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)長度；(B)截面積；(C)電阻率；(D)溫度2、在位移測量中，（）傳感器適用于非接觸測量，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量變換為電動勢輸出的。(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)床工作臺位移的直線測量。(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測量精度的影響，實際應(yīng)用時常常采用（差動

）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

）傳感器的輸出電勢與被測速度成正比。4、兩個壓電元件的（并聯(lián)

）適合于測量以電荷為輸出的場合。5、雙螺線管差動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、一個霍爾元件有（3或4）根引線。

4.3簡答題1、什么是物性型傳感器?什么是結(jié)構(gòu)型傳感器?試舉例說明。物性型傳感器依靠敏感元件材料本身的物理變化來實現(xiàn)信號變換。例如利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象制成水銀溫度計來測溫；利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成壓電測力計等。結(jié)構(gòu)型傳感器依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而實現(xiàn)信號轉(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、有源型傳感器和無源型傳感器有何不同?試舉例說明。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，并由被測量來控制外部供給能量的變化。例如，電阻應(yīng)變測量中，應(yīng)變計接于電橋上，電橋工作能源由外部供給，而由于被測量變化所引起應(yīng)變計的電阻變化來控制電橋的不平衡程度。此外電感式測微儀、電容式測振儀等均屬此種類型。無源型傳感器即能量轉(zhuǎn)換型傳感器，是直接由被測對象輸入能量使其工作的，例如，熱電偶溫度計、彈性壓力計等。但由千這類傳感器是被測對象與傳感器之間的能量傳輸，必然導(dǎo)致被測對象狀態(tài)的變化，而造成測量誤差。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？金屬發(fā)生應(yīng)變時，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，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)變片粘貼于被測試件上時，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)變計的靈敏度系數(shù)有何特點？半導(dǎo)體材料發(fā)生效應(yīng)時，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)變計的靈敏度系數(shù)比較大，是金屬材料的50~70倍，但是對于同規(guī)格型號的應(yīng)變計，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。由于具備了這些優(yōu)點，而靈敏度低的問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變壓器式傳感器的異同。不同點：自感式傳感器把被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成自感系數(shù)的變化，通過測量電路把電抗轉(zhuǎn)換成或電流輸出；差動變壓器式傳感器把被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)的變化，可以直接輸出電壓信號。相同點: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,并且可以通過差動連接消除電感的非線性的影響。9、說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中的渦流效應(yīng)。當(dāng)傳感器的線圈即探頭通過確定幅值和頻率的高頻激勵電流，線圈產(chǎn)生的磁力線會在金屬被測物體中激發(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)，可以選擇其中某個參數(shù)作為被測量。10、渦流傳感器測量位移與其他位移傳感器比較，其主要優(yōu)點是什么？渦流傳感器能否測量大位移？為什么？渦流傳感器具有頻率響應(yīng)范圍寬，靈敏度高，測量范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，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量等優(yōu)點。因為渦流傳感器受變換磁場大小的限制，故它不能用于測量大位移。11、渦流傳感器除了能測量位移外，還能測量哪些非電量？渦流傳感器除了能測量位移外，還可測量由位移量變換而來的被測對象，例如位移振幅、表面粗糙度、轉(zhuǎn)速、零件尺寸、零件個數(shù)、零件厚度、回轉(zhuǎn)軸線誤差運動等測量；由被測材質(zhì)變換而來的被測對象，例如溫度、硬度、渦流探傷等。12、利用渦流傳感器物體的位移。如果被測物體由朔料制成，位移測量是否可行？為什么？不可行。因為渦流傳感器是電感傳感器的一種，是利用金屬在交變磁場中的渦流效應(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pF，小的甚至只有幾個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pF，最大的可達(dá)上百個pF。這不僅使傳感器的電容相對變化大大降低，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，或因振動等原因，都會引起電纜本身電容的較大變化，使輸出不真實，給測量帶來誤差。(3)解決的辦法，一種方法是利用集成電路，使放大測量電路小型化，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，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，常采用差動形式。15、簡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，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，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)外電場撤去時，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電極構(gòu)成電容器。因此，受到外力作用時，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)實現(xiàn)機(jī)械量電量的轉(zhuǎn)換。16、用壓電式傳感器能測量靜態(tài)或變化很緩慢的信號嗎？為什么？（為什么壓電式傳感器通常用于測量動態(tài)信號？）由于不可避免地存在電荷泄漏，利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時，必須采取一定措施，使電荷從壓電元件經(jīng)測量電路的漏失減小到足夠小的程度；動態(tài)測量時，電荷可以不斷補(bǔ)充，從而供給測量電路一定的電流，故壓電式傳感器適宜做動態(tài)測量。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?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，會發(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。特點：靈敏度高、響應(yīng)快、使用壽命長和成本低。18、測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度無關(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:①如果極板間距離變化量Δδ=±1μm，電容的變化量ΔC是多少?②如果測量電路的靈敏度S1=100mv/pF,讀數(shù)儀