1、1第 1 章 传感器的技术基础1.传感器的定义是什么？答：传感器最早来自于“sensor”一词，就是感觉的意思。随着传感器技术的发展，在工程技术领域中，传感器被认为是生物体的工程模拟物。而且要求传感器不但要对被测量敏感，还要就有把它对被测量的响应传送出去的功能，也就是说真正实现能“感” 到，会“传”到的功能。传感器是获取信息的一种装置，其定义可分为广义和狭义两种。广义定义的传感器是指那些能感受外界信息并按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。这里的“可用信号” 是指便于处理、传输的信号，一般为电信号，如电压、电流、电阻、电容、频率等。狭义定
2、义的传感器是指将外界信息按一定规律转换成电量的装置才叫传感器。按照国家标准 GB766587 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。国际电工委员会(IEC)将传感器定义为：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。美国测量协会又将传感器定义为“ 对应于特定被测量提供有效电信号输出的器件”。传感器也称为变换器、换能器或探测器。如前所述感受被测量、并将被测量转换为易于测量、传输和处理的信号的装置或器件称为传感器。2.简述传感器的主要分类方法。答：(1) 据传感器与外界信息和变换效应的工作原理
3、，可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类。(2)按输入信息分类。传感器按输入量分类有力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器 、速度传感器、热敏传感器 、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器等。这种分类对传感器的应用很方便。2(3)按应用范围分类。根据传感器的应用范围的不同，通常分为工业用、民用、科研用、医用、军用传感器等。按具体使用场合，还可分为汽车用、舰船用、航空航天用传感器等。如果根据使用目的的不同，还可分为计测用、监测用、检查用、控制用、分析用传感器等。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
4、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。5.传感器未来发展的方向主要有哪
5、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3第 2 章 电阻式传感器1.电阻式传感器的定义，并简单说明它的优缺点。答：电阻式传感器是一种能把非电物理量(如位移、力、压力、加速度、扭矩等)转换成与之有确定对应关系的电阻阻值，再经过测量电桥转换成便于传送和记录的电压(电流 )信号的一种装置。它在非电量检测中应用十分广泛。电阻式传感器具有一系列的优点，如结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等；但它受环境条件(如温度 )影响较大，且有分辨力不高等不足之处。2.说明电阻应变片的组成
6、、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
7、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，4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。(3)薄膜型是在薄绝缘基片上蒸镀金属制成。它灵敏度系数高，易于实现工业化；特别是它可以直接制作在弹性
8、敏感元件上，形成测量元件或传感器。由于这种方法免去了应变片的粘贴工艺过程，因此具有一定优势。半导体应变片:是用锗或硅等半导体材料制成敏感栅。半导体应变片最突出的优点：灵敏度高，可测微小应变、机械滞后小、横向效应小、体积小。主要缺点：温度稳定性差、灵敏度系数分散性大，所以在使用时需采用温度补偿和非线性补偿措施。5.简单介绍应变片的粘贴工艺步骤：答：应变片的检查与选择 首先要对采用的应变片进行外观检查，观察应变片的敏感栅是否整齐、均匀，是否有锈斑以及短路和折弯等现象。其次要对选用的应变片的阻值进行测量，阻值选取合适将对传感器的平衡调整带来方便。试件的表面处理 为了获得良好的粘合强度，必须对试件表面
9、进行处理，清除试件表面杂质、油污及疏松层等。一般的处理办法可采用砂纸打磨，较好的处理方法是采用无油喷砂法，这样不但能得到比抛光更大的表面积，而且可以获得质量均匀的结果。为了表面的清洁，可用化学清洗剂如氯化碳、丙酮、甲苯等进行反复清洗，也可采用超声波清洗。值得注意的是，为避免氧化，应变片的粘贴尽快进行。如果不立刻贴片，可涂上一层凡士林暂作保护。底层处理 为了保证应变片能牢固地贴在拭件上，并具有足够的绝缘电阻，改善胶接性能，可在粘贴位置涂上一层底胶。贴片 将应变片底面用清洁剂清洗干净，然后在试件表面和应变片底面各涂上一层薄而均匀的粘合剂。待稍干后，将应变片对准划线位置迅速贴上，然后盖一层玻璃纸，用
10、手指或胶锟加压，挤出气泡及多余的胶水，保证胶层尽可能薄而均匀。固化 粘合剂的固化是否完全，直接影响到胶的物理机械性能。关键是要掌握好温度、时间和循环周期。无论是自然干燥还是5加热固化都要严格按照工艺规范进行。为了防止强度降低、绝缘破坏以及电化腐蚀，在固化后的应变片上应涂上防潮保护层，防潮层一般可采用稀释的粘合胶。粘贴质量检查 首先是从外观上检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡、漏粘、破损等。然后是测量应变片敏感栅是否有有断路或短路现象，测量敏感栅的绝缘电阻以及线和试件之间的绝缘电阻。一般情况下，绝缘电阻为 50M 即可，有些高精度测量，则需要 200M 以上。引线焊接与组桥连线 检查合格后既
11、可焊接引出导线，引线应适当加以固定。应变片之间通过粗细合适的漆包线连接组成桥路。连接长度应尽量一致，且不宜过多。防护和屏蔽 为了保证应变片工作的长期稳定性，应采取防潮、防水等措施，如在应变片及其引出线上涂以石蜡、石蜡松香混合剂、环氧树脂、有机硅、清漆等保护层。6.说明差动电桥减小温度误差的原理。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，R 1 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，
12、R B 与 R1 可起温度补偿作用。2-1 应变片受力变化图7.电阻应变片的基本测量电路有哪些?试比较它们的特点。答：直流电桥：(1)等臂电桥：电桥供电电压 U 越高，输出电压U0 越大，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。增大电阻应变片6的灵敏系数 K，可提高电桥的输出电压。(2)差动电桥：克服和减小非线性误差提高电桥灵敏度。半桥差动电路：是单臂工作时的 2倍，同时还具有温度补偿作用。全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的 4 倍，同时仍具有温度补偿作用。 交流电桥：与直流电桥相比，应用交流电桥时应注意以下
13、几个方面的问题；(1)交流电桥的电源通常为正弦波电源，在分析、计算时，仅对基波而言，而在误差分析中需考虑高次谐波的影响。 (2)可以用线性电路和方法分析交流电桥，但对非线性元件需在规定的条件下进行线性化处理。 (3)交流电桥至少需要两个可调参数才能保证电桥平衡，调整参数时必须满足平衡条件。8.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所示图 2-2 直流电桥(1)等臂电桥 当 R1R4R 2R3 时，称为等臂电桥，即电桥处于平衡状态时，
14、输出电压 U00。若电桥各臂均有相应电阻增量，得1423234()()()()R当 R1 R2 R3=R4R 时，又 (i1，2，3，4)很小，上式可7简化为 31240()4RU1234K(2)差动电桥 半桥差动电路：若电桥桥臂两两相等，即 R1=R2=R，R 3=R4=R 31024( )RU若 ， ， 则得12R123410U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 且 则134RR1234R， 。10RUUK9.如何提高应变片电桥的输出电压灵敏度及线性度？答：(1) 由 可知，
15、当电源电压 U 及应变片电阻uSR410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。10.如果将 电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面10积 ，弹性模量 ，若有 的拉力引42.5mS120NmE4510NF起应变电阻变
16、化为 。试求该应变片的灵敏度系数？8解：由题意得应变片电阻相对变化量 。10R根据材料力学理论可知：应变 ( 为试件所受应力， )，ESF故应变 05.1205.4SEF应变片灵敏度系数 .RK11.一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 ，20.165mS。现将四个应变片接入图(b) 直流桥路中，电桥电源42210NmE电压 。当力 时，求电桥输出电压 ？6VU0.5kgF0Ulb31R42 tF1R2R3R4R0U图 2-3解：由图(a)所示四片相同电阻应变片贴于等强度梁上、下面各两片。当重力 F 作用梁端部后，梁上
17、表面 和 产生正应变电阻变1R3化而下表面 和 则产生负应变电阻变化，其应变绝对值相等，即2R4 SEF42319电阻相对变化量为 KRR4231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 SEFUKU040.526.178V=.m1212.如将两个 电阻应变片平行地粘贴在钢制试件上，试件初1载等截面积为 ，弹性模量 E=200GN/m2，由 50kN 的拉力420.5m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/(0.510-
18、4m2200109N/m2)=0.005故应变片灵敏系数 k 为05.1/ 1Rk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R21= V05.m5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
19、为那时两应片的电阻变化值的符号相反。1013.图 2-4 为一直流电桥。图中 E4V， R1R 2R 3R 4120，试求：(1)R1 为金属应变片，其余为外接电阻，当 Rl 的增量R1.2时，电桥输出电压 Uo 是多少？(2)R1、R 2 都是应变片，型号规格相同，感应应变的极性和大小都相同，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 ，其中 ，URno12nR/1/4321因为已知 R1R 2R 3 R4 ，所以 n=1，所以，电桥输出电压为。V0.410 EU(2) 当双桥臂变化时， ，因为 R1R 2，)(4121Ro，所以 。21R0)(210(3)因为 R2 和 R1 感受应变的极性相反，所以输出电压为，将已知条件代入得)(42Uo。V02.)1.20.(41 E14.简要说明筒式应变压力传感器的工作原理。答：压力传感器主要用来测量流体的压力。视其弹性体的结构
