《自动检测与转换技术》第3章部分练习分析

PAGEPAGE1《自动检测与转换技术》（“十四五”职业教育国家规划教材）统一书号：ISBN978-7-111-62119-5第三章电感传感器思考题与习题分析说明：填空中的“红色文字”以及分析题中的“提示”并不等于就是答案，只是给出了怎样解题的思路和分析方法，给读者一点启发。作者还在有关题目中，增加了一些新的技术和应用型知识。限于篇幅的限制，有的传感器的内容无法在本教材正文中展开来讲的，现在有了这个“思考题与习题分析”，就可以在此展开介绍，希望对读者有一点帮助。部分分析采用口语化的型式，希望能够提高读者的兴趣。所展开的知识可能有一部分超过本教材的深度，读者可以上网对照理解和提高。希望读者看完本分析之后，就其中的疑难、错误等问题，来信与作者进行探讨，邮箱为liangsen2@126.com，上海电机学院的梁森老师以及作者团队与大家交流。谢谢大家。1．单项选择题1）欲测量极微小的位移，应选择____电感传感器的气隙本来就很小，百分之一的变化就能够引起读数的变化，这个所谓的“百分之一”可能只有0.1μm___自感传感器。希望线性好、灵敏度高、量程为1mm左右、分辨力为1m左右，应选择___变隙式电感传感器的灵敏度是双曲线特性，变面积式电感传感器的灵敏度很低___自感传感器A．变隙式B．变面积式C．螺线管式2）希望线性范围为1mm，应选择绕组骨架长度为___2mm的十倍___左右的螺线管式自感传感器或差动变压器。A．2mmB．20mmC．400mmD．1mm3）螺线管式自感传感器采用差动结构是为了___电磁吸力、温度漂移、非线性等缺点相互抵消，灵敏度增加一倍___。A．加长绕组的长度从而增加线性范围B．提高灵敏度，减小温漂C．降低成本D．增加绕组对衔铁的吸引力4）自感传感器或差动变压器采用相敏检波电路最重要的目的是为了___分辨输入电压的相位是与参考电压同相？还是反相？___。A．提高灵敏度B．将输出的交流信号转换成直流信号C．使检波后的直流电压能反映检波前交流信号的相位和幅度5）某车间用图3-14的装置来测量直径范围为φ10mm1mm轴的直径误差，应选择线性范围为__2mm的1.5倍左右，答案与10mm无关____的电感传感器为宜（当轴的直径为φ10mm0.0mmA．10mmB．4mmC．1mmD．6）希望远距离传送信号，应选用具有___电流型传感器，是不是0mA开始的？___输出的标准变送器。A．0~2VB.1~5VC.0~10mAD.4~20mA2．请将图3-2b改为差动变面积式自感传感器，画出示意图。提示：就是在3-2b所示的“铁心”（过去有的教材中，也称“铁芯”）的两个侧面加绕两个“二次侧”线圈（过去有的教材中，也称“次级线圈”）。中间原有是线圈作为一次侧（过去有的教材中，也称“初级线圈”）。3．差动变压器式压力传感器见图3-16a，其压力与膜盒的挠度关系、差动变压器衔铁的位移与输出电压的关系如图3-1）当输出电压为50mV时，压力p为多少千帕？2）在图a、b上分别标出线性区，综合判断整个压力传感器的压力测量范围是多少（线性误差小于2.5%）。解：1）当输出电压为50mV时，压力p为多少千帕：首先在图3-16b图上，用作图法测量出：当输出电压为50mV时，位移x=5mm。然后在从a图中，以5mm对照坐标图，就可以得到压力p。这道题的目的是让读者了解“压力的测量是需要先变为位移的测量，然后才能再变为电参量”这一“非电量电测”的典型思维方法。2）在图图3-16a、b上分别标出线性区，综合判断整个压力传感器的压力测量范围是多少（线性误差小于2.5%）：提示：从图3-16a图看，线性区大概可以达到7mm。但是，从b图看，到了±5.5mm左右，则传感器的输出电压就进入“非线性区”。综合起来看，应该以最差的环节的技术指标作为总的指标，所以整个压力传感器的压力测量范围是……非线性的范围：是要根据“线性误差的允许范围”来确定的。本题要求线性误差小于2.5%，这个数值大概是眼睛能够看出特性曲线“有一点点弯曲”的范围。也可以用直尺测量出最大的误差数值，然后除以“测量范围”，再乘以100%，就可以得到线性误差。如果要求高一点，例如要求线性误差小于1%，就是较准确的仪表了。所谓“一点点弯曲”是不科学的说法。通常可以从“曲线开始弯曲”的位置，再往比较线性的方向退5%来估算。“线性误差”和“非线性误差”的提法：其实意思是差不多的。本教材采用“线性误差”的提法。仪表都希望“线性”好一点，不要有“非线性”……大家自己去体会这几种提法的意思哈。图3-19差动变压器式压力变送器特性曲线4．有一台两线制压力变送器，量程范围为0~1MPa，对应的输出电流为4~20mA。求：1）压力p与输出电流I的关系表达式（输入/输出方程）。2）画出压力与输出电流间的输入/输出特性曲线。3）当p为0MPa、1MPa和0.5MPa时变送器的输出电流。4）如果希望在信号传输终端将电流信号转换为1~5V电压，求负载电阻RL的阻值。5）画出该两线制压力变送器的接线电路图（电源电压为24V）。6）如果测得变送器的输出电流为5mA，求此时的压力p。7）若测得变送器的输出电流为0mA，试说明可能是哪几个原因造成的。8）请将图3-20中的各元器件及仪表正确地连接起来。图3-20二线制仪表的正确连接提示：1）压力p与输出电流I的关系表达式（输出/输入方程）：可以通过解广义的二元一次方程来得到：y=a0+a1x，y的单位是mA，a0就等于4mA。当x=0时，y=20mA，就可以解方程得到a1。a1是有单位的（mA/MPa）。上式中的y就是I，x就是P。中间步骤是：I=(4+a1P)mA，然后将解方程得到的a1代入，就得到最终的答案。还要注意，a1是有单位的。2）画出压力与输出电流之间的输入/输出特性曲线：y轴以4mA为起点，20mA为终点；x轴以测量的下限（通常为零）为起点，测量上限为终点。3）当p为0MPa、1MPa和0.5MPa时变送器的输出电流：如果量程范围为0~1MPa，对应的输出电流为4~20mA，则当p为0MPa时，变送器的输出电流就是4mA；当p为1MPa时，变送器的输出电流就是20mA；当p为一半的满量程时，变送器的输出电流就是12mA。读者可以代入“输出/输入方程”去试试看。4）如果希望在信号传输终端将电流信号转换为1~5V电压，求负载电阻RL的阻值：根据欧姆定律（本教材最多用到电工学的欧姆定律，不会涉及戴维南定理等稍微难一点的东东哈），负载电阻RL等于输出电压除以4mA……5）画出该两线制压力变送器的接线电路图（电源电压为24V）：可参考图3-17。6）如果测得变送器的输出电流为5mA，求此时的压力p：请代入到输出/输入方程！7）若测得变送器的输出电流为0mA，试说明可能是哪几个原因造成的：例如，最大的可能就是根本就没有接电源哈，再者就是两根接线中的一根断了。可能性不大的还有：仪表是坏的等等。你可要把以上的口头语变成科学语言哈。5．图3-21是差动变压器式振动幅度测试传感器示意图。请分析其测量振幅的原理，并填空。图3-21差动变压器式振幅传感器1－振动体2－弹簧片式悬臂梁3－连杆4－衔铁5－差动变压器绕组当振动体因振动而向左位移时，由于衔铁___牛顿第二定律F=ma___性较大，所以留在原来位置，基本不动，所以相对于差动变压器绕组而言，相当于向___相反啦___位移。N1与N21之间的互感量量M1___铁心中变少了___，所以U21___互感量小了，变压器的效果就差了___。而N1与N22之间的互感量量M2___铁心中变多了___，所以u22___互感量大了，变压器的效果就好了___。uo=u21-u22，其绝对值与振动的___牛顿第二定律___(幅值x/速度v/加速度a）成正比，而相位与ui__变化趋势相反了____（同相/反相）。反之，当振动体向右位移时，衔铁向___相反啦___位移，uo与ui___也和上面的相反啦___相。6．图3-22所示为电感转速传感器和市售的磁电式（又称电磁感应式）转速传感器测量转速和转角的原理示意图。请根据学过的电工知识，比较它们测量转速的工作原理有何本质区别，并分别写出图a和图b所举实例中转速n的计算公式。本图所示的磁电式探头是否需要激励电源？为什么？提示：请根据学过的电工知识，比较它们测量转速的工作原理有何本质区别：a）电感式传感器需要激励电源，大概4~10kHz左右。当齿轮的尖端靠近电感传感器的线圈的铁心时，磁路的磁阻减小，电感量增大，然后……，就产生与齿数以及转速成正比的电压脉动。b）磁电式（电磁感应式）不需要激励电源。当永久磁铁的磁力线通过汽车发动机曲轴转子上的尖端（共四个）时，通过线圈的磁感应强度会突然增大，线圈就产生负的感应电动势；当尖端离开磁铁后，磁感应强度突然减小，线圈就产生正的感应电动势。每一次磁感应强度的正负突变就产生一个正负电压脉冲。分别写出图a和图b所举实例中转速n的计算公式：转速n等于60倍乘以(脉冲的频率÷齿数)。本图所示的磁电式探头是否需要激励电源：见前几行。图3-22两种测量转速的方法a）电感b）磁电式（电磁感应式）1－被测旋转体（钢质齿轮）2－导磁铁心3－绕组4－永久磁铁5－汽车发动机曲轴转子z－齿数T－传感器输出脉冲的周期7．生产布料的车间用图图3-23所示的装置来检测和控制布料卷取过程中的松紧程度。请分析填空。图3-23差动变压器式张力检测控制系统1－变速传送电动机2－传动辊3－导向辊4－张力辊5－衔铁6－砝码7－卷取辊8－布料9－伺服电动机当卷取辊转动太快时，布料的张力将_____拉紧了____（增大/减小）。导致张力辊向___提起来了_____（上/下）位移。使差动变压器的衔铁不再处于中间位置。N21与N1之间的互感量M1____线圈骨架内的铁心中少了___（增加/减小），N22与N1的互感量M2____线圈中骨架内的铁心多了一些___。因此u21___互感量小了，变压器的感应电动势就小了___（增大/减小），u22___互感量大了，变压器的感应电压就大了___，经差动检波之后的uo为____u21-u22__（负/正？）值，去控制伺服电动机，使它的转速变___再快就拉断了___（快/慢），从而使张力恒定。8．请参考图3-23的原理，构思一个测量向日葵日生长量（高度）的测量仪器。请你画出向日葵、两只导向滑轮、细线及固定点、差动变压器、衔铁、测量转换电路、指针式毫伏表等元