第4章結(jié)構(gòu)型傳感器

1、1第第4章章 結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器 2第第4章章 結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器4.3 電感式傳感器電感式傳感器4.2 電容式傳感器電容式傳感器4.1 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器34.1 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器4.1.1 工作原理工作原理4.1.2 結(jié)構(gòu)與類型結(jié)構(gòu)與類型4.1.3 主要特性主要特性4.1.4 溫度效應(yīng)及其補償溫度效應(yīng)及其補償4.1.5 電橋測量電路電橋測量電路4電阻應(yīng)變式傳感器是利用電電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻阻應(yīng)應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化的變化，從而從而實現(xiàn)電測非電量的實現(xiàn)電測非電量的傳感器傳感器。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變片的工作

2、原理是基于電電阻應(yīng)變效應(yīng)阻應(yīng)變效應(yīng)。即在導(dǎo)體產(chǎn)生機械。即在導(dǎo)體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化?；?。4.1.1 工作原理工作原理5在外界力的作用下，將引起金屬或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，將引起金屬或半導(dǎo)體材料發(fā)生機械變形，其電阻值將會相應(yīng)發(fā)生變化，發(fā)生機械變形，其電阻值將會相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)”。對于不同的。對于不同的材料，電阻率相對變化的受力效應(yīng)是不同的。材料，電阻率相對變化的受力效應(yīng)是不同的。4.1.1 4.1.1 工作原理工作原理61. 金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng) 通過研究發(fā)現(xiàn)，通過研究發(fā)現(xiàn)

3、，金屬材料的電阻率相對變化正比金屬材料的電阻率相對變化正比于體積的相對變化于體積的相對變化，即有，即有 式中，式中，C為由材料及加工方式?jīng)Q定的與金屬導(dǎo)體晶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)。格結(jié)構(gòu)相關(guān)的比例系數(shù)。71. 金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng) 將式（將式（4-6）代入（）代入（4-5）可有）可有 式中，式中，Km=(1+2)+C(1-2)為金屬電阻絲的應(yīng)變靈為金屬電阻絲的應(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尺寸變化所致，后半部分為因應(yīng)變而金屬絲幾何尺寸變化所致，后半部分為因應(yīng)變而發(fā)生的電

4、阻率相對變化發(fā)生的電阻率相對變化.8金屬材料的電阻相對變化與其線應(yīng)變金屬材料的電阻相對變化與其線應(yīng)變成正比。成正比。這就是這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)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)金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng) 一般金屬材料：一般金屬材料： Km=(1+2)+C(1-2) 以前者為以前者為主，則主，則Km 1+2=26. 由以上分析可見：由以上分析可見：92. 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)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：應(yīng)，即： 式中，式中， 為作用于材料上的軸向應(yīng)力；為作用于材料上的軸向應(yīng)力； 為

5、半導(dǎo)體為半導(dǎo)體在受力方向的壓阻系數(shù)；在受力方向的壓阻系數(shù)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模為半導(dǎo)體材料的彈性模量。量。10由以上分析可知，外力作用而引起的軸向應(yīng)變，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)半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng) 將式（將式（4-8）代入式（）代入式（4-5）可得）可得 式中，式中，Ks=(1+2)+ E為半導(dǎo)體絲材的為半導(dǎo)體絲材的應(yīng)變靈敏度

6、系應(yīng)變靈敏度系數(shù)數(shù)。前半部分為尺寸變化所致，后半部分為半導(dǎo)。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)所致體材料的壓阻效應(yīng)所致. Ks值主要是由電阻率值主要是由電阻率相對變化所決定。相對變化所決定。11 利用金屬或半導(dǎo)體材料電阻絲（也稱應(yīng)變絲）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，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，即狀的應(yīng)變敏感元件，即電阻應(yīng)變計電阻應(yīng)變計

7、，簡稱，簡稱應(yīng)變應(yīng)變計計。4.1.2 結(jié)構(gòu)與類型結(jié)構(gòu)與類型121.應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)13（1）按加工方法）按加工方法,可以將應(yīng)變片分為以下四種：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)變片應(yīng)變片（2）按敏感柵的材料）按敏感柵的材料,可將應(yīng)變計分為金屬應(yīng)變可將應(yīng)變計分為金屬應(yīng)變計和半導(dǎo)體應(yīng)變計兩大類計和半導(dǎo)體應(yīng)變計兩大類2. 應(yīng)變計的類型應(yīng)變計的類型14 制作應(yīng)變片敏感柵常用的金屬材料有康銅制作應(yīng)變片敏感柵常用的金屬材料有康銅Ni45Cu55、鎳鉻合金、鎳鉻合金Cr20Ni80、鐵鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金Fe70Cr25A

8、l5、鐵鎳鉻合金（卡瑪）、鐵鎳鉻合金（卡瑪）Ni74Cr20Fe3AB貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等，等，其中康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料。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。進(jìn)行選擇。3. 電阻應(yīng)變計的材料電阻應(yīng)變計的材料15 選用應(yīng)變計時，首先應(yīng)根據(jù)使用的目的、要求、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；對象及環(huán)境條件等，對應(yīng)變計的類型進(jìn)行選擇

9、；然后根據(jù)使用溫度、時間、最大應(yīng)變量及精度要然后根據(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。小選擇合適尺寸的應(yīng)變計。4. 電阻應(yīng)變計的選用與粘貼電阻應(yīng)變計的選用與粘貼16 電阻應(yīng)變片工作時，是用粘貼劑粘貼到被測試電阻應(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。粘貼劑形成的膠件或傳感器的彈性元件上的。粘貼劑形成的

10、膠層必須準(zhǔn)確迅速地將被測應(yīng)變傳遞到敏感柵上層必須準(zhǔn)確迅速地將被測應(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。著直接的影響。4. 電阻應(yīng)變計的選用與粘貼電阻應(yīng)變計的選用與粘貼174. 電阻應(yīng)變計的選用與粘貼電阻應(yīng)變計的選用與粘貼AA:單軸片；單軸片；HA:45度雙聯(lián)片；度雙聯(lián)片；GB:半橋半橋片；片；FG:全橋片；全橋片；KA：圓片圓片184.1.3 主要特性主要特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指應(yīng)變計感受不隨時間變化或變化是指應(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)特性的指緩慢的應(yīng)變時的輸出特性，表征靜態(tài)特性的指標(biāo)主

11、要有：標(biāo)主要有：靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)、機械滯后機械滯后、蠕變?nèi)渥?、?yīng)應(yīng)變極限變極限等。等。19將具有初始電阻值將具有初始電阻值R的應(yīng)變計安裝于試件表面，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)。靈敏度系數(shù)。應(yīng)變計的電阻應(yīng)變特性與單根電阻絲時不應(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)。應(yīng)長度單根應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)。1. 靈敏度系數(shù)（靈敏度系數(shù)（k）20將直的

12、金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，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)不同但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，直的金屬絲小，其靈敏系數(shù)降低了其靈敏系數(shù)降低了，這種現(xiàn)象這種現(xiàn)象稱稱為應(yīng)變片的為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)。為了減為了減小小橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)帶來的帶來的測量誤差測量誤差，一般采用一般采用短接式或直角式橫柵，現(xiàn)在更多的是采用箔式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。應(yīng)變片，可有效克服橫向效應(yīng)的影響。2. 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)21產(chǎn)生機械滯后的原因主要是敏感柵、基底和產(chǎn)生機械滯后的原因主要是敏感柵、基底

13、和粘合劑在承受機械應(yīng)變后所留下的殘余變形粘合劑在承受機械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的所造成的。為了減小機械滯后為了減小機械滯后，除選用合適除選用合適的粘合劑外的粘合劑外，最好在最好在正式使用之前預(yù)先加、正式使用之前預(yù)先加、卸卸載若干次載若干次再正式測量再正式測量，以減小機械滯后的，以減小機械滯后的影響影響。3. 機械滯后機械滯后22粘貼在試件上的應(yīng)變計粘貼在試件上的應(yīng)變計，在溫度保持恒定在溫度保持恒定、不承受機械應(yīng)變時不承受機械應(yīng)變時，其電阻值隨時間而變化其電阻值隨時間而變化的特性的特性，稱為稱為應(yīng)變計的零漂應(yīng)變計的零漂。如果在一定溫如果在一定溫度下度下，使其承受恒定的機械應(yīng)變使其承受恒定的

14、機械應(yīng)變，應(yīng)變計，應(yīng)變計電電阻值隨時間而變化的特性阻值隨時間而變化的特性，稱為稱為應(yīng)變計的蠕應(yīng)變計的蠕變變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變變化的方向相一般蠕變的方向與原應(yīng)變變化的方向相反。反。選用彈性模量較大的粘貼劑和基底材料，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。有利于蠕變性能的改善。4. 蠕變和零漂蠕變和零漂23應(yīng)變計的線性應(yīng)變計的線性（靈敏系數(shù)為常數(shù)靈敏系數(shù)為常數(shù)）特性特性，只有只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實應(yīng)變超過某一入的真實應(yīng)變超過某一極極限值時限值時，應(yīng)變計的輸應(yīng)變計的輸出特性將出特性將呈現(xiàn)呈現(xiàn)非線性。在恒溫

15、條件下非線性。在恒溫條件下，使非線使非線性誤差達(dá)到性誤差達(dá)到10%10%時的真實應(yīng)變值時的真實應(yīng)變值，稱為稱為應(yīng)變極限應(yīng)變極限。5. 應(yīng)變極限應(yīng)變極限24應(yīng)變片絕緣電阻應(yīng)變片絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測試件之間的電阻值。通常要求為與被測試件之間的電阻值。通常要求為50 100M以上。不影響應(yīng)變片工作特性的最以上。不影響應(yīng)變片工作特性的最大電流稱為大電流稱為最大工作電流最大工作電流。工作電流大，輸。工作電流大，輸出信號就大，靈敏度也就高。但是電流過大出信號就大，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、蠕變時，會使應(yīng)變片發(fā)熱、變形，使零漂、蠕變

16、增加，甚至燒壞。如果散熱條件好，則電流增加，甚至燒壞。如果散熱條件好，則電流可適當(dāng)大一些?？蛇m當(dāng)大一些。6. 絕緣電阻和最大工作電流絕緣電阻和最大工作電流25二、二、 動態(tài)特性動態(tài)特性以正弦變化的應(yīng)變?yōu)槔?，介紹應(yīng)變計的動態(tài)以正弦變化的應(yīng)變?yōu)槔?，介紹應(yīng)變計的動態(tài)特性。特性。當(dāng)應(yīng)變按正弦規(guī)律變化時當(dāng)應(yīng)變按正弦規(guī)律變化時，應(yīng)變應(yīng)變片片反反映出來的是應(yīng)變映出來的是應(yīng)變片片敏感柵敏感柵上上各點應(yīng)變量的平各點應(yīng)變量的平均值均值，顯然顯然與某一與某一“點點”的應(yīng)變值的應(yīng)變值不同，應(yīng)不同，應(yīng)變片所反映的波幅將低于真實應(yīng)變波，從而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。顯然這種誤差將隨著應(yīng)變帶來一

17、定的誤差。顯然這種誤差將隨著應(yīng)變片基長的增加而增大。片基長的增加而增大。26設(shè)有一波長為設(shè)有一波長為、頻、頻率為率為f f的正弦應(yīng)變波的正弦應(yīng)變波=0 0sin(2sin(2 x/)x/)，在在試件試件中以速度中以速度 沿應(yīng)沿應(yīng)變片柵長方向傳播，變片柵長方向傳播，應(yīng)變片的基長為應(yīng)變片的基長為L L0 0。圖圖4-64-6所示為某一時刻所示為某一時刻應(yīng)變片正處于應(yīng)變波應(yīng)變片正處于應(yīng)變波達(dá)到最大幅值時的瞬達(dá)到最大幅值時的瞬時關(guān)系圖。時關(guān)系圖。二、二、 動態(tài)特性動態(tài)特性27二、二、 動態(tài)特性動態(tài)特性 這時應(yīng)變片兩端的坐標(biāo)為：這時應(yīng)變片兩端的坐標(biāo)為：x x1 1=/4-L=/4-L0 0/2/2，x

18、x2 2=/4+L=/4+L0 0/2/2，則此時應(yīng)變計輸出的平均應(yīng)變，則此時應(yīng)變計輸出的平均應(yīng)變p p達(dá)到最大值達(dá)到最大值 則可求出應(yīng)變波波幅測量相對誤差為則可求出應(yīng)變波波幅測量相對誤差為28二、二、 動態(tài)特性動態(tài)特性 由式（由式（4-114-11）可知，測量誤差與應(yīng)變波波長對基）可知，測量誤差與應(yīng)變波波長對基長的比值長的比值n=/Ln=/L0 0有關(guān)，當(dāng)有關(guān)，當(dāng)/L/L0 0越大，則誤差越越大，則誤差越小。一般可取小。一般可取/L/L0 0=10=10 2020，這時測量誤差約為，這時測量誤差約為1.6%1.6%0.4%0.4%。l0/29二、二、 動態(tài)特性動態(tài)特性 因為因為=v/f=v/

19、f，且，且=nL=nL0 0，則應(yīng)變片可測頻，則應(yīng)變片可測頻率率f f、應(yīng)變波波速、應(yīng)變波波速v v以及波長與基長之比的以及波長與基長之比的關(guān)系為關(guān)系為302 2、階躍應(yīng)變信號的響應(yīng)特性、階躍應(yīng)變信號的響應(yīng)特性vltk08 . 0上升時間上升時間tk（應(yīng)變輸出從（應(yīng)變輸出從10%上升到上升到90%的最大值所需時間）可表示為的最大值所需時間）可表示為 階躍應(yīng)變：階躍應(yīng)變：理論響應(yīng)：理論響應(yīng)：實際響應(yīng)：實際響應(yīng)：若取若取l0=20mm，v=5000m/s，則則tk=3.210-6 s。 314.1.4 溫度效應(yīng)及其補償溫度效應(yīng)及其補償一、溫度效應(yīng)一、溫度效應(yīng)用應(yīng)變計測量時，用應(yīng)變計測量時，通常通常

20、希望工作溫度是恒定希望工作溫度是恒定的，的，實際應(yīng)用時工作溫度可能偏離實際應(yīng)用時工作溫度可能偏離或或超出常超出常溫范圍溫范圍，致使致使應(yīng)變計的應(yīng)變計的工作特性改變工作特性改變而而影響影響輸出輸出。這種由溫度變化引起應(yīng)變計這種由溫度變化引起應(yīng)變計輸出輸出變化變化的現(xiàn)象的現(xiàn)象，稱為稱為應(yīng)變應(yīng)變片片的溫度效應(yīng)的溫度效應(yīng)（也稱溫度（也稱溫度誤差，誤差，又稱又稱）。）。32溫度效應(yīng)產(chǎn)生的原因溫度效應(yīng)產(chǎn)生的原因: :1. 1. 溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變產(chǎn)生附加應(yīng)變; ;2. 2. 試件材料與敏感材料的線膨脹系數(shù)不同，試件材料與敏感材料的線膨脹系數(shù)不同

21、，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變一、一、 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)33設(shè)環(huán)境溫度變化為設(shè)環(huán)境溫度變化為t（）時，）時，應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為為t，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對變化，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對變化為為tRRt 134敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)系數(shù)不同，當(dāng)t存在時引起應(yīng)變片的附加存在時引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對變化為應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對變化為K應(yīng)變片靈敏系數(shù)應(yīng)變片靈敏系數(shù); e試件材料線試件材料線膨脹系數(shù)；膨脹系數(shù)；g敏感柵材料線膨脹敏感柵材料線膨脹系數(shù)。系數(shù)。tKRRge 2353.3

22、 電阻應(yīng)變片的主要特性溫度變化溫度變化t形成的總電阻相對變化形成的總電阻相對變化tKtRRRRRRgett21ttKKRRgettt 相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)橄鄳?yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)橐虼?，?yīng)變片因此，應(yīng)變片熱輸出的大小不熱輸出的大小不僅與應(yīng)變片敏感僅與應(yīng)變片敏感柵材料的性能參柵材料的性能參數(shù)數(shù)(K、t,、g)有有關(guān)，而且與被測關(guān)，而且與被測試件材料的線膨試件材料的線膨脹系數(shù)脹系數(shù)(e)有關(guān)。有關(guān)。36二、二、 電阻應(yīng)變片的溫度補償電阻應(yīng)變片的溫度補償應(yīng)變片應(yīng)變片自補償法自補償法1橋路補償法橋路補償法2熱敏電阻補償法熱敏電阻補償法3371、 應(yīng)變片應(yīng)變片自補償法自補償法這種方法是通過精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)這種

23、方法是通過精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)，使得當(dāng)溫度變化時，產(chǎn)生的附加應(yīng)變，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榱慊蛳嗷サ窒?選擇式自補償應(yīng)變片選擇式自補償應(yīng)變片，也稱單絲自補償，也稱單絲自補償應(yīng)變片應(yīng)變片 雙絲自補償應(yīng)變雙絲自補償應(yīng)變片片382、 橋路補償法橋路補償法橋路補償橋路補償，也稱，也稱補償片法補償片法，是最常用而且效果較好的，是最常用而且效果較好的線路補償方法。橋路補償?shù)膬?yōu)點是方法簡單，在常溫線路補償方法。橋路補償?shù)膬?yōu)點是方法簡單，在常溫下補償效果好。但是當(dāng)溫度變化梯度較大時，很難做下補償效果好。但是當(dāng)溫度變化梯度較大時，很難做到工作片與補償片處于溫度完全一致的情

24、況，因而會到工作片與補償片處于溫度完全一致的情況，因而會影響補償效果。影響補償效果。393、熱敏電阻補償法、熱敏電阻補償法如圖如圖4-94-9所示，熱敏電所示，熱敏電阻阻R Rt t處在與應(yīng)變片相同處在與應(yīng)變片相同的溫度條件下，當(dāng)應(yīng)變的溫度條件下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高片的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻而下降時，熱敏電阻R Rt t的阻值也下降，使電橋的阻值也下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋而增加，從而提高電橋的輸出，以補償因應(yīng)變的輸出，以補償因應(yīng)變片引起的輸出下降。選片引起的輸出下降。選擇分流電阻擇分流電阻R Rs s的值，可的值，可以得到良好

25、的補償效果以得到良好的補償效果404.1.5 電橋測量電路電橋測量電路2013年年4月月24日星期三日星期三dq一、應(yīng)變電橋一、應(yīng)變電橋典型的阻抗應(yīng)變電橋如圖典型的阻抗應(yīng)變電橋如圖4-104-10所示，四個橋臂所示，四個橋臂Z Z1 1、Z Z2 2、Z Z3 3、Z Z4 4按順時針為序，按順時針為序，acac為電源端，為電源端，bdbd為輸出端。為輸出端。當(dāng)橋臂接入應(yīng)變計時，即當(dāng)橋臂接入應(yīng)變計時，即稱為稱為應(yīng)變電橋應(yīng)變電橋。當(dāng)一個臂、。當(dāng)一個臂、二個臂甚至四個臂接入應(yīng)二個臂甚至四個臂接入應(yīng)變計時，就相應(yīng)構(gòu)成了單變計時，就相應(yīng)構(gòu)成了單臂、雙臂和全臂工作電橋。臂、雙臂和全臂工作電橋。414.1

26、.5 電橋測量電路電橋測量電路2013年年4月月12日星期五日星期五d二、直流電橋二、直流電橋直流電橋的基本形式直流電橋的基本形式如圖如圖4-114-11所示。電橋所示。電橋各臂的電阻值分別為各臂的電阻值分別為R R1 1、R R2 2、R R3 3和和R R4 4，U U是直流是直流電源電壓，電源電壓，U U0 0是輸出電是輸出電壓。壓。42二、二、 直流電橋直流電橋 當(dāng)當(dāng)U U0 0=0=0時，電橋處于平衡狀態(tài)，則有：時，電橋處于平衡狀態(tài)，則有：R R1 1R R3 3=R=R2 2R R4 4，此即電橋平衡條件。根據(jù)此條件，此即電橋平衡條件。根據(jù)此條件可分為以下三種情況：可分為以下三種情

27、況： （1 1）對輸出端對稱對輸出端對稱，即，即R R1 1=R=R2 2，R R3 3=R=R4 4，這種，這種結(jié)構(gòu)形式也稱為第一種對稱形式；結(jié)構(gòu)形式也稱為第一種對稱形式； （2 2）對電源端對稱對電源端對稱，即，即R R1 1=R=R4 4，R R2 2=R=R3 3，這種，這種結(jié)構(gòu)形式也稱為第二種對稱形式；結(jié)構(gòu)形式也稱為第二種對稱形式； （3 3）全等臂電橋結(jié)構(gòu)全等臂電橋結(jié)構(gòu)，即，即R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4。43單臂工作電橋單臂工作電橋一個橋臂上為電阻應(yīng)變片，其一個橋臂上為電阻應(yīng)變片，其他橋臂上為固定電阻，如圖他橋臂上為固定電阻，如圖4-124-12所示。輸

28、出電壓為：所示。輸出電壓為：二、二、 直流電橋直流電橋44二、二、 直流電橋直流電橋 上式中，上式中， 稱為稱為電橋電壓靈敏度電橋電壓靈敏度。 顯然，可通過適當(dāng)提高電源電壓顯然，可通過適當(dāng)提高電源電壓U U（受應(yīng)變片允許承受（受應(yīng)變片允許承受的最大電流限制）或調(diào)節(jié)橋臂比的最大電流限制）或調(diào)節(jié)橋臂比n n的方式，提高單臂電橋的方式，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，的靈敏度。通過進(jìn)一步的分析可知，當(dāng)電源電壓一定時，如果如果n=1n=1，則可以有最大的電壓靈敏度，即采用第一種對，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，電壓靈敏度為稱的電橋結(jié)構(gòu)形式

29、。此時，電壓靈敏度為K Ku u=U/4=U/4，輸出電，輸出電壓為壓為45二、二、 直流電橋直流電橋 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，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)成雙臂工作電橋從而構(gòu)成雙臂工作電橋 ， 如圖如圖4-144-14所示所示 。輸出電壓為：。輸出電壓為： 由式（由式（4-304-30）可知，）可知，差動電橋的輸出是線性的，沒有非線性差動電橋的輸出是線性的，沒有非線性誤差問題誤差問題。與式（。與式（4-244-24）相比，）相比，靈敏度提高了一倍靈敏度提高了一倍。雙臂工作電橋雙臂工作電橋46二、二、 直流電橋直流電橋47二、二、 直流

30、電橋直流電橋2013年年4月月12日星期五日星期五t 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 ， 如圖如圖4-154-15所示所示 。 這種電橋也稱為這種電橋也稱為差動全橋差動全橋。這時電橋不。這時電橋不再平衡，輸出電壓為：再平衡，輸出電壓為： 由式（由式（4-324-32）可見，差動全橋的電壓輸出是線性的，沒有）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（非線性誤差問題。與式（4-244-24）、（）、（4-304-30）相比，）相比，差動全差動全橋的靈敏度是單臂電橋的橋的靈敏度是單臂電橋的4 4倍，是雙臂差動電橋

31、的倍，是雙臂差動電橋的2 2倍。倍。全臂工作電橋全臂工作電橋48三、三、 交流電橋交流電橋直流應(yīng)變電橋輸出電壓直流應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。橋多采用交流電橋。分布電容分布電容交流電橋很適合電容交流電橋很適合電容式、電感式傳感器的式、電感式傳感器的測量需要，應(yīng)用場合測量需要，應(yīng)用場合較多。較多。491.1. 彈性敏感元件（彈性敏感元件（P80P80） 物體在外力作用下而改變原來尺寸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)外力去或形狀的現(xiàn)象稱為變形，當(dāng)外力去

32、掉后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺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變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。為彈性元件。四、四、 電阻應(yīng)變片式傳感器及其應(yīng)用電阻應(yīng)變片式傳感器及其應(yīng)用502. 2. 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(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：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)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)變成彈性元件構(gòu)成傳感器，

33、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。彈性元件應(yīng)變的其他物理量作間接測量。四、四、 電阻應(yīng)變片式傳感器及其應(yīng)用電阻應(yīng)變片式傳感器及其應(yīng)用作業(yè)：作業(yè)：4-5、4-6514.2 電容式傳感器電容式傳感器4.2.1 工作原理、類型及特性工作原理、類型及特性4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施應(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測量電路52 電容式傳感器的優(yōu)點：電容式傳感器的優(yōu)點： （1 1）分辨力很高，能測量低達(dá)）分辨力很高，能測量低達(dá)1010-7-7F F的電容的電容值或值或0.01m0.01m的絕對變化量，或高達(dá)的絕對變化量，或高達(dá)100%100%200%

34、200%的相對變化量（的相對變化量（ C/CC/C），因此適合微信），因此適合微信息的檢測；息的檢測； （2 2）動極板質(zhì)量很輕，自身的功耗、發(fā)熱）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；很好的動態(tài)特性； （3 3）結(jié)構(gòu)簡單，不含有機材料或磁性材料，）結(jié)構(gòu)簡單，不含有機材料或磁性材料，對環(huán)境（除高濕外）的適應(yīng)性強；對環(huán)境（除高濕外）的適應(yīng)性強； （4 4）過載能力強，可實現(xiàn)無接觸測量。）過載能力強，可實現(xiàn)無接觸測量。534.2.1 工作原理、類型及特性工作原理、類型及特性 電容量C與極板間介質(zhì)的介電常數(shù)、極板間

35、的有效面積S以及兩極板間的距d有關(guān)： 工作原理工作原理54 類型和特性類型和特性 根據(jù)上述原理，在應(yīng)用中電容式傳感器根據(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，即可以有三種基本類型，即變極距變極距( (或稱變或稱變間隙）型間隙）型、變面積型變面積型和和變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型。 它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。平面形三種。4.2.1 工作原理、類型及特性工作原理、類型及特性55 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 傳感器兩極板間的傳感器兩極板間的和和S S為常數(shù)，通過電容為常數(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。極板間距

36、離的變化實現(xiàn)對相關(guān)物理量的測量。4.2.1 工作原理、類型及特性工作原理、類型及特性5620001)1 (1 ddddCddCddsCCC已知初始電容為已知初始電容為C C0 0若極距縮小若極距縮小d d非線性關(guān)系非線性關(guān)系 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器57ddCCC00若若d/d1d/d1時，則可簡化為時，則可簡化為最大位移應(yīng)小于間距的最大位移應(yīng)小于間距的1/10 1/10 。ddCC058差動式電容傳感器差動式電容傳感器ddCCC001ddCCC002若電極位移若電極位移d d02dCCd靈敏度提高一倍。靈敏度提高一倍。59變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器 測量中動極板移動

37、時，兩極板間的相對有效測量中動極板移動時，兩極板間的相對有效面積面積S S發(fā)生變化，引起電容發(fā)生變化，引起電容C C發(fā)生變化。發(fā)生變化。4.2.1 工作原理、類型及特性工作原理、類型及特性60變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器當(dāng)動極板相對于定極板沿當(dāng)動極板相對于定極板沿著長度方向平移時，其電著長度方向平移時，其電容變化量化為容變化量化為:0()rax babb xCCCdddC C與與x x間呈線性關(guān)系間呈線性關(guān)系 61變介質(zhì)型電容傳感器變介質(zhì)型電容傳感器 變介質(zhì)變介質(zhì)電容傳感器的結(jié)構(gòu)型式電容傳感器的結(jié)構(gòu)型式較多，較多，可以用來測量紙可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度張、絕緣薄膜等的厚度以及

38、液位高低等，以及液位高低等，也可用來測也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度。4.2.1 工作原理、類型及特性工作原理、類型及特性 d d為運動介質(zhì)的厚度，為運動介質(zhì)的厚度，d d保持不變，改變保持不變，改變 可作為介電常數(shù)的測試儀器?？勺鳛榻殡姵?shù)的測試儀器。0r 介電常數(shù)介電常數(shù) 保持不變，保持不變，d d改變，可作為測厚儀器。改變，可作為測厚儀器。rrddDSC0)1 (10rdDCC 測液位高度測液位高度（根據(jù)液體容器的形狀計算）（根據(jù)液體容器的形狀計算）dDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(2121)(2120006

39、44.2.2 應(yīng)用注意事項及措施應(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=S/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電容式傳感器的靈敏度及非線性65差動電容傳感器具有如下特性：4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施應(yīng)用注意事項及措施66等效電路等效電路 以上以上對各種電容傳感器的特性分析對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的都是在純電容的條件下進(jìn)行的。若電容傳感器條件下進(jìn)行的。若電容傳感器工作工作在高溫、高濕及高在高溫、

40、高濕及高頻激勵條件下工作頻激勵條件下工作，則電容的，則電容的附加損耗附加損耗等等影響影響不可忽不可忽視，這時電容傳感器的視，這時電容傳感器的等效電路如圖等效電路如圖4-284-28所示。所示。4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施應(yīng)用注意事項及措施67 邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響性。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)可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)構(gòu)，如圖如圖4-294-29所示。所示。4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施應(yīng)用注意事項及措施68靜電引力靜電引力電容式傳感器兩極板間因存在靜電場

41、電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有而作用有靜電引力或力矩靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工靜電引力的大小與極板間的工作電壓作電壓、介電常數(shù)介電常數(shù)、極間距離有關(guān)極間距離有關(guān)。通常這種靜通常這種靜電引力很小電引力很小，但在采用推動力很小的彈性敏感元但在采用推動力很小的彈性敏感元件情況下件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。須考慮因靜電引力造成的測量誤差。4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施應(yīng)用注意事項及措施69 寄生電容寄生電容寄生電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián)、影響傳感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器的靈敏度，而它的變化則為虛假信號影響儀器的精度

42、。必須消除和減小它。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：消除和減小寄生電容可采用如下方法：1. 采用采用“驅(qū)動電線驅(qū)動電線”技術(shù)技術(shù)2. 采用組合式與集成技術(shù)采用組合式與集成技術(shù)3. 整體屏蔽法整體屏蔽法4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施應(yīng)用注意事項及措施2013年年4月月25日星期四日星期四dq70溫度影溫度影響響（1 1）溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響電容傳感器由于極電容傳感器由于極板板間隙很小而對結(jié)構(gòu)尺寸間隙很小而對結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。的變化特別敏感。（2 2）溫度對介質(zhì)的影響溫度對介質(zhì)的影響溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而溫度對介電常數(shù)的影響隨介

43、質(zhì)不同而變化，變化，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零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)而某些液體介質(zhì)，如硅油、醫(yī)麻油、煤油等如硅油、醫(yī)麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。4.2.2 應(yīng)用注意事項及措施應(yīng)用注意事項及措施714.2.3 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 電容式傳感器的優(yōu)點：電容式傳感器的優(yōu)點： （1 1）分辨力很高，能測量低達(dá)）分辨力很高，能測量低達(dá)1010-7-7F F的電容的電容值或值或0.01m0.01m的絕對變化量，或高達(dá)的絕對變化量，或高達(dá)100%100%200%200%的相對變化量（的相對變化量（ C/C

44、C/C），因此適合微信），因此適合微信息的檢測；息的檢測； （2 2）動極板質(zhì)量很輕，自身的功耗、發(fā)熱）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；很好的動態(tài)特性； （3 3）結(jié)構(gòu)簡單，不含有機材料或磁性材料，）結(jié)構(gòu)簡單，不含有機材料或磁性材料，對環(huán)境（除高濕外）的適應(yīng)性強；對環(huán)境（除高濕外）的適應(yīng)性強； （4 4）過載能力強，可實現(xiàn)無接觸測量。）過載能力強，可實現(xiàn)無接觸測量。72圖圖4-324-32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

45、璃上的金屬鍍層為固定電極，從而構(gòu)成了差動板，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，從而構(gòu)成了差動電容傳感器。電容傳感器。4.2.3 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路73圖圖4-334-33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（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）。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）。4.2.3 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路741. 調(diào)頻電路調(diào)頻電路2

46、013年年4月月19日星期五日星期五調(diào)頻測量電路調(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，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。調(diào)頻電路中可以將振蕩器的振蕩頻率就發(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)過蕩頻率作為輸出信號，也可以經(jīng)過f/Vf/V轉(zhuǎn)換成電壓轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，參見圖信號輸出，參見圖4-344-34所示。所示。751. 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 L-C L-C諧振回路的振蕩頻率諧振回路的振蕩頻率 當(dāng)被測信號為零時，當(dāng)被測信號為零時， C=0C=0，則，則C=CC=

47、C1 1+C+C2 2+C+C0 0，所以振蕩器有一個初始振蕩頻，所以振蕩器有一個初始振蕩頻率率f f0 0： 761. 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 當(dāng)被測信號不為零時，當(dāng)被測信號不為零時， C C 0 0，則振蕩器，則振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，此時頻率為的振蕩頻率發(fā)生變化，此時頻率為 由上式可知，根據(jù)頻率的變化由上式可知，根據(jù)頻率的變化 f f可以測可以測出電容的變化出電容的變化 C C，從而完成對物理量的測，從而完成對物理量的測量。調(diào)頻測量電路具有較高的靈敏度，可量。調(diào)頻測量電路具有較高的靈敏度，可以測量以測量0.01m0.01m級位移變化量。級位移變化量。772. 運算放大器式電路運算放大器式電路

48、圖圖4-354-35是運算放大器測量電路原理圖。圖中是運算放大器測量電路原理圖。圖中C Cx x是傳感器的電容是傳感器的電容, ,U Ui i是交流電源電壓，是交流電源電壓，U Uo o是輸出是輸出電壓信號。電壓信號。782. 運算放大器式電路運算放大器式電路2013年年4月月19日星期五日星期五t由運算放大器的工作原理可有：由運算放大器的工作原理可有： 如果是變極距式的電容傳感器，則如果是變極距式的電容傳感器，則C Cx x = = S/ dS/ dx x，代入上式可有：，代入上式可有： 式中，式中，“”號表示輸出電壓與電源電號表示輸出電壓與電源電壓反相。壓反相。 79 變間隙電容傳感器的測

49、量電路為運算放大器電路變間隙電容傳感器的測量電路為運算放大器電路，如圖所示。，如圖所示。C C0 0=200pF=200pF，傳感器的起始電容量，傳感器的起始電容量C Cx0 x0=20pF,=20pF,定動極板距離定動極板距離d d0 0=1.5mm,=1.5mm,運算放大器為理想運算放大器為理想放大器放大器( (即即K,K,Z Zi i),), 輸入電壓輸入電壓u u1 1=5sin=5sint tV V。 求當(dāng)電容傳感動極板上輸求當(dāng)電容傳感動極板上輸 入一位移量入一位移量x x=0.15mm=0.15mm使使 d d0 0減小時減小時, ,電路輸出電壓電路輸出電壓u u0 0 為多少為多

50、少? ? 80雙T二極管型測量電路如圖4-36所示。3. 雙雙T二極管二極管型電路型電路雙雙T T型電路工作原理分析型電路工作原理分析 正半周正半周D1D1導(dǎo)通導(dǎo)通D2D2截止截止C1C1充電充電； 負(fù)半周負(fù)半周D1D1截止截止D2D2導(dǎo)通導(dǎo)通C2C2充電充電； v 一個周期內(nèi)負(fù)載一個周期內(nèi)負(fù)載R RL L上輸出上輸出 電壓電壓U URLRL與電源電壓與電源電壓V VE E幅值、幅值、 頻率頻率f f有關(guān)有關(guān); ;與電容的差值與電容的差值 (C1-C2)(C1-C2)成正比成正比 )()()2()()(1212021CCfURRRRRRRdttItITRIUELLLLTLLRL83雙雙T T二

51、極管二極管型電路型電路的應(yīng)用特點和要求的應(yīng)用特點和要求: :(1)(1)電源、傳感器電容、負(fù)載均可同時在一點接地電源、傳感器電容、負(fù)載均可同時在一點接地；(2)(2)二極管二極管D D1 1、D D2 2工作于高電平下工作于高電平下，因而非線性失真小因而非線性失真?。?3)(3)其靈敏度與電源頻率有關(guān)其靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定因此電源頻率需要穩(wěn)定；(4)(4)將將D D1 1、D D2 2、R R1 1、R R2 2安裝在安裝在C C1 1、C C2 2附近能消除電纜寄生附近能消除電纜寄生電容影響電容影響，線路簡單線路簡單；(5)(5)輸出電壓較高輸出電壓較高；(6)(6)輸

52、出阻抗與電容輸出阻抗與電容C C1 1和和C C2 2無關(guān)無關(guān)，而僅，而僅與與R R1 1、R R2 2及及R RL L有關(guān)；有關(guān)；(7)(7)輸出信號的上升沿時間輸出信號的上升沿時間取決于負(fù)載電阻取決于負(fù)載電阻R RL L，可用于可用于動態(tài)測動態(tài)測 量量；(8)(8)傳感器的頻率響應(yīng)取決于振蕩器的頻率傳感器的頻率響應(yīng)取決于振蕩器的頻率。84差動差動脈沖調(diào)寬電路不需要載頻和附加解調(diào)線脈沖調(diào)寬電路不需要載頻和附加解調(diào)線路路，無，無波形和相移失真波形和相移失真，輸出信號只需要通輸出信號只需要通過低通濾波器引出過低通濾波器引出，直流信號的極性取決于直流信號的極性取決于C C1 1和和C C2 2；對

53、變極距和變面積的電容傳感器均對變極距和變面積的電容傳感器均可獲得線可獲得線性性輸出輸出。這種。這種脈寬調(diào)制線路也便于脈寬調(diào)制線路也便于與傳感器做在一起與傳感器做在一起，從而使傳輸誤差和干擾從而使傳輸誤差和干擾大大減小。大大減小。4.差動差動脈沖調(diào)寬電路脈沖調(diào)寬電路電路原理圖電路原理圖雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器VD1VD2R1R2AuABFGCx1Cx2BQQ#A1A2UruAU1ouBU1ouABouFoUrT1U1uGUroT2U1tttttuAU1otuBU1ouABUoouFUrouGUroT2T1U1tttt(a)(b)波形圖波形圖 87 電路組成：電路組成： A1A1、A2A2比較器；比較器； 雙

54、穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器； VD1VD1、VD2VD2與電阻；與電阻； 組成充放電回路；組成充放電回路；U Ur r參考直參考直 流電壓；流電壓； 雙穩(wěn)態(tài)作輸出；雙穩(wěn)態(tài)作輸出； 電容電容C1C1、C2C2為傳感器差動電容。為傳感器差動電容。作業(yè)：作業(yè)：4-16884.3 電感式傳感器電感式傳感器4.3.1 自感式傳感器自感式傳感器4.3.2 互感式傳感器互感式傳感器4.3.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器894.3 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是利用線圈自感或互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、

55、流量、重用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)變等多種物理量。量、力矩、應(yīng)變等多種物理量。904.3 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是一種機電轉(zhuǎn)換裝置，特電感式傳感器是一種機電轉(zhuǎn)換裝置，特別是在自動控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用。別是在自動控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用。 電感式傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測電感式傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測非電量（如位移、壓力、流量、振動）非電量（如位移、壓力、流量、振動）轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。 按傳感器結(jié)構(gòu)可分為：按傳感器結(jié)構(gòu)可分為：自感式、互感式、電渦流式。自感式、互感式、電渦流式。各種電感式傳感器各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳

56、感器電 感 粗 糙 度 儀接近式傳感器921. 工作原理與輸出特性工作原理與輸出特性934.3.1 自感式傳感器自感式傳感器 當(dāng)線圈匝數(shù)一定時，電感當(dāng)線圈匝數(shù)一定時，電感L L僅僅是磁路中磁阻僅僅是磁路中磁阻R Rm m的函數(shù)，的函數(shù)，當(dāng)改變氣隙長度當(dāng)改變氣隙長度 或氣隙面積或氣隙面積S S均可導(dǎo)致電感均可導(dǎo)致電感L L的變化。相的變化。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。量角位移。 對于變面積式電感傳感器而言，對于變面

57、積式電感傳感器而言，線圈電感線圈電感L L與氣隙面積與氣隙面積S S是是成正比的，而變氣隙長度傳感器中電感成正比的，而變氣隙長度傳感器中電感L L和氣隙長度和氣隙長度 成反成反比比。00LL94 電感電感L和氣隙長度和氣隙長度 的特的特性曲線可用圖性曲線可用圖4-40所示。所示。非線性越嚴(yán)重。因此，為非線性越嚴(yán)重。因此，為了得到較好的線性特性，了得到較好的線性特性，必須把銜鐵的工作位移限必須把銜鐵的工作位移限制在較小的范圍內(nèi)。一般制在較小的范圍內(nèi)。一般取取=(0.1 0.2) 0。1. 工作原理與輸出特性工作原理與輸出特性95I-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

58、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工作原理與輸出特性96 圖圖4-42所示為所示為 型差動電感傳感器的原理型差動電感傳感器的原理和測量線路接線圖。和測量線路接線圖。 測量時，銜鐵與被測件物體相連，當(dāng)被測量時，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測物體上下移動時，帶動銜鐵也以相同的位移量上下移動

59、，使得上下兩個傳感器的位移量上下移動，使得上下兩個傳感器的氣隙長度發(fā)生大小相等、方向相反的變化，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。線圈的電感量減小，形成差動。2. 差動式電感傳感器差動式電感傳感器972. 差動式電感傳感器差動式電感傳感器982. 差動式電感傳感器差動式電感傳感器差動電感傳感器的優(yōu)點：差動電感傳感器的優(yōu)點：1 1、差動電橋能使變間隙式電感傳感器的非線、差動電橋能使變間隙式電感傳感器的非線 性大大減小性大大減小（沒有偶次方）（沒有偶次方）；2 2、在同樣的工作范圍內(nèi)差動電橋的非

60、線性度、在同樣的工作范圍內(nèi)差動電橋的非線性度減小了，靈敏度提高了一倍減小了，靈敏度提高了一倍（4-934-93）；3 3、組成差動電橋測量電路，補償了溫度對兩、組成差動電橋測量電路，補償了溫度對兩個線圈參數(shù)的影響。個線圈參數(shù)的影響。002LL993. 自感式電感傳感器主要誤差分析自感式電感傳感器主要誤差分析 自感式電感傳感器在對非電量的測量中產(chǎn)生誤自感式電感傳感器在對非電量的測量中產(chǎn)生誤差的原因：差的原因：（1 1）輸出特性的非線性）輸出特性的非線性（2 2）電源電壓和頻率波動的影響）電源電壓和頻率波動的影響（3 3）溫度變化的影響）溫度變化的影響（4 4）輸出電壓與電源電壓的相位差）輸出電壓