第三章 常用传感器(1)
15第3章_电气式传感(1)
x
B
C
A
x
xp
灵敏度
dR dx
kl
e0 ey
e0
x
ey
x
x pey e0
1.1 变阻器式传感器
x x pey e0 kley
e0
ey
0
x
Hale Waihona Puke xp1.1 变阻器式传感器
后接分压电路
R p Rx
e0
Rx
ey
RL
V
ey
A
dl
l
A
2
dA
l A
d
代入 R l / A
dR R
dl l
dA A
d
1.2 电阻应变式传感器
金属丝 A r 2 金属丝体积不变
dR dl l
dr r dl l
2 d
2 dr r
d
有
R
器(differential transformer)）
2.1 自感型(self-inductance)(可变磁阻式)
原理:电磁感应
线圈
由电磁学原理可知： L W m i 其 中 ： L 电 感 ； W 线 圈 匝 数 ； i 电 流 ；
m 电 流 i产 生 的 磁 通
基于金属导体的应变效应(strain effect)，即
金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电 阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而 发生变化象。
1.2 电阻应变式传感器
机械工程测试技术课后习题答案 (1)
第三章：常用传感器技术 3-1 传感器主要包括哪几部分？试举例说明。
传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。
如图所示的气体压力传感器。
其内部的膜盒就是敏感元件，它的外部与大气压力相通，内部感受被测压力p ，当p 发生变化时，引起膜盒上半部分移动，可变线圈是传感器的转换元件，它把输入的位移量转换成电感的变化。
基本电路则是完成上述电感变化量接入基本转换电路，便可转换成电量输出。
3-2 请举例说明结构型传感器与物性型传感器的区别。
答：结构型传感器主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。
例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。
物性型传感器则是利用敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。
例如，水银温度计是利用水银的热胀冷缩性质；压电式传感器是利用石英晶体的压电效应等。
3-3 金属电阻应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？答：（1）金属电阻应变片是基于金属导体的“电阻应变效应”， 即电阻材料在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象，其电阻的相对变化为()12dR Rμε=+； （2）半导体应变片是基于半导体材料的“压阻效应”，即电阻材料受到载荷作用而产生应力时，其电阻率发生变化的现象，其电阻的相对变化为dR d E R ρλερ== 。
3-4 有一电阻应变片（见图3-105），其灵敏度S 0=2，R =120Ω，设工作时其应变为1000με，问ΔR =？设将此应变片接成图中所示的电路，试求：1）无应变时电流指示值；2）有应变时电流指示值；3）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 ?得?R =S g ? R =2?1000?10-6?120=?1）I 1=R =120=0.0125A=2）I 2=(R +?R )=(120+?0.012475A=3）电流变化量太小，很难从电流表中读出。
常用传感器与敏感元件
第三章常用传感器
1
x x
x
b
传感器灵敏度 SdCee0b常数 a直线位移型 2 dx d
✓角位移型 C e e0 r2
2d
1
传感器灵敏度 SdCe e0r2 常 数 d 2d
2
b角位移型
测试技术基础
第三章常用传感器
✓圆柱体线位移型
C
e0eA d
电容量
C
2e x
In D / d
当覆盖长度 x 变化时;C电容量 发生变化;
缺点：固有频率低;可测频带窄;适用于测量缓慢变化或者 静态被测量; 为了提高频带;常与其它形式的传感器联合 运用
测试技术基础
第三章常用传感器
3 3 电阻式传感器
电阻式传感器 是把被测量转换为电阻变化的一种传
感器;
• R l
A
按工作的原理可分为:
♠变阻器式
♠电阻应变式
♠热敏式
♠光敏式
♠湿敏式
测试技术基础
LL0 dd0 1 dd0 dd0 2
d/d0 1 d /d0 0.1
SLL0
d d0
W22d002A0
测量范围允许在0 001mm~1mm之间;
衔铁
lδ Δδ
测试技术基础
第第四三章章常常用用传传感感器器
差动式电感传感器
d 1 d 2 L1 L2 L0 LL1L20
d
L1 L0L1 L2 L0L2
➢声: 声压;噪声； ➢磁: 磁通;磁场； ➢温度: 温度;热量;比热； ➢光： 亮度;色彩
▲
测试技术基础
第三章常用传感器
3 2 机械式传感器
机械式传感器 一类传感器的统称;指只含有机械的转换方式; 把机械量转换为另一种机械量的传感器; 常常以弹性体作为传感器的敏感元件
机械工程测试技术基础》试题复习题及答案
机械⼯程测试技术基础》试题复习题及答案XX⼤学200X——200X学年第⼀学期《传感器与测试技术》期末考试试卷1．测试技术的基本任务是。
2．从时域看，系统的输出是其输⼊与该系统的卷积。
3．信号的时域描述，以为独⽴变量；⽽信号的频域描述，以为独⽴变量。
4．如果⼀个信号的最⾼频率为50Hz，为了防⽌在时域采样过程中出现混叠现象，采样频率应该⼤于Hz。
5．在桥式测量电路中，根据其的性质，可将其分为直流电桥与交流电桥。
6．⾦属电阻应变⽚与半导体应变⽚的主要区别在于：前者利⽤引起的电阻变化，后者利⽤变化引起的电阻变化。
7．压电式传感器是利⽤某些物质的⽽⼯作的。
8．带通滤波器的上下限截⽌频率为fc2、fc1，其带宽B = ；若其带宽为1/3倍频程则fc2 = fc1。
9．属于能量控制型的传感器有、等。
10根据载波受调制的参数不同，调制可分为、、。
11相关滤波的⼯作原理是。
12 测试装置的动态特性可以⽤函数、函数和函数进⾏数学描述。
⼆、选择题（把正确答案前的字母填在空格上，每题1分，共10分）1．不能⽤确定的数学公式表达的信号是信号。
A 复杂周期B ⾮周期C 瞬态D 随机2．平稳随机过程必须。
A 连续B统计特征与时间⽆关 C 各态历经 D 统计特征等于时间平均3．⼀阶系统的动态特性参数是。
A 固有频率B 阻尼⽐C 时间常数D 灵敏度4．系统在全量程内，输⼊量由⼩到⼤及由⼤到⼩时，对于同⼀个输⼊量所得到的两个数值不同的输出量之间的最⼤差值称为。
A 回程误差B 绝对误差C 相对误差D ⾮线性误差5．电阻应变⽚的输⼊为。
A ⼒B 应变C 速度D 加速度6．⽤于评价系统的输出信号和输⼊信号之间的因果性。
A 传递函数B 互相关函数C 互谱密度函数D 相⼲函数7．为使电缆的长短不影响压电式传感器的灵敏度，应选⽤放⼤器。
A 电压B 电荷C 微分D 积分8．在测量位移的传感器中，符合⾮接触测量⽽且不受油污等介质影响的是传感器。
《机械工程测试技术基础》期末试题及答案
第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。
这些物理量就是 信号 ，其中目前应用最广泛的是电信号。
2、 信号的时域描述，以 时间 为独立变量；而信号的频域描述，以 频率 为独立变量。
3、 周期信号的频谱具有三个特点： 离散性 ， 谐波性 ，收敛性 。
4、 非周期信号包括 准周期 信号和 瞬变周期 信号。
5、 描述随机信号的时域特征参数有 均值 、 均方值 、 方差 。
6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 关于Y 轴 （偶） 对称，虚频谱（相频谱）总是 关于原点（奇） 对称。
（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。
（ √ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。
（ √ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。
（ × ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。
（ × ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。
（ √ ）（三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。
2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2x ψ，和概率密度函数p(x)。
3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。
4、 求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=T t T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。
5、 求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x at ω的频谱。
第二章 测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin )(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。
2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141n n ns s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。
第三章 常用传感器的变换原理
根据电阻的定义式: 阻的相对变化为：
R l/A
如果电阻丝在外力作用下产生变化时，其电
dR d 1 2 x R
1 为电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。
dR ( 1 2 ) K x 0 x R
d 引起的。
是由于电阻丝几何尺寸变化引起的； 是由于受力后材料的电阻率发生变化而
蠕变:应力不变的条件下，应变随时间延 长而增加的现象。 横向效应：敏感栅的电阻变化一定小于 纯直线敏感栅的电阻变化的现象。 机械滞后：应变片贴在试件上以后，在 一定温度下，进行循环的加载和卸载，加载 和卸载时的输入-输出特性曲线不重合的现象。
2）箔式应变片 箔式应变片中的箔栅是金属箔（厚为 0.002~0.01mm）通过光刻、腐蚀等工艺制 成的。如图3-10中(d)、(f)、(h)、(k)。箔的 材料多为电阻率高、热稳定性好的康铜和 铜镍合金。
（二）应变片的粘贴 1. 去污：采用 手持砂轮工具除去 构件表面的油污、 漆、锈斑等，并用 细纱布交叉打磨出 细纹以增加粘贴力 ， 最后用浸有酒精或 丙酮的纱布片或脱 脂棉球擦洗。
2. 贴片：在应 变片的表面和处理 过的粘贴表面上， 各涂一层均匀的粘 贴胶 ，用镊子将应 变片放上去，并调 好位置，然后盖上 塑料薄膜，用手指 揉和滚压，排出下 面的气泡 。
dR d 1 2 x R
对于金属材料：
d 是个常数，往往很小，可以忽略。
因此，上式可写成为：
dR ( 1 2 ) E 应变-电阻效应 x 1 x R
K0为金属单丝灵敏系数，是单位应变所 引起的电阻相对变化。
对于半导体材料： 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷 而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理 现象称为半导体的压阻效应。 半导体应变片是根据压阻效应原理工作的。 当沿某一晶轴方向切下一小条半导体应变片， 若只沿其轴向受到应力，其电阻率的变化量可由下 式表示
机械工程测试基础 第三章 传感器
3.3.1 电阻式传感器 R / R Sg E
x
●优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵 敏系数大，输出大，可不需放大器连接，使得测量系 统简化。 ●缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测 量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变， 且分散度大 。 分析表明，金属丝应变片与半导体应变片工作原 理的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻变化， 后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。
3.1 概述 2)按工作的物理基础分类: 见表3-1：机械式,电气式,光学式,流体式等.
3.1 概述 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
dR d (1 2 ) x R
或
dR / R
x
1 2
d /
x
灵敏系数： 令
Sg dR / R
x
1 2 E , (d / E x )
Sg称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单 位变形时，电阻相对变化量的大小。 显然，sg 越大，单位变形引起的电阻相对变化 量越大。
机械工程测试技术基础
第三章
常用传感器与敏感元件
本章学习要求：
1.掌握传感器的分类方法 2.掌握常用传感器测量原理、 特点及其应用 3.掌握传感器选用原则
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 概述
1. 传感器定义 传感器是直接感受规定的被测量，并能按一定 规律将被测量转换成同种或别种量值输出的装置。 物理量 电量
Rp
xp
机械工程测试技术试题及答案
A 电压
B 电荷
C 微分
D 积分
8． 在测量位移的传感器中，符合非接触测量而且不受油污等介质影响的是
D 传感器。
A 电容式
B 压电式
C 电阻式
D 电涡流式
9． 信号分析设备可分析的频率低于磁带记录仪记录信号的频率，可将磁带
B
，也可到达分析的目的。
A 重放速度放快 B 重放速度放慢 C 重放速度不变 D 多放几次
9． 〔 F 〕压电式加速度计的灵敏度越高，其工作频率越宽。
10.〔 T 〕假设系统是完全线性的，那么输入输出的相干函数一定为 1。
四、简答题〔每题 5 分，共 30 分〕
1． 周期方波的傅立叶级数展开式为
x(t)
8A
sin
0
t
1 3
sin
30t
1 5
sin
50t
试绘出该周期方波的单边幅值谱，并说明其频谱特点。
固定电阻组成电桥，供桥电压为 4V，并假定负载电阻无穷大，当应变片的应
变为 1000 时，分别求出单臂、双臂电桥的输出电压
单臂：
V u y
R 4R
u0
1 4
R R
u
0
1 4
Su
0
1 2.5 1000 106 4
4
2.5 103
双臂：
2分
V u y
R 2R
u0
1 2
R R
u
0
1 2
Su
0
1 2.5 1000 106 2
象，采样频率应该大于 100Hz。 5.在桥式测量电路中，根据其鼓励电压〔或工作电压或桥压或电源〕的性质，
可将其分为直流电桥与交流电桥。 6.金 属 电 阻 应 变 片 与 半 导 体 应 变 片 的 主 要 区 别 在 于 ： 前 者 利 用 导体
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第三章 常用传感器
（一）填空题
1、 属于能量控制型的传感器有 等，属于能量转换型的传感器有 等（每个至少举例两个）。
2、 金属电阻应变片与半导体应变片的物理基础的区别在于：前者利用 引起的电阻变化，后者利用 变化引起的电阻变化。
3、 为了提高变极距电容式传感器的灵敏度、线性度及减小外部条件变化对测量精度的影响，实际应用时常常采用 差动式 工作方式。
4、 压电式传感器的测量电路（即前置放大器）有两种形式： 电压 放大器和电荷 放大器，后接 放大器时，可不受连接电缆长度的限制。
5、 涡流式传感器的变换原理是利用了金属导体在交流磁场中的 涡电流 效应。
6、 磁电式速度计的灵敏度单位是 m/s2*c 。
7、 压电式传感器是利用某些物质的 压电 而工作的。
（二）选择题
1、 电阻应变片的输入为 。
（1）力 （2） 应变 （3）速度 （4）加速度
2、 结构型传感器是依靠 的变化实现信号变换的。
（1）本身物理性质 （2）体积大小 （3）结构参数 （4）电阻值
3、 不能用涡流式传感器进行测量的是 。
（1）位移 （2）材质鉴别 （3）探伤 （4）非金属材料
4、 变极距面积型电容传感器的输出与输入，成 关系。
（1）非线性 （2）线性 （3）反比 （4）平方
5、 半导体式应变片在外力作用下引起其电阻变化的因素主要是 。
（1）长度 （2）截面积 （3）电阻率 （4）高通
6、 压电式传感器输出电缆长度的变化，将会引起传感器的 产生变化。
（1）固有频率 （2）阻尼比 （3）灵敏度 （4）压电常数
7、 在测量位移的传感器中，符合非接触测量，而且不受油污等介质影响的是 传感器。
（1）电容式 （2）压电式 （3）电阻式 （4）电涡流式
8、 自感型可变磁阻式传感器，当气隙δ变化时，其灵敏度S 与δ之间的关系是：S ＝ 。
（1）δ
1k （2）δk （3）2-δk （4）2--δk 9、 光电倍增管是利用 效应制成的器件。
（1）内光电 （2）外光电 （3）光生伏特 （4）阻挡层
（三）判断对错题（用√或×表示）
1、 滑线变阻器式传感器不适于微小位移量测量。
（ ）
2、 涡流式传感器属于能量控制型传感器（ ）
3、 压电加速度计的灵敏度越高，其工作频率越宽。
（ ）
4、 磁电式速度拾振器的上限工作频率取决于其固有频率。
（ ）
（四）简答和计算题
1、 哪些传感器可选作小位移传感器？
2、 涡流传感器测量位移与其它位移传感器比较，其主要优点是什么？涡流式传感器能否测
量大位移量？为什么？
3、 电涡流传感器除了能测量位移外，还能测量哪些非电量？
4、 电涡流传感器能否测量塑料物体移动的位移？若能测量理由是什么？不能测量理由是
什么？应采取什么措施改进，就可以用电涡流传感器测量了。
5、 压电式加速度传感器与压电式力传感器在结构上有何不同，为什么？
6、 试用双螺管线圈差动型电感传感器做成一个测力传感器。
（1） 用简图说明该传感器的结构并简要说明其作用原理；
（2） 两个线圈通常应该接在什么电路中？用图说明如何接法。
7、 某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径)(4mm r =，工作初始极板间距离
)(3.00mm =δ，介质为空气。
问：
（1） 如果极板间距离变化量)(1m μδ±=∆，电容的变化量C ∆是多少？
（2） 如果测量电路的灵敏度)(100
1pF mV k =，读数仪表的灵敏度52=k （格／mV ）在)(1m μδ±=∆时，读数仪表的变化量为多少？
第四章 信号调理、记录和显示
（一）填空题
1、 电桥的作用是把电感、电阻、电容的变化转化为 输出的装置。
2、 在桥式测量电路中，按照 的性质，电桥可分为直流和交流电桥。
3、 在桥式测量电路中，根据工作时阻抗参与变化的 可将其分为半桥与全桥测
量电路。
4、 调幅是指一个高频的正（余）弦信号与被测信号 ，使高频信号的幅值随被测信
号的 而变化。
信号调幅波可以看作是载波与调制波的 。
5、 调频波的解调又称为 。
6、 调频是利用信号电压的 控制一个振荡器，使其输出为等幅波，而 与信
号电压成正比。
7、 常用滤波器的上、下截止频率1c f 、2c f 的定义为 ，其带宽B
＝ ，若为倍频程滤波器1c f 与2c f 的关系为 。
8、 RC 低通滤波器中RC 值愈 ，则上截止频率愈低。