《传感器技术》作业(2)

《传感器技术》作业（2）
一、填空题
1、沿应变片轴向的应变εx必然引起应变片电阻的相对变化，而垂直于应变片轴向的横应变εy也会引起其电阻的相对变化，这种现象成为横向效应。

这种现象的产生和影响与应变片结构有关。

为了减小由此产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。

2、为了消除应变片的温度误差，可采用的温度补偿措施包括：单丝自补偿法、
双丝自补偿法、桥路补偿法。

3、应变片的线性（灵敏度系数为常数）特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。

当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性。

在恒温条件下，使非线性达到10%时的真实应变值，称为应变极限εlim。

它是衡量应变片测量范围和过载能力的指标。

4、应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。

5、应变片的选择包括：类型的选择、材料的选择、阻值的选择、尺寸的选择。

6、应变式测力传感器弹性元件即为力敏元件，它将被测力的变化转换成应变量的变化。

弹
性元件的形式通常有柱式、悬臂梁式、环式等。

7、利用半导体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型底层上，形成一层极薄的电导P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。

若在圆形硅膜上扩散出4个P型电阻构成惠斯通电桥的4个桥臂，这样的敏感器件称为固态压阻器件。

8、压阻器件本身受到温度影响后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移。

因此，必须采用温度补偿措施。

9、压阻器件的零点温度漂移是由于4个扩散电阻值及它们的温度系数不一致而造成的，一般用串、并联电阻法来补偿。

10、压阻器件的灵敏度温度漂移是由压阻系数随温度变化而引起的。

补偿灵敏度温漂，可以采用在电源回路中串联二极管的方法。

11、利用导电材料的电阻率随本身温度而变化的温度电阻效应制成的传感器，称为热电阻式传感器。

12、电位计传感器也称变阻器式传感器，其工作原理是通过改变电位计触头位置，实现将位移变化转换为电阻的变化。

13、在应用中电容式传感器有三种基本类型，即变极距型或称变间隙(δ)型、变面积(S)型和
变介电常数(ε)型。

而它们的电极形状又有平板形、圆柱形和球平面形三种。

14、容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展的一种新型传感器，它分为长容栅和圆容栅两种。

15、电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。

16、变极距式电容传感器的电容变化量△C与极距的变化量△δ之间不是线性关系。

但当△δ＜＜δ（即量程远小于极板间初始距离）时，可以认为△C与△δ之间是线性的。

这种类型的传感器一般用来测量微小变化的量。

17、变介电常数型电容传感器大多用来测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量温度、湿度等。

18、为了改善变极距式电容传感器的非线性，可以采用差动形式，并使输出为两电容之差。

这种形式不仅可以改善非线性，灵敏度也提高了一倍。

19、变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容传感器具有很好的线性，但它们的结论都是在忽略了边缘效应下得到的。

20、电容式传感器具有以下优点：①温度稳定性好；②结构简单，适应性强；③动态响应好；④可以实现非接触测量，具有平均效应。

21、电容式传感器的主要缺点是：①输出阻抗高，负载能力差；②寄生电容影响大；③输出特性非线性。

22、边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性，因此应尽量消除和减小边缘效应。

23、当自感式传感器结构和材料确定后，电感L为气隙截面积S及空气隙长度δ的函数。

S 固定，可构成变气隙型传感器。

δ固定，可构成变面积型传感器。

24、变气隙型电感传感器灵敏度高，非线性严重，量程较小。

变面积型电感传感器的灵敏度比空气隙型的低，线性性好，量程较大。

螺管型电感传感器的灵敏度比变面积型的还低，量程大，线性性较好。

25、差动电感传感器的结构要求是：两个磁导体的几何尺寸完全相同，材料性能完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸也完全相同。

26、差动式的与单线圈的电感传感器相比，具有线性好、灵敏度提高一倍和测量精度高的优点。

27、交流电桥的平衡条件是Z1Z3=Z2Z4。

28、零位误差是指输入为零时，输出不为零。

减小零位误差的方法是减小电源中的谐波成
分，还可以采用补偿电路进行补偿。

29、根据电磁场的理论，涡流的大小与导体的电阻率ρ、导磁率μ、导体厚度t及线圈与导体之间的距离x、线圈的激磁频率ω等参数有关。

改变线圈和导体之间的距离，可以做成测量位移、厚度、振动的传感器；改变导体的电阻率，可以做成测量表面温度、检测材质的传感器；改变导体的导磁率，可以做成测量应力、硬度的传感器，同时改变x,ρ和μ，可以对导体进行探伤。

30、低频透射式涡流传感器的测量原理是：当发射线圈和接收线圈之间放入金属板后，引起接收线圈感应电势E2的变化，金属板的厚度δ越大，E2就越小。

通常，测薄导体时，激励频率较高，测厚导体时激励频率应较低。

测ρ较小的材料时，应选较低的频率，而测ρ较大的材料（黄铜、铝）时，则选用较高的频率。

31、涡流传感器最大的特点是可以实现非接触式测量，应用非常广泛，可以检测位移和尺寸、厚度、转速、温度和涡流探伤。

32、感应同步器的激磁方式有两种：一种是以滑尺（或定子）激磁，由定尺（或转子）取出感应信号；另一类是以定尺激磁，由滑尺取出感应电势信号。

感应同步器的检测系统分成鉴相型和鉴幅型。

33、零位误差是指零电势距离起始零位的实际位移量与理论位移量的误差，点的细分误差是指每个细分点的实际细分值与理论细分值之差，细分误差为各点细分误差中的正最大值和负最大值的绝对值之和的一半，并冠以“±”号来表示。

二、简答题
1、简述应变式电阻传感器的工作原理？
答：应变式电阻传感器是利用金属的应变效应来工作的。

电阻丝在外力的作用下发生机械变形时，其电阻之发生变化，这一现象就是电阻丝的应变效应。

2、简述金属应变片的主要特性。

答：金属应变片的主要特性有：
（1）灵敏系数，（2）横向效应，（3）机械滞后，（4）温度效应，
（5）零漂及蠕变，（6）应变极限，（7）绝缘电阻，（8）动态响应特性。

3、金属应变片有哪些类型？
答：（1）电阻丝应变片，（2）金属箔式应变片。

4、画图说明应变片的结构。

答：
1-引线 2-覆盖片 3-基片 4-灵敏栅 5、 两金属应变片R 1和R 2阻值均为120Ω，灵敏系数k=2；两应变片一片受拉，
另一片受压，应变均为1000με。

两者接入直流电桥组成半桥双臂工作电桥，电源电压U=5V 。

求：（1）△R 和△R/R ；（2）电桥的输出电压U 0。

答：ε= 1000µε=0.001
6、 什么是压阻效应？
答：沿一块半导体某一轴向施加一定应力时，除了产生一定应变外，材料的电阻率也要发生变化，这种现象称为半导体的压阻效应。

7、 简述半导体应变片的主要特性。

答：（1）应变－电阻特性，（2）电阻－温度特性（3）灵敏系数－温度特性
8、 热电阻式传感器常用的热电阻材料有哪些？这种传感器最主要的应用是什
么？
答：热电阻的类型有：1，铂热电阻2，铜热电阻3，铟热电阻4，锰热电阻
主要应用是：热电阻式传感器主要应用与测量温度及与温度有关的参量。

9、 电位计式传感器的类型有哪些？
答：包括直线位移型，角位移型，非线性型等。

10、 简述电容式传感器的工作原理。

答：电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。

实际上，它本身就是一个可变电容器。

当被测量的变化使电容器中的极板间的距离δ，极板的遮盖面积s 或极板间介质的介电常数ε任一参数发生变化时，电容量C 也就随之变化，这就是电容式传感器V
U R R U 005.05002.0212100=⨯⨯=∆=002
.0001.02=⨯==∆εk R R Ω
=⨯=⨯=∆∴24.0002.0120002.0R R
的工作原理。

11、电容式传感器的测量电路有哪些？
答：电容式传感器的测量电路有：
（1）电桥电路（2）运算放大器式电路
（3）调频电路（4）脉冲调宽电路
12、简述电容式传感器的误差分析与补偿方法。

答：（1）减小环境温度，湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能。

（2）消除和减小边缘效应。

（3）消除和减小寄生电容的影响。

（4）防止和减小外界干扰。

13、简述电容式传感器的主要性能。

答：电容式传感器的主要性能有静态灵敏度，非线性和动态特性。

14、简述电容式传感器的应用。

答：（1）电容式差压传感器；（2）电容式加速度传感器；（3）电容式液位传感器；
（4）电容式荷重传感器；（5）电容式位移传感器。

15、简述电容式传感器的优缺点。

答：电容式传感器的优点是温度稳定性好，结构简单，适应性强，动态响应好，可实现非接触测量等。

电容式传感器的缺点是输出阻抗高，负载能力。

16、简述容栅式传感器的工作原理。

答：近年来，在变面积型电容传感器的基础上发展成一种新型传感器，称为容栅传感器，它分为长容栅和圆容栅两种。

在固定容栅和可动容栅的A和B面分别印制（或刻画）一系列均匀分布并互相绝缘的金属（如铜箔）栅极。

将固定容栅和可动容栅的栅极面相对放置，中间留有间隙δ，形成一对对电容，这些电容并联连接。

当固定容栅、可动容栅相对位置移动时，每对电容面积发生变化，因而电容值C也随之变化，由此就可以测出线位移或角位移。

17、说明变气隙型电感传感器、差动变压器式传感器和涡流传感器的主要组成、工作原理和基本特性。

答：
a)变气隙型电感传感器主要由线圈、铁心、衔铁三部分组成的。

线圈是套在铁心上的，在铁心与衔铁之间有一个空气隙，空气隙厚度为δ。

传感器的运动部分与衔铁相连。

当外部作
用力作用在传感器的运动部分时，衔铁将产生位移，使空气隙δ发生变化，磁路磁阻R m发生变化，从而引起线圈电感的变化。

线圈电感L的变化与空气隙δ的变化相对应，这样只要测出线圈的电感就能判定空气隙的大小，也就是衔铁的位移。

b)差动变压器式传感器主要由铁心、衔铁和线圈组成。

线圈又分为初级线圈（也称激励线圈）和次级线圈（也称输出线圈）。

上下两个铁心及初级、次级线圈是对称的。

衔铁位于两个铁心中间。

上下两个初级线圈串联后接交流激磁电压1，两个次级线圈按电势反相串联。

它的优点是灵敏度高，一般用于测量几微米至几百微米的机械位移。

缺点是示值范围小，非线性严重。

c)涡流传感器的结构很简单，有一个扁平线圈固定在框架上构成。

线圈用高强度漆包线或银线绕制而成，用粘合剂站在框架端部，也可以在框架上开一条槽，将导线绕在槽内形成一个线圈。

涡流传感器的工作原理是涡流效应，当一块金属导体放置在一变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中漩涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。

这种现象就称为涡流效应。

涡流传感器最大的特点是可以实现非接触式测量，可以测量振动、位移、厚度、转速、温度和硬度等参数，还可以进行无损探伤，并且具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、体积小等优点。

18、为什么螺管型电感传感器比变气隙型电感传感器有更大的测位移范围？
答：变气隙型灵敏度高，因为原始气隙δ0一般取得很小（0.1~0.5mm），当气隙变化为△δ=1μm时，电感的相对变化量△L/L0可达0.01~0.002，因而它对处理电路的放大倍数要求低。

它的主要缺点是非线性严重，为了减小非线性，量程就必须限制在较小范围内，通常为气隙δ0的1/5以下，同时，这种传感器制造装配困难。

变面积型的灵敏度比便器习性的低，它的优点是具有良好对吧线性，量程较大，制造装配比较方便，应用较广。

螺管型的灵敏度比变面积型的还低，但量程大，线性较好，制造装配方便，与变面积型相比，批量生产的互换性强，应用越来越多。

19、电感式传感器的测量电路主要形式是什么？
答：交流电桥是电感传感器的主要变换电路。

桥臂可以是电阻、容抗或感抗元件。

当不接负载（或负载阻抗为无穷大）时，其输出称为开路输出电压，表达式为：
当电桥平衡时，即Z1Z3=Z2Z4，电桥的输出，当桥臂阻抗发生变化时，引起电桥不平
衡，将不再为0，通过的变化，可以确定桥臂阻抗的变化。

实际应用中，交流电桥常与差动式电感传感器配用，传感器的两个电感线圈作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的两个次级线圈。

20、与非差动型性比，差动型变磁阻式自感传感器有什么优点？
答：具有下列优点：
a)线性好；
b)灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；
c)温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；
d)电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。

21、什么是差动变压器的零点残余电压？如何消除？
答：差动变压器随衔铁的位移输出一个调幅波，因而可以用反串电路作为转换电路，即直接将两个次级线圈反向串接，传感器的空载输出电压等于两个次级线圈感应电动势之差。

最常用的差动变压器的转换电路为差动整流电路。

把两个次级电压分别整流后，以它们的差为输出端，这样，次级电压的相位和残余电压都不必考虑。

22、什么叫涡流效应？
答：涡流传感器的工作原理是涡流效应，当一块金属导体放置在一变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中漩涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。

这种现象就称为涡流效应。

23、压磁式传感器的工作原理是什么？
答：压磁式传感器的工作原理是基于铁磁材料的压磁效应，它具有输出功率大，抗干扰能力强，过载能力强、结构简单等优点；但测量精度一般，频率响应较低，常用于冶金、矿山、运输等工业，用于测力和称重。

近年来，应用逐渐广泛。

24、为什么说感应同步器是数字传感器？
答：感应同步器是利用两个平面绕组的互感系数随两者的相对位置变化而变化，来测量线位移和角位移的传感器，可以分为直线感应同步器和圆感应同步器。

25、试比较差动电感传感器几种常用测量电路的特点。

答：差动传感器几种常用的测量电路有：变气隙型、变面积型和螺管型三种。

变气隙型传感器的优点是灵敏度高，一般用于测量几微米至几百微米的机械位移。

缺点是示值范围小，非线性严重。

变面积型传感器通常可以测量到几秒的微小角位移，输出的线性范围一般在±
10°左右。

螺管型与前面两种相比，虽然灵敏度低，但是示值范围大，自由行程可以自由安排，制造装配也比较方便。

26、比较低频透射式和高频反射式涡流传感器测厚度的原理有什么不同？
答：低频透射式涡流传感器：为了较好的测量厚度，激励频率要选的较低，一般在500Hz。

一般地说，测薄导体时，频率略高些，测厚导体时频率应低些。

测ρ较小的材料（如铜材）时，应选较低的频率（500Hz），而测ρ较大的材料（如黄铜、铝）时，则选用较高的频率（2kHz），从而保证在测不同材料时，得到较好的线性和灵敏度。

高频反射式涡流传感器：传感器和基准面的距离x是固定的，将被测物体放在基准面上以后，可测出涡流传感器与被测物体之间的距离d，于是可以求出被测物体的厚度h=x-d。