检测与传感第三章(3)
用一个桥路激励源来激励圆柱状力传感器的桥路，由A/D 转换器将桥路的输出转换为数字量，由单片机进行运算。
汽车衡称重系统
测量装货量或
判断超载
2. 悬臂梁式力传感器
等截面悬臂梁
等强度悬臂梁
一般将应变片贴在距固定端较近的表面，且顺梁的方向上、下各贴两 片，上面两应变片受压时，下面两个应变片受拉，四个应变片构成全桥 差动电桥，既提高了输出电压灵敏度KU，又可减小非线性误差。
全桥差动
Uo E KU E R1 R1
有非线性误差
无非线性误差；电桥 电压灵敏度是单臂工 作时的两倍；
无非线性误差；电 压灵敏度为单臂工 作时的4倍；
3.4.2 交流电桥 实际中，交流电桥的应用也非常广泛。
图 交 流 电 桥 一 般 形 式
U为交流电压源， 由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得 二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于并联一个电容。
膜 片 式 压 力 传 感 器 （a） 应变变化图; （b） 应变片粘贴
一般在平膜片圆心处切向粘贴 R1、R4两个应变片， 在边缘处沿 径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。
3.5.3 应变式容器内液体重量传感器（投入式液位计）
应变片容器内液体重量传感器
与水位成正 比的光柱
电缆
传感器
以半桥为例：
则每一桥臂上复阻抗分别为：
R1 Z1 1 j R1C1 R2 Z2 1 j R2C2 Z 3 R3 Z 4 R4
式中, C1、C2表示应变片引线分布电容。
R1 Z1 1 j R1C1 交流电路的电桥平衡条件，仍为Uo=0，则有： R2 Z2 1 j R2C2 Z 3 R3 Z1Z4=Z2Z3 Z 4 R4
3-5 图为一直流应变电桥，图中 试求：
， E 4V R1 R2 R3 R4 120
例3-6
图为等强度梁测力系统。
R1为电阻应变片，应变片灵敏系数 K 2.05,
未受应变时 R1 120 ，当试件受力F时，
应变片承受平均应变 800 m / m 。
求： （1）应变片电阻变化量 R1和电阻相对变化量
应变式力传感器原理演示
贴在应变式力传感器表面的应变片在向下力的作用下 产生变形。轴向变短，径向变粗。
F
F
F
应变式力传感器外形及受力位置
F
F
应变式力传感器外形及受力位置
人体秤
便携式 吊钩秤
超市打印秤
磅秤 电子秤
电子天平的准确度可达十 万分之一
电子天平
电子秤中的各类弹性元件
应变式力传感器的应用（汽车衡-地磅）
检测与传感技术
上节内容复习
3. 应变式传感器
1. 弹性敏感元件的基本特性 刚度（C） & 灵敏度（S） 2. 应变片的特性 （1）应变片电阻值 （3）横向效应 （2）应变片的灵敏系数K （4）绝缘电阻和最大工作电流 电阻温度系数的影响 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响
Rt R R R0 R0 0 t K 0 ( g s ) t [ 0 K 0 ( g s )]t
R1 R3 R2 R4 R1 C2 R2 C1
由此可知，对交流电容电桥，不仅要满足电阻平衡条件，还必 须满足电容平衡条件。因此，在桥路上除设有电阻平衡调节外，还 应设有电容平衡调节。
3.5 应变式传感器的应用
3.5.1 应变式力传感器
定义：被测物理量为荷重或力的应变式传感器，统称为应变式力传感
， 为材料的应变灵敏系数。当被测量作用在弹性元件上，弹性元件在在 力的作用下发生了形变，使与之相连的应变片的电阻值发生变化，再 由测量电路转换为电信号的输出，输出电量的大小反映了被测量的大 小。
dR 其工作原理都是基于表达式为dR/R=kε，式中 K R (1 2 )
金属电阻应变片和半导体应变片不同之处在于灵敏系数，金属应 变片的灵敏系数主要取决于前两项K=1+2u，半导体主要取决于后一 d 项K= 。
投入式液位计外形
投入式液位传 感器必须使用安 装支架，适应于 深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质 的水或其他液体 的液位测量。
投入式液位传感器
投入式液位计液位的计算
安装高度h0处的水的表压 p1=gh1
所以： h=h0+h1 =h0+p1 /(g)
例：液位计安装高度为1m，测得压力 为98kPa，求：水的深度h。
即
R1 R2 R4 R3 1 jR1C1 1 jR2C2
整理后，同除以R1R2：
R3 R4 jR3C1 jR4C2 R1 R2
R3 R4 jR3C1 jR4C2 R1 R2
令上式实部、虚部分别相等，整理得交流电桥的平衡条件：
R3 R4 R1 R2 R3 C2 R4 C1
3.5.4
应变式加速度传感器
应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。
基本工作原理是：a=F/m。
电阻应变式加速度传感器结构图
特点：不适用于频率较高的振动和冲击场合， 一般适用频率为 10~60 Hz范围。
3.5.5 应变式数显扭矩扳手
数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制 造和家用电器等领域，准确控制紧固螺栓的装配扭矩。量 程 2~500N· m ，耗电量 ≤ 10mA ，有公制 / 英制单位转换、峰 值保持、自动断电等功能。
器。
用途：是作为各种电子称、 桥梁、坝体承载状况监测等。
特点：灵敏度高、稳定性好，受侧向作用力或力的作用点Байду номын сангаас量变化
时，测量仍能保持稳定。
1. 柱（筒）式力传感器
图3-13 圆柱（筒）式力传感器
（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图
F
R4 R1 R 2
应变式力传感器的外形及应变片的粘贴位置
F
F
S型结构，具有良好的拉、压对称性。抗疲劳、抗偏载、抗过载能力 强。防尘、防潮、防水性能好，可用于恶劣环境。适用于建筑、水利、 化工、港口等行业的工程机械。如搅拌机、搅拌站、打桩机、吊秤等。
3.5.2 应变式压力传感器 （被测物理量为压力）
用途：测量流动介质的动态或静态压力, 如动力管道设备的进出口气体 或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机 管道的压力等。
R1 R1 0.2 120 0.17%
(2) 若将电阻应变片置于单臂测量桥路中，则
U0 E R1 3 0.0017 1.25mV 4 R1 4
R1 2 R1 非线性误差： l 0.085% R1 1 2 R1 （3）若要减小非线性误差，可采用半桥或全桥差动电路。 半桥差动电路的输出电压是单臂测量的两倍2.5mV，非线性误 差为0； 全桥差动电路的输出电压是单臂测量的四倍5mV ，非线性误 差也为0。
（5）应变片的温度误差
3. 电阻应变片的温度补偿方法
线路补偿 应变片自补偿
上节内容复习
4.电阻应变片的测量电路 4.1 直流电桥 （1） 平衡条件：
R1 R3 R2 R4
（2）不平衡（处于测量状态时）： 单臂测量
Uo KU
E R1 4 R1 E 4
半桥差动
Uo KU E R1 2 R1 E 2
R1 R1
（2）将电阻应变片 R1 置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥 输出电压及电桥非线性误差； （3）若要减小非线性误差，应采取何种措施？并分析其电桥输出电压及非线 性误差大小。
解：（1）根据应变效应，有 R1 R1 K 将已知条件代入：
R1 K E R1 2.05 800 106 120 0.2
应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形演示
当力F垂直向下作用于悬臂梁的末端时，梁的上表面产生 拉应变，下表面产生压应变。对于任一指定点来说、上下 表面的应变大小相等符号相反。
等截面悬臂梁的最大应变产生在梁的根部，该部位也是结构最 薄弱处。
各种悬臂梁
F
固定点
F
固定点
电缆
3. S型应变式力传感器
F F
应变式数显扭矩扳手
第三章 习题
3-1 什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应和压阻效应解 释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。
答：金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生 变化的现象叫金属材料的应变效应；半导体材料在受到应力作用后， 其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。 d
传感器与检测技术课件第三章
数据分析
采用图表、公式等方法对实验数据进 行分析，得出传感器的性能参数。
结果讨论
根据实验结果，对传感器的性能进行 评估和讨论，提出改进意见或建议。
THANKS
感谢观看
01
02
03
测量误差来源
包括传感器误差、信号调 理电路误差、数据采集误 差等。
误差分类
分为系统误差、随机误差 和粗大误差三类。
数据处理方法
包括算术平均值法、加权 平均值法、最小二乘法等， 用于减小误差和提高测量 精度。
信号调理电路设计
放大电路
用于放大传感器输出的 微弱信号，提高信号的
幅度。
滤波电路
光电倍增管
在光电管的基础上，通过多级倍增电极放大 光电流，提高灵敏度。
光电二极管和三极管
利用半导体材料的光电效应，将光信号转换 为电流或电压信号进行测量。
04
传感器在各个领域应用举例
工业自动化领域应用
生产线自动化
利用传感器监测生产线上物料、 设备状态，实现自动化控制和优
化调度。
过程控制
通过传感器实时监测工艺流程中 的温度、压力、流量等参数，确
等。
实验步骤和注意事项
选择合适的传感器
根据实验需求和目的，选择适合的传感器类型。
搭建检测系统
按照实验指导，正确连接传感器、信号调理电路和数据采集设备， 搭建完整的检测系统。
系统调试
在搭建完成后，进行系统调试，确保各部分正常工作。
实验步骤和注意事项
01
02
03
04
性能测试
按照实验要求，对传感器进行 性能测试，记录实验数据。
06
实验环节：搭建简易检测系统并 测试性能参数
第三章 传感器
第三章常用的传感器§3.1传感器的分类一、传感器的定义通俗的讲，传感器就是将被测信息转换成某种信号的器件。
也就是将被测物理量转换成于之相对应的、容易检测、传输或处理的信号的装置，称之为传感器。
传感器通常直接作用于被测量。
传感器是对信号进行感受与传送的装置，它是测试装置的输入环节，因此传感器的性能直接影响着整个测试装置的工作可靠性。
近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这个领域内的一个重要构成因素，被视为90年代的重要技术之一受到了普遍的重视。
深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中的自动测量和自动控制的发展，以及在科学技术领域里实现现代化都有重要意义。
二、传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三个主要部分组成，有时还加上辅助电源。
通常可用图表示如下：图4-1 传感器的组成由于其用途的不同或是结构原理的不同，其繁简程度相差很大。
因此，传感器的组成将依不同情况而有差异。
敏感元件——传感器的核心，它直接感受被测量（一般为非电量）并转换成信号形成，即输出与被测量成确定关系的其它量的元件，如膜片、热电偶，波纹管等。
传感元件——又称变换器，是传感器的重要组成部分。
传感元件可以直接感受被测量（一般为非电量）而输出与被测量成确定关系的电量。
如热电偶和热敏电阻等。
传感元件也可以不只感受被测量，而只是感受与被测两或确定关系的其它非电量；如应变式压力传感器的电阻片，并不直接感受压力，只是感受与被测压力成确定关系的应变，然后输出电量，在多数情况下，使用的就是这种传感元件。
测量电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。
测量电路视传感元件的类型而定。
三、传感器的分类在生产和科研中应用的传感器种类很多，一种被测量有时可以用集中传感器来测量，用一种传感器往往可以测量多种物理量。
为了对传感器有一个概括的认识，对传感器进行研究是很必要的。
传感器与检测技术ppt课件第三章
• 力传感器
差动变压器式力传感
器原理结构图如图所
示。它是利用力作用
下引起弹性元件形变，
然后弹性元件的形变
带动差动变压器的衔
铁运动，从而产生相
2024/7/13 应地电流或电压输出
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差动变压器式传感器的应用
• 差动变压器式电感测微仪
2024/7/13
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3.3 电涡流传感器
• 它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的， 气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀 分布，中间强，两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长， 一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于1为宜。铁磁材料 的选取决定于供桥电源的频率，500Hz以下多用硅钢片， 500Hz以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度 考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。
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差动变压器式传感器的应用
• 差动变压器式加速度传感器是 由悬臂梁和差动变压器构成， 其结构如图所示。
2024/7/13
振动传感器及其测量电路 1—弹性支撑 2—差动变压器
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差动变压器式传感器的应用
• 力平衡式差压计
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第42页/共62页
差动变压器式传感器的应用
2024/7/13
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第33页/共62页
测量电路
• 差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。 另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电动势目的，实际测量 时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。
化工仪表及自动化答案第五版终极版
第一章自动控制系统基本概念4.自动控制系统主要由哪些环节组成答：主要由测量与变送器、自动控制器、执行器、被控对象组成;9.试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量答：在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫被控对象;生产过程中所要保持恒定的变量,在自动控制系统中称为被控变量;工艺上希望保持的被控变量即给定值;具体实现控制作用的变量叫做操纵变量;12.什么是负反馈负反馈在自动控制系统中有什么重要意义答：系统的输出变量是被控变量,但是它经过测量元件和变送器后,又返回到系统的输入端,能够使原来的信号减弱的做法叫做负反馈;负反馈在自动控制系统中的重要意义是当被控变量,y受到干扰的影响而升高时,只有负反馈才能使反馈信号升高,经过比较到控制器去的偏差信号将降低,此时控制器将发出信号而使控制阀的开度发生变化,变化的方向为负,从而使被控变量下降回到给定值,这样就达到了控制的目的;11.图1-18所示试画方框图,并指出该系统的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么被控对象：反应器冷却水流量：干扰变量A、B的流量、温度;13.结合11题,说明该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环系统;当被控变量反应温度上升后,反馈信号升高,经过比较使控制器的偏差信号e降低;此时,控制器将发出信号而使控制阀的开度变大,加大冷却水流量,从而使被控变量下降到;所以该温度控制系统是一个具有反馈的闭环系统;14.图1-18所示的温度控制系统中,如果由于进料温度升高使反应器内的温度超过给定值,试说明此时该控制系统的工作情况,此时系统是如何通过控制作用来克服干扰作用对被控制变量影响的当反应器的温度超过给定值时,温度控制器将比较的偏差经过控制运算后,输出控制信号使冷却水阀门开度增大,从而增大冷却水流量,使反应器内的温度降下来;这样便可以通过控制作用克服干扰作用对被控变量的影响;15.按给定值形式不同,自动控制系统可分为定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统;18.什么是自动控制系统的过渡过程它有哪几种基本形式系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程,称为系统的过渡过程;非周期衰减过程、衰减振荡过程、等幅振荡过程、发散振荡过程;20.自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有哪些影响这些品质指标的因素是什么答：自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期或频率;影响因素有被控对象的额性质,自动化装置的选择和调整;第二章过程特征及数学模型8.反应对象特性的参数有哪些各有什么物理意义他们对自动控制系统有什么影响描述对象特性的参数有放大系数K、时间常数T、滞后时间г物理意义：K：反应的是对象处于稳定状态下的输出变化量和输入变化量之间的关系; T：系统在受到阶跃输入作用后输出达到稳定值的%所需时间系统受到输入作用后,输出保持初始速度变化,达到稳定值所需时间;г：是纯滞后时间гo和容量滞后гc的总和纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的;容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定阻力而引起的;影响：对于控制通道;K大,操纵变量的变化对被控变量的影响就大,即控制作用对扰动的补偿能力强,余差也小；K小,控制作用的影响不显着,被控变量变化缓慢,但K太大,会使控制作用对被控变量的影响国强,使系统稳定性下降在相同的控制作用下,时间常数T大,则被控变量的变化比较缓慢,但过渡过程时间较长;若T小,则被控变量变化速度块,T太大或太小,在控制上都将存在一定困难,因此需根据实际情况适中考虑;由于г的存在使控制作用总是落后于被控变量的变化,造成被控变量的最大偏差增大,控制质量下降;因此,应尽量减小滞后时间г;对于扰动通道,K大对控制不利,会使最大偏差增大,K小,对控制变量不会产生多大影响;T大扰动作用比较平缓,被控变量变化较平稳,对象较易控制纯滞后不影响控制系统的品质,容量滞后的存在,使阶跃扰动的影响趋于缓和,被控变量的变化相应也缓和一些;因此,对系统有利;9.为什么说放大系数K是对象的静态特性而时间常数T和滞后时间г是对象的动态特征在稳定状态时,对象一定的输入就对应着一定的输出;这种特性称为对象的静态特征,而K在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比,所以放大系数是对象静态特性;时间常数T和滞后时间г都描述的是达到稳态值前的过程,故是对象的动态特性;第三章检测仪表与传感3.何谓仪表的相对百分误差和允许的相对百分误差答：相对百分误差是指绝对误差中的最大值Δmax与仪表量程的百分比;%100max⨯-∆=测量范围下限值测量范围上限值δ允许的相对百分误差是仪表在规定的正常情况下允许的相对误差的最大值;%100⨯-±=测量范围下限值测量范围上限值差值仪表允许的最大绝对误允δ4.何谓仪表的精度等级答：将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“％”号,便可以用来确定仪表的精确度等级; 目前常用的精确度等级有,,,,,,,,,,等;11.弹簧管压力计的测压原理是什么答：它的测压原理是将被测压力通入弹簧管后,由于弹簧管的变形使其自由端发生位移,放大后就可以由指针在仪表盘上指示出相应的压力值;14.应片式压力计与电阻式压力计各采用什么测压元件答：应片式压力计：电阻应变片电阻式压力计：单晶硅片15.电容式压力传感器的工作原理有何特点答:它的工作原理是将弹簧管的位移转换成电容量的变化,将被测膜片作为电容器的可动极板,与固定极板组成可变电容器;当被测压力改变时由于被测膜片的弹性变形产生位移,改变两极板之间的距离;造成电容量的变化;特点：结构紧凑,灵敏度高,过载能力大,重量轻,使用方便;26.压力计安装要注意什么问题答：①压力计应安装在易观察和检修的地方;②安装地点应力求避免振动和高温影响;③测量蒸汽压力时,应加装凝液管,以防止高温蒸汽直接与测压元件接触,对于有腐蚀性介质的压力测量,应加装有中性介质的隔离罐;④压力计的连接处,应根据被测压力的高低和介质性质,选择适当的材料,作为密封垫片,以防泄漏;⑤当被测压力较小,而压力计与取压口又不在同一高度时,对由此高度而引起的测量误差应按Δp＝±Hρg进行修正;⑥为安全起见,测量高压的压力计除选用有通气孔的外,安装时表壳应向墙壁或无人通过之处,以防发生意外;29.试述化工生产中测量流量的意义答：在化工生产中,测量流量,以便为生产操作和控制提供依据,使产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数;30.试述差压式流量计的测压原理,影响因素答：它的测压原理是基于流体流动的节流原理,利用流体经过节流装置产生的压力差来实现流量测量的,当流体流经节流件时,会发生流速的改变,便会产生差压,在一定条件下,流量与节流件前后的差压有一定的单位对应关系;影响因素;1节流装置安装不正确；2倒压管安装不正确或出现堵塞、渗漏等现象；3差压计安装或使用不正确；4板孔入口边缘的磨损；5被测流体工作状态的变动;35.转子流量计的工作原理答:它的工作原理是流体流过环系的时候,节流作用使浮子上下表面产生压力差形成上升力,它与浮力合力使浮子向上运动,当上升力与浮子本体重量相等的时候,浮子平衡在一个位置,浮子平衡高度与流体流量的对应关系,这个高度代表流量的大小;40．椭圆齿轮流量计的特点是什么答：椭圆齿轮流量计的特点是：测量精度高、对流体黏度变化不敏感,特别适用于测量高黏度的流体流量,但要求被测介质干净,不含固体颗粒,一般不宜在高温或低温下使用;44.质量流量计有那两大类答：一种是直接式质量流量计,即直接测量流体的质量流量；另一种是间接式或推倒式质量流量计,这类质量流量计是利用体积流量计和密度计组合来测量质量流量的;59.常用的热电偶有哪几种所配用的补偿导线是啥说明使用补偿导线注意那几点为啥使用补偿导线答：铂铑30-铂铑6热电偶、铂铑10-铂热电偶、镍铬-镍硅热电偶、镍铬-考铜热电偶、铜-康铜热电偶；所配用的补偿导线是铜-镍铜；注意：1补偿导线与热电偶型号匹配；2正负极对应,不能接反；3新冷端温度恒定,原冷端和新冷端温度在0-100摄氏度范围内; 原因：由热电偶测温原理知道,只有热电偶冷端温度恒定时热电势才是被测温度的单值函数,但由于热电偶的工作端和冷端离的很近,而且冷端暴露在空间,容易受到周围环境温度的影响,所以很难保持冷端温度恒定,当然可以做的热电偶很长,但消耗过多金属材料,太浪费,解决这个问题的方法是使用一种专用导线称“补偿导线”;60.用热电偶测温时,为啥进行冷端补偿补偿方法有哪几种答：采用补偿导线后,把冷端从高温或不稳定的地方延伸到低温关系稳定的操作室中,由于操作室的温度一般高于0摄氏度,故冷端温度还是不能保持0摄氏度恒定,由于工业上常用的热电偶冷端温度均为0度,同时所用仪表也是按照这种关系配套的,因此计算结果还是有很大误差的,因此必须对其修正,保证冷端温度0度恒定;即冷端温度补偿;方法：1冷端温度保持0度恒定的方法；2冷端温度修正方法；3校正仪表零点法；4补偿电桥法；5补偿热电偶法;62.用热电偶测温时,为什么要进行冷端补偿其冷端补偿的方法有哪几种答：采用补偿导线后,把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方,延伸到温度较低和比较稳定的操作室内,但冷端温度还不是0℃;而工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线是冷端温度保持为0℃的情况下得到的,与它配套的使用的仪表也是根据这一曲线进行刻度的,由于操作室的温度变化而变化,这样测量结果就会产生误差;因此,要进行冷端补偿;补偿方法：1冷端温度保持为0℃的方法2冷端温度修正方法3校正仪表零点法4补偿电桥法5补偿热电偶法65.试述热电阻测温原理常用热电阻种类R0各为多少答：利用金属材料的电阻随温度的改变而改变的特性测温的;常用的热电阻有铂电阻和铜电阻 Pt50 Pt100 Cu50 Cu100 R0=50、100第四章自动控制仪表1.什么是控制器的控制规律控制器有哪些基本控制规律答：所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号P与输入偏差信号e之间的关系,即p=fe=fz-x 式中,Z为测量值信号；x为给定值信号；f为某种函数关系;常用的控制规律有位式控制,比例控制P,积分控制I,微分控制D,以及它们的组合控制规律,例PI,PD,PID等;3．比例控制规律是怎样的答：控制器的控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系,即p=Kpe,式中,Kp 为比例放大系数;4.何谓比例控制器的比例度所谓比例度就是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数;6.比例控制器的比例度对控制过程有什么影响选择比例度时要注意什么问题比例度δ和放大倍数Kp都能表示比例控制器控制作用的强弱;只不过Kp越大,表示控制作用越强,而δ越大,表示控制作用越弱;7．试写出积分控制规律的数学表达式;为什么积分控制能消除余差答：表达式为KI∫edt P为输出变化量,e为输入偏差,KI为积分速度;因为有偏差存在时,输出信号将随时间增长或减小;当偏差为零时,输出才停止变化而稳定在某一值上,所以积分控制能消除余差;8.什么是积分时间Ti试述积分时间对控制过程的影响;积分时间是积分速度的倒数Ti=1/Ki积分时间Ti越短,Ki越大,积分作用越强,过渡时间越短,因而易于消除余差；反之亦然;10.理想微分控制规律的数学表达式是什么为什么微分控制规律不能单独使用P=Tdde/dt微分控制规律的输出不能反映偏差的大小,假如偏差固定,即使数值很大,微分作用也没有输出,因而控制结果不能消除偏差,所以不能单独使用这种控制器;11.试写出比例积分微分PID三作用控制规律的数学表达式;p=Kpe+1/Ti∫edt+ Tdde/dt12.试分析比例、几份、微分控制规律各自的特点;比例控制规律：反应快,控制及时；当系统的负荷改变时,控制结果有余差；积分控制规律：控制缓慢,但能消除余差；微分控制规律：有一定的超前控制作用,能抑制系统的振荡,增强稳定性;第五章执行器1.气动执行器主要由哪些部分组成各起什么作用答：气动执行器主要由执行机构和控制结构两部分组成;执行机构的作用：是执行器的推动装置,它根据控制信号由控制器发出压力的大小产生相应的推力,,推动控制结构动作,所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置控制机构：是指控制阀,它是执行器的控制部分,它直接与被控介质接触,控制流体的流量所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置;4.常用的控制阀理想流量特性有哪些1直线流量特性2等百分比对数流量特性3抛物线流量特性4快开特性11.什么叫气动执行器的起开式与气关式其选择原则是什么随着送往执行器的气压信号的增加,阀逐渐打开的称为气开式,反之称为气关式;气开、气关式的选择主要由工艺生产上安全条件决定的,一般来讲,阀全开时,生产过程或设备比较危险的选择气开式；阀全关时,生产过程或设备比较危险的选择气关式;13.什么是控制阀的流量系数Kv控制阀的流量系数Kv的定义为：当阀的两端压差为100kPa,流体密度为1g/立方厘米,阀全开时,流经控制阀的流体流量以立方米/h表示;第六章简单控制系统4.什么叫直接控制指标和间接控制指标各用在什么场合答：直接控制指标：被控变量本身是需要控制的工艺指标;间接控制指标：工艺中本应作为被控变量的量缺乏获取信号的检测手段,或虽然能测,但信号微弱或滞后很大,这时选取与指标有对应关系的另一变量;尽量采用直接控制指标,只有被控变量无法直测才考虑间接指标;5.被控变量选择原则是什么答：1被控变量应代表一定化工工艺操作指示;2是工艺生产过程中经常变化,要因而频繁控制的变量（3）考虑和理性,常选择温度作为被控变量;（4）被控变量应可测量,具有较大灵敏度（5）被控变量是单独控制的（6）应考虑工艺的合理性与经济性7.操纵变量的选择原则是什么操纵变量的选择原则（1）操纵变量应是可控的,即工艺上允许调节的变量;（2）操纵变量能克服其他干扰来平衡被控变量;3操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏,为此应通过合理选择操纵变量,使控制通道的放大系统适当大,时间常数适当小不宜过小,否则引起振荡;纯滞后时间尽量小,为使其他干扰对被控变量的影响减小,并使干扰通道的放大系数尽可能小,时间常数尽可能大;4在选择操纵变量时,除了从自动化角度考虑外,还要考虑工艺的合理性和经济性;9.比例控制器,比例积分控制器,比例微分控制器的特点分别是什么各适用于什么场合答：比例控制器特点：输出信号与输入信号成比例;适用于对象控制通道滞后较小,负荷变压不大,对控制器要求不高的场合;比例积分控制特点：输出信号与输入信号成比例,并与输入信号对时间积分成比例;适用于对象滞后较小,负荷变化不大,控制结果不允许有余差存在的系统;比例积分微分控制器：在比例积分基础上加上微分作用;适用于对象容量滞后较大,负荷变化大,控制质量要求较高系统;11.被控对象、执行器、控制器的正反作用各是怎样规定答：被控对象的正反作用随具体对象的不同而各不相同;当操纵变量增加时,被控变量也增加的对象属于“正作用“的;反之,被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于”反作用“的;执行器的作用方向取决于是气开阀还是气关阀;当控制器输出信号增加时,气开阀的开度增加,因而流过阀的流体流量也增加,故气开阀的开度“正”方向;反之,由于当气关阀接受的信号增加时,流过阀的流体流量反而减少,所以是“反”方向;控制器的作用方向是这样规定的：当给定值不变,被控变量测定值增加时,控制器的输出也增加,称为“正作用”;或者当测量值不变,给定值减少时,控制器的输出增加的称为“正作用”方向;反之,如果测量值增加或给定值减小时,控制器的输出减少的称为“反作用”;15．控制器参数整定的任务是什么工程上常用的控制器参数整定有哪几种方法控制器参数整定的任务是：根据已定的控制方案来确定控制器的最佳参数包括比例度δ、积分时间Ti、微分时间Td以便使系统能获得好的控制质量;常用方法有：临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法;21.经验凑试法整定控制器参数的关键是什么经验凑试法的关键是“看曲线、调参数”;因此要采用这种方法整定控制器参数必须先弄清控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系;第七章复杂控制系统1.什么叫串级控制画出一般串级控制系统的典型方块图;串级控制系统是由其结构上的特征而得名的,它是由主、副两个控制器串联工作的;主控制器的输出作为副控制器的给定值,副控制器的输出去操纵控制阀,以实现对主变量的定制控制;3.串级控制系统中的主、副变量应如何选择主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的;副变量的选择原则是：（1）主副变量间应有一定的内在联系,副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化;（2）通过对副变量的选择,使所构成的副回路能包含系统的主要干扰;（3）在可能的情况下,应使副回路中包含更多的干扰,但副变量又不能离主变量太近; （4）副变量的选择应考虑到主副对象时间常数的匹配以防“共振”的发生;4.为什么说串级控制系统中的主回路是定制控制系统,而副回路是随动控制系统串级控制系统的目的是为了更好的稳定主变量,使之等于给定值,而主变量就是主回路的输出,所以说主回路是定制控制系统,副回路的输出时副变量,副回路的给定值时主控制器的输出,所以在串级控制系统中,副变量不是要求不变的,而是要求随主控制器的输出变化而变化;因此是一个随动的控制系统;6.为什么在一般情况下,串级控制系统中的主控制器应选择PI或PID作用的,而副控制器选择P作用的串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量,对主变量要求较高,一般不允许有余差,所以主控制器一般选择比例积分控制规律当对象滞后较大时也可引入适当的微分作用;串级控制系统中对副变量的要求不严,在控制过程中,副变量是不断跟主控制器的输出变化而变化的,所以副控制器一般采用比例控制规律就行了,必要时引入适当的积分作用,而微分作用一般是不需要的;8.均匀控制系统的目的和特点是什么均匀控制系统的目的是为了解决前后工序的供求矛盾,使两个变量之间能够互相兼顾和协调操作;均匀控制系统的特点是其控制结果不像其他控制那样,不是为了使控制变量保持不变,而是使两个相互联系的变量都在允许的范围内缓慢地变化;11.什么叫比值控制系统实现两个或两个以上的参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统;通常为流量壁纸控制系统;用来保持两种物料的流量保持一定的比值关系;比值控制系统主要有开环比值控制系统,单闭环比值控制系统;双闭环比值控制系统,变比值控制系统几种方案;16.前馈控制系统有什么特点前馈控制有哪几种形式前馈控制系统的主要特点有：（1）前馈控制是基于不变性原理工作的,比反馈控制及时、有效;（2）前馈控制是属于“开环”控制系统;（3）前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器（4）一种前馈作用只能克服一种干扰;两种形式：单纯的前馈控制和前馈反馈控制;。
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
电阻式传感器
F F
y x
r
a
l1 l (a) (b)
图3-5 横向应变 （a） 应变片及轴向受力图； （b） 应变片的横向效应图
第3章 电阻式传感器 综上所述，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度改 变产生的应变情况相同，但由于圆弧段截面积增大,电阻值 减小，敏感栅的灵敏系数 k 较同样长度单纯受轴向力时的 灵敏系数 k0要小。这种因弯折处应变的变化使灵敏系数减 小的现象称之为应变片的横向效应。横向效应。
R R k L L
或
R k R
（3-36）
式中， ε为应变片的轴向应变， ε ＝ΔＬ／Ｌ。 k 为应变片的灵敏系数，又称“标称灵敏系数” 。
第3章 电阻式传感器 * 2．横向效应和横向灵敏度
当将图3-5所示的应变片粘贴在被测试件上时，由于其敏 感栅是由n条长度为l1 的直线段和直线段端部的n-1个半径为r 的半圆圆弧或直线组成，若该应变片承受轴向应力而产生纵 向拉应变εx外， 还在与x方向垂直的y方向产生压缩应变εy， 使圆弧段截面积增大，电阻值减小。
k0 dR R
(1 2 )
d
(1)应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ； (2) 应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即
d
。
对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ 的值要比(dρ/ρ)/ε大得多。一般金属材料在弹性形变时， μ约为0.3，所以k0的第一项约为1.6 。 用金属电阻材料制成的金属丝应变片和金属箔式应变 片，其灵敏系数k0主要取决于第一项，因电阻率的变化而 引起的电阻值变化是较小的。
灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持 为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数； 康铜的电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热 处理工艺时，可使电阻温度系数在±50×10-6/℃的范围 内； 康铜的加工性能好，易于焊接，因而国内外多以康 铜作为应变丝材料。
《检测与传感技术》思考题答案
答：直流电桥是测量小电阻的一种电路，分为单臂电桥、半桥和全桥。半桥输出电压为单臂电桥的2倍，全桥输出电压为半桥的2倍。
2-4拟在等截面的悬臂梁上粘贴4个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥电路，试问：
①4个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？
4.4根据螺管型差动变压器的基本特性，说明其灵敏度和线性度的主要特点。
答：差动变压器的结构如图所示，主要由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。
差动变压器传感器中的两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，当衔铁位于中心位置时，两个次级线圈感应电压大小相等、方向相反，差动输出电压为零，但实际情况是差动变压器输出电压往往并不等于零。差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致，使传感器的灵敏度降低，分辨率变差和测量误差增大。
解：
3-7简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。
答：电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。
4.5概述差动变压器的应用范围，并说明用差动变压器式传感器检测振动的基本原理。
答：差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。
传感器与检测技术第三章电感式传感器
感•传式感传器感与器检测技术
第二节 互感式传感器
三、转换电路 1．反串电路
•2．桥路
感•传式感传器感与器检测技术
第二节 互感式传感器
3．差动整流电路
感•传式感传器感与器检测技术
感•传式感传器感与器检测技术
一、高频反射式涡流传感器
•线圈上通交变高频电流 •线圈产生高频交变磁场
•产生高频交变涡流 •涡流产生反磁场 •阻碍线圈电流交换作用 •等效于L或阻抗的改变
感•传式感传器感与器检测技术
二、低频透射式涡流传感器
• U L1 • 同频交变电流 • 产生一交变磁场 • 磁力线切割M • 产生涡流I • 到达L2的磁力线
传感器与检测技术第三章电 感式传感器
感•传式感传器感与器检测技术
原理
电感式传感器最基本原理是电磁感应原理。
•位 移 •被测物理量 •振 动 •压 力 •流 量 •比
•传感 •的变 器 化
•自感系数 L
•电路 •电
•互感系数
•的变 化
压
M
•电
流
感•传式感传器感与器检测技术
电感传感器优点
▪ 灵敏度高，分辨力高，位移：0.1m ； ▪ 精度高，线性特性好，非线性误差：0.05%0.1 % ； ▪ 性能稳定，重复性好 ； ▪ 结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力
感•传式感传器感与器检测技术
第一节 自感式传感器
四、影响传感器精度的因素分析 1.电源电压和频率的波动影响 ▪ 电源电压的波动一般允许为5%～10%。 ▪ 严格对称的交流电桥是能够补偿频率波动影响的 2. 温度变化的影响 ▪ 为了补偿温度变化的影响，在结构设计时要合理选择零件
传感检测系统-常见传感器原理及应用
R
a bc
转轴
Usc
U0
线绕式电位器
电位器式传感器的应用
航空飞行高度传感器
无线电高度 气压高度 真空膜盒高度表
5 4
H3
2 1
齿轮
齿弧
电刷轴
精密 电位器
杠杆机构
X
真空膜盒
壳体
真空膜盒高度表
UO
电位器式传感器的应用
电位器式压力传感器
弹性敏感元件膜盒的内腔,通 入被测流体,在流体压力作用 下,膜盒硬中心产生弹性位移, 推动连杆上移,使曲柄轴带动 电位器的电刷在电位器绕组上 滑动,输出一个与被测压力成 比例的电压信号。
只对导 磁物体 起作用
对接地 的金属 起作用
只对导电 良好的金 属起作用
对磁性 物体起 作用
接近开关的特点
接近开关与被测物不接触、不会产生机械 磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无 触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆 性能较好、输出信号负载能力强、体积小、 安装、调整方便。
缺点是触点容量较小、输出短路时易烧 毁。
3.3.2 电容式传感器
Capacitive transducer
将被测量变化转换成电容量变化的传感器。它 的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用 的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质 的电容器。
可以应用于位移、振动、角度、加速度等参数 的测量中。
电容式传感器工作原理及结构形式
电容传感器的理想公式为
3.3.1.2 应变式传感器
电阻应变传感器是一种利用电阻应变片将应变转 换为电阻变化的传感器。
被测量 电阻应变片 电阻变化
任何非电量能转化为应变量
应变片
F
当受到外力时，导体变长变细，电阻增加，R->R+△R
传感器与检测技术课后答案
（4-28）
当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随ω变化而变化。在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。
3．简述电容式传感器的优缺点。
解：优点：(1)温度稳定性好(2)结构简单(3)动态响应好（4）可以实现非接触测量，具有平均效应
2）频率响应特性：传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。为了减小动态误差和扩大频率响应范围，一般是提高传感器固有频率ωn。
4．某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV，求其灵敏度。
解：其灵敏度
第二章习题答案
1．什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？
3．简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。
解：电压放大器的应用具有一定的应用限制，压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。优点：微型电压放大电路可以和传感器做成一体，这样这一问题就可以得到克服，使它具有广泛的应用前景。缺点：电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。不过由于固态电子器件和集成电路的迅速发展，
电阻应变片的温度补偿方法：通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。
1）电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。电桥补偿法简单易行，而且能在较大的温度范围内补偿，但上面的四个条件不一满足，尤其是两个应变片很难处于同一温度场。
2）应变片的自补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片。
4、钢材上粘贴的应变片的电阻变化率为0.1%，钢材的应力为10kg/mm2。试求
缺点：（1）输出阻抗高，负载能力差（2）寄生电容影响大