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(dòng)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(dòng)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(xiàng)，其靈敏度提高一倍，若保留一項(xiàng)非線性項(xiàng)，則單線圈式AL二2二L-，而差動(dòng)式0a5由于50<<1，因此，差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。3.差動(dòng)變壓器式傳感器有幾種結(jié)構(gòu)形式？各有什么特點(diǎn)？答：差動(dòng)變壓器式傳感器有變隙式差動(dòng)變壓器式和螺線管式差動(dòng)變壓器式傳感器二種結(jié)構(gòu)形式。變隙式差U0動(dòng)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(diǎn)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(cè)量范圍受到約束，通常在0.5mm左右。螺線管式差動(dòng)變壓器式傳感器的輸出特性是激勵(lì)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(shí)際上由于傳感器結(jié)構(gòu)的不對(duì)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(shí)際上都保持較好的線性關(guān)系。一般差動(dòng)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(cè)量范圍為線圈骨架長(zhǎng)度的10到4。因此可以測(cè)量大位移范圍。差動(dòng)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(dòng)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(jí)線圈1a的激勵(lì)電壓，1為初級(jí)線圈直流電阻,LrrL1為初級(jí)線圈交流電感，2a，2b為兩次級(jí)線圈直流電阻，2a，L2b為兩次級(jí)線圈的交流電感。初級(jí)線圈與兩次級(jí)線圈的互感系數(shù)為MMWEW1，2，線圈2a的感應(yīng)電勢(shì)為2a，線圈2b的感應(yīng)電勢(shì)為E2b。題圖4-4題圖4-4差動(dòng)變壓器式傳感器等效電路答：差動(dòng)電壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。對(duì)零點(diǎn)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(gè)次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)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(diǎn)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(duì)稱。②傳感器設(shè)置良好的磁屏蔽，必要時(shí)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(jì)在鐵芯曲線的線性段。④采用外電路補(bǔ)償。⑤配用相敏檢波測(cè)量電路。簡(jiǎn)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(gè)性能相同的二極管。以同一方向串聯(lián)接成一個(gè)閉合回路，U組成環(huán)形電橋。輸入信號(hào)2(差動(dòng)變壓器式傳T感器輸出的調(diào)諧波電壓)通過(guò)變壓器1加入環(huán)U形電橋的一個(gè)對(duì)角線上，參考信號(hào)s通過(guò)變壓T器2加到環(huán)形電橋的另一個(gè)對(duì)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(hào)2的幅值，以便有效控制四個(gè)二極當(dāng)2>0時(shí)，U2與US同頻同相。VVD當(dāng)2>0時(shí)，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(shí)，VD2、VD3截止，VD1、R-UR-U

n（R+2R）1L這說(shuō)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(shí),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(cè)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(dòng)整流電橋電路如題圖4-7所示。電路由差動(dòng)電感傳感ZZRR器1、2及平衡電阻1、2R=R12)組成。橋路的一個(gè)U對(duì)角接有交流電源i，另一個(gè)對(duì)U角線為輸出端O，試分析該電路題圖4-7題圖4-7差動(dòng)整流電橋電路解：題圖4一7為差動(dòng)整流電橋電路，

ZZR二RUCCRR兀1,2為差動(dòng)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(cè)輸入量為零時(shí)，傳感器1與傳感器2相等，此時(shí)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(xiǎn)-I-RU-1-R特性（導(dǎo)通時(shí)內(nèi)阻為零，截止時(shí)內(nèi)阻為無(wú)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(shí)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(cè)輸入量不等于零，且1>2，若i為正半周，此時(shí)有1<2，R121>R212，U=U-UUU=_irU=-1rII0R1R2>0。若i為負(fù)半周，此時(shí)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(cè)輸入量不等于零，且1<2時(shí)，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(cè)量電路輸出電壓幅值反映了被測(cè)量的大小，而0的符號(hào)則反映了該被測(cè)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(zhǎng)度L=20cm,相對(duì)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(dòng)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(dòng)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(cè)量？答：塊狀金屬導(dǎo)體置于變化著的磁物中，或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(cè)試系統(tǒng)由電渦流式傳感器和被測(cè)金屬兩部分組成。當(dāng)線圈中通以交變電流I1時(shí)，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(cè)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(cè)量出等效阻抗Z，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量X的測(cè)量。8．電渦流的形成范圍包括哪些內(nèi)容？它們的主要特點(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(cè)量位移時(shí)，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(cè)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(cè)量電路有幾種？其測(cè)量原理如何？各有什么特點(diǎn)？答：電渦流傳感器常用的測(cè)量電路有：調(diào)頻式測(cè)量電路和調(diào)幅式測(cè)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(diǎn)？各適用于什么場(chǎng)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(cè)量位移，變面積型可測(cè)量直線位移、角位移、尺寸，變介電常數(shù)型可測(cè)量液體液位、材料厚度。電容式傳感器具有以下特點(diǎn)：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(hào)檢測(cè)過(guò)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(dòng)態(tài)特性良好，具有較高的固有頻率和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；本身的發(fā)熱對(duì)傳感器的影響實(shí)際上可以不加考慮；可獲取比較大的相對(duì)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(cè)量；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)式結(jié)構(gòu)，可以使非線性誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。5－3圖5—7為電容式液位計(jì)測(cè)量原理圖。請(qǐng)為該測(cè)量裝置設(shè)計(jì)匹配的測(cè)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(jì)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。可以看出，該結(jié)構(gòu)不宜做成差動(dòng)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(yùn)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(cè)量電路原理圖其中，Cx為電容式液位計(jì)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(cè)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(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)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(chǎng)或電壓，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，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