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传感器Word版
第二章
2-1:
什么是传感器?
它由哪几部分组成?
它的作用及相互关系如何?
答:
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
通常,传感器由敏感元件和转换元件组成。
其中,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。
【答】
1、传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
2、传感器由:
敏感元件、转换元件、信号调理与转换电路和辅助的电源组成。
3、它们的作用是:
(1)敏感元件:
是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;
(2)转换元件:
是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分;
(3)信号调理与转换电路:
由于传感器输出信号一般都很微弱,需要有信号调理与转换电路,进行放大、运算调制等;
(4)辅助的电源:
此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源。
4、最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成,它感受被测量时直接输出电量,如热电偶。
有些传感器由敏感元件和转换元件组成,没有转换电路,如压电式加速度传感器,其中质量块m是敏感元件,压电片(块)是转换元件。
有些传感器,转换元件不只一个,要经过若干次转换。
2—2:
什么是传感器的静态特性?
它有哪些性能指标?
分别说明这些性能指标的含义?
答:
传感器在被测量的各个值处于稳定状态时,输出量和输入量之间的关系称为传感器的静态特性;其主要指标有线性度、灵敏度、精确度、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性、零点漂移、温漂。
灵敏度定义是输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx之比。
传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。
输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。
传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度。
传感器的漂移是指在输入量不变的情况下,传感器输出量随着时间变化,此现象称为漂移。
1、传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。
也即当输入量为常量,或变化极慢时,这一关系就称为静态特性。
2、静态特性性能指标包括:
线性度、灵敏度、迟滞、重复性和漂移等。
3、性能指标:
(1)灵敏度:
输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx之比。
用S表示灵敏度,即
(2)线性度:
传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值ΔLmax与满量程输出值YFS之比。
线性度也称为非线性误差,用γL表示,即
(3)迟滞:
传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)
变化期间其输入输出特性
曲线不重合的现象称为迟滞。
用γH表示,迟滞误差又称为回差或变差。
即:
(4)重复性:
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度。
重复性误差属于随机误差,常用标准差σ计算,也可用正反行程中最大重复差值ΔRmax计算,即
或
(5)漂移:
传感器的漂移是指在输入量不变的情况下,传感器输出量随着时间变化,此现象称为漂移。
温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20℃)时的输出值的变化量与温度变化量之比(ξ)来表示,即
第三章
3-1什么是应变效应?
什么是压阻效应?
利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。
【答】
1、所谓应变效应是指金属导体在外界作用下产生机械变形(拉伸或压缩)时,其电阻值相应发生变化,这种现象称为电阻应变效应。
2、半导体材料的电阻率ρ随作用应力的变化而发生变化的现象称为压阻效应。
3、应变式传感器的基本工作原理:
当被测物理量作用在弹性元件上,弹性元件在力、力矩或压力等作用下发生形变,变换成相应的应变或位移,然后传递给与之相连的应变片,将引起应变敏感元件的阻值发生变化,通过转换电路变成电量输出。
输出的电量大小反映了被测物理量得大小。
3-2试述温度误差的概念、产生的原因和补偿的办法。
【答】
1、由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。
2、产生的原因有两个:
一是敏感栅的电阻丝阻值随温度变化带来的附加误差;二是当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时,由于环境温度的变化,电阻丝会产生附加变形,从而产生附加电阻变化。
3、电阻应变片的温度补偿方法通常有:
线路补偿和应变片自补偿。
答:
由于测量现场环境温度偏离应变片标定温度而给测量带来的附加误差,称为应变片温度误差。
产生应变片温度误差的主要原因有:
⑴由于电阻丝温度系数的存在,当温度改变时,应变片的标称电阻值发生变化。
⑵当试件与与电阻丝材料的线膨胀系数不同时,由于温度的变化而引起的附加变形,使应变片产生附加电阻。
电阻应变片的温度补偿方法有线路补偿法和应变片自补偿法两大类。
电桥补偿法是最常用且效果较好的线路补偿法,应变片自补偿法是采用温度自补偿应变片或双金属线栅应变片来代替一般应变片,使之兼顾温度补偿作用。
3.什么是直流电桥?
若按桥臂工作方式不同,可分为哪几种?
各自的输出电压如何计算?
答:
如题图3-3所示电路为电桥电路。
若电桥电路的工作电源E为直流电源,则该电桥称为直流电桥。
按应变所在电桥不同的工作桥臂,电桥可分为:
1单臂电桥,R1为电阻应变片,R2、R3、R4为电桥固定电阻。
其输出电压为
。
2差动半桥电路,R1、R2为两个所受应变方向相反的应变片,R3、R4为电桥固定电阻。
其输出电压为:
。
⑶差动全桥电路,R1、R2、R3、R4均为电阻应变片,且相邻两桥臂应变片所受应变方向相反。
其输出电压为:
。
5.图示为一直流应变电桥。
图中E=4V,R1=R2=R3=R4=120Ω,试求:
(1)R1为金属应变片,其余为外接电阻。
当R1的增量为ΔR1=1.2Ω时,电桥输出电压Uo=?
(2)R1、R2都是应变片,且批号相同,感应应变的极性和大小都相同,其余为外接电阻,电桥输出电压Uo=?
(3)题
(2)中,如果R1与R2感受应变的极性相反,且ΔR1=ΔR2=1.2,电桥输出电压Uo=?
【解】
1、电桥输出电压为:
2、电桥输出电压为:
3、当R1受拉应变,R2受压应变时,电桥输出电压为:
当R1受压应变,R2受拉应变时,电桥输出电压为:
3-6题3-4图为等强度梁测力系统,R1为电阻应变片,应变片灵敏度系数K=2.05,未受应变时,R1=120Ω。
当试件受力F时,应变片承受平均应变ε=800μm/m,试求:
(1)应变片电阻变化量ΔR1和电阻相对变化量ΔR1/R1。
(2)将电阻应变片R1置于单臂测量电桥,电桥电源电压为直流3V,求电桥输出电压及电桥非线性误差。
(3)若要减小非线性误差,应采取何种措施?
分析其电桥输出电压及非线性误差大小。
图3-4等强度悬臂梁
【解】
1、应变电阻相对变化量ΔR1/R1:
应变片电阻变化量ΔR1:
2、单臂电桥输出电压:
非线性误差:
如果是四等臂电桥,R1=R2=R3=R4,即n=1,则电桥的非线性误差:
3、减小非线性误差采取的措施
为了减小和克服非线性误差,常采用差动电桥。
差动电桥无非线性误差,且半差动电桥电压灵敏度KU=E/2,是单臂工作时的2倍,全差动电桥电压灵敏度KU=E,是单臂工作时的4倍。
同时还具有温度补偿作用。
3-8一个量程为10KN的测力传感器,其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力,外径为20mm,内径为18mm,在其表面粘贴8个应变片,4个沿轴向粘贴,4个沿周向粘贴,应变片的电阻值为120Ω,灵敏度为2.0,泊松比为0.3,材料弹性模量E=2.1×1011Pa。
要求:
(1)绘出弹性元件贴片位置及全桥电路;
(2)计算传感器在满量程时,各应变片的电阻值;
(3)当桥路的供电电压为10V,计算电桥负载开路时的输出电压。
【解】
1、弹性元件贴片位置及全桥电路如图3-5所示。
图3-5应变片粘贴位置及电路连接图
2、圆筒截面积:
应变片1、2、3、4感受轴向应变:
应变片5、6、7、8感受周向应变:
满量程时:
3、全受拉力:
第四章
4-1说明差动变间隙式电感传感器的主要组成、工作原理和基本特性。
【答】
1、差动变隙式电感传感器由两个完全相同的电感线圈合用一个衔铁和相应磁路组成。
图4-1差动变隙式电感传感器结构图
4-3什么叫差动变压器?
差动变压器式传感器有哪几种结构形式?
各有什么特点?
【答】
1、把被测的非电量转化为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器,这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且次级绕组用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。
2、差动变压器结构形式有:
有变隙式、变面积式和螺线管式等,在非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器。
3、特点:
(1)变气隙式:
灵敏度较高,但随气隙的增大而减小,非线性误差大,为了减小非线性误差,量程必须限制在较小的范围内工作,一般为气隙的1/5一下,用于测量几μm~几百μm的位移。
这种传感器制作困难;
(2)变面积式:
灵敏度小于变气隙式,但为常数,所以线性好、量程大,使用较广泛;
(3)螺线管式:
灵敏度低,但量程大它可以测量1~100mm机械位移,并具有测量精度高、结构简单、性能可靠、便于制作等优点,使用广泛。
4-5差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么?
怎样减小和消除它的影响?
【答】
1、零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。
(1)产生基波分量的主要原因是:
传感器两线圈的电气参数和几何尺寸的不对称,以及构成电桥另外两臂的电气参数不一致。
(2)造成高次谐波分量的主要原因是:
磁性材料磁化曲线的非线性,同时由于磁滞损耗和两线圈磁路的不对称,造成两线圈中某些高次谐波成分不一样,不能对消,于是产生了零位电压的高次谐波。
此外,激励信号中包含的高次谐波及外界电磁场的干扰,也会产生高次谐波。
2、减小电感式传感器的零点残余电压的措施
(1)从设计和工艺上保证结构对称性
为保证线圈和磁路的对称性,首先,要求提高加工精度,线圈选配成对,采用磁路可调节结构;其次,应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。
并应经过热处理,消除残余应力,以提高磁性能的均匀性和稳定性。
由高次谐波产生的因素可知,磁路工作点应选在磁化曲线的线性段;减少激励电流的谐波成分与利用外壳进行电磁屏蔽也能有效地减小高次谐波。
(2)选用合适的测量线路
另一种有效的方法是采用外接测量电路来减小零位电压。
如相敏检波电路,它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量,减小奇次谐波分量,使传感器零位电压减至极小。
采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向,而且把衔铁在中间位置时,因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。
如图,采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2,从而消除了零点残余电压。
图4-2相敏检波后的输出特性
(3)采用补偿线路
采用平衡调节网络,这是一种既简单又行之有效的方法。
图4-3补偿电路图
4-10何谓涡流效应?
怎样利用涡流效应进行位移测量?
【答】
1、根据法拉第电磁感应定律,块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内将产生呈漩涡状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。
2、有一通以交变电流的传感器线圈。
由于电流的存在,线圈周围就产生一个交变磁场H1。
若被测导体置于该磁场范围内,导体内便产生电涡流,也将产生一个新磁场H2,H2与H1方向相反,力图削弱原磁场H1,从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。
这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。
如果控制上述参数中的线圈到被测导体间的距离参数改变,余者皆不变,就能构成测量位移的传感器。
第五章
5-1根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型?
每种类型各有什么特点?
各适用什么场合?
【答】
1、电容式传感器分为:
变极距(变间隙)(δ)型、变面积型(S)型、变介电常数
(εr)型三种基本类型。
2、特点与应用
(1)变极距(变间隙)(δ)型:
只有在Δd/d0很小时,才有C与Δd近似的线性关系,所以,这种类型的传感器一般用来测量微小变化量。
(2)变面积型(S)型:
传感器的电容量C与线位移及角位移呈线性关系。
测量范围大,可测较大的线位移及角位移。
(3)变介电常数(εr)型:
传感器电容量C与被测介质的移动量成线性关系。
常用来检测容器中的液位,或片状结构材料的厚度等。
5-2:
如何改善单极式变极距型传感器的非线性?
答:
采用差动式结构,可以使非线性误差减小一个数量级。
5-5题5—5图为电容式传感器的双T电桥测量电路,已知
,
,
,
,
,
,
。
求
的表达式及对于上述已知参数的
值。
解:
5-9:
简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。
答:
电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测,其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等、与带材距离相等的极板,这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2把两块极板用导线连接起来成为一个极,而带材就是另一个极,其总电容为C1+C2,如果带材的厚度发生变化,将引起电容量的,用交流电桥将电容的变化测出来,经过放大即可由电表指示测量结果。
第六章
6-1.什么叫正压电效应和逆压电效应?
什么叫纵向压电效应和横向压电效应?
答:
某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时,内部会产生极化现象,同时在其表面上产生电荷,当外力去掉后,又重新回到不带电的状态,这种现象称为压电效应。
这种机械能转化成电能的现象,称为“顺压电效应”。
反之,在电介质的极化方向上施加交变电场或电压,它会产生机械变形,当去掉外加电场时,电介质变形随之消失,这种现象称为“逆压电效应”。
在石英晶体中,通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。
6-3.简述压电陶瓷的结构及其特性.
答:
压电陶瓷是人工制造的多晶体,具有电畴结构,电畴是分子自发形成的区域.有一定的极化方向.经过极化处理的压电陶瓷内部仍存在很强的剩余极化.沿着压电陶瓷极化方向加力时,极化强度发生变化,引起于垂直极化方向的平面上电荷的变化,这种变化的大小与压电陶瓷的压电系数和作用力的大小成正比.
6-6.简述压电式加速度传感器的工作原理.
答:
加速度传感器内有一片压片晶体片,加速度传感器和被测量的物体也是用螺丝连接在一起的,当被测物体发生振动时,由于惯性的作用会对压电晶体片产生压力使其发生形变,它的晶体面或者极化面上将有电荷产生,所产生的电荷数与力的大小成正比,所以压电式传感器是加速度传感器。
6-8用石英晶体加速度计测量机械的振动,已知加速度计的灵敏度为2.5pC/g(g=9.8m/s2),电荷放大器灵敏度为80mV/pC,当机器达到最大加速度时,相应的输出幅值为4V。
试计算机器的振动加速度。
【解】系统灵敏度Sn等于传感器灵敏度与电荷放大器灵敏度的乘积,即
Sn=2.5×80=200mV/g
系统灵敏度Sn、输出电压幅值U0及被测加速度幅值a的关系为:
所以该机器的振动加速度幅值为:
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