传感器原理及工程应用学习指南.docx

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1、第三章应变式传感器1 .什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。答：在外力作用下，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化的现象，称为应变效应。其表达式为9=Kw,式中K为材料的应变灵敏系R数，当应变材料为金属或合金时，在弹性极限内K为常数。金属电阻应变片的电阻相对变化量J与金属材料的轴向应变成正比，因此，利用电阻应变片，可以将被测R物体的应变转换成与之成正比关系的电阻相对变化量，这就是金属电阻应变片的工作原理。2 .试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿办法。答：由于测量现场环境温度偏离应变片标定温度而给测量带来的附加误差，称为应变片温度误差。产生应变

2、片温度误差的主要原因有：由于电阻丝温度系数的存在，当温度改变时，应变片的标称电阻值发生变化。当试件与与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于温度的变化而引起的附加变形，使应变片产生附加电阻。电阻应变片的温度补偿方法有线路补偿法和应变片自补偿法两大类。电桥补偿法是最常用且效果较好的线路补偿法，应变片自补偿法是采用温度自补偿应变片或双金属线栅应变片来代替一般应变片，使之兼顾温度补偿作用。3 .什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？答：如题图3-3所示电路为电桥电路。若电桥电路的工作电源E为直流电源，则该题图3-3直流电桥电桥称为直流电桥。按应变所在电桥不同的工作桥

3、臂，电桥可分为：单臂电桥，R1为电阻应变片，R2、R3、R4为电桥固定电阻。其输出压为U。=?篝差动半桥电路，RI、R2为两个所受应变方pAR向相反的应变片，R3.R4为电桥固定电阻。其输出电压为：UO=L2R1差动全桥电路，R、R2、Rs、Rl均为电阻应变片，且相邻两桥臂应变片所受应变方向相反。其输出电压为：UO=E丛4 .拟在等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，试问：(1)四个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？(2)画出相应的电桥电路图。答：如题图3-4(a)所示等截面悬梁臂，在外力F作用下，悬梁臂产生变形，梁的上表面受到拉应变，而梁的下表面受压应变。当选用四个完全相同

4、的电阻应变片组成差动全桥电路，则应变片如题图3-4(b)所示粘贴。题图3-4(a)等截面悬臂梁(b)应变片粘贴方式(c)测量电路电阻应变片所构成的差动全桥电路接线如图3-4(c)所示，R1、R4所受应变方向相同，R2.R3.所受应变方向相同，但与M、R4所受应变方向相反。5 .图示为一直流应变电桥。图中E=4V,Rl=R2=R3=R4=120,试求：(1) R1为金属应变片，其余为外接电阻。当M的增量为AR=1.2C时，电桥输出电压U。=?(2) R1,R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压U。=?(3) 题(2)中，如果%与凡感受应变的极性相反，

5、且=A/?2=12Q,电桥输出电压Uo=?答：如题3-5图所示由于R.R2均为应变片，且批号相同，所受应变大小和方向均相同，则Ri=R2=R=c2=?UJ&+&I（Rl+ARj+（危+AR2）&+/R+耶=（/?+/?）R3+R（2240J根据题意，设R=R+州R2=R-AR2u(R2-R2氏J01(i+i)+(-/?,)r3r4)则=2一4-R.RRq+R.1Z346.图示为等强度梁测力系统，R为电阻应变片，应变片灵敏系数K=2.05,未受应变时，R1=1200当试件受力F时，应变片承受平均应变=800ym/m,求：（1）应变片电阻变化量R和电阻相对变化量AR1/R1o（2）将电阻应变片R置

6、于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V,求电桥输出电压及电桥非线性误差。（3）趟减N幽凝的翻斫帽施?用淅其电!獭出题图6 等强度梁 测力系统示意图及非线性误差大小。解：根据应变效应，有AgT已知 K = 2.05 , = 800R1 =120代入公式则ARl=KE.R=2.05800lO6120=0.200.20720= 0.17/若将电阻应变片置于单臂测量桥路中则Un=-l=-X0.0017=.25mV4R4NR、2R非线性误差l=士-=0.085%1+组2R若要减小非线性误差，可采用半桥差动电路，且选择R1=R2=R3=R4=120C1=C2=0.20R1和R2所受应变大小相等，应变方向相

7、反。此时UO=2.5077V2RlYl=07.在题6条件下，如果试件材质为合金钢，线膨胀系数Sg=IlXl(T6/,电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数a=151(T6/C,线膨涨系数凡=14.9x10-6/当传感器的环境温度从IOC变化到50C时，引起附加电阻相对变化量(冽/?),为多少？折合成附加应变?为多少？解：在题3-6的条件下，合金钢线膨胀系数为g=llX10VeCo则=0(1+)=o1+111O6(5O-1O)应变片敏感栅材质为康铜。电阻温度系数为民=14.9x10-6/C。则G=6(1+四加)=2oh+14.9XIOFX(5010),当两者粘贴在一起时，电阻丝产生附加电阻变

8、化AR。为:ARp=Koa(Pg一夕=2.05120(ll106-14.9106)(50-10)=-0.03838当测量的环境温度从10变化到50时，金属电阻丝自身温度系数=15l(6/C。则：ARa=Kr=12015XIO-6(50-10)=0.07200总附加电阻相对变化量为：空=温+/=0.072。-。.O3838=oo28O2%RoRo120折合附加应变为：与二绝R0.00028022.05= 0.0001367 % = 136.7%第四章电感式传感器1 .说明差动变隙电压传感器的主要组成，工作原理和基本特性。答：差动变隙电压传感器结构如下图所示。主要由铁芯，衔I铁，线圈三部分组成。传

9、感器由两个完全相同的电压线圈合用一个衔铁和相应磁路。工作时，衔铁与被测件相连，当被测体上下移动时，带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等方向相反的变化。导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。其输出特性为:L=L1+AZo=2L0若忽略上式中的高次项，可得LCAS=2Lo为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。2 .变隙试电感传感器的输入特性与哪些因素有关？怎样改善其非线性？怎样提高其灵敏度？答：变隙试电压传感器的输出特性为：/、2/、3a,AbIAS(=Lfl1+-+其输出特性与

10、初始电压量Lo,气隙厚度之,气隙变化量AS有关。当选定铁芯，衔铁材料及尺寸，确定线圈的匝数及电气特性，则AL=(A3)0从传感器的输出特性可以看出，与AS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41所示，输出特性表达式为；a7MN1(Ab)L=2Lft-1+H品lJIs(J_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,而差动式空=2丝线性项，则单线圈式包由于竺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

11、。变隙式差动变压器传感器的输出特性为-丝MK,输出电压与叱比值成正比，然而%I比值与变压器的体积与零点残余电压有关。应综合考虑；U0与分成反比关系，因此要求，越小越好，但较小的使测量范围受到约束，通常在0.5/加左右。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/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、铁根、磁漏等因素影响，K与f不成正比关系，一般在400HZIOKHZ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。般差动变压器的功率控制在1瓦左右，因此U取值在38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

12、骨架长度的-到L。因此可以测量大位移范围。1044 .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44所示。其中Ul为初级线圈L的激励电压，4为初级线圈直流电阻，L1为初级线圈交流电感，r2(l,r2b为两次级线圈直流电阻，J,L2h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M,V2，线圈W20的感应电势为E2u,线圈VV2z,的感应电势为E2b。5 .差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？答：差动电压器在零位移时的输出电压称为零点残余

13、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：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。传感器设置良好的磁屏蔽，必要时再设置静电屏蔽。将传感器磁回电路工作区域设计在铁芯曲线的线性段。采用外电路补偿。配用相敏检波测量电路。6 .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4一6（a）所示。图中%,Vd2,Vd3,Vd4为四个性能相同的二极管。以同一方向

14、串联接成一个闭合回路，组成环形电桥。输入信号U2（差动变压器式传感器输出的调谐波电压）通过变压器4加入环形电桥的一个对角线上，参考信号Us通过变压器72加到环形电桥的另一个对角线上，为保证相敏检波电路可靠工作，要求US的幅值要远大于输入信号的幅值，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励电压Ul由同一振荡器供电。保证二者同频同相（或反相）。当AX0时，U2与US同频同相。Vdi,Vg截止，Vd2,右3导通，则可得题图46（b）所示等效电路。其输出电压表达式为4=.,在U2与US均为负半周时，2、匕）3截止，V切、匕M导通，则题图46（c）所示为等效电路，其输出电压表达式亦为%二.R）,这说明只要位移AX0,不论U2与US是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电压始终为正。当AX0时，采用上述相同方法可以得到输出电压UO的表达式为 O =-RL U2%(R + 2Rj(%为变压器4的变比)。故题图46(a)所示相敏检波电路输出电压O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x大小，而曲极性则反映了位移x的方向。7 .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器Zl、Z2及平衡电阻RlsR2(Rl=R2)组成。桥