測試技術(shù)基礎(chǔ)答案 第三章 常用傳感器

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一、學(xué)問要點(diǎn)及要求

(1)把握常用傳感器的分類辦法；(2)把握常用傳感器的變換原理；(3)了解常用傳感器的主要特點(diǎn)及應(yīng)用。

二、重點(diǎn)內(nèi)容及難點(diǎn)

(一)傳感器的定義、作用與分類

1、定義：工程上通常把直接作用于被測量，能按一定邏輯將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件，稱為傳感器。

2、作用：傳感器的作用就是將被測量轉(zhuǎn)換為與之相對應(yīng)的、簡單檢測、傳輸或處理的信號。

3、分類：傳感器的分類辦法無數(shù)，主要的分類辦法有以下幾種：(1)按被測量分類，可分為位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器等；(2)按傳感器的工作原理分類，可分為機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式、流體式等；(3)按信號變換特征分類，可概括分為物性型和結(jié)構(gòu)型；

(4)按照敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系，可分為能量轉(zhuǎn)換型與能量控制型；(5)按輸出信號分類，可分為模擬型和數(shù)字型。(二)電阻式傳感器

1、分類：變阻式傳感器和電阻應(yīng)變式傳感器。而電阻應(yīng)變式傳感器可分為金屬電阻應(yīng)變片式與半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。

2、金屬電阻應(yīng)變片式的工作原理：基于應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化。金屬電阻應(yīng)變片式的的敏捷度vSg21+=。

3、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片式的工作原理：基于半導(dǎo)體材料的電阻率的變化引起的電阻的變化。半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片式的的敏捷度ESgλ=。(三)電感式傳感器

1、分類：根據(jù)變換原理的不同電感式傳感器可分為自感型與互感型。其中自感型主要包括可變磁阻式和渦電流式。

2、渦電流式傳感器的工作原理：是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。(四)電容式傳感器

1、分類：電容式傳感器按照電容器變化的參數(shù)，可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。

2、極距變化型：敏捷度為201

δ

εεδAddCS-==

，可以看出，敏捷度S與極距平方成反比，極距越小敏捷度越高。明顯，因?yàn)槊艚荻入S極距而變化，這將引起非線性誤差。

3、面積變化型：敏捷度為常數(shù)，其輸出與輸入成線性關(guān)系。但與極距變化型相比，敏捷度較低，適用于較大直線位移及角速度的測量。

4、介質(zhì)變化型：可用來測量電介質(zhì)的液位或某些材料的厚度、濕度和溫度等；也可用于測量空氣的濕度。(五)壓電式傳感器

1、壓電傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)。

壓電效應(yīng)是指某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇、鎬鈦酸鉛等，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上有電荷浮現(xiàn)，形成電場；當(dāng)外力消逝時(shí)，材料重新回復(fù)到本來狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

三、習(xí)題解答

習(xí)題3-2試舉出你所認(rèn)識(shí)的五種傳感器，并說明它們的變換原理。解：渦電流式、熱電偶式、壓電式、差動(dòng)變壓器式、半導(dǎo)體應(yīng)變片。

習(xí)題3-3電阻絲應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何區(qū)分各有何優(yōu)缺點(diǎn)應(yīng)如何針對詳細(xì)狀況來選用解：電阻絲應(yīng)變片主要利用導(dǎo)體形變引起電阻的變化，而半導(dǎo)體應(yīng)變片主要利用半導(dǎo)體電阻率的變化引起電阻的變化。電阻絲應(yīng)變片主要優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，線性較好；主要缺點(diǎn)是敏捷度低，橫向效應(yīng)大。半導(dǎo)體應(yīng)變片主要優(yōu)點(diǎn)是敏捷度高、機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)?。恢饕秉c(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差、敏捷度離散度大、非線性大。選用時(shí)要按照測量精度要求、現(xiàn)場條件、敏捷度要求等來挑選。

習(xí)題3-4有一電阻應(yīng)變片（見圖3-84），其敏捷度Sg＝2，R＝120。設(shè)工作時(shí)其應(yīng)變?yōu)?000，問R＝設(shè)將此應(yīng)變片接成如圖所示的電路，試求：1）無應(yīng)變時(shí)電流表示值；2）有應(yīng)變時(shí)電流表示值；3）電流表指示值相對變化量；4）試分析這個(gè)變量能否從表中讀出

解：按照應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式R/R=Sg得R=SgR=2100010-6120=(1)I1=R=120==(2)I2=(R+R)=(120+=(3)=(I2-I1)/I1100%=%

(4)電流變化量太小，很難從電流表中讀出。假如采納高敏捷度小量程的微安表，則量程不夠，無法測量的電流；假如采納毫安表，無法辨別的電流變化。普通需要電橋來測量，將無應(yīng)變時(shí)的零位電流平衡掉，只取有應(yīng)變時(shí)的極小輸出量，并可按照需要采納放大器放大。

習(xí)題3-5

電感傳感器（自感型）的敏捷度與哪些因素有關(guān)要提高敏捷度可實(shí)行哪些措施采

圖3-84題3-4圖

取這些措施會(huì)帶來什么樣后果解：以氣隙變化式為例舉行分析。

2022

2NAdLSdμδδ==-又由于線圈阻抗Z=L，所以敏捷度又可寫成

20222NAdZSdμωδδ

==-由上式可見，敏捷度與磁路橫截面積A0、線圈匝數(shù)N、電源角頻率、鐵芯磁導(dǎo)率0，氣隙

等有關(guān)。假如加大磁路橫截面積A0、線圈匝數(shù)N、電源角頻率、鐵芯磁導(dǎo)率0，減小氣隙，都可提高敏捷度。加大磁路橫截面積A0、線圈匝數(shù)N會(huì)增大傳感器尺寸，分量增強(qiáng)，并影響到動(dòng)態(tài)特性；減小氣隙會(huì)增大非線性。

習(xí)題3-6電容式、電感式、電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路有何異同舉例說明。

習(xí)題3-7一個(gè)電容測微儀，其傳感器的圓形極板半徑r＝4mm，工作初始間隙=，問：1）工作時(shí)，假如傳感器與工件的間隙變化量＝1m時(shí)，電容變化量是多少2）假如測量電路的敏捷度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的敏捷度S2=5格/mV，在＝1m時(shí)，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格

解：由于電容式傳感器0

0δεεA

C=

所以，電容的變化量δδεε?-=?2

001

A

C

又電容極板面積][)104(2

2

32

mrA-?==ππ

][1085.82

0mF-?=ε

在空氣中1=ε，初始間隙][103.03

0m-?=δ，所以，電容的變化量

]

[1094.4)

101()103.0()104(10

85.8362

32

312

PFC?±=?±????

?-=?π

傳感器的敏捷度

)(1094.43mPFc

Sμδ

-?=??=

儀表指示的變化范圍

][47.2510010

94.413

格±=????±=-B

習(xí)題3-8把一個(gè)變阻器式傳感器按圖3-85接線。它的輸入量是什么輸出量是什么在什么樣

條件下它的輸出量與輸入量之間有較好的線性關(guān)系

解：輸入量是電刷相對電阻元件的位移x，輸出量為電刷到端點(diǎn)電阻Rx。假如接入分壓式測量電路，則輸出量可以認(rèn)為是電壓uo。

xplp

x

RRkxxx=

=∝，輸出電阻與輸入位移成線性關(guān)系。

ee

o(1)1(1)p

pppL

p

Lpp

xuxuuxRRxxxxRxRxx=

=

+-

+-，輸出電壓與輸入位移成非線性關(guān)系。

由上式可見，惟獨(dú)當(dāng)Rp/RL0時(shí)，才有oep

x

uuxx=

∝。所以要求后續(xù)測量儀表的輸入阻抗RL要遠(yuǎn)大于變阻器式傳感器的電阻Rp，惟獨(dú)這樣才干使輸出電壓和輸入位移有較好的線性關(guān)系。

習(xí)題3-9試按接觸式與非接觸式區(qū)別傳感器，列出它們的名稱、變換原理，用在何處解：接觸式：變阻器式、電阻應(yīng)變式、電感式（渦流式除外）、電容式、磁電式、壓電式、熱電式、廣線式、熱敏電阻、氣敏、濕敏等傳感器。

非接觸式：渦電流式、光電式、熱釋電式、霍爾式、固態(tài)圖像傳感器等?？梢詫?shí)現(xiàn)非接觸測量的是：電容式、光纖式等傳感器。

習(xí)題3-10欲測量液體壓力，擬采納電容式、電感式、電阻應(yīng)變式和壓電式傳感器，請繪出可行計(jì)劃原理圖，并作比較。

解：參考課本P248常用壓力傳感器。

習(xí)題3-11一壓電式壓力傳感器的敏捷度S=90pC/MPa，把它和一臺(tái)敏捷度調(diào)到pC的電荷放大器銜接，放大器的輸出又接到一敏捷度已調(diào)到20mm/V的光芒示波器上記錄，試?yán)L出這個(gè)測試系統(tǒng)的框圖，并計(jì)算其總的敏捷度。解：框圖如下

圖3-85題3-8圖

各裝置串聯(lián)，假如忽視負(fù)載效應(yīng)，則總敏捷度S等于各裝置敏捷度相乘，即S=x/P=9020=9mm/MPa。

習(xí)題3-14試說明壓電式加速度計(jì)、超聲換能器、聲放射傳感器之間的異同點(diǎn)。

解：相同點(diǎn)：都是利用材料的壓電效應(yīng)（正壓電效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)）。

不同點(diǎn)：壓電式加速度計(jì)利用正壓電效應(yīng)，通過慣性質(zhì)量快將振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換成力作用于壓電元件，產(chǎn)生電荷。

超聲波換能器用于電能和機(jī)械能的互相轉(zhuǎn)換。利用正、逆壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)可用于清洗、焊接等。

聲放射傳感器是基于晶體組件的壓電效應(yīng)，將聲放射波所引起的被檢件表面振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電壓信號的換能設(shè)備，全部又常被人們稱為聲放射換能器或者聲放射探頭。

材料結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生位錯(cuò)-滑移-微裂紋形成-裂紋擴(kuò)展-斷裂，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲放射。

聲放射傳感器不同于加速度傳感器，它受應(yīng)力波作用時(shí)靠壓電晶片