完整版传感器原理与应用习题解答周真苑惠娟.docx
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完整版传感器原理与应用习题解答周真苑惠娟
传感器的技术根底
1.传感器的定义是什么
答：
传感器最早来自于“senso产词,就是感觉的意思.随着传感器技术的开展,在工程技术领域中,传感器被认为是生物体的工程模拟物.而且要求传感器不但要对被测量敏感,还要就有把它对被测量的响应传送出去的功能,也就是说真正实现能感〞到,会传〞到的
功能.
传感器是获取信息的一种装置,其定义可分为广义和狭义两种.广义定义的传感器是指那些能感受外界信息并按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置,以满足信息的传输、处理、记录、显示和限制等要求.这里的可用信号〞是指便于处理、传输的信号,一般为电信号,如电压、电流、电阻、电容、频率等.狭义定义的传感器是指将外界信息按一定规律转换成电量的装置才叫传感器.
根据国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：
能感受规定的被测量并根据一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成
国际电工委员会〔IEC〕将传感器定义为：
传感器是测量系统中的一种前置部件,它将输入变量转换成可供测量的信号.美国测量协会又将传感器定义为对应于特定被测量提供有效电信号输出的器件传感器也称为变换器、换能器或探测器.如前所述.感受被测量、并将被测量转换为易于测量、传输和处理的信号的装置或器件称为传感器.
2.简述传感器的主要分类方法.
答：
〔1〕据传感器与外界信息和变换效应的工作原理,可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类.
〔2〕按输入信息分类.传感器按输入量分类有力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器等.这种分类对传感器的应用很方便.
（3）按应用范围分类.根据传感器的应用范围的不同,通常分为工业用、民用、科研用、医用、军用传感器等.按具体使用场合,还可分为汽车用、舰船用、航空航天用传感器等.如果根据使用目的的不同,还可分为计测用、监测用、检查用、限制用、分析用传感器等.
3.传感器主要由哪些局部组成并简单介绍各个组成局部.
答：
传感器的核心部件是敏感元件,它是传感器中用来感知外界信息和转换成有用信息的元件.传感器一般由敏感元件、传感元件和根本转换电路三局部组成.
图1-1传感器的组成
（1）敏感元件直接感受被测量,并以确定的关系输出某一物理
量.
（2）传感元件将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数量
或电量.
（3）根本转换电路将电路参数转换成便于测量的电量.根本转
换电路的类型又与不同的工作原理的传感器有关.因此常把根本转换
电路作为传感器的组成环节之一.
4.传感器的静态特性的参数主要有哪些
答：
表征传感器的静态特性的主要参数有：
线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复性、稳定性、漂移、阈值等.
5.传感器未来开展的方向主要有哪些
答：
（1）开发新材料
（2）提升传感器性能扩大检测范围
（3）传感器的微型化和微功耗
（4）传感器的智能化
（5）传感器的集成化和多功能化
（6）传感器的数字化与网络化
第2章电阻式传感器
1.电阻式传感器的定义,并简单说明它的优缺点.
答：
电阻式传感器是一种能把非电物理量〔如位移、力、压力、加速度、扭矩等〕转换成与之有确定对应关系的电阻阻值,再经过测量电桥转换成便于传送和记录的电压〔电流〕信号的一种装置.它在非电量检测中应用十分广泛.
电阻式传感器具有一系列的优点,如结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等；但它受环境条件〔如温度〕影响较大,且有分辨力不高等缺乏之处.
2.说明电阻应变片的组成、规格及分类.
答：
组成：
电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引出线等局部组成.规格：
应变片规格一般是以有效使用面积和敏感栅的电阻值来表示.分类：
电阻应变片按其敏感栅的材料不同,可分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类.常见的金属电阻应变片的有丝式、箔式和薄膜式三种形式.
3.什么叫应变效应利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理.
答：
电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其阻值发生变化,此现象称为电阻应变效应〞.根据这种效应,将应变片用特制胶水粘在被测材料的外表,被测材料在外力的作用下产生的应变就会传送到应变片上,使应变片的阻值发生变化,通过测量应变片电阻值的变化就可得知被测量的大小.
4.金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别各有何
优缺点
答：
金属电阻应变片可分为：
〔1〕丝式应变片：
具优点是粘贴性能好,能保证有效地传递变形,性能稳定.且可制成满足高温、强的磁场、核辐射等特殊条件使用的应变片.缺点是U形应变片的圆弧
形弯曲段呈现横向效应,H形应变片的焊点过多,可靠性下降；〔2〕箔式应变片：
优点是黏合情况好,散热水平较强,输出功率较大,灵敏度高等.在工艺上可按需要制成任意形状,易于大量生产,本钱低廉,在电测中获得广泛应用.尤其在常温条件下,箔式应变片已逐渐取代了丝式应变片.〔3〕薄膜型是在薄绝缘基片上蒸镀金属制成.它灵敏度系数高,易于实现工业化；特别是它可以直接制作在弹性敏感元件上,形成测量元件或传感器.由于这种方法免去了应变片的粘贴工艺过程,因此具有一定优势.
半导体应变片：
是用错或硅等半导体材料制成敏感栅.半导体应变片最突出的优点：
灵敏度高,可测微小应变、机械滞后小、横向效应小、体积小.主要缺点：
温度稳定性差、灵敏度系数分散性大,所以在使用时需采用温度补偿和非线性补偿举措.
5.简单介绍应变片的粘贴工艺步骤：
答：
①应变片的检查与选择首先要对采用的应变片进行外观检查,观察应变片的敏感栅是否整洁、均匀,是否有锈斑以及短路和折弯等现象.其次要对选用的应变片的阻值进行测量,阻值选取适宜将
对传感器的平衡调整带来方便.
②试件的外表处理为了获得良好的粘合强度,必须对试件外表进行处理,去除试件外表杂质、油污及疏松层等.一般的处理方法可采用砂纸打磨,较好的处理方法是采用无油喷砂法,这样不但能得到比抛光更大的外表积,而且可以获得质量均匀的结果.为了外表的清洁,可用化学清洗剂如氯化碳、丙酮、甲苯等进行反复清洗,也可采用超声波清洗.值得注意的是,为预防氧化,应变片的粘贴尽快进行.如果不马上贴片,可涂上一层凡土林暂作保护.
③底层处理为了保证应变片能牢固地贴在拭件上,并具有足够的绝缘电阻,改善胶接性能,可在粘贴位置涂上一层底胶.
④贴片将应变片底面用清洁剂清洗干净,然后在试件外表和应变片底面各涂上一层薄而均匀的粘合剂.待稍干后,将应变片对准划线位置迅速贴上,然后盖一层玻璃纸,用手指或胶锅加压,挤出气泡及多余的胶水,保证胶层尽可能薄而均匀.
⑤固化粘合剂的固化是否完全,直接影响到胶的物理机械性能.关键是要掌握好温度、时间和循环周期.无论是自然枯燥还是加热固化都要严格根据工艺标准进行.为了预防强度降低、绝缘破坏以及电化腐蚀,在固化后的应变片上应涂上防潮保护层,防潮层一般可采用稀释的粘合胶.
⑥粘贴质量检查首先是从外观上检查粘贴位置是否正确,粘合层是否有气泡、漏粘、破损等.然后是测量应变片敏感栅是否有有断路或短路现象,测量敏感栅的绝缘电阻以及线和试件之间的绝缘电阻.一般情况下,绝缘电阻为50MD即可,有些高精度测量,那么需要200MQ以上.
⑦引线焊接与组桥连线检查合格后既可焊接引出导线,引线应适当加以固定.应变片之间通过粗细适宜的漆包线连接组成桥路.连接长度应尽量一致,且不宜过多.
⑧防护和屏蔽为了保证应变片工作的长期稳定性,应采取防潮、防水等举措,如在应变片及其引出线上涂以石蜡、石蜡松香混合剂、环氧树脂、有机硅、清漆等保护层.
6.说明差动电桥减小温度误差的原理.
答：
巧妙地安装应变片而不需补偿并能得到灵敏度的提升.如图
2-1,测悬梁的弯曲应变时,将两个应变片分别贴于上下两面对称位置,Ri与Rb特性相同,所以两电阻变化值相同而符号相反.将Ri
与Rb按图2-4装在Ri和R2的位置,因而电桥输出电压比单片时增加1倍.当梁上下温度一致时,Rb与Ri可起温度补偿作用.
2-1应变片受力变化图
7.电阻应变片的根本测量电路有哪些试比较它们的特点.
答：
直流电桥：
〔1〕等臂电桥：
电桥供电电压U越高,输出电压Uo越大,灵敏度越高.但提升电源电压使应变片和桥臂电阻功耗增加,温度误差增大.一般电源电压取3V~6V为宜.增大电阻应变片的灵
敏系数K,可提升电桥的输出电压.〔2〕差动电桥：
克服和减小非线性误差.提升电桥灵敏度.半桥差动电路：
是单臂工作时的2倍,同时还具有温度补偿作用.全桥差动电路不仅没有非线性误差,而且电压灵敏度为单片工作时的4倍,同时仍具有温度补偿作用.
交流电桥：
与直流电桥相比,应用交流电桥时应注意以下几个方面的问题；〔1〕交流电桥的电源通常为正弦波电源,在分析、计算时,仅对基波而言,而在误差分析中需考虑高次谐波的影响.〔2〕可以用
线性电路和方法分析交流电桥,但对非线性元件需在规定的条件下进行线性化处理.〔3〕交流电桥至少需要两个可调参数才能保证电桥平衡,调整参数时必须满足平衡条件.
8.说明电桥的工作原理.假设按不同的桥臂工作方式,可分为哪几种?
各自的输出电压如何计算
答：
由于应变片电桥电路的输出信号一般比较微弱,所以目前大局部电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连,如图2-2所示
图2-2直流电桥
〔1〕等臂电桥当RlR4=R2R3时,称为等臂电桥,即电桥处于平衡状态时,输出电压5=0.假设电桥各臂均有相应电阻增量,得
〔RiRi〕〔R4R〕-〔&R〕〔RR〕
Uo-U
〔RRR2艮〕但艮R4R〕
当Ri=R2=R3=R4=R时,又AR〔i=1,2,3,4〕很小,上式可简
化为
〔2〕差动电桥
①半桥差动电路：
假设电桥桥臂两两相等,即Ri=R2=R,R=R=R
假设AR1=AR2,R1=R2,R3=R4贝U得
Uo上也
2R1
②全桥差动电路：
假设将电桥4个臂接入4个应变计,即2个受拉应变,2个受压应变,将2个应变相同的应变计接入相对桥臂上,构成全桥差动电路.右AR-i=AR2=△&=且R1=R2=R3=R4贝!
jU0=U—―,Ri
Ku=U.
9.如何提升应变片电桥的输出电压灵敏度及线性度
答：
〔1〕由Uo=U〞^=5&可知,当电源电压u及应变片电阻
4R4
相对变化一定时,电桥得输出电压及其电压灵敏度与各桥臂得阻值无关.电桥电源电压越高,输出电压的灵敏度越高.但提升电源电压使应变片和桥臂电阻功耗增加,温度误差增大.一般电源电压取3V〜6V为宜.
（2）一般消除非线性误差的方法有以下几种：
①采用差动电桥.利用桥路电阻变化的特点,可使桥路形成差动电桥〔半桥或全桥〕.
②采用高内阻的恒流源电桥.采用恒流源比采用恒压源的非线性误差减小一倍.一般半导体应变片的桥路采用恒流源供电.
1O.如果将10g电阻应变片贴在弹性试件上,假设试件受力横截面
积S=O.5M1O4m2,弹性模量E=^.11N/m2,假设有F=5父1.%的拉力引起应变电阻变化为位.试求该应变片的灵敏度系数
R
F
Uo
l
故应变
t
b
ARAR
R2一
电阻相对变化量为
R4
现将四个应变电阻按图（b）所示接入桥路组成等臂全桥电路,其输出桥路电压为
U.=——U=K；U=KU-
RSE
0.5
=264=0.0178V=17.8mV
0.165210
12.如将两个100Q电阻应变片平行地粘贴在钢制试件上,试件初载等截面积为0.5父105,弹性模量E=200GN/m2,由50kN的拉力所引起的应变片电阻变化为1C.把它们接入惠斯登电桥中,电桥电源电压为1V,求应变片灵敏系数和电桥输出电压为多少
解:
由于,应力/应变=£所以,
应变=应力/E=50000N/（0.5X10-4m2x200X109N/m2）=0.005故应变片灵敏系数k为
k=R/R；,=1/1000.005,=2
当电阻应变片与匹配电阻构成惠斯登电桥时,两应变片处于不同的桥臂将会有不同的输出：
（1）两应变片接在相邻的桥臂时,由于两应变片平行贴在试件上,两电阻变化值都是1建,且符号相同,故它们对电桥的作用相互抵消,输出电压为零.这种效果在应变片温度补偿中得到了应用.
（2）两应变片接在相对的桥臂时,因那时它们对电桥的奉献就相当于两个单臂电桥,故其输出电压Uo为
13.图2-4为一直流电桥.图中E=4V,Ri=R2=R3=R4=120q,试求：
（1）Ri为金属应变片,其余为外接电阻,当Ri的增量△R=1.2.时,电桥输出电压U.是多少
（2）Ri、R2都是应变片,型号规格相同,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是多少
（3）题
（2）中,如果R和Ri感受应变的极性相反,且aR=aR2=
1.2C时.电桥输出电压Uo是多少
14.简要说明筒式应变压力传感器的工作原理
答：
压力传感器主要用来测量流体的压力.视其弹性体的结构形式有单一式和组合式之分.单一式是指应变片直接粘贴在受压弹性膜片或筒上.膜片式应变压力传感器的结构、应力分布及布片,与固态压阻式传感器雷同.图2-5为筒式应变压力传感器.图中〔a〕为结构示意；〔b〕为材料取E和w的厚底应变筒；〔c〕为4片应变片布片,工作应变片R、R3沿筒外壁周向粘贴,温度补偿应变片R2、R贴在筒底外壁,并接成全桥.当应变筒内壁感受压力P时,筒外壁的周向应变为：
㈤ib）（c）
〔a〕结构示意；〔b〕筒式弹性元件；〔c〕应变片布片
1—插座；2—基体；3—温度补偿应变片；4—工作应变片；5一应变筒图2-5筒式应变压力传感器
对厚壁筒：
耳=〔2一"dP
D-dE
…2-1d
对薄壁筒：
％=二一-P
D-dE
组合式压力传感器那么由受压弹性元件〔膜片、膜盒或波纹管〕和应变弹性元件〔如各种梁〕组合而成.前者承受压力,后者粘贴应变片.两者之间通过传力件传递压力作用.这种结构的优点是受压弹性元件能对流体高温、腐蚀等影响起到隔离作用,使传感器具有良好的工作环境.
电容式传感器
1.说明电容式传感器的工作原理,电容式传感器有哪几种类型差动结构的电容传感器有什么优点
答：
电容器传感器是一个具有可变参数的电容器.由绝缘介质分
开的两个平行金属板组成平板电容器,当忽略边缘效应影响时,其电容量与真空介电常数轨8.854父10-12F/m）、极板间介质的相对介电常数吊、极板的有效面积A以及两极板间的距离d有关：
；0A
C=（3-1）
d
式中d——两平行极板之间的距离；
A——两平行极板的相对覆盖面积；
r介质材料的相对介电常数；o——真空介电常数；
C电谷量.
当被测参使得式（3-1）中的A、d或0三个参量中任意一个发生变化时,都会引起电容量的变化,再通过测量电路就可转换为电量输出.
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型.
差动式比单极式灵敏度提升一倍,且非线性误差大为减小.由于结构上的对称性,它还能有效地补偿温度变化所造成的误差.
2.电容式传感器有哪些优点和缺点
答：
它与电阻式、电感式等传感器相比具有以下优点：
（1）测量范围大
（2）温度稳定性好
（3）结构简单、适应性强
（4）动态响应好
（5）可以实现非接触测量、具有平均效应
电容式传感器除上述优点之外,还因带电极板间的静电引力极小（约几个毫克）,因此所需输入能量极小,所以特别适宜用来解决输入能量低的测量问题,例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移
等,可以做得很灵敏,分辨率非常高,能感受0.001prng至更小的位移.
然而,电容式传感器存在如下缺乏之处：
（1）输出阻抗高、负载水平差
（2）寄生电容影响大.
上述缺乏直接导致电容式传感器测量电路复杂的缺点.
3.电容式传感器主要有哪几种类型的测量电路各有些什么特点答：
主要有电桥电路,双T二极管交流电桥,差动脉冲宽度调制电路,运算放大器电路和调频测量电路.
电容传感器的平衡电桥测量电路在实际应用中往往保证初始平衡状态的分压系数不变,而在传感器中央极板位移引起其电容变化时,测量电桥的不平衡输出,即不平衡电桥电路.它一般用稳频、稳幅和固定波形的低阻信号源去鼓励,最后经过电流放大机相敏检波处理得到直流输出信号.
双T二极管交流电桥（又称二极管T型网络）如图3-1所示.它是利用电容器冲放电原理组成的电路.他的主要应用特点如下：
图3-14双T二极管交流电桥
（1）电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；
（2）二极管D「D2工作于高电平下,因而非线性失真小；
（3）其灵敏度与电源频率有关,因此电源频率需要稳定；
（4）将D1、D2、RPR2安装在C2附近能消除电缆寄生电容影响；线路简单；
（5）输出电压较高.
（6）负载电阻Rl将影响电容放电速度,从而决定输出信号的上升
时间
脉冲宽度调制电路具有以下特点：
（1）输出电压与被测位移（或面积变化）成线性关系；
（2）不需要解调电路,只要经过低通滤波器就可以得到较大的直流输出电压；
（3）不需要载波；
（4）调宽频率的辩护对输出没有影响.
运算放大器电路的最大特点就是能够克服变间隙电容式传感器的非线性而使其输出电压与输入位移（间隙变化）有线性关系.
调制测量电路的特点是：
灵敏度高,可测量0.01pm甚至更小的位移变化量；抗干扰水平强；能获得高电平的直流信号或频率数字信号.缺点是受温度影响大,给电路设计和传感器设计带来一定的麻烦.
4.举例说明变面积型电容传感器的特点.
答：
变面积型电容传感器的输出特性呈线性.因而其量程不受线性范围的限制,适合于测量较大的直线位移和角位移.
5.说明电容式传感器调频电路的工作原理和特点.
答：
这种电路是将电容传感器元件与一个电感元件相配合构成一个调频振荡器.当被测量使电容传感器的电容之发生变化时,振荡器的振荡频率产生相应变化.特点是：
灵敏度高,可测量0.01pm甚至更小的位移变化量；抗干扰水平强；能获得高电平的直流信号或频率数字信号.缺点是受温度影响大,给电路设计和传感器设计带来一定的麻烦.
6.说明双T二极管交流电桥的工作原理及输出特性.
答：
双T二极管交流电桥（又称二极管T型网络）如图3-2所示.它是利用电容器冲放电原理组成的电路.
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图3-2双T二极管交流电桥
其中,U是高频电源,提供幅值为U的对称方波〔正弦波也适用〕;Di、D2为特性完全相同的两个二极管,R=R2=R;Ci、C2为传感器的两个差动电容.当传感器没有位移输入时,C产C2,Rl在一个周期内流过的平均电流为零,无电压输出.当Ci或C2变化时,Rl上产生的平均电流将不再为零,因而有信号输出.其输出电压的平均值为：
RR2Rl…、
U.=白RUfC1-C2〔3-2〕
RRl
式中f——为电源频率.
当Rl时,上式中：
K=gR4为常数,RRl
那么
Uo=KUfC1-C2
其输出电压很高.
7.说明脉冲宽度调制电路的工作原理及在差动电容相等和不相等时的各点电压波形.
答：
图3-3为一种差动脉冲宽度调制电路.当接通电源后,假设触发器Q端为高电平〔Ui〕,那么Q端为低电平〔0〕.
图3-3差动脉冲调宽电路
工作时,当双稳态触发器〔FF〕的输出A点为高电位时,通过Ri对Ci充电；当F点电位Uf升到与参考电压Ur相等时,比较器ICi产生一个脉冲使触发器翻转,从而使Q端为低电平,Q端为高电平〔Ui〕.此时,由电容Ci通过二极管Di迅速放电至零,而触发器由Q端经R2向C2充电；当G点电位Ug与参考电压Ur相等时,比较器IC2输出一个脉冲使触发器翻转,从而循环上述过程.
当Ci=C2时,各点的电压波形如图3-4〔a〕所示,Q和Q两端电平
的脉冲宽度相等,两端间的平均电压为零.当Ci>C2时,各点的电
压波形如图3-4（b）所示.
（a）（b）
图3-4各点电压波形图
8.电容式传感器在实际中主要存在哪些问题,对其理想特性产生较大影响
答：
实际中主要存在的问题：
（1）输出阻抗高、负载水平差.电容式传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制,一般为几十到几百皮法,使传感器的输出阻抗很高,尤其当采用音频范围内的交流电源时,输出阻抗高达106~108建.因
此传感器负载水平差,易受外界干扰影响而产生不稳定现象,严重时甚至无法工作,必须采取屏蔽举措,从而给设计和使用带来不便.容抗大还要求传感器绝缘局部的电阻值极高（几十兆欧以上）,否那么绝缘局部将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低）,为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响.高频供电虽然可降低传感器输出阻抗,但放大、传输远比低频时复杂,且寄生电容影响加大,难以保证工作稳定.
（2）寄生电容影响大.电容式传感器的初始电容量很小,而传感器的引线电缆电容（1~2m导线可达800pF）、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等寄生电容〞却较大,这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的,将使传感器工作不稳定,影响测量精度,具变化量甚至超过
被测量引起的电容变化量,致使传感器无法工作.因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求.
9.为什么电容式传感器易受干扰,说明消灭寄生电容的常用方法及其原理.
答：
电容式传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制,一般为几
十到几百皮法,使传感器的输出阻抗很高,尤其当采用音频范围内的交流电源时,输出阻抗高达106~108C.因此传感器负载水平差,易受外界干扰影响而产生不稳定现象,严重时甚至无法工作.
消灭寄生电容的常用方法及其原理：
①增加传感器原始电容值.采用减小极片或极筒间的间距〔平板
式间距为0.2~0.5mm,圆筒式间距为0.15mm〕,增加工作面积或工作长度来增加原始电容值,但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制.一般电容值变化在10-3~103pF范围内.
②注意传感器的接地和屏蔽.图3-5为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器.图中可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动,并与传
感器的屏蔽壳〔良导体〕同为地.因此当可动极筒移动时,它与屏蔽壳之间的电容值将保持不变,从而消除了由此产生的虚假信号.
固定极筒屏蔽壳
//次虹
导杆可动极筒
图3-5圆筒形电容式传感器的接地屏蔽示意图
引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内.为减小电缆电容的影响,应尽可能使用短的电缆线,缩短传感器至后续电路前置级的距离
③集成化.将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内,这样寄生电容大为减小、变化也小,使传感器工作稳定.但因电子元器件的特点而不能在高、低温或环境差的场合工作.
④采用驱动电缆〞技术.当电容式传感器的电容值很小,而因某些原因〔如环境温度较高〕,测量电路只能与传感器分开时,可采用驱
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