《传感器技术》作业3.docx

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《传感器技术》作业3

《传感器技术》作业（3）

一、填空题

1.导体在磁场中运动切割磁力线，导体两端会出现感应电动势E，闭合导体回路中感应电动势e=-N

；当线圈垂直于磁场方向切割磁力线时，感应电动势e=-NBlv；若线圈以角速度ω转动，、则感应电动势e=-NBSω。

2.只要线圈磁通量发生变化，就有感应电动势产生，其实现的主要方法有线圈与磁场发生相对运动，磁路中磁阻变化，恒定磁场中线圈面积变化。

当传感器结构参数确定后，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度v或ω成正比。

所以，可用磁电式传感器测量线速度和角速度，对测得的速度进行积分或微分就可求出位移和加速度。

3.磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号输出，且输出功率大，性能稳定，它的工作不需要电源，调理电路非常简单，由于磁电式传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器，适用于振动、转速、扭矩的测量。

4.电磁流量传感器的结构如图6-8所示，传感器安装在工艺管道中，当导电流体沿测量管在磁场中与磁力线成垂直方向运动时，导电流体切割磁力线而产生感应电动势E=B

D，其中B是磁感应强度，

是平均流速，D是距离，常与测量管内径相等。

流经测量管流体的瞬时流量Q与流速

的关系为Q=а

=

。

5.在如图6-9所示的金属或半导体薄片两端通以控制电流I，在与薄片垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场方向的薄片的另两侧会产生大小正比于控制电流I和磁感应强度B的现象，这一现象称为霍尔效应，利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器。

在薄片两侧之间建立的电场E

，称为霍尔电场，相应的电势U

称为霍尔电势。

霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果。

6.霍尔电势U

=

=KHIB，其中R

是霍尔系数（m3/c）、I是控制电流（A）、B是磁感应强度（T）、d是半导体薄片厚度（M）、KH是灵敏度系数，R

=

，其中

为载流体的电阻率，

为载流子的迁移率，半导体材料（尤其是N型半导体）电阻率较大，载流子迁移率很高，因而可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔传感器。

7.霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B，灵敏度k

表示在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电势的大小，一般要求越大越好，元件的厚度d越薄，k

越大，所以霍尔元件的厚度都很薄。

当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小只和I和B有关，因此霍尔传感器可用来探测磁场和电流，由此可测量压力、振动等。

8.霍尔元件的输出与灵敏度有关，灵敏度系数k

越大，输出U

越大。

灵敏度系数的大小，取决于元件的材料和几何尺寸，材料的

和

越大，霍尔系数R

越大，输出的U

越大，为了提高霍尔灵敏度，要求材料的R

尽可能的大。

元件的厚度d越小，k

越大，U

也越大，所以霍尔元件的厚度要小，但太小会使元件的输入、输出电阻增加。

9.当霍尔元件的控制电流采用交流时，由于建立霍尔电势所需时间很短，因此交流电频率可高达几千兆赫，且信噪比较大。

当磁场为交变，电流为直流时，由于交变磁场在导体内产生涡流而输出附加霍尔电势，所以霍尔元件不能在交变频率为几千赫的磁场中工作。

10.对霍尔元件可采用恒流驱动或恒压驱动；恒压驱动电路简单，但性能较差，随着磁感应强度增加，线性变坏，仅用于精度要求不太高的场合；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。

11.霍尔元件对温度的变化很敏感，霍尔元件的输入电阻、输出电阻、霍尔电势等都会随温度变化，这将给测量带来较大的误差。

为了减小由于温度影响带来的测量误差，除选用温度系数小的元件或采取恒温措施外，还可以采用恒流源、利用输入回路串、并电阻、利用输出回路的负载、利用热敏电阻等方法进行补偿。

12.以霍尔元件做探头的特斯拉计（或高斯计、磁强计）可用来测量磁场，锗和砷化镓器件的霍尔电势温度系数小，线性范围大，适用于做测量磁场的探头，把探头放在待测磁场中，探头的磁敏感面与磁场方向垂直，控制电流恒定，则霍尔输出电势UH正比于磁场B，故可以利用它来测量磁场。

进行测量时，采用高导磁的磁性材料（如坡莫合金）集中磁通来增强磁场的集束器可降低器件噪声、提高信噪比。

13.磁栅传感器由磁栅、磁头和检测电路组成。

磁栅是检测位置的基准尺，尺身的磁性薄膜上预先录有相同间距的栅状磁信号，磁头读取磁信号。

当磁栅与磁头的相对位置发生变化时，磁头的输出发生相应变化，将位移量转换为电信号，然后通过检测电路转换成脉冲，并以数字形式显示出来。

磁栅传感器有长磁栅式和圆磁栅式两种，分别用来测量线位移和角位移。

14.磁头的功能是读取磁栅上记录信号，可分为静态磁头和动态磁头。

动态磁头仅有输出绕组，只有与磁栅相对运动才有信号输出，输出信号的幅值随相对运动速度而变化，动态磁头在使用上有一定的局限性，不适合长度测量。

为了保证一定幅值的输出，通常规定磁头以一定速度运动。

15.磁栅传感器的误差包括零位误差和细分误差。

零位误差是由磁栅的节距不均匀、磁栅的安装与变形、磁栅剩磁变化所引起的零点漂移、外界磁场干扰等因素造成的；细分误差是由磁膜不均匀或录制过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等、两个磁头在空间位置偏离正交较远、两个磁头参数不对称、磁场高次谐波分量和感应电势高次谐波的分量的影响等因素造成的。

16.压电效应是当某些晶体沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。

17.对压电晶体施加电场，晶体将在一定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形也随之消失。

这种现象称为逆压电效应，也称作电致伸缩效应。

18.石英晶体的x轴称为电轴，垂直于x轴的平面上压电效应最强；y轴称为机械轴，沿y轴的机械变形最明显；z轴称为光轴或中性轴，z轴方向上没有压电效应。

19.压电式传感器既可等效为电荷源，又可等效为电容器，其等效电路可认为是二者的并联，也可认为是一个电压源和一个电容器的串联。

20.压电式传感器中常用两片以上压电晶片组合在一起使用，两片压电晶体构成的传感器有串联和并联两种接法。

21.压电材料可分为三大类：

压电晶体、压电陶瓷和新型压电材料。

22.原始的压电陶瓷不具有压电效应，只有经过极化处理后，才具有压电性，即在一定温度下，以强电场使其电畴趋向外加电场规则排列，从而呈现出压电性，当极化电场撤去后，电畴基本保持基本不变，形成很强的剩余极化，从而呈现压电性。

23.压电半导体既有压电特性又有半导体特性，因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体性制作电子器件，也可将二者结合，研制集转换元件和电子线路于一体的新型压电传感器测试系统。

24.压电传感器的变换电路具有电荷等效电路和电压等效电路两种形式。

25.电荷放大器是一种输出电压与输入电荷成正比的前置放大器。

电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，传感器的灵敏度与电缆电容无关。

26.高分子压电材料大体上可以分为高分子压电薄膜和高分子压电陶瓷薄膜两类。

27.PVDF是一种新型的高分子物性型压电材料，它的主要优点是：

压电系数高；柔性和加工性能好，适于做大面积的传感阵列器件；声阻抗与水及人体肌肉的声阻抗很接近，可用作水听器和医用仪器的敏感元件。

二、简答题

1、磁电式传感器可分为几类？

各有什么性能特点？

答：

a）变磁通式磁电传感器

这种类型的传感器线圈和磁铁固定不同，利用铁磁性物质制成一个齿轮（或凸轮）与被测物体相连而连动，在运动中齿轮（或凸轮）不断改变磁路的磁阻，从而改变了线圈的磁通，在线圈中感应出电动势。

这种类型的传感器在结构上有开磁路和闭磁路两种，一般都用来测量旋转物体的角速度，产生感应电势的频率作为输出，感应电动势的频率等于磁通变化的频率。

b）恒定磁通式磁电传感器

在图6-4中，线圈和壳体固定，永久磁铁用弹簧支承，当壳体随被测物体一起振动时，由于弹性元件较软而运动部件质量相对较大，因而有较大惯性，来不及跟随振动体一起振动，振动能量几乎全部被弹性元件吸收，永久磁铁与线圈之间产生相对运动，线圈切割磁力线，从而产生感应电动势。

2、简述磁电感应式传感器的工作原理，磁电感应式传感器最基本的构成元件有哪些？

答：

磁电式传感器直接从被测物体吸收机械能并转换成电信号输出，且输出功率大，性能稳定，它的工作不需要电源，调理电路非常简单，由于磁电式传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器，适用于振动、转速、扭矩的测量。

3、利用磁电感应式传感器的工作原理，设计一个测量主轴转速的传感器，并说明如何将其作为数字传感器使用。

答：

测量转速时，转轴与被测转轴链接，从而带动转子转动，当转子的齿与定子的齿相对时气隙最小，磁路中磁通最大，当两者的齿与槽相对时，气隙最大，磁路中磁通最小。

因而当定子不动而转子转动时，磁通就周期性的变化，从而在线圈感应出近似正弦的电感信号，感应电势频率。

4、可否利用磁电感应式传感器来测流量？

简述其工作原理。

答：

电磁流量传感器

电磁流量传感器的结构如图6-8所示，传感器安装在工艺管通中，当导电流体沿测量管在磁场中与磁力线成垂直方向运动时，导电流本切割磁力线而产生感应电动势，其值可用下式表示：

流经测量管流体的瞬时流量

与流速

的关系为

式中，

—测量管内电极处横截面面积

则：

式中，

—仪表常数

由式6-9可知，当传感器参数确定后，仪表常数

是一定值，感应电势正与流量Q成正比。

5、什么是霍尔效应？

简述霍尔电流表和霍尔场强计的工作原理。

答：

金属或半导体薄片两端通以控制电流

，在与薄片方向上施加磁感应强度为

的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向的薄片的另两侧会产生电动势

，

的大小正比于控制电流

和磁感应强度

，这一现象称为霍尔效应，利用霍尔效应制成的传感元件称霍尔传感器。

霍尔钳形电流表的探头实用环形铁心做集束器，霍尔器件放在空隙中间。

由安培定律克制，在载流导体周围会产生一正比于该电流的磁场，用霍尔元件来测量这一磁场，其输出的霍尔电势正比于该磁场，通过对磁场的测量可间接测得电流的大小。

由霍尔元件构成的电流传感器为非接触式测量，测量精度高，不必切断电路电流，测量范围广，本身几乎不消耗电路功率。

磁场测量的方法很多，其中应用比较普遍的是以霍尔元件做探头的特斯拉计。

锗和砷化镓的霍尔电势温度系数小，线性范围大，适于做测量磁场的探头。

把探头放在待测磁场中，探头的磁敏感面与磁场方向垂直，控制电流恒定，则霍尔输出电势UH正比于磁场B，故可以利用它来测量磁场。

6、霍尔系数的物理意义是什么？

为什么用半导体材料制造霍尔元件？

答：

霍尔系数

，其中

为载流体的电阻率，

为载流子的迁移率，半导体材料（尤其是N型半导体）电阻率较大，载流子迁移率很高，因而可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔传感器。

7、什么是霍尔元件的不等位电势？

如何补偿？

答：

不等位电势

：

在额定控制电流作用下，无外加磁场时，由于材料电阻率的不均匀，两个电极不在同一等位面上，霍尔元件的厚度不均匀等原因，在两霍尔电极之间的空载电势。

要完全消除霍尔元件的不等位电势很困难，一般要求

。

8、什么是霍尔元件的磁阻效应？

磁阻效应应对霍尔元件的输出有什么影响。

答：

特性是指霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场之间的关系，霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增大，这种现象称磁阻效应。

霍尔元件的磁阻效应使霍尔输出降低，尤其在强磁场时，输出降低较多，应想办法予以补偿。

9、请画出两种霍尔元件的驱动电路，简述其优缺点。

答：

对霍尔元件可采用恒流驱动或恒压驱动，恒压驱动电路简单，但性能较差，随着磁感应强度增加，线性变坏，仅用于精度要求不太高的场合；恒流驱动线性度高，精度高，受温度影响小。

两种驱动方式各有优缺点，应根据工作要求确定驱动方式。

10、磁栅式传感器由哪几部分组成？

简述工作原理？

答：

磁栅式传感器由磁栅、磁头和检测电路组成。

磁栅是检测位置的基准尺，尺身的磁性薄膜上预先录有相同间距的栅状磁信号，此偷渡去磁信号。

当磁栅与磁头的相对位置发生变化时，磁头的输出发生相应变化，将位移量转换为电信号，然后通过检测电路转换成脉冲，并以数字形式显示出来。

磁栅传感器有长磁栅式和圆磁栅式两种，分别用来测量线位移和角位移。

11、磁栅式传感器的信号处理方法有哪些？

答：

磁栅式传感器的信号处理方法有静态磁头的信号处理方法和动态磁头的信号处理方法。

12、磁栅式传感器的误差是哪些因素引起的，磁栅式传感器可应用于哪些场合。

答：

磁栅式传感器的误差包括零位误差和细分误差。

零位误差是由以下因素造成的：

a）磁栅的节距不均匀造成的零位误差；

b）磁栅的安装与变形误差；

c）磁栅剩磁变化所引起的零点漂移；

d）外界磁场干扰。

细分误差是由以下因素造成的：

a）由于磁膜不均匀或录制过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；

b）两个磁头在空间位置偏离正交较远；

c）两个磁头参数不对称引起的误差；

d）磁场高次谐波分量和感应电势高次谐波分量的影响。

磁栅式传感器目前有以下两个方面的应用：

a）可以作为高精度测量长度和角度的测量仪器。

b）可以作为自动控制系统中的检测元件（线位移）。

13、什么叫压电效应？

压电材料分为哪几种？

答：

某些晶体，当沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。

这种现象叫压电效应。

压电材料可分为三大类：

压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶半导瓷）和新型压电材料（包括压电半导体和高分子压电材料）。

14、能否用压电传感器测量变化比较缓慢的力信号？

试说明其理由。

答：

不能，由下图可知：

当

时，可以近似看作放大器的输入电压与作用力的频率无关。

在时间常数

一定的条件下，被测物理量的变化频率越高，则放大器的输入电压越接近理想情况。

说明压电传感器具有良好的高频响应特性。

测量变化比较缓慢的力信号时，被测物理量的变化频率越低，则放大器的输入电压不理想，测量不准确。

15、居里点的物理意义是什么？

答：

压电材料开始丧失压电特性时的温度。

16、比较各种实用压电材料的优缺点。

答：

（1）压电晶体

石英晶体压电系数和介电系数的温度稳定性好，常温下几乎不变；机械强度和品质因数高，刚度大，动态特性好；居里点573℃，无热释电性，绝缘性好，重复性好。

（2）压电陶瓷

制作工艺简单、耐湿、耐高温，发展极为迅速，应用广泛。

（3）压电半导体

由于压电半导体既有压电特性又有半导体特性，因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体性制作电子器件，也可将二者结合，研制集转换元件和电子线路于一体的新型压电传感器测试系统。

（4）高分子压电材料

一类是某些高分子聚合物经延展拉伸和电场极化后，具有压电性，称为高分子压电薄膜。

这类材料虽然机电耦合系数较低，但它的独特优点是质轻柔软、抗拉强度高、蠕变小、耐冲击、击穿强度为150~200kV/mm、可以大量生产和制成较大的面积。

另一类是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末制成的高分子压电陶瓷薄膜，这种复合材料保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数和机电耦合系数。

17、为什么压电式传感器要高阻抗输出？

电压放大器与电荷放大器的实质是什么？

答：

首先，由于压电式传感器输出功率小，再加上电缆分布电容和干扰问题，会严重影响输出特性，必须在测量电路中加入前置放大器，将输出信号放大。

只有当负载电阻无穷大且内部无漏电阻时，传感器的电荷才不会泄漏，才能正确测量传感器的输出。

由于前置放大器的输入电阻即为压电式传感器的负载电阻，放大器的输入阻抗可以达到兆欧级，能够满足传感器的要求。

其次，由于压电式传感器内阻高，必须进行阻抗变换，将高阻抗转为低阻抗，这个任务也必须由前置放大器来完成。

电压放大器的功能是将压电传感器的高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器的微弱电压信号放大。

电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。

压电传感器可以等效为一个电容器Cc和一个电荷源，而电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。

18、试叙述双向力传感器测量力的原理。

答：

双向力压电式力传感器，采用两组压电元件来测两个方向的力。

测量z向的力用的是纵向压电效应，测量x，y向力用的是剪切变形而产生电荷的压电效应。

所以双向力传感器有两种基本组合：

一是测量垂直分力Fz和切向分力Fx或Fy，二是测量两个互相垂直的切向分力Fx或Fy。

这两种组合的传感器结构基本相同。

19、分析压磁效应与压电陶瓷产生压电效应的相似性。

答：

铁磁性材料受到机械力的作用时，它的内部产生应变，导致导磁率发生变化，产生压磁效应。

磁材料被磁化时,如果受到限制而不能伸缩,内部会产生应力。

同样在外部施加力也会产生应力。

当铁磁材料因磁化而引起伸缩产生应力时，其内部必然存在磁弹性能量。

某些晶体，当沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。

这种现象叫压电效应。