传感器原理与应用习题_第5章磁电式传感器

第5章磁电式传感器习题集与部分参考答案5-1阐明磁电式振动速度传感器的工作原理，并说明引起其输出特性非线性的原因。5-2试述相对式磁电测振传感器的工作原理和工作频率范围。5-3试分析绝对式磁电测振传感器的工作频率范围。如果要扩展其测量频率范围的下限应采取什么措施；若要提高其上限又可采取什么措施？5-4对永久磁铁为什么要进行交流稳磁处理？说明其原理。5-5为什么磁电式传感器要考虑温度误差？用什么方法可减小温度误差？5-6已知某磁电式振动速度传感器线圈组件（动圈）的尺寸如图P5-1所示：D1=18mm，D2=22mm，L=39mm，工作气隙宽Lg=10mm，线圈总匝数为15000匝。若气隙磁感应强度为0.5515T，求传感器的灵敏度。5-6解：已知D1=18mm，D2=22mm，L=39mm，Lg=10mm，W=15000匝，Bg=0.5515T工作气隙的线圈匝数Wg=（总匝数W/线圈长度L）*气隙长度LgggWlBK0，2)(210DDl5-7某磁电式传感器固有频率为10Hz，运动部件（质量块）重力为2.08N，气隙磁感应强度Bg=1T，工作气隙宽度为tg=4mm，阻尼杯平均直径DCP=20mm，厚度t=1mm，材料电阻率mmm/1074.128。试求相对阻尼系数ξ=？若欲使ξ=0.6，问阻尼杯璧厚t应取多大？5-8某厂试制一磁电式传感器，测得弹簧总刚度为18000N/m，固有频率60Hz，阻尼杯厚度为1.2mm时，相对阻尼系数ξ=0.4。今欲改善其性能，使固有频率降低为20Hz，相对阻尼系数ξ=0.6，问弹簧总刚度和阻尼杯厚度应取多大？5-9已知惯性式磁电速度传感器的相对阻尼系数ξ=2/1，传感器-3dB的下限频率为16Hz，试求传感器的自振频率值。5-10已知磁电式速度传感器的相对阻尼系数ξ=0.6，求振幅误差小于2%测试时的n/范围。解：已知ξ=0.6，振幅误差小于2%。若振动体作简谐振动，即当输入信号x0为正弦波时，可得到频率传递函数02020021)(jjxxt得振幅比2022020021jxxt0xxt=1.02时，0=3.51；0xxt=0.98时，0=1.45因要求01，一般取0≥3，所以取0≥3.515-11已知磁电式振动速度传感器的固有频率nf=15Hz，阻尼系数ξ=0.7。若输入频率为f=45Hz的简谐振动，求传感器输出的振幅误差为多少？5-12何谓霍尔效应？利用霍尔效应可进行哪些参数测量？答：当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。霍尔器件工作产生的霍尔电势为IBKdIBRUHHH，由表达式可知，霍尔电势HU正比于激励电流I及磁感应强度B，其灵敏度HK与霍尔系数HR成正比，而与霍尔片厚度d成反比。利用霍尔效应可测量大电流、微气隙磁场、微位移、转速、加速度、振动、压力、流量和液位等；用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机、接近开关和计算元件等等。5-13霍尔元件的不等位电势和温度影响是如何产生的？可采取哪些方法来减小之。答：影响霍尔元件输出零点的因素主要是霍尔元件的初始位置。霍尔位移传感器，是由一块永久磁铁组成磁路的传感器，在霍尔元件处于初始位置0x时，霍尔电势HU不等于零。霍尔式位移传感器为了获得较好的线性分布，在磁极端面装有极靴，霍尔元件调整好初始位置时，可以使霍尔电势HU＝0。不等位电势的重要起因是不能将霍尔电极焊接在同一等位面上，可以通过机械修磨或用化学腐蚀的方法或用网络补偿法校正。霍尔元件的灵敏系数HK是温度的函数，关系式为：TKKHH10，大多数霍尔元件的温度系数是正值，因此，它们的霍尔电势也将随温度升高而增加αΔT倍。补偿温度变化对霍尔电势的影响，通常采用一种恒流源补偿电路。基本思想是：在温度增加的同时，让激励电流I相应地减小，并能保持IKH乘积不变，也就可以相对抵消温度对灵敏系数HK增加的影响，从而抵消对霍尔电势的影响。5-14磁敏传感器有哪几种？它们各有什么特点？可用来测量哪些参数？答：磁敏电阻：外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大的现象称磁阻效应。载流导体置于磁场中除了产生霍尔效应外,导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转,载流子运动方向偏转使电流路径变化,起到了加大电阻的作用,磁场越强增大电阻的作用越强。磁敏电阻主要运用于测位移。磁敏二极管：输出电压随着磁场大小的方向而变化，特别是在弱磁场作用下，可获得较大输出电压变化，r区内外复合率差别越大，灵敏度越高。当磁敏二极管反向偏置时，只有很少电流通过，二极管两端电压也不会因受到磁场的作用而有任何改变。利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化这一特性可以制成漏磁探伤仪。5-15为什么说磁电感应式传感器是一种有源传感器？5-16变磁阻式传感器有哪几种结构形式？可以检测哪些非电量？5-17磁电式传感器是速度传感器，它如何通过测量电路获得相对应的位移和加速度信号？5-18磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同？磁电式传感器主要用于测量哪些物理参数？答：a.磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换为电信号的一种传感器。电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来测量的一种装置。b.磁电式传感器具有频响宽、动态范围大的特点。而电感式传感器存在交流零位信号，不宜于高频动态信号检测；其响应速度较慢，也不宜做快速动态测量。c.磁电式传感器测量的物理参数有：磁场、电流、位移、压力、振动、转速。5-19发电机是利用导线在永久磁铁的磁场中作旋转运动而发电的。无论负载怎样消耗这个电能，永久磁铁不会变弱，这是什么道理？答：发电机供应给负载的电能是，为转动这个发电机所供应得机械能（火力或水力）变换而来的能量。磁铁持有的能量未被消耗，所以磁铁不会变弱。5-20只要磁通量发生变化，就有感应电动势产生，请说出三种产生感应电动势的方法。答：(1)线圈与磁场发生相对运动；(2)磁路中磁阻变化；(3)恒定磁场中线圈面积变化。5-21已知测量齿轮齿数Z=18，采用变磁通感应式传感器测量工作轴转速(如图所示)。若测得输出电动势的交变频率为24(Hz)，求：被测轴的转速n(r/min)为多少?当分辨误差为±1齿时，转速测量误差是多少?解：(1)测量时，齿轮随工作轴一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次，因此，线圈感应电动势的变化频率f等于齿轮的齿数Z与转速n的乘积。f=nZ/60n=60f/Z=60*24/18=80(r/min)(2)读数误差为±1齿，所以应为1/18转，即：n=80±1/18(r/min)5-22什么是霍尔效应？霍尔电势的大小与方向和哪些因素有关？影响霍尔电势的因素有哪些？答：霍尔效应：将一载流导体放在磁场中，若磁场方向与电流方向正交，则在与磁场和电流方向正交，则在与磁场和电流两者垂直的方向上将会出现横向电势，这一现象称为霍尔效应，相应的电势称为霍尔电势。具有霍尔效应的半导体在其相应的侧面上装上电极后即构成霍尔元件，常用灵敏度HK来表征霍尔元件的特性，霍尔电势正比于激励电流I和磁感应强度B；而灵敏度HK由霍尔系数HR与霍尔片的厚度d决定：IBKIBdRUHHH1,dRKHH5-23集成霍尔器件有哪几种类型？试画出其输出特性曲线。5-24有一测量转速装置，调制盘上有100对永久磁极，N、S极交替放置，调制盘由转轴带动旋转，在磁极上方固定一个霍尔元件，每通过一对磁极霍尔元件产生一个方脉冲送到计数器。假定t=5min采样时间内，计数器收到N=15万个脉冲，求转速n=？转/分。5-25磁敏元件有哪些？（磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏晶体管）什么是磁阻效应？简述磁敏二极管、晶体管工作原理。5-26磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同？与霍尔元件在本质上的区别是什么？5-27磁敏晶体管与普通晶体管的区别是什么？5-28试证明霍尔式位移传感器的输出与位移成正比。5-29霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？答：a.霍尔元件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。b.霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电极之间的空载电势，可用输出的电压表示。c.温度补偿方法：分流电阻法：适用于恒流源供给控制电流的情况。电桥补偿法5-30简述霍尔效应及构成以及霍尔传感器可能的应用场合。答：一块长为l、宽为d的半导体薄片置于磁感应强度为磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势Uh。这种现象称为霍尔效应。霍尔组件多用N型半导体材料，且比较薄。霍尔式传感器转换效率较低，受温度影响大，但其结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围（输出电势变化）大、无触点，使用寿命长、可靠性高、易微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动控制、电磁测量、计算装置以及现代军事技术等领域中得到广泛应用。5-31试分析霍尔效应产生的原因。答：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。如将N型半导体薄片，垂直置于磁场中。在薄片左右两端通以电流，这时半导体中的载流子（电子）将沿着与电流相反的方向运动。由于外磁场的作用，电子将受到磁场力（洛仑兹力）的作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上积累了电子而带负电，前端面则因缺少电子而带正电，从而在前后端面形成电场。该电场产生的电场力也将作用于半导体中的载流子，电场力方向和磁场力方向正好相反，当与大小相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后两端面之间建立的电动势就称为霍尔电动势。5-32霍尔电动势的大小、方向与哪些因素有关？答：霍尔电动势的大小正比于激励电流I与磁感应强度B，且当I或B的方向改变时，霍尔电动势的方向也随着改变，但当I和B的方向同时改变时霍尔电动势极性不变。一定的感受机构对一些能够转换成位移量的其他非电量，如振动、压力、应变、流量等进行检测。