傳感器作業(yè)及答案

1、作業(yè)3：3問答題（1）什么是電阻的應(yīng)變效應(yīng)？利用應(yīng)變效應(yīng)解釋金屬應(yīng)變式電阻傳感器的工作原理。答：金屬導(dǎo)體在外力的作用下發(fā)生機(jī)械變形，其電阻值隨著機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的變化而發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的應(yīng)變效應(yīng)?，F(xiàn)有一根長(zhǎng)度為l，截面積為A，電阻率為的金屬絲，如圖2-5所示。圖2-5 金屬應(yīng)變效應(yīng)未受力時(shí)，電阻值為 當(dāng)金屬絲受到拉力F作用時(shí)，將引起電阻值發(fā)生變化，電阻的相對(duì)變化量為，當(dāng)材料一定時(shí)，不發(fā)生變化，電阻值的變化僅與金屬絲長(zhǎng)度和金屬絲截面積的變化有關(guān)。（2） 彈性元件在應(yīng)變式電阻傳感器中起什么作用？答：彈性敏感元件是電阻式傳感器的敏感元件，能直接感受到被測(cè)的量的變化。（3） 簡(jiǎn)述應(yīng)變式

2、電阻傳感器測(cè)量電路的功能。答：由于彈性敏感元件和應(yīng)變片的應(yīng)變量一般都很小，電阻值的變化量也很小，不易被觀察、記錄和傳輸，需要通過電橋電路將該電阻值的變化量放大，并轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)。（4） 應(yīng)變式電阻稱重傳感器的工作原理是什么？ （5） 電阻應(yīng)變傳感器測(cè)量加速度的原理是什么?答：當(dāng)被測(cè)物體以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，懸臂梁在慣性力作用下產(chǎn)生彎曲變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化。懸臂梁的應(yīng)變?cè)谝欢ǖ念l率范圍內(nèi)與質(zhì)量塊的加速度成正比，通過測(cè)量質(zhì)量塊懸臂梁的應(yīng)變，便可知加速度的大小。（6） 試比較金屬應(yīng)變式傳感

3、器和半導(dǎo)體壓電式傳感器的異同點(diǎn)。答：相同點(diǎn)：兩者都是將應(yīng)變力轉(zhuǎn)換為電阻的變化。不同點(diǎn)：金屬應(yīng)變式傳感器是由于導(dǎo)體的長(zhǎng)度和半徑發(fā)生改變而引起電阻值的變化，而半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器是由于其載流子的遷移率發(fā)生變化而引起電阻值的變化。作業(yè)4：3問答題（1）簡(jiǎn)述電容式傳感器的工作原理。答：兩平行極板組成的電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為 式中，為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極互相覆蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。當(dāng)被測(cè)量的變化使式中的A、d、三個(gè)參量中任一參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量C也就隨之變化。（2）根據(jù)電容式傳感器的工作原理說明它的分類；電容式傳感器能夠測(cè)量哪些物理參量？答：兩平行極板組成的電容

4、器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為 式中，為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極互相覆蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。在A、d、三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可改變電容量C。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)可以做成三種類型的電容傳感器：變極距式傳感器、變面積式傳感器、變介電常數(shù)式傳感器。電容式傳感器不僅用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的精密測(cè)量，還廣泛用于壓力、差壓、液位、物位或成分含量等方面的測(cè)量。（3）電容式傳感器的測(cè)量電路功能是什么？有哪些類型？答：電容式傳感器將被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換為電容變化，但由于電容變化量很小，不易被觀察、記錄和傳輸，因此必須通過測(cè)量電路將電容變化量轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率信

5、號(hào)，隨后輸出。測(cè)量電路的種類很多，主要有：1橋式電路；2調(diào)頻電路；3脈沖寬度調(diào)制電路。（4）為什么液位檢測(cè)可以轉(zhuǎn)化為壓力檢測(cè)？答：壓力與液位成正比，液位高，壓力大；液位低，壓力小。（5） 如果盛放液體的容器為金屬圓筒型，則只需用一根裸導(dǎo)線即可完成液位的檢測(cè)。用示意圖說明這種情況，并標(biāo)出電容傳感器的位置。 答：如下圖所示，裸導(dǎo)線作為電容的一個(gè)電極，金屬容器壁作為電容的另一電極，兩電極間的介質(zhì)即為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數(shù)1和液面上的介電常數(shù)2不同，比如：12，則當(dāng)液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大因而電容量增大。反之當(dāng)液位下降，值減小，電容量也減小。所以，可通過兩電極間的電容

6、量的變化來測(cè)量液位的高低。 作業(yè)5：3簡(jiǎn)答題（1）說明單線圈電感傳感器和差動(dòng)式電感傳感器的主要組成和工作原理。答：?jiǎn)尉€圈電感傳感器主要由鐵芯、線圈和銜鐵組成。傳感器工作時(shí)，銜鐵與被測(cè)物體相連。當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)，氣隙厚度和導(dǎo)磁面積S隨之發(fā)生改變，從而引起磁路中磁阻的改變，進(jìn)而導(dǎo)致線圈自感量發(fā)生變化。只要測(cè)出電感量的變化，就能確定銜鐵（被測(cè)物體）位移量的大小和方向。差動(dòng)式電感傳感器由兩個(gè)電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同的電感線圈共用一個(gè)銜鐵構(gòu)成。當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量物體移動(dòng)而偏離中間位置時(shí)，兩線圈的電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形成差動(dòng)，總的電感變化量與銜鐵移動(dòng)的距離成正比。通過分析計(jì)算可知，差動(dòng)式

7、電感傳感器的靈敏度約為非差動(dòng)式的兩倍，而且線性度較好，靈敏度較高。（2）電感式傳感器測(cè)量電路的主要任務(wù)是什么？答：作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)輸出。 （3）概述差動(dòng)變壓器式傳感器的組成和工作原理，用差動(dòng)變壓器測(cè)量較高頻率，例如10kHz的振幅，可以嗎？為什么？ 答：差動(dòng)變壓器主要由銜鐵、初級(jí)繞組和次級(jí)繞組組成，其等效電路圖如圖4-16所示，給初級(jí)繞組N1施加勵(lì)磁電壓ui，根據(jù)變壓器的工作原理，在兩個(gè)次級(jí)繞組N21和N22中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E21和E22，由于兩個(gè)次級(jí)繞組反向串接，因此差動(dòng)輸出電壓uo= E21E22。當(dāng)銜鐵處于線圈中心位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)繞組與初級(jí)繞組間的互感相同，產(chǎn)生

8、的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相同，即E21=E22，并且uo=0V。當(dāng)銜鐵隨著被測(cè)物體移動(dòng)時(shí)，一個(gè)次級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增加，而另一個(gè)次級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減少，則E21E22，uo0V，uo與銜鐵的位移X成正比，即uo=KX ，根據(jù)uo的值即可確定被測(cè)物體的位移量，根據(jù)uo的正負(fù)即可確定被測(cè)物體的移動(dòng)方向。用差動(dòng)變壓器測(cè)量較高頻率例如10kHz的振幅，是可以的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電源頻率太低時(shí)，靈敏度下降，誤差增大；當(dāng)電源頻率太高時(shí)，導(dǎo)線的有效電阻增加，渦流損耗增大，靈敏度也降低，誤差增大；當(dāng)電源頻率采用中頻時(shí)，以400Hz10kHz為佳，靈敏度為常數(shù)，不隨頻率變化。（4）什么是電渦流效應(yīng)？簡(jiǎn)述電渦流式傳

9、感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。答：將金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并自發(fā)形成閉合回路，產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流就像水中旋渦一樣在導(dǎo)體中轉(zhuǎn)圈，因此被稱為渦流。渦流現(xiàn)象被稱為渦流效應(yīng)，電渦流式傳感器就是利用渦流效應(yīng)來工作的。電渦流式傳感器主要由安置于框架上的扁平線圈構(gòu)成，如圖4-22所示。給激勵(lì)線圈中通以正弦交流電i1時(shí)，線圈周圍（L）將產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，使位于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體感應(yīng)出電渦流i2， i2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2，H2將阻礙原磁場(chǎng)的變化，從而導(dǎo)致線圈內(nèi)阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化既與電渦流效應(yīng)有關(guān)，又與靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān)，即與金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何

10、參數(shù)、激勵(lì)電流頻率以及線圈到金屬導(dǎo)體的距離等參數(shù)有關(guān)。電渦流傳感器正是利用這個(gè)定律將傳感器與被測(cè)金屬導(dǎo)體之間距離的變化轉(zhuǎn)換成線圈品質(zhì)因數(shù)、等效阻抗和等效電感三個(gè)參數(shù)的變化，再通過測(cè)量、檢波、校正等電路變?yōu)榫€性電壓（電流）的變化。（5）簡(jiǎn)述電感式傳感器的應(yīng)用。 答：電感式傳感器測(cè)量的基本量是位移，一般用于接觸測(cè)量，也可用于振動(dòng)、壓力、荷重、流量、液位等參數(shù)的測(cè)量。如：電感式圓度儀測(cè)量零件的圓度、波紋度、同心度、同軸度、平面度、平行度、垂直度、偏心、軸向跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)，并能進(jìn)行諧波分析、波高波寬分析；電感測(cè)微儀可用于微小位移的測(cè)量精密。（6）簡(jiǎn)述電渦流式傳感器的應(yīng)用。答：電渦流傳感器目前已被廣泛應(yīng)

11、用于能源、化工、醫(yī)學(xué)、汽車、冶金、機(jī)器制造、軍工、科研教學(xué)等諸多領(lǐng)域，可用于機(jī)械中的振動(dòng)與位移、轉(zhuǎn)子與機(jī)殼的熱膨脹量的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，生產(chǎn)線的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制，科學(xué)研究中的多種微小距離與微小運(yùn)動(dòng)的測(cè)量等。如：電渦流位移計(jì)用來測(cè)量各種形狀金屬導(dǎo)體的位移量；電渦流振幅計(jì)可以對(duì)各種振動(dòng)的幅值進(jìn)行非接觸測(cè)量；電渦流轉(zhuǎn)速計(jì)可用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速；渦流探傷儀廣泛應(yīng)用于各類有色金屬、黑色金屬管及棒型、線型、絲型材料的在線、離線的探傷；涂層測(cè)厚儀既可測(cè)量導(dǎo)磁材料的鍍層和油漆層表面上非導(dǎo)磁覆蓋層的厚度，又能測(cè)量鍍?cè)阼F磁性金屬物質(zhì)表面的陽(yáng)極氧化層以及鋁、銅、鋅等材料表面上油漆、噴塑和橡膠的厚度。作業(yè)6：3問答題（

12、1）何為壓電效應(yīng)？壓電式傳感器對(duì)測(cè)量電路有何特殊要求？為什么？ 答：壓電元件受到一定方向的外力而產(chǎn)生變形，內(nèi)部產(chǎn)生了電荷極化的現(xiàn)象，在元件的上下兩表面便產(chǎn)生極性相反、大小相等的電荷，且電荷量和所受到壓力的大小成正比。外力的方向改變時(shí)，電荷的正負(fù)極性也隨之發(fā)生變化。去掉外力，元件又恢復(fù)到原來不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電式傳感器的內(nèi)阻很高（Ra1 010），而輸出的信號(hào)又非常微弱，因此輸出信號(hào)一般不能直接傳輸、顯示和記錄。輸出端要求與高輸入阻抗的前置放大器相配合，然后再接放大電路、檢波電路、顯示電路、記錄電路，這樣才能防止電荷迅速泄漏，減小測(cè)量誤差。壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：一

13、是起放大的作用，放大壓電式傳感器輸出的微弱信號(hào)；二是起阻抗轉(zhuǎn)換的作用，將壓電式傳感器的高阻抗輸出轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗。（2）壓電式傳感器能否用于靜態(tài)測(cè)量？為什么？答：由壓電式傳感器實(shí)際的等效電路可以看出，只有在外電路負(fù)載無窮大，且內(nèi)部無漏電時(shí)，電壓源才能保持長(zhǎng)期不變；如果負(fù)載不是無窮大，則電路就會(huì)按指數(shù)規(guī)律放電。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定及低頻準(zhǔn)靜態(tài)的測(cè)量極為不利，必然帶來誤差。事實(shí)上，壓電式傳感器的內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無窮大，壓電元件只有在交變力的作用下，以較高頻率不斷地作用，電荷才能源源不斷地產(chǎn)生并得以不斷補(bǔ)充，以供給測(cè)量回路一定的電流。從這個(gè)意義上講，壓電式傳感器不適用于靜態(tài)測(cè)量，只適

14、用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。（3）壓電式傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)是什么？它對(duì)放大器有什么要求？放大器有哪兩種類型？壓電式傳感器測(cè)量電路的作用是什么？其核心是解決什么問題？答：根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號(hào)，也可以是電壓信號(hào)。壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：一是起放大的作用，放大壓電式傳感器輸出的微弱信號(hào)；二是起阻抗轉(zhuǎn)換的作用，將壓電式傳感器的高阻抗輸出轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗。前置放大器有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。壓電式傳感器的內(nèi)阻很高（Ra1 010），而輸出的信號(hào)又非常微弱，因此輸出信號(hào)一般不能直接傳輸、顯示和記錄。輸出端要求與高輸入阻抗的前置放大器相配合，然后再接放大電路、

15、檢波電路、顯示電路、記錄電路，這樣才能防止電荷迅速泄漏，減小測(cè)量誤差。（4）壓電式加速度傳感器與壓電式力傳感器在結(jié)構(gòu)上有什么不同？為什么？答：當(dāng)壓電式加速度計(jì)比壓電式力傳感器多一質(zhì)量塊，質(zhì)量塊可以產(chǎn)生一可變力，作用在壓電晶片上，由于壓電效應(yīng)，在壓電晶片兩表面上就有電荷產(chǎn)生。（5）壓電式傳感器往往采用多片壓電晶體串聯(lián)或并聯(lián)方式，若采用并聯(lián)方式，適合于測(cè)量何種信號(hào)？答：只適用于測(cè)量較高頻率動(dòng)態(tài)信號(hào)。（6）試述壓電式傳感器的工作原理。答：壓電式傳感器是由壓電元件組成的自發(fā)電式傳感器。壓電元件受到一定方向的外力而產(chǎn)生變形，內(nèi)部產(chǎn)生了電荷極化的現(xiàn)象，在元件的上下兩表面便產(chǎn)生極性相反、大小相等的電荷，且電

16、荷量和所受到壓力的大小成正比。外力的方向改變時(shí)，電荷的正負(fù)極性也隨之發(fā)生變化。去掉外力，元件又恢復(fù)到原來不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如下圖給出了某種壓電元件在各種受力條件下所產(chǎn)生的電荷情況，從圖中可以看出，元件表面電荷的極性與受力的方向有關(guān)。壓電效應(yīng)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。作業(yè)7：3問答題（1）簡(jiǎn)述超聲波傳感器的發(fā)射和接收原理。答：當(dāng)從超聲波發(fā)射探頭輸入頻率為40kHz的脈沖電信號(hào)時(shí)，壓電晶體因變形而產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率在20kHz以上，由此形成了超聲波，該超聲波經(jīng)錐形共振盤共振放大后定向發(fā)射出去；接收探頭接收到發(fā)射的超聲波信號(hào)后，促使壓電晶片變形而產(chǎn)生電信號(hào)，通過放大器放大電信號(hào)。（2）超聲

17、波液位計(jì)可分為哪幾種安裝方式？各有什么特點(diǎn)？答：一種是將超聲波發(fā)射探頭和接收探頭安裝在液罐的底部，超聲波在液體中的衰減比較小，即使發(fā)生的超聲波脈沖幅度較小也可以傳播，另一種是將超聲波發(fā)射探頭和接收探頭安裝在液罐的上方，這種安裝方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中傳播的衰減程度比較大。（3）超聲波有哪些特性？利用超聲波傳感器可以測(cè)量哪些物理量?答： 超聲波的波形。聲源在介質(zhì)中施力的方向與波在介質(zhì)中傳播的方向不同，聲波的波形則不同。依據(jù)超聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)與聲能量傳播方向的不同，超聲波的波形一般分為三種?？v波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播。橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播。 表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，表面波沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度的增加而迅速衰減，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?波速。超聲波在不同的介質(zhì)中（氣體、液體、固體）的傳播速度是不同的，傳播速度與介質(zhì)密度和彈性系數(shù)以及聲阻抗有關(guān)。不同波形超聲波的傳播速度也不相同：在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的