【】傳感器原理與應用習題第5章磁電式傳感器

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1、第5章磁電式傳感器習題集與部分參考答案5-1闡明磁電式振動速度傳感器的工作原理，并說明引起其輸出特性非線性的原因。5-2試述相對式磁電測振傳感器的工作原理和工作頻率范圍。5-3試分析絕對式磁電測振傳感器的工作頻率范圍。如果要擴展其測量頻率范圍的下限應采取什么措施; 若要提高其上限又可采取什么措施？5-4對永久磁鐵為什么要進行交流穩(wěn)磁處理？說明其原理。5-5為什么磁電式傳感器要考慮溫度誤差？用什么方法可減小溫度誤差?5-6已知某磁電式振動速度傳感器線圈組件（動圈）的尺寸如圖P5-1所示:D1=18mm，D2=22mm ，L=39mm ，工作氣隙寬 Lg=10mm，線圈總匝數(shù)為 15000 匝。若

2、氣隙磁感應強度為0.5515T ，求傳感器的靈敏度。5-6 解：已知 D仁18mm，D2=22mm，L=39mm ， Lg=10mm，W=15000 匝，Bg=0.5515T工作氣隙的線圈匝數(shù)Wg=（總匝數(shù) W/線圈長度L）*氣隙長度LgKBgloWg，lo(Di D2)25-7某磁電式傳感器固有頻率為1OHz，運動部件（質(zhì)量塊）重力為 2.08N，氣隙磁感應強度Bg=1T，工作氣隙寬度為tg=4mm ，阻尼杯平均直徑 Dcp=20mm ，厚度t=1mm ，材料電阻率1.74 10 8mm2 /m。試求相對阻尼系數(shù) E = ?若欲使E =0.6，問阻尼杯璧厚t應取多大?5-8某廠試制一磁電式傳

3、感器，測得彈簧總剛度為18000N/m，固有頻率60Hz，阻尼杯厚度為1.2mm 時，相對阻尼系數(shù) E =0.4。今欲改善其性能，使固有頻率降低為20Hz，相對阻尼系數(shù)E =0.6，問彈簧總剛度和阻尼杯厚度應取多大？5-9已知慣性式磁電速度傳感器的相對阻尼系數(shù)E =1八2，傳感器-3dB的下限頻率為16Hz，試求傳感器的自振頻率值。解：已知E =0.6，振幅誤差小于 2%。若振動體作簡諧振動，即當輸入信號X。為正弦波時，可得到頻率傳遞函數(shù)t(j )2 0得X。1 2j 0 0X012 222j00XtXt=1.02時，=3.51=0.98 時，=1.45X00X00因要求1，-般取- 3 ,所

4、以取 3.51000Xt05-11已知磁電式振動速度傳感器的固有頻率fn=15Hz，阻尼系數(shù)E =0.7。若輸入頻率為f=45Hz 的簡諧振動，求傳感器輸出的振幅誤差為多少？5-12 何謂霍爾效應？利用霍爾效應可進行哪些參數(shù)測量?UHKhIb，由表達式可知，霍爾電勢答：當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差， 這一現(xiàn)象便是霍爾效應。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。霍爾器件工作產(chǎn)生的霍爾電勢為Uh正比于激勵電流I及磁感應強度B，其靈敏度Kh與霍爾系數(shù)Rh成正比，而與霍爾片厚度 d成反比。利用霍爾效應可測量大電流、微氣隙磁場、微位移、轉速、加速度、振動、

5、壓力、流量和液位等；用以 制成磁讀頭、磁羅盤、無刷電機、接近開關和計算元件等等。5-13霍爾元件的不等位電勢和溫度影響是如何產(chǎn)生的？可采取哪些方法來減小之。答：影響霍爾元件輸出零點的因素主要是霍爾元件的初始位置?；魻栁灰苽鞲衅鳎怯梢粔K永久磁鐵組成磁路的傳感器，在霍爾元件處于初始位置x 0時，霍爾電勢Uh不等于零?；魻柺轿灰苽鞲衅鳛榱双@得較好的線性分布，在磁極端面裝有極靴，霍爾元件調(diào)整好初始位置時，可以使霍爾電勢 Uh =0。不等位電勢的重要起因是不能將霍爾電極焊接在同一等位面上，可以通過機械修磨或用化學腐蝕的方法或用網(wǎng)絡補償法校正?；魻栐撵`敏系數(shù) KH 是溫度的函數(shù)，關系式為： KH K

6、H0 1 T ，大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù) 是正值，因此，它們的霍爾電勢也將隨溫度升高而增加aA T倍。補償溫度變化對霍爾電勢的影響，通常采用一種恒流源補償電路?；舅枷胧牵涸跍囟仍黾拥耐瑫r， 讓激勵電流 I 相應地減小，并能保持 KH I 乘積不變，也就可以相對抵消溫度對靈敏系數(shù)KH 增加的影響，從而抵消對霍爾電勢的影響。5-14 磁敏傳感器有哪幾種？它們各有什么特點？可用來測量哪些參數(shù)？答：磁敏電阻：外加磁場使導體(半導體 )電阻隨磁場增加而增大的現(xiàn)象稱磁阻效應。載流導體置于磁場中除了產(chǎn)生霍爾效應外 ,導體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉,載流子運動方向偏轉使電流路徑變化 ,起到了加大電阻

7、的作用 ,磁場越強增大電阻的作用越強。磁敏電阻主要運用于測位移。磁敏二極管：輸出電壓隨著磁場大小的方向而變化，特別是在弱磁場作用下，可獲得較大輸出電壓變化，r 區(qū)內(nèi)外復合率差別越大，靈敏度越高。當磁敏二極管反向偏置時，只有很少電流通過，二極管兩端電壓 也不會因受到磁場的作用而有任何改變。利用磁敏二極管可以檢測弱磁場變化這一特性可以制成漏磁探 傷儀。5-15 為什么說磁電感應式傳感器是一種有源傳感器？5-16 變磁阻式傳感器有哪幾種結構形式？可以檢測哪些非電量？5-17 磁電式傳感器是速度傳感器，它如何通過測量電路獲得相對應的位移和加速度信號？5-18 磁電式傳感器與電感式傳感器有哪些不同？磁電

8、式傳感器主要用于測量哪些物理參數(shù)？答：a.磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量轉換為電信號的一種傳感器。電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來測量的一種裝置。b. 磁電式傳感器具有頻響寬、動態(tài)范圍大的特點。而電感式傳感器存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài) 信號檢測；其響應速度較慢，也不宜做快速動態(tài)測量。c. 磁電式傳感器測量的物理參數(shù)有：磁場、電流、位移、壓力、振動、轉速。5-19 發(fā)電機是利用導線在永久磁鐵的磁場中作旋轉運動而發(fā)電的。無論負載怎樣消耗這個電能，永久磁 鐵不會變?nèi)?，這是什么道理？答：發(fā)電機供應給負載的電能是，為轉動這個發(fā)電機所供應得機械能(火力或水力)變換而來的能量。 磁鐵持有的

9、能量未被消耗，所以磁鐵不會變?nèi)酢?-20 只要磁通量發(fā)生變化，就有感應電動勢產(chǎn)生，請說出三種產(chǎn)生感應電動勢的方法。答： (1) 線圈與磁場發(fā)生相對運動； (2) 磁路中磁阻變化； (3) 恒定磁場中線圈面積變化。5-21 已知測量齒輪齒數(shù) Z=18 ，采用變磁通感應式傳感器測量工作軸轉速(如圖所示 )。若測得輸出電動勢的交變頻率為 24(Hz) ，求：被測軸的轉速 n(r/min) 為多少 ?當分辨誤差為 1齒時，轉速測量誤差是 多少?1永久磁鐵 2軟餓3感應線圏 4 一齒輪解：（1）測量時，齒輪隨工作軸一起轉動，每轉過一個齒，傳感器磁路磁阻變化一次，磁通也變化一次, 因此，線圈感應電動勢的變

10、化頻率f等于齒輪的齒數(shù) Z與轉速n的乘積。f=n Z/60 n=60f/Z=60*24/18=80(r/mi n)讀數(shù)誤差為1齒，所以應為1/18轉，即:n=80 1/18 （r/min）5-22什么是霍爾效應？霍爾電勢的大小與方向和哪些因素有關？影響霍爾電勢的因素有哪些？答：霍爾效應：將一載流導體放在磁場中，若磁場方向與電流方向正交，則在與磁場和電流方向正交，則在與磁場和電流兩者垂直的方向上將會出現(xiàn)橫向電勢，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應，相應的電勢稱為霍爾電勢。具有霍爾效應的半導體在其相應的側面上裝上電極后即構成霍爾元件，常用靈敏度Kh來表征霍爾元件的特性，霍爾電勢正比于激勵電流I和磁感應強度B ;

11、而靈敏度Kh由霍爾系數(shù) Rh與霍爾片的厚度d決定：Uh1Rh dIBKhIb Kh R/d55-23集成霍爾器件有哪幾種類型？試畫出其輸出特性曲線。5-24有一測量轉速裝置，調(diào)制盤上有100對永久磁極，N、S極交替放置，調(diào)制盤由轉軸帶動旋轉，在磁極上方固定一個霍爾元件，每通過一對磁極霍爾元件產(chǎn)生一個方脈沖送到計數(shù)器。假定t=5mi n 采樣時間內(nèi)，計數(shù)器收到N=15萬個脈沖，求轉速 n= ?轉/分。5-25 磁敏元件有哪些？（磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏晶體管）什么是磁阻效應？簡述磁敏二極管、晶 體管工作原理。5-26 磁敏電阻與磁敏晶體管有哪些不同？與霍爾元件在本質(zhì)上的區(qū)別是什么?5-27磁敏

12、晶體管與普通晶體管的區(qū)別是什么？5-28試證明霍爾式位移傳感器的輸出與位移成正比。5-29霍爾元件能夠測量哪些物理參數(shù)？霍爾元件的不等位電勢的概念是什么？溫度補償?shù)姆椒ㄓ心膸追N?答：a.霍爾元件可測量磁場、電流、位移、壓力、振動、轉速等。b. 霍爾組件的不等位電勢是霍爾組件在額定控制電流作用下，在無外加磁場時，兩輸出電極之間的空載 電勢，可用輸出的電壓表示。c. 溫度補償方法：分流電阻法：適用于恒流源供給控制電流的情況。電橋補償法5-30 簡述霍爾效應及構成以及霍爾傳感器可能的應用場合。答：一塊長為I、寬為d的半導體薄片置于磁感應強度為磁場（磁場方向垂直于薄片）中，當有電流I流過時，在垂直于電

13、流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢 Uh 。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。霍爾組件多用 N 型半 導體材料，且比較薄?；魻柺絺鞲衅鬓D換效率較低，受溫度影響大，但其結構簡單、體積小、堅固、頻 率響應寬、動態(tài)范圍（輸出電勢變化）大、無觸點，使用壽命長、可靠性高、易微型化和集成電路化， 因此在測量技術、自動控制、電磁測量、計算裝置以及現(xiàn)代軍事技術等領域中得到廣泛應用。5-31 試分析霍爾效應產(chǎn)生的原因。答：金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流通過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這 種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。如將 N 型半導體薄片，垂直置于磁場中。在薄片左右兩端通以電流，這時半 導體中的載流子（電子）將沿

14、著與電流相反的方向運動。由于外磁場的作用，電子將受到磁場力（洛侖 茲力）的作用而發(fā)生偏轉，結果在半導體的后端面上積累了電子而帶負電，前端面則因缺少電子而帶正 電，從而在前后端面形成電場。該電場產(chǎn)生的電場力也將作用于半導體中的載流子，電場力方向和磁場 力方向正好相反，當與大小相等時，電子積累達到動態(tài)平衡。這時，在半導體前后兩端面之間建立的電 動勢就稱為霍爾電動勢。5-32 霍爾電動勢的大小、方向與哪些因素有關？答：霍爾電動勢的大小正比于激勵電流I與磁感應強度 B，且當I或B的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨著改變，但當 I 和 B 的方向同時改變時霍爾電動勢極性不變。一定的感受機構對一些能夠轉換成位移量的其他非電量，如振動、壓力、應變、流量等進行檢測。