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測試技術(shù)基礎答案 第三章 常用傳感器
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第三章 常用傳感器
一、知識要點及要求
(1)掌握常用傳感器的分類方法；
(2)掌握常用傳感器的變換原理；
(3)了解常用傳感器的主要特點及應用。
二、重點內(nèi)容及難點
(一)傳感器的定義、作用與分類
1、定義：工程上通常把直接作用于被測量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件，稱為傳感器。
2、作用：傳感器的作用就是將被測量轉(zhuǎn)換為與之相對應的、容易檢測、傳輸或處理的信號。
3、分類：傳感器的分類方法很多，主要
2、的分類方法有以下幾種：
(1)按被測量分類，可分為位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器等；
(2)按傳感器的工作原理分類，可分為機械式、電氣式、光學式、流體式等；
(3)按信號變換特征分類，可概括分為物性型和結(jié)構(gòu)型；
(4)根據(jù)敏感元件與被測對象之間的能量關系，可分為能量轉(zhuǎn)換型與能量控制型；
(5)按輸出信號分類，可分為模擬型和數(shù)字型。
(二)電阻式傳感器
1、分類：變阻式傳感器和電阻應變式傳感器。而電阻應變式傳感器可分為金屬電阻應變片式與半導體應變片兩類。
2、金屬電阻應變片式的工作原理：基于應變片發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。金屬電阻應變片式的的靈敏度。
3、半導體電阻應
3、變片式的工作原理：基于半導體材料的電阻率的變化引起的電阻的變化。半導體電阻應變片式的的靈敏度。
(三)電感式傳感器
1、分類：按照變換原理的不同電感式傳感器可分為自感型與互感型。其中自感型主要包括可變磁阻式和渦電流式。
2、渦電流式傳感器的工作原理：是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應。
(四)電容式傳感器
1、分類：電容式傳感器根據(jù)電容器變化的參數(shù)，可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。
2、極距變化型：靈敏度為，可以看出，靈敏度與極距平方成反比，極距越小靈敏度越高。顯然，由于靈敏度隨極距而變化，這將引起非線性誤差。
3、面積變化型：靈敏度為常數(shù)，其輸出與輸入成線性關系
4、。但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角速度的測量。
4、介質(zhì)變化型：可用來測量電介質(zhì)的液位或某些材料的厚度、濕度和溫度等；也可用于測量空氣的濕度。
(五)壓電式傳感器
1、壓電傳感器的工作原理是壓電效應。
壓電效應是指某些物質(zhì)，如石英、鈦酸鋇、鎬鈦酸鉛等，當受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場；當外力消失時，材料重新回復到原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。
三、習題解答
習題3-2 試舉出你所熟悉的五種傳感器，并說明它們的變換原理。
解：渦電流式、熱電偶式、壓電式、差動變壓器式、半導體應變片。
習題3-3 電阻絲應變片與
5、半導體應變片在工作原理上有何區(qū)別？各有何優(yōu)缺點？應如何針對具體情況來選用？
解：電阻絲應變片主要利用導體形變引起電阻的變化，而半導體應變片主要利用半導體電阻率的變化引起電阻的變化。電阻絲應變片主要優(yōu)點是性能穩(wěn)定，線性較好；主要缺點是靈敏度低，橫向效應大。半導體應變片主要優(yōu)點是靈敏度高、機械滯后小、橫向效應?。恢饕秉c是溫度穩(wěn)定性差、靈敏度離散度大、非線性大。選用時要根據(jù)測量精度要求、現(xiàn)場條件、靈敏度要求等來選擇。
習題3-4 有一電阻應變片（見圖3-84），其靈敏度Sg＝2，R＝120W。設工作時其應變?yōu)?000me，問DR＝？設將此應變片接成如圖所示的電路，試求：1）無應變時電流表示值；
6、2）有應變時電流表示值；3）電流表指示值相對變化量；4）試分析這個變量能否從表中讀出？
圖3-84 題3-4圖
1.5V
解：根據(jù)應變效應表達式DR/R=Sge 得
DR=Sge R=2′1000′10-6′120=0.24W
(1)I1=1.5/R=1.5/120=0.0125A=12.5mA
(2)I2=1.5/(R+DR)=1.5/(120+0.24)?0.012475A=12.475mA
(3)d=(I2-I1)/I1′100%=0.2%
(4)電流變化量太小，很難從電流表中讀出。如果采用高靈敏度小量程的微安表，則量程不夠，無法測量12.5mA的電流；如果采用毫安表
7、，無法分辨0.025mA的電流變化。一般需要電橋來測量，將無應變時的零位電流平衡掉，只取有應變時的微小輸出量，并可根據(jù)需要采用放大器放大。
習題3-5 電感傳感器（自感型）的靈敏度與哪些因素有關？要提高靈敏度可采取哪些措施？采取這些措施會帶來什么樣后果？
解：以氣隙變化式為例進行分析。
又因為線圈阻抗Z=wL，所以靈敏度又可寫成
由上式可見，靈敏度與磁路橫截面積A0、線圈匝數(shù)N、電源角頻率w、鐵芯磁導率m0，氣隙d等有關。如果加大磁路橫截面積A0、線圈匝數(shù)N、電源角頻率w、鐵芯磁導率m0，減小氣隙d，都可提高靈敏度。加大磁路橫截面積A0、線圈匝數(shù)N會增大傳感器尺寸，重量增加，并影響到動
8、態(tài)特性；減小氣隙d會增大非線性。
習題3-6 電容式、電感式、電阻應變式傳感器的測量電路有何異同？舉例說明。
習題3-7 一個電容測微儀，其傳感器的圓形極板半徑r＝4mm，工作初始間隙d=0.3mm，問：1）工作時，如果傳感器與工件的間隙變化量Dd＝±1mm時，電容變化量是多少？2）如果測量電路的靈敏度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV，在Dd＝±1mm時，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？
解：因為電容式傳感器
所以，電容的變化量
又電容極板面積
在空氣中，初始間隙 ，所以，電容的變化量
傳感器的靈敏度
儀表指示的變化范圍
習題3-8 把一個變阻器式傳感
9、器按圖3-85接線。它的輸入量是什么？輸出量是什么？在什么樣條件下它的輸出量與輸入量之間有較好的線性關系？
圖3-85 題3-8圖
x
xp
RL
ue
uo
Rx
Rp
解：輸入量是電刷相對電阻元件的位移x，輸出量為電刷到端點電阻Rx。如果接入分壓式測量電路，則輸出量可以認為是電壓uo。
，輸出電阻與輸入位移成線性關系。
，輸出電壓與輸入位移成非線性關系。
由上式可見，只有當Rp/RL?0時，才有。所以要求后續(xù)測量儀表的輸入阻抗RL要遠大于變阻器式傳感器的電阻Rp，只有這樣才能使輸出電壓和輸入位移有較好的線性關系。
習題3-9 試按接觸式與非接觸式區(qū)分傳感器
10、，列出它們的名稱、變換原理，用在何處？
解：接觸式：變阻器式、電阻應變式、電感式（渦流式除外）、電容式、磁電式、壓電式、熱電式、廣線式、熱敏電阻、氣敏、濕敏等傳感器。
非接觸式：渦電流式、光電式、熱釋電式、霍爾式、固態(tài)圖像傳感器等?？梢詫崿F(xiàn)非接觸測量的是：電容式、光纖式等傳感器。
習題3-10 欲測量液體壓力，擬采用電容式、電感式、電阻應變式和壓電式傳感器，請繪出可行方案原理圖，并作比較。
解： 參考課本P248常用壓力傳感器。
習題3-11 一壓電式壓力傳感器的靈敏度S=90pC/MPa，把它和一臺靈敏度調(diào)到0.005V/pC的電荷放大器連接，放大器的輸出又接到一靈敏度已調(diào)到20m
11、m/V的光線示波器上記錄，試繪出這個測試系統(tǒng)的框圖，并計算其總的靈敏度。
解：框圖如下
壓力傳感器
電荷放大器
光線示波器
壓力P
各裝置串聯(lián)，如果忽略負載效應，則總靈敏度S等于各裝置靈敏度相乘，即
S=Dx/DP=90′0.005′20=9mm/MPa。
習題3-14 試說明壓電式加速度計、超聲換能器、聲發(fā)射傳感器之間的異同點。
解：相同點：都是利用材料的壓電效應（正壓電效應或逆壓電效應）。
不同點：壓電式加速度計利用正壓電效應，通過慣性質(zhì)量快將振動加速度轉(zhuǎn)換成力作用于壓電元件，產(chǎn)生電荷。
超聲波換能器用于電能和機械能的相互轉(zhuǎn)換。利用正、逆壓電效應。利用逆壓電效應
12、可用于清洗、焊接等。
聲發(fā)射傳感器是基于晶體組件的壓電效應，將聲發(fā)射波所引起的被檢件表面振動轉(zhuǎn)換成電壓信號的換能設備，所有又常被人們稱為聲發(fā)射換能器或者聲發(fā)射探頭。
材料結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生位錯-滑移-微裂紋形成-裂紋擴展-斷裂，以彈性波的形式釋放出應變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。
聲發(fā)射傳感器不同于加速度傳感器，它受應力波作用時靠壓電晶片自身的諧振變形把被檢試件表面振動物理量轉(zhuǎn)化為電量輸出。
習題3-15 有一批渦輪機葉片，需要檢測是否有裂紋，請舉出兩種以上方法，并闡明所用傳感器的工作原理。
解：渦電流傳感器，聲發(fā)射傳感器（壓電式），霍爾元件等。
習題3-19 在軋鋼過程中，需監(jiān)測薄板的厚度，宜采用那種傳感器？說明其原理。
解：差動變壓器、渦電流式、電容式等。
測試技術(shù)基礎答案 第三章常用傳感器
