(整理)傳感器綜合題

精品文檔精品文檔精品文檔精品文檔1.如圖為二極管環(huán)形檢波測量電路。 C1和C2為差動式電容傳感器， C3為濾波電容，RL為負(fù)載電阻，Ro為限流電阻，Up為正弦波信號源。設(shè)Rl很大，并且C3?Ci,C3?C2。（1）試分析此電路工作原理；（2）畫出輸出端電壓UAB在C1=C2、C1>C2、C1<C2三種情況下波形；（3）推導(dǎo)Uab=f（Ci，C2）的數(shù)學(xué)表達(dá)式。解：（1）工作原理：Up為交流信號源，在正、負(fù)半周內(nèi)電流的流程如下正半周：F點tC1TD1TC3、RL（A點）tB點（I1）F點TC2TD3TE點TRoTB點負(fù)半周：B點TC3、RlTA點TD2TC2TF點（I2）B點TR0TE點TD4TC1TF點由以上分析可知：在一個周期內(nèi)，流經(jīng)負(fù)載 RL的電流I1與C1有關(guān)，I2與C2有關(guān)。因此每個周期內(nèi)流過負(fù)載電流是 11+12的平均值，并隨6和c2而變化。輸出電壓UAB可以反映C1和C2的大小。（2）輸出端電壓UAB在C1=C2、C1AC2、C1<C2三種情況下波形如下圖所示

(3)I1=j8C1UP因C3K>Ci、C3K>C2,C3阻抗可忽略則I2=jC2UPUAB-(I1'I2)ZABRl=j(CRl=j(Ci-C2)UP1jC3jC31一二Rl很大，所以分母 可忽略jC3Rl=j(CRl=j(Ci-C2)UPCi-C2..二丁UP1jC3Rl— C.—Cc輸出電壓平均值UAB-KC1 C2UPf\LJ IC3K為濾波系數(shù)2.若要你需要用差動變壓器式加速度傳感器來測量某測試平臺振動的加速度。請你：(1)設(shè)計出該測量系統(tǒng)的框圖，并作必要的標(biāo)注或說明；(2)畫出你所選用的差動變壓器式加速度傳感器的原理圖，并簡述其基本工作原理；(3)給出差動變壓器式加速度的測量電路圖，并從工作原理上詳細(xì)闡明它是如何實現(xiàn)

既能測量加速度的大小，又能辨別加速度的方向的o解：(1)測試平臺振動加速度的測量系統(tǒng)框圖測試平臺振動加速度的測量系統(tǒng)框圖(2)差動變壓器式加速度傳感器的原理圖1一懸臂梁；1一懸臂梁；2一差動變壓器(3)差動變壓器式加速度的測量電路圖為了達(dá)到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的， 實際測量時，常常采用差動整流電路或相敏檢波電路。法一：差動整流電路把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流， 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。下面給出全波電壓輸出的差動整流電路：全波電壓輸出的差動整流電路圖從上圖電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，流經(jīng)電容 G的電流方向總是從2到4,流經(jīng)電容C2的電流方向總是從6到8,故整流電路的輸出電壓為

U2=U24-U68當(dāng)銜鐵在零位時，因為124=1658,所以同=0；當(dāng)銜鐵在零位以上時，因為124>出8,則U2>。；而當(dāng)銜鐵在零位以下時， 則有U24<U58,則U2<0。U2的有效值大小反映了位移的大小，從而利用①式可以反求加速度的大??；12正負(fù)表示銜鐵位移的方向，即振動的加速度方向。法二：相敏檢波電路輸入信號U2（差動變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓 ）通過變壓器Ti加到環(huán)形電橋的一個對角線上。參考信號Us通過變壓器T2加到環(huán)形電橋的另一個對角線上。 輸出彳t號U。從變壓器Ti與T2的中心抽頭引出。平衡電阻R起限流作用，以避免二極管導(dǎo)通時變壓器T2的次級電流過大。R為負(fù)載電阻。Us的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號U2的幅值，以便有效控制四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，且Us和差動變壓器式傳感器激磁電壓U1由同一振蕩器供電，保證二者同頻同相（或反相）。根據(jù)變壓器的工作原理，考慮到 QM分別為變壓器T1、T2的中心抽頭，則采用電路分析的基本方法，可求得圖4-19（b）的基本方法，可求得圖4-19（b）所示電路的輸出電壓 uo的表達(dá)式UoRlU22_ RlUUoRr ni(R2Rl)2L

當(dāng)u2與us均為負(fù)半周時：二極管VD2、VD3截止，VD1、VD4導(dǎo)通。其等效電路如圖4-19(c)所示。輸出電壓uo表達(dá)式與式(4-38)相同。說明只要位移Ax>0,不論U2與us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻 R_兩端得到的電壓uo始終為正。當(dāng)Ax<0時：U2與us為同頻反相。不論U2與us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻 RL兩端得到的車出電壓uo表達(dá)式總是為UoRu2

ni(R2Rl)(c)(e) UoRu2

ni(R2Rl)(c)(e) o波形圖(a)被測位移變化波形圖

(b)差動變壓器激磁電壓波形(c)差動變壓器輸出電壓波形(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形；(e)相敏檢波輸出電壓波形U2的有效值大小反映了位移的大小，從而利用①式可以反求加速度的大??；U2正負(fù)表示銜鐵位移的方向，即振動的加速度方向。

////、、/、、、R3R,1////、、/、、、R3R,1RXI1^如上圖所示為一懸臂梁式測力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖， 在其中部的上、下兩面各貼兩片電阻1.應(yīng)變片。已知彈性兀件各參數(shù)分別為： l=25cm;t=3mm;x=—l；W=6cm；2一—一5一E=70x10Pa；電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)K=2.1,且初始電阻阻值(在外力F為0時)均為Ro=120建。(1)設(shè)計適當(dāng)?shù)臏y量電路，畫出相應(yīng)電路圖；(2)分析說明該傳感器測力的工作原理(配合所設(shè)計的測量電路) ；(3)當(dāng)懸臂梁一端受一向下的外力 F=0.5N作用時，試求此時四個應(yīng)變片的電阻值,銅一 6(l-x)匚、(提不：x= 2-F)；WEt2(4)若橋路供電電壓為直流10v時，計算傳感器的輸出電壓及其非線性誤差。解：(1)采用全橋電路：(2)當(dāng)傳感器彈性元件懸臂梁受到外力 F作用時，將產(chǎn)生一定形變從而引起粘貼在其上的四個應(yīng)變片(兩個受拉，另兩個受壓)發(fā)生相應(yīng)應(yīng)變，致使其中兩個應(yīng)變片阻值增加，另兩個應(yīng)變片阻值減小。將四個應(yīng)變片接入所設(shè)計的全橋電路中， 從而將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成為電橋電壓輸出，輸出電壓U0的大小間接反映了被測外力F的大小，如此實現(xiàn)了對外力

F的測量。(3) ；xF的測量。(3) ；x6(l-x)F

WEt26(25102-0.52510立)2 5 3-2610 7010 (310)0.5=0.0992R0=K；x=2.10.0992=0.21電阻變化量TOC\o"1-5"\h\z△R=0.21R)=0.21父120=25.2 (Q)四個應(yīng)變片的電阻值變?yōu)椋篟1=R3=R°+AR=120+25.2=145.2 (Q)R2=R4=R0—AR=120—25.2=94.8 (◎)(4)當(dāng)橋路供電電壓為直流10v時，則輸出電壓為:R1R1<R1+R4—―UR2 R3/ R。+AR R。-，RU四十AR+R。_&R_R0_&R+R°+4RJ出,、=——Ui=0.2110=2.1 (v)R0非線性誤差為： L=04.1、閉磁路變隙式差動變壓器在忽略鐵損、漏感及變壓器次級開路的條件下，其等效電路可用下圖表示。圖中 ria與Lia、rib與Lib,「2a與L2a、r2b與L2b分別為兩個初級繞組和兩個次級繞組的直流電阻與電感。兩個初級繞組的線圈匝數(shù)都是四，兩個次級繞組的線圈匝數(shù)都是 W2,銜鐵與上下鐵芯的間隙分別是6a,$b,ria??Lia,「ib??Lib,不考慮鐵芯與銜鐵中的磁阻影響時，對該電路

進(jìn)行分析后得到變隙式差動變壓器輸出電壓 UO-b--aW2..Uio、baWlMaQ?E2aL2aMU進(jìn)行分析后得到變隙式差動變壓器輸出電壓 UO-b--aW2..Uio、baWlMaQ?E2aL2aMUiL2b—1—[E2bribr2b「la+U(1)分析銜鐵在不同位置時，閉磁路變隙式差動變壓器的輸出特性。 并根據(jù)其輸出特性,說明它是如何實現(xiàn)位移測量的。(2)給出該變隙式差動變壓器的靈敏度表達(dá)式， 并指出如果在實際測量中要提高靈敏度，可以采取哪些措施。(3)實際的輸出特性中會存在零點殘余電壓，分析其產(chǎn)生的原因并指出消除零點殘余電壓的辦法。2、請設(shè)計兩種利用熱電偶測量2點平均溫度的方法。要求畫出相應(yīng)的線路聯(lián)結(jié)圖，分別簡要說明其工作原理，并指出各自的優(yōu)、缺點。1、解:(1)U(1)Uo,b'aWl當(dāng)銜鐵在初始平衡位置， 6a=%=60,則Uo=0；當(dāng)被測物體帶動銜鐵移動，若上移△6當(dāng)被測物體帶動銜鐵移動，若上移△6(且假設(shè)上移為正)，則；a='0一缸=60+△每，代入①式中，可得閉磁路變隙式差動變壓器輸出特性:二,W2,,,

Ui△6—,負(fù)號表示銜鐵位'0△6—,負(fù)號表示銜鐵位'0②式表明：在進(jìn)行位移測量時， Uo的大小正比于銜鐵位移量

移的方向(上移時， 絲定義為正，表明UO與U；反相；下移時，笑則為—竺0 0 0Uo與U；同相)。(2)靈敏度表達(dá)式： K=UO=W2匕.…Wi0實際測量中要提高靈敏度，可以采取的措施：適當(dāng)提高電源幅值 (但應(yīng)在鐵芯不飽和及允許溫升范圍內(nèi) )，提高W2/W1的比值，盡量減小每0。(3)零點殘余電壓產(chǎn)生主要原因：變壓器的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，磁性材料的非線性。消除零點殘余電壓的辦法主要有：工藝上保證磁路、線圈對成，鐵芯均勻，線圈繞線均勻；在輸出回路中用串/并電阻、電容的方法進(jìn)行電路補(bǔ)償。2、解：+ ++ABB++ ++ABB+AV-B兩熱電偶串聯(lián)兩熱電偶并聯(lián)(1)在并聯(lián)方式中，伏特表得到的電勢為 2個熱電偶的熱電勢的平均電勢，即它已經(jīng)自動得到了2個熱電勢的平均值，查表即可得到兩點的平均溫度。該方法的優(yōu)點：快速、高效、自動，誤差小，精度高。缺點：當(dāng)其中有一個熱電偶損壞后，不易立即發(fā)現(xiàn)，且測得的熱電勢實際上只是某一個熱點偶的。(2)在串聯(lián)方式中，伏特表得到的電勢為環(huán)路中 2個熱電偶的總熱電勢，個執(zhí)I個執(zhí)I八、、差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)5.差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)如上圖所示。它有兩個固定極板（與殼體絕緣） ，中間有一用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為作為動極板 （與殼體電連接）。設(shè)計適當(dāng)?shù)臏y量電路，詳細(xì)說明該結(jié)構(gòu)配合測量電路實現(xiàn)加速度測量的工作原理， 所有結(jié)論的得出必須要有理論依據(jù)（給出必要的公式推導(dǎo)） 。解：根據(jù)題意，當(dāng)傳感器殼體隨被測對象在垂直方向作直線加速運(yùn)動時， 質(zhì)量塊因慣性相對靜止，因此將導(dǎo)致固定電極與動極板間的距離發(fā)生變化， 一個增加、另一個減小。從而影響兩個電容器的電容量，形成差動結(jié)構(gòu)。對于差動平板電容，通過分析有：Cc：d——2——

Codo又根據(jù)位移與加速度的關(guān)系可得出：, 1 2S=d=-at2式中：S—位移；a—加速度；t—運(yùn)動時間。聯(lián)立上兩式得到：C「dat2

2Cododo由此可見，此電容增量正比于被測加速度。測量電路可選用：方法一：采用脈沖寬度調(diào)制電路

脈沖寬度調(diào)制電路原理圖Uo脈沖寬度調(diào)制電路原理圖Uo脈沖寬度調(diào)制電路如上圖所示。圖中 C1、C2為差動式電容傳感器。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在某一狀態(tài)有：Q=1（高電平）、Q=0（低電平），此時，A點高電位，UA經(jīng)Ri對電容Ci充電，使Um升高。當(dāng)忽略雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出電阻，并認(rèn)為二極管 D的反向電阻無窮大時，充電時間常數(shù)為h=R1cl。充電直到M點電位高于參比電位Ur,即UmAUr,比較器A1輸出正跳變信號，激勵觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，將使Q=0（低電平）、Q=1（高電平），這時A點為低電位，C1通過。迅速放電至0電平；與此同時，B點為高電位，通過R2對C2充電，時間常數(shù)變?yōu)閒2=R2c2,直至N點電位高于參比電位Ur,即Un>Ur,使比較器&輸出正跳變信號，激勵觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，重復(fù)前述過程。如此周而復(fù)始， Q和Q端（即A、B兩點間）輸出方波。對電容C1、C2分別充電至Ur時所需的時間分別為：二二R1C1InUaUa-UrT2=R2c2InUb=R2c2InUAUb—Ur Ua—Ur丁1=丁2,兩個電容器的充電過程完全一當(dāng)差動電容C1=C2時，由于R1丁1=丁2,兩個電容器的充電過程完全一樣，AB間的電壓Uab為對稱的方波，其直流分量（平均電壓值）為0。當(dāng)差動電容C1#C2時，假設(shè)C1>C2,則C1充電過程的時間要延長、 C2充電過程的時間要縮短，導(dǎo)致時間常數(shù)％A%,此時Uab的方波不對稱。當(dāng)矩形電壓波通過低通濾波器后，可得出Uab的直流分量（平均電壓值）不為 0,而應(yīng)為:U0=(UU0=(UAB)DC=Ua-UbRgUAm-R2c2UbR1C1 R2c2式中:UAm、UBm一分別為Ua、Ub的幅值。由于R=R2,設(shè)UAm=UBm=Um,則上式變?yōu)?

對于變極距型:U。一(UAB)DC對于變極距型:U。一(UAB)DCCi-'C2 uC1 C2u。d2—di udid2當(dāng)差動電容C1=C2=C0時，即d1=d2=d。時，u0=0；如果C1不等于C2,假設(shè)Ci>C2,即di=d0-id,d2=d0+Ad,則:do對于Ci對于Ci<C2,即di=d0+Ad,d2=d0-Ad,則:u?！竨mdo可見：u0與Ad為線性關(guān)系。方法二：采用二極管雙T型交流電橋D2

恰

Di

制'2RiRiU-l-c-1D2

恰

Di

制'2RiRiU-l-c-1-i '"，iCiRoRiR2-Q-R2I2RLI2(d)二極管雙T型交流電橋二級管雙T型交流電橋如上圖所示。高頻電源二級管雙T型交流電橋如上圖所示。高頻電源e提供幅值為E的方波，Di、6為兩個特性完全相同的二極管， R1=&=RCi、C2為傳感器的兩個差動電容。(i)當(dāng)傳感器沒有輸入時， C1=C2電路工作原理：當(dāng)電源e為正半周時，D導(dǎo)通、6截止，即對電容C1充電，其等效電路如圖c所示。然后在負(fù)半周時，電容C〔上的電荷通過電阻R、負(fù)載電阻RL放電，流過負(fù)載的電流為Ii。在負(fù)半周內(nèi)，口導(dǎo)通，D截止，又?電容C2充電，其等效電路如圖d所示。隨后出現(xiàn)正半周時，C2通過電阻R2＞負(fù)載電阻Rl放電，流過R的電流為I2。根據(jù)上述條件，則電流Ii=I2,且方向相反，在一個周期內(nèi)流過 Rl的平均電流為0。(2)當(dāng)傳感器有輸入時， G#C2此時，Ii#I2,此時Rl上必定有信號輸出，其輸出在一個周期內(nèi)的平均值為：Uo=IlRl=T1；bi(t)—i2(t)dtRl.R(R2R_)REf(CC)R RRL'Ef'(CiC2)(RRl)2式中：f—電源頻率。在Rl已知的情況下，上式可改寫為：U0：MEf(C1-C2)式中：M=^^Rl(常數(shù))(r+rl)2可知：輸出電壓Uo不僅與電源電壓的幅值和頻率有關(guān)，也與T型網(wǎng)絡(luò)中的電容Ci、C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源確定后(即電壓的幅值E和頻率f確定)，輸出電壓U0就是電容C1、C2的函數(shù)。6.若要你需要用差動變壓器式加速度傳感器來測量某測試平臺振動的加速度。請你:(1)設(shè)計出該測量系統(tǒng)的框圖，并作必要的標(biāo)注或說明；(2)畫出你所選用的差動變壓器式加速度傳感器的原理圖，并簡述其基本工作原理；(3)給出差動變壓器式加速度的測量電路圖，并從工作原理上詳細(xì)闡明它是如何實現(xiàn)既能測量加速度的大小，又能辨別加速度的方向的。解：(1)測試平臺振動加速度的測量系統(tǒng)框圖(2)差動變壓器式加速度傳感器的原理圖ii一懸臂梁；2一差動變壓器(3)差動變壓器式加速度的測量電路圖為了達(dá)到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的， 實際測量時，常常采用差動整流電路或相敏檢波電路。法一：差動整流電路把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流， 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。下面給出全波電壓輸出的差動整流電路：全波電壓輸出的差動整流電路圖從上圖電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，流經(jīng)電容 C1的電流方向總是從2到4,流經(jīng)電容C2的電流方向總是從6至IJ8,故整流電路的輸出電壓為U2蟲4-“8當(dāng)銜鐵在零位時，因為U24=U68，所以U2=0;當(dāng)銜鐵在零位以上時，因為U24>U68,則U2>0;而當(dāng)銜鐵在零位以下時，則有 U24<U68，貝UU2<0。U2的有效值大小反映了位移的大小，從而利用①式可以反求加速度的大??； U2正負(fù)表示銜鐵位移的方向，即振動的加速度方向。法二：相敏檢波電路輸入信號u2(差動變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓 )通過變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個對角線上。參考信號us通過變壓器T2加到環(huán)形電橋的另一個對角線上。 輸出信號uo從變壓器T1與T2的中心抽頭引出。

平衡電阻R起限流作用，以避免二極管導(dǎo)通時變壓器T2的次級電流過大。RL為負(fù)載電阻。us的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號u2的幅值，以便有效控制四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，且us和差動變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電，保證二者同頻同相(或反相)。根據(jù)變壓器的工作原理，考慮到O、M分別為變壓器Ti、T2的中心抽頭，則:usi=Us2根據(jù)變壓器的工作原理，考慮到O、M分別為變壓器Ti、T2的中心抽頭，則:usi=Us2us2n2u21=u22ui2n1采用電路分析的基本方法，可求得圖4-19(b)所示電路的輸出電壓 uo的表達(dá)式uoRLu22rr2RlRlUi

ni(R2R)4-19當(dāng)u2與Us均為負(fù)半周時：二極管VD2、VD3截止，VD1、VD4導(dǎo)通。其等效電路如圖4-19(c)所示。輸出電壓Uo表達(dá)式與式(4-38)相同。說明只要位移Ax>0,不論u2與Us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻 Rl兩端得到的電壓uo始終為正。當(dāng)Ax<0時：U2與Us為同頻反相。Uo表達(dá)式總是為(c)(d)(e)RLU2UoUo表達(dá)式總是為(c)(d)(e)RLU2Uo=n1(R2Rl)圖4-20波.形圖不論U2與Us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓(a)被測位移變化波形圖；(b)差動變壓器激磁電壓波形(c)差動變壓器輸出電壓波形(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形;(e)相敏檢波輸出電壓波形U2的有效值大小反映了位移的大小，從而利用①式可以反求加速度的大??；U2正負(fù)表示銜鐵位移的方向，即振動的加速度方向。7.

如上圖所示為一彈性元件為圓柱型的應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 已知彈性元件橫截面積為S,彈性模量為E,應(yīng)變片初始電阻值（在外力 F=0時）均相等，電阻絲靈敏度系數(shù)為K0,泊松比為。1、設(shè)計適當(dāng)?shù)臏y量電路（要求采用全橋電路），畫出相應(yīng)電路圖，并推導(dǎo)橋路輸出電壓U）和外力F之間的函數(shù)關(guān)系式。（提示：AR<<R推導(dǎo)過程中可做適當(dāng)近似處理）2、分析說明該傳感器測力的工作原理（配合所設(shè)計的測量電路）解:2、分析說明該傳感器測力的工作原理（配合所設(shè)計的測量電路）解:初始狀態(tài)（F=0）時，R1=R2=R3=R4=R0,當(dāng)F#0時，R1=R0+Ar1? R2=R0 +AR2, R3=R0+AR3, R4=R0+AR4

Uo（Ro.：Ri）（Ro.）—（Ro.R2UoTOC\o"1-5"\h\z（Ro R1 R0 . R4）（R0 . R2 R0 . R3）R<<R對上式作近似處理，略去分母中AR項及分子中AR高次項，則2 2UiRo R0LR1 R0lR3 - R0 - R0lR2 - Rol R4Ui4R2R1 R1 R3-.：R2-R44r0Ui設(shè)軸向應(yīng)變?yōu)?,設(shè)軸向應(yīng)變?yōu)?,則徑向應(yīng)變?yōu)?國由傳感器結(jié)構(gòu)示意圖可知，當(dāng)傳感器受力F時，應(yīng)變片R1和R3產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?而應(yīng)變片~而應(yīng)變片~2和~4的應(yīng)變?yōu)椋好?應(yīng)力；二二—FESFES應(yīng)變；x=wRi= R3=RoK0；x=RoK°EslR2=R4=-RoKo/；x=-RoKo」ES代入Uo計算式中可得:TOC\o"1-5"\h\zF 1F2RoKo2RoKoJES ESu4Ro