《传感器及应用》磁电式传感器（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》磁电式传感器-讲义 知识点一 基本工作原理与基本结构 1、 基本工作原理： 磁电式传感器是以导体和磁场发生相对运动而产生电动势为基础的。 根据电磁感应定律，具有N匝的线圈，其感应电动势e的大小取决于贯穿该线圈磁通的变化速率，即 式中：N——线圈的匝数。 图1-a为线圈在磁场中作直线运动时产生感应电动势的磁电式传感器。图1-b为线圈在磁场中作旋转运动时产生感应电动势的磁电式传感器，它相当于一台发电机。 如果以运动的速度来表示，经推导，直线运动和旋转运动磁电式传感器的感应电动势e的大小可以写成： 式中：B——磁场气隙磁感应强度，T （特）（1T=1Wb/m²）； l——线圈导线的总长度，m； v——线圈和磁铁间相对直线运动的线速度，m/s； A—— 线圈所包围的面积，m²； ω—— 线圈和磁铁间的相对旋转运动的角速度，rad/s。 在传感器中，结构已定时磁感应强度B和线圈总长度L都是常数，因此感应电动势e与线圈对磁场的相对运动速度成正比。 从磁电式传感器的直接应用来说，用来测定线速度或角速度。由于速度与位移或加速度有内在联系，仅是一个积分或微分关系，因此在感应电动势的测量电路中接一积分电路，那么其输出电压就与位移成正比；如果在测量电路中接一微分电路，那么输出电压就与运动的加速度成正比。这样，磁电式传感器除可测量速度外，还可以用来测量位移和加速度。 图1 磁电式传感器结构原理图 2、 基本结构： 磁电式传感器的基本元件有两个： 一个是磁路系统，由它来产生恒定的磁场，为了减小传感器的体积， 一般都采用永久磁铁；另一个是线圈，当它切割磁场中的磁力线时产生感应电动势。 感应电动势e和线圈与磁铁的相对运动速度成正比，因此必须使它们之间有一个相对运动。作为运动部分，可以是线圈，也可以是永久磁铁，只要在传感器工作时使线圈切割磁力线就可以了。 图2 ZI-A 型磁电式振动传感器 图2所示为ZI-A 型磁电式振动传感器，它就是以一只线圈作为运动部分的磁电式传感器。 图中：永久磁铁3用铝架4固定在圆筒形的壳体7里面，借助于壳体的导磁性，形成一个磁路；在磁路中有两个环形气隙，在右边气隙里，放置着一个支承在弹簧片1和8上的工作线圈6，而在左边一个气隙里放置着一个作阻尼用的电磁阻尼器2；工作线圈6和阻尼器2用一心杆5连在一起。 使用时，把振动传感器与被测振动体固紧在一起，当振动体振动时壳体也随之振动，此时线圈、阻尼器和心杆的整体由于惯性关系，并不随它振动，因此它与壳体就产生相对运动，亦即使工作线圈6在环形气隙中运动，切割磁力线产生感应电动势。该电动势通过引线9接到测量转换电路。 这个传感器测量的基本参数是振动速度，其灵敏度为604 mV/(cm/s)；若在测量电路中接入积分电路和微分电路，也可以测量振动体的振幅和加速度，它可测振幅范围为0. 1~1000 μm, 可测加速度最大为5g。 图3 磁电式转速传感器 图3所示为一只磁电式转速传感器的结构原理图，它由转子、定子、磁钢、线圈等元件组成。 传感 器的转子和定子均用工业纯铁制成，并在它们的圆形端面上均匀地铣了一些槽，测量时，将传感器的转轴1与被测物转轴相连接，被测物就带动传感器转子转动。当转子与定子的齿凸凸相对时，气隙最小，磁通最大，当转子与定子的齿凸凹相对时，气隙最大，磁通最小。这样定子不动而转子转动时，磁通就周期性地变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的电动势信号。 若该转速传感器的输出量是以感应电动势的频率来表示的，则其频率f 与转速n 间的关系式为： 式中：z——定子或转子端面的齿数； n——被测物转速，r/min。 磁电式传感器是基于（ ）原理进行工作的（ ） A. 电磁感应 B. 压电效应 C. 热电效应 D. 光电效应 【答案】A 【解析】磁电式传感器的基本工作原理是电磁感应。当线圈在磁场中做切割磁感线运动时，根据法拉第电磁感应定律，会在线圈中产生感应电动势。压电效应是用于压电式传感器，热电效应是热电偶的原理，光电效应主要用于光电传感器。 1. 磁电式传感器的核心部件是（ ） A. 压电晶体 B. 热电极 C. 线圈和磁铁 D. 光电二极管 【答案】C 【解析】在磁电式传感器中，线圈和磁铁是核心部件。线圈在磁场中运动产生感应电动势，磁铁提供稳定的磁场环境。压电晶体用于压电传感器，热电极用于热电偶，光电二极管用于光电传感器。 2. 以下哪种运动方式不能使磁电式传感器产生感应电动势（ ） A. 线圈在磁场中静止不动 B. 线圈在磁场中做变速直线运动 C. 线圈在磁场中做匀速直线运动 D. 线圈在磁场中做旋转运动 【答案】A 【解析】根据电磁感应原理，只有当线圈和磁场之间有相对运动，即线圈切割磁感线时才会产生感应电动势。线圈静止不动时，不会切割磁感线，所以不会产生感应电动势。 3. 磁电式传感器的磁场系统一般采用（ ） A. 永久磁铁 B. 电磁铁（交流供电） C. 电磁铁（直流供电） D. 以上都可以 【答案】D 【解析】 磁电式传感器的磁场系统可以是永久磁铁，能提供稳定的磁场；也可以是直流供电的电磁铁，能产生稳定磁场；交流供电的电磁铁在一些特殊情况下也会使用，不过需要考虑磁场的交变对测量的影响。 1. 在磁电式传感器结构中，线圈通常是（ ） A. 超导材料制成，以减少电阻 B. 高电阻材料制成，以增加输出电压 C. 普通导电材料制成，如铜 D. 绝缘材料制成，防止短路 【答案】C 【解析】线圈一般是由普通导电材料制成，如铜。超导材料成本高且在这种普通传感器中应用较少；高电阻材料会增加能量损耗，不利于信号输出；线圈本身就是导电的，不是绝缘材料，绝缘是用于防止线圈与其他部件短路。 2. 磁电式传感器如果要测量振动，其结构上（ ） A. 线圈应固定，磁铁随振动物体运动 B. 磁铁应固定，线圈随振动物体运动 C. 线圈和磁铁都固定，通过感应外部振动磁场工作 D. 线圈和磁铁一起随振动物体运动 【答案】B 【解析】在测量振动时，通常是磁铁固定，线圈随振动物体运动。这样线圈切割磁感线，产生与振动相关的感应电动势，从而实现振动的测量。如果线圈固定，磁铁运动也可以，但实际应用中这种方式较少。 3. 磁电式传感器的阻尼装置主要是为了（ ） A. 增加感应电动势 B. 减小感应电动势 C. 防止传感器共振，使输出信号稳定 D. 改变磁场强度 【答案】C 【解析】阻尼装置的作用是防止传感器在工作过程中出现共振现象。当发生共振时，传感器输出信号会失真，加入阻尼装置可以使输出信号稳定，它不是用于增加或减小感应电动势，也不会改变磁场强度。 · 基于电磁感应原理，通过磁场变化产生感应电动势，将被测量转换为电信号。 · 包括磁路系统和线圈，磁路系统产生磁场，线圈运动切割磁力线产生感应电动势。 · 磁电式传感器为有源传感器，无需辅助电源。 知识点二 测量转换电路 根据磁电式传感器的工作原理：输出电动势大小与运动速度成正比，可知这是一种测速度的传感器。但在实际测量中，它常常被用来测量运动的位移（或振幅）和加速度。 为了能使信号大小与位移和加速度成正比，必须将信号加以变换，一般是在测量电路中接入一积分电路和微分电路，用开关切换。如图4所示。 图4 运算电路图 当开关S放在“1”位置 时，经过一个积分电路，可测量位移的大小；当开关S在“2”位置时，不经过运算电路直接输出，可用来测量速度；当开关S 放在“3”位置时，信号通过微分电路，可以测量加速度。 一般传感器的输出电压不是很大，大约为毫伏级。为了用指针指示或用记录仪进行记录，必须将信号加以放大。 一般采用晶体管放大器放大，放大倍数视传感器的灵敏度而定。有时由于测量范围较广，常把放大倍数分成几挡，分挡的办法用衰减器来完成。 放大器的输出信号可以送至记录仪器记录，也可以用电流表指示。后一种情况，必须先将信号进行检波（峰值检波或平均值检波），然后接到电流表，由指针指示。 图5 GZI 型测振仪电路框图 图5所示为GZ1型测振仪测量电路的框图，是磁电式传感器的一种典型测量电路，由微积分电路、放大、检波指示以及电源等几部分组成。 磁电式传感器灵敏度高，通常用于测量振动、加速度、转速、转角等参数。 磁电式传感器的测量转换电路主要作用是（ ） A. 改变磁场强度 B. 将感应电动势转换为其他便于测量的物理量 C. 增加传感器的机械振动 D. 减小传感器的感应电动势 【答案】B 【解析】磁电式传感器的测量转换电路主要是对传感器输出的感应电动势进行处理，将其转换为如电压、电流等其他便于测量、记录和后续处理的物理量，而不是改变磁场强度、增加机械振动或减小感应电动势。 1. 以下哪种电路元件常用于磁电式传感器测量转换电路中的信号放大（ ） A. 电容 B. 电感 C. 运算放大器 D. 二极管 【答案】C 【解析】运算放大器具有高增益、高输入阻抗等特点，常用于信号放大。电容主要用于滤波、耦合等；电感用于储能、滤波等；二极管主要用于整流、限幅等，在信号放大方面不是主要的元件用于磁电式传感器测量转换电路。 2. 磁电式传感器输出信号经过放大电路后，主要目的是（ ） A. 改变信号频率 B. 提高信号的幅值，便于后续处理 C. 使信号变为直流信号 D. 降低信号的幅值，防止过载 【答案】B 【解析】放大电路的主要目的是提高信号的幅值。因为磁电式传感器输出的感应电动势可能比较微弱，经过放大后能便于后续的模数转换、显示、记录等处理。不是改变信号频率、将信号变为直流信号或降低幅值防止过载。 3. 在磁电式传感器的测量转换电路中，为了去除信号中的高频噪声，常使用（ ） A. 低通滤波器 B. 高通滤波器 C. 带通滤波器 D. 带阻滤波器 【答案】A 【解析】低通滤波器允许低频信号通过，而衰减高频信号，所以可以用于去除信号中的高频噪声。高通滤波器是让高频信号通过；带通滤波器是让某一频段的信号通过；带阻滤波器是阻止某一频段的信号通过。 1. 如果要将磁电式传感器输出的交流信号转换为直流信号，可采用（ ） A. 整流电路 B. 逆变电路 C. 斩波电路 D. 振荡电路 【答案】A 【解析】整流电路可以将交流信号转换为直流信号。逆变电路是将直流转换为交流；斩波电路主要用于调节直流电压；振荡电路是产生交流信号，均不符合将交流信号转换为直流信号的要求。 2. 对于磁电式传感器输出的微弱信号，在测量转换电路中使用（ ）可以提高信号的信噪比 A. 功率放大器 B. 前置放大器 C. 衰减器 D. 变压器 【答案】B 【解析】前置放大器一般用于对微弱信号进行初步放大，并且可以有效地抑制噪声，提高信号的信噪比。功率放大器主要用于放大功率；衰减器是降低信号幅值；变压器主要用于改变电压、电流等，对提高信噪比不是主要作用。 3. 磁电式传感器测量转换电路中的积分电路主要用于（ ） A. 将位移信号转换为速度信号 B. 将加速度信号转换为速度信号 C. 将速度信号转换为位移信号 D. 将速度信号转换为加速度信号 【答案】C 【解析】对速度信号进行积分可以得到位移信号。根据物理学知识，速度对时间的积分是位移。将加速度信号转换为速度信号是微分电路的功能；另外两个选项与积分电路的功能不符。 · 转换电路首先放大传感器输出的微弱电信号，以提高测量精度。 · 通过滤波器去除干扰信号，确保输出信号的稳定性。 · 利用非线性元件或电路对信号进行线性化处理，使其与输入量成正比。 · 转换电路还需适配不同接口，以满足信号传输和后续处理的需。 知识点三 磁电式传感器的应用 1、 磁电式扭矩仪: 这种传感器用于变磁通式，其结构示意图如图6所示。 转子和线圈都固定在传感器轴上，而定子和永磁体固定在传感器的外壳上。转子和定子都有一一对应的齿和槽。测量扭矩时，需用两个传感器将它们的转轴（包括线圈和转子）分别固定在被测轴的两端，它们的外壳固定不动。 安装时， 一个传感器的定子齿与其转子齿相对，另一个传感器的定子槽与其转 子齿相对。当被测轴无外加扭矩时，扭转角为零。这时若转轴以一定角速度旋转，则两个传感器产生相位差180°近似正弦波的两个感应电 动势。当被测转轴受扭矩时，轴的两端产生扭角。因此，两个传感器输出的感应电势将因扭 矩而产生附加相位差。 扭转角与感应电动势相位差的关系为： 其中，z 为传感器定子（转子）的齿数。经测量电路将相位转换成时间差，就可测出扭矩。 图6 磁电感应式扭矩仪结构示意图 2、 机载振动监视系统： 飞机在飞行中由于发动机运转的不平衡和空气动力的作用，都会引起各部分产生不同程度的振动，振动量过大时会造成飞机构件的损坏。因此，为了确保飞行安全，在飞机设计和制造过程中，对一些重要部件如发动机、机身、机翼等，都必须在地面上进行振动试验，以验证这些部件的结构设计是否合理，零件加工和装配是否符合质量要求。在这些振动测试中，常采用 磁电式传感器。 机载振动监视系统是监测飞机在飞行中发动机振动变化趋势的系统。在这个系统中，磁电式传感器是一个重要的组成部分，其组成框图如图7所示。传感器直接安装在发动机上， 直接感受发动机的振动并输出正比速度的电信号。由于传感器接收的是飞机上各种振动频率的 综合信号，因此在放大器的输入端用滤波器得到与发动机转速相应的电信号，经放大后由指示器指示出来。当振动超出规定值时，由报警器发出信号，采取紧急措施。 图7 机载发动机振动监视系统框图 磁电式传感器用于测量位移时，以下哪种情况最适合（ ） A. 微小位移，精度要求高 B. 大位移，精度要求低 C. 位移变化频率高，幅度大 D. 位移方向不固定，幅度小 【答案】A 【解析】磁电式传感器对于微小位移测量且精度要求高的情况比较合适。在适当的结构和测量转换电路配合下，能够实现高精度的微小位移测量。对于大位移精度要求低的情况，可能有更简单经济的传感器可选；位移变化频率高幅度大或位移方向不固定幅度小的情况，可能会给磁电式传感器带来信号处理等方面的复杂问题。 1. 磁电式扭矩仪的基本工作原理是基于（ ） A. 压电效应 B. 电磁感应 C. 热电效应 D. 光电效应 【答案】B 【解析】磁电式扭矩仪是利用电磁感应原理工作的。当轴受扭矩作用时，会引起磁场的变化或者线圈与磁场的相对运动，从而产生感应电动势，通过测量这个电动势来间接测量扭矩。压电效应用于压电传感器，热电效应用于热电偶，光电效应用于光电传感器。 2.磁电式扭矩仪中，感应电动势与扭矩之间的关系通常是（ ） A. 线性关系 B. 平方关系 C. 反比关系 D. 随机关系 【答案】A 【解析】在理想情况下，磁电式扭矩仪设计为感应电动势与扭矩呈线性关系，这样便于通过测量电动势准确地计算扭矩值。这是通过合理的传感器结构和电磁参数设计来实现的。 3. 磁电式机载振动监视系统主要用于（ ） A. 监测飞机发动机的油耗 B. 检测飞机飞行高度 C. 监视飞机关键部件的振动情况 D. 控制飞机的飞行速度 【答案】C 【解析】磁电式机载振动监视系统的主要功能是监视飞机关键部件（如发动机、机翼等）的振动情况，这对于飞机的安全飞行非常重要。监测油耗有专门的燃油监测系统，检测飞行高度用高度传感器，控制飞行速度通过飞行控制系统和速度传感器。 1. 磁电式机载振动监视系统的传感器一般安装在（ ） A. 飞机客舱内部装饰上 B. 飞机机翼、发动机等关键部件附近 C. 飞机起落架内部 D. 飞机尾翼远离关键部件的地方 【答案】B 【解析】为了有效监视关键部件的振动情况，传感器需要安装在飞机机翼、发动机等关键部件附近，这样才能准确地获取这些部件的振动信号，用于后续的分析和故障诊断。安装在客舱内部装饰上主要是监测客舱内的情况，起落架内部主要关注起落架相关情况，尾翼远离关键部件处不能很好地监测关键部件振动。 2. 磁电式扭矩仪在安装时，对于轴的要求是（ ） A. 轴的表面必须是完全光滑的 B. 轴的材料必须是磁性材料 C. 轴的直径和长度没有要求 D. 轴需要有一定的机械强度和稳定性 【答案】D 【解析】轴需要有一定的机械强度和稳定性，以保证在传递扭矩过程中自身不会发生过度变形或损坏，从而影响扭矩测量的准确性。 3. 磁电式机载振动监视系统的信号输出一般是（ ） A. 与振动频率和幅值有关的电信号 B. 固定幅值的直流信号 C. 只与振动频率有关的脉冲信号 D. 与飞机高度有关的模拟信号 【答案】A 【解析】磁电式机载振动监视系统的传感器在检测振动时，会输出与振动频率和幅值有关的电信号，这样可以通过对信号的分析来了解振动的具体情况，包括振动的强度和频率等关键信息。不是固定幅值直流信号、只与频率有关的脉冲信号或与飞机高度有关的模拟信号。 · 磁电式扭矩仪传感器用于变磁通式。. · 都采用非接触式测量，避免了对被测物体的直接接触，提高了测量的可靠性和精度。 · 都能迅速响应被测物理量的变化，实现实时监测。 · 有抗干扰措施，能在复杂环境中稳定工作。 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 $$