测试技术基础答案 第三章 常用传感器讲课稿

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，可概括分为物性型和结构型；

(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，可分为模拟型和数字型。 (二)电阻式传感器

1、分类：变阻式传感器和电阻应变式传感器。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和涡电流式。

2、涡电流式传感器的工作原理：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201

δ

εεδA d dC S -==

，可以看出，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、湿度和温度等；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是压电效应。

压电效应是指某些物质，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 试举出你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是性能稳定，线性较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性差、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？

解：根据应变效应表达式∆R /R =S g ε 得

∆R =S g ε R =2⨯1000⨯10-6⨯120=0.24Ω (1)I 1=1.5/R =1.5/120=0.0125A=12.5mA

(2)I 2=1.5/(R +∆R )=1.5/(120+0.24)≈0.012475A=12.475mA (3)δ=(I 2-I 1)/I 1⨯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

图3-84 题3-4

1.5V

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∆-=∆2

001

A

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(10

85.8362

32

312

PF C -----⨯±=⨯±⨯⨯⨯⨯

⨯-=∆π

传感器的灵敏度