第4章結(jié)構(gòu)型傳感器

1、第4章 結(jié)構(gòu)型傳感器,第4章 結(jié)構(gòu)型傳感器,4.1 電阻應(yīng)變式傳感器,電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，從而實現(xiàn)電測非電量的傳感器。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)。即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。,4.1.1 工作原理,在外界力的作用下，將引起金屬或半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形，其電阻值將會相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。對于不同的材料，電阻率相對變化的受力效應(yīng)是不同的。,4.1

2、.1 工作原理,1. 金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng),通過研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料的電阻率相對變化正比于體積的相對變化，即有式中，C為由材料及加工方式?jīng)Q定的與金屬導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)相關(guān)的比例系數(shù)。,金屬材料的電阻相對變化與其線應(yīng)變ε成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。,1. 金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng),將式（4-6）代入（4-5）可有式中，Km=(1+2μ)+C(1-2μ)為金屬電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，它由兩部分組成：前半部分為受力后金屬絲幾何

3、尺寸變化所致，后半部分為因應(yīng)變而發(fā)生的電阻率相對變化.由以上分析可見：,2. 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng),研究發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導(dǎo)體材料具有壓阻效應(yīng)，即：式中，?為作用于材料上的軸向應(yīng)力；?為半導(dǎo)體在受力方向的壓阻系數(shù)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量。,由以上分析可知，外力作用而引起的軸向應(yīng)變，將導(dǎo)致電阻絲的電阻成比例地變化，通過轉(zhuǎn)換電路可將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。這就是應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。,2. 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)

4、,將式（4-8）代入式（4-5）可得式中，Ks=(1+2μ)+?E為半導(dǎo)體絲材的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。前半部分為尺寸變化所致，后半部分為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致.,返回,利用金屬或半導(dǎo)體材料電阻絲（也稱應(yīng)變絲）的應(yīng)變電阻效應(yīng)，可以制成測量試件表面應(yīng)變的敏感元件。為在較小的尺寸范圍內(nèi)敏感應(yīng)變，并產(chǎn)生較大的電阻變化，通常把應(yīng)變絲制成柵狀的應(yīng)變敏感元件，即電阻應(yīng)變計，簡稱應(yīng)變計。,4.1.2 結(jié)構(gòu)與類型,應(yīng)變計的結(jié)構(gòu),應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),（1）按加

5、工方法,可以將應(yīng)變片分為以下四種：絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片、薄膜應(yīng)變片（2）按敏感柵的材料,可將應(yīng)變計分為金屬應(yīng)變計和半導(dǎo)體應(yīng)變計兩大類,應(yīng)變計的類型,2. 應(yīng)變計的類型,制作應(yīng)變片敏感柵常用的金屬材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等，其中康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料。除敏感柵以外，對基底材料、粘結(jié)劑、引線的材料方面都有要求，可以根據(jù)應(yīng)用對象的不同進(jìn)行選擇。,電阻應(yīng)變計的材料,3. 電阻應(yīng)

6、變計的材料,選用應(yīng)變計時，首先應(yīng)根據(jù)使用的目的、要求、對象及環(huán)境條件等，對應(yīng)變計的類型進(jìn)行選擇；然后根據(jù)使用溫度、時間、最大應(yīng)變量及精度要求，選用合適的敏感柵、基底材料的應(yīng)變計；接著根據(jù)測量線路或儀器選擇合適應(yīng)變計的標(biāo)準(zhǔn)阻值；最后還應(yīng)根據(jù)試件表面可貼應(yīng)變片的面積大小選擇合適尺寸的應(yīng)變計。,電阻應(yīng)變計的選用,4. 電阻應(yīng)變計的選用與粘貼,電阻應(yīng)變片工作時，是用粘貼劑粘貼到被測試件或傳感器的彈性元件上的。粘貼劑形成的膠層必須準(zhǔn)確迅速地將被測

7、應(yīng)變傳遞到敏感柵上去，所以粘貼劑以及粘貼技術(shù)對于測量結(jié)果有著直接的影響。,電阻應(yīng)變計的粘貼,4. 電阻應(yīng)變計的選用與粘貼,返回,4. 電阻應(yīng)變計的選用與粘貼,4.1.3 主要特性,靜態(tài)特性是指應(yīng)變計感受不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)變時的輸出特性，表征靜態(tài)特性的指標(biāo)主要有：靈敏度系數(shù)、機(jī)械滯后、蠕變、應(yīng)變極限等。,將具有初始電阻值R的應(yīng)變計安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變計阻值的相對變化與試件表面軸向應(yīng)變之比即為靈敏度系數(shù)

8、。應(yīng)變計的電阻－應(yīng)變特性與單根電阻絲時不同，一般情況下，應(yīng)變計的靈敏系數(shù)小于相應(yīng)長度單根應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)。,1. 靈敏度系數(shù)（k）,橫向效應(yīng),將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，其靈敏系數(shù)降低了，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。為了減小橫向效應(yīng)帶來的測量誤差，一般采用短接式或直角式橫柵，現(xiàn)在更多的是采用箔式應(yīng)變片，可有效克服橫向效應(yīng)的影響。,2. 橫向效應(yīng),機(jī)械滯后,產(chǎn)生機(jī)械滯

9、后的原因主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的。為了減小機(jī)械滯后，除選用合適的粘合劑外，最好在正式使用之前預(yù)先加、卸載若干次再正式測量，以減小機(jī)械滯后的影響。,3. 機(jī)械滯后,蠕變和零漂,粘貼在試件上的應(yīng)變計，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)變時，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應(yīng)變計的零漂。如果在一定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變計電阻值隨時間而變化的特性，稱為應(yīng)變計的蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變變化的方

10、向相反。選用彈性模量較大的粘貼劑和基底材料，有利于蠕變性能的改善。,4. 蠕變和零漂,應(yīng)變極限,應(yīng)變計的線性（靈敏系數(shù)為常數(shù)）特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實應(yīng)變超過某一極限值時，應(yīng)變計的輸出特性將呈現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到10%時的真實應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限。,5. 應(yīng)變極限,絕緣電阻和最大工作電流,應(yīng)變片絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測試件之間的電阻值。通常要求為50?100MΩ以上。不

11、影響應(yīng)變片工作特性的最大電流稱為最大工作電流。工作電流大，輸出信號就大，靈敏度也就高。但是電流過大時，會使應(yīng)變片發(fā)熱、變形，使零漂、蠕變增加，甚至燒壞。如果散熱條件好，則電流可適當(dāng)大一些。,6. 絕緣電阻和最大工作電流,二、 動態(tài)特性,以正弦變化的應(yīng)變?yōu)槔?，介紹應(yīng)變計的動態(tài)特性。當(dāng)應(yīng)變按正弦規(guī)律變化時，應(yīng)變片反映出來的是應(yīng)變片敏感柵上各點應(yīng)變量的平均值，顯然與某一“點”的應(yīng)變值不同，應(yīng)變片所反映的波幅將低于真實應(yīng)變波，從而帶來一定的誤差

12、。顯然這種誤差將隨著應(yīng)變片基長的增加而增大。,設(shè)有一波長為λ、頻率為f的正弦應(yīng)變波ε=ε0sin(2?x/λ)，在試件中以速度 沿應(yīng)變片柵長方向傳播，應(yīng)變片的基長為L0。圖4-6所示為某一時刻應(yīng)變片正處于應(yīng)變波達(dá)到最大幅值時的瞬時關(guān)系圖。,二、 動態(tài)特性,二、 動態(tài)特性,這時應(yīng)變片兩端的坐標(biāo)為：x1=λ/4-L0/2，x2=λ/4+L0/2，則此時應(yīng)變計輸出的平均應(yīng)變εp達(dá)到最大值 則可求出應(yīng)變波波幅測量相對

13、誤差為,二、 動態(tài)特性,由式（4-11）可知，測量誤差與應(yīng)變波波長對基長的比值n=λ/L0有關(guān)，當(dāng)λ/L0越大，則誤差越小。一般可取λ/L0=10?20，這時測量誤差約為1.6%～0.4%。因為λ=v/f，且λ=nL0，則應(yīng)變片可測頻率f、應(yīng)變波波速v以及波長與基長之比的關(guān)系為,返回,4.1.4 溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償,一、溫度效應(yīng),用應(yīng)變計測量時，通常希望工作溫度是恒定的，實際應(yīng)用時工作溫度可能偏離或超出常溫范圍，致使應(yīng)變計的工作特性改變

14、而影響輸出。這種由溫度變化引起應(yīng)變計輸出變化的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變片的溫度效應(yīng)（也稱溫度誤差）。,溫度效應(yīng)產(chǎn)生的原因:1. 溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變;2. 試件材料與敏感材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變,一、 溫度效應(yīng),,二、 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償,1、 應(yīng)變片自補(bǔ)償法,,這種方法是通過精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得當(dāng)溫度變化時，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?。?選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片，也稱單絲自補(bǔ)償應(yīng)變

15、片② 雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變片,2、 橋路補(bǔ)償法,,橋路補(bǔ)償，也稱補(bǔ)償片法，是最常用而且效果較好的線路補(bǔ)償方法。橋路補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點是方法簡單，在常溫下補(bǔ)償效果好。但是當(dāng)溫度變化梯度較大時，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而會影響補(bǔ)償效果。,3、熱敏電阻補(bǔ)償法,如圖4-9所示，熱敏電阻Rt處在與應(yīng)變片相同的溫度條件下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻Rt的阻值也下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋的輸出，

16、以補(bǔ)償因應(yīng)變片引起的輸出下降。選擇分流電阻Rs的值，可以得到良好的補(bǔ)償效果,返回,4.1.5 電橋測量電路,一、應(yīng)變電橋,典型的阻抗應(yīng)變電橋如圖4-10所示，四個橋臂Z1、Z2、Z3、Z4按順時針為序，ac為電源端，bd為輸出端。當(dāng)橋臂接入應(yīng)變計時，即稱為應(yīng)變電橋。當(dāng)一個臂、二個臂甚至四個臂接入應(yīng)變計時，就相應(yīng)構(gòu)成了單臂、雙臂和全臂工作電橋。,4.1.5 電橋測量電路,二、直流電橋,直流電橋的基本形式如圖4-11所示。電橋各臂的電阻值分

17、別為R1、R2、R3和R4，U是直流電源電壓，U0是輸出電壓。,二、 直流電橋,當(dāng)U0=0時，電橋處于平衡狀態(tài)，則有：R1R3=R2R4，此即電橋平衡條件。根據(jù)此條件可分為以下三種情況：（1）對輸出端對稱，即R1=R2，R3=R4，這種結(jié)構(gòu)形式也稱為第一種對稱形式；（2）對電源端對稱，即R1=R4，R2=R3，這種結(jié)構(gòu)形式也稱為第二種對稱形式；（3）全等臂電橋結(jié)構(gòu)，即R1=R2=R3=R4。,單臂工作電橋,一個橋臂上為電阻應(yīng)變片，

18、其他橋臂上為固定電阻，如圖4-12所示。設(shè)R1為電阻應(yīng)變片，R2、R3和R4為固定電阻。設(shè)應(yīng)變片未承受應(yīng)變時阻值為R1，電橋處于平衡狀態(tài)，即滿足R1R3=R2R4，電橋輸出電壓為0；當(dāng)承受應(yīng)變時，應(yīng)變片產(chǎn)生ΔR1的變化，R1的實際阻值變?yōu)镽1+ΔR1，電橋不平衡，輸出電壓為：,二、 直流電橋,二、 直流電橋,上式中， 稱為電橋電壓靈敏度。 顯然，可通過適當(dāng)提高電源電壓U（受應(yīng)變片允許承受的

19、最大電流限制）或調(diào)節(jié)橋臂比n的方式，提高單臂電橋的靈敏度。通過進(jìn)一步的分析可知，當(dāng)電源電壓一定時，如果n=1，則可以有最大的電壓靈敏度，即采用第一種對稱的電橋結(jié)構(gòu)形式。此時，電壓靈敏度為Ku=U/4，輸出電壓為,二、 直流電橋,若在兩個橋臂上接入電阻應(yīng)變片，其他橋臂上為固定電阻，從而構(gòu)成雙臂工作電橋。如圖4-14所示，設(shè)R1、R2為電阻應(yīng)變片，R3和R4為固定電阻。設(shè)應(yīng)變片未承受應(yīng)變時阻值為R1、R2，電橋處于平衡狀態(tài)，即滿足R1R3=

20、R2R4，電橋輸出電壓為0；當(dāng)承受應(yīng)變時，應(yīng)變片R1的電阻增大ΔR1，應(yīng)變片R2的電阻減小ΔR2，且有ΔR1=ΔR2，這種電橋也稱為差動電橋。這時電橋不再平衡，輸出電壓為： 由式（4-30）可知，差動電橋的輸出是線性的，沒有非線性誤差問題。與式（4-24）相比，靈敏度提高了一倍。,雙臂工作電橋,二、 直流電橋,二、 直流電橋,若四個橋臂上為全為電阻應(yīng)變片，也即構(gòu)成全橋工作電橋。如圖4-15所示，R1、R2、R3和R4全為電阻應(yīng)變

21、片。未承受應(yīng)變時電橋處于平衡狀態(tài)，即滿足R1R3=R2R4；當(dāng)承受應(yīng)變時，應(yīng)變計R1的電阻增大ΔR1，應(yīng)變計R2的電阻減小ΔR2，R3的電阻增大ΔR3，R4的電阻減小ΔR4，且有ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，這種電橋也稱為差動全橋。這時電橋不再平衡，輸出電壓為：由式（4-32）可見，差動全橋的電壓輸出是線性的，沒有非線性誤差問題。與式（4-24）、（4-30）相比，差動全橋的靈敏度是單臂電橋的4倍，是雙臂差動電橋的2倍。,全臂工

22、作電橋,三、 交流電橋,根據(jù)直流電橋分析可知，由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。圖4-16(a)為交流電橋的一般形式。交流電橋很適合電容式、電感式傳感器的測量需要，應(yīng)用場合較多。,彈性敏感元件 物體在外力作用下而改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為變形，當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀，那么這種變形稱為彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。,四、 電阻應(yīng)

23、變片式傳感器及其應(yīng)用,2. 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器主要有兩個方面的應(yīng)用：一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應(yīng)變測量；另一方面則是作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性元件構(gòu)成傳感器，用以對任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應(yīng)變的其他物理量作間接測量。,返回,首頁,四、 電阻應(yīng)變片式傳感器及其應(yīng)用,4.2 電容式傳感器,,4.2.1 工作原理、類型及特性,由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)的影響，其電容量C與極板間介質(zhì)的介

24、電常數(shù)ε、極板間的有效面積S以及兩極板間的距d有關(guān)： 當(dāng)被測參數(shù)的變化使式中d、S、εr三個參量中任意一個發(fā)生變化時，都會引起電容量的變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)時，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。,工作原理,,類型和特性,根據(jù)上述原理，在應(yīng)用中電容式傳感器可以有三種基本類型，即變極距(或稱變間隙）型、變面積型和變介電常數(shù)型。 它們的電

25、極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。,4.2.1 工作原理、類型及特性,變極距型電容傳感器,傳感器兩極板間的ε和S為常數(shù)，通過電容極板間距離的變化實現(xiàn)對相關(guān)物理量的測量。,4.2.1 工作原理、類型及特性,變面積型電容式傳感器,測量中動極板移動時，兩極板間的相對有效面積S發(fā)生變化，引起電容C發(fā)生變化。,4.2.1 工作原理、類型及特性,變介質(zhì)型電容傳感器,變介質(zhì)電容傳感器的結(jié)構(gòu)型式較多，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度以及液位高低等

26、，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度。,返回,4.2.1 工作原理、類型及特性,4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施,電容的相對變化量為：傳感器的相對非線性誤差為： 電容傳感器的靈敏度為K=εS/d02，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，而非線性誤差隨著d0的減小而增大。在實際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，往往采用差動式結(jié)構(gòu)。,電容式傳感器的靈敏度及非線性,差動電容傳感器具有如下特性：,4.2.2

27、 應(yīng)用注意事項及措施,等效電路,以上對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。若電容傳感器工作在高溫、高濕及高頻激勵條件下工作，則電容的附加損耗等影響不可忽視，這時電容傳感器的等效電路如圖4-28所示。,4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施,邊緣效應(yīng),邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖4-29所示。,4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施,靜電引力,電容式傳

28、感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。,4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施,,寄生電容,寄生電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián)、影響傳感器的靈敏度，而它的變化則為虛假信號影響儀器的精度。必須消除和減小它。消除和減小寄生電容可采用如下方法：1. 采用“驅(qū)動電線”技術(shù)2. 采用組合式與集

29、成技術(shù)3. 整體屏蔽法,4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施,溫度影響,（1）溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響電容傳感器由于極板間隙很小而對結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。（2）溫度對介質(zhì)的影響溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而變化，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零，而某些液體介質(zhì)，如硅油、醫(yī)麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。,返回,4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施,,4.2.3 電容式傳感器的測量電路,電容式傳感器的優(yōu)點：（1）分辨力很高，

30、能測量低達(dá)10-7F的電容值或0.01μm的絕對變化量，或高達(dá)100%～200%的相對變化量（?C/C），因此適合微信息的檢測；（2）動極板質(zhì)量很輕，自身的功耗、發(fā)熱和遲滯極小，可獲得高的靜態(tài)精度，并具有很好的動態(tài)特性；（3）結(jié)構(gòu)簡單，不含有機(jī)材料或磁性材料，對環(huán)境（除高濕外）的適應(yīng)性強(qiáng)；（4）過載能力強(qiáng)，可實現(xiàn)無接觸測量。,圖4-32為差動電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中所示膜片為動極板，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，從而

31、構(gòu)成了差動電容傳感器。,（1）電容式壓力傳感器,4.2.3 電容式傳感器的測量電路,圖4-33為差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖。它有兩個固定極板（與殼體絕緣），中間有一用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為兩個動極板（與殼體電連接）。,（2）電容式加速度傳感器,4.2.3 電容式傳感器的測量電路,1. 調(diào)頻電路,調(diào)頻電路,調(diào)頻測量電路是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩

32、頻率就發(fā)生變化。調(diào)頻電路中可以將振蕩頻率作為輸出信號，也可以經(jīng)過f/V轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，參見圖4-34所示。,1. 調(diào)頻電路,L-C諧振回路的振蕩頻率 當(dāng)被測信號為零時，?C=0，則C=C1+C2+C0，所以振蕩器有一個初始振蕩頻率f0： 當(dāng)被測信號不為零時，?C?0，則振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，此時頻率為 由上式可知，根據(jù)頻率的變化?f可以測出電容的變化?C，從而完成對物理量的測量。調(diào)頻測量電路具

33、有較高的靈敏度，可以測量0.01μm級位移變化量。,2. 運(yùn)算放大器式電路,運(yùn)算放大器式電路,圖4-35是運(yùn)算放大器測量電路原理圖。圖中Cx是傳感器的電容,Ui是交流電源電壓，Uo是輸出電壓信號。,2. 運(yùn)算放大器式電路,由運(yùn)算放大器的工作原理可有： 如果是變極距式的電容傳感器，則Cx =?S/ dx，代入上式可有： 式中，“－”號表示輸出電壓與電源電壓反相。 上式說明：運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d

34、x成線性關(guān)系，從而克服了變間隙式電容傳感器的非線性問題！運(yùn)算放大器雖解決了單個變極距式電容傳感器的非線性問題，但要求放大器具有足夠大的放大倍數(shù)，而且輸入阻抗很高。,雙T二極管型測量電路如圖4-36所示。U是高頻電源，提供幅值為U的對稱方波；D1、D2為特性完全相同的兩個二極管，R1=R2=R；C1、C2為傳感器的兩個差動電容，RL為負(fù)載電阻。,3. 雙T二極管型電路,3. 雙T二極管型電路,雙T二極管型電路的應(yīng)用特點和要求:(1)電源

35、、傳感器電容、負(fù)載均可同時在一點接地；(2)二極管D1、D2工作于高電平下，因而非線性失真??；(3)其靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定；(4)將D1、D2、R1、R2安裝在C1、C2附近能消除電纜寄生電容 影響，線路簡單；(5)輸出電壓較高；(6)輸出阻抗與電容C1和C2無關(guān)，而僅與R1、R2及RL有關(guān)；(7)輸出信號的上升沿時間取決于負(fù)載電阻RL，可用于動態(tài)測 量；(8)傳感器的頻率響應(yīng)取

36、決于振蕩器的頻率。,差動脈沖調(diào)寬電路不需要載頻和附加解調(diào)線路，無波形和相移失真，輸出信號只需要通過低通濾波器引出，直流信號的極性取決于C1和C2；對變極距和變面積的電容傳感器均可獲得線性輸出。這種脈寬調(diào)制線路也便于與傳感器做在一起，從而使傳輸誤差和干擾大大減小。,4.差動脈沖調(diào)寬電路,返回,首頁,,4.3 電感式傳感器,電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置．可以用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)變等多種

37、物理量。 電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時。一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有線圈繞組。,4.3 電感式傳感器,4.3.1 自感式傳感器,當(dāng)線圈匝數(shù)一定時，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，當(dāng)改變氣隙長度?或氣隙面積S均可導(dǎo)致電感L的變化。相應(yīng)的，變磁阻式電感傳感器可分為變氣隙長度和變氣隙面積兩種類型的傳感器，前者用來測量線位移，后者用來測量角位移

38、。對于變面積式電感傳感器而言，線圈電感L與氣隙面積S是成正比的，而變氣隙長度傳感器中電感L和氣隙長度?成反比。,1. 工作原理與輸出特性,電感L和氣隙長度?的特性曲線可用圖4-40所示。當(dāng)銜鐵的位移量即氣隙的變化量為??時，由圖可見：當(dāng)氣隙長度增加??時，電感變化為-?L1，當(dāng)氣隙長度減小??時，電感的變化量為+?L2，雖然氣隙長度前后兩次的變化量相同，但電感的變化量不等。隨著??越大，?L1、?L2在數(shù)值上相差也越大，這意謂著非線性

39、越嚴(yán)重。因此，為了得到較好的線性特性，必須把銜鐵的工作位移限制在較小的范圍內(nèi)。一般取??=(0.1?0.2)?0，這時L=f(?)可近似看作一條直線。,1. 工作原理與輸出特性,I-?的關(guān)系特性參見圖4-41虛實線所示，這是一種理想的特性曲線，實際測得的特性曲線是一條不過零點的曲線，如圖中實線曲線所示。這是因為：（1）當(dāng)氣隙長度?趨于零時，R?趨于零，與R?相比較，RF就不能忽略不計了，這時L=W2/ RF接近于一定值，因而這時有一個

40、起始電流存在。（2）當(dāng)氣隙?很大時，線圈的銅電阻與線圈的感抗相比不能忽略，這時最大電流將趨向于一個穩(wěn)定值 。,1. 工作原理與輸出特性,圖4-42所示為?型差動電感傳感器的原理和測量線路接線圖。差動電感傳感器是由兩個完全相同的電感傳感器組成的（兩個電感傳感器的尺寸、材料以及線圈的參數(shù)完全一致），上下兩個傳感器合用一個銜鐵和相應(yīng)的磁路。測量時，銜鐵與被測件物體相連，當(dāng)被測物體上下移動時，帶動銜鐵也以相同的位移量上下移動，使得上下兩個傳感

41、器的氣隙長度發(fā)生大小相等、方向相反的變化，從而導(dǎo)致一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減小，形成差動。,2. 差動式電感傳感器,2. 差動式電感傳感器,,2. 差動式電感傳感器,差動電感傳感器的優(yōu)點：1、差動電橋能使變間隙式電感傳感器的非線 性大大減?。?、在同樣的工作范圍內(nèi)差動電橋的非線性度減小了，靈敏度提高了一倍；3、組成差動電橋測量電路，補(bǔ)償了溫度對兩個線圈參數(shù)的影響。,,3. 自感式電感傳感器主要誤差分析,自

42、感式電感傳感器在對非電量的測量中產(chǎn)生誤差的原因：（1）輸出特性的非線性（2）電源電壓和頻率波動的影響（3）溫度變化的影響（4）輸出電壓與電源電壓的相位差（5）電橋的不平衡電壓——零位誤差,返回,把被測的非電量轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈間互感系數(shù)變化的傳感器稱為互感式電感傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的。不同的是后者為閉合磁路，前者為開磁路；后者初、次級間的互感為常數(shù)，前者初、次級間的互感隨銜鐵移動而變化，且兩個次級繞組用差動形式

43、連接，因此又稱為差動變壓器式傳感器。,4.3.2 互感式傳感器,差動變壓器分為變氣隙式、變面積式與螺管式三種類型。參見圖4-44所示常見差動變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。,1. 工作原理和類型,下面以差動螺管式變壓器為例，介紹差動變壓器的工作原理。在忽略線圈寄生電容、鐵芯損耗、漏磁以及變壓器次級開路（或負(fù)載阻抗足夠大）的情況下，差動變壓器的等效電路如圖4-46所示。圖中r1與L1、r2a與L2a、r2b與L2b分別為初級繞組、兩個次級繞組的銅電

44、阻與電感。,1. 工作原理和類型,根據(jù)變壓器原理，傳感器開路輸出電壓為兩次級線圈感應(yīng)電勢之差，即 由式（4-99）可知，差動變壓器的輸出特性與初級線圈對兩個次級線圈的互感之差?M有關(guān)。結(jié)構(gòu)型式不同，互感的計算方法也不同。下面以圖4-44(a)所示的?型差動變壓器為例來分析其輸出特性。,1. 工作原理和類型,在忽略線圈鐵損（即渦流與磁滯損耗忽略不計）、漏磁以及變壓器開路（或負(fù)載阻抗足夠大）的條件下，圖4-44(a)的

45、等效電路如圖4-47所示。,2. 輸出特性,輸出電壓與銜鐵位移??成比例。式中負(fù)號表明當(dāng)銜鐵向上移動時，??為正，輸出電壓與電源電壓反相；當(dāng)銜鐵向下移動時，??為負(fù)，輸出電壓與電源電壓同相。輸出特性曲線如圖4-48所示。,2. 輸出特性,由圖4-48、圖4-49可見，當(dāng)銜鐵位于中心位置時，差動變壓器輸出電壓并不等于零。這種零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作?U0，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點，造成實際特性與理論特性不完全一

46、致。零點殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的。,2. 輸出特性,由以上分析可知，差動變壓器的輸出電壓是交流調(diào)幅電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向。另外，其測量值中包含零點殘余電壓。為了既能辨別銜鐵移動方向和大小，又能消除零點殘余電壓，實際測量時，常常采用差動相敏檢波電路和差動整流電路。,3. 測量電路與誤差,(1) 差動相敏檢波電路,差動相敏檢波的形

47、式較多，圖4-50是兩個實例。相敏檢波電路要求參考電壓與差動變壓器次級輸出電壓頻率相同，相位相同或相反，因此常接入移相電路。,3. 測量電路與誤差,（2）差動整流電路,差動整流電路如圖4-51所示。這種電路簡單，不需要參考電壓，不需考慮相位調(diào)整和零位電壓的影響，對感應(yīng)和分布電容影響不敏感。,3. 測量電路與誤差,由以上分析可知：差動變壓器式傳感器可以用于位移的測量，因而一些與位移有關(guān)的機(jī)械量，如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張力或厚度等都可

48、以用差動變壓器進(jìn)行測量。,4. 互感式差動變壓器傳感器的應(yīng)用,返回,金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。渦流式傳感器就是在這種渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來的。,4.3.3 電渦流式傳感器,工作原理,1. 工作原理,為了分析問題的方便，可以將被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個短路環(huán)中的電流。這樣，線圈與被測導(dǎo)體便等效為相互耦合的兩個線圈，如圖4-54所示。,1. 工作原理,設(shè)線圈的電阻

49、為R1，電感為L1，阻抗為Z1=R1+j?L1，短路環(huán)的電阻為R2，電感為L2，線圈與短路環(huán)之間的互感系數(shù)為M，M隨它們之間的距離x減小而增大。加在線圈兩端的激勵電壓為 。根據(jù)基爾霍夫定律，可列出電壓平衡方程組 解之得 由此可求得線圈受金屬導(dǎo)體渦流影響后的等效阻抗為,1. 工作原理,線圈的等效電阻、等效電感分別為 考慮到線圈的初始品質(zhì)因數(shù)Q0=?L1/R1，則受渦流影響后線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q

50、值為 綜上所述，由于渦流的影響，線圈的等效電阻增大了，等效電感減小了，線圈的品質(zhì)因數(shù)下降。Q值的下降是由于渦流損耗所引起，并與金屬材料的導(dǎo)電性能和距離x直接有關(guān)。,電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向r的函數(shù)。當(dāng)x一定時，電渦流密度與半徑r的關(guān)系如下：電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外半徑的1.8～2.5倍的范圍內(nèi)，且分布不均勻；當(dāng)r=0時，電渦流密度為零；在線圈外半徑附近電渦流密度達(dá)到最大。,

51、2. 電渦流形成范圍,電渦流的徑向形成范圍,由圖可知：電渦流強(qiáng)度與距離x成非線性關(guān)系，且隨著x/ras的增加而迅速減小；當(dāng)利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/ras<<1（一般取0.05～0.15）的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。,2. 電渦流形成范圍,電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系,2. 電渦流形成范圍,圖4-56所示為電渦流密度軸向分布曲線。由圖可見：電渦流密度主要分布在表面附近。,電渦流的軸向貫穿深度,高頻反射式

52、電渦流傳感器工作原理如圖4-53所示，傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-57所示，由一個扁平線圈固定在框架上構(gòu)成。線圈外徑大時，線圈磁場的軸向分布范圍大，但磁感應(yīng)強(qiáng)度變化梯度?。痪€圈外徑小時則相反。,3. 高頻反射式電渦流傳感器,圖4-58為這種電路的原理框圖。圖中L為傳感器線圈電感，與電容C組成并聯(lián)諧振回路，晶體振蕩器提供高頻激勵信號。,3. 高頻反射式電渦流傳感器,(1) 定頻調(diào)幅電路,LC回路諧振頻率的偏移如圖4-59所示。當(dāng)被測導(dǎo)體為軟磁材料時

53、，由于L增大而使諧振頻率下降（向左偏移）；當(dāng)被測導(dǎo)體為非軟磁材料時則諧振頻率上升（向右偏移）。,（2） 變頻調(diào)幅電路,圖4-62中，由于采用了有較大電容量的C1、C2，使與之并聯(lián)的晶體管極間電容受溫度而變的影響大為減小。同時為了減小電纜電容變動的影響，將諧振回路元件L、C一起做在探頭里。這樣，電纜的分布電容就并聯(lián)到大電容C1、C2上，從而大大減小了分布電容變化對頻率的影響。為了與負(fù)載隔離，振蕩器可通過射極跟隨器輸出。,(3) 調(diào)頻電路,