傳感器與測試技術作業(yè)題第六章

1、 5/5傳感器與測試技術作業(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？ 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)制成一個齒輪（或凸輪）與被測物體相連而連動，在運動中齒輪（或凸輪）不斷改變磁路的磁阻，從而改變了線圈的磁通，在線圈中感應出電動勢。這種類型的傳感器在結(jié)構(gòu)上有開磁路和閉磁路兩種，一般都用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度，產(chǎn)生感應電勢的頻率作為輸出，感應電動勢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，當殼體隨被測物體一起振動時，由于彈性元件較軟而運動部件

2、質(zhì)量相對較大，因而有較大慣性，來不及跟隨振動體一起振動，振動能量幾乎全部被彈性元件吸收，永久磁鐵與線圈之間產(chǎn)生相對運動，線圈切割磁力線，從而產(chǎn)生感應電動勢。 2、簡述磁電感應式傳感器的工作原理，磁電感應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物體吸收機械能并轉(zhuǎn)換成電信號輸出，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、轉(zhuǎn)速、扭矩的測量。 3、利用磁電感應式傳感器的工作原理，設計一個測量主軸轉(zhuǎn)速的傳感器，并說明如何將其作為數(shù)字傳感器使用。 答：測量轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)軸與被測轉(zhuǎn)軸鏈接，從而帶

3、動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)子的齒與定子的齒相對時氣隙最小，磁路中磁通最大，當兩者的齒與槽相對時，氣隙最大，磁路中磁通最小。因而當定子不動而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，磁通就周期性的變化，從而在線圈感應出近似正弦的電感信號，感應電勢頻率。 4、可否利用磁電感應式傳感器來測流量？簡述其工作原理。 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，當導電流體沿測量管在磁場中與磁力線成垂直方向運動時，導電流本切割磁力線而產(chǎn)生感應電動勢，其值可用下式表示： 流經(jīng)測量管流體的瞬時流量與流速的關系為 6-8 式中，測量管內(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，當傳感器參數(shù)確定后，

4、儀表常數(shù)是一定值，感應電勢正與流量Q成正比。 5、什么是霍爾效應？簡述霍爾電流表和霍爾場強計的工作原理。 答：金屬或半導體薄片兩端通以控制電流，在與薄片方向上施加磁感應強度 為的磁場，那么在垂直于電流和磁場方向的薄片的另兩側(cè)會產(chǎn)生電動勢， 的大小正比于控制電流和磁感應強度，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應，利用霍爾效應制成的傳感元件稱霍爾傳感器。 霍爾鉗形電流表的探頭實用環(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，在載流導體周圍會產(chǎn)生一正比于該電流的磁場，用霍爾元件來測量這一磁場，其輸出的霍爾電勢正比于該磁場，通過對磁場的測量可間接測得電流的大小。由霍爾元件構(gòu)成的電流傳感器為非接觸式測量，測量

5、精度高，不必切斷電路電流，測量范圍廣，本身幾乎不消耗電路功率。 磁場測量的方法很多，其中應用比較普遍的是以霍爾元件做探頭的特斯拉計。鍺和砷化鎵的霍爾電勢溫度系數(shù)小，線性范圍大，適于做測量磁場的探頭。把探頭放在待測磁場中，探頭的磁敏感面與磁場方向垂直，控制電流恒定，則霍爾輸出電勢U H正比于磁場B，故可以利用它來測量磁場。 6、霍爾系數(shù)的物理意義是什么？為什么用半導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，半導體材料（尤其是N型半導體）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？如何補償？ 答：

6、不等位電勢：在額定控制電流作用下，無外加磁場時，由于材料電阻率的不均勻，兩個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。要完全消除霍爾元件的不等位電勢很困難，一般要求 。 8、什么是霍爾元件的磁阻效應？磁阻效應應對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）電阻與磁場之間的關系，霍爾元件的內(nèi)阻隨磁場的絕對值增加而增大，這種現(xiàn)象稱磁阻效應。霍爾元件的磁阻效應使霍爾輸出降低，尤其在強磁場時，輸出降低較多，應想辦法予以補償。 9、請畫出兩種霍爾元件的驅(qū)動電路，簡述其優(yōu)缺點。 答： 對霍爾元件可采用恒流驅(qū)動或恒壓驅(qū)動，恒壓驅(qū)動電路簡單，但性能較差，隨

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

8、靜態(tài)磁頭的信號處理方法和動態(tài)磁頭的信號處理方法。 12、磁柵式傳感器的誤差是哪些因素引起的，磁柵式傳感器可應用于哪些場合。答：磁柵式傳感器的誤差包括零位誤差和細分誤差。 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漂移； d)外界磁場干擾。 細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幅度不相等； b) 兩個磁頭在空間位置偏離正交較遠； c) 兩個磁頭參數(shù)不對稱引起的誤差； d) 磁場高次諧波分量和感應電勢高次諧波分量的影響。 磁柵式傳感器目前有以下兩個方面的應用： a) 可以作

9、為高精度測量長度和角度的測量儀器。 b) 可以作為自動控制系統(tǒng)中的檢測元件（線位移）。 作業(yè)題： 1. 導體在磁場中運動切割磁力線，導體兩端會出現(xiàn)感應電動勢E ，閉合導體回 路中感應電動勢e=-N dt d ；當線圈垂直于磁場方向切割磁力線時，感應電動勢e=-NBlv ；若線圈以角速度轉(zhuǎn)動，、則感應電動勢e=-NBS 。 2. 只要線圈磁通量發(fā)生變化，就有感應電動勢產(chǎn)生，其實現(xiàn)的主要方法有線圈與磁場發(fā)生相對運動，磁路中磁阻變化，恒定磁場中線圈面積變化。當傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，感應電動勢e 與線圈相對磁場的運動速度v 或成正比。所以，可用磁電式傳感器測量線速度和角速度，對測得的速度進行積分或微分

10、就可求出位移和加速度。 3. 磁電式傳感器直接從被測物體吸收機械能并轉(zhuǎn)換成電信號輸出，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、轉(zhuǎn)速、扭矩的測量。 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，當導電流體沿測量管在磁場中與磁力線成垂直方向運動時，導電流體切割磁力線而產(chǎn)生感應電動勢E=B v D ，其中B 是磁感應強度，v 是平均流速，D 是距離，常與測量管內(nèi)徑相等。流經(jīng)測量管流體的瞬時流量Q 與流速v 的關系為Q=v =42 D v 。 5. 在如圖6-9所示的金屬或半導體薄片

11、兩端通以控制電流I ，在與薄片垂直方向上施加磁感應強度為B 的磁場，則在垂直于電流和磁場方向的薄片的另兩側(cè) 會產(chǎn)生大小正比于控制電流I 和磁感應強度B 的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應，利用霍爾效應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E H ，稱為霍爾電場，相應的電勢U H 稱為霍爾電勢?；魻栃漠a(chǎn)生是由于運動電荷受磁場中洛侖磁力作用的結(jié)果。 6. 霍爾電勢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 是磁感應強度（T ）、d 是半導體薄片厚度（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，半導體材料（尤其是N 型半導體）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. 霍爾電勢的大小正比于控制電流I 和磁感應強度B ，靈敏度k H 表示在單位磁感應強度和單位控制電流時輸出霍爾電勢的大小，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。當載流材料和幾何尺寸確定后，霍爾電勢的大小只和I 和B 有關，因此霍爾傳感器可用來探測磁場和電流，由此可測量壓力、振動等。 8. 霍爾元件的輸出與靈敏度有關，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，但太小會使元件的輸入、輸出電阻增加。 9. 當霍爾元件的控制電流采用交流時，由于建立霍爾電勢所需時間很短，因此交流電頻率可高達幾千兆赫，且信噪比較大。當磁場為交變，電流為直流時，由于交變磁場在導體內(nèi)產(chǎn)生渦流而輸出附加霍爾電勢，所以霍爾元件不能在交變頻率為幾千赫的磁場中工作。 10. 對霍爾元件可采用恒流驅(qū)動或恒壓驅(qū)動；恒壓驅(qū)動電路簡單，但性能較差，隨著磁感應強度增加，線性變壞，僅用于精度要求不太高的場合；恒流驅(qū)動線性 度高，精度高，受溫度影響小。

14、11.霍爾元件對溫度的變化很敏感，霍爾元件的輸入電阻、輸出電阻、霍爾電勢等都會隨溫度變化，這將給測量帶來較大的誤差。為了減小由于溫度影響帶來的測量誤差，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、利用輸出回路的負載、利用熱敏電阻等方法進行補償。 12.以霍爾元件做探頭的特斯拉計（或高斯計、磁強計）可用來測量磁場，鍺和砷化鎵器件的霍爾電勢溫度系數(shù)小，線性范圍大，適用于做測量磁場的探頭，把探頭放在待測磁場中，探頭的磁敏感面與磁場方向垂直，控制電流恒定，則霍爾輸出電勢UH正比于磁場B，故可以利用它來測量磁場。進行測量時，采用高導磁的磁性材料（如坡莫合金）集中磁通來增強磁場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、磁頭和檢測電路組成。磁柵是檢測位置的基準尺，尺身的磁性薄膜上預先錄有相同間距的柵狀磁信號，磁頭讀取磁信號。當磁柵與磁頭的相對位置發(fā)生變化時，磁頭的輸出發(fā)生相應變化，將位移量轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過檢測電路轉(zhuǎn)換成脈沖，并以數(shù)字形式顯示出來。磁柵傳感器有長磁柵式和圓磁柵式兩種，分別用來測量線位移和角位移。 14.磁頭的功能是讀取磁柵上記錄信號，可分為靜態(tài)磁頭和動態(tài)磁頭。動態(tài)磁頭僅有輸出繞組，只有與磁柵相對運動才有信號輸出