1、第 1章 传感器的技术基础 3.传感器主要由哪些部分组成？并简单介绍各个组成部分。 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、 传感元件和基本转换电路三部分组成 。 传 感 元 件转 换 电 路敏 感 元 件被 测 量电 量图 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)基本转换电路 将电路参数转换成便于测量的电量。基本转换电路的类型又与不 同的工作原理的传感器有关。 因此常把基本转换电路作为传感器的组成环节
2、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。 6.传感器未来发展的方向主要有哪些？ 答： (1)开发新材料 (2)提高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 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、 覆盖层和引出线等部分组成。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
3、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敏感栅有丝式、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表面，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：其优点是粘贴性能好，能保证有效地传递变形，性能稳定且
4、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，散热能力较强，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，成本低廉，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。薄膜型是在薄绝缘基片上蒸镀金属制成。 半导体应变片 :是用锗或硅等半导体材料制成敏感栅。半导体应变片灵敏系数大、机械滞后小、频率响应快、阻值范围宽 (可从几欧到几十千欧 )易于做成小型和超小型；但热稳定性差，测量误差较大。 7.说明差动电桥减小温度
5、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高。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， R1 与 RB特性相同，所以两电阻变化值相同而符号相反。将 R1 与 RB按图 2-4 装在 R1 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 R1 可起温度补偿作用。 2-1 应变片受力变化图 9.说明电桥的工作原理。若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，所以目前大部分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
6、示 图 2-2 直流电桥 (1)等臂电桥 当 R1R4 R2R3 时，称为等臂电桥，即电桥处于平衡状态时，输出电压 U0 0。若电桥各臂均有相应电阻增量，得 1 1 4 4 2 2 3 301 1 2 2 3 3 4 4( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )R R R R R R R RUU R R R R R R R R 当 R1 R2 R3=R4 R 时，又 iR (i 1， 2， 3， 4)很小，上式可简化为 31 2 40 ()4 RR R RUU R R R R 0 1 2 3 4()4UKU (2)差动电桥 半桥差动电路：若电桥桥臂两两相等，即 R1=R2=R， R3=R4=
7、R 31101 1 2 2 3 4()RRRUU R R R R R R 若 12RR ， 12RR ， 34RR 则得 1012RUU R 全桥差动电路：若将电桥 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。若1 2 3 4R R R R 且 1 2 3 4R R R R 则 101RUUR ， UKU 。 10.如何提高应变片电桥的输出电压灵敏度及线性度？ 答： (1)由uSURRUU 44110 可知，当电源电压 U 及应变片电阻相对变化一定时，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
8、高，输出电压的灵敏度越高。但提高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 3V6V 为宜。 (2) 一般消除非线性误差的方法有以下几种： 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 )。 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。 11.如果将 100 电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积420.5 10 mS ，弹性模量 11 22 10 N mE ，若有 45 10 NF 的拉力引起应变电阻变化为 1 。试求该应变片的灵敏度系数？ 解：由题意得应变片电阻相对变化量
9、 1001RR 。 根据材料力学理论可知：应变 E ( 为试件所受应力， SF )，故应变 005.0102105.0 105 114 4 SEF 应变片灵敏度系数 200 5.0 10 01 RRK 12.一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上、下面各贴两片相同的电阻应变片 (K=2)如图 2-3(a)所示。已知 20.165mmS ， 422 10 N m mE 。现将四个应变片接入图 (b)直流桥路中，电桥电源电压 6VU 。当力 0.5kgF 时，求电桥输出电压 0U ？ lb31 RR 42 RR tF 1R 2R3R4R0UU图 2-3 解：由图 (a)所示四片相同电阻应变片
10、贴于等强度梁上、下面各两片。当重力 F 作用梁端部后，梁上表面 1R 和 3R 产生正应变电阻变化而下表面 2R 和 4R 则产生负应变电阻变化，其应变绝对值相等，即 SEF 4231 电阻相对变化量为 KRRRRRRRRRR 44223311 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 SEFKUUKURRU 0 40 . 52 6 0 . 0 1 7 8 V = 1 7 . 8 m V0 . 1 6 5 2 1 0 13.如将两个 100 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 420.5 10 m ，弹性模量 E=200GN/m2，由 50k
11、N 的拉力所引起的应变片电阻变化为 1 。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 :因为，应力 /应变 =E 所以， 应变 =应力 /E=50000N/(0.5 10-4m2 200 109N/m2)=0.005 故应变片灵敏系数 k 为 2005.0100/1/ 11 RRk 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 ，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
12、变片接在相对的桥臂时，因那时它们对电桥的贡献就相当于两个单臂电桥，故其输出电压 U0 为 URRU 210 = V005.0V1100121 mV5 应当指出，如果把两应变片平行粘贴在水平放置的悬臂梁的上、下两侧，并把它们接入相邻的两桥臂，则组成了差动电桥，输出电压 U0 也将是 5mV，因为那时两应片的电阻变化值的符号相反。 14.图 2-4 为一直流电桥。图中 E 4V， R1 R2 R3 R4 120 ，试求： (1)R1 为金属应变片，其余为外接电阻，当 Rl 的增量 R 1.2 时，电桥输出电压 Uo 是多少？ (2)R1、 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
13、，其余为外接电阻，电桥输出电压 U0 是多少？ (3)题 (2)中，如果 R2 和 R1 感受应变的极性相反，且 R1 R2 1.2 时电桥输出电压 Uo 是多少？ 图 2-4 直流电桥 解： (1)根据式 URRnnU o 1 121 ，其中 nRRRR /1/ 4321 ，因为已知 R1 R2 R3 R4 ，所以 n=1，所以，电桥输出电压为 V01.04120 2.14141110 ERRU 。 (2) 当双桥臂变化时， )(41 21 RRRRUUo ，因为 R1 2， 21 RR ，所以 V0)(41 2 21 10 RRRREU。 (3)因为 R2 和 R1 感受应变的极性相反 ，
14、所以输出电压为 )(41 21 RRRRUU o ，将已知条件代入得 V02.0)120 2.1120 2.1(441)(41 21 RRRREU o 。 第 3章 电容式传感器 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，而在传感器中心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激励，最后经过电流放大机相敏检波处
15、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 D1、 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、 R1、 R2 安装在 C1、 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
16、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 0.01m甚至更小的位移变化量；抗干扰能力强；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
17、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 0.01m甚至更小的位移变化量；抗干扰能力强；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 。
18、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 )； D1、 D2为特性完全相同的两个二极管 ， R1=R2=R； C1、 C2 为传感器的两个差动电容。当传感器没有位移输入时， C1=C2， RL 在一个周期内流过的平均电流为零，无电压输出。当 C1 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： 21202 CCUfRRR RRRULLL (3-2) 式中 f 为电源频率。 当 RL 已知时，上式中： LLL RRR RRRK 22 为常数， 则 210 CCK U fU 其输出电压很高
19、。 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，若触发器 Q 端为高电平 (U1)，则 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 R1 对 C1 充电；当 F 点电位 UF 升到与参考电压 Ur 相等时，比较器 IC1 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 (U1)。此时，由电容 C1 通过二极管 D1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
20、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 C1=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 C1 C2 时，各点的电压波形如图 3-4(b)所示 。 图 3-4 各点电压波形图 8.简述电容式传感器的主要应用优点。 答： (1) 分辨力极高，能测量低达 10-7 的电容值或 0.01m 的绝对变 化量和高达 ( C/C)=100%200%的相对变化量，因此尤适合微信息检测； (2) 动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度和好的动态特性； (3) 结构简单， 不含有机材料或磁性材料，对环境 (除高湿外 )的适应性较强；
