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测试技术基础答案第三章常用传感器.pdf
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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
S
g
1 2v
。
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
S
g
E
。
(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
S
dC 1
0
A
2
,可以看出,灵敏度
S
与极距平方成反比,
d
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=120。设工作时其应变为 1000,
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?
图 3-84 题 3-4 图
解:根据应变效应表达式R/R=S
g
得
R=S
g
R=2100010
-6
(1)I
1
R
(2)I
2
=1.5/(R+R)=1.5/(120+0.24)
(3)
=(I
2
-I
1
)/I
1
100%=0.2%
(4)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。
N
2
0
A
0
dL
S
d
2
2
又因为线圈阻抗 Z=
L,所以灵敏度又可写成
N
2
0
A
0
dZ
S
2
d
2
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
、铁芯磁导率
0
,气
隙
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
、铁芯磁导率
0
,减小
气隙
,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
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=0.3mm,问:
1)工作时,如果传感器与工件的间隙变化量=1m 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=1m 时,读数仪表
的指示值变化多少格?
解:因为电容式传感器
C
0
A
0
1
所以,电容的变化量
C
0
A
2
2
0
2
又电容极板面积
A
r
(4 10 ) [m ]
2
0
8.85 10 [F m]
3
在空气中
1
,初始间隙
0
0.3 10 [m]
,所以,电容的变化量
3 2
C 8.85 10
12
(4 10
3
)
2
(0.310
3
)
2
(110
6
)
4.94 10
3
[PF ]
传感器的灵敏度
S
c
4.94 10
3
(PF
m)
3
仪表指示的变化范围
B 1 4.94 10 100 5 2.47[格]
习题 3-8 把一个变阻器式传感器按图 3-85 接线。它的输入量是什么?输出量是什么?在什
么样条件下它的输出量与输入量之间有较好的线性关系?
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苦茶子12138
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