傳感器 習(xí)題課一

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù),習(xí)題課一,1．傳感器有哪些組成部分？在檢測(cè)過(guò)程中各起什么作用？傳感器定義？2. 測(cè)量誤差是如何分類的？3. 系統(tǒng)誤差如何發(fā)現(xiàn)？4.系統(tǒng)誤差如何消除？,習(xí)題,,,5.有三臺(tái)測(cè)溫儀表，量程均為0~600，精度等級(jí)分別為2.5級(jí)、2.0級(jí)和1.5級(jí)，現(xiàn)要測(cè)量500的溫度，要求相對(duì)誤差不超過(guò)2.5%，選哪臺(tái)儀表合理？,例 已知某一被測(cè)量電壓約10V，現(xiàn)有如下兩塊電壓表：①150V，0.5級(jí)；②15V，2.5級(jí)。問(wèn)選擇哪一

2、塊表測(cè)量誤差小？解：用①表時(shí)，其s=0.5，即γm％＝0.5％，故測(cè)量中可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差為ΔUm= Umγm％=150×0.5％＝0.75V用②表時(shí)， ΔUm= Umγm％=15×2.5％＝0.375V顯然， ①表的精度等級(jí)高于②表，但其量程較大，可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差反而大于②表，所以用精度等級(jí)較低的②表測(cè)量10V左右的電壓，測(cè)量誤差反而小。由此可見，選用測(cè)量?jī)x表時(shí)，不能單純追求精度等級(jí)，還要考

3、慮量程是否合適等因素。,6傳感器的靜態(tài)特性是什么?由哪些性能指標(biāo)描述?它們一般用哪些公式表示?7. 電阻應(yīng)變片的分類； 說(shuō)明橫向效應(yīng)產(chǎn)生的原因。8. 何謂直流電橋？若按橋臂工作方式不同，可分為哪幾種?各自的輸出電壓及電橋靈敏度如何計(jì)算? . 分析電橋法溫度補(bǔ)償?shù)脑怼?9. 什么是電阻應(yīng)變效應(yīng)？應(yīng)變效應(yīng)與壓阻效應(yīng)異同點(diǎn)？,,,,3-5. 圖示為等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)，R1 為電阻應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)K = 2.05，未受

4、應(yīng)變時(shí)R1=120Ω。當(dāng)梁受力時(shí)F，應(yīng)變片承受的平均應(yīng)變?chǔ)? 800 μm/m ，求（1）應(yīng)變片電阻變化量ΔR1 和電阻相對(duì)變化量ΔR1 /R1。（2）將電阻應(yīng)變片R1 置于直流電橋的一個(gè)橋臂，若電橋供電電壓為3V，求電橋輸出電壓及電橋的電壓靈敏度。,,10．電感式傳感器的工作原理是什么？能夠測(cè)量哪些物理量？11. 變氣隙式傳感器主要由哪幾部分組成？有什么特點(diǎn)？ .零點(diǎn)殘余電壓傳感器輸入量為零時(shí)，電橋有一個(gè)不平衡輸出電壓△U.,

5、氣隙型電感傳感器,4.1 自感式傳感器,,線圈電感：,N - 線圈匝數(shù),Rm- 磁路總磁阻,播放動(dòng)畫,氣隙型電感傳感器,4.1 自感式傳感器,,,,,,,,,,,,,,,線圈,鐵芯,銜鐵,,,,,,,,氣隙型電感傳感器,Rm- 磁路總磁阻：,氣隙型電感傳感器,4.1 自感式傳感器,,Rm- 磁路總磁阻：,氣隙型電感傳感器,4.1 自感式傳感器,,,,,,,,,,,,,,,線圈,鐵芯,銜鐵,,,,,,,,氣隙型電感傳感器,線圈電感：,N

6、 - 線圈匝數(shù),Δσ/σ《 1時(shí)，泰勒級(jí)數(shù)展開,銜鐵上移時(shí),銜鐵下移時(shí),對(duì)上式作線性處理(忽略高次項(xiàng))時(shí),定義靈敏度,表示氣隙變化引起電感的相對(duì)變化量,討論： 傳感器測(cè)量范圍與靈敏度和線性度相矛盾； 變間隙式電感傳感器用于小位移比較精確； 一般取 Δσ/σ= 0.1-0.2； 為減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中多采用差動(dòng)形式。,（4-15）,圖 差動(dòng)變隙式電感傳感器,在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵，

7、構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器。,這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。,,9. 傳感器的靜態(tài)特性是什么?由哪些性能指標(biāo)描述?它們一般用哪些公式表示?10. 電阻應(yīng)變片的分類； 說(shuō)明橫向效應(yīng)產(chǎn)生的原因。11. 何謂直流電橋？若按橋臂工作方式不同，可分為哪幾種?各自的輸出電壓及電橋靈敏度如何計(jì)算?12. 分析電橋法溫度補(bǔ)償?shù)脑怼?13．什么是金屬應(yīng)變片

8、的靈敏系數(shù)？它與金屬絲的靈敏系數(shù)有何不同？14.分析差動(dòng)整流電路的工作原理，畫出銜鐵在不同位置時(shí)的電壓波形圖。15.什么是電渦流?電渦流傳感器為什么也屬于電感傳感器?16.說(shuō)明差動(dòng)式電感傳感器與差動(dòng)變壓器式傳感器工作原理的區(qū)別。17.如果要測(cè)量加速度可以選用那些傳感器？,18.電渦流式傳感器有何特點(diǎn)？19.何謂差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘存電壓？,12.概述電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。分析測(cè)厚的原理,由于渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，

9、使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u2減少，當(dāng)金屬板越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)u2越小。,21.有三臺(tái)測(cè)溫儀表，量程均為0~600，精度等級(jí)分別為2.5級(jí)、2.0級(jí)和1.5級(jí)，現(xiàn)要測(cè)量500的溫度，要求相對(duì)誤差不超過(guò)2.5%，選哪臺(tái)儀表合理？,例 已知某一被測(cè)量電壓約10V，現(xiàn)有如下兩塊電壓表：①150V，0.5級(jí)；②15V，2.5級(jí)。問(wèn)選擇哪一塊表測(cè)量誤差??？解：用①表時(shí)，其s=0.5，即γm％＝0.5％，故測(cè)量中可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差為ΔU

10、m= Umγm％=150×0.5％＝0.75V用②表時(shí)， ΔUm= Umγm％=15×2.5％＝0.375V顯然， ①表的精度等級(jí)高于②表，但其量程較大，可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差反而大于②表，所以用精度等級(jí)較低的②表測(cè)量10V左右的電壓，測(cè)量誤差反而小。由此可見，選用測(cè)量?jī)x表時(shí)，不能單純追求精度等級(jí)，還要考慮量程是否合適等因素。,,22電容式傳感器的工作原理及分類23壓電材料的分類及壓電原理24光電效應(yīng)分類

11、，概念，對(duì)應(yīng)的光電器件25熱電偶的測(cè)溫工作原理，三大基本定律,,（1）不考慮負(fù)載時(shí)兩極板間電壓的峰－峰值；,,26磁電感應(yīng)式傳感器 類型（7章）27霍爾式傳感器（7章）28不等位電勢(shì)29超聲波傳感器應(yīng)用,7.1.1工作原理,4/3/2024,傳感器原理與應(yīng)用,31,導(dǎo)體切割磁感線：,線圈處于變化磁場(chǎng)：,磁電式傳感器結(jié)構(gòu)分類變磁通式（磁阻式）恒磁通式,,開磁路,閉磁路,,動(dòng)圈式,動(dòng)鐵式,7.1.1工作原理,4/3/2024,

12、傳感器原理與應(yīng)用,32,開磁路變磁通式,1—永久磁鐵2—軟磁鐵3—感應(yīng)線圈4—鐵齒輪,齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),磁阻變化,磁通變化,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),,,,頻率=轉(zhuǎn)速*齒數(shù),特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輸出信號(hào)較小高速危險(xiǎn),7.1.1工作原理,閉磁路變磁通式,4/3/2024,傳感器原理與應(yīng)用,33,1—永久磁鐵3—感應(yīng)線圈5—內(nèi)齒輪6—外齒輪7—轉(zhuǎn)軸,內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),磁阻變化,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),,頻率與轉(zhuǎn)速成正比,,7.2.1霍爾效應(yīng),霍爾效應(yīng)置于磁場(chǎng)

13、中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，此現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)。,4/3/2024,34,答案,1.答：傳感器通常由敏感元件、傳感元件及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路三部分組成。 各部分在檢測(cè)過(guò)程中所起作用是：敏感元件是在傳感器中直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成一定聯(lián)系的另一物理量的元件，如電阻式傳感器中的彈性敏感元件可將力轉(zhuǎn)換為位移。傳感元件是能將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)

14、換為適于傳輸和測(cè)量的電參量的元件，如應(yīng)變片可將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻量。測(cè)量轉(zhuǎn)換電路可將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電量信號(hào)。,2.答：按表示方法分有絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差；按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分有系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差；按被測(cè)量隨時(shí)間變化的速度分有靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。3.答：彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中占有很重要的地位，是檢測(cè)系統(tǒng)的基本元件，它能直接感受被測(cè)物理量（如力、位移、速度、壓力等）的變化，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為本身的應(yīng)變或位移，然后再

15、由各種不同形式的傳感元件將這些量變換成電量。,4.答：彈性敏感元件形式上基本分成兩大類，即將力變換成應(yīng)變或位移的變換力的彈性敏感元件和將壓力變換成應(yīng)變或位移的變換壓力的彈性敏感元件。變換力的彈性敏感元件通常有等截面軸、環(huán)狀彈性敏感元件、懸臂梁和扭轉(zhuǎn)軸等。實(shí)心等截面軸在力的作用下其位移很小，因此常用它的應(yīng)變作為輸出量。它的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、測(cè)量范圍寬、可承受極大的載荷、缺點(diǎn)是靈敏度低?？招膱A柱體的靈敏度相對(duì)實(shí)心軸要高許多，在

16、同樣的截面積下，軸的直徑可加大數(shù)倍，這樣可提高軸的抗彎能力，但其過(guò)載能力相對(duì)弱，載荷較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較明顯的桶形形變，使輸出應(yīng)變復(fù)雜而影響精度。環(huán)狀敏感元件一般為等截面圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)受力后容易變形，所以它的靈敏度較高，多用于測(cè)量較小的力，缺點(diǎn)是圓環(huán)加工困難，環(huán)的各個(gè)部位的應(yīng)變及應(yīng)力都不相等。懸臂梁的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，輸出位移(或應(yīng)變)大，靈敏度高，所以常用于較小力的測(cè)量。扭轉(zhuǎn)軸式彈性敏感元件用于測(cè)量力矩和轉(zhuǎn)矩。,變換壓力的彈性敏感元

17、件通常有彈簧管、波紋管、等截面薄板、波紋膜片和膜盒、薄壁圓筒和薄壁半球等。彈簧管可以把壓力變換成位移，且彈簧管的自由端的位移量、中心角的變化量與壓力p成正比，其剛度較大，靈敏度較小，但過(guò)載能力強(qiáng)，常用于測(cè)量較大壓力。波紋管的線性特性易被破壞，因此它主要用于測(cè)量較小壓力或壓差測(cè)量中。,5.答：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形（拉伸或壓縮）時(shí)，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象即為電阻應(yīng)變效應(yīng)。6.答：電感式傳感器是利用電磁感

18、應(yīng)原理，將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈的電感（或互感）變化的一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。利用電感式傳感器可以把連續(xù)變化的線位移或角位移轉(zhuǎn)換成線圈的自感或互感的連續(xù)變化，經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換電路再變成電壓或電流信號(hào)以供顯示。 它除了可以對(duì)直線位移或角位移進(jìn)行直接測(cè)量外，還可以通過(guò)一定的感受機(jī)構(gòu)對(duì)一些能夠轉(zhuǎn)換成位移量的其他非電量，如振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量等進(jìn)行檢測(cè)。,7.答：變氣隙式自感式傳感器由鐵心線圈、銜鐵、測(cè)桿及彈簧等組成。變氣隙式傳感器的線性