傳感器與測(cè)試技術(shù)作業(yè)題第六章

1、 5/5傳感器與測(cè)試技術(shù)作業(yè)題第六章 第六章磁電式傳感器 思考題： 1、磁電式傳感器可分為幾類？各有什么性能特點(diǎn)？ 答： a)變磁通式磁電傳感器 這種類型的傳感器線圈和磁鐵固定不同，利用鐵磁性物質(zhì)制成一個(gè)齒輪（或凸輪）與被測(cè)物體相連而連動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中齒輪（或凸輪）不斷改變磁路的磁阻，從而改變了線圈的磁通，在線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。這種類型的傳感器在結(jié)構(gòu)上有開磁路和閉磁路兩種，一般都用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的頻率作為輸出，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率等于磁通變化的頻率。 b)恒定磁通式磁電傳感器 在圖6-4中，線圈和殼體固定，永久磁鐵用彈簧支承，當(dāng)殼體隨被測(cè)物體一起振動(dòng)時(shí)，由于彈性元件較軟而運(yùn)動(dòng)部件

2、質(zhì)量相對(duì)較大，因而有較大慣性，來不及跟隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全部被彈性元件吸收，永久磁鐵與線圈之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 2、簡(jiǎn)述磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理，磁電感應(yīng)式傳感器最基本的構(gòu)成元件有哪些？ 答：磁電式傳感器直接從被測(cè)物體吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，且輸出功率大，性能穩(wěn)定，它的工作不需要電源，調(diào)理電路非常簡(jiǎn)單，由于磁電式傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要高增益放大器，適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩的測(cè)量。 3、利用磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速的傳感器，并說明如何將其作為數(shù)字傳感器使用。 答：測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸鏈接，從而帶

3、動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子的齒與定子的齒相對(duì)時(shí)氣隙最小，磁路中磁通最大，當(dāng)兩者的齒與槽相對(duì)時(shí)，氣隙最大，磁路中磁通最小。因而當(dāng)定子不動(dòng)而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁通就周期性的變化，從而在線圈感應(yīng)出近似正弦的電感信號(hào)，感應(yīng)電勢(shì)頻率。 4、可否利用磁電感應(yīng)式傳感器來測(cè)流量？簡(jiǎn)述其工作原理。 答：電磁流量傳感器 電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6-8所示，傳感器安裝在工藝管通中，當(dāng)導(dǎo)電流體沿測(cè)量管在磁場(chǎng)中與磁力線成垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電流本切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其值可用下式表示： 流經(jīng)測(cè)量管流體的瞬時(shí)流量與流速的關(guān)系為 6-8 式中，測(cè)量管內(nèi)電極處橫截面面積 則：6-9 式中，儀表常數(shù) 由式6-9可知，當(dāng)傳感器參數(shù)確定后，

4、儀表常數(shù)是一定值，感應(yīng)電勢(shì)正與流量Q成正比。 5、什么是霍爾效應(yīng)？簡(jiǎn)述霍爾電流表和霍爾場(chǎng)強(qiáng)計(jì)的工作原理。 答：金屬或半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流，在與薄片方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度 為的磁場(chǎng)，那么在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的薄片的另兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)， 的大小正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，利用霍爾效應(yīng)制成的傳感元件稱霍爾傳感器。 霍爾鉗形電流表的探頭實(shí)用環(huán)形鐵心做集束器，霍爾器件放在空隙中間。由安培定律克制，在載流導(dǎo)體周圍會(huì)產(chǎn)生一正比于該電流的磁場(chǎng)，用霍爾元件來測(cè)量這一磁場(chǎng)，其輸出的霍爾電勢(shì)正比于該磁場(chǎng)，通過對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量可間接測(cè)得電流的大小。由霍爾元件構(gòu)成的電流傳感器為非接觸式測(cè)量，測(cè)量

5、精度高，不必切斷電路電流，測(cè)量范圍廣，本身幾乎不消耗電路功率。 磁場(chǎng)測(cè)量的方法很多，其中應(yīng)用比較普遍的是以霍爾元件做探頭的特斯拉計(jì)。鍺和砷化鎵的霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)小，線性范圍大，適于做測(cè)量磁場(chǎng)的探頭。把探頭放在待測(cè)磁場(chǎng)中，探頭的磁敏感面與磁場(chǎng)方向垂直，控制電流恒定，則霍爾輸出電勢(shì)U H正比于磁場(chǎng)B，故可以利用它來測(cè)量磁場(chǎng)。 6、霍爾系數(shù)的物理意義是什么？為什么用半導(dǎo)體材料制造霍爾元件？ 答：霍爾系數(shù)，其中為載流體的電阻率，為載流子的遷移率，半導(dǎo)體材料（尤其是N型半導(dǎo)體）電阻率較大，載流子遷移率很高，因而可以獲得很大的霍爾系數(shù)，適于制造霍爾傳感器。 7、什么是霍爾元件的不等位電勢(shì)？如何補(bǔ)償？ 答：

6、不等位電勢(shì)：在額定控制電流作用下，無外加磁場(chǎng)時(shí)，由于材料電阻率的不均勻，兩個(gè)電極不在同一等位面上，霍爾元件的厚度不均勻等原因，在兩霍爾電極之間的空載電勢(shì)。要完全消除霍爾元件的不等位電勢(shì)很困難，一般要求 。 8、什么是霍爾元件的磁阻效應(yīng)？磁阻效應(yīng)應(yīng)對(duì)霍爾元件的輸出有什么影響。答：特性是指霍爾元件的輸入（或輸出）電阻與磁場(chǎng)之間的關(guān)系，霍爾元件的內(nèi)阻隨磁場(chǎng)的絕對(duì)值增加而增大，這種現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)?；魻栐拇抛栊?yīng)使霍爾輸出降低，尤其在強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，輸出降低較多，應(yīng)想辦法予以補(bǔ)償。 9、請(qǐng)畫出兩種霍爾元件的驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)述其優(yōu)缺點(diǎn)。 答： 對(duì)霍爾元件可采用恒流驅(qū)動(dòng)或恒壓驅(qū)動(dòng)，恒壓驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，但性能較差，隨

7、著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，線性變壞，僅用于精度要求不太高的場(chǎng)合；恒流驅(qū)動(dòng)線性度高，精度高，受溫度影響小。兩種驅(qū)動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)工作要求確定驅(qū)動(dòng)方式。 10、磁柵式傳感器由哪幾部分組成？簡(jiǎn)述工作原理？ 答：磁柵式傳感器由磁柵、磁頭和檢測(cè)電路組成。磁柵是檢測(cè)位置的基準(zhǔn)尺，尺身的磁性薄膜上預(yù)先錄有相同間距的柵狀磁信號(hào)，此偷渡去磁信號(hào)。當(dāng)磁柵與磁頭的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，磁頭的輸出發(fā)生相應(yīng)變化，將位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成脈沖，并以數(shù)字形式顯示出來。磁柵傳感器有長(zhǎng)磁柵式和圓磁柵式兩種，分別用來測(cè)量線位移和角位移。 11、磁柵式傳感器的信號(hào)處理方法有哪些？ 答：磁柵式傳感器的信號(hào)處理方法有

8、靜態(tài)磁頭的信號(hào)處理方法和動(dòng)態(tài)磁頭的信號(hào)處理方法。 12、磁柵式傳感器的誤差是哪些因素引起的，磁柵式傳感器可應(yīng)用于哪些場(chǎng)合。答：磁柵式傳感器的誤差包括零位誤差和細(xì)分誤差。 零位誤差是由以下因素造成的： a)磁柵的節(jié)距不均勻造成的零位誤差； b)磁柵的安裝與變形誤差； c)磁柵剩磁變化所引起的零點(diǎn)漂移； d)外界磁場(chǎng)干擾。 細(xì)分誤差是由以下因素造成的： a) 由于磁膜不均勻或錄制過程不完善造成磁柵上信號(hào)幅度不相等； b) 兩個(gè)磁頭在空間位置偏離正交較遠(yuǎn)； c) 兩個(gè)磁頭參數(shù)不對(duì)稱引起的誤差； d) 磁場(chǎng)高次諧波分量和感應(yīng)電勢(shì)高次諧波分量的影響。 磁柵式傳感器目前有以下兩個(gè)方面的應(yīng)用： a) 可以作

9、為高精度測(cè)量長(zhǎng)度和角度的測(cè)量?jī)x器。 b) 可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的檢測(cè)元件（線位移）。 作業(yè)題： 1. 導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，導(dǎo)體兩端會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E ，閉合導(dǎo)體回 路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e=-N dt d ；當(dāng)線圈垂直于磁場(chǎng)方向切割磁力線時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e=-NBlv ；若線圈以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，、則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e=-NBS 。 2. 只要線圈磁通量發(fā)生變化，就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，其實(shí)現(xiàn)的主要方法有線圈與磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁路中磁阻變化，恒定磁場(chǎng)中線圈面積變化。當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e 與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度v 或成正比。所以，可用磁電式傳感器測(cè)量線速度和角速度，對(duì)測(cè)得的速度進(jìn)行積分或微分

10、就可求出位移和加速度。 3. 磁電式傳感器直接從被測(cè)物體吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，且輸出功率大，性能穩(wěn)定，它的工作不需要電源，調(diào)理電路非常簡(jiǎn)單，由于磁電式傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要高增益放大器，適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩的測(cè)量。 4. 電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6-8所示，傳感器安裝在工藝管道中，當(dāng)導(dǎo)電流體沿測(cè)量管在磁場(chǎng)中與磁力線成垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電流體切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=B v D ，其中B 是磁感應(yīng)強(qiáng)度，v 是平均流速，D 是距離，常與測(cè)量管內(nèi)徑相等。流經(jīng)測(cè)量管流體的瞬時(shí)流量Q 與流速v 的關(guān)系為Q=v =42 D v 。 5. 在如圖6-9所示的金屬或半導(dǎo)體薄片

11、兩端通以控制電流I ，在與薄片垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的薄片的另兩側(cè) 會(huì)產(chǎn)生大小正比于控制電流I 和磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，利用霍爾效應(yīng)制成的傳感元件稱霍爾傳感器。在薄片兩側(cè)之間建立的電場(chǎng)E H ，稱為霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)的電勢(shì)U H 稱為霍爾電勢(shì)?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛侖磁力作用的結(jié)果。 6. 霍爾電勢(shì)U H =d IB R H =KHIB ，其中R H 是霍爾系數(shù)（m3/c ）、I 是控制電流（A ）、B 是磁感應(yīng)強(qiáng)度（T ）、d 是半導(dǎo)體薄片厚度（M ）、KH 是靈敏度系數(shù)，R H =，其中為載流體的電阻率，為載流子的遷

12、移率，半導(dǎo)體材料（尤其是N 型半導(dǎo)體）電阻率較大，載流子遷移率很高，因而可以獲得很大的霍爾系數(shù)，適于制造霍爾傳感器。 7. 霍爾電勢(shì)的大小正比于控制電流I 和磁感應(yīng)強(qiáng)度B ，靈敏度k H 表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)輸出霍爾電勢(shì)的大小，一般要求越大越好，元件的厚度d 越薄，k H 越大，所以霍爾元件的厚度都很薄。當(dāng)載流材料和幾何尺寸確定后，霍爾電勢(shì)的大小只和I 和B 有關(guān)，因此霍爾傳感器可用來探測(cè)磁場(chǎng)和電流，由此可測(cè)量壓力、振動(dòng)等。 8. 霍爾元件的輸出與靈敏度有關(guān)，靈敏度系數(shù)k H 越大，輸出U H 越大。靈敏度系數(shù)的大小，取決于元件的材料和幾何尺寸，材料的和越大，霍爾系數(shù)R H 越

13、大，輸出的U H 越大，為了提高霍爾靈敏度，要求材料的R H 盡可能的大。元件的厚度d 越小，k H 越大，U H 也越大，所以霍爾元件的厚度要小，但太小會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加。 9. 當(dāng)霍爾元件的控制電流采用交流時(shí)，由于建立霍爾電勢(shì)所需時(shí)間很短，因此交流電頻率可高達(dá)幾千兆赫，且信噪比較大。當(dāng)磁場(chǎng)為交變，電流為直流時(shí)，由于交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流而輸出附加霍爾電勢(shì)，所以霍爾元件不能在交變頻率為幾千赫的磁場(chǎng)中工作。 10. 對(duì)霍爾元件可采用恒流驅(qū)動(dòng)或恒壓驅(qū)動(dòng)；恒壓驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，但性能較差，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，線性變壞，僅用于精度要求不太高的場(chǎng)合；恒流驅(qū)動(dòng)線性 度高，精度高，受溫度影響小。

14、11.霍爾元件對(duì)溫度的變化很敏感，霍爾元件的輸入電阻、輸出電阻、霍爾電勢(shì)等都會(huì)隨溫度變化，這將給測(cè)量帶來較大的誤差。為了減小由于溫度影響帶來的測(cè)量誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采取恒溫措施外，還可以采用恒流源、利用輸入回路串、并電阻、利用輸出回路的負(fù)載、利用熱敏電阻等方法進(jìn)行補(bǔ)償。 12.以霍爾元件做探頭的特斯拉計(jì)（或高斯計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)）可用來測(cè)量磁場(chǎng)，鍺和砷化鎵器件的霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)小，線性范圍大，適用于做測(cè)量磁場(chǎng)的探頭，把探頭放在待測(cè)磁場(chǎng)中，探頭的磁敏感面與磁場(chǎng)方向垂直，控制電流恒定，則霍爾輸出電勢(shì)UH正比于磁場(chǎng)B，故可以利用它來測(cè)量磁場(chǎng)。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采用高導(dǎo)磁的磁性材料（如坡莫合金）集中磁通來增強(qiáng)磁場(chǎng)的集束器可降低器件噪聲、提高信噪比。 13.磁柵傳感器由磁柵、磁頭和檢測(cè)電路組成。磁柵是檢測(cè)位置的基準(zhǔn)尺，尺身的磁性薄膜上預(yù)先錄有相同間距的柵狀磁信號(hào)，磁頭讀取磁信號(hào)。當(dāng)磁柵與磁頭的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，磁頭的輸出發(fā)生相應(yīng)變化，將位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成脈沖，并以數(shù)字形式顯示出來。磁柵傳感器有長(zhǎng)磁柵式和圓磁柵式兩種，分別用來測(cè)量線位移和角位移。 14.磁頭的功能是讀取磁柵上記錄信號(hào)，可分為靜態(tài)磁頭和動(dòng)態(tài)磁頭。動(dòng)態(tài)磁頭僅有輸出繞組，只有與磁柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)才有信號(hào)輸出