移、振动传感器。可对进入测量范围内的金属物体的运动参数 进行精密的非接触测量。 3.8 试比较自感式、差动变压器式和涡流式传感器有哪些共同点和不同点？它们各自应用在哪些方面？
答：按磁路几何参数变化形式的不同，自感式传感器可分为变气隙式、变截面积式和螺线管式三种。主要应用于测量位移和尺寸，也可以测量能够转换为位移量的其它参数，如力、张力、压力、压差、应变、转矩、速度和加速度等。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式。应用最多的是螺线管式差动变压器式传感器。主要用于位移和力矩的测量。电涡流传感器是以电涡流效应为原理的非接触式位移、振动传感器。可对进入测量范围内的金属物体的运动参数进行精密的非接触测量。主要用于温度位移尺寸和厚度的测量。
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习题4
4.1 根据电容式传感器的工作原理，可将其分为几种类型？ 每种类型各有什么特点？各适用什么场合？
答：电容式传感器是将被测量的变化转化为电容量变化。主要应用于测量压力、力、位移、振动、液位等参数。其具有结构简单，体积小，灵敏度高及价格低廉，还可非接触测量等一系列的优点。随着集成电路的迅速发展，它的分布电容、非线性等缺点得到有效的克服。故电容式传感器在实际的生产中得到了广泛的应用。电容式压力传感器是将由被测压力引起的弹性元件的位移变化转变为电容的变化来实现测量的。它用于测量流体或气体的压力。电容式加速度传感器具有结构简单、分辨率高，能在高温、高压、强辐射及强磁场等恶劣的环境中工作，也能耐受极大冲击，适用范围极广。动态反应时间短是电容式加速度传感器的一个显著优点，它能在几兆赫兹的频率下工作，因此特别适合于动态测量。电容式湿度传感器是通过改变传感器中电介质的介电常数，从而引起电容量的变化来实现测量的。电容式荷重传感器是利用弹性元件的变形，使电容随外加载荷的变化而变化
4.2 如何改善单极式变极距电容传感器的非线性？
答：采用差动式结构即可大大降低非线性误差。
4.4 简述差动式电容测厚仪的工作原理。
答：当测量端即活动端有位移时，一个电容值增大，另一个减小，通过电路让这两个变化值得绝对值相加输出即为测量值，其作用是增大了变化的量，便于测量微小变化。
4.7 为什么说变间隙式电容传感器的特性是非线性的?采取什么措施可改善其非线性特征? 答
1d21–固定极板 2--活动极板
设极板面积为A，其静态电容量为C??Adx1??Ad (1) C??C0d?xx21?2dx2x1?2?1 则C?C0(1?) (2)
dd，当活动极板移动x后，其电容量为
当x< 由式（1）可以看出电容量C与x不是线性关系，只有当 x< 关系。同时还可以看出，要提高灵敏度，应减小起始间隙d过小时。但当d过小时，又容易 7 引起击穿，同时对加工精度的要求也提高了。因此,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。 8 习题5 5.1 什么叫做压电效应？什么叫做顺压电效应？什么叫做逆压电效应？ 答：压电式传感器是利用某些电介质的压电效应原理制成的，它用来测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。顺压电效应就是指当沿着一定方向对某些物质施力(拉力或压力)而使其变形时，在它的两个表面上会出现电荷的聚集，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。而逆压电效应则正好与其相反，在某些物质极化方向上施加电场，该物质将会产生形变，若撤去外加电场，该介质的形变随之消失，这种现象称为逆压电效应。压电效应产生的电荷大小和极性与施加力大小和方向有关。 5.2 石英晶体的横向和纵向压电效应的产生与外力有什么关系？ 答：当石英晶体沿x轴和y轴受到外力作用时，结构上将产生形变，正、负离子的相对位置也随之发生了改变，正、负电荷的中心已不再重合，电荷失去了平衡，所以晶体表面会产生电荷，对外显示电性。 当石英晶体沿z轴受到外力作用时，由于正、负离子对称平移，正、负电荷中心始终保持重合，电荷平衡，所以石英晶体不产生电荷。这也是沿光轴z施加力，石英晶体不产生压电效应的原因。 5.3 简述提高压电式传感器灵敏度的方法有哪些。 答：压电式传感器的电荷灵敏度不仅与压电系数有关，还与晶片的个数有关。故采用多个晶片的并联能够提高传感器的灵敏度。在测量过程中，传感器灵敏度与标定的会有所降低。为保证传感器灵敏度的稳定，应提高承载面的刚度，还应注意使用环境的温度，应使传感器在压电晶体特性稳定温度下工作，温度过高，要设计隔热装置。 5.4 能用压电式传感器能测量静态或变化缓慢的信号吗？为什么？ 答：压电式传感器不能测量静态或变化缓慢的信号，根据电压幅值比和相角与频率比 的关系曲线可知（如下图），当作用在压电元件上的力是静态力（w=0）时，则前置放大器的输入电压等于零。因为电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉，从原理上决定了压电式传感器不能测量静态和缓慢变化的物理量。 5.5 压电式传感器中采用电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度与电缆长度有关？而电 9 荷灵敏度与电缆无关？ 答：压电式传感器中采用电荷放大器的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。电压灵敏度与电缆长度有关,电缆本身是有电阻的，要产生一定的压降的。电流相对要好一点。 10