傳感器技術(shù)第5講RLC傳感器.ppt

5.1 電阻式傳感器 5.2 電感式傳感器 5.3 電容式傳感器,第五章 RLC傳感技術(shù),5.1 電阻應(yīng)變式傳感器 一 、金屬應(yīng)變片式傳感器 （金屬絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片、測量電路、應(yīng)用） 金屬應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。 優(yōu)點(diǎn)：精度高，測量范圍廣。頻率響應(yīng)特性較好。結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕?？稍诟?低)溫、高速、高壓、強(qiáng)烈振動(dòng)、強(qiáng)磁場及核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣條件下正常工作。易于實(shí)現(xiàn)小型化、固態(tài)化。價(jià)格低廉，品種多樣，便于選擇。 缺點(diǎn)：具有非線性，輸出信號(hào)微弱，抗干擾能力較差，因此信號(hào)線需要采取屏蔽措施；只能測量一點(diǎn)或應(yīng)變柵范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，不能顯示應(yīng)力場中應(yīng)力梯度的變化等；不能用于過高溫度場合下的測量。 二、壓阻式傳感器,(一) 金屬絲式應(yīng)變片 1、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)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 設(shè)有一根長度為l、截面積為S、電阻率為的金屬絲，其電阻R為 兩邊取對數(shù)，得 等式兩邊取微分，得 電阻的相對變化； 電阻率的相對變化； 金屬絲長度相對變化，用表示，= 稱為金屬絲長度方向上的應(yīng)變或軸向應(yīng)變； 截面積的相對變化。,電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖,2、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料 由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。,（1） 敏感柵 由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)變片的電阻值為60、120、200等多種規(guī)格，以120最為常用。應(yīng)變片柵長大小關(guān)系到所測應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。對敏感柵的材料的要求：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片；電阻溫度系數(shù)要小；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；,在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于焊接，對引線材料的熱電勢小。對應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。 （2）基底和蓋片 基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護(hù)敏感柵。基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬。 （3）引線 是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。 （4）粘結(jié)劑 用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。 常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。,3、主要特性 （1） 靈敏度系數(shù) 金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性重新測定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。即 K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。注意，K是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時(shí)測得的。測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。 （2） 橫向效應(yīng) 金屬應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應(yīng)變時(shí)，其橫向應(yīng)變r(jià)也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化(除了起作用外)，應(yīng)變片受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。,（3）機(jī)械滯后 應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后。產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，如果敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。,（4） 零點(diǎn)漂移和蠕變 對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。 如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。 這是兩項(xiàng)衡量應(yīng)變片特性對時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，在長時(shí)間測量中其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中包含零漂，它是一個(gè)特例 （5）應(yīng)變極限 在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實(shí)應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。在圖中，真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力(包括機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力)時(shí)所引起的表面應(yīng)變。,主要因素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。制造與安裝應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料?；缀驼辰Y(jié)劑的厚度不宜過大，并應(yīng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓袒幚恚拍塬@得較高的應(yīng)變極限。,（6） 動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)被測應(yīng)變值隨時(shí)間變化的頻率很高時(shí)，需考慮應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性。因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時(shí)間很短(估計(jì)約0.2s)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。,4、 溫度誤差及其補(bǔ)償 （1） 溫度誤差 用作測量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：應(yīng)變片電阻絲具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。 （2） 溫度補(bǔ)償（自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法）,（二）金屬箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片的工作原理基本和電阻絲式應(yīng)變片相同。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵，故稱箔式電阻應(yīng)變片，如圖。金屬箔的厚度般為(0.0030.010)mm，它的基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度一般為(0.030.05)mm。金屬箔式應(yīng)變片和絲式應(yīng)變片相比較，有如下特點(diǎn)。金屬箔柵很薄，因而它所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更為接近。提高了應(yīng)變測量的精度較大信號(hào)，提高了測量靈敏度。箔柵的尺寸準(zhǔn)確、均勻，且能制成任意形狀，特別是為制造應(yīng)變花和小標(biāo)距應(yīng)變片提供了條件，從而擴(kuò)大了應(yīng)變,片的使用范圍。 箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過較大電流，因而可以輸出。便于成批生產(chǎn)。 缺點(diǎn)：電阻值分散性大，有的相差幾十，故需要作阻值調(diào)整；生產(chǎn)工序較為復(fù)雜，因引出線的焊點(diǎn)采用錫焊，因此不適于高溫環(huán)境下測量；此外價(jià)格較貴。,（三）測量電路 應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化R/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進(jìn)行測量。電阻應(yīng)變片的測量線路多采用交流電橋(配交流放大器)，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡單，因此首先分析直流電橋，如圖所示。當(dāng)電源E為電勢源，其內(nèi)阻為零時(shí)，可求出檢流計(jì)中流過的電流Ig與電橋各參數(shù)之間的關(guān)系為,式中 Rg為負(fù)載電阻，因而其輸出電壓Ug為,設(shè)R1為應(yīng)變片的阻值，工作時(shí)R1有一增量R，當(dāng)為拉伸應(yīng)變時(shí)，R為正；壓縮應(yīng)變時(shí)，R為負(fù)。在上式中以R1+R代替R1，則,設(shè)電橋各臂均有相應(yīng)的電阻增量R1、R2、R3、R4時(shí),在實(shí)際使用時(shí)，一般多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋。,當(dāng)R1R4=R2R3時(shí)，Ig=0，Ug=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。若電橋的負(fù)載電阻Rg為無窮大，則B、D兩點(diǎn)可視為開路，上式可以化簡為：,1、等臂電橋 當(dāng)R1=R2=R3=R4=R時(shí)，稱為等臂電橋。 此時(shí)電橋輸出可寫為 一般情況下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即RRi，略去上式中的高階微量，并利用 式得到,當(dāng)RiR時(shí)，輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系。 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同時(shí)，輸出電壓為兩者之和。若相對兩橋臂應(yīng)變的極性一致時(shí)，輸出電壓為兩者之和；相對橋臂的應(yīng)變極性相反時(shí)，輸出電壓為兩者之差。利用上述特點(diǎn)可進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高測量的靈敏度。,當(dāng)考慮單臂工作時(shí)，即AB橋臂變化R，則,由上式展開級(jí)數(shù)，得,則電橋的相對非線性誤差為,可見，K愈大，愈大，通常K1。,1/2K,當(dāng)僅橋臂AB單臂工作時(shí)，輸出電壓為 由前兩式可知，當(dāng)假定RR時(shí)，輸出電壓Ug與應(yīng)變間呈線性關(guān)系。若假定不成立，則按線性關(guān)系刻度的儀表用來測量必然帶來非線性誤差。,（四） 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 金屬應(yīng)變片， 除了測定試件應(yīng)力、應(yīng)變外，還制造成多種應(yīng)變式傳感器用來測定力、扭矩、加速度、壓力等其它物理量。 應(yīng)變式傳感器包括兩個(gè)部分：一是彈性敏感元件，利用它將被測物理量（如力、扭矩、加速度、壓力等）轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個(gè)是應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。,柱力式傳感器 梁力式傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器,1、柱力式傳感器 圓柱式力傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種。 在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動(dòng)對。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補(bǔ)償，在與軸線任意夾角的方向，其應(yīng)變?yōu)?：,1沿軸向的應(yīng)變；彈性元件的泊松比。,當(dāng)=0時(shí),當(dāng)=90時(shí),E：彈性元件的楊氏模量,2、梁力式傳感器 等強(qiáng)度梁彈性元件是一種特殊形式的懸臂梁。梁的固定端寬度為b0，自由端寬度為b，梁長為L，粱厚為h。,L,R1,R3,R2,R4,x,F,h,b,等強(qiáng)度梁彈性元件,b0,R4,力F作用于梁端三角形頂點(diǎn)上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，故在對L方向上粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。 橫截面梁 雙空梁 S形彈性元件,（b）,（a）,應(yīng)變式壓力傳感器,3、 應(yīng)變式壓力傳感器 測量氣體或液體壓力的薄板式傳感器，如圖所示。當(dāng)氣體或液體壓力作用在薄板承壓面上時(shí)，薄板變形，粘貼在另一面的電阻應(yīng)變片隨之變形，并改變阻值。這時(shí)測量電路中電橋平衡被破壞，產(chǎn)生輸出電壓。圓形薄板固定形式：采用嵌固形式，如圖（a）或與傳感器外殼作成一體，如圖 (b)。,應(yīng)變片,4、應(yīng)變式加速度傳感器 由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應(yīng)變片、基座及外殼等組成。是一種慣性式傳感器。 測量時(shí)，根據(jù)所測振動(dòng)體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。當(dāng)被測點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭所示方向時(shí)，固定在被測部位。當(dāng)被測點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭所示方向時(shí)，懸臂梁自由端受慣性力F=ma的作用，質(zhì)量塊向箭頭a相反的方向相對于基座運(yùn)動(dòng)，使梁發(fā)生彎曲變形，應(yīng)變片電阻也發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)大小與加速度成正比。,5.2 電感式傳感器（變磁阻）,自感式傳感器 氣隙型自感傳感器 螺管型自感傳感器 自感線圈的等效電路 測量電路 差動(dòng)變壓器 結(jié)構(gòu)原理與等效電路 誤差因素分析 測量電路 應(yīng)用 電渦流式傳感器,定義：是一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測的裝置。 感測量：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。 種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式和互感式兩種； 根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型、面積型和螺管型。 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量力小 銜鐵為0.520010-5N時(shí)，磁吸力為(110)10-5N。 分辨力高 機(jī)械位移：0.1m，甚至更小；角位移：0.1角秒。 輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm 。 重復(fù)性好，線性度優(yōu)良 在幾十m到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。 不足：存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測量。,一、 自感式傳感器 有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu)。 （一）氣隙型自感傳感器 1、工作原理 組成：線圈1，銜鐵3和鐵芯2等。 圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長度為l 。,0.5l,1,2,3,x,(a)氣隙式,(b)變截面式,N：線圈匝數(shù)；Rm：磁路總磁阻(鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻) 氣隙式自感傳感器，因?yàn)闅庀遁^小(l為0.11mm)，所以，認(rèn)為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為 l1：鐵芯磁路總長；l2：銜鐵的磁路長；S：隙磁通截面積； S1：鐵芯橫截面積；S2：銜鐵橫截面積；1：鐵芯磁導(dǎo)率； 2：銜鐵磁導(dǎo)率；0：真空磁導(dǎo)率，0=410-7Hm； l：空氣隙總長。,由磁路基本知識(shí)知，線圈自感為,由于自感傳感器的鐵芯一般在非飽和狀態(tài)下，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，所以上式可簡化為,可見，自感L是氣隙截面積和長度的函數(shù)，即Lf(S,l) 如果S保持不變，則L為l的單值函數(shù)，構(gòu)成變隙式自感傳感器；若保持l不變，使S隨位移變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器。其特性曲線如圖。,L=f（S）,L=f（l）,l,L,S,L=f(l)為非線性關(guān)系。當(dāng)l0時(shí)，L為，考慮導(dǎo)磁體的磁阻，當(dāng)l0時(shí)，并不等于，而具有一定的數(shù)值，在l較小時(shí)其特性曲線如圖中虛線所示。如上下移動(dòng)銜鐵使面積S改變，從而改變L值時(shí),則Lf(S)的特性曲線為一直線。,2、特性分析 主要特性:靈敏度和線性度。當(dāng)鐵芯和銜鐵采用同一種導(dǎo)磁材料，且截面相同時(shí)，因?yàn)闅庀秎一般較小，故可認(rèn)為氣隙磁通截面與鐵芯截面相等，設(shè)磁路總長為 l ，則,K=0N 2S,一般r1，所以,當(dāng)氣隙減少l時(shí),自感的相對變化,同理，當(dāng)總氣隙長度增加l時(shí)，自感減小為L2，即,若忽略高次項(xiàng)，則自感變化靈敏度為,線性度,當(dāng)氣隙l發(fā)生變化時(shí)，自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系，其非線性程度隨氣隙相對變化l/l的增大而增加； 氣隙減少l所引起的自感變化L1與氣隙增加同樣l所引起的自感變化L2并不相等，即L1L2，其差值隨l/l的增加而增大。,差動(dòng)變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成。當(dāng)銜鐵3移動(dòng)時(shí)，一個(gè)線圈的自感增加，另一個(gè)線圈的自感減少，形成差動(dòng)形式。如將這兩個(gè)差動(dòng)線圈,E,USC,1,3,4,2,R,R,(l- l)/2,(l- l)/2,分別接入測量電橋鄰臂，則當(dāng)磁路總氣隙改變l時(shí)，自感相對變化為,差動(dòng)式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍 差動(dòng)式自感傳感器非線性失真小,如當(dāng)l/l=10時(shí) (略去llr), 單線圈10；而差動(dòng)式的1。,75,50,25,0,50,75,100,L/mH,l/mm,100,25,LD,4,3,2,1,1,2,3,4,- l, l,對差動(dòng)氣隙式傳感器其l/l與l/(lr)的變化受到靈敏度和非線性失真相互矛盾的制約,因此只能適當(dāng)選取。一般差動(dòng)變隙式自感傳感器l/l0.10.2時(shí)，可使傳感器非線性誤差在3左右。其工作行程很小,若取l2mm,則行程為(0.20.5)mm；較大行程的位移測量,常利用螺管式自感傳感器,1 線圈自感特性； 2 線圈自感特性；3 線圈與差動(dòng)自感特性；4 特性曲線,差動(dòng)式自感傳感器的輸出特性,r,x,螺旋管,鐵心,單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖,l,（二） 螺管型自感傳感器 有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。 單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時(shí)，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。,螺管線圈內(nèi)磁場分布曲線,r,x,l,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,H（ ）,IN,l,x（l）,鐵芯在開始插入（x=0）或幾乎離開線圈時(shí)的靈敏度，比鐵芯插入線圈的1/2長度時(shí)的靈敏度小得多。這說明只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。,若被測量與lc成正比，則L與被測量也成正比。實(shí)際上由于磁場強(qiáng)度分布不均勻，輸入量與輸出量之間關(guān)系非線性的。 為了提高靈敏度與線性度,常采用差動(dòng)螺管式自感傳感器。圖(b)中H=f(x)曲線表明：為了得到較好的線性,鐵芯長度取0.6l時(shí),則鐵芯工作在H曲線的拐彎處,此時(shí)H變化小。這種差動(dòng)螺管式自感傳感器的測量范圍為(550)mm,非線性誤差在0.5左右。,2lc,lc,2l,線圈,線圈,r,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,-0.8,0.8,0.4,1.2,-1.2,-0.4,x,H（ ）,IN,l,差動(dòng)螺旋管式自感傳感器 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)磁場分布曲線,x(l),(a),(b),綜上所述，螺管式自感傳感器的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易； 由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大； 由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾； 由于磁阻高，為了達(dá)到某一自感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大； 要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性。,（三）自感線圈的等效電路,假設(shè)自感線圈為一理想純電感，但實(shí)際傳感器中包括：線圈的銅損電阻（Rc）、鐵芯的渦流損耗電阻（Re）和線圈的寄生電容（C）。因此，自感傳感器的等效電路如圖。,C,L,Rc,Re,（四）測量電路 1、交流電橋 交流電橋是自感傳感器的主要測量電路，為了提高靈敏度，改善線性度，自感線圈一般接成差動(dòng)形式，如圖。Z1、Z2為工作臂，即線圈阻抗，R1、R2為電橋的平衡臂,電橋平衡條件： 設(shè)Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=L E為橋路電源，ZL是負(fù)載阻抗。工作時(shí)，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z,ZL,R1,R2,Z2,Z1,L1,L2,RS1,RS2,交流電橋原理圖,USC,E,其輸出電壓幅值,當(dāng)ZL時(shí),輸出阻抗,為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。,橋路輸出電壓Usc包含與電源E同相和正交兩個(gè)分量。 在實(shí)際測量中，只希望有同相分量，如能使 或Q值比較大，均能達(dá)到此目的。但在實(shí)際工作時(shí)， RS/RS一般很小，所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù)。 當(dāng)Q值很高時(shí)，Usc ；,當(dāng)Q值很低時(shí)，自感線圈的電感遠(yuǎn)小于電阻，電感線圈相當(dāng)于純電阻(ZRs)，交流電橋即為電阻電橋。例 如，應(yīng)變測量儀就是如此，此時(shí)輸出電壓Usc= 。 該電橋結(jié)構(gòu)簡單，其電阻R1、R2可用兩個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成，調(diào)零方便。,Z1,Z2,USC,E/2,E/2,E,變壓器電橋原理圖,I,2、變壓器電橋 平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊，當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)，流入工作臂的電流為,初始Z1=Z2=Z=RS+jL，故平衡時(shí)，USC=0。雙臂工作時(shí)，設(shè)Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相當(dāng)于差動(dòng)式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動(dòng)，則,同理反方向移動(dòng)時(shí),可見，銜鐵向不同方向移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓Usc大小相等、方向相反，即相位互差180，可反映銜鐵移動(dòng)的方向。但是，為了判別交流信號(hào)的相位，需接入專門的相敏檢波電路。,優(yōu)點(diǎn)：這種電橋與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出阻抗小，橋路開路時(shí)電路呈線性； 缺點(diǎn)：變壓器副邊不接地，易引起來自原邊的靜電感應(yīng)電壓，使高增益放大器不能工作。,變壓器電橋的輸出電壓幅值,輸出阻抗為(略去變壓器副邊的阻杭，它遠(yuǎn)小于電感的阻抗),二、 差動(dòng)變壓器 （一）結(jié)構(gòu)原理與等效電路 分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。,1 初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵,1,2,4,3,1,2,3,(a)氣隙型,(b)螺管型,其基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。,3,2,1,2,1,2,1,1,2,(a),(b),(c),(d),1,2,1,1,2,差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式 1 初級(jí)線圈；2 次級(jí)線圈；3 銜鐵,3,三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。,在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖。 初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為,e2,R21,R22,e21,e22,e1,R1,M1,M2,L21,L22,L1,e1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓 L1,R1初級(jí)線圈電感和電阻 M1,M1分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1,2間的互感 L21,L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感 R21,R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻,I1,激勵(lì)電壓的角頻率； e1激勵(lì)電壓的復(fù)數(shù)值；,由于Il的存在，在次級(jí)線圈中產(chǎn)生磁通,Rm1及Rm2分別為磁通通過初級(jí)線圈及兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻，N1為初級(jí)線圈匝數(shù)。,N2為次級(jí)線圈匝數(shù)。 因此空載輸出電壓,在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為,其幅數(shù),輸出阻抗,或,副,0,e2,e2,e21,e22,x,副,原線圈,差動(dòng)變壓器輸出電勢e2與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。,（二） 誤差因素分析 1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響 激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。 2、溫度變化的影響 周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。,3、零點(diǎn)殘余電壓 當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作等。,0,e2,x,-x,e20,1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次諧波 4 三次諧波 5 電磁干擾,圖中e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。,零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因： 基波分量。由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。,高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢。另外，激勵(lì)電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。,消除零點(diǎn)殘余電壓方法： 1從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性 為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。 2選用合適的測量線路,采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。,3采用補(bǔ)償線路 由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。,調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路,并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02F)可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。,e1,e2,C,R1,R2,W,電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路,R或L補(bǔ)償電路,e1,e2,L0,W,e1,e2,R0,W,(a),(b),接入R0(幾百k)或補(bǔ)償線圈L0(幾百匝)。繞在差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈上以減小負(fù)載電壓，避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘余電壓。電路如圖。,（三）測量電路 差動(dòng)變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向，因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測量。 1、差動(dòng)整流電路 根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性，在f點(diǎn)為“”，e點(diǎn)為“”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點(diǎn)為“”，e點(diǎn)為“”，則電流路徑是ehdcgf。可見，無論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，通過電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個(gè)次級(jí)線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見圖（b），其值為USC=eabecd。,全波整流電路和波形圖,e1,R,R,c,a,b,h,g,f,d,e,USC,銜鐵在 零位以下,eab,t,t,t,eab,t,t,t,eab,t,ecd,t,USC,t,ecd,USC,USC,ecd,銜鐵在 零位以上,銜鐵在 零位,(b),(a),在f點(diǎn)為“” ，則電流路徑是fgdche (參看圖a)。反之，如f點(diǎn)為“” ，則電流路徑是ehdcgf。,2、相敏檢波電路 容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調(diào)制電壓er和e同頻，經(jīng)過移相器使er和e保持同相或反相，且滿足ere。調(diào)節(jié)電位器R可調(diào)平衡，圖中電阻R1=R2=R0，電容C1=C2=C0，輸出電壓為UCD。 當(dāng)鐵芯在中間時(shí),e=0,只有er起作用，輸出電壓UCD0。若鐵芯上移，e0，設(shè)e和er同相位，由于ere，故er正半周時(shí)D1、D2仍導(dǎo)通，但D1回路內(nèi)總電勢為ere，而D2回路內(nèi)總電勢為ere，故回路電流i1i2輸出電壓UCD=R0（i1i2）0。當(dāng)er負(fù)半周時(shí)，,UCD=R0(i4-i3)0，因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓UCD0。當(dāng)鐵芯下移時(shí)，e和er相位相反。同理可得UCD0。 由此可見，該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向。,（四）應(yīng)用 測量振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。 1. 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器 用于測定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié)果?？蓽y量的振幅為(0.15)mm，振動(dòng)頻率為(0150)Hz。,穩(wěn)壓電源,振蕩器,檢波器,濾波器,(b),(a),220V,加速度a方向,a,輸出,1,2,1,1 彈性支承 2 差動(dòng)變壓器,2. 微壓力變送器 將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式的壓力傳感器。,220V,1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動(dòng)變壓器 6 銜鐵 7 罩殼,V,振蕩器,穩(wěn)壓電源,差動(dòng)變壓器,相敏檢波電路,1,2,3,4,5,6,7,這種變送器可分檔測量(51056105)N/m2壓力，輸出信號(hào)電壓為(050)mV，精度為1.5級(jí)。,三、 電渦流式傳感器 當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場或在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體上引起感生電流ie，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合，稱為渦流。渦流大小與導(dǎo)體電阻率、磁導(dǎo)率以及產(chǎn)生交變磁場的線圈與被測體之間距離x，線圈激勵(lì)電流的頻率f有關(guān)。顯然磁場變化頻率愈高，渦流的集膚效應(yīng)愈顯著。即渦流穿透深度愈小，其穿透深度h可表示 導(dǎo)體電阻率(cm)； r導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率； f交變磁場頻率(Hz)。 可見，渦流穿透深度h和激勵(lì)電流頻率f有關(guān)，所以渦流傳感器根據(jù)激勵(lì)頻率：高頻反射式或低頻透射式兩類。 目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用廣泛。,（一） 結(jié)構(gòu)和工作原理 主要由一個(gè)安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開一條槽溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。,1,2,3,4,5,6,1 線圈 2 框架 3 襯套 4 支架 5 電纜 6 插頭,傳感器線圈由高頻信號(hào)激勵(lì)，使它產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場i，當(dāng)被測導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，在磁場作用范圍的導(dǎo)體表層，產(chǎn)生了與此磁場相交鏈的電渦流ie，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場e阻礙外磁場的變化。從能量角度來看，在被測導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗（當(dāng)頻率較高時(shí)，忽略磁損耗）。能量損耗使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此當(dāng)被測體與傳感器間的距離d改變時(shí)，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。這便是電渦流傳感器的基本原理。,5.3 電容式傳感器,優(yōu)點(diǎn)：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測量等。 由于材料、工藝，特別是測量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。 應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。,電容器是電子技術(shù)的三大類無源元件(電阻、電感和電容)之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。,一、 工作原理與類型 （一）工作原理 用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容C為 S極板相對覆蓋面積； 極板間距離；r相對介電常數(shù)； 0 真空介電常數(shù)，0 8.85pF/m； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 、S和r中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí)，就改變了電容C0、或S的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；r的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。,（二） 類型 三種基本類型： 變極距(變間隙)()型 變面積型(S)型 變介電常數(shù)(r)型 表5-1列出了電容式傳感器的三種基本結(jié)構(gòu)形式。 位移：線位移和角位移兩種。 極板形狀：平板或圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其他的形狀，但一般很少用，故表中未列出。 其中差動(dòng)式一般優(yōu)于單組（單邊）式的傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。,1、變極距型電容傳感器,圖中極板1固定不動(dòng)，極板2為可動(dòng)電極(動(dòng)片)，當(dāng)動(dòng)片隨被測量變化而移動(dòng)時(shí)，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化 ，其電容變化量C為,2,變極距型電容傳感器,1,該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實(shí)際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度和減小外界因素(如電源電壓、環(huán)境溫度)的影響，常常作成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)或采用適當(dāng)?shù)臏y量電路來改善其非線性。,C,C0,C- 特性曲線,C0極距為時(shí)的初始電容量。,2、變面積型電容傳感器 變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量C在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)為 l外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度； r2、r1 圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。 當(dāng)兩圓筒相對移動(dòng)l時(shí)，電容變化量C為,這類傳感器具有良好的線性,大多用來檢測位移等參數(shù)。,3、變介電常數(shù)型電容傳感器 變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。 若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如下圖，傳感器的電容量與被厚度的關(guān)系為,若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形線位移傳感器如下圖，傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為,a、b、lx:固定極板長度和寬度及被測物進(jìn)入兩極板間的長度 ； :兩固定極板間的距離； x、0:被測物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù) 。,若忽略邊緣效應(yīng)，圓筒式液位傳感器如下圖，傳感器的電容量與被液位的關(guān)系為,液位傳感器,h,C1,C,C2,可見，傳感器電容量C與被測液位高度hx成線性關(guān)系。,2r1,2r2,hx,例 某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的r 2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲(chǔ)存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L),解：,二、 轉(zhuǎn)換電路 （一） 電容式傳感器等效電路 L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感： r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成； C0為傳感器本身的電容； Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容； Rg是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗，其值在制造工藝上和材料選取上應(yīng)保證足夠大。,供電電源頻率為諧振頻率的1/31/2,將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂(另一個(gè)臂為固定電容)或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個(gè)二次線圈。其中另兩個(gè)臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小、大大簡化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。而變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。,（二）測量電路,1、電橋電路,特點(diǎn)：高頻交流正弦波供電； 電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施； 通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場合應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋； 輸出阻抗很高(幾M至幾十M)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。,2、二極管雙T形電路 電路原理如圖(a)。供電電壓是幅值為UE、周期為T、占空比為50的方波。若將二極管理想化，則當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成典型的一階電路，如圖(b)。其中二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，電容C1被以極其短的時(shí)間充電、其影響可不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE。根據(jù)一階電路時(shí)域分析的三要素法，可直接得到電容C2的電流iC2如下：,C2,UE,(b),R,R,RL,C2,C1,VD1,VD2,iC1,iC2,+,+,UE,(a),C1,C1,C2,UE,RL,RL,R,R,R,R,+,+,+,+,iC1,iC2,iC1,iC2,同理，負(fù)半周時(shí)電容C1的平均電流:,在R（RRL）/（RRL）C2T/2時(shí), 電流iC2的平均值IC2可以寫成下式：,故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為,電路特點(diǎn)： 線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響； 電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定； 輸出阻抗為R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)； 適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。,3、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 又稱差動(dòng)脈寬(脈沖寬度)調(diào)制電路 利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對應(yīng)被測量變化的直流信號(hào)。,右圖為差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖，圖中C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。,t,uA,uA,uB,uB,uAB,uAB,UF,UF,UG,UG,Ur,Ur,Ur,Ur,-U1,U1,T1,U1,-U1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,T2,U1,U1,U1,U1,T1,T2,t,t,t,t,t,t,t,t,t,(a),(b),差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖,U0,UAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓U0為,UA、UBA點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量； T1、T2 分別為C1和C2的充電時(shí)間；U1觸發(fā)器輸出的高電位。 C1、C2的充電時(shí)間T1、T2為,設(shè)R1R2R，則,因此，輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。,Ur觸發(fā)器的參考電壓。,設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為 1、 2和S1、S2，將平行板電容公式代入上式，對差動(dòng)式變極距型和變面積型電容式傳感器可得 可見差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。這是十分可貴的性質(zhì)。在此指出：具有這個(gè)特性的電容測量電路還有差動(dòng)變壓器式電容電橋和由二極管T形電路經(jīng)改進(jìn)得到的二極管環(huán)形檢彼電路等。 另外，差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對元件無線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。,4、 運(yùn)算放大器式電路 其最大特點(diǎn)是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。其原理如圖 將Cx = 代入上式得,-A,uo,C,Cx,u,運(yùn)算放大器式 電路原理圖,負(fù)號(hào)表明輸出與電源電壓反相。顯然，輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。這里是假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。,三、 主要性能、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn),（一） 主要性能 1、 靜態(tài)靈敏度 是被測量緩慢變化時(shí)傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。對于變極距型其靜態(tài)靈敏度kg為 可見其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時(shí)還隨被測量而變化。減小可以提高靈敏度。但過小易導(dǎo)致電容器擊穿（空氣的擊穿電壓為3kVmm）?？稍跇O間加一層云母片（其擊穿電壓大于 103kV/mm）或塑料膜來改善電容器耐壓性能。,靈敏度取決于r2/r1，r2與r1越接近，靈敏度越高。雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋長度與靈敏度無關(guān)，但不可太小，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。 另外，變極距型和變面積型電容式傳感器可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式來提高靜態(tài)靈敏度，一般提高一倍。例如，對變面積型差動(dòng)式線位移電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為,對于圓柱形變面積型電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為,可見比相應(yīng)單組式的靈敏度提高一倍。變面積型和變介電常數(shù)型電容式傳感器在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其輸入被測量與輸出電容量呈線性關(guān)系，因而其靜態(tài)靈敏度為常數(shù),顯然，輸出電容C與被測量之間是非線性關(guān)系。 只有當(dāng)(/1時(shí)，略去各非線性項(xiàng)后才能得到近似線性關(guān)系為CC0(/)。由于取值不能大，否則將降低靈敏度，因此變極距型電容式傳感器常工作在一個(gè)較小的范圍內(nèi)（1cm至零點(diǎn)幾mm），而且最大應(yīng)小于極板間距的1/51/10。,2、非線性 對變極距型電容式傳感器，當(dāng)極板間距變化時(shí)，其電容量的變化：,可見，差動(dòng)式的非線性得到很大改善，靈敏度也提高了一倍。 如果電容式傳感器輸出量采用容抗XC=1/(C) ，那么被測量就與XC成線性關(guān)系，不需要滿足 這一要求了。 在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，變面積型和變介電常數(shù)型（測厚除外）電容式傳感器具有很好的線性，但實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)引起極板或極筒間電場分布不均勻，導(dǎo)致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。,采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量C,（二） 特點(diǎn) 1溫度穩(wěn)定性好 傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素(因本身發(fā)熱極小) 影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。 2結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進(jìn)行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測量。,3動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個(gè)10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。 4可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng) 當(dāng)被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測量時(shí),電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。 電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。,不足： 1輸出阻抗高，負(fù)載能力差 電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗