用.

(3)150V的0。5级电压表所带来的绝对误差=0。5x150/100=0»75V;30V的1。5级电压表所带来的绝对

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误差=1。5x30/100=0.45Vo所以30V的1。5级电压表测量精度高。

0—7如何表达测量结果？对某量进行8次测量，测得值分别为：802。40,802o50,802.38,802。48,

802.42,802o46,802.45,802.43。求其测量结果。

解答：

(1)测量结果=样本平均值土不确定度

S

或者X奏+冬夕访

（2）x三-TH—=802.44

lx8(x-r)2

s---------=0.040356

-丫8-1

s

a=-==0.014268

x<8

所以测量结果=802.44+0.014268

0-8用米尺逐段丈量一段10m的距离，设丈量Im距离的标准差为0.2mm.如何表示此项间接测量的函数

式？求测此10m距离的标准差。

II

解答：⑴L=xL

i

i=1

⑵个杆哥

0-9直圆柱体的直径及高的相对标准差均为0。5%,求其体积的相对标准差为多少？

解答：设直径的平均值为5高的平均值为广，体积的平均值为「则

_1162万

V=

4

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第一章信号的分类与描述

1—1求周期方波（见图11）的傅里叶级数（复指数函数形式），划出吟|-8和Q-3图，并与表1-1对照。

图1-4周期方波信号波形图

解答：在一个周期的表达式为

-A(-7^t<0)

x(t)=〈」

「(0共t<1)

积分区间取(-172,172)

1•/1•1•/

c=J2x(t)e-jno0tdt=J°-Ae-jno0tdt+JrAe-jno0tdt

nT一坛TfTo

"T2"IF2"tr

A

=ji(cosn"-1)(n=0,±1,±2,±3,)

所以复指数函数形式的傅里叶级数为

w

x(t)=乂卬cejno0t=-j„^p-cosn")eino0t,n=0,±1,±2,±3,

n=-wnn=-U

|<■=-(1-cosn")

(xl〃兀(〃=0,土1,土2,土3,)

|L=0

n=±1,±3,±,

n=0,±2,±4,±6,

]-nn=+1,+3,+5,

2

on=-1,-3,-5,

n£见_]|希

p=arctan*Qn=0,±2,±4,±6,

没有偶次谐波.其频谱图如下图所示。

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幅频图相频图

周期方波复指数函数形式频谱图

1—2求正弦信号x(t)=xsinwt的绝对均值M利均方根值x.

0'Xrms

112xT2xT4,Y9Y

解答：U=_L(P[x(t用t=_CpTfsin3tlit=_alp~2sinwtdt=-_(LCOS3t.=ZX=%

UTOTO0ToTo)0TwTT

x=50X2(t)dt=^jpTX2sin2U)tdt=甲〔三0s23ta二乂/

1-3求指数函数x(t)=Ae-at(a>0,t>0)的频谱。

解答:

z

X(f)=(px(t)e-j2.ftdt=(p-AeateLt=Ae-sqi=_A=A(a-j2nf)

一’0-(〃+/2兀/尹a+j271fa2+(2nf)2

伊"％2+狐）2

0(f)=arctanJ^,-arctan£2!

ReX(f)a

.

单边指数衰减信号频谱图

1—4求符号函数（见图l-25a）和单位阶跃函数（见图1—25b）的频谱.

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sgn(t)1u(ty

11

0t0t

-1

a)符号函数b)阶跃函数

图1-25题1-4图

a)符号函数的频谱

(+1t>0

x(t)=sgn(t)=i<it<0

t=0处可不予定义，或者规定sgn(0)=0。

该信号不满足绝对可积条件，不能直接求解，但傅里叶变换存在。

可以借助于双边指数衰减信号与符号函数相乘，这样便满足傅里叶变换的条件。先求此乘积信号X](t)

的频谱，然后取极限得出符号函数x(t)的频谱。

(e-att>0

x(t)=e-atsgn(t)=(

1I-eatt<0

x(t)=sgn(t)=limx(t)

a)01

X(f)=jwx(t)e-j2"ftdt=j°-eate-j2-ftdt+jwe-ate-j2-1tdt=-j41

1-w1w0a2+(2"f)2

X(f)=F[sgn(t)]=limX(f)=-j

a)01

Q(f)=4]

f>0

II2

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b)阶跃函数频谱

(1t>0

u(t)=(

K|0t<0

在跳变点t=0处函数值未定义，或者规定U(0)=1/2o

阶跃信号不满足绝对可积条件，但却存在傅里叶变换。由于不满足绝对可积条件，不能直接求其傅里叶

变换，可采用如下方法求解。

解法1：利用符号函数

u(t)=l+lsgn(t)

22

U(f)=p[u(t)]=F

：+!F[sgn(t)]=15(f)+l(|(-j丁))16(f)-jf

.)1=/)+力

结果表明，单位阶跃信号u(t)的频谱在f=0处存在一个冲激分量，这是因为u(t)含有直流分量，在预

料之中。同时，由于u(t)不是纯直流信号，在t=0处有跳变，因此在频谱中还包含其它频率分量。

解法2：利用冲激函数

r>0时

u(t)=j'6(T)dT=(

-w/<()时

根据傅里叶变换的积分特性

U(f)=Fj'6(T)dT4fA(f)t；A(0)6(f)三;

-w

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1-5求被截断的余弦函数C0S3t（见图1-26）的傅里叶变换.

0

costwtltl<T

0

X"|t|>T

解:x⑴=w(t)cos(2-ft)

0

w(t)为矩形脉冲信号

W(f)=2Tsinc(2"Tf)

cos(2"ft)=L(ej2'fot+e-j2"f0t)

02

所以x(t)=)5A^t)ej2-fot+1w(t)e-j2-f0t

22

根据频移特性和叠加性得:

x(f)=2w(f-frf)+Jw(f+fo)

=Tsinc[2"T(f-f)]+Tsinc[2"T(f+f)]图被截断的余弦函数

oo1-26

可见被截断余弦函数的频谱等于将矩形脉冲的频谱一分为二，各向摆布挪移f0,同时谱线高度减小一半.

也说明，单一频率的简谐信号由于截断导致频谱变得无限宽.

1-6求指数衰减信号x（t）=e-atsinwt的频谱

解答：

eiot-e-)ot)

sin(ot)=100

。~2j

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所以x(t)=e-at_L(eio0t-eio0t)

2j

单边指数衰减信号x(t)=e-at(a>O.t>0)的频谱密度函数为

1

X(f)=jwx(t)e-)otdt=jwe-ate-j°tdt=---—a-1。.

1-wioa+joa2+02

根据频移特性和叠加性得：

X(O)=工[x(o-o)-x(o+o)]=14-德T」

2j1°1°2j+(co—。)2a2+((o+。)2

L00」

=—oja2-(02-OQ2)]_______2aooo

[a2+(o-o)2][a2+(o+o)2][32+(o-o月⑶+(o+0)2]

0000

00m

函数f(t)叫做调制信号，余弦振荡COS3t叫做载波。试求调幅信号f⑴COS3t的傅里叶变换，示意画出调

00

幅信号及其频谱。又问：若3<3时将会浮现什么情况？

解:X⑴=f(t)cos(ot)

0

F(o)=F[f(t)]

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cos(ot)=2(ejo0t+e-jo0t)

02

所以x⑴=1f(t)eiO0t+2f(t)e-iO0i

22

根据频移特性和叠加性得：

1八八1八八

x(f)=去(09+护o+q)

可见调幅信号的频谱等于将调制信号的频谱一分为二，各向摆布挪移载频80,同时谱线高度减小一半.

矩形调幅信号频谱

若3<3将发生混叠。

0m

1-8求正弦信号x(t)=xsin(3t+p)的均值|J、均方值甲2和概率密度函数p(x).

0xx

解答：

(1)M=lim1£x(t)dt=1£oxsin(3t+p)dt=0,式中T=2二正弦信号周期x

T)WT0To0

0

小、r1；T%1IT/,7aX2：1-COS2(0jt+D)X2

(2)ip2=hmJTX2(t)dt=J]oX2sm2((jot+p)dt=oIJovdt=_o__

XT)w-l0I00I022

00

(3)在一个周期内

T=At+At=2At

xO12

P[x<x(t)ftx+Ax]=lim工=J1Q=2"

T)wTII

00

/\..P[x<x(t)共x+Ax]..2At2dt1

p(x)=hmL'______J=hm_____=_____=_—L__

AX)OAxAX)OTAXTdxpjx2-X2

0°v0

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第二章测试装置的基本特性

2—1进行某动态压力测量时，所采用的压电式力传感器的灵敏度为90.9nC/MPa,将它与增益为0。

005V/nC的电荷放大器相连，而电荷放大器的输出接到一台笔式记录仪上，记录仪的灵敏度为20mm/V。试

计算这个测量系统的总灵敏度。当压力变化为3.5MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量是多少？

解：若不考虑负载效应，则各装置串联后总的灵敏度等于各装置灵敏度相乘，即

S=90o9(nC/MPa)0.005(V/nC)20(mm/V)=9.09mm/MPa.

偏移量：y=S3«5=9.093。5=31.815mm。

2-2用一个时间常数为0。35s的一阶装置去测量周期分别为Is、2s和5s的正弦信号，问稳态响应幅值误差

将是多少？

解:设一阶系统H(S)=-LH(O)=

Ts+11+jTO

11

A(0)=|H(0),T是输入的正弦信号的周期

稳态响应相对幅值误差6=4(。)一”〉100%，将已知周期代入得

Q58.6%T=1s

6如(32.7%T=2s

fe.5%T=5s

2—3求周期信号x(t)=0。5cosl0t+0.2cos(100t-45)通过传递函数为H(s)=1/(0。005s+l)的

装置后得到的稳态响应。

解：H(0)=--1—A(0)

(0)=—arctan(0.005O)

1+J0.005O+(0.0050)2

该装置是一线性定常系统，设稳态响应为y(t),根据线性定常系统的频率保持性、比例性和叠加性得

到

y(t)=ycos(10t+)+ycos(100t-45+)

01I022

其中y=A(10)x=1>0.51口0.499.0=0(1。=—arctan(0.005)10)如一2.86。

0101/+(0.005)10)21

y=A(100)x=130.2如0.179.Q=Q(100)=—arctan(0.005)100)如一26.57。

02021+(0.005〉100)22

所以稳态响应为y(t)=0.499cos(1Ot—2.86O)+0.179cos(100t—71.57.)

2-4气象气球携带一种时间常数为15s的一阶温度计，以5m/s的上升速度通过大气层。设温度按每升高

30m下降0。15c的规律而变化，气球将温度和高度的数据用无线电送回地面。在3000m处所记录的温度为-1C

o试问实际浮现-1C的真实高度是多少？

解：该温度计为一阶系统，其传递函数设为H(s)=」一。温度随高度线性变化，对温度计来说相当于

15s+1

输入了一个斜坡信号，而这样的一阶系统对斜坡信号的稳态响应滞后时间为时间常数=15s,如果不计无线

电波传送时间，则温度计的输出实际上是15s以前的温度，所以实际浮现-1C的真实高度是

H=H-V=3000—515=2925m

2-5想用一个一阶系统做100Hz正弦信号的测量，如要求限制振幅误差在5%以内,那末时间常数应取多

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少?若用该系统测量50Hz正弦信号，问此时的振幅误差和相角差是多少？

解：设该一阶系统的频响函数为

H(O)=—1K是时间常数

1+jTO

则A(O)=

Jl+(T0)2

1

稳态响应相对幅值误差6=A|(O)-1根100%=1训根100%

J+(2儿⑴2

令W5%,f=100Hz,解得<523s.

如果f=50Hz,贝IJ

相对幅值误差：6=(||(1--加相100%=(11(1-,一m4根100%-1.3%

阵型2儿Tf)2'"l邓.+(2儿根523根1氏根501川।

相角差：Q(O)=-arctan(aTLTf)=-arctan(2几根523根104艮50)~-9.33。

2-6试说明二阶装置阻尼比多采用Oo6-0.8的原因.

解答：从不失真条件出发分析。在0.707摆布时，幅频特性近似常数的频率范围最宽，而相频特性曲线最接

近直线。

2-7将信号cost输入一个传递函数为H(s)=l/(s+1)的一阶装置后，试求其包括瞬态过程在内的输出y(t)

的表达式。

s

解答：令x(t)=cost,则X(s)=-W

S2+02

1s

Y(s)=H(s)X(s)-J-

Ts+1S2+O2

利用部份分式法可得到

1+11

Yv/(s)\=-11+1

1+(OT)2_1+s2(1+jTO)s-jO2(1-jTO)s+jO

T

利用逆拉普拉斯变换得到

y(t)=L-i[Y(s)]-------1—eW+------ejOt+--------------------1--e-jOt

1+(0T)22(1+jTO)2(1-jTO)

1_t_ejot+e-iOt-jOT(ept-e-jOt)

T

=-1+(0T)>12[1+(TO)2]

cosOt+OTsinOt-e-t/TI

7'+COSR-arctanOT)-e-t/T

2—8求频率响应函数为3155072/(1+0。Olj)(1577536+1760j—2)的系统对正弦输入

x(t)=10sin(62«8t)的稳态响应的均值显示。

解：该系统可以看成是一个一阶线性定常系统和一个二阶线性定常系统的串联，串联后仍然为线性定常

系统。根据线性定常系统的频率保持性可知，当输入为正弦信号时，其稳态响应仍然为同频率的正弦信号，

而正弦信号的平均值为0,所以稳态响应的均值显示为0。

2-9试求传递函数分别为1.5/(3.5s+0.5)和412/6+1。4s+2)的两环节串联后组成

nnn

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的系统的总灵敏度(不考虑负载效应)。

解：

H(s)=_妁_即静态灵敏度K=3

1

13.5s+0.57s+17s+1

l(s)=-也一即静态灵敏度04

2S2+1.40S+02S2+1.40S+O2

nnnn

因为两者串联无负载效应，所以

总静态灵敏度K=K,K=341=123

2-10设某力传感器可’作《二阶振荡系统处理。已知传感器的固有频率为800Hz,阻尼比=0.14,问使用该

传感器作频率为400Hz的正弦力测试时，其幅值比人()和相角差()各为多少？若该装置的阻尼比改为

=0。7,问A()和()又将如何变化？

解：设H(O)=------------空------，则

S2+2Gos+o2

nn

A(o)=v(o)=-arctann,即

J1-(l(y))l+(K2G-))|

I_nn

2G%

v(f)=-arctan______n_

1-(11)j

3)

将f=800Hz,=0.14,f=400Hz,代入上面的式子得到

A(400)1.31,(400)-10»57

如果=0。1,则A(400)0。975,(400)-43。03

2-11对一个可视为二阶系统的装置输入一单位阶跃函数后，测得其响应的第一个超调量峰值为1.5,振

荡周期为6.28s。设已知该装置的静态增益为3,求该装置的传递函数和该装置在无阻尼固有频率处的频率

响应。

解：G=7=--------------0.215

'»12I”12

Lln(M/Kxo)J|『+Lln(1.5/3)J

因为=6.28s,所以

=2/=lrad/s

dd

o=°d=__________~1,024rad/s

n/口2小-0.2152

34023.15

所以H(s)=

S2+2,8S+(02S2+044s+1.05

3(023.15

H(o)

(02-0)2+j2，C0co1.05-(02+J0.44(o

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A(o)=---------：------------------

02T02

J1-(1(-3-))1+吵44丁))|

ILnJn

clO

2Gb

v(o)=-arctan_____0_

v(o)=-90

no

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第三章常用传感器与敏感元件

3-1在机械式传感器中，影响线性度的主要因素是什么?可举例说明.

解答：主要因素是弹性敏感元件的蠕变、弹性后效等。

3-2试举出你所熟悉的五种机械式传感器，并说明它们的变换原理。

解答：气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等。

3—3电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况来选用？

解答:电阻丝应变片主要利用形变效应，而半导体应变片主要利用压阻效应。

电阻丝应变片主要优点是性能稳定，现行较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。

半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性差、灵敏度离散

度大、非线性大。

选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。

3-4有一电阻应变片（见图3-84）,其灵敏度S=2,R=120。设工作时其应变为1000，问R=?设

将此应变片接成如图所示的电路，试求：1）无窟变时电流表示值；2）有应变时电流表示值；3）电流表指示

值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读出？

图3-84题3-4图

解:根据应变效应表达式R/R=S得

R=SR=2100010o12b=0。24

1）I=L5/R=5/120=0.0125A=12.5mA

2）l'=1.5/（R+R）=1.5/（120+0o24）0.012475A=12.475mA2

3）=（I-I）/I100%=0o2%2।.

4）电流变化量太小，很难从电流表中读出。如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量程不够，无法测量

12.5mA的电流;如果采用毫安表，无法分辨0。025mA的电流变化。普通需要电桥来测量，将无应变时的灵位

电流平衡掉，只取有应变时的弱小输出量，并可根据需要采用放大器放大。

3—5电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施?采取这些措施会带来

什么样后果？

解答：以气隙变化式为例进行分析。

dLN2从A

S==­oo

d6262

又因为线圈阻抗2=L,所以灵敏度又可写成

dZN2pAco

S==-oo

d6262

由上式可见，灵敏度与磁路横截面积A、线圈匝数N、电源角频率、铁芯磁导率，气隙等有关.如果

加大磁路横截面积A、线圈匝数N、蔻源角频率、铁芯磁导率，减小气隙，都司•提高灵敏度。

00

加大磁路横截面积A、线圈匝数N会增大传感器尺寸，分量增加，并影响到动态特性；减小气隙会增

0

大非线性。

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3—6电容式、电感式、电阻应变式传感器的测量电路有何异同?举例说明。

解答:电容式传感器的测量电路

Q调幅电路f髓蕾幅电路

调频电:

运算放।

二极管

差动脉I

।播化电路等

自感型变磁阻式电感传感器的测量电路:

谐振式调幅电路

惠斯登电桥

调幅电路工工如变压器电桥

电桥电路4

紧耦合电感臂甩桥

带相敏检波的电桥等

调频电路

I调相电路等

1阻应变式传感器的测量电路：电桥电路（直流电桥和交流电桥）。

相同点：都可使用电桥电路，都可输出调幅波。电容、电感式传感器都可使用调幅电路、调频电路等。

不同点：电阻应变式传感器可以使用直流电桥电路，而电容式、电感式则不能。此外电容式、电感式传

感器测量电路种类繁多.

3一7一个电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm,工作初始间隙=0.3mm，问：1）工作时，如果传感

器与工件的间隙变化量=1m时，电容变化量是多少?2）如果测量电路的灵敏度S=100mV/pF,读数

仪表的灵敏度S炉格/mV,在=1m时，读数仪表的指示值变化多少格？

解：1）

ccAccAccA编6cc斶6

编C=-o--Q___=o_____如_a_____

66+编66（6+编6）62

8.8°5根10%根1根爪根14树&3%（土1根10%）

（0.3^10-3）2

如土4,9碾10-15F=±4.941g10-3pF

2）B=SSC=1OO5（4.9410J）2。47格12

答：

3-8把一个变阻器式传感器按图3-85接线.它的输人量是什么？输出量是什么?在什么样条件下它的输出量与

输人量之间有较好的线性关系？

（完整版）机械工程测试技术基础熊诗波课后习题答案

图3-85题3-8图

解答:输入量是电刷相对电阻元件的位移x,输出量为电刷到端点电阻Rx。如果接入分压式测量电路，则输出

量可以认为是电压u。

O

Y

R=_R=kxxx,输出电阻与输入位移成线性关系.

XXPI

p

UXe

U-----芹°----y—=-----e—%-------y—，输出电压与输入位移成非线性关系。

1二1）

xRxRxx

LpLpp

X

由上式可见，惟独当R/R0时，才有u=JLLXXo所以要求后续测量仪表的输入阻抗R要远大于

变阻器式传感器的电阻R,惟独这样才干使输出电压和输入位移有较好的线性关系。

3-9试按接触式与非接成式区分传感器，列出它们的名称、变换原理，用在何处？

解答：接触式:变阻器式、电阻应变式、电感式（涡流式除外）、电容式、磁电式、压电式、热电式、广线式、

热敏电阻、气敏、湿敏等传感器。

非接触式：涡电流式、光电式、热释电式、霍尔式、固态图象传感器等。

可以实现非接触测量的是：电容式、光纤式等传感器。

3—10欲测量液体压力，拟采用电容式、电感式、电阻应变式和压电式传感器，请绘出可行方案原理图，并

作比较。

3—11一压电式压力传感器的灵敏度S=90pC/MPa,把它和一台灵敏度调到0。005V/pC的电荷放大器连接，

放大器的输出又接到一灵敏度已调到20mm/V的光线示波器上记录，试绘出这个测试系统的框图，并计算

其总的灵敏度.

解:框图如下

压力P

压力传感器一电荷放大器光线示波器

各装置串联，如果忽略负载效应，则总灵敏度S等于各装置灵敏度相乘，即

S=x/P=900.00520=9mm/MPa。

3-12光电传感器包含哪儿种类型？各有何特点?用光电式传感器可以测量哪些物理量？

解答:包括利用外光电效应工作的光电传感器、利用内光电效应工作的光电传感器、利用光生伏特效应工作

的光电传感器三种。

外光电效应（亦称光电子发射效应）-光线照射物体，使物体的电子逸出表面的现象，包括光电管和光电倍

增管。

内光电效应（亦称光导效应）一物体受到光线照射时，物体的电子吸收光能是其导电性增加，电阻率下降

的现象，有光敏电阻和由其制成的光导管。

光生伏特效应一光线使物体产生一定方向的电动势。

（完整版）机械工程测试技术基础熊诗波课后习题答案

如遥控器，自动门（热释电红外探测器），光电鼠标器，照像机自动测光计，光度计，光电耦合器，光电开

关（计数、位置、行程开关等），浊度检测，火灾报警，光电阅读器（如纸带阅读机、条形码读出器、考卷自

动评阅机等），光纤通信，光纤传感，CCD,色差，颜色标记，防盗报警，电视机中亮度自动调节，路灯、航标

灯控制，光控灯座，音乐石英钟控制（晚上不奏乐），红外遥感、干手器、冲水机等。

在CCD图象传感器、红外成像仪、光纤传感器、激光传感器等中都得到了广泛应用。

3—13何谓霍尔效应?其物理本质是什么？用霍尔元件可测哪些物理量?请举出三个例子说明。

解答：

霍尔（Hall）效应：金属或者半导体薄片置于磁场中，当有电流流过薄片时，则在垂直于电流和磁场方

向的两侧面上将产生电位差，这种现象称为霍尔效应，产生的电位差称为霍尔电势。

霍尔效应产生的机理（物理本质）：在磁场中运动的电荷受到磁场力FL（称为洛仑兹力）作用，而向垂直于

磁场和运动方向的方向挪移，在两侧面产生正、负电荷积累。

应用举例：电流的测量，位移测量，磁感应强度测量，力测量；计数装置，转速测量（如计程表等），流量

测量，位置检测与控制，电子点火器，制做霍尔机电一无刷机电等。

3-14试说明压电式加速度计、超声换能器、声发射传感器之间的异同点。

解答：相同点：都是利用材料的压电效应（正压电效应或者逆压电效应）。

不同点:压电式加速度计利用正压电效应，通过惯性质量快将振动加速度转换成力作用于压电元件，产生

电荷。

超声波换能器用于电能和机械能的相互转换.利用正、逆压电效应。利用逆压电效应可用于清洗、焊接等。

声发射传感器是基于晶体组件的压电效应，将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电压信号的换能

设备，所有又常被人们称为声发射换能器或者声发射探头。

材料结构受外力或者内力作用产生位错-滑移一微裂纹形成-裂纹扩展-断裂，以弹性波的形式释放出应变

能的现象称为声发射。

声发射传感器不同于加速度传感器，它受应力波作用时靠压电晶片自身的谐振变形把被检试件表面振动

物理量转化为电量输出。

3-15有一批涡轮机叶片，需要检测是否有裂纹，请举出两种以上方法，并阐明所用传感器的工作原理。

涡电流传感器，红外辐射温度测量，声发射传感器（压电式）等。

3-16说明用光纤传感器测量压力和位移的工作原理，指出其不同点。

解答：

微弯测压力原理：力微弯板光纤变形光纤传递的光强变化。

微弯测位移原理：位移微弯板光纤变形光纤传递的光强变化.

不同点：压力需要弹性敏感元件转换成位移。

3—17说明红外遥感器的检测原理。为什么在空间技术中有广泛应用？举出实例说明。

解答:红外遥感就是远距离检测被测目标的红外辐射能量。空间技术中利用飞船、航天飞机、卫星等携带的

红外遥感仪器可以实现不少对地、对空观测任务。如观测星系，利用卫星遥测技术研究地壳断层分布、探讨地

震前兆，卫星海洋观测等。

3-18试说明固态图象传感器（CCD器件）的成像原理，怎样实现光信息的转换、存储和传输过程，在工程测

试中有何应用？

CCD固态图象传感器的成像原理：MOS光敏元件或者光敏二极管等将光信息转换成电荷存储在CCD的

MOS电容中，然后再控制信号的控制下将MOS电容中的光生电荷转移出来.

应用：如冶金部门中各种管、线、带材轧制过程中的尺寸测量，光纤及纤维创造中的丝径测量，产品分

类，产品表面质量评定，文字与图象识别,传真，空间遥感，光谱测量等.

3—19在