傳感器作業(yè)及答案

1、作業(yè)3：3問答題（1）什么是電阻的應變效應？利用應變效應解釋金屬應變式電阻傳感器的工作原理。答：金屬導體在外力的作用下發(fā)生機械變形，其電阻值隨著機械變形（伸長或縮短）的變化而發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的應變效應?，F(xiàn)有一根長度為l，截面積為A，電阻率為的金屬絲，如圖2-5所示。圖2-5 金屬應變效應未受力時，電阻值為 當金屬絲受到拉力F作用時，將引起電阻值發(fā)生變化，電阻的相對變化量為，當材料一定時，不發(fā)生變化，電阻值的變化僅與金屬絲長度和金屬絲截面積的變化有關。（2） 彈性元件在應變式電阻傳感器中起什么作用？答：彈性敏感元件是電阻式傳感器的敏感元件，能直接感受到被測的量的變化。（3） 簡述應變式

2、電阻傳感器測量電路的功能。答：由于彈性敏感元件和應變片的應變量一般都很小，電阻值的變化量也很小，不易被觀察、記錄和傳輸，需要通過電橋電路將該電阻值的變化量放大，并轉換成電壓或電流信號。（4） 應變式電阻稱重傳感器的工作原理是什么？ （5） 電阻應變傳感器測量加速度的原理是什么?答：當被測物體以加速度a運動時，質(zhì)量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，懸臂梁在慣性力作用下產(chǎn)生彎曲變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應變片感受到并隨之產(chǎn)生應變，從而使應變片的電阻值發(fā)生變化。懸臂梁的應變在一定的頻率范圍內(nèi)與質(zhì)量塊的加速度成正比，通過測量質(zhì)量塊懸臂梁的應變，便可知加速度的大小。（6） 試比較金屬應變式傳感

3、器和半導體壓電式傳感器的異同點。答：相同點：兩者都是將應變力轉換為電阻的變化。不同點：金屬應變式傳感器是由于導體的長度和半徑發(fā)生改變而引起電阻值的變化，而半導體應變式傳感器是由于其載流子的遷移率發(fā)生變化而引起電阻值的變化。作業(yè)4：3問答題（1）簡述電容式傳感器的工作原理。答：兩平行極板組成的電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為 式中，為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極互相覆蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。當被測量的變化使式中的A、d、三個參量中任一參數(shù)發(fā)生變化時，電容量C也就隨之變化。（2）根據(jù)電容式傳感器的工作原理說明它的分類；電容式傳感器能夠測量哪些物理參量？答：兩平行極板組成的電容

4、器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為 式中，為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極互相覆蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。在A、d、三個參量中，改變其中任意一個量，均可改變電容量C。固定三個參量中的兩個可以做成三種類型的電容傳感器：變極距式傳感器、變面積式傳感器、變介電常數(shù)式傳感器。電容式傳感器不僅用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，還廣泛用于壓力、差壓、液位、物位或成分含量等方面的測量。（3）電容式傳感器的測量電路功能是什么？有哪些類型？答：電容式傳感器將被測的物理量轉換為電容變化，但由于電容變化量很小，不易被觀察、記錄和傳輸，因此必須通過測量電路將電容變化量轉換成電壓、電流或頻率信

5、號，隨后輸出。測量電路的種類很多，主要有：1橋式電路；2調(diào)頻電路；3脈沖寬度調(diào)制電路。（4）為什么液位檢測可以轉化為壓力檢測？答：壓力與液位成正比，液位高，壓力大；液位低，壓力小。（5） 如果盛放液體的容器為金屬圓筒型，則只需用一根裸導線即可完成液位的檢測。用示意圖說明這種情況，并標出電容傳感器的位置。 答：如下圖所示，裸導線作為電容的一個電極，金屬容器壁作為電容的另一電極，兩電極間的介質(zhì)即為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數(shù)1和液面上的介電常數(shù)2不同，比如：12，則當液位升高時，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大因而電容量增大。反之當液位下降，值減小，電容量也減小。所以，可通過兩電極間的電容

6、量的變化來測量液位的高低。 作業(yè)5：3簡答題（1）說明單線圈電感傳感器和差動式電感傳感器的主要組成和工作原理。答：單線圈電感傳感器主要由鐵芯、線圈和銜鐵組成。傳感器工作時，銜鐵與被測物體相連。當被測物體移動時，帶動銜鐵移動，氣隙厚度和導磁面積S隨之發(fā)生改變，從而引起磁路中磁阻的改變，進而導致線圈自感量發(fā)生變化。只要測出電感量的變化，就能確定銜鐵（被測物體）位移量的大小和方向。差動式電感傳感器由兩個電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同的電感線圈共用一個銜鐵構成。當銜鐵隨被測量物體移動而偏離中間位置時，兩線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動，總的電感變化量與銜鐵移動的距離成正比。通過分析計算可知，差動式

7、電感傳感器的靈敏度約為非差動式的兩倍，而且線性度較好，靈敏度較高。（2）電感式傳感器測量電路的主要任務是什么？答：作用是將線圈電感的變化轉換成電壓或電流信號輸出。 （3）概述差動變壓器式傳感器的組成和工作原理，用差動變壓器測量較高頻率，例如10kHz的振幅，可以嗎？為什么？ 答：差動變壓器主要由銜鐵、初級繞組和次級繞組組成，其等效電路圖如圖4-16所示，給初級繞組N1施加勵磁電壓ui，根據(jù)變壓器的工作原理，在兩個次級繞組N21和N22中產(chǎn)生感應電動勢E21和E22，由于兩個次級繞組反向串接，因此差動輸出電壓uo= E21E22。當銜鐵處于線圈中心位置時，兩個次級繞組與初級繞組間的互感相同，產(chǎn)生

8、的感應電動勢也相同，即E21=E22，并且uo=0V。當銜鐵隨著被測物體移動時，一個次級繞組產(chǎn)生的感應電動勢增加，而另一個次級繞組產(chǎn)生的感應電動勢減少，則E21E22，uo0V，uo與銜鐵的位移X成正比，即uo=KX ，根據(jù)uo的值即可確定被測物體的位移量，根據(jù)uo的正負即可確定被測物體的移動方向。用差動變壓器測量較高頻率例如10kHz的振幅，是可以的。實驗結果表明，電源頻率太低時，靈敏度下降，誤差增大；當電源頻率太高時，導線的有效電阻增加，渦流損耗增大，靈敏度也降低，誤差增大；當電源頻率采用中頻時，以400Hz10kHz為佳，靈敏度為常數(shù)，不隨頻率變化。（4）什么是電渦流效應？簡述電渦流式傳

9、感器的基本結構與工作原理。答：將金屬導體置于變化的磁場中，導體內(nèi)就會產(chǎn)生感應電動勢，并自發(fā)形成閉合回路，產(chǎn)生感應電流。該電流就像水中旋渦一樣在導體中轉圈，因此被稱為渦流。渦流現(xiàn)象被稱為渦流效應，電渦流式傳感器就是利用渦流效應來工作的。電渦流式傳感器主要由安置于框架上的扁平線圈構成，如圖4-22所示。給激勵線圈中通以正弦交流電i1時，線圈周圍（L）將產(chǎn)生正弦交變磁場H1，使位于此磁場中的金屬導體感應出電渦流i2， i2又產(chǎn)生新的交變磁場H2，H2將阻礙原磁場的變化，從而導致線圈內(nèi)阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化既與電渦流效應有關，又與靜磁學效應有關，即與金屬導體的電導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何

10、參數(shù)、激勵電流頻率以及線圈到金屬導體的距離等參數(shù)有關。電渦流傳感器正是利用這個定律將傳感器與被測金屬導體之間距離的變化轉換成線圈品質(zhì)因數(shù)、等效阻抗和等效電感三個參數(shù)的變化，再通過測量、檢波、校正等電路變?yōu)榫€性電壓（電流）的變化。（5）簡述電感式傳感器的應用。 答：電感式傳感器測量的基本量是位移，一般用于接觸測量，也可用于振動、壓力、荷重、流量、液位等參數(shù)的測量。如：電感式圓度儀測量零件的圓度、波紋度、同心度、同軸度、平面度、平行度、垂直度、偏心、軸向跳動和徑向跳動，并能進行諧波分析、波高波寬分析；電感測微儀可用于微小位移的測量精密。（6）簡述電渦流式傳感器的應用。答：電渦流傳感器目前已被廣泛應

11、用于能源、化工、醫(yī)學、汽車、冶金、機器制造、軍工、科研教學等諸多領域，可用于機械中的振動與位移、轉子與機殼的熱膨脹量的長期監(jiān)測，生產(chǎn)線的在線自動監(jiān)測與自動控制，科學研究中的多種微小距離與微小運動的測量等。如：電渦流位移計用來測量各種形狀金屬導體的位移量；電渦流振幅計可以對各種振動的幅值進行非接觸測量；電渦流轉速計可用來測量旋轉體的轉速；渦流探傷儀廣泛應用于各類有色金屬、黑色金屬管及棒型、線型、絲型材料的在線、離線的探傷；涂層測厚儀既可測量導磁材料的鍍層和油漆層表面上非導磁覆蓋層的厚度，又能測量鍍在鐵磁性金屬物質(zhì)表面的陽極氧化層以及鋁、銅、鋅等材料表面上油漆、噴塑和橡膠的厚度。作業(yè)6：3問答題（

12、1）何為壓電效應？壓電式傳感器對測量電路有何特殊要求？為什么？ 答：壓電元件受到一定方向的外力而產(chǎn)生變形，內(nèi)部產(chǎn)生了電荷極化的現(xiàn)象，在元件的上下兩表面便產(chǎn)生極性相反、大小相等的電荷，且電荷量和所受到壓力的大小成正比。外力的方向改變時，電荷的正負極性也隨之發(fā)生變化。去掉外力，元件又恢復到原來不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。壓電式傳感器的內(nèi)阻很高（Ra1 010），而輸出的信號又非常微弱，因此輸出信號一般不能直接傳輸、顯示和記錄。輸出端要求與高輸入阻抗的前置放大器相配合，然后再接放大電路、檢波電路、顯示電路、記錄電路，這樣才能防止電荷迅速泄漏，減小測量誤差。壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：一

13、是起放大的作用，放大壓電式傳感器輸出的微弱信號；二是起阻抗轉換的作用，將壓電式傳感器的高阻抗輸出轉換為低輸出阻抗。（2）壓電式傳感器能否用于靜態(tài)測量？為什么？答：由壓電式傳感器實際的等效電路可以看出，只有在外電路負載無窮大，且內(nèi)部無漏電時，電壓源才能保持長期不變；如果負載不是無窮大，則電路就會按指數(shù)規(guī)律放電。這對于靜態(tài)標定及低頻準靜態(tài)的測量極為不利，必然帶來誤差。事實上，壓電式傳感器的內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負載也不可能無窮大，壓電元件只有在交變力的作用下，以較高頻率不斷地作用，電荷才能源源不斷地產(chǎn)生并得以不斷補充，以供給測量回路一定的電流。從這個意義上講，壓電式傳感器不適用于靜態(tài)測量，只適

14、用于動態(tài)測量。（3）壓電式傳感器輸出信號的特點是什么？它對放大器有什么要求？放大器有哪兩種類型？壓電式傳感器測量電路的作用是什么？其核心是解決什么問題？答：根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號。壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：一是起放大的作用，放大壓電式傳感器輸出的微弱信號；二是起阻抗轉換的作用，將壓電式傳感器的高阻抗輸出轉換為低輸出阻抗。前置放大器有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。壓電式傳感器的內(nèi)阻很高（Ra1 010），而輸出的信號又非常微弱，因此輸出信號一般不能直接傳輸、顯示和記錄。輸出端要求與高輸入阻抗的前置放大器相配合，然后再接放大電路、

15、檢波電路、顯示電路、記錄電路，這樣才能防止電荷迅速泄漏，減小測量誤差。（4）壓電式加速度傳感器與壓電式力傳感器在結構上有什么不同？為什么？答：當壓電式加速度計比壓電式力傳感器多一質(zhì)量塊，質(zhì)量塊可以產(chǎn)生一可變力，作用在壓電晶片上，由于壓電效應，在壓電晶片兩表面上就有電荷產(chǎn)生。（5）壓電式傳感器往往采用多片壓電晶體串聯(lián)或并聯(lián)方式，若采用并聯(lián)方式，適合于測量何種信號？答：只適用于測量較高頻率動態(tài)信號。（6）試述壓電式傳感器的工作原理。答：壓電式傳感器是由壓電元件組成的自發(fā)電式傳感器。壓電元件受到一定方向的外力而產(chǎn)生變形，內(nèi)部產(chǎn)生了電荷極化的現(xiàn)象，在元件的上下兩表面便產(chǎn)生極性相反、大小相等的電荷，且電

16、荷量和所受到壓力的大小成正比。外力的方向改變時，電荷的正負極性也隨之發(fā)生變化。去掉外力，元件又恢復到原來不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。如下圖給出了某種壓電元件在各種受力條件下所產(chǎn)生的電荷情況，從圖中可以看出，元件表面電荷的極性與受力的方向有關。壓電效應把機械能轉換為電能。作業(yè)7：3問答題（1）簡述超聲波傳感器的發(fā)射和接收原理。答：當從超聲波發(fā)射探頭輸入頻率為40kHz的脈沖電信號時，壓電晶體因變形而產(chǎn)生振動，振動頻率在20kHz以上，由此形成了超聲波，該超聲波經(jīng)錐形共振盤共振放大后定向發(fā)射出去；接收探頭接收到發(fā)射的超聲波信號后，促使壓電晶片變形而產(chǎn)生電信號，通過放大器放大電信號。（2）超聲

17、波液位計可分為哪幾種安裝方式？各有什么特點？答：一種是將超聲波發(fā)射探頭和接收探頭安裝在液罐的底部，超聲波在液體中的衰減比較小，即使發(fā)生的超聲波脈沖幅度較小也可以傳播，另一種是將超聲波發(fā)射探頭和接收探頭安裝在液罐的上方，這種安裝方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中傳播的衰減程度比較大。（3）超聲波有哪些特性？利用超聲波傳感器可以測量哪些物理量?答： 超聲波的波形。聲源在介質(zhì)中施力的方向與波在介質(zhì)中傳播的方向不同，聲波的波形則不同。依據(jù)超聲場中質(zhì)點的振動與聲能量傳播方向的不同，超聲波的波形一般分為三種。縱波：質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播。橫波：質(zhì)點的振動方向垂直于波的傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播。 表面波：質(zhì)點的振動介于縱波和橫波之間，表面波沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度的增加而迅速衰減，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?波速。超聲波在不同的介質(zhì)中（氣體、液體、固體）的傳播速度是不同的，傳播速度與介質(zhì)密度和彈性系數(shù)以及聲阻抗有關。不同波形超聲波的傳播速度也不相同：在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的