第4章常用傳感器的變換原理

4常用傳感器的變換原理4.1單選題

1、半導(dǎo)體應(yīng)變片在外力作用下引起電阻變化的因素主要是（）。(A)長(zhǎng)度；(B)截面積；(C)電阻率；(D)溫度2、在位移測(cè)量中，（）傳感器適用于非接觸測(cè)量，而且不宜受油污等介質(zhì)影響。(A)電容；(B)壓電；(C)電阻；(D)電渦流3、面積變化型電容傳感器的靈敏度（）。(A)正比于兩塊極板之間的線速度；(B)正比于兩塊極板之間的線位移；(C)正比于兩塊極板之間的間隙；(D)等于常數(shù)4、變極板間隙型電容傳感器的輸入與輸出成（）關(guān)系。(A)正比；(B)線性；(C)反比；(D)平方

5、下列第（）組傳感器都是把被測(cè)量變換為電動(dòng)勢(shì)輸出的。(A)熱電偶、電渦流、電阻應(yīng)變；(B)熱電偶、霍爾、半導(dǎo)體氣敏傳感器；(C)硅光電池、霍爾、磁電；(D)壓電、霍爾、電感式6、（）傳感器適用于幾米到幾十米的大型機(jī)床工作臺(tái)位移的直線測(cè)量。(A)電渦流；(B)電容；(C)壓磁；(D)光柵7、下列第（）組傳感器較適用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。(A)電渦流、電阻應(yīng)變、電容；(B)電磁感應(yīng)、電渦流、光電；(C)硅光電池、霍爾、壓磁；(D)壓電、霍爾、電感式8、下面對(duì)渦流傳感器描述正確的是（）。

(A)不受油污等介質(zhì)影響；(B)它屬于接觸測(cè)量；(C)有高頻透射式；(D)有低頻反射式4.2填空題1、為了提高變極距型電容傳感器的靈敏度，線性度及減小外部條件變化對(duì)測(cè)量精度的影響，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常常采用（差動(dòng)

）工作方式。2、電容傳感器通?？煞譃闃O距變化型、面積變化型和（介電常數(shù)變化

）型。3、（磁電

）傳感器的輸出電勢(shì)與被測(cè)速度成正比。4、兩個(gè)壓電元件的（并聯(lián)

）適合于測(cè)量以電荷為輸出的場(chǎng)合。5、雙螺線管差動(dòng)型電感傳感器比單螺線管型電感傳感器有較高的靈敏度和（線性

）。6、一個(gè)霍爾元件有（3或4）根引線。

4.3簡(jiǎn)答題1、什么是物性型傳感器?什么是結(jié)構(gòu)型傳感器?試舉例說(shuō)明。物性型傳感器依靠敏感元件材料本身的物理變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換。例如利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象制成水銀溫度計(jì)來(lái)測(cè)溫；利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成壓電測(cè)力計(jì)等。結(jié)構(gòu)型傳感器依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。例如，電容式傳感器依靠極板間距離變化引起電容量變化；電感式傳感器依靠銜鐵位移引起自感或互感變化等。

2、有源型傳感器和無(wú)源型傳感器有何不同?試舉例說(shuō)明。有源型傳感器即能量控制型傳感器，是從外部供給輔助能量使其工作的，并由被測(cè)量來(lái)控制外部供給能量的變化。例如，電阻應(yīng)變測(cè)量中，應(yīng)變計(jì)接于電橋上，電橋工作能源由外部供給，而由于被測(cè)量變化所引起應(yīng)變計(jì)的電阻變化來(lái)控制電橋的不平衡程度。此外電感式測(cè)微儀、電容式測(cè)振儀等均屬此種類型。無(wú)源型傳感器即能量轉(zhuǎn)換型傳感器，是直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作的，例如，熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)等。但由千這類傳感器是被測(cè)對(duì)象與傳感器之間的能量傳輸，必然導(dǎo)致被測(cè)對(duì)象狀態(tài)的變化，而造成測(cè)量誤差。3、什么是金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)？金屬絲的靈敏度系數(shù)的物理意義是什么？有何特點(diǎn)？金屬發(fā)生應(yīng)變時(shí)，其阻值隨之發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬絲的靈敏度系數(shù)是其在單位應(yīng)變條件下的電阻變化率。在金屬絲的屈服極限以下的范圍內(nèi)，靈敏度系數(shù)為常數(shù)。4、金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何不同？前者利用金屬應(yīng)變引起電阻的變化；而后者是利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻的變化（壓阻效應(yīng)）。5、什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？對(duì)于安裝的應(yīng)變片，在單向應(yīng)力狀態(tài)下，受力方向與敏感柵軸向相同時(shí)，應(yīng)變片的電阻變化率與軸向應(yīng)變的比值稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。一般情況下，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)小于電阻絲的靈敏系數(shù)。主要原因是：當(dāng)應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)試件上時(shí)，由于基底和粘結(jié)劑的彈性模量與敏感柵的彈性模量之間有差別等原因，彈性體或試件的變形不可能全部均勻地傳遞到敏感柵；絲柵橫向效應(yīng)的影響。6、什么是半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)有何特點(diǎn)？半導(dǎo)體材料發(fā)生效應(yīng)時(shí)，其電阻系數(shù)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)比較大，是金屬材料的50~70倍，但是對(duì)于同規(guī)格型號(hào)的應(yīng)變計(jì)，其數(shù)值的差異比較大，易受溫度的影響。7、在自感式傳感器中,螺管式自感傳感器的靈敏度最低，為什么在實(shí)際應(yīng)用中卻應(yīng)用最廣泛？答：在自感式傳感器中，雖然螺管式自感傳感器的靈敏度最低，但示值范圍大、線性也較好；同時(shí)還具備自由行程可任意安排、制造裝配方便、可互換性好等優(yōu)點(diǎn)。由于具備了這些優(yōu)點(diǎn)，而靈敏度低的問(wèn)題可在放大電路方面加以解決，故目前螺管式自感傳感器應(yīng)用中最廣泛。8、比較自感式傳感器與差動(dòng)變壓器式傳感器的異同。不同點(diǎn)：自感式傳感器把被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成自感系數(shù)的變化，通過(guò)測(cè)量電路把電抗轉(zhuǎn)換成或電流輸出；差動(dòng)變壓器式傳感器把被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)的變化，可以直接輸出電壓信號(hào)。相同點(diǎn):兩者都屬于能量控制型傳感器,參量轉(zhuǎn)換中包括抗的變化，都可以分為氣隙型、截面型和螺管性三種類型,并且可以通過(guò)差動(dòng)連接消除電感的非線性的影響。9、說(shuō)明渦流傳感器基本工作原理。渦流傳感器利用金屬在交變磁場(chǎng)中的渦流效應(yīng)。當(dāng)傳感器的線圈即探頭通過(guò)確定幅值和頻率的高頻激勵(lì)電流，線圈產(chǎn)生的磁力線會(huì)在金屬被測(cè)物體中激發(fā)渦電流。渦電流的磁力線與線圈產(chǎn)生的磁力線方向相反，從而使線圈的電感發(fā)生變化，變化量與被測(cè)金屬物體和探頭之間的距離、金屬的厚度、材料的電磁特性、材質(zhì)的均勻性等參數(shù)有關(guān)，可以選擇其中某個(gè)參數(shù)作為被測(cè)量。10、渦流傳感器測(cè)量位移與其他位移傳感器比較，其主要優(yōu)點(diǎn)是什么？渦流傳感器能否測(cè)量大位移？為什么？渦流傳感器具有頻率響應(yīng)范圍寬，靈敏度高，測(cè)量范圍大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，不受油污等介質(zhì)影響，特別是其具有非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)闇u流傳感器受變換磁場(chǎng)大小的限制，故它不能用于測(cè)量大位移。11、渦流傳感器除了能測(cè)量位移外，還能測(cè)量哪些非電量？渦流傳感器除了能測(cè)量位移外，還可測(cè)量由位移量變換而來(lái)的被測(cè)對(duì)象，例如位移振幅、表面粗糙度、轉(zhuǎn)速、零件尺寸、零件個(gè)數(shù)、零件厚度、回轉(zhuǎn)軸線誤差運(yùn)動(dòng)等測(cè)量；由被測(cè)材質(zhì)變換而來(lái)的被測(cè)對(duì)象，例如溫度、硬度、渦流探傷等。12、利用渦流傳感器物體的位移。如果被測(cè)物體由朔料制成，位移測(cè)量是否可行？為什么？不可行。因?yàn)闇u流傳感器是電感傳感器的一種，是利用金屬在交變磁場(chǎng)中的渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的，而朔料不是導(dǎo)體，不能產(chǎn)生渦流效應(yīng)，故不可行。

13、為什么電容式傳感器易受干擾？如何減小干擾？(1)傳感器兩極板之間的電容很小，僅幾十個(gè)pF，小的甚至只有幾個(gè)pF。(2)而傳感器與電子儀器之間的連接電纜卻具有很大的電容，如屏蔽線的電容最小的l米也有幾個(gè)pF，最大的可達(dá)上百個(gè)pF。這不僅使傳感器的電容相對(duì)變化大大降低，靈敏度也降低，更嚴(yán)重的是電纜本身放置的位置和形狀不同，或因振動(dòng)等原因，都會(huì)引起電纜本身電容的較大變化，使輸出不真實(shí)，給測(cè)量帶來(lái)誤差。(3)解決的辦法，一種方法是利用集成電路，使放大測(cè)量電路小型化，把它放在傳感器內(nèi)部，這樣傳輸導(dǎo)線輸出是直流電壓信號(hào)，不受分布電容的影響;(4)采用屏蔽傳輸電纜，適當(dāng)降低分布電容的影響。由于電纜分布電容對(duì)傳感器的影響，使電容式傳感器的應(yīng)用受到一定的限制。14、如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？為減小非線性誤差，一般取極距相對(duì)變化范圍Δδ/δ0≤0.1；為改善非線性，提高靈敏度和減少外界因素(如電源電壓、環(huán)境溫度等)的影響，常采用差動(dòng)形式。15、簡(jiǎn)述壓電傳感器的工作原理。壓電傳感器用壓電材料制成的，壓電材料在一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。相反，如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮效應(yīng)。壓電元件包括壓電材料和兩個(gè)電極構(gòu)成電容器。因此，受到外力作用時(shí)，壓電元件等效于電容器和電荷源或電壓源。壓電傳感器利用壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械量電量的轉(zhuǎn)換。16、用壓電式傳感器能測(cè)量靜態(tài)或變化很緩慢的信號(hào)嗎？為什么？（為什么壓電式傳感器通常用于測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)？）由于不可避免地存在電荷泄漏，利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定措施，使電荷從壓電元件經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小的程度；動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，電荷可以不斷補(bǔ)充，從而供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電式傳感器適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。17、SnO2半導(dǎo)體氣敏元件與其它類型氣敏元件相比，有什么特點(diǎn)?電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫(SnO2)、氧化錳(MnO2)等金屬氧化物制成敏感元件，當(dāng)它們吸收了可燃?xì)怏w的煙霧，如氫、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然氣、沼氣等時(shí)，會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，放出熱量，使元件溫度相應(yīng)增高，電阻發(fā)生變化。利用半導(dǎo)體材料的這種特性，將氣體的成分和濃度變換成電信號(hào)。特點(diǎn)：靈敏度高、響應(yīng)快、使用壽命長(zhǎng)和成本低。18、測(cè)量溫度的金屬熱電阻應(yīng)具有什么特性?(1)溫度系數(shù)αi的值要大。溫度系數(shù)αi越大，靈敏度越高。純金屬的溫度系數(shù)αi比合金要高。一般使用純金屬；(2)其材料的物理、化學(xué)性質(zhì)應(yīng)穩(wěn)定；(3)電阻溫度系數(shù)要保持常數(shù)；(4)具有較高的電阻率，可以減少熱電阻體積和熱慣性；(5)材料容易提純，確保較好的復(fù)制性滿足以上要求的材料有鉑、銅、鐵和鎳。而鉑和銅應(yīng)用較廣。19、壓電式傳感器的放大電路有哪些？為什么多采用電荷放大器？電壓放大器，電荷放大器。電荷放大器靈敏度與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，下限頻率較低。4.4應(yīng)用題1、電容傳感器（平行極板電容器）的圓形極板半徑r=4mm，工作初始極板間距離δ0=0.3mm，介質(zhì)為空氣。問(wèn):①如果極板間距離變化量Δδ=±1μm，電容的變化量ΔC是多少?②如果測(cè)量電路的靈敏度S1=100mv/pF,讀數(shù)儀