第5章传感器技术(5)

电容传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。

使用时要注意保护绝缘材料的的绝缘性能；消除和减小边缘效应；消除和减小寄生电容的影响；防止和减小外界的干扰。

5-73答：(1)传感器两极板之间的电容很小，仅几十个μF，小的甚至只有几个μF。 (2)传感器与电子仪器之间的连接电缆却具有很大的电容，如屏蔽线的电容最小的l米也有几个μF，最大的可达上百个μF。这不仅使传感器的电容相对变化大大降低，灵敏度也降低，更严重的是电缆本身放置的位置和形状不同，或因振动等原因，都会引起电缆本身电容的较大变化，使输出不真实，给测量带来误差。

(3)解决的办法，一种方法是利用集成电路，使放大测量电路小型化，把它放在传感器内部，这样传输导线输出是直流电压信号，不受分布电容的影响;另一种方法是采用双屏蔽传输电缆，适当降低分布电容的影响。由于电缆分布电容对传感器的影响，使电容式传感器的应用受到一定的限制。

5-74答：具有压电效应的敏感材料叫压电材料。可分为两大类，即压电晶体与压电陶瓷，前者是单晶体，后者是多晶体。选用压电材料时应考虑以下几个方面：

（1）转换性能：具有较大的压电常数。

（2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它强度高，刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。

（3）电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响范围和良好的低频特性。

（4）温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围。 （5）时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。 5-75答：（1）由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度。

（2）而在作动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给测量电路一定的电流，故压电式传感器适宜作动态测量。

5-76答：参量式传感器，如电阻应变式是、电感式和电容式等，它们是无源器件，需要外加电源，通过改变电阻、电感、电容等物理参数产生正比于被测量的电信和输出。而发电式传感器，如压电式，它的工作原理是以压电材料的压电效应为基础，直接产生正比于被测量的电信号输出。磁电式传感器也属于发电式传感器，但它是一种结构型的而非物性型的。

5-77答：加热电极，可加速还原反应提高气敏传感器灵敏度；烧掉金属网罩上的灰尘和油滋，提高响应速度。

5-78答：光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数光电传感器都离不开光源，光电式传感器对光源的选择主要考虑波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等因素。光源主要有：

（1）白炽光源：白炽光源中最常用的是钨丝灯，它产生的光，谱线较丰富，包含可见光与红外光。使用时，常加用滤色片来获得不同窄带频率的光。

（2）气体放电光源：气体放电光源光辐射的持续，不仅要维持其温度，而且有赖于气体的原子或分子的激发过程。气体放电光源常用的有碳弧、低压水银弧、高压水银弧、钠弧、氙弧灯等。

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（3）发光二极管：发光二极管是一种电致发光的半导体器件，它与钨丝白炽灯相比具有体积小、功能低、寿命长、响应快、便于与集成电路相匹配等优点。

（4）激光器：激光是新颖的高亮度光，它是由各类气体、固体或半导体激光器产生的频率单纯的光。工作波长为0.638μm或1.5μm的氦氖激光器是最常用的气体激光器，它使用方便，亮度很高。

光源特性包含光源的辐射特性（如白炽灯辐射为非相干的朗勃光源）、光谱特性（辐射的中心波长?和谱宽Δ?）、光电转换特性（淘汰的电偏置与光源幅射的光学特性之间的关系）及淘汰的环境特性（热系数、长时间漂移和老化等）等参量。

5-79答：光纤损耗主要有：（1）吸收性损耗：吸收损耗与组成光纤材料的中子受激和分子共振有关，当光的频率与分子的振动频率接近或相等时，会发生共振，并大量吸收光能量，引起能量损耗。（2）散射性损耗：是由于材料密度的微观变化、成分起伏，以及在制造过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起。一部分光就会散射到各个方向去，不能传输到终点，从而造成散射性损耗。（3）辐射性损耗：当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射磁粒。

光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。

5-80解：采用两套光学成像系统及两个ＣＣＤ器件，分别对被测对被测物的两端进行测量，如图5.7所示：

LsbN1CCD1N2CCD2aL1L0L3L2L0光源1图5.7 题5-80解图

光源2

被测物体的总尺寸：L?L1?L2?L3，L3为两个CCD均监测不到的盲区长度，固定值，设a为物距，b为像距，Ls为芯片ＣＣＤ的长度；N0为CCD总像素数目，N1为CCD受光照的像素数目，则

对CCD1：

N?N1L1N0?N1a，L0?Ls，则L1?0?L0

bL0N0N0 136

同样对CCD2：L2?N0?N2L0，所以物体的总尺寸为： N0L?(2N0?N1?N2)L0/N0?L3

L?L0(2N0?N1?N2)?L3N0

5.分析计算题解答

5-81解：由传感器迟滞的定义知，?H????1???Hmax???2??YFS???100% ??2?1?3?10将已知数据代入上式得，?H??????100%??3% ?2?2?50?105-82解：由线性线绕电位器传感器电阻灵敏度和电压灵敏度的定义知:

SR?2?(b?h)2?(b?h)I?SRI ，Su?AtAt将已知数据代入得：

2?3.14?10?3(30?10?3?50?10?3)4K??1.6?10（Ω/m） SRR3.14?10?6?1?10?344SKuu?1.6?10?3?4.8?10（V/m）

dR?S?dR?R?S?120?1200?10?6?2.5?0.36? 5-83解:RU2??8.3?10?3A?8.3mA 无应变时i(t)?2R2?100U2??5.8?10?3A?5.8mA 有应变i(t)?2R??R240?0.36?F5-84解：因为：??，??

EAF50?1000?10(N)所以????3.1?10?4

0.1AE??()2(m2)?205?109(Nm2)2dR?R?S?120?3.1?10?4?2?744?10?4?0.754(?)

5-85解：设受压缩力为F,轴向贴的应变片?R1??R3?S?R

横向贴的应变片：?R2??R4???SR

设原电阻R1?R2?R3?R4，则受力F后：

R1?R??R1,R3?R??R3,R2?R??R2,R4?R??R4

电桥输出电压变化：?U?R1R3?R2R4Ux

(R1?R2)(R3R4)137

?R1??R2?R1??R2?R1??R2U??U??Ux xx22R??R1??R22R(R??R1?R??R2)?F?F???F(1??)S??2,???2 ??U??Ux，而???AE?r?rE2(1??)S?F??U??Ux 22?rE??测力传感器灵敏度：

SF??U(1??)SUx(1?0.3)?210(V)? ??2211?F2?r2E2??0.02(m)?2.1?10(Pa)?1又因为：1Pa?1.02?10所以：SF?1.3??9.8Nm2

10(V) 211?1??0.02?2.1?10?1.2?10?9.8(N)?1.3?10?32.2?10?10VN?41.89?10?9VN?0.4189?VKN 5-86解：已知?y?0.3mm，Rn?10.0004?

?yRn0.3?10.0004?y由Sr?得?Rn???0.0003?

?RnSr1/0.01%?100%Rn5-87解：等强度梁受力F时的应变为：

6(l?x)6(25?12.5)?10?2?x?F??0.5?0.1

bEt26?10?2?7.0?106?(3?10?3)2?R?SR0?x?2.1?120?0.1?25.2? R1?R3?R0??R?120?25.2?145.2? R2?R4?R0??R?120?25.2?94.8.?

5-88解：（1）粘贴方式如图5.8（a）所示，电桥电路如图5.8(b)所示。

（a）粘贴方式图 （b）电桥电路图

图5.8题5-88解图

（2）电桥输出电压为：

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UiUiF63?104U0?S??S.(1??)??2?(1?0.285)??7.37mV?3244AE4?(10?10)?2?10114

5-89解：R并?121?750000?120.98?，?R?120.98?121?0.02?

121?750000?RR?0.02121?1.67?10?4，??(?RR)/S?1.67?10?4/2.04?81.9?? 2.23.2由得?x?119?.13?? 81.9?x所以???xE?119.13?10?6?1.623?1011?1.93?108N/m2

5-90解：（1）线圈电感值为：

?0w2A4??10?7?25002?4?4?10?6L???0.157H?157mH ?3?0.8?10（2）衔铁位移????0.08mm时，其电感值为：

?0w2A4??10?7?25002?4?4?10?6L????0.131H?131mH ?3??2??(0.8?2?0.08)?10衔铁位移????0.08mm时，其电感值为：

?0w2A4??10?7?25002?4?4?10?6L????0.196H?196mH

??2??(0.8?2?0.08)?10?3故位移????0.08mm时，电感的最大变化量为?L?L??L??196?131?65mH

（3）线圈的直流电阻值

设lcp?4??4?0.06/2?mm为每匝线圈的平均长度，则

?1wlcpl?62500?4?(4?0.06/2)?10R????2?1.75?10?249.6? ?12s?l/4??(0.06?10)2?fL2??4000?0.157??15.8 （4）线圈的品质因数为Q?R249.6（5）当线圈存在200pF分布电容时，其等效电感值为：

L0.157Lp???0.16H?160mH 22?121?(2?f)LC1?(2??4000)?0.157?200?105-91解：(1)铁芯磁导率与空气隙的磁阻相比是很小的，所以

?Lw2?0A0(3?103)2?4??10?7?1.5?10?4???33.9(Hm) 2?22??2?2?(0.5?10)(2)差动时

w2?0A(3?103)2?4??10?7?1.5?10?4????时，L???0.166(H)

2(????)2?(0.5?0.01)?10?2w2?0A(3?103)2?4??10?7?1.5?10?4????时，L???0.176(H) ?22(????)2?(0.5?0.01)?10

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