第2章__压电式和压磁式传感器

传感器知识要点要点回顾第二章常用传感器基本概念：1--有关传感器的定义、基本组成涵盖框图；2--传感器的基本特性（灵敏度、线性度、重复性、精确度、稳定性、动态特性、环境参数）3--传感器的分类方法和种类，何谓能量控制型传感器（电阻、电容、电感）也称无源型传感器、何谓能量转换型传感器（压电、磁电、热电、光电）也称有源传感器。

4—电阻型传感器要求掌握公式，见书第6页，三个相关参数，对于电阻应变式：电阻应变片的电阻相对变化率是与应变成正比的。

掌握应变选择原则：当测量较小应变时，应选用压阻效应工作的应变片，而测量大应变时，应选用应变效应工作的应变片。

5---对于金属丝应变片在测量被测物体的应变时，电阻的相对变化主要由哪个参数决定的（丝的几何尺寸）来决定的。

6—对于电容式传感器，请掌握其测量原理，相关公式，对应的三个参数的含义，要求掌握变极距有关灵敏度的计算公式：见书第14页2.27，其灵敏度显然是非线性的，其使用时有条件的。

7—对于电感式传感器要掌握测量原理，计算公式，掌握自感式、互感式、差动式结构的特点，请注意实际工程应用的接法。

见书第21页。

图2.23b.反向串联。

掌握电涡流基本原理。

利用涡电流传感器测量物体位移时，如果被测物体是塑料材料，此时可否进行位移测量，如果不能，应采取什么措施才能测量。

8--- 有关压电传感器，要掌握压电效应，何谓正压电效应，何谓逆压电效应，压电效应的等效电路，压电传感器对测量电路的要求，见书第26-27。

压电式传感器可以采用多片压电晶片串联或并联，一般并联接法适宜于测量缓变信号，串联接法适宜于测量高频信号。

为了使输出电压几乎不受电缆长度变化的影响，其前置放大器应采用电荷放大器。

为什么说压电式传感器一般适合动态测量而不适合静态测量?9---对于磁电式传感器，要求掌握测量原理，基本公式，请看书第28页，恒磁通动圈式传感器，输出感应电势与线圈运动的速度成正比，如在测量电路中接入积分电路和微分电路，则可用来测量位移和加速度。

第2.1章 思考题与习题1、何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？ 答：（1）当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。

（2）应变片是利用金属的电阻应变效应，将金属丝绕成栅形，称为敏感栅。

并将其粘贴在绝缘基片上制成。

把金属丝绕成栅形相当于多段金属丝的串联是为增大应变片电阻，提高灵敏度，2、什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？ 答：（1）应变片的灵敏系数是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。

εRR k /∆=（2）实验表明，电阻应变片的灵敏系数恒小于电阻丝的灵敏系数其原因除了粘贴层传递变形失真外，还存在有恒向效应。

3、对于箔式应变片，为什么增加两端各电阻条的截面积便能减小横向灵敏度？答：对于箔式应变片，增加两端圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多（圆弧部分截面积大），其电阻值较小，因而电阻变化量也较小。

所以其横向灵敏度便减小。

4、用应变片测量时，为什么必须采用温度补偿措施？ 答：用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，所以必须采用温度补偿措施。

5、一应变片的电阻 R=120Ω， k=2.05。

用作应变为800μm/m 的传感元件。

①求△R 和△R/R ；②若电源电压U=3V ，求初始平衡时惠斯登电桥的输出电压U 0。

已知：R=120Ω， k =2.05，ε=800μm/m ； 求：①△R=？，△R/R=？②U=3V 时，U 0=？ 解①：∵ εRR k /∆=∴Ω=⨯⨯==∆⨯=⨯==∆-1968.012080005.21064.180005.2/3R k R k R R εε解②：初始时电桥平衡（等臂电桥）∵ U RRU ∙∆∙=410 ∴ mV U R R U 23.131064.1414130=⨯⨯⨯=∙∆∙=- 6、在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R 1和R 2，把这两应变片接入差动电桥（参看图2-9a ）。

第二章力传感器力是基本物理量之一，通过测量力，可以间接测量出荷重、加速度、气压等物理量，在科学技术和生产生活中，把握这些物理量的准确数值具有重要意义，故测量各种动态、静态力的大小是十分重要的。

例：图2.1是荷重传感器用于测量重物如大象的示意图。

这种大型衡器便于在称重现场和控制室让工作人员在两地同时了解测量结果。

图2.1 荷重传感器的应用力学量可分为几何学量、运动学量以及力学量三部分，其中几何学量指的是位移、形变、尺寸等；运动学量是几何学量的时间函数，如速度、加速度等；力学量包括质量、力、力矩、压力、应力等。

力学传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。

力学传感器的用途极广，它们在工农业生产、矿业、医学、国防、航空、航天、交通运输等许多领域都得到了广泛的应用。

力的测量需要通过力传感器间接完成。

图2.2为力传感器的测量示意框图。

图2.2 力传感器的测量示意图力传感器有许多种，从力—电变换原理来看有电阻式（电位器式和应变片式）。

电感式（自感式、互感式和涡流式）、电容式、压电式、压磁式和压阻式等，其中大多需要弹性敏感元件或其他敏感元件的转换。

下面我们通过实训来了解应变片的实际应用。

2.1半导体应变片单臂电桥实训一实训目的1观察了解应变片的结构及粘贴方式。

2测试应变梁变形的应变输出,理解应变式传感器的应用和特性。

半导体应变片单臂电桥实训原理图二电路原理由于半导体材料的”压阻效应”特别明显,可以反映出很微小的形变,当电桥的一个桥臂换成半导体应变片后,就构成单臂电桥,当相邻两桥臂换成受力方向相反的应变片时,即可构成半桥。

若应变片不受力时,4个桥臂电阻构成的电桥在电位计WD调节下能够达到平衡状态,即输出为零,若悬臂梁受力,则电桥输出不再为零，且随受力的增加而增大。

1按图接线，电桥中R1为半导体应变片，其余电阻为固定电阻。

2将差动放大器调零，将差动放大器的两端接地，增益调节适当，输出端接地，调节零旋钮使输出为0。

3调节电桥平衡，悬臂梁不受力时，电压表读数应该为0.若不为0时，调节继电器WD使电桥输出为0。

可编辑修改精选全文完整版《传感器与测试技术》形考1-4形考作业一一、判断题（Y对/N错）1．测试技术在自动控制系统中也是一个十分重要的环节。

Y2．金属应变片的灵敏系数比应变电阻材料本身的灵敏系数小。

Y3．热敏电阻传感器的应用范围很广，但是不能应用于宇宙飞船、医学、工业及家用电器等方面用作测温使用。

N4．电容式传感器的结构简单，分辨率高，但是工作可靠性差。

N5．电容式传感器可进行非接触测量，并能在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件下工作。

Y6．电容式传感器不能用于力、压力、压差、振动、位移、加速度、液位的测量。

Y7．电感传感器的基本原理不是电磁感应原理。

N8．电感式传感器可以将被测非电量转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。

Y9．互感传感器本身是变压器，有一次绕组圈和二次绕组。

Y10．差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。

Y11．传感器通常由敏感器件、转换器件和基本转换电路三部分组成。

Y12．电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。

Y13．电阻应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。

Y14．线性度是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。

Y15．测量误差越小，传感器的精度越高。

Y16．传感器的灵敏度k等于传感器输出增量与被测量增量之比。

N17．传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力，当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。

Y18．测量转换电路首先要具有高精度，这是进行精确控制的基础。

N19．电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换成电压或者电流输出的一种测量电路。

Y20．电桥有两种类型：直流电桥和交流电桥。

Y二、简答题1．传感器的输出信号通常可以分为哪两类？并举例说明。

答：1模拟式：传感器输出的是模拟电压量；2数字式：传感器输出的是数字量，如编码器式传感器。

压磁式传感器工作原理
压磁式传感器是一种特殊的传感器，它的工作原理基于磁弹性效应，即当铁磁材料受到外力作用时，其内部磁畴结构会发生变化，导致材料的磁导率发生变化。

压磁式传感器利用这一原理，通过测量磁导率的变化来间接测量作用在材料上的外力。

压磁式传感器通常由磁芯、线圈和弹性元件等组成。

磁芯是传感器的核心部分，通常采用具有高磁导率、低矫顽力和良好磁弹性的铁磁材料制成。

线圈则用于产生磁场并检测磁芯中的磁通变化。

弹性元件则用于将待测外力传递到磁芯上，使其发生形变。

当压磁式传感器受到外力作用时，弹性元件将外力传递到磁芯上，使其发生微小的形变。

这一形变会导致磁芯内部的磁畴结构发生变化，进而改变磁芯的磁导率。

由于磁导率的变化，磁芯中的磁通量也会发生变化，从而在线圈中产生感应电动势。

通过测量这一感应电动势的大小，就可以推算出作用在传感器上的外力大小。

压磁式传感器具有灵敏度高、测量精度高、响应速度快、可靠性高等优点，因此被广泛应用于工业自动化、汽车制造、航空航天、医疗器械等领域。

例如，在汽车制造中，压磁式传感器可以用于测量发动机曲轴、凸轮轴等部件的扭矩和转速，从而实现对发动机状态的实时监测和控制。

在医疗器械中，压磁式传感器则可以用于测量人体的生理参数，如血压、心率等。

总之，压磁式传感器是一种基于磁弹性效应工作的传感器，通过测量磁导率的变化来间接测量作用在材料上的外力。

它具有灵敏度高、测量精度高、响应速度快、可靠性高等优点，被广泛应用于各种领域。

传感器技术把被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量的方法就是非电量电测法。

实现这种转换的器件叫传感器。

一个完整的自动测控系统一般由传感器、测量电路、显示记录装置和电源四部分组成。

自动测控系统通常可分为开环和闭环两种。

传感器技术是以研究传感器的原理、传感器的材料、传感器的制作、传感器的应用为主要内容；以传感器的敏感材料的电、磁、光、声、热、力等物理效应、现象，化学中的各种反应以及生物学中的各种机理为理论基础。

传感器与通信技术、计算机技术一起分别构成了信息技术系统的感官、神经、和大脑，接口电路的作用是把转换元件输出的电信号转换为便于处理、显示、记录和控制的电信号。

经常采用的接口电路有电桥电路和其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲电路、震荡电路等。

应该指出的是：并不是所有的传感器必须包括敏感元件和转换元件。

有的传感器需要外加电源才能工作，如差动变压器、应变片组成的电桥等；有的不需要外加电源便能工作；如压电晶体。

传感器的分类；常见的有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。

这种分类方法将被测量分为基本被测量和派生被测量。

电学式传感器有：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡式传感器。

电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器。

主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。

具体请参见教材第4面传感器的静态特性：传感器的线性度是指传感器实际静态特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比值。

公式为：线性度又称非线性误差，从特性上看线性度越小越好。

灵敏度：是指传感器在稳态下的输出变量dy与dx之比，对于线性传感器灵敏度就是它的静态特性的斜率。

公式为：K=dy/dx迟滞：传感器的迟滞是指传感器的正向星城（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度。

压磁式又称磁弹式传感器是一种力电转换传感器。

其基本原理是利用某些铁磁材料的压磁效应。

1. 压磁效应铁磁材料的压磁效应的具体内容2. 压磁式传感器工作原理压磁式传感器的工作原理在压磁材料的中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和4在孔1、2间绕有激励绕组N12孔3、4间绕有输出绕组N34。

当激励绕组中通过交流电流时铁心中就会产生磁场。

若把孔间空间分成A、B、C、D四个区域在无外力作用的情况下A、B、C、D四个区域的磁导率是相同的。

这时合成磁场强度H平行与输出绕组的平面磁力线不与输出绕组交链N34不产生感应电动势如图b所示。

在压力F作用下如图c所示A、B区域将受到一定的应力而C、D区域基本处于自由状态于是A、B区域的磁导率下降、磁阻增大C、D区域的磁导率基本不变。

这样激励绕组所产生的磁力线将重新分布部分磁力线绕过C、D区域闭合于是合成磁场H不再与N34平面平行一部分磁力线与N34交链而产生感应电动势e。

F值越大与N34交链的磁通越多e值越大。

压磁式传感器结构由压磁元件1、弹性支架2、传力钢球3组成。

3. 压磁元件压磁式传感器的核心是压磁元件它实际上是一个力-电转换元件。

压磁元件常用的材料有硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。

最常用的材料是硅钢片。

为了减小涡流损耗压磁元件的铁心大都采用薄片的铁磁材料叠合而成。

冲片形状 4. 压磁传感器的应用压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构和电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优点。

目前这种传感器已成功地用在冶金、矿山、造纸、印刷、运输等各个工业部门。

例如用来测量轧钢的轧制力、钢带的张力、纸张的张力吊车提物的自动测量、配料的称量、金属切削过程的切削力以及电梯安全保护等。

上一页下一页讲解例题习题关键词实验动画学件9.4电容式传感器电容式传感器是将被测量如尺寸、压力等的变化转换成电容量变化的一种传感器。

9.4.1 工作原理及类型由物理学可知在忽略边缘效应的情况下平板电容器的电容量为F 9.22 式中—真空的介电常数8.854×10-12F/m ε—极板间介质的相对介电系数在空气中ε1 S—极板的遮盖面积m2 δ—两平行极板间的距离m。

传感与检测技术_武汉理工大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.在经典传感器中主要（）来消除环境温度的影响，智能传感器中主要采用的是（）。

参考答案:结构对称，监测补偿2.如果有些传感器的特性存在非线性严重，采用线性拟合或分段线性拟合仍不能满足校正误差要求时，可以采用分段曲线拟合，分段数一般取（）。

参考答案:23.在实际应用中，随机扰动往往不是单一的。

有时既要消除大幅度的脉冲干扰，又要做数据平滑，需要采（）算法，既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰。

参考答案:复合滤波算法4.一般情况下，要求热敏电阻式传感器的热敏电阻的阻值与被测温度之间呈（）关系。

参考答案:一定范围内的线性5.红外光导摄像管中，红外图像所产生的温度分布可以把靶面上感应出相应电压分布图像的物理基础是( )。

参考答案:热电效应6.压电式传感器使用( )放大器时,输出电压几乎不受联接电缆长度变化的影响。

参考答案:电荷放大器7.在压电式加速度传感器中，将被测加速度转变为力的是（）。

参考答案:质量块8.算术平均滤波算法可以有效地滤出（）,滤波效果主要取决于采样次数，采样次数越大越大, 滤波效果越好，但系统的灵敏度下降，因此这种滤波效果只适用于（）信号。

参考答案:随机误差，缓慢变化9.两片压电片电荷极性为正、负并联输出，输出总电荷是单片电荷的（）倍，输出电压为单片电压的（）倍；参考答案:2，110.天然石英晶体理想外形是一个正六面棱体，为了分析方便，把它用三根相互垂直的轴x,y,z来描述，那么x,y,z轴分别称为（）。

参考答案:电轴，机械轴，光轴11.压电式压力传感器不适于测量（）。

参考答案:静态力12.差动变压器是利用两线圈的（）来实现非电检测的。

参考答案:互感变化13.电感传感器的频率响应低，不适用于（）测量。

参考答案:快速动态14.差动脉冲调宽电路属脉冲调制电路，它利用对传感器电容充放电使输出脉冲的宽度随电容量的变化而变化，再经（）可得对应被测量变化的（）信号。