無源型位移傳感器

1、第3章 無源型位移傳感器 第3章 無源型位移傳感器 3.1 電位器式傳感器電位器式傳感器 3.2 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 3.3 電容式傳感器電容式傳感器 3.4 電感式傳感器電感式傳感器 3.5 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 3.6 相敏檢波相敏檢波 第3章 無源型位移傳感器 3.1 電位器式傳感器電位器式傳感器 電位器是人們常用到的一種電子元件， 它作為傳感器可以將機(jī)械位移或其他能變換成位移的非電量變換為電阻值的變化， 并容易轉(zhuǎn)換成電壓的變化。 電位器式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單， 價(jià)格低廉， 性能穩(wěn)定， 對(duì)環(huán)境條件要求不高， 輸出信號(hào)大， 易于轉(zhuǎn)換， 便于維修的優(yōu)點(diǎn)。 其缺點(diǎn)是存在摩擦， 分辨

2、力有限， 精度不夠高， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，僅適于測(cè)量變化較緩慢的量， 常用作位置信號(hào)發(fā)生器。 圖3-1(a)和(b)分別為直線位移和角位移傳感器的外形圖。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-1 電位器式傳感器的外形及電壓轉(zhuǎn)換原理圖（a） 直線位移傳感器； (b) 角位移傳感器； (c) 電位器的位移電壓轉(zhuǎn)換原理圖 第3章 無源型位移傳感器 3.1.1 3.1.1 電位器式傳感器的轉(zhuǎn)換原理電位器式傳感器的轉(zhuǎn)換原理根據(jù)電工知識(shí)，我們很容易理解電位器的電壓轉(zhuǎn)換原理。 電位器的位移電壓轉(zhuǎn)換原理如圖3-1（c）所示。 設(shè)電阻體的長度為l，電阻值為R，兩端所加（輸入）電壓為Ui，則滑動(dòng)端輸出電壓為 xlUUoi

3、(3-1)式中，x為位移量。 第3章 無源型位移傳感器 3.1.2 3.1.2 電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)與類型電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)與類型如圖3-2所示，電位器由電阻元件、 電刷、 骨架等組成。 其形式有直滑式和旋轉(zhuǎn)式， 旋轉(zhuǎn)式有單圈和多圈兩種。 電刷由觸頭、 臂、 導(dǎo)向及軸承等裝置組成； 觸頭常用銀、 鉑銥、 鉑銠等金屬； 電刷臂用磷青銅等彈性較好的材料； 骨架常用陶瓷、 酚醛樹脂及工程塑料等絕緣材料。 電阻元件有線繞電阻、 薄膜電阻、 導(dǎo)電塑料電阻、 導(dǎo)電玻璃釉電阻等。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-2 電位器的原理圖（a） 直滑式； (b) 單圈旋轉(zhuǎn)式； (c) 多圈旋轉(zhuǎn)式 第3章 無源型位

4、移傳感器 1. 1. 線繞電位器線繞電位器線繞電位器電阻元件由康銅絲、鉑銥合金及卡瑪絲等電阻絲繞制， 因而能承受較高的溫度， 常被制成功率型電位器， 其額定功率范圍一般為0.2550 W， 阻值范圍為100 100 k。 線繞電位器的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單， 使用方便； 缺點(diǎn)是分辨率低， 這是由于電阻絲是一匝一匝地繞在骨架上的， 當(dāng)接觸電刷從這一匝移到另一匝時(shí)， 阻值的變化呈階梯式。 第3章 無源型位移傳感器 2. 2. 非線繞電位器非線繞電位器1) 合成膜電位器合成膜電位器的電阻體是用具有某一電阻值的懸浮液噴涂在絕緣骨架上形成電阻膜而制成的。 其優(yōu)點(diǎn)是分辨率較高，阻值范圍很寬（100 4.7 M

5、）， 耐磨性較好，工藝簡單， 成本低， 線性度好等； 主要缺點(diǎn)是接觸電阻大，功率不夠大， 容易吸潮， 噪聲較大等。 第3章 無源型位移傳感器 2） 金屬膜電位器金屬膜電位器由合金、 金屬或金屬氧化物等材料通過真空濺射或電鍍方法， 在瓷基體上沉積一層薄膜而制成。 金屬膜電位器具有無限分辨力， 接觸電阻很小， 耐熱性好， 滿負(fù)荷達(dá)70。 與線繞電位器相比， 它的分布電容和分布電感很小， 特別適合在高頻條件下使用。 它的噪聲僅高于線繞電位器。金屬電位器的缺點(diǎn)是耐磨性較差， 阻值范圍窄，一般在10100 。 由于這些缺點(diǎn)， 限制了它的使用范圍。 第3章 無源型位移傳感器 3) 導(dǎo)電塑料電位器導(dǎo)電塑料電

6、位器又稱實(shí)心電位器， 這種電位器的電阻是由塑料粉及導(dǎo)電材料的粉料經(jīng)塑壓而成的。 導(dǎo)電塑料電位器的耐磨性很好， 使用壽命較長， 允許電刷的接觸壓力很大， 在振動(dòng)、 沖擊等惡劣環(huán)境下仍能可靠工作。 此外， 它的分辨率較高， 線性度較好， 阻值范圍大， 能承受較大的功率。 導(dǎo)電塑料電位器的缺點(diǎn)是阻值易受濕度影響， 故精度不易做得很高。 導(dǎo)電塑料電位器的標(biāo)準(zhǔn)阻值有1 k、2 k、5 k和10 k， 線性度為0.1%和0.2%。 第3章 無源型位移傳感器 4） 導(dǎo)電玻璃釉電位器導(dǎo)電玻璃釉電位器又稱金屬陶瓷電位器， 它是以合金、 金屬氧化物或難溶化合物等為導(dǎo)電材料， 以玻璃釉粉為粘合劑， 混合燒結(jié)在陶瓷或

7、玻璃基體上制成的。 導(dǎo)電玻璃釉電位器的耐高溫性、 耐磨性好， 有較寬的阻值范圍， 電阻濕度系數(shù)小且抗?jié)裥詮?qiáng)。 導(dǎo)電玻璃釉電位器的缺點(diǎn)是接觸電阻變化大、 噪聲大、 不易保證測(cè)量的高精度。 第3章 無源型位移傳感器 3.2 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變式傳感器是根據(jù)應(yīng)變?cè)恚?通過應(yīng)變片和彈性元件將機(jī)械構(gòu)件的應(yīng)變或應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電阻的微小變化再進(jìn)行電量測(cè)量的裝置。 其基本構(gòu)成如圖3-3所示。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-3 應(yīng)變式傳感器原理框圖 第3章 無源型位移傳感器 應(yīng)變式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 測(cè)量范圍寬、精度高，如測(cè)量力可達(dá)10-1106N、 0.05% F.S，測(cè)量壓力可達(dá)1010

8、11Pa、0.1% F.S，測(cè)量應(yīng)變可達(dá)k級(jí)； （2） 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，一般電阻應(yīng)變片響應(yīng)時(shí)間為10-7s， 半導(dǎo)體式應(yīng)變片響應(yīng)時(shí)間達(dá)10-11s； (3) 結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，體積小，重量輕；品種多，價(jià)格低， 耐惡劣環(huán)境， 易于集成化和智能化。 第3章 無源型位移傳感器 3.2.1 3.2.1 應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)變靈敏度應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)變靈敏度1. 1. 金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度金屬導(dǎo)體的電阻與材料、長度、截面積和溫度有關(guān)。在溫度一定時(shí)， 其電阻定律為 SlR(3-2） 式中，R為導(dǎo)體的電阻值；l為導(dǎo)體的長度；S為導(dǎo)體的截面積； 為導(dǎo)體的電阻率。 第3章 無源型位移傳感器 當(dāng)沿金屬

9、絲長度方向施加力時(shí)，其幾何尺寸和電阻率都會(huì)變化，從而導(dǎo)致電阻值的變化。經(jīng)證明可得 KRR(3-3） 式中，K為應(yīng)變靈敏度系數(shù)。由表3-1可以看出，金屬應(yīng)變片K2。 第3章 無源型位移傳感器 2. 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)與壓阻系數(shù)半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)與壓阻系數(shù)對(duì)于半導(dǎo)體材料， 在某一晶向施加一定應(yīng)力時(shí)， 其電阻率將產(chǎn)生較大的變化， 而幾何尺寸變化很小，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。 相應(yīng)的， 半導(dǎo)體應(yīng)變電阻也常稱為壓阻元件。 半導(dǎo)體材料壓阻靈敏度為 EK1(3-4) 式中，E為半導(dǎo)體材料的彈性模量；l為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的K約為幾十甚至幾百， 遠(yuǎn)大于金屬電阻的應(yīng)變靈敏度。 但其溫度穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如金

10、屬電阻應(yīng)變片。 第3章 無源型位移傳感器 3.2.2 3.2.2 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片1. 1. 電阻應(yīng)變片的類型與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的類型與結(jié)構(gòu)1） 金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的類型和結(jié)構(gòu)如圖3-4所示， 它有絲式、 箔式和薄膜式。 其中，圖（a）為其結(jié)構(gòu)示意圖， 敏感柵粘貼在基底上， 上面覆蓋保護(hù)層。 基底有紙基和膠基兩種。 應(yīng)變片的縱向尺寸為工作長度， 反映被測(cè)應(yīng)變， 其橫向應(yīng)變將造成測(cè)量誤差。 圓角絲柵橫向應(yīng)變靈敏度高， 誤差較大， 但耐疲勞性好， 一般用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。 直角絲柵橫向應(yīng)變靈敏度小， 因而精度高， 但耐疲勞性差， 適用于靜態(tài)測(cè)量。 第3章 無源型位移傳感器 箔式電阻應(yīng)變片是用

11、光刻技術(shù)將康銅或鎳鉻合金箔腐蝕成柵狀而成。 其絲柵形狀可與應(yīng)力分布相適應(yīng)， 制成各種專用應(yīng)變片。它的電阻值分散度小， 可做成任意形狀， 易于大量生產(chǎn)， 成本低， 散熱性好， 允許通過大的電流， 靈敏度高， 耐蠕變和耐漂移能力強(qiáng)。 薄膜應(yīng)變片是采用真空鍍膜技術(shù)在很薄的絕緣基底上蒸鍍金屬電阻材料薄膜， 再加上保護(hù)層形成的。 其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高， 允許通過大的電流。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-4 金屬電阻應(yīng)變片 第3章 無源型位移傳感器 2） 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片有體型、 薄膜型和擴(kuò)散型等形式。 圖3-5是體型半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖， 它由基片1、 條狀半導(dǎo)體2、 引線3組成。 體型半導(dǎo)體應(yīng)

12、變片是直接用單晶鍺或單晶硅等半導(dǎo)體材料經(jīng)過切割、 研磨、 切條、 焊引線、 粘貼等工藝過程制成的。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-5 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 第3章 無源型位移傳感器 表表3-1 應(yīng)變片主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)變片主要技術(shù)參數(shù) 第3章 無源型位移傳感器 2. 應(yīng)變片的使用應(yīng)變片的使用1） 電阻應(yīng)變片的選擇選擇時(shí)主要考慮尺寸、 初始電阻、 絕緣電阻及允許工作電流。 （1） 應(yīng)變片的幾何尺寸： 應(yīng)變片的幾何參數(shù)主要是指敏感柵基長l、 基寬a和曲率半徑r。一般基長l在335 mm范圍內(nèi)， 基寬=0.0310 mm，圓角絲柵的曲率半徑r=0.10.3 mm。 第3章 無源型位移傳感器 （2

13、） 應(yīng)變片的初始電阻和絕緣電阻： 應(yīng)變片的初始電阻值R0有60、120、200、350、600或1000的應(yīng)變片。絕緣電阻是指敏感柵與基底間的電阻，應(yīng)防止應(yīng)變片與試件間的漏電而造成誤差。 （3） 允許工作電流和逸散功率： 通常在測(cè)靜態(tài)量時(shí)， 允許電流小于25 mA。在測(cè)動(dòng)態(tài)量時(shí)，允許電流高一些。 應(yīng)變片的逸散功率是指當(dāng)電流通過應(yīng)變片時(shí)， 在溫度允許范圍內(nèi)， 單位時(shí)間傳給周圍介質(zhì)的熱量。 第3章 無源型位移傳感器 2） 電阻應(yīng)變片粘貼電阻應(yīng)變片是粘貼在彈性敏感元件上或被測(cè)構(gòu)件上工作的， 傳感器的性能在很大程度上取決于粘貼質(zhì)量。 電阻應(yīng)變片的粘貼工藝如下：（1） 試件的表面處理：必須將試件表面處理

14、干凈，清除雜質(zhì)、油污及表面氧化層等。 （2） 確定貼片位置： 應(yīng)變片應(yīng)貼在試件應(yīng)變最大的部位。 第3章 無源型位移傳感器 （3） 粘貼：首先用甲苯、四氫化碳等溶劑清洗試件表面和應(yīng)變片的底面，然后在試件表面和應(yīng)變片的底面各涂一層薄而均勻的粘合劑，將應(yīng)變片貼在確定的位置處。貼片后，在應(yīng)變片上蓋上一張玻璃紙并加壓，排出多余的膠水和氣泡。加壓時(shí)要注意防止應(yīng)變片錯(cuò)位。粘貼應(yīng)變片的粘合劑的種類很多，要根據(jù)基片材料、工作溫度、潮濕程度、穩(wěn)定性、是否加溫加壓以及粘貼時(shí)間等多種因素合理選擇粘合劑。 （4） 固化： 根據(jù)所使用的粘合劑的固化工藝要求進(jìn)行固化處理。 第3章 無源型位移傳感器 （5） 粘貼質(zhì)量檢查：檢

15、查粘貼位置是否正確，粘合層是否有氣泡和漏貼，敏感柵是否有短路或斷路現(xiàn)象以及敏感柵的絕緣性能等。 （6） 引線的焊接與防護(hù)： 檢查合格后即可焊接引線， 引線要適當(dāng)固定。 然后在應(yīng)變片上涂一層防護(hù)層， 防止大氣對(duì)應(yīng)變片的侵蝕。 第3章 無源型位移傳感器 3.2.3 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 1. 電阻電橋的輸出電壓電阻電橋的輸出電壓直流電阻電橋如圖3-6（a）、（b）、（c）所示，其初始狀態(tài)可通過RP1調(diào)零。若采用交流電源供電，則稱為交流電橋， 如圖3-6（d）所示，可通過RP1和RP2調(diào)零。當(dāng)電橋平衡時(shí)，輸出電壓Uo=0。電橋的平衡條件是對(duì)邊臂電阻乘積相等， 即 R1R3=R2R4 (3-5） 第3章

16、無源型位移傳感器 圖3-6 常用電橋電路（a） 單臂； （b） 雙臂； (c) 全橋； (d) 交流電橋 第3章 無源型位移傳感器 由于通常四個(gè)電阻不可能剛好滿足平衡條件，因此電橋都設(shè)置有調(diào)零電路。 調(diào)零電路是由RP1及R5組成的。當(dāng)電橋不平衡時(shí)， 將有電壓輸出。 根據(jù)電路原理，其輸出電壓為 i41324231i414323o)(URRRRRRRRURRRRRRU（3-6） 當(dāng)四個(gè)橋臂電阻R1、R2、R3、R4分別發(fā)生R1 、R2 、 R3 、R4的變化量時(shí)， 式（3-6）分母中將含有變量R項(xiàng)，分子中將含有R2項(xiàng)， 因此電橋?yàn)榉蔷€性特性。 在滿足式（3-5）的條件下，略去分母中的R項(xiàng)和分子中的

17、R2項(xiàng)，并經(jīng)整理可得 44332211io4RRRRRRRRUU（3-7） 第3章 無源型位移傳感器 2. 2. 應(yīng)變電橋的工作方式應(yīng)變電橋的工作方式對(duì)于應(yīng)變式傳感器，其電橋電路可分為全橋、單臂電橋和雙臂電橋工作方式。全橋和雙臂電橋還可構(gòu)成差動(dòng)工作方式。 式（3-7）和式（3-8）為全橋的輸出電壓表達(dá)式。 1） 半橋單臂工作方式如圖3-6（a）所示，R1為電阻應(yīng)變片，R2、R3、R4為固定電阻，由式（3-7）和式（3-8）得 1i11io44kURRUU（3-9） 第3章 無源型位移傳感器 2） 半橋雙臂工作方式如圖3-6（b）所示，R1、R2均為電阻應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻，同理可得 )

18、(4421i2211iokURRRRUU（3-10） 第3章 無源型位移傳感器 3） 差動(dòng)電橋由式（3-7）可以看出，相鄰橋臂間為相減關(guān)系， 相對(duì)橋臂間為相加關(guān)系。因此構(gòu)成差動(dòng)電橋的條件為： 相鄰橋臂應(yīng)變片的應(yīng)變方向應(yīng)相反，相對(duì)橋臂應(yīng)變片的應(yīng)變方向應(yīng)相同。如果各應(yīng)變片的應(yīng)變量相等，則稱為對(duì)稱電橋。那么，式（3-10）和式（3-7）可分別改寫為 1i11io1i11io22kURRUUkURRUU（3-11） （3-12） 第3章 無源型位移傳感器 3.3 電容式傳感器電容式傳感器 3.3.1 3.3.1 電容式傳感器的類型與特性電容式傳感器的類型與特性在物理學(xué)中我們已經(jīng)知道： 兩個(gè)彼此絕緣而又

19、靠得很近的導(dǎo)體就組成了一個(gè)電容器， 電容量等于極板所帶電荷量與極板間的電壓之比。 平行金屬板間的電容量為 kdSUQC4（3-13） 式中，k9109Nm2/C2。 第3章 無源型位移傳感器 1.改變極板間距離的平板電容式傳感器改變極板間距離的平板電容式傳感器如圖3-7（a）所示，設(shè)A板為一固定極板，B板為一可動(dòng)極板，當(dāng)B板隨被測(cè)位移x移動(dòng)時(shí)， 兩板間距離d就發(fā)生變化，從而改變電容量。由圖3-7（b）可知其特性為非線性，但若d很小時(shí)， 則可以近似為線性特性， 而且具有很高的靈敏度（d/d=c/c)。如圖3-7（c）所示為差動(dòng)式結(jié)構(gòu)， 可以提高靈敏度、減小非線性。 第3章 無源型位移傳感器 圖3

20、-7 平板電容式傳感器(a) 變極距式示意圖； (b) 變極距式的特性； (c) 差動(dòng)式示意圖 第3章 無源型位移傳感器 2. 2. 改變極板間有效面積的電容式傳感器改變極板間有效面積的電容式傳感器改變極板間有效面積的電容式傳感器常見的有以下四種： 平板式、 扇形平板式、柱面板式和圓筒面式，如圖3-8所示。 同樣它們也可以做成差動(dòng)式。平板式和圓筒面式用于測(cè)量直線位移， 扇形平板和柱面板式用于測(cè)量角位移。變面積式電容傳感器的特性為線性特性，測(cè)量范圍寬，但靈敏度較低。 圓筒面電容式傳感器的電容值可表示為 )/ln()(55. 0)/ln()(rrdDlldDllKCAB（3-14） 式中，l為兩圓

21、筒的高度；d為圓筒A的外徑； D為圓筒B的內(nèi)徑； l為沿軸線的位移(單位為cm)；K為系數(shù)，當(dāng)d接近D時(shí)，可略去邊緣效應(yīng)，取K=0.55。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-8 改變極板間有效面積的電容式傳感器（a） 平板式；（b） 扇形平板；（c）柱面板式；（d）圓筒面式 第3章 無源型位移傳感器 3. 3. 改變極板間介質(zhì)的電容式傳感器改變極板間介質(zhì)的電容式傳感器圖3-9為改變極板間介質(zhì)的電容式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。它的電極間相互位置沒有任何改變，而是靠改變極板間介質(zhì)高度來改變其電容值的。設(shè)被測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為r1，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為r01，介質(zhì)高度為h，傳感器總高度為H，內(nèi)筒的外徑為d

22、，外筒的內(nèi)徑為D，則由式（3-14）可求得傳感器的電容值為 dDhKCCln)(0r1r0（3-15） 式中，為傳感器的初始電容值。 可見傳感器的電容增量與被測(cè)液位高度h成正比， 故它可以用來測(cè)量液位和料位的高度。 )/ln(0r0dDHKC第3章 無源型位移傳感器 圖3-9 變介質(zhì)電容式傳感器原理圖（a） 結(jié)構(gòu)原理示意圖； （b） 輸入/輸出特性 第3章 無源型位移傳感器 3.3.2 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路1. 橋式電路橋式電路圖3-10為電容傳感器的橋式轉(zhuǎn)換電路。 其中，（a）為單臂接法，高頻電源接到電容電橋的一個(gè)對(duì)角線上，電容C1、C2、C3、Cx構(gòu)成電容電橋的四臂

23、， Cx為電容傳感器， 電橋平衡時(shí)輸出電壓為零； Cx變化時(shí)電橋平衡被破壞， 則有電壓輸出。（b）為差動(dòng)接法， 其空載輸出電壓可表示為uo=CU/C0，C為電容傳感器的電容變化值。（c）為雙T形電橋原理圖， 激勵(lì)電源為穩(wěn)頻、 穩(wěn)幅的高頻對(duì)稱方波，它利用二極管控制傳感器電容Cx和電容C的充放電，當(dāng)Cx=C時(shí)，負(fù)載RL上流過的平均電流為零； 第3章 無源型位移傳感器 圖3-10 電容傳感器的橋式轉(zhuǎn)換電路第3章 無源型位移傳感器 當(dāng)Cx變化時(shí)，負(fù)載RL上得到與電容變化成比例的信號(hào)電壓。電容C可以是固定電容，也可以是差動(dòng)電容的另一邊。雙T形電橋輸出電壓高，可測(cè)量高速機(jī)械振動(dòng)，輸出阻抗與Cx無關(guān)，只決定

24、于電阻R（1100 k）, 可用毫安表或微安表直接測(cè)量。電容式傳感器也可以采用如圖3-6(d)所示的電路，將圖中的C1、C2接成差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容，由RP1和RP2配合調(diào)節(jié)電橋的平衡。 第3章 無源型位移傳感器 2. 2. 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路圖3-11為差動(dòng)電容傳感器的脈沖調(diào)寬電路， 其輸出電壓經(jīng)低通濾波后的平均值正比于輸入的非電量?？梢宰C明： 變極距差動(dòng)電容傳感器輸出為 UddU0av（3-16） 變面積差動(dòng)電容傳感器輸出為 USSU0av（3-17） 式中，U為觸發(fā)器輸出高電平電壓值。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-11 差動(dòng)式電容傳感器脈沖調(diào)寬電路第3章 無源型

25、位移傳感器 3.3.3 3.3.3 電容式傳感器的使用注意事項(xiàng)電容式傳感器的使用注意事項(xiàng)在應(yīng)用或制造電容式傳感器時(shí)，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：（1） 擊穿電壓：電容式傳感器極板之間的空氣隙d很小， 存在介質(zhì)被擊穿的危險(xiǎn)，通常在兩極板間加云母片以避免空氣隙被擊穿。 （2） 極片材料受溫度的影響：由不同材料制造成的傳感器， 具有不同的溫度膨脹系數(shù)，為此在決定傳感器尺寸和選材時(shí)均要考慮溫度影響。 （3） 連接線問題： 電容式傳感器的電容值均很小，一般在皮法(10-12F)級(jí)， 因而連接線通常使用分布電容極小的高頻電纜。 第3章 無源型位移傳感器 3.4 電感式傳感器電感式傳感器 3.4.1 3.4.1 自

26、感式傳感器自感式傳感器1. 1. 變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器變氣隙式自感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖3-12所示。其中， （a）為單邊式結(jié)構(gòu)，（b）為差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。它們由鐵芯、線圈、 銜鐵、 測(cè)桿及彈簧等組成。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-12 變氣隙式自感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖（a） 單邊式； （b） 差動(dòng)式 第3章 無源型位移傳感器 由電工知識(shí)可知，線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù)， 即線圈的自感系數(shù)為 )H(INIL式中，=N為磁鏈；為磁通（Wb）；I為流過線圈的電流（A），N為線圈匝數(shù)。 根據(jù)磁路歐姆定律知： lNIS式中，為磁導(dǎo)率；S為磁路

27、截面積；l為磁路總長度。 第3章 無源型位移傳感器 令Rm=l/S為磁路的磁阻，可得線圈的電感量為 m22RNlSNINL（3-18） 圖3-12中的磁路總長度包括鐵芯長度li1、銜鐵長度li2和兩個(gè)空氣間隙l0的長度，即l= li1+ li2+2l0。 因鐵芯和銜鐵均為導(dǎo)磁材料， 磁阻可忽略不計(jì)， 則式（3-18）可改寫為 0002m22lSNRNL（3-19） 式中，S0為氣隙的等效截面積；0為空氣的磁導(dǎo)率。只要被測(cè)非電量能夠引起空氣隙長度l0或等效截面積S0發(fā)生變化，線圈的電感量就會(huì)隨之變化。 因此， 電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長度式和變氣隙截面式兩種類型。 第3章 無源型位移傳感

28、器 1） 變氣隙長度式電感傳感器由式（3-19）可知， 變氣隙長度式傳感器的特性與圖3-7（b）所示的相同。它具有線性度差、示值范圍窄、自由行程小、 在小位移下靈敏度很高的特點(diǎn)。 因此， 常用于直線小位移的測(cè)量， 以及結(jié)合彈性敏感元件構(gòu)成壓力傳感器、加速度傳感器等。2） 變氣隙截面式電感傳感器如圖3-13所示，旋轉(zhuǎn)銜鐵可改變氣隙的截面積。同樣由式（3-19）可知，變截面式傳感器具有線性度良好、自由行程大、 示值范圍寬、靈敏度較低的特點(diǎn)，通常用來測(cè)量比較大的直線位移和角位移。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-13 變氣隙截面式電感傳感器 第3章 無源型位移傳感器 3） 差動(dòng)式結(jié)構(gòu)為了擴(kuò)大示值范圍

29、和減小非線性誤差， 可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)， 如圖3-12（b）和3-13所示。 將兩個(gè)線圈接在電橋的相鄰臂，構(gòu)成差動(dòng)電橋，不僅可使靈敏度提高一倍， 而且可使非線性誤差大為減小。如當(dāng)x/l0=10%時(shí)， 單邊式非線性誤差小于10，而差動(dòng)式非線性誤差小于1。 第3章 無源型位移傳感器 2. 2. 螺管式（開磁路式）自感式傳感器螺管式（開磁路式）自感式傳感器螺管式自感式傳感器常采用差動(dòng)式，如圖3-14所示。 它是在螺線管中插入圓柱形鐵芯而構(gòu)成的。其磁路是開放的，氣隙磁路占很長的部分。有限長螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)沿軸線非均勻分布， 中間強(qiáng)， 兩端弱。插入鐵芯的長度，不宜過短也不宜過長， 一般鐵芯與線圈長度比為0.5

30、，半徑比趨于1為宜。 鐵磁材料的選取決定于供橋電源的頻率，500Hz以下多用硅鋼片，500 Hz以上多用坡莫合金， 更高頻率的則選用鐵氧體。從線性度考慮， 匝數(shù)和鐵芯長度有一最佳數(shù)值，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)選定。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-14 螺管式自感式傳感器結(jié)構(gòu)原理 第3章 無源型位移傳感器 3. 電感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電感式傳感器常用交流阻抗電橋和諧振電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 圖3-15為電感式傳感器常用的交流阻抗電橋，電橋的平衡也可用如圖3-6（d）所示的電路來調(diào)節(jié)。圖3-15（a）為電感電橋， 為了便于選擇元件，另外兩臂常采用固定電阻，電橋的輸出電壓為 LLuu2o（3

31、-20） 第3章 無源型位移傳感器 圖3-15(b)為變壓器電橋，其中兩橋臂為變壓器二次側(cè)的線圈，Z1、Z2為差動(dòng)式電感傳感器的線圈，若忽略線圈的電阻變化，則輸出電壓為 LLuZZZZuu222121o（3-21） 當(dāng)銜鐵移動(dòng)方向相反時(shí)，輸出電壓的相位將相差180。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-15 電感式傳感器電橋電路 (a) 電感電橋； (b) 變壓器電橋 第3章 無源型位移傳感器 3.4.2 3.4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器1. 1. 差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)與原理差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)與原理差動(dòng)變壓器是互感式差動(dòng)電感傳感器， 它的結(jié)構(gòu)分為變隙式和螺管式兩種。 由于變隙式行程很小(l00.5 mm

32、)， 結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜， 目前多采用螺管式， 如圖3-16（a）所示。螺管式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)仍包括線圈、 鐵芯、 銜鐵和測(cè)桿等。線圈排列的方式有二節(jié)型、 三節(jié)型和多節(jié)型幾種。 線圈由一次側(cè)線圈、二次側(cè)線圈和骨架組成。 骨架常采用絕緣、高頻損耗小、抗潮濕、 溫度膨脹系數(shù)小的材料制成圓柱形。第3章 無源型位移傳感器 普通的可用膠木棒， 要求高的則用環(huán)氧玻璃纖維、聚砜塑料或聚四氟乙烯等。 骨架的形狀和尺寸要精密對(duì)稱。線圈通常用高強(qiáng)度漆包線密繞而成， 一般采用3648號(hào)漆包線，導(dǎo)線直徑取決于電源電壓和頻率的高低。 鐵芯的作用是提供閉合磁回路、 磁屏蔽和機(jī)械保護(hù)。 銜鐵和鐵芯用同種導(dǎo)磁材料制造。 高精度差動(dòng)

33、變壓器宜用高鎳坡莫合金。鐵芯和銜鐵要經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚恚?除去應(yīng)力， 以改進(jìn)磁性能。 在忽略了鐵損、 導(dǎo)磁體磁阻和線圈間寄生電容的理想情況下， 螺管式差動(dòng)變壓器的等效電路如圖3-16（b）所示。 圖中，e1為初級(jí)線圈的激勵(lì)電勢(shì)；L1、R1為初級(jí)線圈的電感和電阻；R21、R22為兩個(gè)二次線圈的電阻。兩個(gè)二次線圈反極性串聯(lián)，因此e2=e21-e22，由電路原理可以得出 e2=k(M1-M2)=kM （3-22） 第3章 無源型位移傳感器 圖3-16 差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)與原理圖（a） 結(jié)構(gòu)與原理圖； （b）等效電路 第3章 無源型位移傳感器 2. 2. 差動(dòng)變壓器的特性差動(dòng)變壓器的特性1） 差動(dòng)變壓器的

34、輸出特性差動(dòng)變壓器的理想輸出特性如圖3-17（a）所示，在線性范圍內(nèi)， 輸出電動(dòng)勢(shì)隨銜鐵正、 負(fù)位移而線性增大。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-17 差動(dòng)變壓器的輸出特性（a） 理想特性； （b） 零點(diǎn)殘余電壓；（c）相敏檢波后的特性 第3章 無源型位移傳感器 2） 零點(diǎn)殘余電壓實(shí)際上，由于工藝上的原因， 差動(dòng)變壓器二次繞組不可能完全對(duì)稱，其次由于線圈中的銅損、 磁性材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻性、 線圈匝間分布電容的存在以及導(dǎo)磁材料磁化特性的非線性引起電流波形畸變而產(chǎn)生的高次諧波， 使勵(lì)磁電流與所產(chǎn)生的磁通不同相。 當(dāng)位移x為零時(shí)， 輸出電動(dòng)勢(shì)e不等于零， 該不為零的輸出電動(dòng)勢(shì)稱為零點(diǎn)殘余電壓

35、， 如圖3-17（b）所示。 第3章 無源型位移傳感器 3） 靈敏度與激勵(lì)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系差動(dòng)變壓器靈敏度與激勵(lì)電動(dòng)勢(shì)有關(guān)，用(mV/mm)/V來表示。e1越大，靈敏越高。但e1也不能過大， 過大時(shí)將會(huì)使差動(dòng)變壓器線圈發(fā)熱而引起輸出信號(hào)漂移，e1可取零點(diǎn)幾伏到數(shù)伏，常取38V。 4） 靈敏度與激勵(lì)電源頻率的關(guān)系激勵(lì)電源頻率過高或過低都會(huì)使靈敏度降低，常選410 kHz。 5）靈敏度與二次線圈匝數(shù)的關(guān)系二次線圈匝數(shù)越多，靈敏度越高，兩者成線性關(guān)系。但是匝數(shù)增加， 零點(diǎn)殘余電壓也隨之變大。 第3章 無源型位移傳感器 3. 3. 消除零點(diǎn)殘余電壓的幾種方法消除零點(diǎn)殘余電壓的幾種方法由繞組不對(duì)稱引起的零點(diǎn)

36、殘余電壓可以通過調(diào)節(jié)銜鐵初始位置進(jìn)行消除，然而因相位誤差造成的零點(diǎn)殘余電壓是無法通過調(diào)節(jié)銜鐵初始位置進(jìn)行消除的。因此，消除零點(diǎn)殘余電壓的方法可以歸納為以下三種：（1） 從設(shè)計(jì)和工藝上盡量保證線圈和磁路對(duì)稱，選用高性能的導(dǎo)磁材料，導(dǎo)磁體必須經(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。 （2） 采用相敏檢波電路不僅可以鑒別銜鐵的移動(dòng)方向， 而且有利于消除零點(diǎn)殘余電壓， 其特性如圖3-17（c）所示。 第3章 無源型位移傳感器 （3） 采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路， 如圖3-18所示。圖中，電阻是用康銅絲繞制的， 串聯(lián)時(shí)的阻值為0.55 ；并聯(lián)時(shí)的阻值為數(shù)十至數(shù)百千歐； 并聯(lián)電容的數(shù)值在10050

37、0 pF范圍內(nèi)。實(shí)際補(bǔ)償元件的參數(shù)都要通過實(shí)驗(yàn)來確定。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-18 差動(dòng)變壓器的補(bǔ)償電路 第3章 無源型位移傳感器 4. 4. 差動(dòng)變壓器的差動(dòng)整流電路差動(dòng)變壓器的差動(dòng)整流電路 差動(dòng)變壓器靈敏度較高，一般滿量程輸出電壓可達(dá)幾伏， 在要求不高時(shí)，可直接接入整流電路。常用的差動(dòng)整流電路如圖3-19所示。 第3章 無源型位移傳感器 圖圖3-19 3-19 差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路（a） 全波電流輸出；（b） 半波電流輸出；（c） 全波電壓輸出； （ d） 半波電壓輸出 第3章 無源型位移傳感器 3.5 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 3.5.1 電渦流式傳感器的工作原理電渦流

38、式傳感器的工作原理成塊的金屬物體置于變化著的磁場(chǎng)中或者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)， 在金屬導(dǎo)體中會(huì)感應(yīng)出一圈圈自相閉合的電流，稱為電渦流。 電渦流式傳感器是一個(gè)繞在骨架上的導(dǎo)線所構(gòu)成的空心線圈， 它與正弦交流電源接通， 通過線圈的電流會(huì)在線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。當(dāng)導(dǎo)電的金屬靠近這個(gè)線圈時(shí)，金屬導(dǎo)體中便會(huì)產(chǎn)生電渦流，如圖3-20所示。渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率、 磁導(dǎo)率、厚度d、線圈與金屬導(dǎo)體的距離x以及線圈勵(lì)磁電流的角頻率等參數(shù)有關(guān)。如果固定其中某些參數(shù)，就能由電渦流的大小測(cè)量出另外一些參數(shù)。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-20 電渦流作用原理圖 第3章 無源型位移傳感器 3.5.2 3.5.2 電

39、渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡單， 主要是一個(gè)繞制在框架上的線圈， 目前比較普遍使用的是矩形截面的扁平線圈。 線圈的導(dǎo)線應(yīng)選用電阻率小的材料，一般采用高強(qiáng)度漆包銅線。 如果要求高一些可用銀線或銀合金線， 在高溫條件下使用時(shí)可用錸鎢合金線。對(duì)線圈框架要求用損耗小、電性能好、熱膨脹系數(shù)小的材料。一般可選用聚四氟乙烯、高頻陶瓷、環(huán)氧玻璃纖維等。在采用線圈與框架端面膠接的形式時(shí)， 膠水亦要選擇適當(dāng)，一般可以選用粘貼應(yīng)變片用的膠水。 如圖3-21所示為CZF-1型傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它采用導(dǎo)線繞在框架上的形式，框架采用聚四氟乙烯。 其性能由表3-2列出。 第3章 無源型位移

40、傳感器 圖3-21 CZF-1型傳感器的結(jié)構(gòu)圖 第3章 無源型位移傳感器 表表3-2 CZF-1型傳感器性能一覽表型傳感器性能一覽表 第3章 無源型位移傳感器 3.5.3 3.5.3 電渦流式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電渦流式傳感器的轉(zhuǎn)換電路在電工課程中， 我們已經(jīng)知道電感和電容可構(gòu)成諧振電路， 因此電感式、 電容式和電渦流式傳感器都可以采用諧振電路來轉(zhuǎn)換。 諧振電路的輸出也是調(diào)制波， 控制幅值變化的稱調(diào)幅波， 控制頻率變化的稱調(diào)頻波。 調(diào)幅波要經(jīng)過幅值檢波， 調(diào)頻波要經(jīng)過鑒頻才能獲得被測(cè)量的電壓。 諧振電路調(diào)幅原理如圖3-22所示。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-22 諧振電路調(diào)幅原理圖（a） 電路

41、原理圖； （b） 諧振特性曲線；（c） 調(diào)幅特性 第3章 無源型位移傳感器 CZF-1型電渦流傳感器測(cè)量電路框圖如圖3-23所示。晶體振蕩器輸出頻率固定的正弦波，經(jīng)限流電阻R接電渦流傳感器線圈與電容器的并聯(lián)電路。當(dāng)LC諧振頻率等于晶振頻率時(shí)輸出電壓幅度最大，偏離時(shí)輸出電壓幅度隨之減小，是一種調(diào)幅波。 該調(diào)幅信號(hào)經(jīng)高頻放大、檢波、濾波后輸出與被測(cè)量相應(yīng)變化的直流電壓信號(hào)。 第3章 無源型位移傳感器 圖3-23 CZF-1型電渦流式傳感器測(cè)量電路框圖 第3章 無源型位移傳感器 3.5.4 電渦流式傳感器的使用注意事項(xiàng)電渦流式傳感器的使用注意事項(xiàng)1. 電渦流軸向貫穿深度的影響電渦流軸向貫穿深度的影響

42、電渦流的軸向貫穿深度是指渦流密度衰減到等于表面渦流密度的1/e處時(shí)與導(dǎo)體表面的距離。渦流在金屬導(dǎo)體中的軸向分布是按指數(shù)規(guī)律衰減的，衰減深度t可以表示為 ftr0（3-23） 式中，為導(dǎo)體電阻率；f為勵(lì)磁電源的頻率。 第3章 無源型位移傳感器 為充分利用電渦流以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量效果， 使用時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：（1） 導(dǎo)體厚度的選擇：利用電渦流式傳感器測(cè)距離時(shí)， 應(yīng)使導(dǎo)體的厚度遠(yuǎn)大于電渦流的軸向貫穿深度；采用透射法測(cè)厚度時(shí)，應(yīng)使導(dǎo)體的厚度小于軸向貫穿深度。（2） 勵(lì)磁電源頻率的選擇： 導(dǎo)體材料確定之后， 可以通過改變勵(lì)磁電源頻率來改變軸向貫穿深度。 電阻率大的材料應(yīng)選用較高的勵(lì)磁頻率， 電阻率小的材料

43、應(yīng)選用較低的勵(lì)磁頻率。 第3章 無源型位移傳感器 2. 2. 電渦流的徑向形成范圍電渦流的徑向形成范圍線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不能涉及到無限大的范圍， 電渦流密度也有一定的徑向形成范圍。在線圈軸線附近， 電渦流的密度非常小，愈靠近線圈的外徑處， 電渦流的密度愈大，在等于線圈外徑1.8倍處，電渦流密度將衰減到最大值的5。為了充分利用渦流效應(yīng)，被測(cè)金屬導(dǎo)體的橫向尺寸應(yīng)大于線圈外徑的1.8倍； 對(duì)圓柱形被測(cè)物體，其直徑應(yīng)大于線圈外徑的3.5倍。 第3章 無源型位移傳感器 3. 3. 電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系電渦流強(qiáng)度隨著距離與線圈外徑比值的增加而減少, 當(dāng)線圈與導(dǎo)體之間的距離大于線圈

44、半徑時(shí)，電渦流強(qiáng)度已經(jīng)很微弱。 為了能夠產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)度的電渦流效應(yīng)，通常取距離與線圈外徑的比值為0.050.15。 4. 4. 非被測(cè)金屬物的影響非被測(cè)金屬物的影響由于任何金屬物體接近高頻交流線圈時(shí)都會(huì)產(chǎn)生渦流， 為了保證測(cè)量精度，測(cè)量時(shí)應(yīng)禁止其他金屬物體接近傳感器線圈。 第3章 無源型位移傳感器 3.6 相相 敏敏 檢檢 波波 3.6.1 3.6.1 調(diào)制與解調(diào)的概念調(diào)制與解調(diào)的概念調(diào)制是利用直流或低頻信號(hào)來控制高頻振蕩的過程。 原始的低頻控制信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。 受控的高頻振蕩信號(hào)稱為載波信號(hào)。 經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。 載波信號(hào)的振幅、 頻率和相位都可受調(diào)制信號(hào)的控制， 相應(yīng)的調(diào)制分別

45、稱為調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）。一般載波頻率應(yīng)大于調(diào)制信號(hào)頻率的10倍以上， 通常取20倍。 第3章 無源型位移傳感器 解調(diào)是從已調(diào)信號(hào)中取出（恢復(fù)）原始信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）的過程。與調(diào)制相對(duì)應(yīng)，有鑒幅（檢波）、鑒頻和鑒相。如前面所講的交流電橋，傳感器參數(shù)的變化為調(diào)制信號(hào)， 電橋的供電電源為載波信號(hào)，輸出為調(diào)幅信號(hào)。 由電感、 電容、 電渦流式傳感器構(gòu)成的諧振電路，當(dāng)LC諧振電路作信號(hào)源的負(fù)載時(shí)， 則輸出調(diào)幅信號(hào)； 當(dāng)LC諧振電路作信號(hào)源的振蕩回路時(shí)， 則輸出調(diào)頻信號(hào)。 因此， 信號(hào)在經(jīng)過交流放大后都需要接入相應(yīng)的解調(diào)電路： 檢波電路、 鑒頻電路或鑒相電路。 第3章 無源型位移傳感器 3.6.2 交流電橋的調(diào)幅作用交流電橋的調(diào)幅作用用交流電源激勵(lì)的交流電橋輸出信號(hào)是一個(gè)頻率和相位與激勵(lì)源相同，幅度受橋臂變化信號(hào)調(diào)制的雙邊帶調(diào)幅波。 如圖3-24所示，設(shè)橋臂變化信號(hào)為R=R（t）， 激勵(lì)電源電壓為ui=uimcos(t+)， 則電橋輸出電壓為 uo=KR（t）uimcos(t+)=