传感器作业及答案

作业3：3．问答题（1）什么是电阻的应变效应？利用应变效应解释金属应变式电阻传感器的工作原理。

答：金属导体在外力的作用下发生机械变形，其电阻值随着机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化，这种现象称为金属的应变效应。

现有一根长度为l ，截面积为A ，电阻率为ρ的金属丝，如图2-5所示。

图2-5 金属应变效应 未受力时，电阻值为S l R ρ= 当金属丝受到拉力F 作用时，将引起电阻值发生变化，电阻的相对变化量为SS l l R R ΔΔΔΔ-+=ρρ，当材料一定时，ρ不发生变化，电阻值的变化仅与金属丝长度和金属丝截面积的变化有关。

（2）弹性元件在应变式电阻传感器中起什么作用？答：弹性敏感元件是电阻式传感器的敏感元件，能直接感受到被测的量的变化。

（3）简述应变式电阻传感器测量电路的功能。

答：由于弹性敏感元件和应变片的应变量一般都很小，电阻值的变化量也很小，不易被观察、记录和传输，需要通过电桥电路将该电阻值的变化量放大，并转换成电压或电流信号。

（4）应变式电阻称重传感器的工作原理是什么？（5）电阻应变传感器测量加速度的原理是什么?答：当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，悬臂梁在惯性力作用下产生弯曲变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻值发生变化。

悬臂梁的应变在一定的频率范围内与质量块的加速度成正比，通过测量质量块悬臂梁的应变，便可知加速度的大小。

（6）试比较金属应变式传感器和半导体压电式传感器的异同点。

答：相同点：两者都是将应变力转换为电阻的变化。

不同点：金属应变式传感器是由于导体的长度和半径发生改变而引起电阻值的变化，而半导体应变式传感器是由于其载流子的迁移率发生变化而引起电阻值的变化。

作业4：3．问答题（1）简述电容式传感器的工作原理。

答：两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 式中，ε为极板间介质的介电常数，A 为两电极互相覆盖的有效面积，d 为两电极之间的距离。

当被测量的变化使式中的A 、d 、ε三个参量中任一参数发生变化时，电容量C 也就随之变化。

（2）根据电容式传感器的工作原理说明它的分类；电容式传感器能够测量哪些物理参量？答：两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 式中，ε为极板间介质的介电常数，A 为两电极互相覆盖的有效面积，d 为两电极之间的距离。

在A 、d 、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可改变电容量C 。

固定三个参量中的两个可以做成三种类型的电容传感器：变极距式传感器、变面积式传感器、变介电常数式传感器。

电容式传感器不仅用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，还广泛用于压力、差压、液位、物位或成分含量等方面的测量。

（3）电容式传感器的测量电路功能是什么？有哪些类型？答：电容式传感器将被测的物理量转换为电容变化，但由于电容变化量很小，不易被观察、记录和传输，因此必须通过测量电路将电容变化量转换成电压、电流或频率信号，随后输出。

测量电路的种类很多，主要有：1．桥式电路；2．调频电路；3．脉冲宽度调制电路。

（4）为什么液位检测可以转化为压力检测？答：压力与液位成正比，液位高，压力大；液位低，压力小。

（5）如果盛放液体的容器为金属圆筒型，则只需用一根裸导线即可完成液位的检测。

用示意图说明这种情况，并标出电容传感器的位置。

答：如下图所示，裸导线作为电容的一个电极，金属容器壁作为电容的另一电极， 两电极间的介质即为液体及其上面的气体。

由于液体的介电常数ε1和液面上的介电常数ε2不同，比如：ε1>ε2，则当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。

反之当液位下降，ε值减小，电容量也减小。

所以，可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。

作业5：3．简答题（1）说明单线圈电感传感器和差动式电感传感器的主要组成和工作原理。

答：单线圈电感传感器主要由铁芯、线圈和衔铁组成。

传感器工作时，衔铁与被测物体相连。

当被测物体移动时，带动衔铁移动，气隙厚度δ和导磁面积S 随之发生改变，从而引起磁路中磁阻的改变，进而导致线圈自感量发生变化。

只要测出电感量的变化，就能确定衔铁（被测物体）位移量的大小和方向。

差动式电感传感器由两个电气参数和几何尺寸完全相同的电感线圈共用一个衔铁构成。

当衔铁随被测量物体移动而偏离中间位置时，两线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动，总的电感变化量与衔铁移动的距离成正比。

通过分析计算可知，差动式电感传感器的灵敏度约为非差动式的两倍，而且线性度较好，灵敏度较高。

dA ε=C dAε=C（2）电感式传感器测量电路的主要任务是什么？答：作用是将线圈电感的变化转换成电压或电流信号输出。

（3）概述差动变压器式传感器的组成和工作原理，用差动变压器测量较高频率，例如10kHz的振幅，可以吗？为什么？答：差动变压器主要由衔铁、初级绕组和次级绕组组成，其等效电路图如图4-16所示，给初级绕组N1施加励磁电压u i，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组N21和N22中产生感应电动势E21和E22，由于两个次级绕组反向串接，因此差动输出电压u o= E21－E22。

当衔铁处于线圈中心位置时，两个次级绕组与初级绕组间的互感相同，产生的感应电动势也相同，即E21=E22，并且u o=0V。

当衔铁随着被测物体移动时，一个次级绕组产生的感应电动势增加，而另一个次级绕组产生的感应电动势减少，则E21≠E22，u o≠0V，u o与衔铁的位移X成正比，即u o=KX，根据u o的值即可确定被测物体的位移量，根据u o的正负即可确定被测物体的移动方向。

用差动变压器测量较高频率例如10kHz的振幅，是可以的。

实验结果表明，电源频率太低时，灵敏度下降，误差增大；当电源频率太高时，导线的有效电阻增加，涡流损耗增大，灵敏度也降低，误差增大；当电源频率采用中频时，以400Hz~10kHz 为佳，灵敏度为常数，不随频率变化。

（4）什么是电涡流效应？简述电涡流式传感器的基本结构与工作原理。

答：将金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电动势，并自发形成闭合回路，产生感应电流。

该电流就像水中旋涡一样在导体中转圈，因此被称为涡流。

涡流现象被称为涡流效应，电涡流式传感器就是利用涡流效应来工作的。

电涡流式传感器主要由安置于框架上的扁平线圈构成，如图4-22所示。

给激励线圈中通以正弦交流电i1时，线圈周围（L）将产生正弦交变磁场H1，使位于此磁场中的金属导体感应出电涡流i2，i2又产生新的交变磁场H2，H2将阻碍原磁场的变化，从而导致线圈内阻抗发生变化。

线圈阻抗的变化既与电涡流效应有关，又与静磁学效应有关，即与金属导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关。

电涡流传感器正是利用这个定律将传感器与被测金属导体之间距离的变化转换成线圈品质因数、等效阻抗和等效电感三个参数的变化，再通过测量、检波、校正等电路变为线性电压（电流）的变化。

（5）简述电感式传感器的应用。

答：电感式传感器测量的基本量是位移，一般用于接触测量，也可用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数的测量。

如：电感式圆度仪测量零件的圆度、波纹度、同心度、同轴度、平面度、平行度、垂直度、偏心、轴向跳动和径向跳动，并能进行谐波分析、波高波宽分析；电感测微仪可用于微小位移的测量精密。

（6）简述电涡流式传感器的应用。

答：电涡流传感器目前已被广泛应用于能源、化工、医学、汽车、冶金、机器制造、军工、科研教学等诸多领域，可用于机械中的振动与位移、转子与机壳的热膨胀量的长期监测，生产线的在线自动监测与自动控制，科学研究中的多种微小距离与微小运动的测量等。

如：电涡流位移计用来测量各种形状金属导体的位移量；电涡流振幅计可以对各种振动的幅值进行非接触测量；电涡流转速计可用来测量旋转体的转速；涡流探伤仪广泛应用于各类有色金属、黑色金属管及棒型、线型、丝型材料的在线、离线的探伤；涂层测厚仪既可测量导磁材料的镀层和油漆层表面上非导磁覆盖层的厚度，又能测量镀在铁磁性金属物质表面的阳极氧化层以及铝、铜、锌等材料表面上油漆、喷塑和橡胶的厚度。

作业6：3．问答题（1）何为压电效应？压电式传感器对测量电路有何特殊要求？为什么？答：压电元件受到一定方向的外力而产生变形，内部产生了电荷极化的现象，在元件的上下两表面便产生极性相反、大小相等的电荷，且电荷量和所受到压力的大小成正比。

外力的方向改变时，电荷的正负极性也随之发生变化。

去掉外力，元件又恢复到原来不带电状态，这种现象称为压电效应。

压电式传感器的内阻很高（R a≥1 010Ω），而输出的信号又非常微弱，因此输出信号一般不能直接传输、显示和记录。

输出端要求与高输入阻抗的前置放大器相配合，然后再接放大电路、检波电路、显示电路、记录电路，这样才能防止电荷迅速泄漏，减小测量误差。

压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是起放大的作用，放大压电式传感器输出的微弱信号；二是起阻抗转换的作用，将压电式传感器的高阻抗输出转换为低输出阻抗。

（2）压电式传感器能否用于静态测量？为什么？答：由压电式传感器实际的等效电路可以看出，只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，电压源才能保持长期不变；如果负载不是无穷大，则电路就会按指数规律放电。

这对于静态标定及低频准静态的测量极为不利，必然带来误差。

事实上，压电式传感器的内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，压电元件只有在交变力的作用下，以较高频率不断地作用，电荷才能源源不断地产生并得以不断补充，以供给测量回路一定的电流。

从这个意义上讲，压电式传感器不适用于静态测量，只适用于动态测量。

（3）压电式传感器输出信号的特点是什么？它对放大器有什么要求？放大器有哪两种类型？压电式传感器测量电路的作用是什么？其核心是解决什么问题？答：根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信号。

压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是起放大的作用，放大压电式传感器输出的微弱信号；二是起阻抗转换的作用，将压电式传感器的高阻抗输出转换为低输出阻抗。

前置放大器有电荷放大器和电压放大器两种形式。

压电式传感器的内阻很高（R a≥1 010Ω），而输出的信号又非常微弱，因此输出信号一般不能直接传输、显示和记录。

输出端要求与高输入阻抗的前置放大器相配合，然后再接放大电路、检波电路、显示电路、记录电路，这样才能防止电荷迅速泄漏，减小测量误差。

（4）压电式加速度传感器与压电式力传感器在结构上有什么不同？为什么？答：当压电式加速度计比压电式力传感器多一质量块，质量块可以产生一可变力，作用在压电晶片上，由于压电效应，在压电晶片两表面上就有电荷产生。