测试技术基础答案 第三章 常用传感器

第三章 常用传感器

一、知识要点及要求

(1)掌握常用传感器的分类方法;

(2)掌握常用传感器的变换原理;

(3)了解常用传感器的主要特点及应用。

二、重点内容及难点

(一)传感器的定义、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的器件,称为传感器。

2、作用:传感器的作用就就是将被测量转换为与之相对应的、容易检测、传输或处理的信号。

3、分类:传感器的分类方法很多,主要的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)按传感器的工作原理分类,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,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的能量关系,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、金属电阻应变片式的工作原理:基于应变片发生机械变形时,其电阻值发生变化。金属电阻应变片式的的灵敏度v S g 21+=。

3、半导体电阻应变片式的工作原理:基于半导体材料的电阻率的变化引起的电阻的变化。半导体电阻应变片式的的灵敏度E S g λ=。

(三)电感式传感器

1、分类:按照变换原理的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可变磁阻式与涡电流式。

2、涡电流式传感器的工作原理:就是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。

(四)电容式传感器

1、分类:电容式传感器根据电容器变化的参数,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201δ

εεδA d dC S -==,可以瞧出,灵敏度S 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关系。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的测量。

4、介质变化型:可用来测量电介质的液位或某些材料的厚度、湿度与温度等;也可用于测量空气的湿度。

(五)压电式传感器

1、压电传感器的工作原理就是压电效应。

压电效应就是指某些物质,如石英、鈦酸钡、鎬鈦酸铅等,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3-2 试举出您所熟悉的五种传感器,并说明它们的变换原理。

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:电阻丝应变片主要利用导体形变引起电阻的变化,而半导体应变片主要利用半导体电阻率的变化引起电阻的变化。电阻丝应变片主要优点就是性能稳定,线性较好;主要缺点就是灵敏度低,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3-4 有一电阻应变片(见图3-84),其灵敏度S g＝2,R＝120Ω。设工作时其应变为1000με,问∆R＝？设将此应变片接成如图所示的电路,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3-84 题3-4图

解:根据应变效应表达式∆R/R=S gε得

∆R=S gε R=2⨯1000⨯10-6⨯120=0、24Ω

(1)I1=1、5/R=1、5/120=0、0125A=12、5mA

(2)I2=1、5/(R+∆R)=1、5/(120+0、24)≈0、012475A=12、475mA

(3)δ=(I2-I1)/I1⨯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。一般需要电桥来测量,将无应变时的零位电流平衡掉,只取有应变时的微小输出量,并可根据需要采用放大器放大。

习题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:以气隙变化式为例进行分析。

2002

2N A dL S d μδδ==- 又因为线圈阻抗Z =ωL ,所以灵敏度又可写成

2002

2N A dZ S d μωδδ==- 由上式可见,灵敏度与磁路横截面积A 0、线圈匝数N 、电源角频率ω、铁芯磁导率μ0,气隙δ等有关。如果加大磁路横截面积A 0、线圈匝数N 、电源角频率ω、铁芯磁导率μ0,减小气隙δ,都可提高灵敏度。加大磁路横截面积A 0、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δ会增大非线性。

习题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。

习题3-7 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δ=0、3mm,问:1)工作时,如果传感器与工件的间隙变化量∆δ＝±1μm 时,电容变化量就是多少？2)如果测量电路的灵敏度S 1=100mV/pF,读数仪表的灵敏度S 2=5格/mV,在∆δ＝±1μm 时,读数仪表的指示值变化多少格？

解:因为电容式传感器0

0δεεA C = 所以,电容的变化量 δδεε∆-=∆2001A

C 又电容极板面积 ][)104(2232m r A -⨯==ππ ][1085.820m F -⨯=ε

在空气中1=ε,初始间隙 ][103.030m -⨯=δ,所以,电容的变化量

]

[1094.4)101()103.0()104(1085.836232

312PF C -----⨯±=⨯±⨯⨯⨯⨯⨯-=∆π

传感器的灵敏度 )(1094.43m PF c S μδ

-⨯=∆∆= 仪表指示的变化范围 ][47.2510010

94.413格±=⨯⨯⨯⨯±=-B