第3章 電參量檢測裝置

電阻式傳感器3.13.1.1應(yīng)變式傳感器3.1.3熱電阻傳感器3.1.4光敏電阻3.1.2壓阻式傳感器關(guān)閉下一頁電感式傳感器3.23.2.2互感式傳感器

3.2.1自感式傳感器3.2.3電渦流傳感器電容式傳感器3.33.3.1工作原理和類型3.3.3測量電路3.3.2等效電路3.3.4應(yīng)用應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變傳感器組成13.1.1彈性體應(yīng)變片F(xiàn)電橋電路

彈性體應(yīng)變片電橋電路

x（力、加速度、荷重等）應(yīng)變電阻變化電壓信號傳遞流圖組成應(yīng)變式傳感器3.1.1電阻應(yīng)變傳感器定義2通過彈性敏感元件將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋺?yīng)變;通過電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化;通過測量電路（電橋）將電阻變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓的檢測裝置。分類：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。應(yīng)變片：利用金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)或半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制成的一種轉(zhuǎn)換元件。應(yīng)變式傳感器3.1.1電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)3金屬絲沿軸向受到拉伸或壓縮，其阻值增大或減小，此現(xiàn)象為電阻應(yīng)變效應(yīng)。圖3-1電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)(3-1)(3-2)截面為圓形的單根金屬電阻絲當電阻絲受到拉力F作用時,

相對變化量表示(3-3)3.1.1應(yīng)變式傳感器3.1.1應(yīng)變式傳感器對于半徑為r的圓導(dǎo)體

在彈性范圍內(nèi)，軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變關(guān)系為（3-4）（3-5）（3-6）3.1.1應(yīng)變式傳感器靈敏系數(shù)金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)受材料幾何尺寸變化的影響取決于。

在電阻絲拉伸極限范圍內(nèi)，同一電阻絲材料，靈敏系數(shù)為常數(shù)。（3-7）（3-8）應(yīng)變效應(yīng)表達式3.1.1應(yīng)變式傳感器電阻絲應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型4

圖3-2電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)（1）結(jié)構(gòu)3.1.1應(yīng)變式傳感器敏感柵：感受應(yīng)變，并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化?；祝航^緣及傳遞應(yīng)變。由紙薄、膠質(zhì)膜等制成。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)。覆蓋層：保護作用。防濕、蝕、塵。引線：連接電阻絲與測量電路，輸出電參量。各組成部分的作用3.1.1應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片的使用面積和阻值表示其規(guī)格。如（3×10）mm2

，120Ω。根據(jù)制柵工藝的不同分為絲式、箔式和薄膜式。絲式制作：粘貼工藝。箔式制作工藝：照相制版或光刻技術(shù)。薄膜式制作工藝：真空蒸發(fā)或真空沉積。應(yīng)變片的選擇根據(jù)測量精度、允許工作電流、散熱、體積、是否批量等要求查手冊選擇。（2）電阻絲應(yīng)變片的種類3.1.1應(yīng)變式傳感器

圖3-3電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)

圖(a)箔式應(yīng)變片

圖(b)薄膜式應(yīng)變片照相制版或光刻技術(shù)真空蒸發(fā)或真空沉積3.1.1應(yīng)變式傳感器（1）應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K確定μ=0.285鋼件確定方法：實驗測定由電位差計測定電阻變化，由應(yīng)力儀測出軸向應(yīng)變，計算靈敏系數(shù)K應(yīng)變片F(xiàn)F應(yīng)力儀測出εX電位差計測△R/R

圖3-4應(yīng)變片K確定方法電阻絲應(yīng)變片的特性53.1.1應(yīng)變式傳感器（2）橫向效應(yīng)圖3-5應(yīng)變片的軸向受力與橫向效應(yīng)定性分析實際應(yīng)變片比單絲電阻絲靈敏系數(shù)低原因（a）應(yīng)變片示意圖（b）圓弧段局部放大圖3.1.1應(yīng)變式傳感器圓弧段橫向收縮引起阻值減小量對軸向伸長引起阻值增加量起著抵消作用。此現(xiàn)象為橫向效應(yīng)。加長敏感柵縱柵，加寬縮短橫柵，消除圓弧。箔式和薄膜式應(yīng)變片橫向效應(yīng)可忽略。同樣應(yīng)變阻值變化減小，K值減小。橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)的結(jié)果減小橫向效應(yīng)的措施3.1.1應(yīng)變式傳感器定量分析應(yīng)變片置于二維應(yīng)力場，即有，又有。（3-9）3.1.1應(yīng)變式傳感器電阻絲應(yīng)變片溫度誤差及補償6（1）溫度誤差

由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差,稱為應(yīng)變片的溫度誤差。

產(chǎn)生原因之一:電阻絲溫度系數(shù)的影響（3-10）

溫度變化造成電阻增量產(chǎn)生原因之二:試件材料與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響（3-11）（3-12）（3-13）F溫度變化△T,試件伸長量應(yīng)變片伸長量應(yīng)變片附加伸長量3.1.1應(yīng)變式傳感器3.1.1應(yīng)變式傳感器（3-15）（3-14）（3-16）（3-17）3.1.1應(yīng)變式傳感器（2）溫度補償

選擇應(yīng)變片使△T≠0時，εT≈0要求電阻絲材料與被測材料配合恰當。①選擇式應(yīng)變片的自補償法

（3-18）3.1.1應(yīng)變式傳感器兩段敏感柵的電阻大小選擇②雙金屬敏感柵自補償應(yīng)變片（3-19）R1R2圖3-6雙金屬敏感柵自補償3.1.1應(yīng)變式傳感器③橋路補償法

補償原理：橋路相臨兩臂增加相同電阻，對電橋輸出無影響。

圖3-7橋路補償方法FR3RBR4R1UU0R1RBF工作片補償片3.1.1應(yīng)變式傳感器

電橋輸出U0=A（R1R4－RBR3）（2-20）無應(yīng)變時的電橋輸出Uo=A［（R1+ΔR1t）R4－

(RB+ΔRBt)R3］=0要求工作片與補償片特性一致且置于同一溫度場中。3.1.1應(yīng)變式傳感器電橋輸出電壓為

Uo=AR1R4Kε

Uo

與ε成單值函數(shù)關(guān)系。與溫度變化無關(guān)。結(jié)論：單臂橋加補償片可實現(xiàn)溫度補償。應(yīng)變輸出ΔR1=R1Kε

（2-21）有應(yīng)變時3.1.1應(yīng)變式傳感器C

R1R2R4R3UAABDU0圖3-8不平衡直流電橋思考：等臂電橋四個橋臂均為應(yīng)變片，感受應(yīng)變。輸出電壓U0=？電阻應(yīng)變片的測量電路7實現(xiàn)：3.1.1應(yīng)變式傳感器（3-22）四個臂為應(yīng)變片工作時，其電阻變化ΔR

（1）不平衡電橋電路的輸出（3-23）輸出電壓推導(dǎo)方法一3.1.1應(yīng)變式傳感器（3-24）輸出電壓推導(dǎo)方法二3.1.1應(yīng)變式傳感器①單臂電橋（3-25）CR1FU0R1＋⊿R1R4R3UR2圖3-10單臂電橋圖3-9懸臂梁應(yīng)變DBA3.1.1應(yīng)變式傳感器②半橋差動電橋R1R2F圖3-11差動直流電橋U0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2（3-26）CDBA3.1.1應(yīng)變式傳感器③全橋差動電路R2－⊿R2R4＋⊿R4U0R1＋⊿R1UR3－⊿R3圖3-12全橋差動電路（3-27）R1R4R3R2FCDAB3.1.1應(yīng)變式傳感器結(jié)論：①

ΔRi<<R時，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。②為了產(chǎn)生最大輸出電壓,應(yīng)使一個對角線應(yīng)變片受拉,另一對對角線應(yīng)變片受壓。③電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0和靈敏度越大。（應(yīng)使工作電流小于允許電流）④增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的靈敏度。3.1.1應(yīng)變式傳感器（2）非線性誤差及其補償單臂電橋，即R1橋臂變化ΔR，理想的線性關(guān)系實際輸出電壓非線誤差誤差（2-28）（2-29）（2-30）3.1.1應(yīng)變式傳感器結(jié)論：半橋與全等臂橋輸入輸出成線性關(guān)系。半橋靈敏度是單臂橋的兩倍，全等臂橋靈敏度是單臂橋的四倍。半橋與全等臂電橋具有溫度補償作用。以上結(jié)論通過CSY10傳感器綜合實驗儀驗證。3.1.1應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用8應(yīng)用測量力、位移、加速度、扭矩等。汽車衡、電子秤等。制作

彈性元件的制作加工。應(yīng)變片的正確粘貼。應(yīng)變片的連線接橋。結(jié)構(gòu)形式柱式、懸臂梁式、環(huán)式和輪輻式等。3.1.1應(yīng)變式傳感器輪輻式傳感器電子秤懸臂梁式傳感器汽車衡、軌道衡、吊勾秤、料斗秤3.1.1應(yīng)變式傳感器(c)薄壁環(huán)式(d)輪輻式（a）柱式(b)懸臂梁式圖3-13各種彈性體結(jié)構(gòu)圖3.1.1應(yīng)變式傳感器（a）實心圓柱；（b）空心圓筒；圖3-14柱式力彈性體結(jié)構(gòu)圖（1）柱（筒）式力傳感器

3.1.1應(yīng)變式傳感器R5R8R7R6R1R2R3R4圖3-15柱式貼片及電橋電路連接圖R5R8R7R6R1R2R3R4UoUi3.1.1應(yīng)變式傳感器縱向?qū)ΨQ兩兩串接為了減小偏心載荷及彎矩的影響；橫向貼片作溫度補償用。橫向應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)椋?-31）（3-32）接成差動全等臂電橋，總的應(yīng)變?yōu)殡姌蜉敵鰹椋?-33）（2-34）縱向應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?.1.1應(yīng)變式傳感器圖3-16等截面梁應(yīng)變傳感器原理圖R1R2lFWhR3R4（2）懸臂梁式力傳感器3.1.1應(yīng)變式傳感器輸出電壓為（2-36）（2-37）（2-35）傳感器為懸臂梁式傳感器。懸臂梁端部受質(zhì)量塊慣性力作用，距端部L處的應(yīng)變?yōu)榻映扇珮蚩倯?yīng)變?yōu)?.1.1應(yīng)變式傳感器共性:將應(yīng)變片貼于應(yīng)變值最大的點上，接于全橋電路，產(chǎn)生較大輸出（具有較高的靈敏度）注意對角線上的應(yīng)力狀態(tài)一致不同點:結(jié)構(gòu)不同,敏感元件受力等產(chǎn)生的應(yīng)變與被測量關(guān)系不同。各性能參數(shù)有所不同,應(yīng)用范圍有所不同。

（查手冊）總結(jié)各種結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變傳感器的共性是什么？不同之處是什么？3.1.2壓阻式傳感器

定義單晶半導(dǎo)體材料受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。

特點靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。溫度誤差較大，要有溫度補償措施。

分類體型壓阻式傳感器和擴散型壓阻式傳感器。

3.1.2壓阻式傳感器壓阻效應(yīng)表達式1半導(dǎo)體電阻率（3-38）（3-39）（3-40）（3-41）3.1.2壓阻式傳感器缺點溫度穩(wěn)定性較差，非線性較大。制作從單晶硅或鍺上切下薄片制成。結(jié)構(gòu)組成基片、半導(dǎo)體薄片、引線。優(yōu)點靈敏系數(shù)大，橫向效應(yīng)和機械滯后小。半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及特點23.1.2壓阻式傳感器圖3-17體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式3.1.2壓阻式傳感器測量電阻與溫度補償3輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。消除了環(huán)境溫度的變化對輸出的影響。恒壓源

恒流源

（3-42）（3-43）3.1.2壓阻式傳感器圖3-18恒壓（流）源供電電橋R－△R＋△RTR－△R＋△RTR＋△R＋△RTR＋△R＋△RTABCD3.1.2壓阻式傳感器壓阻式傳感器的應(yīng)用4圖3-19壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖（1）結(jié)構(gòu)低壓腔高壓腔硅杯引線硅膜片（2

）膜片上徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt的分布（3-44）3.1.2壓阻式傳感器（3-45）沿徑沿兩側(cè)采用擴散工藝制作四個電阻。（3）電橋輸出電壓3.1.2壓阻式傳感器C

R1R2R4R3UAVDDBDV0V01R5R5RgR6R6R7R7V02V1V2疊加定理（4）實用測量電路3.1.2壓阻式傳感器3.1.3熱電阻式傳感器金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻。熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的特性對與溫度相關(guān)的參量進行檢測的裝置。定義測溫、測溫范圍主要在中低溫區(qū)（－200℃～650℃）應(yīng)用分類3.1.3熱電阻式傳感器（1）鉑熱電阻Rt＝R0［1+At+Bt2+Ct3(t－100)］①熱電特性（RT～T）

T在－200~0℃時T在0~650℃時對純度一定的鉑熱電阻，A、B、C為一常數(shù)。Rt

＝

R0(1+At+Bt2)（3-46）（3-47）金屬熱電阻13.1.3熱電阻式傳感器R0=100Ω和R0=1000Ω及R0=500Ω三種,分度號分別為Pt100、Pt1000和Pt500。

鉑熱電阻的種類查分度表法：鉑熱電阻不同分度號有相應(yīng)分度表,即Rt與t的關(guān)系表，

測得熱電阻的阻值Rt

，從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。計算溫度的方法公式計算法：由測得的熱電阻阻值，由熱電特性公式計算出相應(yīng)的溫度值。3.1.3熱電阻式傳感器鉑電阻的靈敏度Rt＝R0（1+αt）②純度W100＝R100/R0。按IEC標準,工業(yè)使用的鉑熱電阻W100>1.386。使用場合:不宜在還原性介質(zhì)中使用。

（3-48）3.1.3熱電阻式傳感器（2）銅熱電阻測量范圍為－50～+150℃。熱電特性為：Rt＝R0（1+αt）

Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。分度號不宜在氧化性介質(zhì)中使用。適于在無水分及侵蝕性介質(zhì)的溫度測量。使用場合（3-49）3.1.3熱電阻式傳感器（3）熱電阻的結(jié)構(gòu)圖3-20熱電阻結(jié)構(gòu)圖圖3-19（a）銅熱電阻結(jié)構(gòu)圖圖3-20（b）鉑熱電阻結(jié)構(gòu)圖3.1.3熱電阻式傳感器利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)而制成的溫度敏感元件。定義工作機理價帶導(dǎo)帶圖3-21熱電阻工作機理圖熱敏電阻23.1.3熱電阻式傳感器熱敏電阻主要類型正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC和負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC。主要用于控溫、保護等場合。如半導(dǎo)體器件的過熱保護。電機、變壓器、音響設(shè)備的安全保護等。PTC的應(yīng)用場合NTC熱敏電阻主要用于測溫和溫度補償。電子溫度計等。NTC的應(yīng)用場合3.1.3熱電阻式傳感器RT=R0eB(1/T—1/T0)（1）熱電特性（RT～T）T=373.15K(100℃)，T0=293.15K(20℃)測量R20、R100，計算B材料常數(shù)B的確定溫度靈敏度的確定（3-50）（3-51）（3-52）3.1.3熱電阻式傳感器（2）熱敏電阻的伏安特性

圖3-22熱敏電阻的伏安特性

避免電流過大，電阻體產(chǎn)生自熱。3.1.3熱電阻式傳感器鉑電阻采用三線制測量電路和四線制測量電路。（1）金屬熱電阻傳感器溫度測量，測量電路采用電橋電路。熱電阻傳感器的應(yīng)用23.1.3熱電阻式傳感器圖3-23三線制測量電路

UCCRtR0U0rrrRR3.1.3熱電阻式傳感器①三線制補償原理電橋的相臨兩個橋臂增加了相同導(dǎo)線電阻，差動輸出后，可消除導(dǎo)線電阻的影響。輸出電壓（3-53）3.1.3熱電阻式傳感器RfRfRRR1R1Rt+U0－I圖3-24四線制測量電路②四線制補償原理（3-54）（3-55）鉑電阻壓降差動放大器輸出3.1.3熱電阻式傳感器③典型測溫電路圖

3-25恒流源測量電路

恒流驅(qū)動3.1.3熱電阻式傳感器A/D滿量程輸入電壓為2V。放大倍數(shù)為溫度上限100℃時，PT1000的阻值為PT1000上電壓為1.386V，輸出電壓為，溫度下限0℃時輸出電壓為0。一級放大器實現(xiàn)恒流驅(qū)動溫度轉(zhuǎn)換二級放大器實現(xiàn)電壓放大3.1.3熱電阻式傳感器恒壓驅(qū)動圖

3-26恒壓源測量電路

RfRfR1R0R2R2Rt+U0-R1VCC=5VR3R4R550K50K1K1M1M1M1M0.5K5K100ΩPT10003.1.3熱電阻式傳感器A/D滿量程輸入電壓為2V。溫度上限100℃，電橋輸出電壓為36.82mV。放大倍數(shù)為54.3倍。放大器可采用儀表放大器AD623、AD627等。在量程上限時，調(diào)節(jié)量程電阻使輸出達到2V。3.1.3熱電阻式傳感器熱或力中站央鍋空爐調(diào)溫度傳感器溫度傳感器積算儀流量計用戶圖

3-27熱量表熱量測量組成

④應(yīng)用舉例兩只鉑電阻溫度傳感器分別測出進水和回水溫度，流量計測出流量，計算出用戶消耗的熱量。（2）熱敏電阻傳感器

①溫度控制實現(xiàn)某一小溫度范圍t1～t2的溫度控制。t<t1→RG↑→VT1導(dǎo)通（VT2導(dǎo)通）→J得電→加熱t(yī)>t2→RG↓→VT1截止（VT2截止）→J失電→停止加熱3.1.3熱電阻式傳感器3.1.3熱電阻式傳感器J1～J1圖3-28溫度控制器3.1.3熱電阻式傳感器錳銅絲電阻R2R1被補償元件RT圖3-29溫度補償電路②溫度補償溫度變化△T，零件阻值變化△R1，熱敏電阻并聯(lián)電路阻值變化△R2，合理選擇電路參數(shù)，使3.1.4光敏電阻圖3-30光敏電阻的電極圖案光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理1（1）結(jié)構(gòu)在玻璃基板上均勻涂上一薄層半導(dǎo)體物質(zhì)，職稱梳狀電極3.1.4光敏電阻光照射到半導(dǎo)體上，材料中的價帶電子吸收了光子能量躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出電子、空穴對，增強了導(dǎo)電性能，使阻值降低。光照停止，電子空穴對又復(fù)合，阻值恢復(fù)。

導(dǎo)帶價帶uA

圖3-31光敏電阻工作原理圖（2）工作原理3.1.4光敏電阻剛好產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)的臨界波長為（3-56）3.1.4光敏電阻（2）

基本特性

①伏安特性

一定光照，R一定，I正比于U。一定電壓，I隨著光照E增強而增大。

E↑→R↓→I↑（1）主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性

2光電流3.1.4光敏電阻

圖3-32光敏電阻的伏安特性3.1.4光敏電阻②光照特性（I～E）

光敏電阻的光照特性為非線性，不宜作檢測元件，主要用于自動控制中。

如光照度計：農(nóng)作物日照時數(shù)測定。

圖3-33光敏電阻的光照特性3.1.4光敏電阻無光照V0=VL。有光照V0=VH。輸出接單片機的I/O口，每2分鐘對此口查詢1次，為高電平，計數(shù)一次，為低電平，不計數(shù)。1天查詢720次。

圖3-34光敏電阻的應(yīng)用（3-57）1天日照時數(shù)3.1.4光敏電阻

圖3-35光敏電阻的光譜特性③光譜特性（Kr%～λ）3.1.4光敏電阻光敏電阻的相對靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性。亦稱為光譜響應(yīng)。①不同材料，其峰值波長不同。②同一種材料，對不同波長的入射光，其相對靈敏度不同，響應(yīng)電流不同。應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇合適的光電元件，使光電元件得到較高得相對靈敏度。（3-58）3.1.4光敏電阻④頻率特性光敏電阻受到（調(diào)制）交變光作用，光電流與頻率的關(guān)系。反映光敏電阻的響應(yīng)速度。3-36調(diào)制原理圖MuA調(diào)制盤電機3.1.4光敏電阻3-37光敏電阻的頻率特性硫化鉛的頻率特性優(yōu)于硫化鉈的頻率特性3.1.4光敏電阻3-38光敏電阻的溫度特性3-39光敏電阻的光譜溫度特性⑤溫度特性自感式傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理13.2.1a)變間隙式b)變面積式

c)螺管式3-38自感式傳感器結(jié)構(gòu)圖（1）結(jié)構(gòu)自感式傳感器3.2.1（2）原理被測量（壓力、位移等）變化，引起自感傳感器自感值變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓。圖3-39變間隙自感式傳感器結(jié)構(gòu)圖（3-59）（3-60）線圈磁通及電感自感式傳感器3.2.1線圈自感（3-61）（3-62）自感式傳感器3.2.1氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻

當銜鐵上移Δδ時,傳感器氣隙減小Δδ,

即δ=δ0－Δδ,則此時輸出電感為L=L0+ΔL（1）簡單變氣隙式自感傳感器靈敏度

變氣隙式自感傳感器靈敏度2自感式傳感器3.2.1

當Δδ/δ<<1時,可將上式用泰勒級數(shù)展開

（3-63）自感式傳感器3.2.1

當銜鐵下移Δδ時,傳感器氣隙增大Δδ,即δ=δ0＋Δδ,則此時輸出電感為L=L0－ΔL。（3-64）（3-65）自感式傳感器3.2.1（2）差動變隙式電感傳感器靈敏度

1-鐵芯；2-線圈；3-銜鐵3-40差動式變間隙式電感傳感器自感式傳感器3.2.1當銜鐵向上移動時，兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2

自感式傳感器3.2.1結(jié)論：①差動式為簡單式電感傳感器靈敏度的2倍。②非線性減小。簡單式電感傳感器非線性誤差③克服溫度等外界共模信號干擾。（3-66）（3-67）自感式傳感器3.2.1變面積式自感傳感器靈敏度3輸入與輸出呈線性關(guān)系。得到較大的線性范圍。靈敏度特點（3-68）自感式傳感器3.2.1(1)變壓器電路圖3-41變壓器電橋u0z2＝ωL2z1＝ωL1u/2u/2ui自感傳感器測量電路4自感式傳感器3.2.1傳感器銜鐵移動方向相反時銜鐵偏離中間零點向下移動時由于交流激勵，轉(zhuǎn)換電路不能實現(xiàn)辨向。

（3-69）（3-70）（3-71）自感式傳感器3.2.1(2)帶相敏檢波的電橋電路圖3-42相敏檢波電路自感式傳感器3.2.1圖3-43非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a)非相敏整流電路；（b）相敏整流電路電路作用：辨別銜鐵位移方向；消除零點殘余電壓。自感式傳感器3.2.1設(shè)銜鐵移動使Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ。當電源u上端為正（A正），下端為負時（B負）當電源u上端為負（A負），下端為正時（B正）在電源一個周期內(nèi)，電壓表的輸出始終為上正下負。即輸出的極性取決于銜鐵位移的方向。設(shè)銜鐵移動使Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ時，分析輸出電壓的極性。圖3-45變隙差動式電感壓力傳感器自感式傳感器3.2.1自感傳感器應(yīng)用5自感式傳感器3.2.1敏感元件：C形彈簧管轉(zhuǎn)換元件：差動變隙自感傳感器轉(zhuǎn)換電路：變壓器電橋結(jié)構(gòu)組成輸出電壓（1）變隙差動式電感壓力傳感器被測壓力由C型彈簧管轉(zhuǎn)換為其端部位移，帶動銜鐵位移，使差動自感傳感器阻抗變化，經(jīng)過變壓器電橋輸出電壓。工作原理（3-72）自感式傳感器3.2.1（2）差動式電感測厚儀被測板材上測滾輪銜鐵L1L2連桿螺桿下測滾輪圖3-46（a）差動式電感測厚儀結(jié)構(gòu)圖自感式傳感器3.2.1圖3-46差動式電感測厚儀電路圖自感式傳感器3.2.1開始測量之前，先調(diào)節(jié)測微螺桿至給定厚度（由度盤讀出）。當剛帶厚度偏離給定厚度時，上測量滾輪將帶動測微螺桿上下，通過杠桿將位移傳遞給銜鐵，使L1、L2變化。將差動電感接于相敏檢波電路中，根據(jù)電流表的指針偏轉(zhuǎn)的方向和刻度值可以判斷銜鐵位移的方向，同時知道被測厚度的變化大小。厚度的變化與給定厚度相加，得到實際板厚。工作原理根據(jù)變壓器的基本原理制成的。次級繞組采用差動形式連接。（1）結(jié)構(gòu)互感式傳感器3.2.2互感傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理1圖3-47螺管式差動變壓器的結(jié)構(gòu)活動銜鐵導(dǎo)磁外殼骨架初級繞組次級繞組

（2）工作原理

差動變壓器一次線圈加一定頻率的激勵，由于一次和二次線圈之間的互感，二次線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢。銜鐵處于中間位置銜鐵左移銜鐵右移互感式傳感器3.2.2互感式傳感器3.2.2差動變壓器輸出電壓與活動銜鐵位移x的關(guān)系曲線，呈V字形。是E2a

曲線與E2b曲線合成的結(jié)果。（3）特性曲線圖3-48差動變壓器輸出電壓特性曲線

互感式傳感器3.2.2基本特性2圖3-49差動變壓器等效電路（1）等效電路互感式傳感器3.2.2當次級開路時,初級線圈有激勵電流二次線圈由于互感產(chǎn)生互感電動勢為空載輸出電壓為

輸出電壓的有效值為（3-73）（3-74）（3-75）互感式傳感器3.2.2(1)活動銜鐵處于中間位置時

M1=M2=MU2=0(2)活動銜鐵向右移動時M1=M+ΔMM2=M－ΔM(3)活動銜鐵向左移動時M1=M－MM2=M+ΔM互感式傳感器3.2.2短路阻抗（2）主要性能①靈敏度增大U1、提高Q值、增大D

、減小損耗，可提高靈敏度。（3-76）（3-77）互感式傳感器3.2.2②頻率特性圖3-50KE與f的關(guān)系曲線

取測量范圍為線圈骨架長度的1/10～1/4，配用相敏檢波式測量電路。③線性度激勵頻率采用中頻互感式傳感器3.2.2④零點殘余電壓定義：把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓。（x＝0，U0＝e0≠0)產(chǎn)生原因兩個二次測量線圈的等效參數(shù)不對稱，阻抗不同，基波分量不能抵消。鐵芯的B-H特性的非線性，產(chǎn)生高次諧波不同，不能互相抵消。減小零點殘余電壓措施制造工藝上，做到磁路對稱，線圈對稱，鐵芯材料均勻。加補償電路。互感式傳感器3.2.2差動整流電路。補償電路：補償原理：改變二次側(cè)線圈的阻抗，使兩二次輸出電壓的大小和相位改變，使零點電壓最小。串聯(lián)電阻補償基波分量，并聯(lián)電容補償高次諧波。圖3-51補償零點殘余電壓的電路互感式傳感器3.2.2功能：測量位移的大小，辨別移動方向，消除零點殘余電壓。（1）差動整流電路整流原理把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流,然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。測量電路2差動整流電路種類全波電壓輸出、半波電壓輸出、全波電流輸出、半波電流輸出?；ジ惺絺鞲衅鲌D3-52差動整流電路3.2.2互感式傳感器①全波電壓輸出輸出電壓極性反映位移的方向。

②半波電壓輸出3.2.2互感式傳感器③全波電流輸出3.2.2相敏檢波器輸出電壓的變化規(guī)律不僅能反映位移變化的大小，而且能反映位移的方向。（2）相敏檢波電路①功能互感式傳感器3.2.2②相敏檢波電路分析圖3-53相敏檢波電路互感式傳感器3.2.2Δx>0時,u2與uS為同頻同相當u2與uS均為正半周時,uS使環(huán)形電橋中二極管VD1、ＶD4截止,VD2、VD3導(dǎo)通,得圖3-51（b）的等效電路。圖3-51（b）正半周等效電路（3-78）互感式傳感器3.2.2

當u2與us均為負半周時,二極管VD2、VD3截止,VD1、VD4導(dǎo)通。其等效電路如圖3-51（c）所示。圖3-51（c）負半周等效電路輸出電壓為（3-79）互感式傳感器3.2.2結(jié)論：位移ΔX>0,不論u2與uS是正半周還是負半周，負載RL兩端得到的電壓u0始終為正。當Δx<0時,u2與uS為同頻反相不論u2與uS是正半周還是負半周,負載電阻RL兩端得到的輸出電壓u0表達式總是為（3-80）互感式傳感器3.2.2(a）被測位移變化波形圖；(b)差動變壓器激勵電壓波形；(c)差動變壓器輸出電壓波形；(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形；(e)相敏檢波輸出電壓波形圖3-54相敏檢波電路電壓波形③波形互感式傳感器3.2.21-接頭；2-膜盒；3-底座；4-線路板；5-差動變壓器線圈；6-銜鐵；7-罩殼；8-插頭；9-通孔傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成開環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計圖3-55微壓力傳感器

差動變壓器的應(yīng)用4互感式傳感器3.2.2圖3-56微壓力傳感器測量電路

當被測壓力由接頭傳入膜盒時，其中央自由端產(chǎn)生一個正比于被測壓力的位移，并帶動銜鐵6在差動變壓器中移動，使差動變壓器輸出電壓。輸出經(jīng)過相敏檢波和濾波后，其直流輸出電壓反映被測壓力的數(shù)值。渦流式傳感器3.2.3塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時,導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流,此電流叫電渦流,以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。高頻反射式和低頻透射式

分類對位移、厚度、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量。

應(yīng)用渦流定義

高頻反射式電渦流傳感器1渦流式傳感器3.2.3線圈加上高頻激勵電流，產(chǎn)生同頻率的磁場，磁場在導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流,此電流為渦流。渦流產(chǎn)生反磁通，阻礙原磁通，使線圈阻抗變化，通過測量阻抗變化，可測量相關(guān)被測參量。（1）工作原理3-57渦流的產(chǎn)生渦流式傳感器3.2.3傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為

Z=F（ρ,μ,r,f,x）

Z=F（x）信號流圖其它參量固定時等效阻抗Z是線圈與金屬板距離函數(shù)，由此可測量距離或位移。渦流式傳感器3.2.3（2）等效電路分析渦流式傳感器3.2.3線圈和導(dǎo)體的回路方程線圈阻抗線圈等效電阻（3-81）（3-82）（3-83）渦流式傳感器3.2.3線圈等效電感線圈等效電路如圖5-57所示。（3-84）渦流式傳感器3.2.3線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為靠近非磁（硬磁材料），等效電感減小?？拷洿挪牧系刃щ姼性龃?。被測量的變化，引起線圈電感L、阻抗Z和品質(zhì)因數(shù)Q的變化，通過測量電路將Z或L或Q轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，可測被測量。（3-85）渦流式傳感器3.2.3（3）傳感器的結(jié)構(gòu)線圈

框架3．框架襯套4．支架5．電纜6．插頭3-60高頻渦流傳感器的結(jié)構(gòu)扁平線框內(nèi)嵌入線圈，線圈與電容并聯(lián)構(gòu)成LC諧振回路，通過電纜和插頭給LC諧振回路加上高頻激勵，輸出信號。渦流式傳感器3.2.3（4）被測材料對諧振曲線的影響圖3-61傳感器的諧振曲線渦流式傳感器3.2.3

被測體為非磁材料，線圈的等效電感減小，諧振曲線右移；被測體為軟磁材料，線圈的等效電感增大，諧振曲線左移。定頻時，回路失諧，傳感器的阻抗及品質(zhì)因數(shù)降低。諧振頻率渦流式傳感器3.2.3圖3-62定頻調(diào)幅式測距原理電路（5）測量方法①定頻調(diào)幅法渦流式傳感器3.2.3定頻激勵加到LC諧振回路，當無被測體靠近線圈時，LC處于諧振狀態(tài)，使出電壓最大；當有被測體靠近時，回路失諧，輸出電壓下降。輸出電壓為高頻載波的等幅電壓或調(diào)幅電壓。經(jīng)過高頻放大器放大，檢波電路檢波，取出等幅電壓，最后經(jīng)過濾波電路，濾出高頻雜散信號，取出與距離（振動）對應(yīng)的直流電壓U0。②調(diào)頻法工作原理被測體靠近線圈，線圈電感值變化，LC諧振頻率變化，將諧振頻率通過鑒頻器轉(zhuǎn)換為電壓，測得電壓或電壓差值，可確定被測體距離線圈的距離。渦流式傳感器3.2.33-63調(diào)頻測距電路原理圖渦流式傳感器3.2.3

3-64(a)透射式渦流傳感器原理(b)線圈感應(yīng)電勢與厚度關(guān)系曲線測厚的依據(jù):

E的大小間接反映了M的厚度t（1）工作原理發(fā)射線圈接收線圈

低頻透射式電渦流傳感器2渦流式傳感器3.2.3（2）影響E的因素頻率、材料一定，板越厚，接收線圈E越小。板厚、材料一定，頻率越高，E越小。材料一定，不同頻率下的E與t的關(guān)系渦流式傳感器3.2.3

3-65不同頻率滲透深度對E=f(t)曲線的影響厚板，較低頻率薄板，較高頻率為了得到較高的靈敏度，根據(jù)板厚選擇激勵頻率。

更換被測材料時,采取變頻的方法,使?jié)B透深度基本不變,靈敏度不變。測試頻率與材料關(guān)系渦流式傳感器3.2.3x1和x2由渦流傳感器測出，經(jīng)調(diào)理電路變?yōu)閷?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。單片機分別算出x1和x2值，然后由公式d=D－(x1+x2)計算出板厚。D值由鍵盤設(shè)定。板厚值送顯示器顯示。（1）厚度測量

渦流傳感器S1、S2

與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。兩探頭距離為D。結(jié)構(gòu)組成工作原理渦流式傳感器3.2.3電渦流傳感器的應(yīng)用3

x1和x2由渦流傳感器測出，經(jīng)調(diào)理電路變?yōu)閷?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。單片機分別算出x1和x2值，然后由公式d=D－(x1+x2)計算出板厚。D值由鍵盤設(shè)定。板厚值送顯示器顯示。（1）厚度測量

渦流傳感器S1、S2

與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。兩探頭距離為D。結(jié)構(gòu)組成工作原理渦流式傳感器3.2.3調(diào)理電路調(diào)理電路微機或單片機顯示鍵盤設(shè)定Dx1x2d探頭A/D轉(zhuǎn)換器圖3-66高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖渦流式傳感器3.2.3（2）轉(zhuǎn)速測量圖3-67轉(zhuǎn)速測量Z:一周齒數(shù)；N：每分鐘轉(zhuǎn)過齒數(shù)。渦流式傳感器3.2.3（3）渦流探傷

帶鋼圓管波接管打壓制管脹波渦流探傷鋸切焊頭圖3-68波接管成型工藝流程框圖渦流式傳感器3.2.3帶鋼經(jīng)過制管機，加工成圓管，由脹波機制成一定波距的波節(jié)管，波節(jié)管經(jīng)過水打壓，由渦流探傷儀檢測是否有裂縫，如果無裂縫，鋸切成一定長度的波節(jié)管，如果有裂縫信號如圖，重新處理或報廢。渦流式傳感器3.2.3當金屬片未靠近探頭時，LC并聯(lián)諧振回路阻抗較大，輸出電壓大。設(shè)計經(jīng)處理后的輸出電壓V0大于比較器的參考電壓VR。比較器輸出高電平。（4）三杯式風速傳感器

它的結(jié)構(gòu)是碗式風杯轉(zhuǎn)動軸上的固定的金屬片圓盤。當風杯受風而轉(zhuǎn)動時，圓盤上的金屬片便不斷地接近或離開渦流傳感器探頭中的振蕩線圈，造成回路失諧，輸出電壓下降（磁回路間斷短路）。渦流式傳感器3.2.3比較器整形電路整形電路濾波器頻率計單片機檢波器高頻放大器高頻振蕩器轉(zhuǎn)軸風杯外殼轉(zhuǎn)盤LCRV0u0圖3-69三杯式風速傳感器及檢測系統(tǒng)VR渦流式傳感器3.2.3風速轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。如頻率速度轉(zhuǎn)換常數(shù)為K(HZ/m/s)。

風速為v=f/K(m/s)

如將脈沖送入單片機的計數(shù)口T1，T0定時1分鐘計T1中的計數(shù)值N，由公式當金屬片靠近探頭時，LC諧振回路失諧，阻抗下降，輸出電壓減小。V0<VR。比較器輸出低電平。圓盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)N1=渦流產(chǎn)生的次數(shù)N2=比較器輸出脈沖數(shù)N3。（3-86）（3-87）渦流式傳感器3.2.3若想提高分辨能力，可在圓盤上等距放多個金屬片，轉(zhuǎn)一圈輸出多個脈沖。風速計算公式Z：圓盤上放金屬片的個數(shù)。計算出風速值。（3-88）電容式傳感器工作原理與類型3.3.1

電容傳感器能將被測量（位移、加速度、液位、料位、振動、濕度）轉(zhuǎn)換為電容變化的裝置。

原理式類型變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式。δSε圖3-70電容傳感器原理圖

工作原理與類型1圖3-71電容傳感器結(jié)構(gòu)圖變極距(δ）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)(ε)型:

（i）～(l)工作原理與類型3.3.1（1）簡單變極距型電容傳感器

。靈敏度推導(dǎo)工作原理與類型3.3.1（3-89）變極距型電容傳感器2若以容抗為輸出亦可用泰勒展開式表示為工作原理與類型3.3.1（2）差動變間隙式電容傳感器

圖3-72差動變間隙式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖工作原理與類型3.3.1靈敏度推導(dǎo)設(shè)動極板上移Δδ

。工作原理與類型3.3.1（3-90）簡單變間隙式電容傳感器非線性誤差工作原理與類型3.3.1（3-91）差動變間隙式電容傳感器差動電容傳感器非線性誤差非線性誤差減小一個數(shù)量級。

工作原理與類型3.3.1（3-92）（1）線位移圖3-73變面積型電容傳感器原理圖

工作原理與類型3.3.1（3-93）變面積型電容傳感器3（2）電容式角位移傳感器

當θ=0時當θ≠0時圖3-74電容角位移傳感器原理圖

工作原理與類型3.3.1（3-94）圖3-75電容式液位傳感器

（1）根據(jù)各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，檢測液面高度。工作原理與類型3.3.1變介電常數(shù)型電容傳感器4同心圓柱狀極板，插入液體深度h，兩極板間構(gòu)成電容式傳感器（并聯(lián)）電容與液位的關(guān)系為：

工作原理與類型3.3.1（3-95）（2）位移測量

圖3-76變介質(zhì)介電常數(shù)型電容傳感器工作原理與類型3.3.1當x=0時，傳感器的初始電容為當被測電介質(zhì)進入極板間X深度后，引起電容相對變化量為工作原理與類型3.3.1（3-96）電容傳感器等效電路3.3.2RCL圖3-77電容式傳感器等效電路RP由等效電路推導(dǎo)電容傳感器靈敏度電容傳感器等效電路3.3.2使用電容傳感器時，不宜隨便改變引線電纜的長度，改變激勵頻率或改變電纜長度都要重新校正傳感器的靈敏度。（3-97）電容傳感器測量電路3.3.3低通濾波器鑒頻器低頻放大器線性檢波電路外接振蕩器本機振蕩器混頻器限幅放大器3-78外差式調(diào)頻電路原理框圖

（3-98）調(diào)頻電路1電容傳感器測量電路3.3.3混頻后得到中頻信號輸出測量頻率或頻差得出被測位移。（3-99）電容傳感器測量電路3.3.3u-ACx∑～u0C3-79運算放大器電路測量距離，輸入與輸出之間成線性關(guān)系。（3-100）運算放大電路2電容傳感器測量電路3.3.3實現(xiàn)圖3-80雙T型電橋電路U0iC1iC2±UER