传感器原理与设计

第四章

1 电阻应变片式传感器的工作原理

电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成，弹性敏感元件在感受被测量时降产生变形，其表面产生应变。粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化，这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小。

弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件，要根据被测参数来设计或选择它的结构形式。

2 应变片测试原理

用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上，在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。如果应用仪器测出应变片的电阻值变化三角形R。应力—应变关系

3 应变片的横向效应

将直的金属丝烧成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因此灵敏系数有所降低。

4 箱式应变片的主要特点：

（1）制造技术能保证敏感栅尺寸准确，线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求。

（2）敏感栅截面为矩形，其表面积对截面积之比远较圆断面的为大，故粘合面积大。

（3）敏感栅薄而宽，粘结情况好。传递试件应变性能好。

（4）散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号。

（5）敏感栅弯头横向效应可以忽略。

（6）蠕变，机械滞后较小。疲劳寿命高。

5 敏感系数

敏感系数系指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下。应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。

6 应变片的机械滞后：是指对粘贴的应变片。在温度一定时，增加和减少机械应变过程中同一机械应变量下指示应变的最大差值。

7 零点漂移：是指已粘贴好的应变片，在温度一定和机械应变时，指示应变随时间的变化。

8 蠕变：是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定的机械应变时，指示应变值随时间的变化

9 温度误差及产生原因。

一、温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变

二、试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变

10 温度补偿方法

一、桥路补偿法

二、应变片自补偿法

三、热敏电阻补偿法

11 桥路补偿法的优点：是方法简单，方便，在常温下补偿效果好，

缺点：是在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因此影响补偿效果。

12 平衡电桥的工作原理

平衡电桥多用于直流供电，四壁中任一电阻可用应变片代替，因为应变片工作过程中阻值变化很小，所以认为电源供出的电流L在工作过程中是不变的，即加在3~4间的电压是一个定值。

13 不平衡电桥的工作原理

不平衡电桥是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的，此时在桥的输出端接入检流计或放大器。在输入电流时，为了使电桥有最大的电流灵敏度，希望电桥的输出电阻应尽量和指示器内阻相等。

第5章

14 用调频系统作为电容传感器的测量电路主要具有以下特点：（1）抗外来干扰能力强，（2）特性稳定，（3）能取得高电平的直流信号。

15谐振电路

为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的一边，最大振幅70%附近的地方。

这种电路的特点是比较灵敏。但缺点是1工作点不容易选好，变化范围也较窄。2传感器与谐振回路要离得比较近。否则电缆的杂散电容对电路的影响较大。3为了提高测量精度，振荡器的频率要求具有的稳定性。

16 二极管T型网络

电路具有如下特点：1电源S，传感器电容C1，和平板电容C2以及输出电路都接地。2 工作电平很高，二极管D1和D2都工作在特性曲线的线性区内。3输出电压较高。4输出阻抗为R1 或R2，且实际上与电容C1和C2无关，适当选择电阻R1和R2，则输出电流就可以用毫安表或微安表直接测量5输出信号的上升时间取决于负载电阻，对应于1K欧姆的负载电阻。上升时间为20微秒左右。因此它能用来测量高速机械运动。

17 影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施。、

1温度对结构尺寸的影响

环境温度的改变将是引起电容式传感器各零件几何尺寸和相互间几何位置的变化，从而导致电容传感器产生温度附加误差，这个误差尤其在改变间隙的电容传感器中更为严重，因此它的初始间隙都很小，为了减小这种误差一般尽量选取温度系数小的和温度系数稳定的材料。

2温度对介质介电常数的影响

传感器的电容值与介质的介电常熟成正比，因此若介质的介电常数有不为0的温度系数。就必然要引起传感器电容值的改变，从而造成温度附加误差。

3漏电阻的影响

电容传感器的容抗都很高，特别是当激励频率较低时。当两极板间总的漏电阻若彼此容抗相近，就必须考虑分路作用对系数总灵敏度的影响，它将使灵敏度下降，因此，应选取绝缘性能好的材料作两极间的支架、

4 边缘效应与寄生参量的影响

边缘效应使设计计算复杂化，产生非线性以及降低传感器的灵敏度，消除和减小的方法是：在结构上增设防护电极，防护电极必须与防护电极取相同的电位。尽量使它们同为地电位。电容传感器测量系统寄生参数的影响，主要是指传感器电容极并联的寄生电容的影响，由于传感器电容值很小，往往寄生电容要大得多，使电容传感器不能使用。

---消除和减小寄生影响的方法可归纳为以下几种。

1，缩短传感器至测量线路前置级的距离

2，驱动电缆法

3，整体屏蔽法

18 电容式加速传感器工作原理

有两个固定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两个断面经过磨平抛光后作为可动极板，当传感器测量垂直方向上的直线加速度时。质量块在绝对空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块产生位移，此位移大小正比于被测加速度，使C1,C2中一个增大，一个减小。

19 电容式应变计工作原理。

在被测量的两个固定点上，装两个薄而低的拱弧，方形电极固定在弧的中央，两个拱弧的曲率略有差别，安装时注意两个极板应保持平行并平行于安装应变计的平面。这种拱弧具有一定的放大作用。当两固定点受压缩时变换电容值将减小，很明显电容极板相互距离的改变量与应变之间并非是线性关系，这可抵消一部分变换电容本身的非线性。20 荷重传感器工作原理

用一种特种钢，在同一高度上并排平行打圆孔。在孔的内壁以特殊的粘贴剂固定两个截面为T型的绝缘体。保持其平行并保留有一定间隙，在相对面上粘贴铜箔，从而形成一排平板电容。

21 电容测厚仪工作原理

在被测带材的上下两边各置一块面积相等，与带材距离相同的极板，这样板极与带材就形成两个电容器。把两块板极用导线联接起来。就成为一个板极，而带材则是电容器的另一板极，其总电容器C=C1+C2。

第六章

22感式传感器有以下特点：1工作可靠，寿命长2灵敏度高分辨力高。3精度高，线性好。4性能稳定，重复性好

23 电感式传感器的缺点：是存在交流零位信号，不适合高频动态信号测量。

24 影响传感器精度的因素

一、电源电压和频率的波动影响二、温度变化的影响三、非线性的影响

四、输出电压与电源电压之间的相位差五。电桥的残余不平衡电压---零位误差

25零位信号产生的原因是：

一、差动式两个电感线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不可能完全对称二、传感器

具有铁损即磁芯化曲线的非线性。三、电源电压中含有高次谐波，四、线圈具有寄生电容，线圈与外壳。铁芯间有分布电容。

26零位信号误差危害很大，会降低测量精度，消弱分辨力，容易使放大器饱和、

27减小零位误差的措施是：减少电源中的谐波成分，减小电感传感器的激磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段。

28差动变压器的灵敏度是指：差动变压器在单位电压激磁下，铁芯移动一单位距离时的输出电压。

29涡流式传感器的应用

一涡流位移计二、振幅计三、涡流转速计四、涡流探伤仪。

第七章

30压电式加速度传感器工作原理：

压电元件一般为两片压电片组成，在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线。或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个比重较大的质量块。然后用一硬弹簧或螺铨，螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去。避免产生假信号输出。所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来

制造。

31 传感器的灵敏度有两种表示法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏度Sq表示。与电压放大器配合使用时。用点压灵敏度Sv表示。

第八章

32 动感式磁电传感器工作原理

在永久磁铁1产生的磁场中放置匝数为N烦人可动线圈，线圈的平均周长为L，如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的，则当线圈与磁场的相对速度为Dx/Dt时，线圈的感应电动势为E=NBLa Dx/Dt sina(V)

第九章

33热电偶的基本原理

一、热电效应

1823年赛贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时。回路中就要产生热电势，称为赛贝克电势，这个物理现象称为热电效应。

三、汤姆逊效应

假设在一匀质棒状导体的一端加热。则沿此棒状导体有温度梯度导体内有自由电子将从温度低的一端扩散。并在温度较低一端积聚起来，使棒内建立起一电场当这电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，扩散作用即停止，电场产生的电势称汤姆逊电势或温差电势。

34 电桥补偿法

电桥补偿法是利用电桥的不平衡电压去消除冷端温度变化的影响。这种装置称为--冷端温度补偿器

在使用冷端补偿器应注意一下两点：1不同分度号的热电偶要配合与热电偶同型号的补偿电桥2我国冷端补偿器的电桥平衡点温度为20度。在使用前要把显示仪表的机械零位调到相应的补偿温度20度上。

35 热电偶结构形式

普通型热电偶铠装热电偶小惯性热电偶

36 热电偶的标定

标定方法：定点法，是以纯元素的沸点或凝固点作为温度标准。

比较法，是将标准热电偶与被标定热电偶之间直接进行比较，比较法又可以分为双极法，同名法。微差法。

37 热电偶的传热误差和动态误差

一、传热误差。1对流换热2辐射换热3传导换热二动态误差1热电偶的动态响应2

减小动态误差的方法：（主要减小热电偶的时间常数，或减小测温系统的时间常数来减小动态误差，1采用尺寸较小的v/f较小的热接点2选用比热e小，密度小的热电极材料。

3采用RC微分网络进行修正。

第十章

38在一个真空玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和阳极。

39光敏电阻的工作原理，、

光敏电阻是用光电导体制成的光电器件又称光电导管。它是基于半导体光电效应工作的，光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流偏压，也可以加交流电压。

当无光照时，光敏电阻值很大，电路中电流很小，当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值急剧减小，因此电路中电流迅速增加。

40 暗电阻：光敏电阻在室温条件下。在全暗后经过一定时间测量的电阻值。

41 暗电流：光敏电阻在室温条件下。在全暗后经过一定时间测量的电阻值,此时流过的电流

为暗电流。

42亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。

43亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值,，此时流过的电流称为亮电流。

44伏安特性：在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。

45光敏电阻的光照特性：光敏电阻的光电流与光强之间的关系。

46温度系数的定义：在一定光照下，温度每变化1度。光敏电阻阻值的平均变化率。

47光敏二极管的工作原理

光敏二极管在电路处于反向偏置。在没有光照射，反向电阻很大，方向电流很小。这反向电流称为暗电流。当光照射在PN结上，光子打在PN结附近。使PN结附近产生光生电子和光生空穴。使很少数载流子的浓度大大增加。因此通过PN结的反向电流也随着增加。如果入射光照度变化，光生电子-空穴对的浓度也相应变动，通过外电路的光电流强度也随之变动。可见光敏二极管能将光信号转换成电信号输出。

48 光敏管的频率响应是指：具有一定频率的调制光照射时。光敏管输出的光电流随着频率

的变化关系。

49 智能式传感器与传统的传感器相比较有很多特点：

（1）它具有判断和信息处理功能，可对测量值进行各种修正和误差补偿，因此提高了测量准确度

（2）可实现多传感器多参数综合测量，扩大测量与使用范围

(3)它具有自诊断，自校准功能。提高了可靠性

-(4)测量数据可以存取，使用方便、

（5）具有数字通信接口，能与计算机直接联机。