第四章常用传感器1
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《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材:传感器技术(第3版)贾伯年主编,及其他参考书第4章 电容式传感器4-1 电容式传感器可分为哪几类?各自的主要用途是什么?答:(1)变极距型电容传感器:在微位移检测中应用最广。
(2)变面积型电容传感器:适合测量较大的直线位移和角位移。
(3)变介质型电容传感器:可用于非导电散材物料的物位测量。
4-2 试述变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及在设计中如何减小这一误差?答:原因:灵敏度S 与初始极距0δ的平方成反比,用减少0δ的办法来提高灵敏度,但0δ的减小会导致非线性误差增大。
采用差动式,可比单极式灵敏度提高一倍,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。
4-3 为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要?设计和应用中如何解决这些问题?答:电容式传感器由于受结构与尺寸的限制,其电容量都很小,属于小功率、高阻抗器,因此极易受外界干扰,尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰,它与传感器电容相并联,严重影响传感器的输出特性,甚至会淹没没有用信号而不能使用。
解决:驱动电缆法、整体屏蔽法、采用组合式与集成技术。
4-4 电容式传感器的测量电路主要有哪几种?各自的目的及特点是什么?使用这些测量电路时应注意哪些问题?4-5 为什么高频工作的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变动?答:因为连接电缆的变化会导致传感器的分布电容、等效电感都会发生变化,会使等效电容等参数会发生改变,最终导致了传感器的使用条件与标定条件发生了改变,从而改变了传感器的输入输出特性。
4-6 简述电容测厚仪的工作原理及测试步骤。
4-7 试计算图P4-1所示各电容传感元件的总电容表达式。
4-8如图P4-2所示,在压力比指示系统中采用差动式变极距电容传感器,已知原始极距1δ=2δ=0.25mm ,极板直径D =38.2mm ,采用电桥电路作为其转换电路,电容传感器的两个电容分别接R =5.1k Ω的电阻后作为电桥的两个桥臂,并接有效值为U1=60V 的电源电压,其频率为f =400Hz ,电桥的另两桥臂为相同的固定电容C =0.001μF 。
第四章常用传感器原理及应用§4-0 概述现代测试技术通常是用传感器把被测物理量转换成容易检测、传输和处理的电信号,然后由测试装置的其他部分进行后续处理。
传感器的作用类似于人的感觉器官,也可以认为传感器是人类感官的延伸。
传感器一般由敏感元件和其他辅助零件组成。
敏感元件直接感受被测量并将其转换成另一种信号,是传感器的核心。
传感器处于测试装置的输入端,其性能直接影响整个测试装置和测试结果的可靠性。
传感器技术是测试技术的重要分支,受到普遍重视,并且已经在工业生产以及科学技术各领域中发挥并将继续发挥重要作用。
随着科学技术的发展,传感器正在向高度集成化、智能化方向迅速发展。
物理量电测传感器种类繁多。
一种物理量往往可以用多种类型的传感器检测;一种传感器可以测量多种物理量。
科学的分类无疑将有益于传感器技术的发展。
传感器分类方法也很多,且目前尚无统一规定。
按被测物理量分类,可分为力传感器、位移传感器、温度传感器等;按工作的物理基础分类,可分为机械式、电气式、光学式、流体式等;按信号变换特征可分为物性型与结构型;瞬量关系可分为能量转换型和能量控制型等等。
结构型传感器是依靠其结构参数的变化实现信号转换。
例如,电容式传感器依靠其极板间距离引起电容量变化;电感式传感器是基于位移引起自感或互感变化等。
物性型传感器不改变其结构参数而是靠其敏感元件物理性能的变化实现信号转换。
例如,压电式力传感器通过石英晶体的压电效应把力转换成电荷。
能量转换到传感器并不具备能源,而是靠从被测对象输入能量使其工作,如热电偶温度将被测对象的热能转换成电能。
被测对象与传感器之间的能量传输,必然改变被测对象的状态,造成测量误差。
容易理解,能量控制型传感器目备能源,被测物理量仅控制能源所提供能量的变化。
例如,电阻应变片接入电桥测量应变时,被测量以应变片电阻的形式控制电桥的失衡程度,从而完成信号的转换。
表4—1列出了部分常用传感器的名称、工作原理及应用等概况。