(整理)传感器综合题

精品文档精品文档精品文档精品文档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C3»Ci,C3»C2。（1）试分析此电路工作原理；（2）画出输出端电压UAB在C1=C2、C1>C2、C1<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tC1TD1TC3、RL（A点）tB点（I1）F点TC2TD3TE点TRoTB点负半周：B点TC3、RlTA点TD2TC2TF点（I2）B点TR0TE点TD4TC1TF点由以上分析可知：在一个周期内，流经负载 RL的电流I1与C1有关，I2与C2有关。因此每个周期内流过负载电流是 11+12的平均值，并随6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、C1AC2、C1<C2三种情况下波形如下图所示

(3)I1=j8C1UP因C3K>Ci、C3K>C2,C3阻抗可忽略则I2=jC2UPUAB-(I1'I2)ZABRl=j(CRl=j(Ci-C2)UP1jC3jC31一二Rl很大，所以分母 可忽略jC3Rl=j(CRl=j(Ci-C2)UPCi-C2..二丁UP1jC3Rl— C.—Cc输出电压平均值UAB-KC1 C2UPf\LJ IC3K为滤波系数2.若要你需要用差动变压器式加速度传感器来测量某测试平台振动的加速度。请你：(1)设计出该测量系统的框图，并作必要的标注或说明；(2)画出你所选用的差动变压器式加速度传感器的原理图，并简述其基本工作原理；(3)给出差动变压器式加速度的测量电路图，并从工作原理上详细阐明它是如何实现

既能测量加速度的大小，又能辨别加速度的方向的o解：(1)测试平台振动加速度的测量系统框图测试平台振动加速度的测量系统框图(2)差动变压器式加速度传感器的原理图1一悬臂梁；1一悬臂梁；2一差动变压器(3)差动变压器式加速度的测量电路图为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的， 实际测量时，常常采用差动整流电路或相敏检波电路。法一：差动整流电路把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。下面给出全波电压输出的差动整流电路：全波电压输出的差动整流电路图从上图电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容 G的电流方向总是从2到4,流经电容C2的电流方向总是从6到8,故整流电路的输出电压为

U2=U24-U68当衔铁在零位时，因为124=1658,所以同=0；当衔铁在零位以上时，因为124>出8,则U2>。；而当衔铁在零位以下时， 则有U24<U58,则U2<0。U2的有效值大小反映了位移的大小，从而利用①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U。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 QM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）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UoRlU22_ RlUUoRr ni(R2Rl)2L

当u2与us均为负半周时：二极管VD2、VD3截止，VD1、VD4导通。其等效电路如图4-19(c)所示。输出电压uo表达式与式(4-38)相同。说明只要位移Ax>0,不论U2与us是正半周还是负半周，负载电阻 R_两端得到的电压uo始终为正。当Ax<0时：U2与us为同频反相。不论U2与us是正半周还是负半周，负载电阻 RL两端得到的车出电压uo表达式总是为UoRu2

ni(R2Rl)(c)(e) UoRu2

ni(R2Rl)(c)(e) o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U2的有效值大小反映了位移的大小，从而利用①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。

////、、/、、、R3R,1////、、/、、、R3R,1RXI1^如上图所示为一悬臂梁式测力传感器结构示意图， 在其中部的上、下两面各贴两片电阻1.应变片。已知弹性兀件各参数分别为： l=25cm;t=3mm;x=—l；W=6cm；2一—一5一E=70x10Pa；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Ro=120建。(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,铜一 6(l-x)匚、(提不：x= 2-F)；WEt2(4)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) ；xF的测量。(3) ；x6(l-x)F

WEt26(25102-0.52510立)2 5 3-2610 7010 (310)0.5=0.0992R0=K；x=2.10.0992=0.21电阻变化量TOC\o"1-5"\h\z△R=0.21R)=0.21父120=25.2 (Q)四个应变片的电阻值变为：R1=R3=R°+AR=120+25.2=145.2 (Q)R2=R4=R0—AR=120—25.2=94.8 (◎)(4)当桥路供电电压为直流10v时，则输出电压为:R1R1<R1+R4—―UR2 R3/ R。+AR R。-，RU四十AR+R。_&R_R0_&R+R°+4RJ出,、=——Ui=0.2110=2.1 (v)R0非线性误差为： L=04.1、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 ria与Lia、rib与Lib,「2a与L2a、r2b与L2b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四，两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,「ib««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 UO-b--aW2..Uio、baWlMaQ・E2aL2aMU进行分析后得到变隙式差动变压器输出电压 UO-b--aW2..Uio、baWlMaQ・E2aL2aMUiL2b—1—[E2bribr2b「la+U(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(1)Uo,b'aWl当衔铁在初始平衡位置， 6a=%=60,则Uo=0；当被测物体带动衔铁移动，若上移△6当被测物体带动衔铁移动，若上移△6(且假设上移为正)，则；a='0一缸=60+△每，代入①式中，可得闭磁路变隙式差动变压器输出特性:二,W2,,,

Ui△6—,负号表示衔铁位'0△6—,负号表示衔铁位'0②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， 丝定义为正，表明UO与U；反相；下移时，笑则为—竺0 0 0Uo与U；同相)。(2)灵敏度表达式： K=UO=W2匕.…Wi0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/W1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：+ ++ABB++ ++ABB+AV-B两热电偶串联两热电偶并联(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：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，个执I个执I八、、差动式电容加速度传感器结构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：Cc：d——2——

Codo又根据位移与加速度的关系可得出：, 1 2S=d=-at2式中：S—位移；a—加速度；t—运动时间。联立上两式得到：C「dat2

2Cododo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

脉冲宽度调制电路原理图Uo脉冲宽度调制电路原理图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Ri对电容Ci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UmAUr,比较器A1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f2=R2c2,直至N点电位高于参比电位Ur,即Un>Ur,使比较器&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C1、C2分别充电至Ur时所需的时间分别为：二二R1C1InUaUa-UrT2=R2c2InUb=R2c2InUAUb—Ur 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R1丁1=丁2,两个电容器的充电过程完全一样，AB间的电压Uab为对称的方波，其直流分量（平均电压值）为0。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％A%,此时Uab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=(UU0=(UAB)DC=Ua-UbRgUAm-R2c2UbR1C1 R2c2式中:UAm、UBm一分别为Ua、Ub的幅值。由于R=R2,设UAm=UBm=Um,则上式变为:

对于变极距型:U。一(UAB)DC对于变极距型:U。一(UAB)DCCi-'C2 uC1 C2u。d2—di udid2当差动电容C1=C2=C0时，即d1=d2=d。时，u0=0；如果C1不等于C2,假设Ci>C2,即di=d0-id,d2=d0+Ad,则:do对于Ci对于Ci<C2,即di=d0+Ad,d2=d0-Ad,则:u。「umdo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D2

恰

Di

制'2RiRiU-l-c-1D2

恰

Di

制'2RiRiU-l-c-1-i '"，iCiRoRiR2-Q-R2I2RLI2(d)二极管双T型交流电桥二级管双T型交流电桥如上图所示。高频电源二级管双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为两个特性完全相同的二极管， R1=&=RCi、C2为传感器的两个差动电容。(i)当传感器没有输入时， C1=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C1充电，其等效电路如图c所示。然后在负半周时，电容C〔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，又•电容C2充电，其等效电路如图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I2。根据上述条件，则电流Ii=I2,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=T1；bi(t)—i2(t)dtRl.R(R2R_)REf(CC)R RRL'Ef'(CiC2)(RRl)2式中：f—电源频率。在Rl已知的情况下，上式可改写为：U0：MEf(C1-C2)式中：M=^^Rl(常数)(r+rl)2可知：输出电压Uo不仅与电源电压的幅值和频率有关，也与T型网络中的电容Ci、C2的差值有关。当电源确定后(即电压的幅值E和频率f确定)，输出电压U0就是电容C1、C2的函数。6.若要你需要用差动变压器式加速度传感器来测量某测试平台振动的加速度。请你:(1)设计出该测量系统的框图，并作必要的标注或说明；(2)画出你所选用的差动变压器式加速度传感器的原理图，并简述其基本工作原理；(3)给出差动变压器式加速度的测量电路图，并从工作原理上详细阐明它是如何实现既能测量加速度的大小，又能辨别加速度的方向的。解：(1)测试平台振动加速度的测量系统框图(2)差动变压器式加速度传感器的原理图ii一悬臂梁；2一差动变压器(3)差动变压器式加速度的测量电路图为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的， 实际测量时，常常采用差动整流电路或相敏检波电路。法一：差动整流电路把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。下面给出全波电压输出的差动整流电路：全波电压输出的差动整流电路图从上图电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容 C1的电流方向总是从2到4,流经电容C2的电流方向总是从6至IJ8,故整流电路的输出电压为U2虫4-“8当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0;当衔铁在零位以上时，因为U24>U68,则U2>0;而当衔铁在零位以下时，则有 U24<U68，贝UU2<0。U2的有效值大小反映了位移的大小，从而利用①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。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T1加到环形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。 输出信号uo从变压器T1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。RL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O、M分别为变压器Ti、T2的中心抽头，则:usi=Us2根据变压器的工作原理，考虑到O、M分别为变压器Ti、T2的中心抽头，则:usi=Us2us2n2u21=u22ui2n1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uoRLu22rr2RlRlUi

ni(R2R)4-19当u2与Us均为负半周时：二极管VD2、VD3截止，VD1、VD4导通。其等效电路如图4-19(c)所示。输出电压Uo表达式与式(4-38)相同。说明只要位移Ax>0,不论u2与Us是正半周还是负半周，负载电阻 Rl两端得到的电压uo始终为正。当Ax<0时：U2与Us为同频反相。Uo表达式总是为(c)(d)(e)RLU2UoUo表达式总是为(c)(d)(e)RLU2Uo=n1(R2Rl)图4-20波.形图不论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(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U2的有效值大小反映了位移的大小，从而利用①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.

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：AR<<R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: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:初始状态（F=0）时，R1=R2=R3=R4=R0,当F#0时，R1=R0+Ar1? R2=R0 +AR2, R3=R0+AR3, R4=R0+AR4

Uo（Ro.：Ri）（Ro.）—（Ro.R2UoTOC\o"1-5"\h\z（Ro R1 R0 . R4）（R0 . R2 R0 . R3）R<<R对上式作近似处理，略去分母中AR项及分子中AR高次项，则2 2UiRo R0LR1 R0lR3 - R0 - R0lR2 - Rol R4Ui4R2R1 R1 R3-.：R2-R44r0Ui设轴向应变为4,设轴向应变为4,则径向应变为-国由传感器结构示意图可知，当传感器受力F时，应变片R1和R3产生的应变为:而应变片~而应变片~2和~4的应变为：名2应力；二二—FESFES应变；x=wRi= R3=RoK0；x=RoK°EslR2=R4=-RoKo/；x=-RoKo」ES代入Uo计算式中可得:TOC\o"1-5"\h\zF 1F2RoKo2RoKoJES ESu4Ro