10测控复习题

C4电感式传感器

1说明单线圈电感传感器和差动式电感传感器的主要组成和工作原理。

答：单线圈电感传感器主要由铁芯、线圈和衔铁组成。传感器工作时，衔铁与被测物体相连。当被测物体移动时，带动衔铁移动，气隙厚度δ和导磁面积S随之发生改变，从而引起磁路中磁阻的改变，进而导致线圈自感量发生变化。只要测出电感量的变化，就能确定衔铁（被测物体）位移量的大小和方向。

差动式电感传感器由两个电气参数和几何尺寸完全相同的电感线圈共用一个衔铁构成。当衔铁随被测量物体移动而偏离中间位置时，两线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动，总的电感变化量与衔铁移动的距离成正比。通过分析计算可知，差动式电感传感器的灵敏度约为非差动式的两倍，而且线性度较好，灵敏度较高。 2 电感式传感器测量电路的主要任务是什么？

答：作用是将线圈电感的变化转换成电压或电流信号输出。 3 什么是电涡流效应？简述电涡流式传感器的基本结构与工作原理。

答：将金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电动势，并自发形成闭合回路，产生感应电流。该电流就像水中旋涡一样在导体中转圈，因此被称为涡流。涡流现象被称为涡流效应，电涡流式传感器就是利用涡流效应来工作的。

电涡流式传感器主要由安置于框架上的扁平线圈构成，如图4-22所示。给激励线圈中通以正弦交流电i1时，线圈周围（L）将产生正弦交变磁场H1，使位于此磁场中的金属导体感应出电涡流i2， i2又产生新的交变磁场H2，H2将阻碍原磁场的变化，从而导致线圈内阻抗发生变化。线圈阻抗的变化既与电涡流效应有关，又与静磁学效应有关，即与金属导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关。电涡流传感器正是利用这个定律将传感器与被测金属导体之间距离的变化转换成线圈品质因数、等效阻抗和等效电感三个参数的变化，再通过测量、检波、校正等电路变为线性电压（电流）的变化。 4 简述电感式传感器的应用。

答：电感式传感器测量的基本量是位移，一般用于接触测量，也可用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数的测量。如：电感式圆度仪测量零件的圆度、波纹度、同心度、同轴度、平面度、平行度、垂直度、偏心、轴向跳动和径向跳动，并能进行谐波分析、波高波宽分析；电感测微仪可用于微小位移的测量精密。 5 电涡流式传感器的主要优点是什么?

解：电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。 6 为什么电感式传感器一般都采用差动形式?

解：差动式结构，除了可以改善非线性，提高灵敏度外，对电源电压、频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用；作用在衔铁上的电磁力，是两个线圈磁力之差，所以对电磁力有一定的补偿作用，从而提高了测量的准确性

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10测控复习题

7 .如图13所示的差动电感式传感器的桥式测量电路，L1、L2为传感器的两差动电感线圈的电感，其初始值均为L0。R1、R2为标准电阻，u为电源电压。试写出输出电压u0与传感器电感变化量△L间的关系。

解：输出与输入的关系是

?2?f(L0??L)u0????[2?f(L??L)]2?R201?若电感增量无穷小，且两个电阻均为R，则：

??u 2?[2?f(L0??L)]2?R2?2?f(L0??L)u

u0?4?f?L(2?fL0)?R

22L1R1u0L2R2u

题13图

8.变磁阻式传感器，铁芯导磁截面积A=1.5cm2，长度?=20cm，铁芯相对磁导率μ=5000，线圈匝数W=3000，若原始气隙?0=0.5cm，若Δ?=±0.1mm： （1）求其灵敏度ΔL/Δ?=？

（2）采用差动方式如P35图3-3(b)，其灵敏度ΔL/Δ?=？

解(1) ΔL/Δ?

232?7?400N?A(3?10)?4??10?1.5?10???33.9(Hm)2?2?(0.5?10)2?22

(2)差动：

N2?0A(3?103)2?4??10?7?1.5?10?4???? 时，L???0.166(H) ?22(????)2?(0.5?0.01)?10N2?0A(3?103)2?4??10?7?1.5?10?4???? 时，L???0.176(H)

2(????)2?(0.5?0.01)?10?2 S?

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?L0.173?0.166??70(Hm) ?2??0.01?1010测控复习题

C5压电式传感器

1．简述正、逆压电效应。

答：某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。

2．简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。

解：电压放大器的应用具有一定的应用限制，压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。优点：微型电压放大电路可以和传感器做成一体，这样这一问题就可以得到克服，使它具有广泛的应用前景。缺点：电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。不过由于固态电子器件和集成电路的迅速发展，

电荷放大器的优点：输出电压Uo与电缆电容Cc无关，且与Q成正比，这是电荷放大器的最大特点。但电荷放大器的缺点：价格比电压放大器高，电路较复杂，调整也较困难。 要注意的是，在实际应用中，电压放大器和电荷放大器都应加过载放大保护电路，否则在传感器过载时，会产生过高的输出电压。 3．能否用压电传感器测量静态压力？为什么？

解：不可以，压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，为了保证压电传感器的测量误差较小，它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，所以不能用来测量静态压力。

4．压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题? 答：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出，其核心是要解决微弱信号的转换与放大，得到足够强的输出信号。

5． 压电式传感器往往采用多片压电晶体串联或并联方式，若采用并联方式，适合于测量何种信号？

答：只适用于测量较高频率动态信号。

6．图14所示电荷放大器中Ca=100 PF，Ra=∞，Rf= ∞，Ri= ∞，CF=10 PF。若考虑引线电

4

容CC 影响，当A0=10时，要求输出信号衰减小于1%，求使用90 PF/m的电缆，其最大允许长度为多少？

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CfRf4-A08qCaRaCcCiRiU0

图14

解：U0??可表示为

KQ因此若满足?1?K?Cf?Ca?Cc?Ci时，式（6-4）

Ca?Cc?Ci?(1?K)CfUo??Q Cf…………….

7．一压电式传感器的灵敏度K1＝10pC／MPa，连接灵敏度K2=0.008V／pC的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度K3=25mm／V，当压力变化Δp=8MPa时，记录笔在记录纸上的偏移为多少?

解：记录笔在记录纸上的偏移为 S=10×0.008×25×8=16/mm

8．某加速度计的校准振动台，它能作50Hz和1g的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度K＝100mV／g，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1，电压放大器放大倍数为100，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V，试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。 解：此加速度计的灵敏度为 K??9130?91.3 mV/g 100标定系统框图如下：

加速度计阻抗变换器电压放大器晶体管毫伏表

9． 某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度t=0.1mm，圆片半径r=1cm，εr=4.5，

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εo=8.73*10 F/m；x切型，d11=2.31×10 C/N。当0.6M Pa压力垂直作用于Px平面时，求传感器输出电荷q和电极间电压Ua的值。

解 : q=2qa=2d11*f

=2*2.31*10-12*0.6*106*3.1415926*10-4

=870.85pF???????????5

c=2ca=2ε0εrs/t

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u=q/c=qa/ca=d11*f*t/ε0εrs=3.48V

C6 霍尔传感器

1 什么是霍尔效应？霍尔电动势与哪些因素有关? 答：

在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH(称为霍尔电势电压),这种现象称为霍尔效应 。

霍尔电动势的大小正比于控制电流和磁感应强度。如果流过的电流越大，则电荷量就越多，霍尔电动势越高；如果磁感应强度越强，电子受到的洛仑兹力也越大，电子参与偏转的数量就越多，霍尔电动势也越高。此外，薄片的厚度、半导体材料中的电子浓度对霍尔电动势的大小也会有影响。

2 试述霍尔传感器主要有哪几方面的应用。

答：霍尔传感器主要应用于直流无刷风机、转速检测、无触点开关、汽车点火器、位置控制、隔离检测以及安全报警装置等。

3 为什么导体材料和绝缘体材料不宜制成霍尔传感器？

答：导体材料的导电率虽然很大，但电阻率很小，不适宜制成霍尔传感器，而绝缘体材料的电阻率很大，但导电率很小，也不适宜制成霍尔传感器，只有半导体材料的电阻率和导电率均适中，适合制成霍尔传感器。

4 如图16 所示，简述液位控制系统的工作原理。

图16 液位控制系统的工作原理

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