【】傳感器原理與應(yīng)用習(xí)題第5章磁電式傳感器

第5章磁電式傳感器習(xí)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(yīng)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。若氣隙磁感應(yīng)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(yīng)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(yīng)取多大?5-8某廠試制一磁電式傳感器，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(yīng)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(dāng)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(yīng)？利用霍爾效應(yīng)可進行哪些參數(shù)測量?UHKhIb，由表達式可知，霍爾電勢答：當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)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(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差?；魻柶骷ぷ鳟a(chǎn)生的霍爾電勢為Uh正比于激勵電流I及磁感應(yīng)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(yīng)可測量大電流、微氣隙磁場、微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、振動、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(guān)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。霍爾位移傳感器，是由一塊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。霍爾式位移傳感器為了獲得較好的線性分布，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(xué)腐蝕的方法或用網(wǎng)絡(luò)補償法校正。霍爾元件的靈敏系數(shù) KH 是溫度的函數(shù)，關(guān)系式為： KH KH0 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(yīng)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(dǎo)體(半導(dǎo)體 )電阻隨磁場增加而增大的現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。載流導(dǎo)體置于磁場中除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外 ,導(dǎo)體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉(zhuǎn),載流子運動方向偏轉(zhuǎn)使電流路徑變化 ,起到了加大電阻的作用 ,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(fù)合率差別越大，靈敏度越高。當(dāng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)速。5-19 發(fā)電機是利用導(dǎo)線在永久磁鐵的磁場中作旋轉(zhuǎn)運動而發(fā)電的。無論負(fù)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(yīng)給負(fù)載的電能是，為轉(zhuǎn)動這個發(fā)電機所供應(yīng)得機械能(火力或水力)變換而來的能量。 磁鐵持有的能量未被消耗，所以磁鐵不會變?nèi)酢?-20 只要磁通量發(fā)生變化，就有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，請說出三種產(chǎn)生感應(yīng)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(yīng)式傳感器測量工作軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速 n(r/min) 為多少 ?當(dāng)分辨誤差為 1齒時，轉(zhuǎn)速測量誤差是 多少?1永久磁鐵 2軟餓3感應(yīng)線圏 4 一齒輪解：（1）測量時，齒輪隨工作軸一起轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)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(yīng)電動勢的變化頻率f等于齒輪的齒數(shù) Z與轉(zhuǎn)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(yīng)為1/18轉(zhuǎn)，即:n=80 1/18 （r/min）5-22什么是霍爾效應(yīng)？霍爾電勢的大小與方向和哪些因素有關(guān)？影響霍爾電勢的因素有哪些？答：霍爾效應(yīng)：將一載流導(dǎo)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(yīng)，相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢。具有霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體在其相應(yīng)的側(cè)面上裝上電極后即構(gòu)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(yīng)強度B ;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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸帶動旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)速 n= ?轉(zhuǎn)/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(yīng)？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(zhuǎn)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(yīng)及構(gòu)成以及霍爾傳感器可能的應(yīng)用場合。答：一塊長為I、寬為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為磁場（磁場方向垂直于薄片）中，當(dāng)有電流I流過時，在垂直于電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(yīng)?；魻柦M件多用 N 型半 導(dǎo)體材料，且比較薄?；魻柺絺鞲衅鬓D(zhuǎn)換效率較低，受溫度影響大，但其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、堅固、頻 率響應(yīng)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(shù)、自動控制、電磁測量、計算裝置以及現(xiàn)代軍事技術(shù)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。5-31 試分析霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的原因。答：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)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(yīng)。如將 N 型半導(dǎo)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(dǎo)體中的載流子（電子）將沿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(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上積累了電子而帶負(fù)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(dǎo)體中的載流子，電場力方向和磁場 力方向正好相反，當(dāng)與大小相等時，電子積累達到動態(tài)平衡。這時，在半導(dǎo)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(guān)？答：霍爾電動勢的大小正比于激勵電流I與磁感應(yīng)強度 B，且當(dāng)I或B的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨著改變，但當(dāng) 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(gòu)對一些能夠轉(zhuǎn)換成位移量的其他非電量，如振動、壓力、應(yīng)變、流量等進行檢測。