传感器原理课后答案

#从传感器的输出特性可以看出，AL与A5成非线性关系，为改善其非线性，通常采用差动变隙式电感传感器，如题图4—1所示，输出特性表达式为；A55从传感器的输出特性可以看出，AL与A5成非线性关系，为改善其非线性，通常采用差动变隙式电感传感器，如题图4—1所示，输出特性表达式为；A55o将上式与单线圈变隙式传感器相比，若忽略非线性项，其灵敏度提高一倍，若保留一项非线性项，则单线圈式AL二2二L-，而差动式0a5由于50<<1，因此，差动式的线性度得到明显改善。3.差动变压器式传感器有几种结构形式？各有什么特点？答：差动变压器式传感器有变隙式差动变压器式和螺线管式差动变压器式传感器二种结构形式。变隙式差U0动变压器传感器的输出特性为WUa52・j・AoW510yw，输出电压与2叫比值成正比，然而’2叫比值与变压器的体积与零点残余电压有关。应综合考虑;U550与0成反比关系，因此要求0越小越好，但较小的"0使测量范围受到约束，通常在0.5mm左右。螺线管式差动变压器式传感器的输出特性是激励电压U和激磁频率f的函数，理论上，灵敏度K与U、f成正比关系，而实际上由于传感器结构的不对称、铁损、磁漏等因素影响，K与f不成正比关系,一般在400Hz〜10KHz范围内K有较大的稳定值，K与U不论在理论上和实际上都保持较好的线性关系。一般差动变压器的功率控制在1瓦左右，因此U取值在3〜8伏范围之内。为保证传感器有较好的线性度,其测量范围为线圈骨架长度的10到4。因此可以测量大位移范围。差动变压器式传感器的等效电路包括哪些元件和参数？各自的含义是什么？答：差动变压器式传感器在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如题图4—4TOC\o"1-5"\h\z一U、Lr、所示。其中1为初级线圈1a的激励电压，1为初级线圈直流电阻,LrrL1为初级线圈交流电感，2a，2b为两次级线圈直流电阻，2a，L2b为两次级线圈的交流电感。初级线圈与两次级线圈的互感系数为MMWEW1，2，线圈2a的感应电势为2a，线圈2b的感应电势为E2b。题图4-4题图4-4差动变压器式传感器等效电路答：差动电压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。对零点残余电压进行频谱分析，发现其频谱主要由基波和三次谐波组成，基波产生的主要原因是传感器两个次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，三次谐波产生的原因主要是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和，磁滞）所造成的。消除或减小零点残余电压的主要方法有：①尽可能保证传感器几何尺寸，线圈电气参数和磁路的相互对称。②传感器设置良好的磁屏蔽，必要时再设置静电屏蔽。

③将传感器磁回电路工作区域设计在铁芯曲线的线性段。④采用外电路补偿。⑤配用相敏检波测量电路。简述相敏检波电路的工作原理，保证其可靠工作的条件是什么？答：相敏检波电路如题图4—6(a)所示。图VVVV中D1,D2,D3,D4为四个性能相同的二极管。以同一方向串联接成一个闭合回路，U组成环形电桥。输入信号2(差动变压器式传T感器输出的调谐波电压)通过变压器1加入环U形电桥的一个对角线上，参考信号s通过变压T器2加到环形电桥的另一个对角线上，为保证U一一相敏检波电路可靠工作，要求S的幅值要远大U于输入信号2的幅值，以便有效控制四个二极当2>0时，U2与US同频同相。VVD当2>0时，U2与US同频同相。VVD1，D4截止,y"d3导通，则可得题图4—6(b)所示等u0效电路。其输出电压表达式为R-un（R+2R）1L，在U2与U均为负半周时，VD2、VD3截止，VD1、R-UR-U

n（R+2R）1L这说明只R-uL2n\R+2R）nT1L。（1为变压器1的变比）。uVD4导通，则题图4—6(c)所示为等效电路，其输出电压表达式亦为°要位移Ax>0,不论"2与"S是正半周还是负半周，负载电阻*L两端得到的电压始终为正。当Ax<0时,U=U0采用上述相同方法可以得到输出电压0的表达式为u故题图4—6(a)所示相敏检波电路输出电压0的变化规律充分反映了被测位移量的变化规律，即电压数值反映了A"大小，而"0极性则反映了位移A"的方向。已知一差动整流电桥电路如题图4-7所示。电路由差动电感传感ZZRR器1、2及平衡电阻1、2R=R12)组成。桥路的一个U对角接有交流电源i，另一个对U角线为输出端O，试分析该电路题图4-7题图4-7差动整流电桥电路解：题图4一7为差动整流电桥电路，

ZZR二RUCCRR兀1,2为差动电压传感器，12为平衡电阻，i为交流电源，1、2、3、4构成一兀型TOC\o"1-5"\h\z、、U滤波电路，输出电压为0。ZZUVVV①当被测输入量为零时，传感器1与传感器2相等，此时若i为正半周，则D1、D3导通，D2、VIZVRIZVRD4截止，电流1流经1，D3，2，电流2流经2，D1，1，如果四只二极管具有理想U-I-RU-1-R特性（导通时内阻为零，截止时内阻为无穷大），则R121，R212。且如题图4UUU-U-U-0UVVV—7所示R1与R2方向相反，0R1R2。若i为负半周，则D2、D4导通，D1、VI’RVZrrVZU-I'RD3截止，电流1流经1，D2，1，而电流2流经2，D4，2，此时R111，U-1RUUU-U-U-0R222，且如图所示R1与R2方向相反，0R1R2。TOC\o"1-5"\h\zZZUII右=IR力=IR当被测输入量不等于零，且1>2，若i为正半周，此时有1<2，R121>R212，U=U-UUU=_irU=-1rII0R1R2>0。若i为负半周，此时R111，R222，1<2则iJ=UJ-UUU0R1R2>0，即不论i为正半周还是负半周，0输出电压始终为正。zzU=U-U当被测输入量不等于零，且1<2时，采用相同的分析方法同理可得：0R1R2<0，即不UU论i为正半周还是负半周，0输出电压始终为负。U所以该测量电路输出电压幅值反映了被测量的大小，而0的符号则反映了该被测量的变化方向。8.已知变气隙电感传感器的铁芯截面积S=1.5cm2磁路长度L=20cm,相对磁导率卩1一'°°°,6=0.5ax-+01u=4兀x10-7w-3000气隙0cm，-+mm,真空磁导率H/m,线圈匝数W—，求单端式传感器的灵敏度AA5。若做成差动结构形式，其灵敏度将如何变化？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灵敏度：AL-灵敏度：AL-3.5x10-3A60.1x10-3-35接成差动结构形式，则A6灵敏度提高一倍。7．何谓涡流效应？怎样利用涡流效应进行位移测量？答：块状金属导体置于变化着的磁物中，或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流，所产生电涡流的现象称为电涡流效应。电涡流式传感器的测试系统由电涡流式传感器和被测金属两部分组成。当线圈中通以交变电流I1时，Hiih其周围产生交变磁物1，置于此磁物中的导体将感应出交变电涡流2，2又产生新的交变磁物2，HHzZ2的作用将反抗原磁物1，导致线圈阻抗Z发生变化，Z的变化完全取决于导体中的电涡流效应，而电涡流效应既与导体的电阻率P,磁导率卩，几何尺寸有关，又与线圈的几何参数、线圈中的激磁电流频率f有关，还与线圈和导体间的距离x有关，因此，可得等效阻抗Z的函数差系式为Z=F（P卩rfX）（）式中r为线圈与被测体的尺寸因子。以上分析可知，若保持P，卩，丫，f参数不变，而只改变X参数。则Z就仅仅是关于X单值函数。测量出等效阻抗Z，就可实现对位移量X的测量。8．电涡流的形成范围包括哪些内容？它们的主要特点是什么？答：电涡流的形成范围包括电涡流的径向形成范围、电涡流强度与距离的关系和电涡流的轴向贯穿深度。r电涡流的径向形成范围的特点为：①金属导体上的电涡流分布在以线圈轴线为同心，以（1.8〜2.5）asr为半径的范围之内（as为线圈半径），且分布不均匀。②在线圈轴线（即短路环的圆心处）内涡流密度为r=r零。③电涡流密度的最大值在as附近的一个狭窄区域内。电涡流强度与距离X呈非线性关系。且随着X的增加，电涡流强度迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在ras=0.05〜0.15的范围内才具有较好的线性度和较高的灵敏度。电涡流的轴向贯穿深度按指数规律分布，即电涡流密度在被测体表面最大，随着深度的增加，按指数规律衰减。9．电涡流传感器常用测量电路有几种？其测量原理如何？各有什么特点？答：电涡流传感器常用的测量电路有：调频式测量电路和调幅式测量电路二种。第五章1•根据工作原理可将电容式传感器分为那几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？答：根据电容式传感器的工作原理，电容式传感器有三种基本类型，即变极距（d）型（又称变间隙型）、变面积（A）型和变介电常数（&）型。变间隙型可测量位移，变面积型可测量直线位移、角位移、尺寸，变介电常数型可测量液体液位、材料厚度。电容式传感器具有以下特点：功率小，阻抗高，由于电容式传感器中带电极板之间的静电引力很小，因此，在信号检测过程中，只需要施加较小的作用力，就可以获得较大的电容变化量及高阻抗的输出；动态特性良好，具有较高的固有频率和良好的动态响应特性；本身的发热对传感器的影响实际上可以不加考虑；可获取比较大的相对变化量；能在比较恶劣的环境条件下工作；可进行非接触测量；结构简单、易于制造；输出阻抗较高，负载能力较差；寄生电容影响较大；输出为非线性。2.如何改善单极式变极距型传感器的非线性？

答：采用差动式结构，可以使非线性误差减小一个数量级。5－3图5—7为电容式液位计测量原理图。请为该测量装置设计匹配的测量电路，要求输出电压U0与液位电压U0与液位h之间呈线性关系。2Kh(e-8)11nD图5-7电容式液位变换器结构原理图2兀h(8-8)2耐H解：电容式液位计的电容值为：C=C+1，其中C0=0D0DIn1ndd可见C与液面高度h呈线性关系。可以看出，该结构不宜做成差动形式，所以不宜采用二极管双T形交流电桥，也不宜采用脉冲宽度调制电路。另外要求输出电压Uo与液位h之间呈线性关系，所以不宜采用调频电路和运算放大器式电路。电阻R的并联，R上的电压为U0,则有:V电阻R的并联，R上的电压为U0,则有:VCReVdD3CdTU=RI=RfAE(C-C)0xdE2T—1・T■HE1环形二极管电容测量电路原理图其中，Cx为电容式液位计的电容值，f为方波的频率，AE=E2-E1为方波的幅值，Cd为平衡电容传感器初始电容的调零电容。当h=0E1环形二极管电容测量电路原理图2兀8HC=C=，则输出电压U与d0D01nd液位h之间呈线性关系。第六章压电式传感器1.什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效应？答：某些电介质在沿一定的方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。这种机械能转化成电能的现象，称为“顺压电效应”反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为“逆压电效应”在石英晶体中，通常把沿电轴X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”2.压电式加速度传感