设计题

传感器期末考试：设计题标准模板 (三选一)

答题套路：选型 $\rightarrow$ 原理 $\rightarrow$ 画图 $\rightarrow$ 阐述。
题目来源：对压工作件数/齿轮轴转速测量/轧钢厂对钢板厚度监测

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场景一：压工件件数自动计数系统

1. 传感器选型

   • 透射式（对射型）光电传感器 (Photoelectric Sensor)。

2. 原理简述

   • 利用外光电效应（或内光电效应）。
   • 系统由投光器和受光器组成。投光器发射恒定光束，当不透明工件经过检测区时，遮挡光路，导致受光器接收到的光通量发生突变（由亮变暗）。
   • 受光器将光信号的变化转换为电信号的跳变（产生脉冲），从而实现计数检测。

3. 测量方案示意图
   

4. 辅助文字阐述

   • 在传送带两侧分别安装光源（投光器）和光电接收器。
   • 无工件时，光路畅通，接收器输出高电平（或低电平）；当工件经过遮挡光束时，输出电平翻转，产生一个电压脉冲信号。
   • 该微弱信号经放大整形电路（如施密特触发器）处理成标准方波，输入数字计数器进行累加，最终在显示器上显示总件数。

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场景二：齿轮轴转速测量系统

1. 传感器选型

   • 霍尔传感器 (Hall Sensor)（推荐，配合磁铁使用）。

2. 原理简述

   • 基于霍尔效应 ($U_H = K_H I B$)。
   • 霍尔元件置于磁场中，当齿轮（导磁材料）转动时，齿顶（气隙小）和齿谷（气隙大）交替经过传感器前方，引起穿过霍尔元件的磁感应强度 $B$ 周期性变化。
   • 传感器输出频率与转速成正比的脉冲信号。

3. 测量方案示意图
   

4. 辅助文字阐述

   • 在齿轮边缘安装霍尔传感器和永久磁铁。
   • 齿轮转动时，传感器输出连续的脉冲信号。设齿轮齿数为 $Z$，测得信号频率为 $f$ (Hz)。
   • 转速计算公式为：$n = \frac{60f}{Z}$ (r/min)。信号经整形后送入频率计或单片机进行计算和显示。

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场景三：轧钢厂钢板厚度监测系统

1. 传感器选型

   • 电涡流传感器 (Eddy Current Sensor)（高频反射式，双探头）。

2. 原理简述

   • 基于电涡流效应。
   • 探头线圈通以高频交流电产生磁场，靠近导体（钢板）时，钢板表面感应出涡流。涡流的去磁作用改变了线圈的等效阻抗（或电感）。
   • 阻抗的变化量与探头到钢板表面的距离成单值函数关系。

3. 测量方案示意图
   

4. 辅助文字阐述

   • 在被测钢板的上下两侧固定安装两个电涡流探头，两探头间的固定距离为 $L$。
   • 上探头测出其与钢板上表面的距离 $x_1$，下探头测出其与下表面的距离 $x_2$。
   • 钢板厚度 $h = L - (x_1 + x_2)$。
   • 该差动测量方案能有效消除钢板在传输过程中因上下抖动带来的测量误差。