傳感器與測(cè)試技術(shù)作業(yè)題第五章

1、第五章電感式傳感器思考題：1、 說(shuō)明變氣隙型電感傳感器、差動(dòng)變壓器式傳感器和渦流傳感器的主要組成、工作原理和基本特性。答：a) 變氣隙型電感傳感器主要由線圈、鐵心、銜鐵三部分組成的。線圈是套在鐵心上的，在鐵心與銜鐵之間有一個(gè)空氣隙，空氣隙厚度為。傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)外部作用力作用在傳感器的運(yùn)動(dòng)部分時(shí)，銜鐵將產(chǎn)生位移，使空氣隙發(fā)生變化，磁路磁阻Rm發(fā)生變化，從而引起線圈電感的變化。線圈電感L的變化與空氣隙的變化相對(duì)應(yīng)，這樣只要測(cè)出線圈的電感就能判定空氣隙的大小，也就是銜鐵的位移。b) 差動(dòng)變壓器式傳感器主要由鐵心、銜鐵和線圈組成。線圈又分為初級(jí)線圈（也稱激勵(lì)線圈）和次級(jí)線圈（也稱輸出線

2、圈）。上下兩個(gè)鐵心及初級(jí)、次級(jí)線圈是對(duì)稱的。銜鐵位于兩個(gè)鐵心中間。上下兩個(gè)初級(jí)線圈串聯(lián)后接交流激磁電壓U1，兩個(gè)次級(jí)線圈按電勢(shì)反相串聯(lián)。它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，一般用于測(cè)量幾微米至幾百微米的機(jī)械位移。缺點(diǎn)是示值范圍小，非線性嚴(yán)重。c) 渦流傳感器的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，有一個(gè)扁平線圈固定在框架上構(gòu)成。線圈用高強(qiáng)度漆包線或銀線繞制而成，用粘合劑站在框架端部，也可以在框架上開(kāi)一條槽，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)形成一個(gè)線圈。渦流傳感器的工作原理是渦流效應(yīng)，當(dāng)一塊金屬導(dǎo)體放置在一變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中漩渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，所以稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應(yīng)。渦流傳感器最大的特點(diǎn)是可以實(shí)

3、現(xiàn)非接觸式測(cè)量，可以測(cè)量振動(dòng)、位移、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度和硬度等參數(shù)，還可以進(jìn)行無(wú)損探傷，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量線性范圍大、體積小等優(yōu)點(diǎn)。2、 為什么螺管型電感傳感器比變氣隙型電感傳感器有更大的測(cè)位移范圍？答：變氣隙型靈敏度高，因?yàn)樵細(xì)庀?一般取得很?。?.10.5mm），當(dāng)氣隙變化為=1m時(shí)，電感的相對(duì)變化量L/L0可達(dá)0.010.002，因而它對(duì)處理電路的放大倍數(shù)要求低。它的主要缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重，為了減小非線性，量程就必須限制在較小范圍內(nèi)，通常為氣隙0的1/5以下，同時(shí)，這種傳感器制造裝配困難。變面積型的靈敏度比便器習(xí)性的低，它的優(yōu)點(diǎn)是具有良好對(duì)吧線性，量程較大，制造裝

4、配比較方便，應(yīng)用較廣。螺管型的靈敏度比變面積型的還低，但量程大，線性較好，制造裝配方便，與變面積型相比，批量生產(chǎn)的互換性強(qiáng)，應(yīng)用越來(lái)越多。3、 電感式傳感器的測(cè)量電路主要形式是什么？答：交流電橋是電感傳感器的主要變換電路。橋臂可以是電阻、容抗或感抗元件。當(dāng)不接負(fù)載（或負(fù)載阻抗為無(wú)窮大）時(shí)，其輸出稱為開(kāi)路輸出電壓，表達(dá)式為：U0=Z1Z1+Z2Ui-Z4Z3+Z4Ui=Z1Z3-Z2Z4(Z1+Z2)(Z3+Z4)Ui當(dāng)電橋平衡時(shí)，即Z1Z3=Z2Z4，電橋的輸出U0=0，當(dāng)橋臂阻抗發(fā)生變化時(shí)，引起電橋不平衡，U0將不再為0，通過(guò)U0的變化，可以確定橋臂阻抗的變化。實(shí)際應(yīng)用中，交流電橋常與差動(dòng)式

5、電感傳感器配用，傳感器的兩個(gè)電感線圈作為電橋的兩個(gè)工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈。4、 與非差動(dòng)型性比，差動(dòng)型變磁阻式自感傳感器有什么優(yōu)點(diǎn)？答：具有下列優(yōu)點(diǎn)：a) 線性好；b) 靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號(hào)大一倍；c) 溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減?。籨) 電磁吸力對(duì)測(cè)力變化的影響也由于能相互抵消而減小。5、 什么是差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓？如何消除？答：差動(dòng)變壓器隨銜鐵的位移輸出一個(gè)調(diào)幅波，因而可以用反串電路作為轉(zhuǎn)換電路，即直接將兩個(gè)次級(jí)線圈反向串接，傳感器的空載輸出電壓等于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之差。最常

6、用的差動(dòng)變壓器的轉(zhuǎn)換電路為差動(dòng)整流電路。把兩個(gè)次級(jí)電壓分別整流后，以它們的差為輸出端，這樣，次級(jí)電壓的相位和殘余電壓都不必考慮。6、 什么叫渦流效應(yīng)？答：渦流傳感器的工作原理是渦流效應(yīng)，當(dāng)一塊金屬導(dǎo)體放置在一變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中漩渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，所以稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應(yīng)。7、 壓磁式傳感器的工作原理是什么？答：壓磁式傳感器的工作原理是基于鐵磁材料的壓磁效應(yīng)，它具有輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，過(guò)載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；但測(cè)量精度一般，頻率響應(yīng)較低，常用于冶金、礦山、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)，用于測(cè)力和稱重。近年來(lái)，應(yīng)用逐漸廣泛。8、 為什么說(shuō)感應(yīng)同步器

7、是數(shù)字傳感器？答：感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面繞組的互感系數(shù)隨兩者的相對(duì)位置變化而變化，來(lái)測(cè)量線位移和角位移的傳感器，可以分為直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器。9、 試比較差動(dòng)電感傳感器幾種常用測(cè)量電路的特點(diǎn)。答：差動(dòng)傳感器幾種常用的測(cè)量電路有：變氣隙型、變面積型和螺管型三種。變氣隙型傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，一般用于測(cè)量幾微米至幾百微米的機(jī)械位移。缺點(diǎn)是示值范圍小，非線性嚴(yán)重。變面積型傳感器通?？梢詼y(cè)量到幾秒的微小角位移，輸出的線性范圍一般在±10°左右。螺管型與前面兩種相比，雖然靈敏度低，但是示值范圍大，自由行程可以自由安排，制造裝配也比較方便。10、 比較低頻透射式和高頻反射式

8、渦流傳感器測(cè)厚度的原理有什么不同？答：低頻透射式渦流傳感器：為了較好的測(cè)量厚度，激勵(lì)頻率要選的較低，一般在500Hz。一般地說(shuō)，測(cè)薄導(dǎo)體時(shí)，頻率略高些，測(cè)厚導(dǎo)體時(shí)頻率應(yīng)低些。測(cè)較小的材料（如銅材）時(shí)，應(yīng)選較低的頻率（500Hz），而測(cè)較大的材料（如黃銅、鋁）時(shí)，則選用較高的頻率（2kHz），從而保證在測(cè)不同材料時(shí)，得到較好的線性和靈敏度。高頻反射式渦流傳感器：傳感器和基準(zhǔn)面的距離x是固定的，將被測(cè)物體放在基準(zhǔn)面上以后，可測(cè)出渦流傳感器與被測(cè)物體之間的距離d，于是可以求出被測(cè)物體的厚度h=x-d。作業(yè)題：1、 當(dāng)自感式傳感器結(jié)構(gòu)和材料確定后，電感L為氣隙截面積S及空氣隙長(zhǎng)度的函數(shù)。S固定，可構(gòu)成

9、變氣隙型傳感器。固定，可構(gòu)成變面積型傳感器。2、 變氣隙型電感傳感器靈敏度高，非線性嚴(yán)重，量程較小。變面積型電感傳感器的靈敏度比空氣隙型的低，線性性好，量程較大。螺管型電感傳感器的靈敏度比變面積型的還低，量程大，線性性較好。3、 差動(dòng)電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求是：兩個(gè)磁導(dǎo)體的幾何尺寸完全相同，材料性能完全相同，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸也完全相同。4、 差動(dòng)式的與單線圈的電感傳感器相比，具有線性好、靈敏度提高一倍和測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。5、 交流電橋的平衡條件是Z1Z3=Z2Z4。6、 零位誤差是指輸入為零時(shí)，輸出不為零。減小零位誤差的方法是減小電源中的諧波成分，還可以采用補(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償。7、 根據(jù)

10、電磁場(chǎng)的理論，渦流的大小與導(dǎo)體的電阻率、導(dǎo)磁率、導(dǎo)體厚度t及線圈與導(dǎo)體之間的距離x、線圈的激磁頻率等參數(shù)有關(guān)。改變線圈和導(dǎo)體之間的距離，可以做成測(cè)量位移、厚度、振動(dòng)的傳感器；改變導(dǎo)體的電阻率，可以做成測(cè)量表面溫度、檢測(cè)材質(zhì)的傳感器；改變導(dǎo)體的導(dǎo)磁率，可以做成測(cè)量應(yīng)力、硬度的傳感器，同時(shí)改變x,和，可以對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行探傷。8、 低頻透射式渦流傳感器的測(cè)量原理是：當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈之間放入金屬板后，引起接收線圈感應(yīng)電勢(shì)E2的變化，金屬板的厚度越大，E2就越小。通常，測(cè)薄導(dǎo)體時(shí)，激勵(lì)頻率較高，測(cè)厚導(dǎo)體時(shí)激勵(lì)頻率應(yīng)較低。測(cè)較小的材料時(shí)，應(yīng)選較低的頻率，而測(cè)較大的材料（黃銅、鋁）時(shí)，則選用較高的頻率。9、 渦流傳感器最大的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，應(yīng)用非常廣泛，可以檢測(cè)位移和尺寸、厚度、 轉(zhuǎn)速、溫度和渦流探傷。10、 感應(yīng)同步器的激磁方式有兩種：一種是以滑尺（或定子）激磁，由定尺（或轉(zhuǎn)子