5 磁电式传感器
2020年国家开放大学电大《传感器与测试技术(本)》网络核心课形考网考作业及答案
最新国家开放大学电大《传感器与测试技术（本）》网络核心课形考网考作业及答案100%通过考试说明：2018年秋期电大把《传感器与测试技术》网络核心课纳入到“国开平台”进行考核，它共有四个形考任务，针对该门课程，本人汇总了该科所有的题，形成一个完整的标准题库，并且以后会不断更新，对考生的复习、作业和考试起着非常重要的作用，会给您节省大量的时间。
做考题时，利用本文档中的查找工具，把考题中的关键字输到查找工具的查找内容框内，就可迅速查找到该题答案。
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形考作业1一、判断题（共20小题，每小题5分，共100分）题目11．测试技术在自动控制系统中也是一个十分重要的环节。
选择一项：对错题目22．金属应变片的灵敏系数比应变电阻材料本身的灵敏系数小。
选择一项：对错题目33．热敏电阻传感器的应用范围很广，但是不能应用于宇宙飞船、医学、工业及家用电器等方面用作测温使用。
选择一项：对错题目44．电容式传感器的结构简单，分辨率高，但是工作可靠性差。
选择一项：对错题目55．电容式传感器可进行非接触测量，并能在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件下工作。
选择一项：对错题目66．电容式传感器不能用于力、压力、压差、振动、位移、加速度、液位的测量。
选择一项：对错题目77．电感传感器的基本原理不是电磁感应原理。
选择一项：对错题目88．电感式传感器可以将被测非电量转换成线圈自感系数L 或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。
选择一项：对错题目99．互感传感器本身是变压器，有一次绕组圈和二次绕组。
选择一项：对错题目1010．差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。
选择一项：对错题目1111．传感器通常由敏感器件、转换器件和基本转换电路三部分组成。
选择一项：对错题目1212．电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。
选择一项：对错题目1313．电阻应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。
磁电式传感器的工作原理
磁电式传感器的工作原理
磁电式传感器是一种常用的用于测量和检测磁场的传感器。
其工作原理基于磁性材料在外加磁场作用下产生的磁电势。
磁电式传感器通常由两个主要部分组成：磁敏感元件和信号处理电路。
磁敏感元件是通常由铁磁材料制成的，比如镍、铁、钴等。
这些材料在外加磁场的作用下会发生剩余磁化现象，即使在磁场消失后，仍能保持一定的磁性。
当外加磁场作用在磁敏感元件上时，磁性材料内部的磁矩会发生改变。
这种磁矩的改变会导致磁敏感元件两端产生电势差，即磁电势。
这个电势差与外加磁场的强度成正比，可以通过测量电势差来间接测量磁场的强度。
信号处理电路用于放大和处理由磁敏感元件产生的微弱电势差。
通常，这些电路会对输入的电势差进行放大和滤波，以提高测量的准确性和稳定性。
然后，信号处理电路将处理后的电信号转换为数字信号或模拟信号，供其他设备使用或进行进一步的数据处理。
总而言之，磁电式传感器通过利用磁敏感元件在外加磁场作用下产生的磁电势，实现对磁场强度的测量和检测。
其工作原理简单可靠，广泛应用于各种领域，比如工业控制、汽车电子、电力系统等。
传感器 课后题及答案
传感器课后题及答案第1章传感器特性1．什么是传感器？（传感器定义）2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？3. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？4．解释下列名词术语：1)敏感元件;2)传感器; 3)信号调理器;4)变送器。
5．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？6．某传感器精度为2%FS ，满度值50mv ，求出现的最大误差。
当传感器使用在满刻度值1/2和1/8 时计算可能产生的百分误差，并说出结论。
7．一只传感器作二阶振荡系统处理，固有频率f0=800Hz，阻尼比ε=0.14，用它测量频率为400的正弦外力，幅植比ε=0.7时，，又为多少？，相角各为多少？8．某二阶传感器固有频率f0=10KHz，阻尼比ε=0.1若幅度误差小于3%，试求：决定此传感器的工作频率。
9. 某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV,求其灵敏度。
10. 某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。
11．测得某检测装置的一组输入输出数据如下：a)试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度；b)用C语言编制程序在微机上实现。
12．某温度传感器为时间常数T=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的1/3和1/2所需的时间。
13．某传感器为一阶系统，当受阶跃函数作用时，在t=0时，输出为10mV;t→∞时，输出为100mV;在t=5s时，输出为50mV,试求该传感器的时间常数。
14．某一阶压力传感器的时间常数为0.5s,若阶跃压力从25MPa,试求二倍时间常数的压力和2s 后的压力。
15．某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。
传感器原理及应用 第五章 磁电式与压电式传感器
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5.1.3磁电式感应式传感器的测量电路
磁电感应式传感器是速度传感器，若要获取被测位移 或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。下图为测量 电路方框图。
磁电式传感器虽然配用积分电路可以测量位移，但它 只能测量位移随时间的变化，即动态位移，不能测静态位 移。
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（1）在有效载荷作用下测得最低频率时，位移的振幅为 5mm，试计算这时的输出电压值。
11
[例题1]图（a）磁电式传感器和图（b）自感式传感器有 何 异同？为什么后者可测量静态位移或距离而前者却不能？
解：相同点：二者都有线圈和活动衔铁。不同点：（a）
磁电式传感器的线圈是绕在永久磁钢上，磁电式传感器有永久
磁铁。自感式传感器的线圈是绕在不带磁性的铁心上。（b）
自感式传感器的自感取决于活动衔铁与铁心的距离，磁电式传
当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或 冲击时，其灵敏度将发生变化而产生测量误差。 相对误差为
dsI dB dL dR sI B L R
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1.非线性误差
主要原因是：由于传感器线圈内有电流I流过时， 将产生一定的交变磁通ΦI，此交变磁通叠加在永久
磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化 如右图所示。
如图所示可见，在磁电感应式传感器后面接积分电路可 以测量位移，后面接微分电路可以测量加速度。因为位移是 速度的积分，而加速度是速度的微分。
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[例题3]已知磁电式速度传感器的技术参数如下：频率范围 5~100Hz，位移幅值范围为5mm（峰-峰值），加速度幅值 范围为0.1~30g（g=9.8m/s2），无阻尼固有频率为5Hz，线 圈电阻为600Ω，横向灵敏度最大为20%，灵敏度为 4.88V/(m/s),质量为170g。假设测量的振动是简谐振动。
2020年国家开放大学电大《传感器与测试技术(本)》网络核心课形考网考作业及答案
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形考作业1一、判断题（共20小题，每小题5分，共100分）题目11．测试技术在自动控制系统中也是一个十分重要的环节。
选择一项：对错题目22．金属应变片的灵敏系数比应变电阻材料本身的灵敏系数小。
选择一项：对错题目33．热敏电阻传感器的应用范围很广，但是不能应用于宇宙飞船、医学、工业及家用电器等方面用作测温使用。
选择一项：对错题目44．电容式传感器的结构简单，分辨率高，但是工作可靠性差。
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选择一项：对错题目66．电容式传感器不能用于力、压力、压差、振动、位移、加速度、液位的测量。
选择一项：对错题目77．电感传感器的基本原理不是电磁感应原理。
选择一项：对错题目88．电感式传感器可以将被测非电量转换成线圈自感系数L 或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。
选择一项：对错题目99．互感传感器本身是变压器，有一次绕组圈和二次绕组。
选择一项：对错题目1010．差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。
选择一项：对错题目1111．传感器通常由敏感器件、转换器件和基本转换电路三部分组成。
选择一项：对错题目1212．电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。
选择一项：对错题目1313．电阻应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。
传感器技术与应用第2版-部分习题答案
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
磁电式传感器
➢因RH＝ρμ（其中ρ为材料电阻率；μ为载流子迁移率， μ=v/E，即单位电场强度作用下载流子的平均速度），一 般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型半 导体材料。
➢霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以通常霍尔元 件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。
一般频响范围：10Hz~2kHz。
（二）变磁通式
又称为变磁阻磁电感应式传感器，常用来测量旋转物体的 角速度。结构原理如下图。
1、开磁路变磁通式
工作原理：线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮2（导磁材 料制成）安装在被测旋转体1上，随之一起转动，每转过一 个齿，它与软铁4之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也就 变化一次，线圈3中产生的感应电动势的变化频率等于测量 齿轮2上齿轮的齿数和转速的乘积。
（三）磁电感应式扭矩仪（变磁通式）
1、结构组成：
转子（包括线圈）固定在传感器轴上，定子（永久磁铁） 固定在传感器外壳上。转子、定子上都有一一对应的齿和 槽。
2、测量原理：
➢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。
定义：通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转 速）转换成电信号的一种传感器。
分类： 磁电感应式传感器； 霍尔式传感器； 磁栅式传感器。
第一节 磁电感应式传感器
▪ 磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称为电动 式传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在 导体两端输出感应电动势的。它是一种机-电能量 变换型传感器。
在这种结构中，也可以用齿轮代替椭圆形测量轮2，软铁 （极掌）4制成内齿轮形式，这时输出信号频率为f=nZ/60， 其中Z为测量齿轮的齿数。
磁电式传感器的工作原理
一、引言磁电式传感器（magnetic-electric sensor）是一种常见的传感器类型，广泛应用于各个领域中，包括工业自动化、交通运输、机器人、医疗设备等。
磁电式传感器利用磁力与电磁感应的原理，将磁场的变化转化为电信号，从而实现对磁场强度、方向或位置的检测。
本文将详细解释磁电式传感器的工作原理，包括其基本原理、结构、工作方式以及应用领域。
二、磁电式传感器的原理1. 电磁感应原理磁电式传感器的工作原理基于电磁感应的原理。
根据法拉第电磁感应定律，当一个导体在磁力线穿过时，会在导体中产生电动势。
这种现象可以用以下公式表示：EMF = -dΦ/dt其中EMF表示电动势，Φ表示磁场通量，dt表示时间的微小变化。
根据该定律可知，当磁场强度或磁场方向发生变化时，会在导体中产生电动势。
2. 磁电效应原理磁电式传感器的核心部件是磁电材料，如铁电材料或磁电材料。
磁电材料具有磁电效应，即在外加磁场的作用下，会产生磁感应强度与电场强度之间的线性关系。
磁电效应可以通过以下公式表示：E = k * H其中E表示电场强度，k表示磁电系数，H表示磁场强度。
根据该公式可知，当磁场强度发生变化时，磁电材料会产生相应的电场强度变化。
3. 磁电式传感器的构成磁电式传感器通常由磁电材料、电极、封装以及相关电路组成。
磁电材料：磁电材料是磁电式传感器的核心部件，它通过磁电效应将磁场的变化转化为电场的变化。
常见的磁电材料包括铁电材料和磁电材料。
电极：电极用于连接磁电材料和外部电路，将磁电材料产生的电场信号引出。
封装：封装是保护磁电材料和电极的外壳，通常采用环氧树脂或金属外壳进行封装。
相关电路：相关电路包括放大电路、滤波电路和输出电路等，用于放大和处理磁电材料产生的电场信号，提供给外部电路使用。
4. 磁电式传感器的工作原理磁电式传感器的工作原理基于磁电效应和电磁感应的原理。
当存在磁场时，磁电材料会产生相应的电场变化。
根据电磁感应原理，当磁场的强度或方向发生变化时，会在磁电材料中产生电动势。
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e AWB cos 2t
A-线圈截面积；B= Bmax- Bmin,磁路中最大与最小磁感应强度
5.1.1 工作原理和结构类型
图5-2 恒定磁通路电感应式传感器结构原理图
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5.1.1 工作原理和结构类型
2 恒磁通式
在恒磁通式结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电 势是由永久磁铁与线圈之间有相对运动——线圈切割磁力 线而产生。这类结构有两种，动圈式和动铁式，如图示。
恒磁通式结构 (a)动圈式；(b)动铁式
第5章 磁电式传感器
磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、 位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。磁电感 应式传感器、霍尔式传感器都是磁电式传感器。磁 电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产 生感应电动势的； 霍尔式传感器为载流半导体在磁场中有电磁效 应(霍尔效应)而输出电动势的。 5.1 磁电感应式传感器 5.2 霍尔式传感器
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5.1.2 动态特性分析
dv （a）m c vdt bv F dt di 1 (b) L vdt Ri u,Z R j L 1/( jC )=R j[ L 1/(C )], dt C 0 1/ LC
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料和结构尺寸，以满足传感器基本性能要求。
5.1.2 动态特性分析
磁电感应式传感器只适用于测量动态物理量，因此动态特性 是这种传感器的主要性能。应用机械阻抗概念分析机械振动系统有 很多方便之处。可以用简单的代数方法解出描述系统动态特性的传 递函数方程，而不必去解微分方程，但分析的结果则完全一致。
理想传感器基本框图 实际传感器基本框图
Z m b j ( m-
) vt Z m Ft j mv 0 F Z m Ft v 1 t
5.1.1 工作原理和结构类型
当传感器的结构确定后，式(5-2)中B、la、W都为常数， 感应电势e仅与相对速度v有关。传感器的灵敏度为
e S Bl v
(5-3)
为提高灵敏度，应选用具有磁能积较大的永久磁铁和 尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加la和W也 能提高灵敏度，但它们受到体积和重量、内电阻及工作频 率等因素的限制。 为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均 匀磁场内运动。设计者的任务是选择合理的结构形式、材
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Hale Waihona Puke 图库5.1.1 工作原理和结构类型
图5-1 变磁通式磁电感应式传感器结构原理图
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5.1.1 工作原理和结构类型
1 变磁通式
变磁通式磁电感应传感器一般做成转速传感器，产生感 应电动势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化 的频率。
如图所示开磁路变磁通式转速传感器。 测量齿轮4安装在被测转轴上与其一起 旋转。当齿轮旋转时，齿的凹凸引起 磁阻的变化，从而使磁通发生变化， 因而在线圈 3中感应出交变的电势，其 频率等于齿轮的齿数 Z 和转速 n 的乘积， 即
5.1.2 动态特性分析
机械阻抗 : 机械振动系统中某一点上的运动响应（位移、 速度、加速度）与引起这个运动的力F之间的关系。
Zm F
v c
对比两个模型：Z m b j ( m- )
O c m
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5.1.2 动态特性分析
传递矩阵
磁电感应式传感器具有双向性质
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5.1 磁电感应式传感器
磁电感应式传感器也称为电动式传感器，或感 应式传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而 在导体两端输出感应电动势的。因此它是一种机 ― 电能量换型传感器，不需供电电源，是直接从被测 物体吸取机械能量并转换成电信号输出。 传感器的重量和尺寸较大。
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5.1.1 工作原理和结构类型
图中的磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、圆筒形磁 轭及空气隙组成。气隙中的磁场均匀分布，测量线圈绕在 筒形骨架上，经膜片弹簧悬挂于气隙磁场中。 当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电 势e为 (5-2)
式中
B——气隙磁通密度(T)； l——气隙磁场中有效匝数为W的线圈总长度(m) l＝laW(la为每匝线圈的平均长度) v——线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度 (v=dx/dt, m/s)。
磁电感应式传感器的二端口网络框图
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5.1.2 动态特性分析
传递矩阵 1 传感器机械阻抗的传递矩阵 vt v 0 vm =v (传感器的响应速度）
xt x 0 xm 质量块：Fb Fc Ft Fm bvt j c vt Ft j mvm =j m （v 0 -vt ) c
f Zn / 60
式中： Z 为齿轮齿数； n 为被测轴转速 (r/min) ； f 为感应 电动势频率(Hz)。这样当已知Z，测得f就知道n了。
5.1.1 工作原理和结构类型
1 变磁通式
其中永久磁铁1(俗称“磁钢”)与线 圈4均固定，动铁心3(衔铁)的运动使 气隙5和磁路磁阻变化，引起磁通变 化而在线圈中产生感应电势，称
5.1.1 工作原理和结构类型
磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根据电 磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁 链对时间的变化率，即
d d W e dt dt
W ― ―线圈匝数： Φ ― ―线圈所包围的磁通量。
若线圈相对磁场运动为速度v或角转度ω时，则可得 e＝-WBlv 或 e＝-WBsω 在传感器中，当结构参数确定后．即B、l、W、s均为定值，那 么感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比。 根据 上述原理。人们设计了两种类型的结构：一种是变磁通式；另一 种是恒定磁通式。