传感器简答题

1：简述金属电阻应变片的工作原理，主要测量电路种类及其应用情况

应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将测量物体变形转换成电阻变化的传感器。被广泛应用于工程测量和科学实验中。

一工作原理

（一）金属的电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。如图2-1所示

设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，在未受力时，原始电阻为

（2－1）

当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔS，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变Δρ，故引起电阻值变化ΔR。对式（2－1）全微分，并用相对变化量来表示，则有:

（2－2）

式中的Δl/l为电阻丝的轴向应变，用ε表示，常用单位με（1με＝1×10-6mm/mm）。若径向应变为Δr/r，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用

泊松比μ表示为，因为ΔS/S＝2(Δr/r)，则（2－2）式可以写成

（2－3）

式（2－3）为“应变效应”的表达式。k0称金属电阻的灵敏系数，从式（2－3）可见，k0受两个因素影响，一个是（1+2μ），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是Δρ/（ρε），是材料的电阻率ρ随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则k0≈1+2μ，对半导体，k0

值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常金属丝的灵敏系数k0=2左右。

（二）应变片的基本结构及测量原理

各种电阻应变片的结构大体相同，以图2－2所示丝绕式应变片为例，它以直径为0.025mm左右的合金电阻丝2绕成形如栅栏的敏感栅，敏感栅粘贴在绝缘的基底1上，电阻丝的两端焊接引出线4，敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层3。l称为应变片的基长，b称为基宽，l×b称为应变片的使用面积。应变片的规格以使用面积和电阻值表示，例如3×10mm2，120Ω。

用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据式（2－3），可以得到被测对象的应变值ε，而根据引力应变关系

б=Eε（2－4）

式中б——测试的应力；

E——材料弹性模量。

可以测得应力值б。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。

应变片所以应用得比较广泛，是由于有如下优点：（1）测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测1～2με，误差小于1％。（2）应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布影响较小。既可用于静态测量，又可用于动态测量。（3）测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1％～2％至20％。（4）适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。（5）便于多点测量、远距离测量和遥测

2：电感式传感器主要有哪几种类型及各类传感器的工作机理？

电感式传感器由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。

电感式传感器的分类---自感型——变磁阻式传感器,互感型——差动变压器式传感器涡流式传感器——自感型和互感型都有高频反射式——自感型,低频透射式——互感型

3：电容式传感器的转换电路有几种主要类型？这种传感器有何优、缺点，实际应用中采取哪些措施克服这些缺点？

电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。

这里主要介绍电容式传感器的原理、结构类型、测量电路及其工程应用。当被测量的变化使S、d或ε任意一个参数发生变化时，电容量也随之而变，从而完成了由被测量到电容量的转换。

根据当式中的三个参数中两个固定，一个可变，使得电容式传感器有三种基本类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介电常数型电容传感器。电容式传感器的测量电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。因此，常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度制电路、运算放大器电路、二极管双 T 形交流电桥和环行二极管充放电法等。调频电路实际是把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。

调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至 0.01 μm级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通信，抗干扰能力强，可以发送、接收以达到遥测遥控的目的。

因此，在实际应用中，常采用差动式结构，既使灵敏度提高 1 倍，又使非线性误差大大降低，抗干扰能力增强。

电容式传感器具有如下特点。

(1) 结构简单，适应性强

电容式传感器结构简单，易于制造，精度高;可以做得很小，以实现某些特殊的测量，电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料作绝缘支承，因此可工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，能承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、过载等;能测超高压和低压差。

(2) 动态响应好

电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，可动部分可以做得小而薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特适合于动态测量;可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如振动等。

(3) 分辨率高

由于传感器的带电极板间的引力极小，需要输入能量低，所以特别适合于用来解决输入能量低的问题，如测量极小的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001μm ，甚至更小的位移。

(4) 温度稳定性好

电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。

(5) 可实现非接触测量、具有平均效应

如回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等，采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

不足之处是输出阻抗高，负载能力差，电容传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十皮法到几百皮法，使传感器输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗更高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象;寄生电容影响大，电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度，破坏了稳定性，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。