测试技术基础答案第三章常用传感器

1、第三章常用传感器一、知识要点及要求(1) 掌握常用传感器得分类方法；(2) 掌握常用传感器得变换原理；(3) 了解常用传感器得主要特点及应用。二、重点内容及难点(一) 传感器得定义、作用与分类1、定义：工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出得器件，称为 传感器。2、 作用:传感器得作用就就是将被测量转换为与之相对应得 容易检测、传输或处理得信号。3、分类：传感器得分类方法很多，主要得分类方法有以下几种：(1) 按被测量分类，可分为位移传感器、力传感器、温度传感器等；(2) 按传感器得工作原理分类，可分为机械式、电气式、光学式、流体式等；(3) 按信号变换特征分类

2、，可概括分为物性型与结构型；(4) 根据敏感元件与被测对象之间得能量矢系，可分为能量转换型与能量控制型；(5) 按输出信号分类，可分为模拟型与数字型。(二) 电阻式传感器1、 分类：变阻式传感器与电阻应变式传感器。而电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式 与半导体应变片两类。2、 金属电阻应变片式得工作原理：基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。金属电 阻应变片式得得灵敏度。3、 半导体电阻应变片式得工作原理：基于半导体材料得电阻率得变化引起得电阻得变化。半 导体电阻应变片式得得灵敏度。(三) 电感式传感器1、 分类：按照变换原理得不同电感式传感器可分为自感型与互感型。其中自感型主要包括

3、可 变磁阻式与涡电流式。2、涡电流式传感器得工作原理：就是利用金属体在交变磁场中得涡电流效应。(四) 电容式传感器1、 分类：电容式传感器根据电容器变化得参数，可分为极距变化型、面积变化型、介质变化 型三类。2、极距变化型：灵敏度为，可以瞧出，灵敏度与极距平方成反比，极距越小灵敏度越高。显然，由于 灵敏度随极距而变化，这将引起非线性误差。3、 面积变化型：灵敏度为常数，其输出与输入成线性尖系。但与极距变化型相比，灵敏度较低， 适用于较大直线位移及角速度得测量。4、 介质变化型：可用来测量电介质得液位或某些材料得厚度、湿度与温度等；也可用于测量 空气得湿度。(五) 压电式传感器1、压电传感器得工

4、作原理就是压电效应。压电效应就是指某些物质，如石英、钛酸顿、鎬钛酸铅等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生 变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场；当外力消失时，材料重新回复到原来状态，这种现象称为压电效应。三、习题解答习题32试举出您所熟悉得五种传感器，并说明它们得变换原理。解:涡电流式、热电偶式、压电式、 差动变压器式、半导体应变片。习题33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:电阻丝应变片主要利用导体形变引起电阻得变化,而半导体应变片主要利用半导体电阻率得变化引起电阻得变化。电阻丝应变片主要优点就是性能稳定，线性较好；主要

5、缺点就是灵敏度低，横向效应大。半导体应变片主要优点就是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点就是温度稳定性差、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。习题34有一电阻应变片(见图384),其灵敏度0=2,R= 120。设工作时其应变为1000，问R二?设将此应变片接成如图所示得电路，试求：1)无应变时电流表示值；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？1、5V图384题34图解:根据应变效应表达式R/R=Sg得R=Sg R=2 1000 106 120=0、24(1) li=1、5/R=1、5/120

6、=0、0125A=12、5mA(2) 12=1、5/(R+ R)=1 5/(120+0 24) 0 012475A=12、475mA(3) =(l2|i)/|i 100%=0、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得微安表，则量程不够无法测量12、5mA得电流；如果采用毫安表，无法分辨0、025mA得电流变化。一般需要电桥来测 量，将无应变时得零位电流平衡掉，只取有应变时得微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。 习题35电感传感器(自感型)得灵敏度与哪些因素有矢?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:以气隙变化式为例进行分析。又因为线

7、圈阻抗Z=L,所以灵敏度又可写成由上式可见，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o,气隙等有 矢。如果加大磁路横截面积Ao、线圈匝数N、电源角频率、铁芯磁导率o,减小气隙都可提高灵敏度。加大磁路横截面积A。、线圈匝数N会增大传感器尺寸，重量增加，并影响到动态 特性；减小气隙会增大非线性。习题36电容式、电感式、电阻应变式传感器得测量电路有何异同？举例说明。习题37个电容测微仪，其传感器得圆形极板半径r二4mm,I作初始间隙=03mm,:1） 工作时，如果传感器与工件得间隙变化量二1m时，电容变化量就是多少？ 2）如果测量电路得灵敏度S=ioomV/pF,读数仪表得灵敏度

8、S%5格/mV,在=1 m时，读数仪表得指示值变化多少 格？解：因为电容式传感器所以，电容得变化量又电容极板面积在空气中，初始间隙，所以，电容得变化量传感器得灵敏度仪表指示得变化范围习题38把一个变阻器式传感器按图385接线。它得输入量就是什么？输出量就是什么？在什么样条 件下它得输出量与输入量之间有较好得线性尖系？图385题38图解:输入量就是电刷相对电阻元件得位移x,输出量为电刷到端点电阻 Rx。如果接入分压式测量电路，则输出量可以认为就是电压U。，输出电阻与输入位移成线性矢系。，输出电压与输入位移成非线性矢系。由上式可见，只有当Rp/RlO时，才有。所以要求后续测量仪表得输入阻抗Rl要远

9、大于变阻器式传感器得电阻Rp,只有这样才能使输出电压与输入位移有较好得线性尖系。习题39试按接触式与非接触式区分传感器，列出它们得名称、变换原理，用在何处？解: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、固态图像传感器等。可以实现非接触测量得就 是：电容式、光纤式等传感器。习题310欲测量液体压力，拟采用电容式、电感式、电阻应变式与压电式传感器，请绘出可行方案原理图，并作比较。解：参考课本P248常用压力传感器。习题311 压电式压力传感器得灵敏度S=90pC/MPa把它

10、与一台灵敏度调到0、005V/pC得电荷放 大器连接，放大器得输出又接到一灵敏度已调到20mm/V得光线示波器上记录，试绘出这个测试系统得框图，并计算其总得灵敏度。解:框图如下压力P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=XP=90 0、005 20=9mm/MPa。习题314试说明压电式加速度计、超声换能器、声发射传感器之间得异同点。解:相同点：都就是利 用材料得压电效应（正压电效应或逆压电效应）。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与机械能得相互转换。利用正、逆压电效应。利用逆压电效应可用于清洗、焊接等。声发射传感器就是基于晶体组件得压电效应，将声发射波所引起得被检件表面振动转换成电压信号得换能设备，所有又常被人们称为声发射换能器或者声发射探头。材料结构受外力或内力作用产生位错滑移微裂纹形成裂纹扩展断裂，以弹性波得形式释放出应变能得现象称为声发射。声发射传感器不同于加速度传感器，它受应力波作用