传感器分析

五、分析题
1．下图是汽车进气管道中使用的热丝式气体流速（流量）仪的结构示意图。在通有干净且干燥气体、截面积为A的管道中部，安装有一根加热到200°C左右的细铂丝R1。另一根相同长度的细铂丝安装在与管道相通、但不受气体流速影响的小室中，请分析填空。
1）当气体流速n=0时，R1的温度与R2的温度 相等 ，电桥处于 平衡 状态。当气体介质自身的温度发生波动时，R1与R2同时感受到此波动，电桥仍然处于 平衡 状态，所以设置R 2是为了起到 温度补偿 的作用。
2）当气体介质流动时，将带走R1的热量，使R1的温度变 低，电桥 失去平衡 ，毫伏表的示值与气体流速的大小成一定的函数关系。图中的RP1称为 调零 电位器，RP2称为 调满度 电位器。欲使毫伏表的读数增大，应将RP2向 左 （左/右）调。
3)设管道的截面积A=0.01m2，气体流速v=2m/s，则通过该管道的气体的体积流量q V =__0.02_____m3/S。
热丝式气体流速（流量）仪原理图

2.下图为自动吸排油烟机原理框图，请分析填空。
图 自动吸排油烟机原理框图
1） 图中的气敏电阻是 __还原__类型，被测气体浓度越高，其电阻值就越__小__ 。
2）气敏电阻必须使用加热电源的原因是_ 1烧掉附着在探测部分的油污和灰尘 2加速吸附作用及氧化还原反应 _，通常须将气敏电阻加热到__200—300__ °C左右。因此使用电池为电源、作长期监测仪表使用时，电池的消耗较___大__（大/小）。
3）当气温升高后，气敏电阻的灵敏度将___降低__ （升高/降低），所以必须设置温度补偿电路，使电路的输出不随气温变化而变化。
4）比较器的参考电压UR越小，检测装置的灵敏度就越__高__ 。若希望灵敏度不要太高，可将RP往_右__（左/右）调节。
5）由于即使在开启排气扇后气敏电阻的阻值也不能立即恢复正常，所以在声光报警电路中，还应串接一只控制开关，以消除__喇叭__（喇叭/ LED）继续烦人的报警。

3.下图是差动变压器式接近开关感辨头结构示意图。
请分析填空。
1）当导磁金属未靠近差动变压器铁心时，由于差动变压器的结构完全对称，所以 U21 与 U22_相等_ ， 为 __0__ 。
2）当温度变化时， U21 与 U22 同时 ___变化___ ， 仍为 __0__ ，所以采用差动变压器可克服 _温漂__ 。
3）当导磁金属靠近差动变压器铁心时， M1 变 __大___ 、M2 变 __小__ ，U21 变 _大_ 、 U22 变 _变小__ ，所以 U0_为正_ 。 的相位与 Ui _同相_ 。
4） 的频率约为 __1—10kHz_ 较合适。

4、人体感应式接近开关原理图如下图所示，图 5-26 为鉴频器的输入输出特性曲线。请分析该原理图并填空。
1 ）地电位的人体与

金属板构成空间分布电容 C x ， C x 与微调电容 C 0 从高频等效电路来看，两者之间构成并联。V 1、L 1、 C 0 、CX等元件构成了 LC调频 电路， f = 1/2拍根号下L1(Cx+C0）， f 略高于 f 0 。当人手未靠近金属板时， C x 最 _小_（大 / 小），检测系统处于待命状态。
2 ）当人手靠近金属板时，金属板对地分布电容 C x 变 _大__，因此高频变压器 T 的二次侧的输出频率 f 变 _底_____ （高 / 低）。
3 ）从图可以看出，当 f 低于 f 0 时， U 01 _小_____ 于 U R ， A 2 的输出 U 02 将变为 __高_ 电平，因此 VL_亮_ （亮 / 暗）。
三端稳压器 7805 的输出为 __5_ 伏，由于运放饱和时的最大输出电压约比电源低 1V 左右，所以 A 2 的输出电压约为 _4_伏，中间继电器 KA 变为 _吸合__ 状态（吸合 / 释放），图中与中间继电器 KA并联的二极管VD起 续流 作用。

5.如图所示的电容式油量表，用于测量油箱中的油位。
1）传感器使用的是 变隙式 式电容传感器，当油箱中无油时，传感器的电容量CX=CX0，调节匹配电容C0 使C0= CX0 ，R4= R3 ，此时电桥满足 Cx/Co=R3/R4 的平衡条件。
2)当液位上升至h时，CX= CX0+ΔCX，ΔCX与h成 正比 ，此时电桥 失去 平衡，
电桥的输出电压Uo经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后带动指针顺时
针偏转，同时带动RP的滑动臂移动，从而使RP阻值 增大 ；Rcd=R3+RP也随之 增大 。
3）当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，U0= 0 ，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为θ处。由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电动机所带动，因此，RP的阻值与θ间存在着确定的对应关系，即θ与RP的阻值成 正比 ，因此可直接从刻度盘上读得液位高度h。
4）当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转指针逆时针偏转：(示值减小)，同时带动RP的滑动臂移动，使RP阻值 减小。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，于是伺服电动机再次停转，指针停留在与该液位相对应的转角θ处。从以上分析可知，该装置采用了类似于天平的 零位式 测量方法，所以放大器的非线性及温漂对测量精度影响 不大 。

6. 下图是霍尔式电流传感器的结构示意图，请分析填空。
1 ）夹持在铁心中的导线电流越大，根据右手定律，产生的磁感应强度 B 就越 大 ，霍尔元件产生的霍尔电势也就越 大 。因此该霍尔式电流传感器的输出电压与被测导线中的电流成 正 比。
2 ）由于被测导线与铁心、铁心与霍尔元件之间是绝缘的，所以霍尔式电流传感器不但能传输电流信号，而且还能起到 电气隔离 作用，使后续电路不受强电的影响，例如击穿、麻电等。
3 ）由于霍尔元件能

响应静态磁场，所以它与交流电流互感器相比，最大的不同是能 测量直流电流 。
4 ）如果被测电流小于 30A ，该电流产生的磁场可能太小，可采取 增大线圈 匝数 措施，使穿过霍尔元件的磁场成倍地增加（可参考电流互感器原理），以增加霍尔元件的输出电压。
7. 某光电开关电路如图所示， VD 1 输出特性如图所示，史密特型反相器 CD40106 的输出特性如图所示，请分析填空。

图 10-40 光电开关
a ）电路 b ） 74HC14 （ CD40106 ）的输入 / 输出特性
1 ）当无光照时， VD 1 截止 ( 导通 / 截止 ) ， I?为 0 ， U i为 0 ，所以 U o 为（高）电平，约为 4.9 V ，设 V 1 的 U be =0.7V ，则 I b 约为 4.2 mA ，设 V 1 的 β=100 ，继电器 K 的线圈直流电阻为 100 W ，则 ICS为 47 mA 。若 K 的额定工作电流为 45mA ，则 K 必定处于 吸合 ( 吸合 / 释放 ) 状态。
2 ）若光照增强，从图 b 可以看出，当 U i 大 （大 / 小）于 3 V 时，史密特反相器翻转， U o 跳变为 低 电平， K 释放 。
3 ）设 R L =10k Ω，此时 I ?应 大 （大 / 小）于 0.3 mA 。用作图法得到此时的光照度为 2100 lx 。 (光敏二极管的输入与输出成线性关系且过原点)
4 ）若此时光照度变化± 500lx ， U o 不变 （ 跳变 / 不变）。
5 ）当光照度 E 小 （大 / 小）于 1400 lx 时， IC 1 才再次翻转，跳变为 高 电平， K 吸合 。因此，使用具有史密特特性的反相器后，允许光照度 E 的回差为 1000 lx ，史密特反相器在电路中起 抗干扰 （提高灵敏度 / 抗干扰）的作用。
6 ）若希望在光照度很小的情况下 K 动作， R L 应 变大 （变大 / 变小），此时应将 RP 往 下 （上 / 下）调。 RP 称为调 开关 电位器。
7 ）图中的 R 2 起 限流 作用， V 1 起 功率 （电压 / 功率）放大作用， VD 2 起 续流 作用，保护 Ｖ１ 在 K 突然失电时不致被继电器线圈的反向感应电动势所击穿，因此 VD 2 又称为 续流 二极管。

8.如图所示为光电式带材跑偏检测器的测量转换电路，
图 光电式带材跑偏检测器的测量电路
1）当被测带材处于中间位置时，调节 ＲＰ ，使UA ＝ UB，电桥 平衡 ，放大器输出的电压 为０ ；当被测带材左偏时，遮光面积 减小 ，光敏电阻R1的阻值随之 减小 ，使UA 大于 UB，电桥 失去平衡 ，放大器将会有一个 负 电压的输出，输出电压U0的大小可以反映出被测带材走偏的 方向 和 大小 。U0被送至功率驱动器，然后驱动比例调节阀的电磁线圈，使液压缸中的活塞向 右 运动，推动卷取辊和滑台，纠正带材的跑偏。
2）其中，电阻R1和电阻R2选用相同型号的光敏电阻，

R1是测量元件，放在被测带材的下方，而R2用遮光罩盖上，它的作用是 温度补偿 。