傳感器原理及應(yīng)用課件

緒論一、傳感器的地位和作用例1人與機(jī)器的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)系定性人通過(guò)感官感覺(jué)外界對(duì)象的刺激，通過(guò)大腦對(duì)感受的信息進(jìn)行判斷、處理，肢體作出相應(yīng)的反映。定量傳感器相當(dāng)于人的感官，稱“電五官”，外界信息由它提取，并轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)易于處理的電信號(hào)，微機(jī)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)出控制信號(hào)給執(zhí)行器，執(zhí)行器對(duì)外界對(duì)象進(jìn)行控制。人與機(jī)器的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)系圖外界對(duì)象感官傳感器人腦微機(jī)肢體執(zhí)行器

無(wú)論是金屬糧倉(cāng)還是土倉(cāng)，為防止霉變，糧食都是分層存放，倉(cāng)內(nèi)溫度和濕度不能過(guò)高，為此，需在各層安放溫濕度傳感器進(jìn)行檢測(cè)。裝有溫濕度探頭的糧倉(cāng)示意圖如下。將各層探頭輸出接至溫濕度巡檢儀上，通過(guò)巡檢儀監(jiān)視器監(jiān)視各點(diǎn)溫濕度情況。通過(guò)通風(fēng)口保持溫濕度在要求范圍內(nèi)。例2糧倉(cāng)溫度、濕度檢測(cè)裝有溫濕度探頭的糧倉(cāng)示意圖通風(fēng)口探頭通風(fēng)口通風(fēng)口例3：開(kāi)發(fā)區(qū)海灣公司生產(chǎn)的感溫、感煙火災(zāi)報(bào)警器集控器1中央監(jiān)控圖1監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖探頭11探頭12探頭1N其監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖2:可在每一房間安放一對(duì)感溫、感煙探頭（智能傳感器），它們輸出溫度、濃度信號(hào)通過(guò)串行通訊線送入由微機(jī)組成的檢測(cè)系統(tǒng)（集控器）；集控器負(fù)責(zé)信號(hào)匯總，匯總各房間的溫度和濃度信號(hào)，并監(jiān)控各房間溫度、煙濃度是否異常，如異常，聲光報(bào)警并打開(kāi)噴淋設(shè)備滅火，一層一臺(tái)。各層集控器通過(guò)CAN總線、M-BUS總線等現(xiàn)場(chǎng)總線將溫度、濃度等信號(hào)送入中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)。值班人員在電腦屏幕上直觀監(jiān)視各房間情況（溫度、煙霧濃度）。房間、樓道裝配攝像頭，還可通過(guò)電視屏幕查看房間、樓道情況?？煽闯鰶](méi)有感溫、感煙傳感器，就像人缺少感官，系統(tǒng)無(wú)法工作。熱軋帶鋼表面溫度的測(cè)量

用輻射溫度計(jì)測(cè)量熱軋帶鋼表面溫度的方法巳被廣泛采用。從加熱爐出來(lái)的鋼坯最后到卷取機(jī)之前的整個(gè)軋制線上，如加熱爐出口、粗軋機(jī)的入口和出口、精軋機(jī)的入口和出口以及在卷取機(jī)之前都設(shè)有輻射溫度計(jì)，用以測(cè)量各階段帶鋼的表面溫度。并用此溫度信號(hào)來(lái)控制軋制速度、軋輥壓下力和冷卻水流量等。

傳感器作為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的前哨，它提取信息的準(zhǔn)確與否直接決定著整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精度。一個(gè)國(guó)家的現(xiàn)代化水平是用其自動(dòng)化水平來(lái)衡量的。而自動(dòng)化水平是用儀表及傳感器的種類和數(shù)量多少來(lái)衡量的。信息化技術(shù)包括傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。傳感器技術(shù)列為信息技術(shù)之首，由此可見(jiàn)一斑。國(guó)內(nèi)高精度、多功能、集成化、智能化傳感器急需開(kāi)發(fā)研制?？偨Y(jié)二、傳感器的定義與組成1、定義（Sensor）

能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。（GB7665—87）它是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。

輸入量是物理量、化學(xué)量和生物量。輸出量主要是電量。（電量最便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示）輸入輸出的轉(zhuǎn)換規(guī)律（關(guān)系）已知，轉(zhuǎn)換精度要滿足測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。壓電傳感器：Q=d33f傳感器應(yīng)用場(chǎng)合（領(lǐng)域）不同，叫法不同。過(guò)程控制：變送器。（標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器）射線檢測(cè)：發(fā)送器、接收器。探頭。2、組成敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路傳感器組成框圖被測(cè)量中間量電量電信號(hào)傳感器組成

由半導(dǎo)體材料制成的物性性傳感器基本是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件二合一。直接能將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量輸出。如熱電偶、壓電傳感器、光電池。熱敏電阻等。膜盒差動(dòng)電感電橋電路氣體壓力傳感器組成框圖PSLU0mVTT0BA熱電偶IhfG光電池f+++++–––––Q壓電傳感器RRTR0RU0Ui熱敏電阻傳感器三、傳感器分類及要求分類1、按能量轉(zhuǎn)換情況

能量控制型傳感器。需外供電源，只起信號(hào)轉(zhuǎn)換，不起能量轉(zhuǎn)換。能量轉(zhuǎn)換型傳感器。不需外加電源，本身起能量轉(zhuǎn)換。2、按物理工作原理分類（教科書(shū)）按傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、測(cè)量電路及應(yīng)用講授。條理較清晰。同一原理的傳感器可測(cè)不同的非電量。3、根據(jù)輸入物理量（用途）分類同一被測(cè)物理量可用不同種傳感器測(cè)量。這樣分類目的是使讀者（工程技術(shù)人員）有針對(duì)性地查閱所需的傳感器。一般工程書(shū)籍及參考書(shū)、手冊(cè)按此類方法分類。4、按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。一般要求1、穩(wěn)定性、可靠性一般用平均無(wú)故障時(shí)間來(lái)衡量穩(wěn)定性、可靠性。在計(jì)量、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中穩(wěn)定性、可靠性至關(guān)重要。2、靜態(tài)精度測(cè)靜態(tài)量，傳感器精度應(yīng)滿足系統(tǒng)的精度要求。3、動(dòng)態(tài)性能測(cè)動(dòng)態(tài)量，如響應(yīng)速度、工作頻率、穩(wěn)定時(shí)間等。4、量程測(cè)量被測(cè)量的范圍。一般量程越大，精度越低。5、抗干擾能力工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較惡劣，存在溫濕度、電磁等干擾，設(shè)計(jì)的傳感器能克服這些干擾，安全穩(wěn)定運(yùn)行。6、體積小、能耗低、成本低結(jié)構(gòu)型傳感器向物性型半導(dǎo)體傳感器發(fā)展。如測(cè)人體血壓的電子血壓計(jì)。（uWmW級(jí)）四、改善傳感器性能的技術(shù)途徑1、差動(dòng)技術(shù)減小溫度、電源波動(dòng)及外界的共模信號(hào)干擾。減小非線性，提高靈敏度。（舉例）2、平均技術(shù)光柵、磁柵、感應(yīng)同步器等數(shù)字傳感器，多個(gè)傳感單元參與測(cè)量，誤差的平均效應(yīng)，總誤差減小。如光柵尺測(cè)位移，幾根刻線形狀誤差，對(duì)莫爾條紋的形狀，影響甚微。多個(gè)傳感器測(cè)量值取平均及多次采樣測(cè)量采用平均技術(shù)。3、補(bǔ)償與修正技術(shù)目的：消除外界因素對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果的影響。熱電偶測(cè)溫E=f（T）－f（T0）方法一：T0恒溫。方法二：冷端放置溫度傳感器測(cè)出T0

，通過(guò)軟硬件得到f（T0）（修正項(xiàng)）。找到誤差項(xiàng)（修正項(xiàng)），即可準(zhǔn)確測(cè)得T。4、屏蔽、隔離與干擾抑制屏蔽減小外界電磁干擾對(duì)傳感器的影響。（減小傳感器對(duì)影響因素的靈敏度，降低外界因素對(duì)傳感器作用的烈度）隔離（隔熱、密封、隔振等）減小溫度、濕度、機(jī)械振動(dòng)等影響。濾波（阻容、電感濾波）濾除外界電磁干擾。5、穩(wěn)定性、可靠性處理傳感器元器件、結(jié)構(gòu)材料的老化處理。使其能在較惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。元器件分為商用級(jí)、工業(yè)級(jí)、軍用級(jí)。它們的工作溫度范圍、壽命、精度等指標(biāo)不同。五、傳感器技術(shù)的發(fā)展方向1、開(kāi)發(fā)新的敏感、傳感材料在半導(dǎo)體硅材料發(fā)現(xiàn)力、熱、光、磁、氣體等物理量都會(huì)使其性能改變。制成力敏、熱敏、光敏、磁敏氣敏等敏感元件。基礎(chǔ)研究尋找發(fā)現(xiàn)具有新原理、新效應(yīng)的敏感元件和傳感元件。沒(méi)有深入細(xì)致的，就沒(méi)有新傳感元件的問(wèn)世，也就沒(méi)有新型傳感器，組成不了新型測(cè)試系統(tǒng)。2、開(kāi)發(fā)研制新型傳感器及組成新型測(cè)試系統(tǒng)

(1)MEMS技術(shù)要求研制微型傳感器。如用于微型偵察機(jī)的CCD傳感器、用于管道爬壁機(jī)器人的力敏、視覺(jué)傳感器。（2）研制仿生傳感器（3）研制海洋探測(cè)用傳感器海洋檢測(cè)環(huán)保。（4）研制成分分析用傳感器（5）研制微弱信號(hào)檢測(cè)傳感器3、微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀表傳感器相結(jié)合構(gòu)成新一代智能化測(cè)試系統(tǒng)。如電子血壓計(jì)，智能水、電、煤氣、熱量表。它們的特點(diǎn)是傳感器與微型計(jì)算機(jī)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成智能傳感器。系統(tǒng)功能最大程度地用軟件實(shí)現(xiàn)。4、用多個(gè)儀表或傳感器進(jìn)行線的、面的、體的測(cè)量。如稱重料斗重量檢測(cè)，油罐油溫檢測(cè)。六、本課程的任務(wù)和目的1、任務(wù)：掌握傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路及典型應(yīng)用。2、目的：（1）合理選擇和使用傳感器。

（2）對(duì)傳感器技術(shù)問(wèn)題有一定的分析和處理能力。（3）知曉傳感器的工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法。（4）了解傳感器的發(fā)展動(dòng)向。要求1、復(fù)習(xí)鞏固已學(xué)電路、電子等方面的知識(shí)。2、多看一些相關(guān)參考書(shū)及期刊雜志。參考書(shū)：1、檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)常健生吉林工業(yè)大學(xué)機(jī)械工業(yè)出版社2、非電量電測(cè)技術(shù)譚祖根浙江大學(xué)3、傳感器技術(shù)賈伯年?yáng)|南大學(xué)七、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是傳感器課程不可缺少的重要組成部分，采用CSY傳感器教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，設(shè)置了箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片、電渦流式、霍爾式、差動(dòng)線圈螺管式、電容式、磁電式、壓電式、熱電偶式等傳感器。傳感器實(shí)例溫度傳感器壓力傳感器

液位傳感器第一章傳感器的一般特性

一、傳感器的靜特性二、傳感器的動(dòng)特性三、傳感器的技術(shù)指標(biāo)

研究傳感器輸入輸出關(guān)系及特性。輸入信號(hào)可分為靜態(tài)量和動(dòng)態(tài)量。傳感器的基本特性可用靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來(lái)描述。

傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出輸入關(guān)系。

衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度,遲滯和重復(fù)性等。它們是衡量傳感器優(yōu)劣的指標(biāo)。一、線性度(非線性誤差)

傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。傳感器的輸出與輸入關(guān)系可用一個(gè)多項(xiàng)式表示：式中:a0——零位輸出

a1

——靈敏度

a2,…,an——非線性項(xiàng)系數(shù)。各項(xiàng)系數(shù)不同,決定了特性曲線的形狀不相同。

理想情況僅含有一次項(xiàng)，希望表達(dá)式僅含奇次項(xiàng)，偶次項(xiàng)和零次項(xiàng)消除。傳感器在結(jié)構(gòu)上采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)。傳感器非線性大小評(píng)定方法靜特性曲線可通過(guò)實(shí)際測(cè)試獲得。首先在標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下，用標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定（測(cè)試），得到其輸入輸出實(shí)測(cè)曲線，即校準(zhǔn)曲線，然后作一條理想直線，即擬合直線，校準(zhǔn)曲線與擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比，稱為傳感器的非線性誤差（或線性度）

在采用直線擬合線性化時(shí)，傳感器的輸出輸入校正曲線與其擬合曲線間最大偏差與滿量程輸出值的百分比稱為線性度或非線性誤差，通常用相對(duì)誤差表示。校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差

傳感器滿量程輸出

幾種直線擬合方法

(a)理論擬合(b)過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合

(c)端點(diǎn)連線擬合(d)端點(diǎn)平移擬合即使是同類傳感器,擬合直線不同,其線性度也是不同的。選取擬合直線的方法很多,用最小二乘法求取的擬合直線的擬合精度最高。（1）擬合直線方程

y=k+bx

設(shè)有n對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)（xi,yi）,用直線方程y=k+bx擬合,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)值,求方程中系數(shù)k、b的最佳估計(jì)值。可應(yīng)用最小二乘法原理,使各測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)yi與直線輸出偏差的平方和為最小。（2)多項(xiàng)式擬合二、遲滯

遲滯是指?jìng)鞲衅髟谡葱谐讨休敵鲚斎肭€不重合的現(xiàn)象。其數(shù)值用最大偏差或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分比表示

遲滯現(xiàn)象反應(yīng)了傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)和制造工藝上的缺陷，（如軸承摩擦，間隙，螺釘松動(dòng)，元件腐蝕及灰塵等）式中:ΔHmax——正反行程輸出值間的最大差值。三、重復(fù)性重復(fù)性指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變動(dòng)多次所得特性曲線的不一致性。重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差,常用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示,也可用正反行程中的最大偏差表示,即四、靈敏度與靈敏度誤差

傳感器的靈敏度指到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比非線性傳感器的靈敏度用表示其數(shù)值等于所對(duì)應(yīng)的最小二乘法擬合直線的斜率靈敏度誤差用相對(duì)誤差表示

五、分辨力與閾值分辨力是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量。分辨力可用絕對(duì)值表示，也可用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。數(shù)字式傳感器一般用分辨力為輸出的數(shù)字指示值最后一位數(shù)字。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值六、溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性又稱溫漂，表示溫度變化時(shí)傳感器輸出值的偏離程度，一般以溫度變化1℃輸出最大偏差與滿量程的百分比表示

八、抗干擾穩(wěn)定性這是指?jìng)鞲衅鲗?duì)外界干擾的抵抗能力。九、靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差是指?jìng)鞲衅髟谄淙砍虄?nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理淪輸出值的偏離程度。靜態(tài)誤差的求取方法是求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差當(dāng)用貝賽爾公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差σ時(shí)則有第二節(jié)傳感器的動(dòng)特性動(dòng)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。傳感器的動(dòng)特性取決于什么因素？

a.首先取決于傳感器本身

b.其次動(dòng)特性與被測(cè)量的變化形式有關(guān)

一、接觸式傳感器的動(dòng)特性接觸式傳感器是指進(jìn)行接觸測(cè)量的傳感器，一般用于幾何量測(cè)量中。

動(dòng)特性中輸出量與輸入量的關(guān)系不是一個(gè)定值，而是時(shí)間的函數(shù)。輸出量隨輸入量的頻率的變化而變化。表征傳感器動(dòng)特性輸入量與輸出量的關(guān)系方法是微分方程和傳遞函數(shù)。分析輸入信號(hào)為正弦信號(hào)和階躍信號(hào)時(shí)傳感器的動(dòng)特性。（一）臨界頻率1．無(wú)杠桿傳動(dòng)的接觸式傳感器的臨界頻率以在磨加工中使用無(wú)杠桿傳動(dòng)的電接觸式傳感器進(jìn)行主動(dòng)檢測(cè)為例說(shuō)明。

——運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)固有角頻率

——測(cè)桿位移量為零時(shí)的初始測(cè)力

——測(cè)桿質(zhì)量

——偏心量（被測(cè)尺寸變化幅度）2．基座存在振動(dòng)時(shí)的影響基座在振動(dòng)時(shí)降低了臨界頻率3.具有傳動(dòng)杠桿的接觸式傳感器的臨界頻率加大了杠桿的位移，有放大作用，精度高(二)穩(wěn)定時(shí)間和臨界速度穩(wěn)定時(shí)間概念的引入和臨界速度概念的引入1.采用抬頭機(jī)構(gòu)的情況2．強(qiáng)制送入測(cè)位的情況二、模擬式傳感器動(dòng)特性（一）先寫(xiě)出數(shù)學(xué)模型，再求其傳遞函數(shù)（二）頻率特性（三）過(guò)渡函數(shù)與穩(wěn)定時(shí)間（四）求給定輸入下的輸出第二章電阻式傳感器

電阻式傳感器的基本原理是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。第一節(jié)應(yīng)變式傳感器目前自動(dòng)測(cè)力或稱重中應(yīng)用最普遍的是應(yīng)變式傳感器，應(yīng)變式傳感器有下列優(yōu)點(diǎn)：

1.精確度，線性度好，靈敏度高

2.滯后和蠕變都較小，壽命高

3.容易與二次儀表相匹配實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)

4.結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，體積較小應(yīng)用靈活

5.工作穩(wěn)定和保養(yǎng)方便應(yīng)變式傳感器除可用于測(cè)量力參數(shù)外，還可用于測(cè)量加速度，振幅等其他物理量。

應(yīng)變式傳感器是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量輸出的一種傳感器。一、工作原理（一）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化。取一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)，截面積為S，電阻率為的金屬絲，未受力時(shí)其電阻R為（2-1）

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí),將伸長(zhǎng)ΔL,橫截面積相應(yīng)減小ΔS,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變?chǔ)う?故引起電阻值相對(duì)變化量為式中ΔL/L是長(zhǎng)度相對(duì)變化量,用應(yīng)變?chǔ)疟硎睛/S為圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量,即（2-2）（2-3）（2-5）由材料力學(xué)可知,在彈性范圍內(nèi),金屬絲受拉力時(shí),沿軸向伸長(zhǎng),沿徑向縮短,那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為式中:μ——電阻絲材料的泊松比,負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。（2-5）

將式（2-3）,式（2-5）代入式（2-2）,可得

或（2-6）（2-7）

通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為金屬電阻絲的靈敏度系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量,其表達(dá)式為（2-8）（2-9）因此靈敏度系數(shù)受兩個(gè)因素影響:

①受力后材料幾何尺寸的變化,即（1+2μ）;②受力后材料的電阻率發(fā)生的變化,即Δρ/ε。

用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，將其貼在被測(cè)對(duì)象表面上。當(dāng)被測(cè)對(duì)象受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，這是用來(lái)直接測(cè)量應(yīng)變。通過(guò)彈性敏感元件將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，則可用應(yīng)變片測(cè)量上述各量，而做成各種應(yīng)變式傳感器。(二)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

（1）敏感柵感受應(yīng)變，并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。（2）基底絕緣及傳遞應(yīng)變。測(cè)量是應(yīng)變片的基底提高粘結(jié)劑粘在試件上，要求基底準(zhǔn)確地把試件應(yīng)變傳遞給敏感柵。同時(shí)基片絕緣性能要好，否則應(yīng)變片微小電信號(hào)就要漏掉。由紙薄、膠質(zhì)膜等制成。（3）粘結(jié)劑敏感柵與基底、基底與試件、基底與覆蓋層之間的粘結(jié)。（4）覆蓋層保護(hù)作用。防濕、蝕、塵。（5）引線連接電阻絲與測(cè)量電路，輸出電參量。二、應(yīng)變片的類型和材料（一）應(yīng)變片的類型和材料1.金屬絲式應(yīng)變片回線式：橫向效應(yīng)較大短接式：克服橫向效應(yīng)金屬絲式應(yīng)變片材料要求2.金屬箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制版或光刻技術(shù)，制成各種需要的形狀。優(yōu)點(diǎn)：①可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵；②與被測(cè)件粘結(jié)面積大；②散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；④橫向效應(yīng)小；⑥蠕變和機(jī)械滯后小，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：電阻值的分散性大3.金屬薄膜應(yīng)變片

采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1微米以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最后再加上保護(hù)層。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大。存在問(wèn)題：溫度穩(wěn)定性差(二)應(yīng)變片的粘貼

應(yīng)變片是用粘合劑粘貼到被測(cè)件上的。粘合劑形成的膠層必須準(zhǔn)確迅速地將披測(cè)件應(yīng)變傳進(jìn)到敏感柵上。粘合劑的性能及粘貼工藝的質(zhì)量直接影響著應(yīng)變片的工作特性，如零漂、蠕變、滯后、靈敏系數(shù)，線性以及它們受溫度變化影響的程度。對(duì)粘合劑和粘貼工藝有嚴(yán)格要求三、金屬應(yīng)變片的主要特性(一)靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)變片的K值比單絲的K值要小，造成此現(xiàn)象原因是橫向效應(yīng)。還有粘結(jié)層傳遞變形失真。(二)橫向效應(yīng)將直的電阻絲繞成敏感柵之后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，其靈敏系數(shù)降低了。這種現(xiàn)象稱橫向效應(yīng)。1、定性分析當(dāng)將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上時(shí),由于其敏感柵是由n條長(zhǎng)度為l1的直線段和（n-1）個(gè)半徑為r的半圓組成,若該應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)變?chǔ)舩時(shí),則各直線段的電阻將增加,但在半圓弧段則受到從+εx到-μεx之間變化的應(yīng)變?？偟淖饔媒Y(jié)果：將直的電阻絲繞成敏感柵后,雖然長(zhǎng)度不變,應(yīng)變狀態(tài)相同,但圓弧段橫向收縮引起阻值減小量對(duì)軸向伸引起阻值增加量起著抵消作用。因而同樣應(yīng)變阻值變化減小，K值減小，此現(xiàn)象為橫向效應(yīng)。2.定量分析應(yīng)變片置于二維應(yīng)力場(chǎng)，即有，又有。

橫向效應(yīng)在圓弧段產(chǎn)生，消除圓弧段即可消除橫向效應(yīng)。為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，現(xiàn)在一般多采用箔式應(yīng)變片，其圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多，電阻值較小，因而電阻變化量也就小得多。(三)機(jī)械滯后、零漂和蠕變加載和卸裁特性曲線之間的最大差值稱為應(yīng)變片的滯后值。粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定沒(méi)有機(jī)械應(yīng)變的情況下，電阻值隨時(shí)問(wèn)變化的特性稱為應(yīng)變片的零漂。粘貼在試件上的應(yīng)變片，溫度保持恒定，在承受某一恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電電阻值隨時(shí)間變化而變化的特性稱為應(yīng)變片的蠕變。一般來(lái)說(shuō)，蠕變的方向與原應(yīng)變量變化的方向相反。(四)應(yīng)變極限和疲勞壽命應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料，基底和粘結(jié)劑的厚度不宜太大，并經(jīng)適當(dāng)?shù)墓袒幚?。?duì)于已安裝的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。（五）最大工作電流和絕緣電阻絕緣電阻是指應(yīng)變片的引線與被測(cè)件之間的電阻值。最大工作電流是指允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流。工作電流大，應(yīng)變片輸出信號(hào)大，靈敏度高，但過(guò)大的電流會(huì)把應(yīng)變片燒毀。（六）應(yīng)變片的電阻值電阻值大可加大應(yīng)變片承受電壓，因此輸出信號(hào)大，但敏感柵尺寸也增大。(六)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性電阻應(yīng)交片在測(cè)量頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)考慮其動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)應(yīng)變是以應(yīng)變波的形式在試件中傳播的，它的傳播速度與聲波相同。

電路的作用：將電阻的變化量轉(zhuǎn)換為電壓輸出。通常采用直流電橋和交流電橋。

一、直流電橋

1.直流電橋工作原理

四、轉(zhuǎn)換電路直流電橋電路如圖所示，它的四個(gè)橋臂由電阻組成AC端接直流電壓UBD端輸出電壓一般情況橋路應(yīng)接成等臂電橋,輸出為零。這樣無(wú)論哪個(gè)橋臂上受到外來(lái)信號(hào)作用后，橋路都將失去平衡，就會(huì)有信號(hào)輸出。電橋輸出端接入輸入阻抗很高的指示儀表或放大器時(shí)，可認(rèn)為電橋負(fù)載為無(wú)窮大，電橋輸出端相當(dāng)于開(kāi)路，只能輸出電壓信號(hào)，稱為電壓輸出。此時(shí)，橋路的電流為：AB之間和CD之間的電位差分別為：空載輸出當(dāng)電橋平衡時(shí),Uo=0,則有

R1R4=R2R3

或電橋平衡條件：相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等,或相對(duì)兩臂電阻的乘積相等。電橋接入的是電阻應(yīng)變片時(shí)，即為應(yīng)變橋。當(dāng)一個(gè)橋臂、兩個(gè)橋臂乃至四個(gè)橋臂接入應(yīng)變片時(shí)，相應(yīng)的電橋?yàn)閱伪蹣?、半橋和全臂橋?．不平衡直流電橋的工作原理及電壓靈敏度

當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，放大器的輸入阻抗很高，比電橋輸出電阻大很多，可把電橋輸出端看成開(kāi)路。R1為電阻應(yīng)變片，RL→

∞。

設(shè)橋臂比n=R2/R1,分母中ΔR1/R1可忽略。由電橋平衡條件R2/R1=R4/R3。

電橋電壓靈敏度定義為

提高靈敏度的措施①提高供電電源的電壓U（在功耗允許的范圍內(nèi)）②n=1R1=R2=R3=R4由dKU/dn=0求KU的最大值,得

n=1時(shí),KU為最大值。當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí),電橋電壓靈敏度最高,此時(shí)有

得出單臂電橋電橋輸出為直流電橋的優(yōu)點(diǎn)：高穩(wěn)定度直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡(jiǎn)單，傳感器及測(cè)量電路分布參數(shù)影響小等。

（二）電橋的非線性誤差單臂橋?qū)嶋H輸出為：非線性誤差為對(duì)于對(duì)稱電橋，n=1（1）采用差動(dòng)電橋減小非線性誤差試件上安裝兩個(gè)應(yīng)變片，R1

受拉，R2受壓。接入電橋相鄰橋臂,則電橋輸出電壓為

對(duì)于一般應(yīng)變片來(lái)說(shuō),所受應(yīng)變?chǔ)磐ǔＴ?×10-3

以下,若取KU=2,則ΔR1/R1=KUε=0.01,代入式（3-38）計(jì)算得非線性誤差為0.5%;若KU=130,ε=1×１0-3時(shí),ΔR1/R1=0.130,則得到非線性誤差為6%,故當(dāng)非線性誤差不能滿足測(cè)量要求時(shí),必須予以消除。如果ΔR1=ΔR2,R1=R2,R3=R4,則得結(jié)論：差動(dòng)電橋消除了非線性誤差，靈敏度比單臂電橋提高了一倍。且具有溫度補(bǔ)償作用。全橋差動(dòng)電路：R1R4受拉應(yīng)變,R2R3兩個(gè)受壓應(yīng)變,將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上

結(jié)論：全橋電路電壓靈敏度為單臂橋的4倍，消除了非線性誤差，且具有溫度補(bǔ)償作用。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4,且R1=R2=R3=R4,則(2)采用恒流源電橋減小非線性誤差(二)交流電橋當(dāng)被測(cè)量為動(dòng)態(tài)量時(shí)，應(yīng)變電橋采用交流電橋。由于供橋電源為交流電源,引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性,相當(dāng)于二只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容,則每一橋臂上復(fù)阻抗分別為

要滿足電橋平衡條件,即U0=0,則有

Z1Z4=Z2Z3

將Z1

、Z4

、Z2、

Z3值代入得

整理上式得交流電橋的平衡條件為結(jié)論：交流電橋除了要滿足電阻平衡條件外,還必須滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設(shè)有電阻平衡調(diào)節(jié)外還設(shè)有電容平衡調(diào)節(jié)。當(dāng)被測(cè)應(yīng)力變化引起Z1=Z0+ΔZ,Z2=Z0ΔZ變化時(shí),則電橋輸出為：交流電橋平衡調(diào)節(jié)五、溫度誤差及其補(bǔ)償(一)溫度誤差：由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來(lái)的附加誤差,稱為應(yīng)變片的溫度誤差。①環(huán)境溫度變化時(shí)，敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示式中:αt——金屬絲的電阻溫度系數(shù);Δt—溫度變化值,Δt＝t－t0。當(dāng)溫度變化Δt時(shí)②環(huán)境溫度變化時(shí)，試件材料的線膨脹引起的誤差——應(yīng)變片靈敏系數(shù)——試件膨脹系數(shù)——應(yīng)變片敏感柵材料的膨脹系數(shù)因此，由于溫度變化形成總的電阻相對(duì)變化為(二)溫度補(bǔ)償通常補(bǔ)償溫度誤差的方法有的自償法和線路補(bǔ)償法1．自補(bǔ)償法(1)單絲自補(bǔ)償法：用熱處理的方法調(diào)整柵絲的溫度系數(shù)

要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償,必須有

電阻絲材料與被測(cè)材料配合恰當(dāng)，基本滿足上式。(2)組合式補(bǔ)償償法應(yīng)變片敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成。組合式補(bǔ)償應(yīng)變片的另一種形式：二種串接的電阻絲具有相同符號(hào)的溫度系數(shù)，滿足以下條件由此可求得2.線路補(bǔ)償法①常用的最好的補(bǔ)償方法是電橋補(bǔ)償法。補(bǔ)償原理：橋路相臨兩臂增加相同電阻，對(duì)電橋輸出無(wú)影響。電橋輸出電壓Uo與橋臂參數(shù)的關(guān)系為Uo=A（R1R4－RBR3)

式中:A——由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。R1—工作應(yīng)變片；RB—補(bǔ)償應(yīng)變片

溫度補(bǔ)償條件：①R3=R4。

②R1與RB為特性一致的應(yīng)變片。R1為工作應(yīng)變片，RB為補(bǔ)償應(yīng)變片它們處于同一溫度場(chǎng)，且僅工作應(yīng)變片R1承受應(yīng)變。補(bǔ)償過(guò)程：當(dāng)溫度升高或降低Δt=t－t0時(shí),工作應(yīng)變片由R1變?yōu)镽1+ΔR1t，補(bǔ)償應(yīng)變片由RB變?yōu)镽B+ΔRBt。且ΔR1t=ΔRBt。

此時(shí)電橋輸出為Uo=A［（R1+ΔR1t）R4－

(RB+ΔRBt)R3］=0

若此時(shí)被測(cè)試件有應(yīng)變?chǔ)诺淖饔?則工作應(yīng)變片電阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε,而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變,故不產(chǎn)生新的增量,此時(shí)電橋輸出電壓為

Uo=AR1R4KεUo與ε成單值函數(shù)關(guān)系。②差動(dòng)電橋補(bǔ)償法測(cè)量梁的彎曲應(yīng)變時(shí)，將兩個(gè)應(yīng)變片分貼于上下兩面對(duì)稱位置，特性相同，所以二電阻變化值相同而符號(hào)相反。但按圖接入電橋，因而電橋輸出電壓比單片時(shí)增加1倍。當(dāng)梁上下面溫度一致時(shí)，可起溫度補(bǔ)償作用。③熱敏電阻補(bǔ)償法熱敏電阻Rt與應(yīng)交片處在相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而下降時(shí)，熱敏電阻的阻值下降，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電壓。選則分流電阻的值可以使應(yīng)變片靈敏度下降對(duì)電橋輸出的影響得到很好的補(bǔ)償。六、應(yīng)變式傳感器舉例

（一）應(yīng)變式力傳感器

1.柱（筒）式力傳感器圖所示為柱式、筒式力傳感器,貼片在圓柱面上的位置及在橋路中的連接如圖（c）、（d）所示。縱向和橫向各貼四片應(yīng)變片，縱向?qū)ΨQ的R1和R3串接,R2和R4串接,橫向的R5和R7串接,R6和R8串接,并置于橋路對(duì)臂上以減小偏心載荷及彎矩的影響,橫向貼片作溫度補(bǔ)償用。橋路輸出電壓2.薄壁圓環(huán)式力傳感器

所示為環(huán)式力傳感器結(jié)構(gòu)圖及應(yīng)力分布圖。A處應(yīng)力為負(fù)，B處為正。對(duì)R/h>5的小曲率圓環(huán),A、B兩點(diǎn)處的應(yīng)變?yōu)?/p>

h——圓環(huán)厚度;b——圓環(huán)寬度;E——材料彈性模量。若A處內(nèi)外環(huán)對(duì)稱貼兩片應(yīng)變片，B處受拉或壓應(yīng)力將應(yīng)變片接于電橋電路。輸出電壓為3．梁式力傳感器4．輪輻式力傳感器（二）應(yīng)變式壓力傳感器

1.膜片式壓力傳感器,應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁,在壓力p作用下,距離圓心x處膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變?chǔ)舝和切向應(yīng)變?chǔ)舤,

表達(dá)式分別為:

p——膜片上均勻分布的壓力;R,h——膜片的半徑和厚度;x——離圓心的徑向距離。

膜片彈性元件承受壓力p時(shí),其應(yīng)變變化曲線的特點(diǎn)為:

在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個(gè)應(yīng)變片,在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個(gè)應(yīng)變片,然后接成全橋測(cè)量電路。輸出電壓為：2．筒式壓力傳感器3．組合式壓力傳感器

（三）應(yīng)變式加速度傳感器

測(cè)量時(shí),將傳感器殼體與被測(cè)對(duì)象剛性連接。

應(yīng)變片加速度傳感器不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊,一般適用頻率為10～60Hz范圍。第二節(jié)壓阻式傳感器壓阻效應(yīng)：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。半導(dǎo)體壓阻式傳感器的分類：①粘貼式應(yīng)變片②擴(kuò)散硅型壓阻傳感器特點(diǎn)：靈敏系數(shù)大，分辨率高，頻率影響高，體積小。主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷等一、半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及工作原理1、半導(dǎo)體應(yīng)變片的制作與結(jié)構(gòu)制作材料用單晶硅、鍺。P型單晶硅結(jié)構(gòu)如圖。在直角坐標(biāo)系中它有許多晶軸方向，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沿不同晶軸方向壓阻系數(shù)相差很大（電阻率變化相差很大）。2、工作原理壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體沿某一軸向受到應(yīng)力而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其電阻率發(fā)生變化，此現(xiàn)象為壓阻效應(yīng)。一、基本工作原理半導(dǎo)體電阻率的變化為：半導(dǎo)體電阻材料有結(jié)晶的硅和鍺，摻入雜質(zhì)形成P型和N型半導(dǎo)體。當(dāng)硅膜比較薄時(shí)，在應(yīng)力作用下的電阻相對(duì)變化為：二、溫度誤差及其補(bǔ)償

壓阻式傳感器受到溫度影響后，要產(chǎn)生零位漂移和靈敏度漂移，因而會(huì)產(chǎn)生溫度誤差。

傳感器靈敏度的溫漂是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起的。當(dāng)溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)變小，傳感器的靈敏度要降低，反之靈敏度升高。零位溫漂一般可用串、并聯(lián)電阻的方法進(jìn)行補(bǔ)償。三、壓阻式傳感器舉例(一)半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器常用硅、鍺等材料作成單根狀的敏感柵，其使用方法與金屬應(yīng)變片相同。因?yàn)榘雽?dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)很大，可測(cè)微小應(yīng)變。此外，尺寸小、橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后也小。主要缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差和測(cè)量較大應(yīng)交時(shí)非線性嚴(yán)重，必須采取補(bǔ)償措施。此外，靈敏系數(shù)隨拉伸或壓縮而變，且分散性大。(二)壓阻式壓力傳感器在一塊圓形的單晶硅膜片上,布置四個(gè)擴(kuò)散電阻,組成一個(gè)全橋測(cè)量電路。膜片用一個(gè)圓形硅杯固定,將兩個(gè)氣腔隔開(kāi)。一端接被測(cè)壓力,另一端接參考?jí)毫?。?dāng)存在壓差時(shí),膜片產(chǎn)生變形,使兩對(duì)電阻的阻值發(fā)生變化,電橋失去平衡,其輸出電壓反映膜片承受的壓差的大小。

壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好,靈敏度高,能測(cè)出十幾帕斯卡的微壓,它是一種比較理想,目前發(fā)展和應(yīng)用較為迅速的一種壓力傳感器。這種傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響,從而影響壓阻系數(shù)的大小?，F(xiàn)在出現(xiàn)的智能壓阻壓力傳感器利用微處理器對(duì)非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償,它利用大規(guī)模集成電路技術(shù),將傳感器與計(jì)算機(jī)集成在同一塊硅片上,兼有信號(hào)檢測(cè)、處理、記憶等功能,從而大大提高傳感器的穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度。(三)壓阻式加速度傳感器恰當(dāng)?shù)剡x擇傳感器尺寸及阻尼率，用以測(cè)量低頻加速度和直線加速度。第三章電感式傳感器種類

自感式、互感式和電渦流式三種傳感器。定義

利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變化,再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出,這種裝置稱為電感式傳感器。電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,測(cè)量精度高,零點(diǎn)穩(wěn)定,輸出功率較大等一系列優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約,傳感器自身頻率響應(yīng)低,不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制,在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用。第一節(jié)工作原理

一、自感式傳感器工作原理1線圈自感線圈匝數(shù)磁路總磁阻對(duì)于變隙式傳感器,因?yàn)闅庀逗苄?所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損,則磁路總磁阻為

式中:——

各段導(dǎo)磁體的長(zhǎng)度;μi——各段導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率;Si——鐵芯材料的截面積;δ——?dú)庀兜暮穸?/p>

μ0——空氣的導(dǎo)磁率;S——空氣隙的截面積;可得鐵心的結(jié)構(gòu)和材料確定后，上式分母第一項(xiàng)為常數(shù)，此時(shí)，自感是氣隙厚度和氣隙截面積的函數(shù)。自感傳感器分為三種類型：變間隙式、變面積式和螺管式。（螺管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵插入深度不同而變化的基礎(chǔ)上）

二、互感式傳感器（差動(dòng)變壓器式傳感器）工作原理

把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的,并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接,故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多,有變隙式、變面積式和螺線管式等,但其工作原理基本一樣。非電量測(cè)量中,應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器,它可以測(cè)量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移,并具有測(cè)量精度高,靈敏度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。原理傳感器工作時(shí)，被測(cè)量的變化將使磁心產(chǎn)生位移，引起磁鏈和互感系數(shù)的變化，最終使輸出電壓變化。輸出電壓：輸出電壓有效值第二節(jié)電感計(jì)算及特性分析（一）自感計(jì)算及特性分析1.氣隙型自感傳感器它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成,在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為δ,傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。自感傳感器自感值為為折合氣隙氣隙型自感傳感器輸出特性特性分析

設(shè)傳感器初始?xì)庀稙?初始電感量為,銜鐵位移引起的氣隙變化量為Δδ,初始電感量為：

（1）當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí),傳感器氣隙減小Δδ,

即δ=δ0－Δδ,則此時(shí)輸出電感為L(zhǎng)=L0+ΔL,

當(dāng)Δδ/δ﹤﹤1時(shí),可將上式用臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)成級(jí)數(shù)形式為

忽略高次項(xiàng),可得

（2）當(dāng)銜鐵下移Δδ時(shí),傳感器氣隙增大Δδ,即δ=δ0＋Δδ,則此時(shí)輸出電感為L(zhǎng)=L0－ΔL。

忽略高次項(xiàng),可得

靈敏度

氣隙型自感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾,所以變隙式電感式傳感器用于測(cè)量微小位移時(shí)是比較精確的。為了減小非線性誤差,提高靈敏度，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變氣隙式電感傳感器。

2、差動(dòng)自感傳感器差動(dòng)式的與單線圈的相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：①線性好；②靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)輸出信號(hào)大一倍；③溫度變化、電源被動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，由于能相互抵消而減小，④電磁吸力對(duì)測(cè)力變化的影響也由于能相互抵消而減小。（1）結(jié)構(gòu)差動(dòng)氣隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路組成,測(cè)量時(shí),銜鐵通過(guò)導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連,當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí),導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng),使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等,方向相反的變化,導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加,另一個(gè)線圈的電感量減小,形成差動(dòng)形式。氣隙型差動(dòng)傳感器截面型差動(dòng)傳感器差動(dòng)電感傳感器原理圖（2）原理兩個(gè)電感線圈分別接在交流電橋相臨橋臂上，另外兩個(gè)橋臂為變壓器副邊。變壓器原邊加激勵(lì)e1，副邊感應(yīng)電壓為e21、

e22。此電路輸入輸出為交流電，只能判斷位移大小，無(wú)法判斷位移方向，若能辨向需加相敏整流電路。（3）差動(dòng)電感傳感器靈敏度結(jié)論：差動(dòng)式為簡(jiǎn)單式電感傳感器靈敏度的2倍。3、差動(dòng)螺管型自感傳感器兩線圈裝在圓筒形鐵心(又稱磁筒)2中，上下兩端各有圓蓋1和4，線圈中置入圓柱形銜鐵(又稱磁芯)3。工作時(shí)磁芯將改變它在線圈中的上下位置，也就改變了線圈的自感量。三種類型比較：氣隙型自感傳感器靈敏度高，它的主要缺點(diǎn)是：非線性嚴(yán)重，為了限制線性誤差，示值范圍只能較??；它的自由行程小，因?yàn)殂曡F在運(yùn)動(dòng)方向上受鐵心限制，制造裝配困難。截面型自感傳感器靈敏度較低，截面型的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的線性，因而示但范圍可取大些。螺管型自感傳感器的靈敏度比截而型的更低，但示值范圍大，線性也較好，得到廣泛應(yīng)用。（二）互感計(jì)算及特性分析差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多,有變隙式、變面積式和螺線管式等,但其工作原理基本一樣。差動(dòng)變壓器線圈的各種排列形式

一次線圈加交流激勵(lì)，兩個(gè)二次線圈對(duì)稱差動(dòng)連接。被測(cè)量帶動(dòng)銜鐵上下移動(dòng)。它由初級(jí)線圈,兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。

差動(dòng)變壓器為開(kāi)磁路，一次與二次線圈之間的互感隨著銜鐵的位移而變化。差動(dòng)變壓器等效電路圖特性分析

根據(jù)差動(dòng)變壓器等效電路，當(dāng)次級(jí)開(kāi)路時(shí)一次線圈

二次線圈由于互感產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)為空載輸出電壓為輸出電壓的有效值為(1)活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)

M1=M2=MU2=0(2)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)M1=M+ΔMM2=M－ΔM下面分三種情況進(jìn)行分析。(3)活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)M1=M－MM2=M+ΔM第三節(jié)轉(zhuǎn)換電路和傳感器的靈敏度傳感器實(shí)現(xiàn)了把被測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)樽愿泻突ジ辛康淖兓?，如何將電感值隨外作用的變化轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)，這是本節(jié)研究的內(nèi)容。原則上講可將自感的變化轉(zhuǎn)換成電壓（電流）的幅值、頻率、相位的變化，他們分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。如何將電感值隨外作用的變化轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)，這是本節(jié)研究的內(nèi)容。

差動(dòng)變壓器的三種轉(zhuǎn)換電路

1.變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋測(cè)量電路如圖所示,電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗,另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)截阻抗為無(wú)窮大時(shí),橋路輸出電壓

當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置,即Z1=Z2=Z時(shí)有=0,電橋平衡。當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí),即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此時(shí)

當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí),則Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ此時(shí)從以上兩式可知,銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí),輸出電壓的大小相等,但方向相反,由于是交流電壓,輸出指示無(wú)法判斷位移方向,必須配合相敏檢波電路來(lái)解決。傳感器線圈的阻抗變化為損耗電阻變化及感抗變化兩部分。因?yàn)槿∪⒎执牒雎詣t若設(shè)計(jì)成則2.諧振式測(cè)量電路定頻調(diào)幅電路

在調(diào)幅電路中,傳感器電感L與電容C,變壓器原邊串聯(lián)在一起,接入交流電源,變壓器副邊將有電壓輸出,輸出電壓的頻率與電源頻率相同,而幅值隨著電感L而變化,圖（b）所示為輸出電壓與電感L的關(guān)系曲線,其中L0為諧振點(diǎn)的電感值,串聯(lián)諧振時(shí)，LC輸出阻抗最小，輸出電壓最大。此電路靈敏度很高,但線性差,適用于線性要求不高的場(chǎng)合。被測(cè)量引起電感變化，回路失諧，LC阻抗增大，變壓器副邊輸出電壓減小。諧振式調(diào)頻電路調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率的變化。

一般是把傳感器電感L和電容C接入一個(gè)振蕩回路中,其振蕩頻率f=1/［2π（LC）/2］。當(dāng)L變化時(shí),振蕩頻率隨之變化,根據(jù)f的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。圖（b）表示f與L的特性,它具有明顯的非線性關(guān)系。對(duì)f求導(dǎo)調(diào)頻電路只有在f較大的情況下才能達(dá)到較高的精度。調(diào)相電路的基本原理是傳感器電感變化將引起輸出電壓相位變化調(diào)相電路上圖為相位電橋，一臂為傳感器L，另一臂為固定電阻R，電感線圈與固定電阻上壓降是兩個(gè)相互垂直的向量當(dāng)電感L變化時(shí)，輸出電壓幅值不變，相位角隨之變化。與L的關(guān)系為：

為電源角頻率當(dāng)L有了微小變化，輸出電壓相位變化為

差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓,只能反映銜鐵位移的大小,而不能反映移動(dòng)方向。另外,其測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電壓的目的,實(shí)際測(cè)量時(shí),常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。例：圖為差動(dòng)變壓器的相敏檢波電路，R1＝R2若銜鐵移動(dòng)。（1）

試分析電路的辨向過(guò)程。（2）說(shuō)明電路的作用。B、銜鐵上移A、銜鐵處于中間位置Z2＞Z1Ui正半周，A正B負(fù)，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。由于Z2＞Z1流過(guò)R1的電流大于流過(guò)R2的電流，C點(diǎn)電位高于D點(diǎn)電位，U0＞0。Ui負(fù)半周，A負(fù)B正，D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止。由于Z2＞Z1流過(guò)R1的電流小于流過(guò)R2的電流，C點(diǎn)電位高于D點(diǎn)電位，U0＞0。無(wú)論Ui為正為負(fù)，只要銜鐵下移，輸出電壓為正。達(dá)到辨相目的。

C、銜鐵下移（2）電路作用：辨別銜鐵位移的方向和大小。U0的大小反映位移的大小，U0的極性反映位移的方向。消除零點(diǎn)殘余電壓使x=0時(shí)，U0=0。

以調(diào)幅電路為例討論自感傳感器的靈敏度自感傳感器的靈敏度是指?jìng)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)(測(cè)頭)和轉(zhuǎn)換電路綜合在一起的總靈敏度。傳感器結(jié)構(gòu)的靈敏度定義為電感值相對(duì)變化與引起這一變化的銜鐵位移之比，轉(zhuǎn)換電路的靈敏度定義為空載輸出電壓與電感相對(duì)變化之比，即總靈敏度為：假定采用了氣隙型傳感器則采用變壓器電橋轉(zhuǎn)換電路可得總靈敏度為

可見(jiàn)傳感器總靈敏度是三項(xiàng)的乘積，第一項(xiàng)決定于傳感器的類型，第二項(xiàng)決定于轉(zhuǎn)換電路的形式，第三項(xiàng)決定于供電電壓的大小。傳感器類型和轉(zhuǎn)換電路不同，靈敏度表達(dá)式也就不同。供電電壓u要求穩(wěn)定，因?yàn)樗鼘⒅苯有雾憘鞲衅鬏敵鲂盘?hào)的穩(wěn)定。差動(dòng)變壓器的轉(zhuǎn)換電路1.反串電路：直接把兩個(gè)次級(jí)線圈反向串接，空載輸出電壓為兩個(gè)次級(jí)線圈的電動(dòng)勢(shì)之差。2.橋路轉(zhuǎn)換電路是橋臂電阻，RP為調(diào)零電位器，設(shè)相等，輸出電壓：優(yōu)點(diǎn)：利用RP調(diào)零，不需另外配置調(diào)零電路第四節(jié)零點(diǎn)殘余電壓

我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓

,它的存在使傳感器的輸出特性不過(guò)零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。零殘電壓的波形及組成：由基波和高次諧波組成造成零殘電壓的原因：兩電感線圈的等效參數(shù)不對(duì)稱零殘電壓減小零殘電壓措施：1.在設(shè)計(jì)和制造上采取相應(yīng)措施：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使上、下磁路對(duì)稱；制造時(shí)應(yīng)使上、下磁性材料特性一致；匝間電容，其值較小2.電路補(bǔ)償：加串連電阻；加并聯(lián)電阻；加并聯(lián)電容；加反饋繞組或反饋電容零殘電壓調(diào)整方法補(bǔ)償零殘電壓的電路第五節(jié)應(yīng)用舉例

差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于位移測(cè)量,也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量,如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。差動(dòng)變壓器式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它由懸臂梁1和差動(dòng)變壓器2構(gòu)成。測(cè)量時(shí),將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固定,而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連。當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以Δx(t)振動(dòng)時(shí),導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。壓力傳感器差動(dòng)變壓器式加速度傳感器由懸臂梁1和差動(dòng)變壓器2構(gòu)成。測(cè)量時(shí),將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固定,而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連。當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以Δx(t)振動(dòng)時(shí),導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。

一、工作原理

線圈的阻抗變化與渦流效應(yīng)的強(qiáng)弱有關(guān)，即與金屬導(dǎo)體的電阻率，磁導(dǎo)率，線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離，激磁電流和電流角頻率以及線圈的尺寸參數(shù)有關(guān)。

第七節(jié)電渦流式傳感器

傳感器線圈和被測(cè)導(dǎo)體組成線圈—導(dǎo)體系統(tǒng)，工作時(shí)線圈的電感和電阻均發(fā)生變化，進(jìn)而使有效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。渦流存在的條件：①存在交變磁場(chǎng)②導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中

應(yīng)用：對(duì)位移、厚度、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量。

線圈與導(dǎo)體之間的互感隨著兩者的靠近而增大。線圈兩端加激勵(lì)電壓，根據(jù)KVL定律，分列線圈和導(dǎo)體的回路方程如下。二、等效電路分析式中:ω——線圈激磁電流角頻率;R1、L1——線圈電阻和電感;L2——短路環(huán)等效電感;R2——短路環(huán)等效電阻。由的表達(dá)式可知線圈受金屬導(dǎo)體影響后的等效阻抗為可見(jiàn)：有導(dǎo)體影響后，線圈阻抗的實(shí)數(shù)部分等效電阻增加；而虛數(shù)部分等效電感減小，這樣使線圈阻抗發(fā)生了改變，這種作用稱為反射阻抗作用。因此，電渦流傳感器的工作原理，實(shí)質(zhì)上是由于受到交變磁場(chǎng)作用的導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流起到調(diào)節(jié)原來(lái)阻抗作用的結(jié)果。為了同時(shí)研究阻抗實(shí)、虛兩部分的作用,常用品質(zhì)因數(shù)來(lái)表示。根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的定義，線圈受被測(cè)金屬體影響后的值為:為無(wú)渦流影響時(shí)線圈的Q值為金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流的圓環(huán)部分的阻抗

被測(cè)參數(shù)變化，引起線圈阻抗Z、電感L、和線圈Q值的變化。選用不同轉(zhuǎn)換電路將Z、L、Q轉(zhuǎn)換成電量，達(dá)到測(cè)量目的。傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為

如果保持大部分參數(shù)不變,Z成為X的單值函數(shù)，由Z可知X，因此可以做成渦流式位移傳感器。

三、參數(shù)計(jì)算與分析1.渦流損耗功率：金屬導(dǎo)體具有電阻，有渦流流通時(shí)便會(huì)消耗一部分電磁能量。渦流引起的能量損耗，稱為渦流損耗，其大小用渦流損耗功率表示。取一個(gè)渦流回路單元來(lái)分析渦流損耗功率回路單元電阻渦流回路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值感應(yīng)電動(dòng)式

因?yàn)榇肷鲜降茫海?－81）因此渦流回路處感應(yīng)電勢(shì)有效值為

把

和E代入（3－81）得

由上式可知，電渦流損耗功率的大小與工作頻率，磁感應(yīng)強(qiáng)度，電阻率和電渦流的形成范圍有關(guān)。工作頻率應(yīng)選大些，這樣雖然渦流損耗功率大，但渦流效應(yīng)強(qiáng)，位移測(cè)量靈敏度高。

2．線圈軸上磁感應(yīng)強(qiáng)度圓環(huán)形單匝載流導(dǎo)線在軸上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度通過(guò)截面dxdy的電流為N---線圈匝數(shù)r1,r2,b---線圈外、內(nèi)徑半徑和厚度該電流在軸上距線圈端面x處(即坐標(biāo)原點(diǎn))所產(chǎn)生的磁感應(yīng)由度為:整個(gè)線圈在此處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為特性曲線3．渦流分布渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)，在徑向也只在一個(gè)有限的范圍內(nèi)存在渦流，所以實(shí)際上存在一個(gè)渦流區(qū)。渦流密度的徑向和軸向分布由于趨膚效應(yīng),電渦流沿金屬導(dǎo)體縱向的H1分布是不均勻的,其分布按指數(shù)規(guī)律衰減,可用下式表示：

式中:z——金屬導(dǎo)體中某一點(diǎn)至表面的距離;Jz——沿H1軸向d處的電渦流密度;J0——金屬導(dǎo)體表面電渦流密度,即電渦流密度最大值;h——電渦流軸向貫穿深度（趨膚深度）。

電渦流傳感器的測(cè)量電路

電渦流傳感器測(cè)量的基本原理是當(dāng)傳感器的線圈與被測(cè)體之間的距離發(fā)生變化時(shí)，將引起線圈的等效阻抗變化，也是、、都是位移的單值函數(shù)。因此，測(cè)量電路的任務(wù)就將、和轉(zhuǎn)換為有用的電壓或電流的變化。相應(yīng)地將有三種測(cè)量電路：阻抗測(cè)量電路、值測(cè)量電路、電感測(cè)量電路。

阻抗測(cè)量電路（值測(cè)試法）

當(dāng)位移發(fā)生變化時(shí)，直接檢測(cè)線圈的阻抗值的變化。通常采用電橋法測(cè)量

振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過(guò)功率放大器放大后送給交流電橋，當(dāng)位移發(fā)生變化時(shí)，將使線圈阻抗變化，從而破壞電橋平衡，電橋不平衡電壓信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)放大、檢波以后，其輸出信號(hào)就反映了被測(cè)量的變化。

調(diào)幅測(cè)試電路（Q值測(cè)試法）將傳感器線圈接入電容三點(diǎn)式振蕩器的振蕩回路中，在無(wú)被測(cè)體時(shí)，設(shè)回路諧振頻率為，此時(shí)輸出電壓即為諧振電壓。當(dāng)被測(cè)體接近傳感線圈時(shí)，線圈的阻抗隨之變化，不但振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，其振蕩幅度也發(fā)生變化，即諧振曲線不但向兩邊移，而且變得平坦，此時(shí)振蕩器輸出的頻率和幅值都發(fā)生了變化，我們?nèi)∑漭敵鲭妷簽檩敵?，它直接反映了值的變化，也就反映了位移量的變化?/p>

值測(cè)試法諧振曲線

調(diào)頻測(cè)試電路(電感法)

將傳感線圈接入振蕩回路，當(dāng)位移變化時(shí)，傳感線圈的相應(yīng)地也發(fā)生變化，從而引起振蕩器振蕩頻率的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行解調(diào)，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。但由于頻率與位移之間的非線性特性，還需加線性化器矯正其非線性特性。該測(cè)量電路在減小溫度對(duì)靈敏度的影響上明顯優(yōu)于值測(cè)試法和值測(cè)試法。

調(diào)頻法特性曲線

電渦流傳感器的設(shè)計(jì)

探頭的設(shè)計(jì)

1—線圈12—線圈23—框架4—支架5—電纜6—插頭

振蕩器的設(shè)計(jì)

TTL集成振蕩器

頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

鎖相環(huán)路

鎖相環(huán)由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和電壓控制振蕩器（VCO）三個(gè)基本部件組成，實(shí)現(xiàn)頻率-電壓轉(zhuǎn)換。

低頻透射式渦流厚度傳感器渦流傳感器應(yīng)用實(shí)例高頻反射式渦流厚度傳感器在帶材的上、下兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)置了兩個(gè)特性完全相同的渦流傳感器S1、S2

。S1、S2與被測(cè)帶材表面之間的距離分別為x1和x2。x1和x2由渦流傳感器測(cè)出，經(jīng)調(diào)理電路變?yōu)閷?duì)應(yīng)的電壓值，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器，變?yōu)閿?shù)字量，送入單片機(jī)。單片機(jī)分別算出x1和x2值，然后由公式d=D－(x1+x2)計(jì)算出板厚。D值由鍵盤(pán)設(shè)定。板厚值送顯示器顯示。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器

在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽,在距輸入表面d0

處設(shè)置電渦流傳感器,輸入軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連。當(dāng)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，電渦流傳感器便周期地輸出電信號(hào)，此電壓脈沖信號(hào)經(jīng)放大、整形，用頻率計(jì)測(cè)出頻率，由公式計(jì)算出軸的轉(zhuǎn)速。

習(xí)題1.說(shuō)明氣隙式差動(dòng)電感傳感器的主要組成，工作原理和基本特性。2．差動(dòng)變壓器式傳感器有幾種結(jié)構(gòu)形式?各有什么特點(diǎn)?3．差動(dòng)變壓器式傳感器的等效電路包括哪些元件和參數(shù)?各自的含義是什么?4．差動(dòng)變壓器式傳感器的零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么?怎樣減小和消除它的影響?5．何謂渦流效應(yīng)?怎樣利用渦流效應(yīng)進(jìn)行位移測(cè)量?6.圖為差動(dòng)變壓器的相敏檢波電路，若銜鐵下移。（1）

試分析電路的辨向過(guò)程。（2）說(shuō)明電路的作用。

(1)銜鐵下移。互感M2＞M1

，Z2＞Z1

。

Ui正半周，A正B負(fù)，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。由于Z2＞Z1流過(guò)R1的電流大于流過(guò)R2的電流，C點(diǎn)電位高于D點(diǎn)電位，U0＞0。Ui負(fù)半周，A負(fù)B正，D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止。由于Z2＞Z1流過(guò)R1的電流小于流過(guò)R2的電流，C點(diǎn)電位高于D點(diǎn)電位，U0＞0。無(wú)論Ui為正為負(fù)，只要銜鐵下移，輸出電壓為正。達(dá)到辨相目的。

（2）電路作用：辨別銜鐵位移的方向和大小。消除零點(diǎn)殘余電壓。

第八節(jié)壓磁式傳感器一、壓磁效應(yīng)鐵磁材料在外力的作用下，引起內(nèi)部發(fā)生形變，產(chǎn)生應(yīng)力，使各磁疇之間的界限發(fā)生移動(dòng)，使磁疇磁化強(qiáng)度矢量轉(zhuǎn)動(dòng)，從而也使材料的磁化強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)的變化。這種應(yīng)力使鐵磁材料的磁性質(zhì)變化的現(xiàn)象，稱為壓磁效應(yīng)。鐵磁材料的壓磁效應(yīng)的具體內(nèi)容為：①材料受到壓力時(shí)，磁導(dǎo)率發(fā)生變化②作用力取消后，磁導(dǎo)率復(fù)原③鐵磁材料的壓磁效應(yīng)還與外磁場(chǎng)有關(guān)結(jié)構(gòu)舉例由壓磁元件1、彈性支架2、傳力鋼球3組成二、工作原理

鐵磁材料在受外力時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，引起磁導(dǎo)率變化。當(dāng)鐵磁材料上繞有線圈時(shí)，將引起線圈阻抗變化。當(dāng)鐵磁材料上同時(shí)繞有激勵(lì)繞組和輸出繞組時(shí)，磁導(dǎo)率的變化將導(dǎo)致繞組間耦合系數(shù)變化從而使輸出電勢(shì)變化。這樣就把作用力變換成電量輸出。壓磁式傳感器工作原理三、壓磁元件

壓磁式傳感器的核心部分是壓磁元件，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)力／電變換元件。(一)材料壓磁元件可采用硅鋼片、坡莫合金和一些鐵氧體。(二)沖片形狀

為了減小渦流損耗，壓磁元件的鐵心大都采用簿片的鐵磁材料疊合而成。(三)激勵(lì)安匝數(shù)的選擇

最佳條件是外加作用力所產(chǎn)生的磁能與外磁場(chǎng)及磁疇磁能之和接近相等，而且工作在磁化曲線(B—H曲線)的線性段，這樣可以獲得較好的靈敏度和線性度。通常在額定壓力下，磁導(dǎo)率的變化大約是10％一20％。四、測(cè)量電路

壓磁式傳感器的輸出繞組輸出電壓值比較大，因此—般不需要放大，只要通過(guò)整流、濾波，即可送指示器指示。U為穩(wěn)定的交流電源，T1為供給壓磁元件B的激勵(lì)繞組的激勵(lì)電壓的降壓變壓器。T2為升壓變壓器，其作用是為了把從壓磁元件B輸出的電壓提高到可作為有效的線性整流用的高度。A部分是補(bǔ)償電路用來(lái)補(bǔ)償零電壓。通過(guò)濾波器F1，濾去高次諧波，再經(jīng)V整流，然后用濾波器F2。消除紋波。五、壓磁式傳感器的應(yīng)用

壓磁式傳感器的優(yōu)點(diǎn)使它很適合在重工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等部門(mén)應(yīng)用。

用來(lái)測(cè)量軋鋼的軋制力、鋼帶的張力、紙張的張力，吊車提物的自動(dòng)稱量、配料的稱量、金屬切削過(guò)程的切削力以及電梯安全保護(hù)等。第九節(jié)感應(yīng)同步器1．定義

感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨相對(duì)位置不同而變化的原理,將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的。它是一種測(cè)量位移的平面變壓器式位移—數(shù)字傳感器。2、結(jié)構(gòu)與工作原理（線位移感應(yīng)同步器）

直線式（長(zhǎng)）感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成,,在定尺和轉(zhuǎn)子上的是連續(xù)繞組,在滑尺和定子上的則是分段繞組。分段繞組分為兩組,在空間相差90°相角,故又稱為正、余弦繞組。

2、工作原理工作時(shí)滑尺在定尺上滑動(dòng)，在滑尺正、余弦繞組上通以交流激勵(lì)電壓,由于電磁耦合,在定尺繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),該電動(dòng)勢(shì)隨定尺與滑尺（或轉(zhuǎn)子與定子）的相對(duì)位置不同呈正弦、余弦函數(shù)變化,再通過(guò)對(duì)此信號(hào)的檢測(cè)處理,便可測(cè)量出直線或轉(zhuǎn)角的位移量。長(zhǎng)感應(yīng)同步器示意圖感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)具有效高的精度與分辨力；抗干擾能力強(qiáng)；使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單；可以作長(zhǎng)距離位移測(cè)量；工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。被廣泛地應(yīng)用于大位移靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)量中。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與兩線圈距離的關(guān)系勵(lì)磁電壓為則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為若將勵(lì)磁線圈的原始位置移動(dòng)90度則SCSCSCSC定尺滑尺位置A點(diǎn)B點(diǎn)C點(diǎn)D點(diǎn)SCE點(diǎn)W2DCAeXE定性分析定尺上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)與位移的關(guān)系A(chǔ)點(diǎn)：余弦繞組中左右側(cè)兩根導(dǎo)片中的電流在定尺繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)之和為零。右移，余弦繞組左側(cè)導(dǎo)片對(duì)定尺繞組導(dǎo)片感應(yīng)比右側(cè)導(dǎo)片感應(yīng)大。定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)不為零。B點(diǎn)，定、滑尺導(dǎo)片重疊，互感最大，感應(yīng)電勢(shì)達(dá)到最大值。1/4W2再右移，互感減小，定尺感應(yīng)電勢(shì)減小，到C點(diǎn)1/2W2

，感應(yīng)電勢(shì)為0。

3、信號(hào)處理方式（1）鑒相方式根據(jù)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)相位的大小來(lái)測(cè)量位移?；呒由系确阮l,相位差為90°的交流電壓,即分別以sinωt和cosωt來(lái)激勵(lì),這樣,就可以根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)的相位來(lái)鑒別位移量,故叫鑒相型。

當(dāng)正弦繞組單獨(dú)激勵(lì)時(shí)勵(lì)磁電壓為Us=Umsinωt,正余弦繞組空間位置相差（n+1/4）W,則感應(yīng)電勢(shì)為:

當(dāng)余弦繞組單獨(dú)激勵(lì)時(shí)，勵(lì)磁電壓為

Uc=－Umcosωt,感應(yīng)電勢(shì)為:

按疊加原理求得定尺上總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:

e=eS+eC

它在一個(gè)節(jié)距W之內(nèi)與定尺和滑尺的相對(duì)位移有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,每經(jīng)過(guò)一個(gè)節(jié)距,變化一個(gè)周期（2π）。(2)鑒幅方式加到滑尺兩相繞組交流勵(lì)磁電壓為：它們分別在定尺繞組上感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)為：定尺的總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：采用函數(shù)變壓器使勵(lì)磁電壓幅值為：勵(lì)磁電壓的電相角，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可寫(xiě)成：設(shè)在原始狀態(tài)時(shí)則然后滑尺相對(duì)定有一段位移則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增量為：

結(jié)論：在位移增量較小的情況下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增量的幅值與位移增量成正比。第四章電容式傳感器5.1工作原理與類型5.2轉(zhuǎn)換電路5.3性能、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)5.4電容傳感器應(yīng)用5.5電容式集成傳感器第一節(jié)工作原理和類型

定義：將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。

應(yīng)用：位移、加速度、液位、振動(dòng)及濕度。

由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器,如果不考慮邊緣效應(yīng),其電容量為

一、原理式式中:ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù),ε=ε0·εr,其中ε0為真空介電常數(shù),εr為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù);S——兩平行板所覆蓋的面積;——兩平行板之間的距離。

當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式中的S,ε或發(fā)生變化時(shí),電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變,而僅改變其中一個(gè)參數(shù),就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化,通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此,電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。

二、類型變極距（間距）型電容傳感器

當(dāng)傳感器的ε和S為常數(shù),初始極距為時(shí),可知其初始電容量C0為若電容器極板間距因被測(cè)量變化而變化時(shí)，則有原理非線性，實(shí)際中作成差動(dòng)式來(lái)改變其非線性

一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20～100pF之間,極板間距離在25～200μm的范圍內(nèi),最大位移應(yīng)小于間距的1/10,故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。2.變面積型電容式傳感器

圓柱形電容器的電容量當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)時(shí)，電容變化量為具有良好線性