《自动检测与转换技术》第4章部分练习分析

PAGE3PAGE1《自动检测与转换技术》（“十四五”职业教育国家规划教材）统一书号：ISBN978-7-111-62119-5第四章电涡流传感器思考题与习题分析说明：填空中的“红色文字”以及分析题中的“提示”并不等于就是答案，只是给出了怎样解题的思路和分析方法，给读者一点启发。作者还在有关题目中，增加了一些新的技术和应用型知识。限于篇幅的限制，有的传感器的内容无法在本教材正文中展开来讲的，现在有了这个“思考题与习题分析”，就可以在此展开介绍，希望对读者有一点帮助。展开的知识可能有一部分超过本教材的深度，读者可以上网对照有关资料来理解和提高。希望读者看完本分析之后，就其中的疑难、错误等问题，来信与作者进行探讨，邮箱为liangsen2@126.com，上海电机学院的梁森老师代表作者团队与大家交流。谢谢大家。1．单项选择题1）欲测量镀层厚度，电涡流线圈的激励源频率约为__如果激励源频率低了，涡流的穿透力就变强了（变深了），就可以用于测量金属板的厚度了，而不是镀层厚度了____。而用于测量小位移的螺线管式自感传感器以及差动变压器线圈的激励源频率通常约为___几千Hz___。A．50~100HzB．1~30kHzC.10~50kHzD．100kHz~2MHz2）电涡流接近开关可以利用电涡流原理检测出___铝、铁，但主要用于钢制工件___的靠近程度。A．人体B．水C．黑色金属零件D．塑料零件3）电涡流探头的外壳用___不带电、不导磁，机械强度高的___制作较为恰当。A.不锈钢B.塑料C.黄铜D.玻璃4）当电涡流线圈靠近非磁性导体（铜）板材后，线圈的等效电感L___变小___，调频转换电路的输出频率f=______。（这个式子能否把f和=后面的式子与公式编辑在一起？）A．不变B．增大C．减小5）欲探测埋藏在地下的金银财宝，应选择直径为___有篮球筐那么大的___左右的电涡流探头。欲测量油管表面和细小裂纹，应选择直径为____有手掌这么大__左右的探头。A．0.1mmB．5mmC．50mmD．500mm6）用图5-12b的方法测量齿数Z=60的齿轮的转速，测得f=400Hz，则该齿轮的转速n等于______r/min。A．400B．3600C．24000D2．请查阅电磁炉的资料，简述图4-19中的电磁炉工作原理，包含工作频率、锅具特性等。为什么不能用铝锅作为锅具？图4-19电涡流电磁炉原理1－不锈钢锅体2－微晶玻璃炉面3－磁力线4－线圈5－线圈骨架6－电涡流损耗和磁滞损耗提示：锅具必须采用导磁的金属的原因：电磁炉锅具加热的工作原理是：同时具有“电涡流发热”和“磁滞发热”（磁滞损耗）。工作频率大约是30kHz的中低频。电涡流（教材中已有较大篇幅的论述，此处不再展开讲解）在金属板内流动时，释放出大量的焦耳热。所以电磁炉锅具底部的材料必须是导电的。但是，材料的电阻率又不能太小。我们知道，感应电流所产生的功率P=I2R。如果R太小，P也会较小。磁滞损耗：是指铁磁体等在交变反复磁化过程中，因磁滞现象而消耗能量，是由于导磁体的磁滞回线的面积不为零产生的。磁滞：是指铁磁材料的磁性状态变化时，磁感应强度B滞后于磁场强度H，而B与H之间呈现磁滞回线关系。每单位体积铁磁材料中的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能。图4-01磁滞回线电磁炉中的磁滞发热体现为：铁芯内部的磁畴随着30kHz左右的激磁磁场而高速摆动，产生摩擦，最终体现为热能。磁滞回线包围的面积越大，磁滞损耗越大。电磁炉的锅具必须同时具有导电性和磁滞特性：如果只有电涡流发热，而没有磁滞发热，就达不到电磁炉的设计效率。电磁炉的设计者就认为在这种情况下必须停止电磁炉的工作。所以要求电磁炉的锅具底部既能导电，又能导磁。而且锅具的底部的导电率不能太好（电阻率不能太小），磁滞回线包围的面积也不能太小（会导致迟滞发热太小）。我们知道，变压器的硅铁心的磁滞特性非常好。也就是说，硅铁心的磁滞回线包围的面积很小，在交变磁场中，硅铁心的磁滞发热就较小，这种类型的铁磁材料不能用于电磁炉。为什么304不锈钢不能直接用于电磁炉的锅具：如果用304不锈钢（业内也叫做18/8不锈钢。它的抗腐蚀性能要优于430“不锈铁”，耐腐蚀耐高温，加工性能好。如果经过特殊加工，所含元素的比例符合国家有关标准，也可以称为“食品级不锈钢”，是奥氏体不锈钢的一种）制作锅具，由于304不锈钢是不导磁的，所以304不锈钢锅底发热的效果就较差（只有电涡流发热），放在电磁炉上面就无法启动IGBT的激励信号（电磁炉的微晶玻璃下面，有一个检测锅具是否导磁的传感器），所以304锅具就不会发热。为了能够使用304不锈钢制作电磁炉锅具，就必须在304不锈钢锅子的底部“复合”（紧密贴合）一块圆盘状的导磁性不锈钢薄板（大约2mm厚，属于马氏体不锈钢的一种，可以用“硫酸铜试剂测试法”来判断，可能含有磷、铅、6价铬等），称为“均热盘”，利用“铆接装置”压铆后，“钎焊”复合为一体，从而使均热盘由于磁滞损耗而产生的热量传导到304不锈钢锅体，从而使整个锅具发热（有时候还需要增加导热的铝层），但食物并没有接触锅底最下层导磁的不锈钢均热盘。采购锅具的时候要问清楚能否用于电磁炉，底部是否有电磁炉的标记。不能光是看是否名牌。有一些名牌锅具不能用于电磁炉。为什么不能用铝锅作为锅具：铝锅不导磁，不可能产生“磁滞损耗”，仅有电涡流，发热的效果就比较差（电阻率太小，P=I2R），电磁炉的微晶玻璃板下面的“导磁检测传感器”就给微处理器一个“无锅”信号，IGBT就不工作了（不是说铝金属就不会由于电涡流而发热，而是不让发热效率低的金属用于电磁炉的锅具）。如果不放任何锅具，为什么电磁炉会报警：如果不放任何锅具，电磁炉电路中的IGBT的脉冲电流就会较小（例如小于1A），电流互感器的输出电压就较低，微处理器就停止给IGBT激励信号，就“嘀一声”，产生一个“无锅”报警信号，提示用户放上锅具。再隔两秒钟，微处理器就再检测一次电流，如果电流还是很小，就再报警一次……还有一种检测“无锅”的方法：检测励磁线圈与谐振电容器的谐振周期。无锅时，谐振周期较长，有锅时的谐振周期较短。判定谐振周期的阈值，就能够判定励磁线圈上方是否无锅。如果锅具里头的水被烧干，为什么电磁炉会报警：电磁炉的微晶玻璃下方，励磁线圈的中央位置紧贴有一片热敏电阻。如果锅具里头的水被烧干，微晶玻璃的温度可能上升到180℃以上，热敏电阻的阻值就会增大许多倍（针对于PTC型热敏电阻而言），也有选用NTC热敏电阻，温度上升到阈值之上时，电阻值突然下降，电磁炉电路中的微处理器就判断“锅底过热”，就自动切断IGBT激励信号，并且“嘀一声”，产生一个“过热”报警信号。即使锅具由于自然散热而降低了自身的温度，IGBT也不再恢复工作，这时候使用者可能需要刷一刷被烧得变色的锅了。电磁炉的保护功能很多，功率控制也很容易（控制IGBT的“占空比”），使用方便，智能化程度也较高。不足之处是电路的元件较多，导致故障率比较大，可靠性比较差。功率电路元件、IGBT容易因过电压和过电流而烧毁。电磁炉的电磁辐射和预防：由于电磁炉的励磁线圈产生交流磁场的频率约为20kHz至40kHz，属于中低频电磁场范畴，对人体的伤害大大小于手机等高频辐射。只要电磁炉是正规厂商生产的，并通过国家规定的磁强度测试，在使用中产生的电磁辐射就较小。但是，使用者不宜长时间站在电磁炉的近旁；应尽量避免孕妇、儿童使用电磁炉。使用者与电磁炉的距离大于100mm后，电磁辐射也会快速减小。锅具的直径较大时，产生较好的“屏蔽”效果，电磁泄漏的功率就较小。在批量采购电磁炉时，要向销售商索要“电磁感应强度测试报告”，通过这个报告来对比和选择电磁辐射相对低的电磁炉品牌。3．用一电涡流式测振仪测量某机器主轴的轴向窜动，已知传感器的灵敏度K=25mV/mm。最大线性范围（优于2.5%）为5mm。现将传感器安装在主轴的右侧，如图4-20a所示。使用使用计算机记录下的振动波形如图4-20b所示。问：图4-20电涡流式测振仪测量示意图1）轴向振动xpsint的振幅xp为多少毫米？2）主轴振动的基频f是多少？3）振动波形不是正弦波的原因有哪些？4）为了得到较好的线性度与最大的测量范围，传感器与被测金属的静态安装距离l为多少毫米为佳？解：1）轴向振动xpsint的振幅xp为多少毫米：振幅xp的意思是从“平均值”（零位线）往正的，或者往负的两个方向的最大值，分别称为“正振幅xp+”和“负振幅xp-”。正、负振幅不一定相同，见图4-20。工程中，“振幅”往往是指正的振幅xp+。本题中，从传感器的输出电压的示波器波形看，零位线之上是U+=40mV。当灵敏度K=25mV/mm时，振幅的毫米数xp+等于U+除以K，等于……许多示波器的显示波形包含了仪表输出的直流分量，所谓的“零位线”会随着直流分量的变化而上下漂移的，所以在多数情况下，可以将正的输出电压减去负的输出电压，再除以2，就可以视为振幅所对应的电压。2）主轴振动的基频f是多少：先计算振动的周期T：理论上，从信号往正方向的“过零点”到信号往负方向的“过零点”作为正半周；同理，从信号往负方向的“过零点”到信号回到正方向的“过零点”作为负半周；正、负半周加起来就是周期T。在具有微处理器的A/D转换电路，中可以计算得到周期的数值；利用“过零比较器”和“时钟脉冲”，也能测量出周期是多少。但是，要利用示波器判断所谓的“零位线”是很困难的。例如，图4-20中所标注的“零位线”（虚线）是为了让读者更好地了解有关原理而人为地画出来的。在实际的示波器中，是看不到这根虚线的（示波器的零位线可以人为地上、下调节）。实践中，为了方便地测得周期T，可以观察所显示的信号两个最高值的时间差。本题中，两个最高值的时间差为20ms。但是为什么图4-20中标出了三个最高值的时间差（除以2就是周期）呢？因为这样观察，可以减小目视误差。例如，在示波器上，目视误差大约有1ms。但是，我们观察5个（奇数和偶数都可以）最高值的时间误差仍然为1ms，最终结果的周期误差只有0.2ms。本题中，三个最高值的时间差为40ms，除以2，则周期T=……；频率f=1/T=……3）振动波形不是正弦波的原因有哪些：真实的振动含有许多高次谐波，合成之后，就不是正弦波，此外，图4-20中的圆盘本身就不一定很平整……4）为了得到较好的线性度与最大的测量范围，传感器与被测金属的静态安装距离l为多少毫米为佳：如果静态安装距离l为传感器线性区的一半，振动的正半周刚好到达线性区的正的极限值，那么，负半周也可能刚好到达线性区的负的极限值，这样就能最大限度地利用传感器测量范围的限制。如果传感器安装得太靠近被测物，不但负半周可能会超过负的线性区，而且传感器还可能被碰坏……4．上网查阅有关出租汽车计价器的资料，写出出租汽车公里数测量的原理，简要画出原理图。提示：老式的汽车，例如电影里的上个世纪70年代的汽车也有车速和公里数的仪表。其原理是：汽车发动机的轴转动到变速箱，变速箱输出轴传动到车轮。我们可以通过一根“软轴”（通常是一根带有保护套的多股钢丝，类似于自行车的“刹车线”）把变速箱或者车轮的旋转传动到“车速表”，车速表里面有磁铁，能够检测“软轴”的转速，变成“磁滞力”，该力与“软轴”的转速成正比，与磁铁同轴的指针能把汽车的行驶速度指示出来。“软轴”还带动一个类似于钟表齿轮组的机构，使得“软轴”旋转的圈数得到累计，从而得到行驶的“公里数”。“软轴”的结构：软轴类似像自行车线闸用的“刹车线”（也称闸线）。其内芯是钢丝绳，闸线外层是可以弯曲但不可伸缩的螺旋金属层。闸线外层与内芯钢丝绳之间有润滑油。早期的机械式计价器采用机械齿轮结构，易于作弊。现代出租车计价器原理：是以数字电子电路为核心，设计的一种可以通过对行程里程的计量，以及对不同的路程进行计费的电子仪器。它具有计价显示、等待时间计价，公里数显示，时间显示等相关功能。出租车计价器是一种对于乘客乘车所需缴纳费用进行计算并显示的仪器设备。它由主机、空车灯、传感器三大部分组成，其中主机又包含打印机、语音器、IC卡读写器和主机线路板。主机线路板多数有两个微处理器：一个为计算微处理器，另一个为监控微处理器。出租车计价器通过传感器检测行驶车辆的转轴的旋转圈数和转速。出租汽车的里程数是通过传感器的脉冲信号在计价器里按照车轮的直径（周长）折算成一定的计价营运里程。出租车计价器的功能：五屏显示：同时显示金额、单价、计时、里程和时钟；状态显示：低速、夜间、空贴、往返、暂停；语音报价：播放服务用语、车费等；自动打印：按规定的格式打印路单发票；税控功能：按税务部门规定日期用IC卡交税；存储功能：可储存100次营运路单供查询统计，存储数据掉电保存十年；IC卡：强大的加密功能，数据安全可靠；司机卡：路单存储、数据管理、一机一卡；管理卡：设置参数、周期检定、逾期停机；税控卡：确保税收、限期纳税、逾期停机；时距分离、时距并行、等候收费等方式任选。永久时钟：不掉电永久实时时钟，自动转换日夜收费；通用程序：具有25项可设置参数，方便设置；公司管理：营运数据用IC卡传递到计算机中，便于管理；通常在小于某一设定的公里数时为某一个起始价位，超过该公里数后，超过的部分收取每公里多少元钱。图4-02出租车计价器面板除了完成对乘车费用的计算与显示外，出租车计价器还有五大功能：1）具有自检功能，在刚刚开机时所有可显示的字符及状态指示灯均显示3s以上，以证明其自身处于“健康”状态；2）具有数据存储功能，可存储至少100次的营业数据；3）具有失电保护功能，无供电情况下也可对数据起到保护作用；4）具有打印功能，用于打印乘车票据；5）可通过对“空车”车牌的翻动来开始或终止计费。图4-03出租车计价器的使用出租车计价器主要由传感器、空车牌、微处理器、显示器和打印机五大部分构成。其中，传感器用于感受行驶路程并将其转换为电信号。“空车牌”用于控制计价器的起始和终止。微处理器用于对乘车费用进行计算。显示器用于显示乘车费用。打印机用于打印乘车所需票据。图4-04汽车仪表盘计价器的工作过程：上车后，司机翻动空车牌使得计价器开始进行计费。传感器将感应到的齿轮的尖端“齿顶”的特征信号转换为电脉冲电信号，传送给微处理器；微处理器根据接收到的电信号，计算车速、公里数、堵车费（翻牌后，脉冲的频率越来越低，最后没有收到脉冲信号了）等。费用在显示器上显示出来（是一个动态过程。路程不断增加，微处理器不断根据新接收到的电信号进行费用累计的计算）。到达目的地时，司机再次翻动空车牌，使得计价器计费停止，接着打印机在固定格式的空白发票纸上打印票据，乘客缴纳费用，乘车结束。出租车计价器原理相关文章推荐阅读（/article/277172.htm）：1.出租车计价器设计与实现/article/172674.htm。2.新型出租车计价器软件功能分析与实现/article/172674.htm。3.出租车智能计价器的设计与实现。图4-05出租车计价器总体设计思路参考框图图4-06汽车里程器、车速传感器内部、外部示意图里程表传感器（车速传感器）的类型：可以是霍尔式的、磁电式的，或者电涡流式的。通常只有三根引线，分别是：电源线（5V或12V）、搭铁线（0V）和信号线（通常是低电平有效，到ECU）。在汽车不行驶的时候，可以将信号线