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传感器原理设计题及答案（合肥工大考研题）.doc

发布时间：2022-06-05 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.74M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1. 设计两种自动开门、关门系统，要求一种方案是无论是生物或物体接近均能开门，另 一种方案只能是生物接近才能开门，物体接近不会开门。画出测量示意图，并详细说明传 感器的选择依据和测量原理。（共两种方案） 答： 方案一：采用红外光电对射式传感器 示意图： 解释：当有生物或物体通过红外光电对射式的传感器时，生物或物体就会阻挡红外光的 正常对射，接收端接收不到发射端发射的红外光，其电压发生变化，此时自动打开门；当无 生物或物体通过时，门自动关闭。 方案一：采用热释电红外线传感器 示意图： 解释：生物一般都有恒定的体温，所以会发出特定波长的红外线，被动式红外探头就是 靠探测生物发射的红外线而进行工作的。生物体发射的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集 到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到生物体红外辐射温度 发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。 当生物接近图中阴影范围内时，传感器就会检测到生物，进而打开门；当范围内无生物 时，就会自动关门。 2. 工业生产中，经常需要测量大电流（1000A 以上），请设计出两种测量系统，详细说明 传感器的选择依据和测量原理。 方案一：霍尔电流传感器 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流与磁场的方向上将产生 电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端 通入电流 Ic，并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁场强度为 B 的磁场，那么在垂直于电流 和磁场方向(即霍尔输出端之间)，将产生一个电势 VH，称其为霍尔电势，其大小与控制电流 IC 和磁通密度 B 的乘积成正比，即：VH=KICBsinΘ。 即有式中:K 为霍尔系数，由霍尔元件的 材料决定；Ic 为控制电流；B 为磁场强度；VH 为霍尔电势。 霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁 场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此，使电流的非接触测量成为可能。通过测量霍尔 电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电－磁－电的绝缘隔离 转换。
    霍尔电流传感器 方案二：利用电阻量具测量电流 借助于电阻量具进行电流测量可以说是整个大电流测量技术研究与应用领域中应用最 为成熟且传统的方式之一。从工作原理的角度上来说， 此种测量方式能够依据被测定电流 线路电流流经已知电阻过程当中对于电流线路电压数值的确定方式实现对电流线路电流数 值的判定。现阶段专用电阻量具的制备材料主要体现为锰铜合金，即借助于锰铜合金原材制 备低欧姆四端电阻。在应用此种电阻量具装置进行直流大电流测量作业的过程当中，被测定 直流线路在额定输入电流参数，额定输入电压参数以及额定电阻参数之间始终保持着一定的 对应关系，即在输入电流参数取值为零值状态的情况下， 被测定直流线路的额定电阻参数=额定输入电压参数/额定输入电流参数。 方案三：利用互感器测量电流 电流互感器原理是依据变压器原理制成的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它 的一次侧绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过， 二次侧绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次侧 回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态 接近短路。电流互感器是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量，二次侧不可开路。 在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（中国规 定电流互感器的二次额定为 5A 或 1A），另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险 的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用。它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设 备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互 感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。 正常工作时互感器二次侧处于近似短路状态，输出电压很低。在运行中如果二次绕组开 路或一次绕组流过异常电流（如雷电流、谐振过电流、电容充电电流、电感启动电流等）， 都会在二次侧产生数千伏甚至上万伏的过电压。这不仅给二次系统绝缘造成危害，还会使互 感器过激而烧损，甚至危及运行人员的生命安全。 3. 请设计测量风速的仪器，请设计两种测量方案，选择合适的测量方法和传感器，并画 出示意图。 方案一：超声波涡接测量 超声波风速传感器是利用超声波时差法来实现风速的测量。声音在空气中的传播速度， 会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若 超声波的传播方向若与风向相反，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在 空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。由于声波在 空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；本风速仪检测两个通道上的两个相反方向，因 此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。
    测量图 方案二：三杯电涡流式传感器：风杯的转轴为金属齿转盘，感应头由线圈组成。线圈通 以高频交流电流，线圈周围产生交变磁通，它通过金属齿形成闭路，金属齿便产生涡流，金 属齿除了散热外还产生交变磁通，导致方向相反的交变磁通叠加使线圈的电感量减小而且引 起阻抗的变化。当转轴转动时，引起线圈磁通的变化便输出连续的脉冲信号，对脉冲信号进 行计数，便可算出转轴转速。 方案三：三杯光耦感应器式传感器，当风杯转动时，通过主轴带动多齿转盘旋转，使下 面光敏三极管接收上面发光二极管照射下来的光线，处于导通或截止状态，形成与风杯转速 成正比的频率信号，通过计数器计数，换算后得到实际风速值。 方案二三都是利用风带动风杯的转动，然后带动转盘的旋转，利用电涡流或者光耦感应 器测出转盘旋转转速，进而计算得出风速。示意图三杯测速仪示意图如下： 4. 分别设计汽车上传感器测量系统，包括水温、油量、车速、安全气囊、安全带未系报 警。分别给出相应传感器，并叙述测量原理。 答： 水温：采用热电阻传感器 金属热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和与温度相关的参数进 行测量监测的装置。在温度升高时，导体的电阻值将增加，利用这个原理，将热电阻传感器 的探头放置水中，就可以测量水温了。 油量：压阻式传感器 油箱内的浮球+杠杆+感应电阻+油表=油箱油量容积。浮球会随油量多少而上下浮动。带 动杠杆上下也联动着压阻式感应电阻，上下位置不同所产生的电流也不同。压阻式感应电阻 根据感应到的电流大小。把信号传递个油表显示出来。示意图如下：
    车速：红外光电对射传感器（或霍尔传感器） 通过车轮上有空转盘旋转，使安置在车轮两侧的红外光电对射传感器的接收端接收光 线，传感器处于导通或截止状态，形成与车速成正比的频率信号，通过计数器计数，换算后 得到实际车速值。 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流与磁场的方向上将产生 电动势，这种物理现象称为霍尔效应。利用霍尔传感器可以监测金属的原理，在汽车车轮装 非金属材料的圆盘。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。 圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过系统测量产生脉冲的频率就可以得出圆 盘的转速，进而得出车速。测量示意图如下： 安全气囊：加速度传感器 （电容式加速度传感器课本 89 页 主要测量高频振动加速度 压阻式加速度传感器课本 42 页 主要测量低频振动加速度 应变式加速度传感器课本 38 页 主要测量低频振动加速度 、、、等） 当汽车发生碰撞时，其瞬时加速度会很大，比平时开车加速的加速度大很多，所以采用 加速度传感器监测汽车行驶过程中的加速度。当汽车加速度突然急剧加大，超过某临界值时， 安全气囊将会自动打开。 安全带未系报警：光耦感应器式传感器 当安全带卡扣未卡入卡槽时，一侧的光敏三极管接收另一侧的发光二极管照射过来的光 线，使三极管处于导通状态，此时控制系统检测进行报警；当卡扣在卡槽时，扣子就阻挡了 发光二极管发出的光，光敏三极管处于截止状态，此时控制系统就会检测到安全带系上了。 5. 在线测量某种非金属材料的厚度，厚度 20mm 左右，分辨率要求 5um，传送带是金属 的，不考虑传送带的波动。分别采用三种不同的传感器来测量，要求实时监控材料厚度， 如超出误差范围则输出实值，同时报警。画出测量示意图，并详细说明包括传感器的选择 依据和测量原理。 答：
    方案一：电容式传感器 电容式传感器工作原理是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不 考虑其边缘效应，其电容量为：εS/d。式中ε为极间介质的介电常数，S 为两极板互相覆盖 的有效面积，d 为两电极之间的距离。当任意值发生变化，电容值就会发生改变。 将该系统中，将传送带作为电容式传感器的一个平行金属板，非金属材料作为绝缘介质， 在非金属材料上面再加一块金属板就组成了电容式传感器，当非金属传感器的厚度发生变 化，即公式中的 d 改变，电容值就会变化，进而得出厚度的变化值，由控制系统计算比较， 得出实时非金属材料的厚度。测量示意图如下： 方案二：电感式传感器 测量原理：运用磁阻法测量非金属材料的厚度。当非金属材料的厚度发生变化时，造成 扼流圈回路的间隙发生变化，其磁阻就会发生变化，进而引起线圈内的电流发生变化。电流 与磁路的磁阻成比例，亦与材料厚度成比例，通过计算就可得出材料的厚度。 方案三：激光扫描传感器 利用激光束以恒定的速度扫描非金属材料，由于激光方向性能好、亮度高，因此光束在 材料的边缘形成强对比度的光强分布，经光电器件转换成脉冲信号，脉冲宽度与被测厚度成 正比，从而实现了材料厚度的自动在线测量。（测量系统示意图可参考课本 158 页的图 7-52） 6. 全自动洗衣机具有自动液位测量、水的浑浊度测量，以及电机转速测量的功能。请分 别画出液位、浑浊度和转速这三个量的测量示意图，详细说明各自的测量原理（包括三种 传感器的选择以及测量过程）。 答： 液位测量：气压式气动传感器（包括压阻式压力传感器） 气压式气动测量原理是将被测量量转换成气压的变化或者气流量变化信号，再进一步转 换成电信号的一种传感器。现将液位的变化转换为气室中压力的变化，再测量气室压力的变 化，进而得出液位变化。 测量示意图：
    水的浑浊度测量：光电式传感器 利用光电传感器发光二极管照射水，通过光敏三极管接收从水中透射过来光的强度，进 而判读水的浑浊度。测量示意图如下： 电机转速测量：霍尔传感器（同汽车车速测量原理一样） 7. 有一个直径为数米的金属罐，往罐内连续注入液体，当注入液体容量达到罐容量的 90% 时就停止，请设计两种不同传感器测量系统来解决。画出测量系统的结构图和测量示意图， 并详细说明。 答： 方案一：超声波传感器 利用超声波在不同介质中的传播速度不同的原理，在金属罐的 90%容量处安置超声波的 发射器与接收器，在液体未达到 90%的容量时，超声波在空气中传播，传播速度比在液体中 快。通过两者的不同，当接收的时间变长时，即液体达到容量的 90%，此时通过 CPU 控制 系统发出警报。 方案二：同第 6 题洗衣机液位测量原理一样。 8. 现要测量一个转速在 500 转/min 的转轴（根据测量需要可以在轴上加辅助装置），请设 计两种不同传感器测量系统。画出测量系统的结构图和测量示意图，并详细说明之。 答：测量转速最常用的两种方法是霍尔传感器和光电传感器 可参考第 3 题的风速测量以及第 4 题的车速测量 此题必须会 9. 测量金属圆管的直线度的方案，画出系统检测示意图，说明所选用的传感器的理由， 各组成环节的作用，测试系统的特点和关键所在。采用接触式和非接触式传感器分别设计 一种方案。
    方案一：百分表（接触式） 方案二：激光传感器和 PSD 位置敏感器件（非接触式） 利用激光准直仪发出平行的、能量分布中心对称的激光光束，并以此作为直线度测量的 基准线，用 PSD 四象限光电池作为测量元件感知被测截面实际中心位置的变化，测量信号 经处理后，可获得各被测截面实际的圆心位置，再经直线度评定，获得直线度信息。 10. 在线测量薄板的厚度，厚度 0.2~1mm，轧制时薄板上下有波动（跳动）。测量方案要考 虑板消除上下波动所造成的误差。画出系统检测示意图，说明所选用的传感器的理由。针 对钢板和非金属薄板分别选择一种合适的传感器。 答： 钢板：超声波传感器 超声波测量金属零件的厚度具有测量精度高，测试仪器轻便，操作安全简单，易于读书 及实行连续自动检测等的优点。具体参考课本第 197 页超声波测厚。 非金属薄板：激光扫描传感器 利用激光束以恒定的速度扫描非金属材料，由于激光方向性能好、亮度高，因此光束在 材料的边缘形成强对比度的光强分布，经光电器件转换成脉冲信号，脉冲宽度与被测厚度成 正比，从而实现了材料厚度的自动在线测量。（测量系统示意图可参考课本 158 页的图 7-52） 以上两种测量方法都可消除薄板轧制时跳动带来的误差。好好研究
    11. 测量机床床身振动的幅值，速度和加速度。请选用合适的传感器，并画出测量原理图。 答： 幅值：激光扫描传感器（测量系统示意图可参考课本 158 页的图 7-52） 此种方法为非接触式测量，通过激光器扫描，得出机床床身振动的幅值变化。 速度：磁电感应式振动速度传感器（参考课本 93 页） 加速度：电容式加速度传感器（参考课本 88 页） 12. 某物体做低频振动，振幅小于 1mm。根据所掌握的传感器知识，设计出三种可行的测 量振幅的方案，说明其工作原理，并画出测量系统组成框图。 答： 方案一：同 11 题机身振动幅值的测量方法 方案二：霍尔位移传感器 将物体表面粘贴金属片测量片，然后把物体整体作为霍尔元件。保持霍尔元件（即金属 片）的控制电流恒定，将整体放入一个均匀梯度的磁场中，此时霍尔电动势会随着物体的振 动而变化。磁场梯度越大，灵敏度越好；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。 具体示意图与原理参考课本 100 页。 切记：电容式位移传感器适合测量高频振动幅值，故在此题中不适用。 方案三：电荷耦合器件 CCD 传感器 CCD 传感器具有量子效率高、电荷传递优异、噪声低、像素小等优点。CCD 能够提供十 分优质的低干扰图像，在工业监控和测量领域得到了广泛的应用。 测量原理：根据工件成像的轮廓覆盖的光敏单元数量计算工件的尺寸数据，进而计算得 出物体的振幅。具体测量系统原理和示意图参考课本 136 页。 13. 在用光电开关（包括光源和光电探测器）检测物体的系统中，由光电探测器（受光器） 的受光次数，可检测通过传送带上物体的个数。如用一个传送带同时搬运两种高度的物体 时，要求能够分别检测出两种高度的物体的个数，画出系统检测示意图以及系统组成，并 说明各组成环节的作用。 答：采用两套光源和光电探测器，两套高度装置不一样，测量示意图如下图所示： 高度不同的 A、B 两种物体，传感器 1 检测所有通过物体的总数，而传感器 2 检测通过 的 B 物体的总数，则通过 A 物体的总数就是所有通过物体的总数减去通过 B 物体的总数。 切记：传感器 1 装置的位置高度必须比 A 物体低，传感器 2 装置的位置高度必须比 A 物体高且比 B 物体低。
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