传感器设计及电桥计相关习题

U0 。
解：根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉，一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电桥的相邻臂上，如题 3.5 图所示。该电桥输出 电压 U O 为
R4
R3 U0 R1 F
R1
R2 R2 E
题 3.5 图
UO E(
因为
R3 R1 R1 ) R1 R1 R2 R2 R3 R4

成反比。故减小间隔

可提高灵敏度。但

过小，由于磁
高频涡流测厚原理图 在测量给定板厚值时，调整传感器 Ll 的位置，使两个传感器到金属板表面的距离 x1+x2=2x0, x0 是传感器在线性工作区内给定的一个距离常数，如两个传 感器的输出分别为 Ul 和 U2，则传感器输出的总电压 Ul 十 U2＝2Uo。将 2 Uo 与比较电压叠加后，使测厚仪偏差指示仪表指针指零。当板厚有变化时，传感器输 出总电压变为 2Uo±△U，△U 表示了板厚的变化量，并使仪表发生偏摆。对不同的给定板厚值，调整 Ll 的位置总可以满足 x1+x2=2x0 的要求。因此，板厚给定 值可以由 Ll 的位置来给定。通过计算偏差值和给定值的代数和，即可求得实际的板厚。 4.12 简述线位移、角位移的测量方法及测量原理。 答：在工程应用中，一般将位移测量分为模拟式测量和数字式测量两大类。在模拟式测量中，需要采用能将位移量转换为电量的传感器。这类传感器发展非常迅 速，随着传感器技术及检测方法的进步，几乎包含了从传统到最新型传感器的各种类型。常见的有：电阻式传感器(电位器式和应变式)、电感式传感器(差动电 感式和差动变压器式)、电容式传感器(变极距式、变面积式和变介质式)、电涡流式传感器、光电式传感器及光导纤维传感器、超声波传感器、激光及辐射式传 感器、薄膜传感器等。将上述传感器与相应的测量电路结合在一起，即组成工程中常用的测量仪器和仪表，如电阻式位移计、电感测微仪、电容测微仪、电涡流 测微仪、光电角度检测器、电容液位计等。各种位移测量仪表的测量范围和测量精度各不相同，使用时应根据测量任务选择合适的测量方法和测量仪表。 器(直线型、圆型)、旋转变压器、磁尺(带状、线状、圆型)、光栅(直线型、圆型)和各种脉冲编码器等。 此外，根据传感器原理和使用方法的不同，位移测量可分为接触式测量和非接触式测量两种方式。根据作用机理的不同还可分为主动式测量和被动式测量等 方式。 4.13 测量几~几十 mm 的较大位移，可选用什么传感器？简述其工作原理。 答：电感式和差动变压器式传感器的测量范围要大一些，有些可达 100mm。其工作原理参见第三章有关内容。 4.15 用光电或磁电脉冲转换原理进行转速测量，试画出其原理结构图，并说明其工作原理？ 答：图所示为磁电式转速传感器的结构图，它由永久磁铁、线圈、磁盘等组成。在永久磁铁组成的磁路中，若改变磁阻（如空气隙）的大小，则磁通量随之改变。 磁路通过感应线圈，当磁通量发生突变时，感应出一定幅度的脉冲电势，该脉冲电势的频率等于磁阻变化的频率。为了使气隙变化，在待测轴上装一个由软磁材 料做成的齿盘（通常采用 60 个齿）。当待测轴转动时，齿盘也跟随转动，齿盘中的齿和齿隙交替通过永久磁铁的磁场，从而不断改变磁路的磁阻，使铁芯中的 磁通量发生突变，在线圈内产生一个脉冲电动势，其频率跟待测转轴的转速成正比。线圈所产生的感应电动势的频率为： 数 字式测量方法主要是指在精密数控装置如数控机床和三坐标测量仪等设备中，将直线位移或角位移转换为脉冲信号输出的测量方法。常用的转换装置有感应同步
采用电容式传感器时，在圆筒上下表面各固定一个极板（如图所示）。当在固定两极板之间加入空气以外的液体介质时，电容量也随之变化。忽略边界效 应，假设空气相对介电常数为
，液体介质相对介电常数为 ，电容量为
C
S 0 l1 l 2
假设两极板间距离为 ，则 1
l
S 0 S 0 (l l 2 ) l 2 l l 2 (1 1 ) 由式可得，当极板面积 S 和极板间距 l 一定时，电容量大小和被测液体材料的厚度 l 2 和被测液体材料的介电常数有关。 C
l l l 2 ，电容量为：
1
然后，由此装置测量出注水数量达到桶容量的 80%时，给出一个停止注水的信号。
3.14 题 3.14 图所示是一种差动整流的电桥电路， 电路由差动电感传感器 另一个对角线为输出端
L1 、 L2 以及平衡电阻 R1 、 R2 （ R1 R2 ）组成。桥的一个对角线接有交流电源 U i ，
磁电式扭矩传感器工作原理图 图所示为磁电传感器的结构图。传感器的检测元件部分由永久磁铁、感应线圈和铁芯组成。齿轮的齿顶与磁芯之间有一微小空气间隙，永久磁铁产生的磁 力线与齿形圆盘交链，当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应出交流电压，其频率等于圆盘上齿数与转数
2
f 0 ——发射机发射信号的频率；
由于被测物体的运动速度远小于激光光速，则可认为
0 1 ，即
f 2 f 0 2 v 0
由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即
Fd f 2 f 0 2
由此可见，被测物体的运动速度
v
v 可以用多普勒频率来描述。
0
3.41 请你依据已学过的知识设计一个超声波液位计（画出原理框图，并简要说明它的工作原理、优缺点）。 答：采用单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器，如图所示结构示意图。 超声波发射和接收换能器安装在液面的上方，让超声波在空气中传播。超声波从发射到液面，又从液面反射到换能器的时间为 t，则换能器距液面的距离
4
f
式中：
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nz 60
n ——为转速（ r / min ）； f ——为频率（Hz）； z ——为齿轮的齿数。
待 测 目 标
光 学 系 统 （菲涅尔透镜）
热释电红 外传感器
信 号 处 理
报 警 电 路
报警器结构框图 4.3 简述相位差式转矩测量仪的工作原理及其特点。 答：磁电式转矩传感器是根据磁电转换和相位差原理制成的。它可以将转矩这一力学量转成有一定相位差的电信号。图是磁电式转矩传感器的工作原理图。在驱 动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘，它们旁边装有相应的两个磁电传感器。
v 运动，
f1 f 0 v 0
式中：
v ——被物体的运动速度； 0 ——激光波长， 0 C f 0 ， C 为激光的传播速度。 如果将 f 1 作为反射波向接收机发射信号，如图（b）所示。接收机接收到的信号频率为： f 2 f 1 v 1 f 0 v 0 v 1
有关。磁电式传感器的输出电压均方根与信号齿轮的齿顶线速度 v 成正比，而与齿轮同磁芯间隔 吸引力的影响会产生测量误差。 4.11 电涡流测厚度法原理是什么？具有哪些特点？ 答：电涡流测厚主要用于导体材料。它主要由信号发射源和探测器两部分组成，测量时，通过厚度的变化来改变探测器接收信号的强弱或快慢，最后转换成与输 出信号成线性关系的厚度绝对量值。由于板厚变化，电涡流传感器到金属板表面的距离会不同，导致测厚仪输出电压值变化。为了消除金属板上、下波动和表面 不平整的影响，测厚仪使用了两个特性相同的电涡流传感器 Ll 和上 Ll 对称地放置在金属板上、下两侧。
则有：
即有：
u0 0
R1 jL2 R2 jL1
3.26 请你设计一种霍尔式液位控制器，要求： （1）画出磁路系统示意图； （2）画出电路原理简图； （3）简要说明其工作原理。 答：在所要控制的液位中放置一霍尔传感器，在其正下放置一块带有永久磁铁的浮子，当磁铁随浮子移动到距传感器几毫米到十几毫米（此距离由设计确定）时， 传感器的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，运动部件停止移动（有关图略）。 3.38 请用激光传感器设计一台激光测量汽车速度的装置（画出示意图），并论述其测速的基本工作原理。 答：汽车上安定一个反光体，当激光照射时，反光体将激光反射反回来，将会产生多普勒效应。发射机发射出的激光向被测物体辐射，被测物体以速度 如图（a）所示，被测物体作为接收机接收到的频率为：
3
U 1 , U 2 。信号的频率随转速而变，但两个信号间的相位关系却是一定的，即初始相位差 0 为某 一常数。当转轴传递转矩而产生扭转变形时，扭转两端的信号圆盘产生相对转角为θ，使两磁电传感器的输出信号电压在相位上相对地改变了 角（即产生 了附加相位差）。此时信号的相位差 与弹性轴的扭转角θ之间的关系为：
U 0 。试分析该电路的工作原理。
L1
R1
U0
u0
L2
Ui
R2 u
解：由图可得：
z1 jL1
z3 jL2
z 2 R1
z 4 R2
即，此时电桥的输出电压为
z z4 R1 R2 u0 u 2 u jL1 R1 jL2 R2 z1 z 2 z3 z 4 R1 jL2 R2 jL1 u jL1 R1 jL2 R2 L L R R R R2 ）组成，即有： L L ， L L 由于电路由差动电感传感器 1 、 2 以及平衡电阻 1 、 2 （ 1 1 2 1 2
h 为：
h
vt 2
式中，v 为超声波在介质中传播的速度。由此可知，只要测量从液面反射到换能器的时间为 t，即可液位情况。
3.44 请用红外传感器设计一台红外防盗装置（画出它的示意图），并说明其工作原理？ 答：红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成。一般人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会 发出特定波长 10μm 左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的 10μm 左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10μm 左右的红外线通过菲尼尔滤光 片增强后聚集到红外感应源上。其结构框图如图所示。图中，菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射 高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信 号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较。
的乘积。当转轴空载旋转时，两个磁电传感器输出信号电压
Z
矩出现时，一般
磁电传感器结构图
式中，Z 为圆盘齿数（即信号激发圆盘每转一圈磁电传感器中所产生的信号个数）。Z 值不能太大，应使
Z 2 。当考虑正、反方向转矩及超载转
的取值常在 2 ，对应的 Z 值为 10~100。测量高转速时 Z 值应小；测量低转速时 Z 值要大。当齿轮在转矩作用下旋转时， 其间隙发生改变，则线圈的感应电动势 N d dt ；式中 N 为线圈匝数； d dt 为线圈中磁通量变化率。其中磁通变化率与转速 n、齿数 Z 及齿形
3.5 题 3.5 图所示为一直流电桥， 供电电源电动势
E 3V ，R3 R4 100 ，R1 和 R2
为相同型号的电阻应变片， 其电阻均为 100 ， 灵敏度系数 K=2.0。
两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为 5000

，试求此时电桥输出端电压
R1 R2 , R1 R2 100, R3 R4 100 ,则得 1 R 1 1 U 0 E 1 EK x 3 2 5000 0.015 V 2 R1 2 2
3.10 有一个直径为 2m、高 5m 的铁桶，往桶内连续注水，当注水数量达到桶容量的 80%时就应当停止，试分析用电阻应变片式或电容式传感器系统来解决该问题 的途径和方法。 解：将 4 片特性相同的电阻应变片对称地贴在圆筒外表面（如图所示），并将 4 片应变片接成全桥形式。然后，由此装置测量出注水数量达到桶容量的 80%时， 给出一个停止注水的信号。