《传感器及应用》自感式位移传感器（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》自感式位移传感器-讲义 知识点一 变气隙(闭磁路)自感式位移传感器 变气隙自感式位移传感器的结构原理如图1所示。 图1-a为单边式结构，图1-b所示为差动式结构。皆由铁心、线圈、衔铁（可移动的铁心）、测杆及弹簧等组成。 铁心、衔铁及它们之间很小的空气隙一起构成了闭合磁路。铁心和衔铁均为导磁材料磁阻可忽略不计，相比之下，气隙中空气的磁阻很大。 当衔铁发生相对于铁心位移时，气隙的长度或截面积发生变化，线圈的电感量跟着变化。线圈的自感系数L与匝数N及气隙参数之间的关系为： 式中：； ； 。 其中，气隙长度和等效截面积是可以变化的，因此，变气隙自感式位移传感器可分为变气隙长度式和变气隙截面式两种类型。 图1 变气隙自感式位移传感器的结构原理图 1、 变气隙长度自感式位移传感器： 由线圈的自感系数L与匝数N及气隙参数的关系式可知，电感与气隙长度成反比。 变气隙长度自感式位移传感器的特性曲线为类似图2所示的双曲线，其线性度差、示值范围窄、自由行程小，常用于直线小位移的测量及结合弹性敏感元件构成压力传感器、加速度传感器等。 图2 变气隙长度自感式位移传感器的特性 2、 变气隙截面自感式位移传感器 同样由线圈的自感系数L与匝数N及气隙参数的关系式可知，电感与气隙等效截面积成正比。 变气隙截面自感式位移传感器具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽，但灵敏度较低，通常用来测量比较大的直线位移和角位移。 为了扩大示值范围和减小非线性误差，变气隙自感式传感器还可采用差动结构。 如图3所示，旋转衔铁可改变气隙的截面积，用来测量角位移。 差动式有两个线圈，将它们接在电桥的相邻臂，构成差动电桥，不仅可使灵敏度提高一倍，而且使非线性误差大为减小。 图3 变气隙截面自感式位移传感器 变气隙自感式位移传感器的工作原理基于。（ ） A. 压电效应 B. 电磁感应原理 C. 光电效应 D. 霍尔效应 【答案】B 【解析】变气隙自感式位移传感器通过改变气隙大小，使线圈的自感发生变化，依据的是电磁感应原理。压电效应与压力产生电荷有关；光电效应涉及光与电的转换；霍尔效应是在磁场中产生电势差，均与该传感器工作原理不符。 1. 当变气隙自感式位移传感器的气隙增大时，其自感量（ ） A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 先增大后减小 【答案】B 【解析】根据自感公式，气隙增大时，自感减小。 2. 变气隙自感式位移传感器中，为提高灵敏度，可采取的措施是（ ） A. 减小线圈匝数 B. 增大气隙初始值 C. 减小气隙初始值 D. 降低磁导率 【答案】C 【解析】由灵敏度，结合自感公式，气隙初始值越小，单位气隙变化引起的自感变化越大，灵敏度越高。减小线圈匝数、增大气隙初始值、降低磁导率都会使灵敏度降低。 3. 变气隙自感式位移传感器的测量范围与（ ）有关 A. 线圈电阻 B. 电源频率 C. 气隙变化范围 D. 环境温度 【答案】A 【解析】 该传感器通过气隙变化来测量位移，气隙变化范围决定了能测量的位移范围。线圈电阻影响电路电流等，电源频率主要影响交流激励下的性能，环境温度虽有一定影响但并非决定测量范围的关键因素。 1. 若变气隙（闭磁路）自感式位移传感器采用交流激励，其输出信号（ ） A. 是直流信号 B. 与激励信号同频率的交流信号 C. 频率是激励信号两倍的交流信号 D. 无规律信号 【答案】B 【解析】当采用交流激励时，由于电磁感应，传感器输出信号是与激励信号同频率的交流信号，只是幅值和相位会随气隙变化而改变。 2. 变气隙（闭磁路）自感式位移传感器在测量微小位移时，其精度。（ ） A. 较高 B. 较低 C. 与测量大位移时相同 D. 无法确定 【答案】A 【解析】在微小位移测量时，其灵敏度相对较高，且结构和原理特性使得在小位移范围内能较准确测量，精度较高。随着位移增大，非线性等因素会影响精度。 3. 以下哪种不是变气隙（闭磁路）自感式位移传感器的组成部分（ ） A. 线圈 B. 铁芯 C. 永磁体 D. 衔铁 【答案】C 【解析】变气隙自感式位移传感器主要由线圈、铁芯和衔铁组成，通过衔铁移动改变气隙影响自感。永磁体一般不是其组成部分。 · 变气隙(闭磁路)自感式位移传感器工作原理基于电磁感应，当气隙变化时自感系数改变。 · 变气隙(闭磁路)自感式位移传感器输出特性为非线性，气隙越小，灵敏度越高。 · 变气隙(闭磁路)自感式位移传感器结构简单，主要由线圈和衔铁构成，适用于小位移测量。 知识点二 螺管(开磁路)自感式位移传感器 图4所示为螺管自感式位移传感器构成的电感测微仪的结构图及其测量电路框图。是在螺线管中插入圆柱形铁心而构成，气隙占磁路很长的部分。 螺管自感式位移传感器常采用差动式。两个线圈接成桥式电路，由振荡电路提供激励电源。不平衡电桥输出的调幅信号经交流放大、相敏检波后，输出与衔铁位移成 正比的电压信号，送指示器显示被测位移。 将测头接触被测物表面，可测量位移及物体表面粗糙度等。 图4 电感测微仪及其电路框图 常用的电感测微仪为CDH型，其量程分为±3μm、±10μm、±50μm 和±100μm 5挡，各挡相应的指示仪表分度值为0.1μm、0.5μm、1μm和5 μm。 螺管（开磁路）自感式位移传感器的工作原理主要基于（ ） A. 电容变化 B. 电磁感应导致自感变化 C. 压电效应 D. 霍尔效应 【答案】B 【解析】螺管（开磁路）自感式位移传感器通过衔铁在螺线管中的位置移动，改变磁路磁阻，依据电磁感应原理使线圈自感发生变化来测量位移。 1. 为提高螺管（开磁路）自感式位移传感器的灵敏度，可行的做法是（ ） A. 增加螺线管的匝数 B. 减小螺线管的长度 C. 降低激励电流 D. 减小衔铁的尺寸 【答案】A 【解析】增加螺线管匝数，能使单位位移变化引起的自感变化量增大，从而提高灵敏度。减小螺线管长度、降低激励电流和减小衔铁尺寸通常会降低传感器灵敏度。 2. 螺管（开磁路）自感式位移传感器的测量精度与以下哪个因素关系最大。（ ） A. 环境湿度 B. 螺线管的电阻 C. 衔铁的运动是否平稳 D. 电源的稳定性 【答案】C 【解析】衔铁运动不平稳会导致自感变化不稳定，直接影响测量精度。环境湿度对传感器的电磁特性影响较小；螺线管电阻主要影响电路功耗等，对精度影响相对较小；电源稳定性主要影响激励信号，相比之下，衔铁运动平稳性对精度影响最大。 3. 以下哪种不是螺管（开磁路）自感式位移传感器的常见应用场景（ ） A. 机床工作台位移测量 B. 液位测量 C. 人体心率检测 D. 汽车刹车行程测量 【答案】C 【解析】该传感器常用于工业自动化中测量机械部件的位移，如机床工作台位移、汽车刹车行程等，也可通过特殊设计用于液位测量。但人体心率检测一般采用光学、压电等其他类型传感器，螺管自感式位移传感器不适用于此场景。 1. 螺管（开磁路）自感式位移传感器在测量过程中，若出现输出信号跳变，可能的原因是（ ） A. 螺线管表面有灰尘 B. 衔铁与螺线管之间有异物卡住 C. 激励电源电压稍有波动 D. 环境温度略有变化 【答案】B 【解析】衔铁与螺线管间有异物卡住，会使衔铁运动受阻且不连续，导致自感突变，输出信号跳变。螺线管表面灰尘、激励电源电压小波动、环境温度略有变化一般不会引起如此明显的输出信号跳变。 2. 螺管（开磁路）自感式位移传感器的响应速度与（ ）无关 A. 衔铁的质量 B. 螺线管的电感 C. 信号处理电路的延迟 D. 传感器的安装角度 【答案】D 【解析】衔铁质量影响其运动速度，螺线管电感影响电磁响应速度，信号处理电路延迟决定了信号处理快慢，这些都与响应速度有关。而传感器安装角度在不影响衔铁正常运动的情况下，对响应速度无影响。 3. 为了抑制螺管（开磁路）自感式位移传感器的外界干扰，可采取的措施是（ ） A. 对传感器进行屏蔽 B. 增加传感器的重量 C. 提高激励频率 D. 减小线圈匝数 【答案】A 【解析】对传感器进行屏蔽能有效阻挡外界电磁场等干扰。增加传感器重量对抑制干扰无作用；提高激励频率可能会引入更多干扰且改变传感器性能；减小线圈匝数会降低传感器灵敏度，并非抑制干扰的有效方法。 · 螺管(开磁路)自感式位移传感器利用线圈自感随衔铁位移变化,衔铁插入深度改变，自感改变。 · 螺管(开磁路)自感式位移传感器输出特性呈线性，测量范围较大。 · 螺管(开磁路)自感式位移传感器易受外部磁场干扰，精度会受温度、湿度影响，安装要考虑环境因素。 知识点三 电感式传感器的转换电路 电感式位移传感器常用交流阻抗电桥和谐振电路来实现信号转换。 图5 自感传感器电桥电路 图5所示为电感 式传感器常用的交流阻抗电桥，电桥的平衡也可用图6所示的电路来调节。 图5-a所示为电感电桥，为了便于选择元件，另外两臂常采用固定电阻 图5-b所示为变压器电桥，其中两桥臂为变压器二次侧的线圈。 L1、L2为差动电感式位移传感器线圈的自感系数。若忽略线圈的电阻变化，电桥的输出电压为 当衔铁移动方向相反时，输出电压的相位将翻转180°。 图6 交流电桥电路 电感式传感器常用的转换电路中，能够直接将电感变化转换为直流电压输出的是（ ） A. 交流电桥 B. 变压器式交流电桥 C. 直流差动电桥 D. 谐振式转换电路 【答案】C 【解析】直流差动电桥可将电感式传感器的电感变化转换为直流电压输出。交流电桥输出为交流信号；变压器式交流电桥输出也是交流信号；谐振式转换电路输出的是与谐振频率相关的信号，并非直接的直流电压。 1. 交流电桥用于电感式传感器时，若两相邻桥臂为电感，另外两相邻桥臂通常为（ ） A. 电容 B. 电阻 C. 电感 D. 二极管 【答案】B 【解析】在交流电桥用于电感式传感器的常见结构中，当两相邻桥臂为电感时，为实现电桥的平衡和对电感变化的测量，另外两相邻桥臂通常为电阻，利用电阻与电感的特性组合来检测电感变化。 2. 压器式交流电桥输出电压的幅值与电感式传感器的（ ）有关 A. 电感变化量 B. 线圈匝数 C. 激励电压频率 D. 以上都是 【答案】B 【解析】变压器式交流电桥输出电压幅值受电感变化量影响，因为电感变化改变电桥平衡状态；线圈匝数影响电感大小，进而影响输出；激励电压频率也会影响电桥的输出特性，所以与这三个因素都有关。 3. 以下哪种转换电路对电感式传感器的非线性补偿效果较好？（ ） A. 简单的 RC 滤波电路 B. 变压器耦合式电路 C. 带相敏检波的交流电桥电路 D. 整流电路 【答案】C 【解析】带相敏检波的交流电桥电路通过相敏检波环节，能有效区分电感变化的方向，同时对传感器的非线性有较好的补偿作用。简单的 RC 滤波电路主要用于滤波；变压器耦合式电路主要用于信号传输和隔离；整流电路主要用于将交流信号转换为直流信号，它们对非线性补偿效果不佳。 1. 谐振式转换电路中，电感式传感器作为谐振回路的一部分，当电感变化时，谐振回路的（ ）发生变化 A. 谐振频率 B. 电容 C. 电阻 D. 电流方向 【答案】A 【解析】在谐振式转换电路中，电感式传感器电感变化会改变谐振回路的总电感，根据谐振频率公式，谐振频率会随之变化。电阻和电容通常不是由电感变化直接导致改变的；电流方向与谐振频率和电路结构有关，但不是电感变化直接引起的主要变化量。 2. 电感式传感器采用调频式转换电路时，其输出信号的（ ）随电感变化而改变 A. 频率 B. 幅值 C. 相位 D. 占空比 【答案】A 【解析】调频式转换电路中，电感式传感器的电感作为振荡电路的一部分，电感变化会使振荡电路的振荡频率改变，所以输出信号的频率随电感变化而改变，幅值、相位和占空比不是调频式转换电路因电感变化的主要改变量。 3. 在设计电感式传感器的转换电路时，为了提高抗干扰能力，通常会采取（ ）措施 A. 增加电路的电阻值 B. 采用屏蔽和接地 C. 提高电源电压 D. 减小电路的电容值 【答案】B 【解析】采用屏蔽和接地能有效阻挡外界电磁场干扰，提高转换电路的抗干扰能力。增加电路电阻值可能影响电路性能，但对提高抗干扰能力作用不大；提高电源电压可能会带来其他问题且不能有效抗干扰；减小电路电容值对特定干扰可能有一定作用，但不如屏蔽和接地效果直接和普遍。 · 调频电路：电感变化使振荡频率改变，稳定性好，抗干扰强。 · 谐振式电路：利用谐振原理，灵敏度高，线性度好。 · 脉冲电路：将电感变化转换为脉冲信号，转换速度快，适合动态测量。 · 调幅电路：将电感变化转换为电压幅值变化，通过电桥等实现。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$