传感器原理及工程应用_(第三版)_((郁有文))_(西安电子科技大学出版)_详细答案..doc

4-12 电涡流传感器常用的测量电路有哪几种？其测量原理如何？各有什么特点？ 1、用于电涡流传感器的测量电路主要有：调频式、调幅式电路两种。 2、测量原理 （1）调频式测量原理 传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。 图4-6调频式测量原理图 （2）调幅式测量原理 由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io。 当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大， 谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、 检波后， 由指示仪表直接显示出x的大小。  图4-7调幅式测量原理图 除此之外， 交流电桥也是常用的测量电路。 3、特点 调频式测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点。 调幅式测量电路线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。 4-13 利用电涡流式传感器测板材厚度，已知激励电源频率f =1MHz，被测材料相对磁导率μr=1，电阻率ρ=2.9×10-6 ΩCm，被测板材厚度为 =（1+0.2）mm。试求： （1）计算采用高频反射法测量时，涡流透射深度h为多大？ （2） 能否采用低频透射法测板材厚度？若可以需采取什么措施？画出检测示意图。 【解】 1、为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。两传感器的输出电压之和为2Uo，数值不变。 如果被测带材厚度改变量为Δδ，则两传感器与带材之间的距离也改变一个Δδ，两传感器输出电压此时为2Uo±ΔU。ΔU 计算高频反射法测板材厚度时，涡流穿透深度： 可见穿透深度很浅。 图4-8高频反射法测量原理图 2、若采用低频透射法测板材厚度，必须使涡流穿透深度大于板材厚度。由于ρ、μ0、μr都是常数，所以必须降低激励电源频率，使之满足： 由此解得穿透板材所需的最高频率为： 当满足激励电源频率小于5.1KHz时，发射探头的信号才能透过板材，被接收探头接收。发射探头在交变电压e1的激励下，产生交变磁场，透过被测板材后达到接收探头，使之产生感应电动势e2，它是板材厚度的函数，只要两个探头之间的距离x一定，测量e2的值即可测得板材厚度。 图4-9低频透射法测量原理图 6-4 画出压电元件的两种等效电路。 1、电压源等效电路 2、电流源等效电路 6-5 电荷放大器所要解决的核心问题是什么？试推导其输入与输出的关系。 【答】 1、传感器的灵敏度与电缆电容无关，更换电缆或使用较长的电缆时，不用重新校正传感器的灵敏度。改进了电压放大器的缺点。 2、输入与输出的关系 电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压： 通常A =104~108，因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为 6-8 用石英晶体加速度计测量机械的振动，已知加速度计的灵敏度为2.5pC/g（g=9.8m/s2）Sn = 2.5×80=200mV/g 系统灵敏度Sn、输出电压幅值U0及被测加速度幅值a的关系为： 所以该机器的振动加速度幅值为： 7-4 什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？ 【答】 1、通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。 2、霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。 7-5 影响霍尔元件输出零点的因素有哪些？如何补偿？ 1、影响霍尔元件输出零点的因素 当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。产生这一现象的原因有：  （1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；  （2）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；  （3）激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 2、不