2019年传感器综合题

1、1.如图为二极管环形检波测量电路。C1和C2为差动式电容传感器，C3为滤波电容，RL为负载电阻，Ro为限流电阻，Up为正弦波信号源。设Rl很大，并且C3AAe1,C3AAe2。（1）试分析此电路工作原理；（2）画出输出端电压U AB在Ci =C2、Ci C2、Ci C2三种情况下波形；（3）推导Uab = f （Ci，C2）的数学表达式。解：（1）工作原理：Up为交流信号源，在正、负半周内电流的流程如下正半周：F点 TC1T D1T C3、RL（A点）T B点（IJF点 T C2 T D3 T E点 T Ro T B点负半周：B 点 T C3、Rl T A 点 T D2 T C2 T F 点（

2、I 2）B点 T R0 T E点 T D4 T C1T F点由以上分析可知：在一个周期内，流经负载 RL的电流I 与C1有关，|2与C2有关。因此每 个周期内流过负载电流是 |1 +I 2的平均值，并随C1和C2而变化。输出电压 Uab可以反映 C1和C2的大小。（2）输出端电压Uab在C1 =C2、C1 AC2、C1 U68,则120;而当衔铁在零位以下时，则有U24 168,则U2 0。二12的有效值大小反映了位移的大小，从而利用式可以反求加速度的大小；12正负表示衔铁位移的方向，即振动的加速度方向。法二：相敏检波电路输入信号U2（差动变压器式传感器输出的调幅波电压）通过变压器Ti加到环形

3、电桥的一个对角线上。参考信号 Us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。输出彳t号Uo从变压器Ti与T2的中心抽头引出。平衡电阻R起限流作用，以避免二极管导通时变压器 T2的次级电流过大。 R为负载电 阻。Us的幅值要远大于输入信号 U2的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且Us和差动变压器式传感器激磁电压 U1由同一振荡器供电， 保证二者同频同相（或反相）。根据变压器的工作原理，考虑到Q M分别为变压器T1、T2的中心抽头，则采用电路分析的基本方法，可求得图4-19 （b）所示电路的输出电压uo的表达式UoRLU22RlUini(R 2Rl)当U2与us均为负半周时：二极管 Vd

4、2、VD3截止，VD1、Vd4导通。(c)所示。输出电压 uo表达式与式(4-38)相同。说明只要位移 /正半周还是负半周，负载电阻R_两端得到的电压uo始终为正。当A x0,不论U2与us是Uo表达式总是为(c)(d )(e)uoR.U2ni(R 2Rl).xo波形图(a)被测位移变化波形图；(b)差动变压器激磁电压波形(c)差动变压器输出电压波形(d)相敏检波解调电压波形;(e)相敏检波输出电压波形二U2的有效值大小反映了位移的大小，从而利用式可以反求加速度的大小；U2正负表示衔铁位移的方向，即振动的加速度方向。3./、/R3 R,1RXI如上图所示为一悬臂梁式测力传感器结构示意图，在其中

5、部的上、下两面各贴两片电阻 TOC o 1-5 h z .一,八1 .应变片。已知弹性兀件各参数分别为：l=25cm； t=3mm； x= l ； W=6cm；2 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 5 _E =70 x10 Pa ；电阻应变片灵敏度系数 K =2.1 ,且初始电阻阻值（在外力 F为0时）均为 R0 =1200 。（1）设计适当的测量电路，画出相应电路图；（2）分析说明该传感器测力的工作原理（配合所设计的测量电路）；（3）当悬臂梁一端受一向下的外力F =0.5N作用时，试求此时四个应变片的电阻值（提示：外=6（二?5）；WEt（4

6、）若桥路供电电压为直流 10v时，计算传感器的输出电压及其非线性误差。解：（1）采用全桥电路：（2）当传感器弹性元件悬臂梁受到外力F作用时，将产生一定形变从而引起粘贴在其上的四个应变片（两个受拉，另两个受压）发生相应应变，致使其中两个应变片阻值增加，另两个应变片阻值减小。 将四个应变片接入所设计的全桥电路中，从而将电阻值的变化转换成为电桥电压输出，输出电压 U0的大小间接反映了被测外力 F的大小，如此实现了对外力F的测量。(3)；x6(l -x) F2 F WEt6(25 1o2 -o.5 25 1。/)253 2 o.5 = o.o9926 1o 7o 1o (3 1o )Ro=K ;x =

7、2.1 o.o992 =o.21电阻变化量iR=o.21Ro =o.21m12。=25.2().四个应变片的电阻值变为:R = R3 = RoR =120 25.2 = 145.2()R2 =R4 uR0 - R =120-25.2=94.8()(4)当桥路供电电压为直流 10v时，则输出电压为:UoRiR2RR4R2R3RoRRo - RRoR Ro - RRo - RRoR出 ,、Ui =o.21 1。=2.1(v)Ro非线性误差为：L = o4. 1、闭磁路变隙式差动变压器在忽略铁损、漏感及变压器次级开路的条件下，其等效电路可用下图表示。图中r1a与L1a、r1b与L1b，r2a与122

8、、r2b与L2 b分别为两个初级绕组和两个次级绕组的直流电阻与电感。两个初级绕组的线圈匝数都是 W ,两个次级绕组的线圈匝数都是W2 ,衔铁与上下铁芯的间隙分别是6a,$b, ria Lia ,化Lib ,不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响时，对该电路进行分析后得到变隙式差动变压器输出电压U O-b - - a W2 ,- U i oUir1a1bE 2 aL1bL1aL2aMaE2bI L2br2bUoRl(1)分析衔铁在不同位置时，闭磁路变隙式差动变压器的输出特性。并根据其输出特性,说明它是如何实现位移测量的。(2)给出该变隙式差动变压器的灵敏度表达式，并指出如果在实际测量中要提高灵敏度,可以采

9、取哪些措施。(3)实际的输出特性中会存在零点残余电压，分析其产生的原因并指出消除零点残余电压的办法。2、请设计两种利用热电偶测量 2点平均温度的方法。要求画出相应的线路联结图，分别简要说明其工作原理，并指出各自的优、缺点。1、解:(1) U O当衔铁在初始平衡位置，,1a = Ib当被测物体带动衔铁移动，若上移 6 (且假设上移为正)% = 60 + 每，代入式中，可得闭磁路变隙式差动变压器输出特性: 6,负号表示衔铁位0W2W2 U式表明：在进行位移测量时，UO的大小正比于衔铁位移量移的方向(上移时，学定义为正，表明UO与Ui反相；下移时,0UOUi 同相)。(2)灵敏度表达式： K = U

10、O = W2 U!Wi 0实际测量中要提高灵敏度，可以采取的措施：适当提高电源幅值(但应在铁芯不饱和及允许温升范围内)，提高W2 /W|的比值，尽量减小 每0。(3)零点残余电压产生主要原因：变压器的电气参数和几何尺寸不对称，磁性材料的非 线性。消除零点残余电压的办法主要有：工艺上保证磁路、线圈对成，铁芯均匀，线圈绕线 均匀；在输出回路中用串/并电阻、电容的方法进行电路补偿。2、解：两热电偶并联两热电偶串联(1)在并联方式中，伏特表得到的电势为2个热电偶的热电势的平均电势，即它已经自动得到了 2个热电势的平均值，查表即可得到两点的平均温度。该方法的优点：快速、高效、自动，误差小，精度高。缺点：

11、当其中有一个热电偶损坏后，不易立即发现，且测得的热电势实际上只是某一个热点偶的。(2)在串联方式中，伏特表得到的电势为环路中2个热电偶的总热电势，还要经过算术运算求平均值，再查表得到两点的平均温度。该方法的优点：当其中有一个热 电偶损坏后，可以立即发现；可获得较大的热电势和提高灵敏度。缺点：过程较复杂，时效性低，在计算中，易引入误差，精度不高。弹簧，d2上 质量块/固定电极差动式电容加速度传感器结构C2输0 出C 端5.差动式电容加速度传感器结构如上图所示。它有两个固定极板（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为作为动极板（与壳体电连接）。设计适当的测

12、量电路，详细说明该结构配合测量电路实现加速度测量的工作原理，所有结论的得出必须要有理论依据（给出必要的公式推导）。解：根据题意，当传感器壳体随被测对象在垂直方向作直线加速运动时，质量块因惯性相对静止，因此将导致固定电极与动极板间的距离发生变化，一个增加、另一个减小。 从而影响两个电容器的电容量，形成差动结构。对于差动平板电容，通过分析有：C c：d 2Co do又根据位移与加速度的关系可得出：12S = d = 1 at2式中：S位移；a加速度；t运动时间。联立上两式得到：C d at22Co do do由此可见，此电容增量正比于被测加速度。测量电路可选用： 方法一：采用脉冲宽度调制电路脉冲宽

13、度调制电路原理图Uo脉冲宽度调制电路如上图所示。图中C1、C2为差动式电容传感器。双稳态触发器在某一状态有： Q =1 （高电平）、Q =0 （低电平），此时，A点高电位， uA经R1对电容C1充电，使uM升高。当忽略双稳态触发器的输出电阻，并认为二极管D的反向电阻无穷大时，充电时间常数为 h = R1cl。充电直到M点电位高于参比电位Ur ,即Um a Ur ,比较器A输出正跳变信号，激励触 发器翻转，将使 Q=0 （低电平）、Q=1 （高电平），这时A点为低电位，C1通过。迅速 放电至0电平；与此同时，B点为高电位，通过 R2对C2充电，时间常数变为 工2 = R2c2, 直至N点电位高于

14、参比电位 Ur ,即Un Ur ,使比较器A2输出正跳变信号，激励触发器发 生翻转，重复前述过程。如此周而复始，Q和Q端（即A、B两点间）输出方波。对电容Ci、C2分别充电至Ur时所需的时间分别为：T1 = R1G InUaUA 一 UrT2 = R2C2 In UBUB -Ur=R2c2 In - Ua - Ur丁1=丁2,两个电容器的充电过程完全一当差动电容C1 =C2时，由于R| = R2 ,因此,0。样，A B间的电压Uab为对称的方波，其直流分量（平均电压值）为当差动电容c1 #c2时，假设c1 c2,则c1充电过程的时间要延长、c2充电过程的时间要缩短，导致时间常数12,此时UAB

15、的方波不对称。当矩形电压波通过低通滤波器后，可得出Uab的直流分量（平均电压值）不为0,而应为:U0=（ Uab）dc =Ua -UbT1+T2UAmUT1+T2RgUAm-R2c2UBmR1C1R2c2式中:UAm、UBm一分别为UA、UB的幅值。由于R = R ,设UAm =UBm =Um,则上式变为:对于变极距型:U0= ( uAB )DCC1 -C2 u mCiC2U0d2 didid2当差动电容 Ci=C2 = C。时，即di=d2=d时，u=0；如果Ci不等于C2 ,假设Ci aCz,即 di =d0 Ad , d2=d0+Ad,则:.：dU0 = - Umd0对于 Ci C2,即

16、 di =d0 +Ad , d2 =d0-Ad ,则:dU0 = - - U md0可见：u0与Ad为线性关系。方法二：采用 二极管双T型交流电桥(d)二极管双T型交流电桥特性完全相同的二极管,二级管双T型交流电桥如上图所示。高频电源e提供幅值为E的方波，Di、6为两个R = R2 = R, Ci、C2为传感器的两个差动电容。(i)当传感器没有输入时，G = C2电路工作原理：当电源 e为正半周时，D导通、6截止，即对电容 G充电，其等效电路 如图c所示。然后在负半周时， 电容G上的电荷通过电阻 R、负载电阻RL放电，流过负载 的电流为Ii。在负半周内，口导通，D截止，X电容C2充电，其等效电

17、路如图 d所示。随 后出现正半周时， C2通过电阻R2、负载电阻RL放电，流过 R的电流为12。根据上述条件，则电流Ii = % ,且方向相反，在一个周期内流过Rl的平均电流为0。(2)当传感器有输入时，G #C2此时，Ii # I2 ,此时Rl上必定有信号输出，其输出在一个周期内的平均值为:Uo =IlRl =T j ii(t) -I2(t)dt Rl：R Rl E f (CC2)(R rl)212式中:f 电源频率。在Rl已知的情况下，上式可改写为:Uo ： M E f U68 , 贝U U2 0；而当衔铁在零位以下时，则有 U24U68，贝U U2 0,不论U2与Us是正 半周还是负半周

18、，负载电阻Rl两端得到的电压Uo始终为正。当Ax0时：U2与Us为同频反相。Uo表达式总是为不论U2与Us是正半周还是负半周，负载电阻 RL两端得到的输出电压uo 二 一n1(R 2Rl)(c)(d )(e)图4-20波.形图(a)被测位移变化波形图(b)差动变压器激磁电压波形 (c)差动变压器输出电压波形(d)相敏检波解调电压波形;(e)相敏检波输出电压波形二U2的有效值大小反映了位移的大小，从而利用式可以反求加速度的大小；U2正负表示衔铁位移的方向，即振动的加速度方向。7.R.U2F如上图所示为一弹性元件为圆柱型的应变式测力传感器结构示意图。已知弹性元件横截面积为S,弹性模量为E,应变片初

19、始电阻值（在外力F=0时）均相等，电阻丝灵敏度系数为K0,泊松比为。1、设计适当的测量电路（要求采用全桥电路） ，画出相应电路图，并推导桥路输出电压U）和外力F之间的函数关系式。（提示：A RR推导过程中可做适当近似处理）2、分析说明该传感器测力的工作原理（配合所设计的测量电路）解:1、RiEi +R,R2U _R1R3-R2R4UR2+R3 J i (Ri +R4IR2 + R3)初始状态(F = 0 )时，R, = R2 = R3 = R4 = R0 ,Uo =0当 F0 时，Ri=R0+ARi,R2=Ro十g2,R3=R+AR3,R=R0+AR4 TOC o 1-5 h z HYPERL

20、INK l bookmark117 o Current Document .M（Ro ）（：R3）-（Ro：R2）（R：R4）L HYPERLINK l bookmark115 o Current Document U o =U（R R1 R . R4）（Ro . R2 Ro . R3）：RR对上式作近似处理，略去分母中AR项及分子中AR高次项，则MRoRoR1RoR3-甫- Ro2- Ro：R4MUo =4RUiR1 +AR3 -AR2 -AR4 U4Ro设轴向应变为4,则径向应变为J；x,由传感器结构示意图可知，当传感器受力F时，应变片 R和R3产生的应变为:而应变片R2和R的应变为：$2

21、又应力:二FESUoF2RoKo 2RoKoJES4RoESUiU i- Ko2（1 J（1）ES）KoUi F2ES2、工作原理：当传感器弹性元件受到沿轴向的外力 元件上的四个应变片 （两个沿轴向粘贴,应变片阻值增加，测量电路输出电压另两个应变片阻值减小。F作用时，将产生一定形变从而引起粘贴在弹性 另两个沿径向粘贴） 发生相应应变，致使其中两个 将四个应变片接入所设计的全桥电路中，经推导,Uo（1 口）KoUi F2ES由上式可见,当N、Ko、E、S及桥路电源电压 Ui 一定时，输出电压U0与外力F成正比，即输出电压Uo的大小反映了被测外力 F的大小，如此实现了对外力 F的测量。应变 ；R1 - R3 = R0 K 0 ； x - R0K0 -ESR2 = R4 = -RoKo/；x = -RoKoJ FES，代入Uo计算式中可得:8.在如图所示的悬臂梁测力系统中，可能用到4个相同特性的电阻应变片