傳感器原理課后答案

#從傳感器的輸出特性可以看出，AL與A5成非線性關(guān)系，為改善其非線性，通常采用差動變隙式電感傳感器，如題圖4—1所示，輸出特性表達(dá)式為；A55從傳感器的輸出特性可以看出，AL與A5成非線性關(guān)系，為改善其非線性，通常采用差動變隙式電感傳感器，如題圖4—1所示，輸出特性表達(dá)式為；A55o將上式與單線圈變隙式傳感器相比，若忽略非線性項，其靈敏度提高一倍，若保留一項非線性項，則單線圈式AL二2二L-，而差動式0a5由于50<<1，因此，差動式的線性度得到明顯改善。3.差動變壓器式傳感器有幾種結(jié)構(gòu)形式？各有什么特點？答：差動變壓器式傳感器有變隙式差動變壓器式和螺線管式差動變壓器式傳感器二種結(jié)構(gòu)形式。變隙式差U0動變壓器傳感器的輸出特性為WUa52?j?AoW510yw，輸出電壓與2叫比值成正比，然而’2叫比值與變壓器的體積與零點殘余電壓有關(guān)。應(yīng)綜合考慮;U550與0成反比關(guān)系，因此要求0越小越好，但較小的"0使測量范圍受到約束，通常在0.5mm左右。螺線管式差動變壓器式傳感器的輸出特性是激勵電壓U和激磁頻率f的函數(shù)，理論上，靈敏度K與U、f成正比關(guān)系，而實際上由于傳感器結(jié)構(gòu)的不對稱、鐵損、磁漏等因素影響，K與f不成正比關(guān)系,一般在400Hz?10KHz范圍內(nèi)K有較大的穩(wěn)定值，K與U不論在理論上和實際上都保持較好的線性關(guān)系。一般差動變壓器的功率控制在1瓦左右，因此U取值在3?8伏范圍之內(nèi)。為保證傳感器有較好的線性度,其測量范圍為線圈骨架長度的10到4。因此可以測量大位移范圍。差動變壓器式傳感器的等效電路包括哪些元件和參數(shù)？各自的含義是什么？答：差動變壓器式傳感器在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下，其等效電路如題圖4—4TOC\o"1-5"\h\z一U、Lr、所示。其中1為初級線圈1a的激勵電壓，1為初級線圈直流電阻,LrrL1為初級線圈交流電感，2a，2b為兩次級線圈直流電阻，2a，L2b為兩次級線圈的交流電感。初級線圈與兩次級線圈的互感系數(shù)為MMWEW1，2，線圈2a的感應(yīng)電勢為2a，線圈2b的感應(yīng)電勢為E2b。題圖4-4題圖4-4差動變壓器式傳感器等效電路答：差動電壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓。對零點殘余電壓進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)其頻譜主要由基波和三次諧波組成，基波產(chǎn)生的主要原因是傳感器兩個次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，三次諧波產(chǎn)生的原因主要是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和，磁滯）所造成的。消除或減小零點殘余電壓的主要方法有：①盡可能保證傳感器幾何尺寸，線圈電氣參數(shù)和磁路的相互對稱。②傳感器設(shè)置良好的磁屏蔽，必要時再設(shè)置靜電屏蔽。

③將傳感器磁回電路工作區(qū)域設(shè)計在鐵芯曲線的線性段。④采用外電路補償。⑤配用相敏檢波測量電路。簡述相敏檢波電路的工作原理，保證其可靠工作的條件是什么？答：相敏檢波電路如題圖4—6(a)所示。圖VVVV中D1,D2,D3,D4為四個性能相同的二極管。以同一方向串聯(lián)接成一個閉合回路，U組成環(huán)形電橋。輸入信號2(差動變壓器式傳T感器輸出的調(diào)諧波電壓)通過變壓器1加入環(huán)U形電橋的一個對角線上，參考信號s通過變壓T器2加到環(huán)形電橋的另一個對角線上，為保證U一一相敏檢波電路可靠工作，要求S的幅值要遠(yuǎn)大U于輸入信號2的幅值，以便有效控制四個二極當(dāng)2>0時，U2與US同頻同相。VVD當(dāng)2>0時，U2與US同頻同相。VVD1，D4截止,y"d3導(dǎo)通，則可得題圖4—6(b)所示等u0效電路。其輸出電壓表達(dá)式為R-un（R+2R）1L，在U2與U均為負(fù)半周時，VD2、VD3截止，VD1、R-UR-U

n（R+2R）1L這說明只R-uL2n\R+2R）nT1L。（1為變壓器1的變比）。uVD4導(dǎo)通，則題圖4—6(c)所示為等效電路，其輸出電壓表達(dá)式亦為°要位移Ax>0,不論"2與"S是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻*L兩端得到的電壓始終為正。當(dāng)Ax<0時,U=U0采用上述相同方法可以得到輸出電壓0的表達(dá)式為u故題圖4—6(a)所示相敏檢波電路輸出電壓0的變化規(guī)律充分反映了被測位移量的變化規(guī)律，即電壓數(shù)值反映了A"大小，而"0極性則反映了位移A"的方向。已知一差動整流電橋電路如題圖4-7所示。電路由差動電感傳感ZZRR器1、2及平衡電阻1、2R=R12)組成。橋路的一個U對角接有交流電源i，另一個對U角線為輸出端O，試分析該電路題圖4-7題圖4-7差動整流電橋電路解：題圖4一7為差動整流電橋電路，

ZZR二RUCCRR兀1,2為差動電壓傳感器，12為平衡電阻，i為交流電源，1、2、3、4構(gòu)成一兀型TOC\o"1-5"\h\z、、U濾波電路，輸出電壓為0。ZZUVVV①當(dāng)被測輸入量為零時，傳感器1與傳感器2相等，此時若i為正半周，則D1、D3導(dǎo)通，D2、VIZVRIZVRD4截止，電流1流經(jīng)1，D3，2，電流2流經(jīng)2，D1，1，如果四只二極管具有理想U-I-RU-1-R特性（導(dǎo)通時內(nèi)阻為零，截止時內(nèi)阻為無窮大），則R121，R212。且如題圖4UUU-U-U-0UVVV—7所示R1與R2方向相反，0R1R2。若i為負(fù)半周，則D2、D4導(dǎo)通，D1、VI’RVZrrVZU-I'RD3截止，電流1流經(jīng)1，D2，1，而電流2流經(jīng)2，D4，2，此時R111，U-1RUUU-U-U-0R222，且如圖所示R1與R2方向相反，0R1R2。TOC\o"1-5"\h\zZZUII右=IR力=IR當(dāng)被測輸入量不等于零，且1>2，若i為正半周，此時有1<2，R121>R212，U=U-UUU=_irU=-1rII0R1R2>0。若i為負(fù)半周，此時R111，R222，1<2則iJ=UJ-UUU0R1R2>0，即不論i為正半周還是負(fù)半周，0輸出電壓始終為正。zzU=U-U當(dāng)被測輸入量不等于零，且1<2時，采用相同的分析方法同理可得：0R1R2<0，即不UU論i為正半周還是負(fù)半周，0輸出電壓始終為負(fù)。U所以該測量電路輸出電壓幅值反映了被測量的大小，而0的符號則反映了該被測量的變化方向。8.已知變氣隙電感傳感器的鐵芯截面積S=1.5cm2磁路長度L=20cm,相對磁導(dǎo)率卩1一'°°°,6=0.5ax-+01u=4兀x10-7w-3000氣隙0cm，-+mm,真空磁導(dǎo)率H/m,線圈匝數(shù)W—，求單端式傳感器的靈敏度AA5。若做成差動結(jié)構(gòu)形式，其靈敏度將如何變化？解：USW21.5x10-4x4kx10-7x30002L—00-169.6mH02x2x0.5x10-20uSW24kx10-7x1.5x10-4x30002L-—00——169.6+3.5mH262x(0.5+0.01丿x10-2靈敏度：AL-靈敏度：AL-3.5x10-3A60.1x10-3-35接成差動結(jié)構(gòu)形式，則A6靈敏度提高一倍。7．何謂渦流效應(yīng)？怎樣利用渦流效應(yīng)進(jìn)行位移測量？答：塊狀金屬導(dǎo)體置于變化著的磁物中，或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈旋渦狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，所產(chǎn)生電渦流的現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器的測試系統(tǒng)由電渦流式傳感器和被測金屬兩部分組成。當(dāng)線圈中通以交變電流I1時，Hiih其周圍產(chǎn)生交變磁物1，置于此磁物中的導(dǎo)體將感應(yīng)出交變電渦流2，2又產(chǎn)生新的交變磁物2，HHzZ2的作用將反抗原磁物1，導(dǎo)致線圈阻抗Z發(fā)生變化，Z的變化完全取決于導(dǎo)體中的電渦流效應(yīng)，而電渦流效應(yīng)既與導(dǎo)體的電阻率P,磁導(dǎo)率卩，幾何尺寸有關(guān)，又與線圈的幾何參數(shù)、線圈中的激磁電流頻率f有關(guān)，還與線圈和導(dǎo)體間的距離x有關(guān)，因此，可得等效阻抗Z的函數(shù)差系式為Z=F（P卩rfX）（）式中r為線圈與被測體的尺寸因子。以上分析可知，若保持P，卩，丫，f參數(shù)不變，而只改變X參數(shù)。則Z就僅僅是關(guān)于X單值函數(shù)。測量出等效阻抗Z，就可實現(xiàn)對位移量X的測量。8．電渦流的形成范圍包括哪些內(nèi)容？它們的主要特點是什么？答：電渦流的形成范圍包括電渦流的徑向形成范圍、電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系和電渦流的軸向貫穿深度。r電渦流的徑向形成范圍的特點為：①金屬導(dǎo)體上的電渦流分布在以線圈軸線為同心，以（1.8?2.5）asr為半徑的范圍之內(nèi)（as為線圈半徑），且分布不均勻。②在線圈軸線（即短路環(huán)的圓心處）內(nèi)渦流密度為r=r零。③電渦流密度的最大值在as附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)。電渦流強(qiáng)度與距離X呈非線性關(guān)系。且隨著X的增加，電渦流強(qiáng)度迅速減小。當(dāng)利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在ras=0.05?0.15的范圍內(nèi)才具有較好的線性度和較高的靈敏度。電渦流的軸向貫穿深度按指數(shù)規(guī)律分布，即電渦流密度在被測體表面最大，隨著深度的增加，按指數(shù)規(guī)律衰減。9．電渦流傳感器常用測量電路有幾種？其測量原理如何？各有什么特點？答：電渦流傳感器常用的測量電路有：調(diào)頻式測量電路和調(diào)幅式測量電路二種。第五章1?根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為那幾種類型？每種類型各有什么特點？各適用于什么場合？答：根據(jù)電容式傳感器的工作原理，電容式傳感器有三種基本類型，即變極距（d）型（又稱變間隙型）、變面積（A）型和變介電常數(shù)（&）型。變間隙型可測量位移，變面積型可測量直線位移、角位移、尺寸，變介電常數(shù)型可測量液體液位、材料厚度。電容式傳感器具有以下特點：功率小，阻抗高，由于電容式傳感器中帶電極板之間的靜電引力很小，因此，在信號檢測過程中，只需要施加較小的作用力，就可以獲得較大的電容變化量及高阻抗的輸出；動態(tài)特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動態(tài)響應(yīng)特性；本身的發(fā)熱對傳感器的影響實際上可以不加考慮；可獲取比較大的相對變化量；能在比較惡劣的環(huán)境條件下工作；可進(jìn)行非接觸測量；結(jié)構(gòu)簡單、易于制造；輸出阻抗較高，負(fù)載能力較差；寄生電容影響較大；輸出為非線性。2.如何改善單極式變極距型傳感器的非線性？

答：采用差動式結(jié)構(gòu)，可以使非線性誤差減小一個數(shù)量級。5－3圖5—7為電容式液位計測量原理圖。請為該測量裝置設(shè)計匹配的測量電路，要求輸出電壓U0與液位電壓U0與液位h之間呈線性關(guān)系。2Kh(e-8)11nD圖5-7電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖2兀h(8-8)2耐H解：電容式液位計的電容值為：C=C+1，其中C0=0D0DIn1ndd可見C與液面高度h呈線性關(guān)系?？梢钥闯?，該結(jié)構(gòu)不宜做成差動形式，所以不宜采用二極管雙T形交流電橋，也不宜采用脈沖寬度調(diào)制電路。另外要求輸出電壓Uo與液位h之間呈線性關(guān)系，所以不宜采用調(diào)頻電路和運算放大器式電路。電阻R的并聯(lián)，R上的電壓為U0,則有:V電阻R的并聯(lián)，R上的電壓為U0,則有:VCReVdD3CdTU=RI=RfAE(C-C)0xdE2T—1?T■HE1環(huán)形二極管電容測量電路原理圖其中，Cx為電容式液位計的電容值，f為方波的頻率，AE=E2-E1為方波的幅值，Cd為平衡電容傳感器初始電容的調(diào)零電容。當(dāng)h=0E1環(huán)形二極管電容測量電路原理圖2兀8HC=C=，則輸出電壓U與d0D01nd液位h之間呈線性關(guān)系。第六章壓電式傳感器1.什么叫正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？什么叫縱向壓電效應(yīng)和橫向壓電效應(yīng)？答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的現(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”在石英晶體中，通常把沿電軸X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”2.壓電式加速度傳感