第02章 常用傳感器

1、2022-6-52022-6-5【導(dǎo)入案例導(dǎo)入案例】2.1 傳感器概述傳感器概述 2.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 2.3 電容式傳感器電容式傳感器 2.4 電感式傳感器電感式傳感器 2.5 電動勢式傳感器電動勢式傳感器 2.6 霍爾傳感器霍爾傳感器 2022-6-5一一.電飯鍋電飯鍋熱電傳感器的應(yīng)用熱電傳感器的應(yīng)用 電飯鍋的電原理如電飯鍋的電原理如圖圖2.1所示。所示。S1是一個開關(guān)按鈕，手動閉合是一個開關(guān)按鈕，手動閉合, 當(dāng)此開關(guān)的溫度達(dá)到居里點當(dāng)此開關(guān)的溫度達(dá)到居里點 (103)時會自動斷開；時會自動斷開；S2是一個自動溫控開關(guān)，當(dāng)溫是一個自動溫控開關(guān)，當(dāng)溫 度低于約度低于約70時會自動

2、閉合，時會自動閉合， 溫度高于溫度高于80時會自動斷開；時會自動斷開；紅燈是加熱狀態(tài)時的指示燈，紅燈是加熱狀態(tài)時的指示燈，黃燈是保溫狀態(tài)時的指示燈，黃燈是保溫狀態(tài)時的指示燈，限流電阻限流電阻R1R2500，電，電 熱板熱板R350。圖圖2.1 電飯鍋電原理圖電飯鍋電原理圖 2022-6-5 收，鍋底溫度升高，當(dāng)溫度升至“居里點103”時，感溫磁體失去鐵磁性，在彈簧作用下，永磁體被彈開，觸點分離，切斷電源，從而停止加熱。 隨后，當(dāng)溫度降至70以下時，自動控溫開關(guān)S2閉合，電熱板加熱；當(dāng)溫度升高至80時，控溫開關(guān)S2斷開，此時，電流流過R2、R3和R1，由于R1 的分壓作用，溫度不再升高，反而降低

3、；當(dāng)溫度低于70時，S2又閉合，從而將溫度保持在7080之間。圖圖2.2 電飯鍋加熱部分結(jié)構(gòu)圖電飯鍋加熱部分結(jié)構(gòu)圖 開始煮飯時，用手壓下開關(guān)按鈕S1，永磁體與感溫磁體相吸，手松開后，按鈕不再恢復(fù)到圖2-2所示狀態(tài)，則觸點接通，電熱板通電加熱，水沸騰后，由于鍋內(nèi)保持100不變，故感溫磁體仍與永磁體相吸，繼續(xù)加熱，直到飯熟后，水分被大米吸2022-6-5鼠標(biāo)是的發(fā)明被IEEE列為計算機(jī)誕生50年來最重大的事件之一。鼠標(biāo)的使用使得操作計算機(jī)更加簡便，代替了鍵盤的繁瑣指令。按照其工作原理，鼠標(biāo)可分為機(jī)械式鼠標(biāo)和光電式鼠標(biāo)兩大種類。圖2.3是機(jī)械式鼠標(biāo)的結(jié)構(gòu)圖，它主要由滾球、壓力滾軸、編碼器（碼盤）、紅

4、外發(fā)射管和紅外接收管等組成。滾球安裝在機(jī)械式鼠標(biāo)的底部，可自由滾動；兩個壓力滾軸分別安裝在滾球的后方及右方，滾軸上帶有編碼器，并互成90角。圖 2.3 機(jī)械式鼠標(biāo)的結(jié)構(gòu)圖工作原理如下：當(dāng)移動鼠標(biāo)時，滾球隨之滾動，便會通過壓力滾軸帶動旁邊的編碼器轉(zhuǎn)動，后方的滾軸代表前后滑動，右方的滾軸代表左右滑動，兩軸一起移動則代表非垂直及水平方向的滑動。當(dāng)兩個編碼器轉(zhuǎn)動時，紅外接收管就收到斷續(xù)的紅外線脈沖，輸出相應(yīng)的電脈沖信號傳給計算機(jī)，計算機(jī)分別統(tǒng)計x、y兩個方向的脈沖信號，以確定光標(biāo)在屏幕上的正確位置。 2022-6-5 汽車在制動時，有一種ABS系統(tǒng)，它能阻止制動時車輪抱死變?yōu)榧兓瑒印＜兓瑒硬坏苿有Ч?/p>

5、不好，而且易使車輛失控。為此，需要一種測定車輪是否還在轉(zhuǎn)動的裝置。如果檢測出車輛不再轉(zhuǎn)動就會自動放松制動裝置，讓輪子仍保持緩慢轉(zhuǎn)動狀態(tài)。這種檢測裝置稱為速度傳感器，用于ABS系統(tǒng)的速度傳感器主要有電磁式和霍爾式兩種。這里僅介紹電磁式速度傳感器。圖2.4 ABS速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖如圖2.42.4所示，它由永久磁鐵、磁極、所示，它由永久磁鐵、磁極、感應(yīng)線圈和齒圈等組成。齒圈感應(yīng)線圈和齒圈等組成。齒圈6 6旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)時，齒頂和齒隙交替對向磁極。在齒圈，齒頂和齒隙交替對向磁極。在齒圈旋轉(zhuǎn)過程中，感應(yīng)線圈內(nèi)部的磁通量旋轉(zhuǎn)過程中，感應(yīng)線圈內(nèi)部的磁通量交替變化從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，此信交替變化從而產(chǎn)生感應(yīng)電動

6、勢，此信號通過感應(yīng)線圈末端的導(dǎo)線輸入號通過感應(yīng)線圈末端的導(dǎo)線輸入ABSABS的的電控單元。當(dāng)齒圈的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時電控單元。當(dāng)齒圈的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，感應(yīng)電動勢的頻率也變化。，感應(yīng)電動勢的頻率也變化。ABSABS電控電控單元通過檢測感應(yīng)電動勢的頻率來檢單元通過檢測感應(yīng)電動勢的頻率來檢測車輪轉(zhuǎn)速，從而控制制動機(jī)構(gòu)，可測車輪轉(zhuǎn)速，從而控制制動機(jī)構(gòu)，可有效地防止車輪被抱死。有效地防止車輪被抱死。2022-6-52.1.4 傳感器的發(fā)展方向 2.1.3 對傳感器的要求 2.1.2 傳感器的分類 2.1.1 傳感器的定義及組成 2022-6-5 傳感器是一種能把特定的被測量信息（包括物理量、化學(xué)量、生物量等

7、）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置。 凡是能接受一種物理形式的信息，并按一定規(guī)律將它轉(zhuǎn)換成另一種或同一種物理形式信息的器件都稱為傳感器，有時也稱為變化器、換能器等。 它是實現(xiàn)自動檢測和控制的首要環(huán)節(jié)，也是對測量系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的環(huán)節(jié)，因而也是測試系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。2022-6-5傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和變換電路三部分組成，有時還需要加上輔助電源。通常可用框圖來表示，見圖2.5。圖圖2.5 傳感器組成框圖傳感器組成框圖有些元件既是敏有些元件既是敏感元件又是轉(zhuǎn)換感元件又是轉(zhuǎn)換元件元件, 能直接輸出能直接輸出電量。還有些新電量。還有些新型傳感器，其敏型傳感器，其敏感元

8、件與轉(zhuǎn)換元感元件與轉(zhuǎn)換元件已合為一體。件已合為一體。變換電路是把轉(zhuǎn)換元件輸出的信號轉(zhuǎn)變換電路是把轉(zhuǎn)換元件輸出的信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、控制和處理的換為便于顯示、記錄、控制和處理的信號的電路。由于轉(zhuǎn)換元件的輸出信信號的電路。由于轉(zhuǎn)換元件的輸出信號一般比較小，為了便于顯示和記錄號一般比較小，為了便于顯示和記錄，大多數(shù)測量電路還包括了放大器。，大多數(shù)測量電路還包括了放大器。 敏感元件是直接感受敏感元件是直接感受被測量（一般為非電被測量（一般為非電量），并輸出與被測量），并輸出與被測量有確定關(guān)系的其他量有確定關(guān)系的其他量（也可以包括非電量（也可以包括非電量）的元件，如膜片量）的元件，如膜片和波紋管，

9、可以把被和波紋管，可以把被測壓力變成位移量。測壓力變成位移量。 轉(zhuǎn)換元件是直接感受被測非電量轉(zhuǎn)換元件是直接感受被測非電量或與被測量有確定關(guān)系的其他非或與被測量有確定關(guān)系的其他非電量，輸出與被測量有確定關(guān)系電量，輸出與被測量有確定關(guān)系的電量。如差動變壓器式壓力傳的電量。如差動變壓器式壓力傳感器，并不直接感受壓力，只是感器，并不直接感受壓力，只是感受與被測壓力對應(yīng)變化的銜鐵感受與被測壓力對應(yīng)變化的銜鐵位移量，然后轉(zhuǎn)換成電量輸出。位移量，然后轉(zhuǎn)換成電量輸出。它是傳感器的重要組成元件。它是傳感器的重要組成元件。 2022-6-5 按非電量形式分類按非電量形式分類 按工作原理分類按工作原理分類 按能量傳

10、遞形式分類按能量傳遞形式分類 按輸出信號性質(zhì)分類按輸出信號性質(zhì)分類位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器和流量傳感器等壓力傳感器、濕度傳感器和流量傳感器等電阻式、電容式、感應(yīng)式、壓電式、光電電阻式、電容式、感應(yīng)式、壓電式、光電式和熱電式等式和熱電式等有源傳感器和無源傳感器兩大類。有源傳感器為能有源傳感器和無源傳感器兩大類。有源傳感器為能量變換器，它能將非電能量轉(zhuǎn)化為電能而不需輔助量變換器，它能將非電能量轉(zhuǎn)化為電能而不需輔助能源，如壓電式、熱電式等。無源傳感器不是一個能源，如壓電式、熱電式等。無源傳感器不是一個換能器，它需要有輔助能源，被測

11、的非電量只能對換能器，它需要有輔助能源，被測的非電量只能對傳感器中的輔助能量起控制和調(diào)節(jié)的作用。傳感器中的輔助能量起控制和調(diào)節(jié)的作用。分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式傳感器與計算機(jī)分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式傳感器與計算機(jī)配合時，需要模配合時，需要模/數(shù)變換環(huán)節(jié)，目前所應(yīng)用的大部數(shù)變換環(huán)節(jié)，目前所應(yīng)用的大部分屬于模擬式傳感器。如果采用數(shù)字式傳感器，則分屬于模擬式傳感器。如果采用數(shù)字式傳感器，則可使電測系統(tǒng)大為簡化，從而為計算機(jī)自動檢測帶可使電測系統(tǒng)大為簡化，從而為計算機(jī)自動檢測帶來方便。來方便。2022-6-5靈敏度高線性度好測量范圍大分辨能力強(qiáng)精度高、誤差小穩(wěn)定性好。2022-6-51.1.

12、向高精度發(fā)展向高精度發(fā)展2. 向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展3. 向微型化發(fā)展向微型化發(fā)展 4. 向微功耗及無源化發(fā)展向微功耗及無源化發(fā)展 5. 向智能化數(shù)字化發(fā)展向智能化數(shù)字化發(fā)展 2022-6-5 被測非電量的變化引起電阻器阻值改變的變換元件稱為電阻式傳感器。結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，工作可靠性高，輸出信號大。LRS 改變S、L和中的任何一個數(shù)值，都將引起電阻R的變化。因此，電阻式傳感器的基本類型有以下三種： 利用電刷來回移動，改變L，從而改變R。稱為電位器式傳感器，一般 用于測量線位移和角位移等參量。 利用應(yīng)力應(yīng)變使電阻絲產(chǎn)生變形，使L、S和均發(fā)生改變，從而改變R 稱為電

13、阻應(yīng)變式傳感器，一般用于測量應(yīng)力、應(yīng)變等參量。 利用熱或光等輻射能量使傳感器的電阻率發(fā)生變化，從而改變R。 稱為熱電阻或光敏電阻，一般用于測定溫度和光通量及其派生量。 2022-6-5電位器式傳感器見圖2.6所示，按其結(jié)構(gòu)形式不同可分為線繞式、薄膜式、光電式、磁敏式等，而按其輸出特性不同，又可分為線性電位器和非線性電位器。這里僅討論線繞式電位器。圖圖2.6 各種電位器式傳感器各種電位器式傳感器2022-6-5線繞式電位器由電阻絲、骨架和電刷構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)見圖2.7。圖圖2.7 線繞電位器的基本結(jié)構(gòu)線繞電位器的基本結(jié)構(gòu) 電阻絲一般為銅鎳合電阻絲一般為銅鎳合 金絲、銅錳合金絲和金絲、銅錳合金絲和

14、鉑銥合金絲；鉑銥合金絲；骨架一般由陶瓷、酚骨架一般由陶瓷、酚 醛樹脂和工程塑料制醛樹脂和工程塑料制 成；成；電刷多由磷青銅或鉑電刷多由磷青銅或鉑 銥合金片制成。銥合金片制成。2022-6-5 圖圖2.8 線性線繞電位器線性線繞電位器 線性線繞電位器由材料均勻的導(dǎo)線按等間距在截面處處相等的骨架上繞制而成，見圖2.8。iioiuurx RuuxRRLL即輸出電壓與行程成正比，但實際即輸出電壓與行程成正比，但實際上，由于工藝因素的影響使輸出具上，由于工藝因素的影響使輸出具有非線性。有非線性。此外，電刷在來回移動中，位移此外，電刷在來回移動中，位移不是線性變化的，而是成階梯狀運(yùn)不是線性變化的，而是成階

15、梯狀運(yùn)動，即傳感器輸出具有動，即傳感器輸出具有階梯特性階梯特性。2022-6-5圖圖2.9 線繞電位器的階梯特性曲線線繞電位器的階梯特性曲線電位器式傳感器 設(shè)電位器繞有設(shè)電位器繞有n圈導(dǎo)線，電刷圈導(dǎo)線，電刷滑移過程中，每移過一個節(jié)距滑移過程中，每移過一個節(jié)距，輸出電壓產(chǎn)生一次階躍，稱，輸出電壓產(chǎn)生一次階躍，稱之為之為視在分辨率視在分辨率: 當(dāng)電刷由當(dāng)電刷由圈移到圈移到+1圈的過圈的過程中，必會使兩圈導(dǎo)線短路程中，必會使兩圈導(dǎo)線短路, 使使電位器總?cè)?shù)由電位器總?cè)?shù)由n減為減為n-1，從，從而產(chǎn)生了一個小的階梯脈沖而產(chǎn)生了一個小的階梯脈沖un，稱之為，稱之為次要分辨率次要分辨率：設(shè)設(shè) , 稱之為

16、稱之為主要分辨率主要分辨率。2(1)mninuuuun n 1111iiniuuuunnnniuu n um與與un的延續(xù)時間比取的延續(xù)時間比取決于電刷與導(dǎo)線之比，電刷決于電刷與導(dǎo)線之比，電刷直徑太小，易磨損，太大使直徑太小，易磨損，太大使導(dǎo)線被短路的圈數(shù)增加。一導(dǎo)線被短路的圈數(shù)增加。一般電刷與導(dǎo)線直徑比為般電刷與導(dǎo)線直徑比為10可可獲得滿意度效果。獲得滿意度效果。2022-6-5 線繞式電位器的階梯特性是由于工作原理的不完善而引起的。 減小階梯誤差的主要方法就是增加總匝數(shù)，如當(dāng)骨架長度一定時，就要減少導(dǎo)線直徑；當(dāng)導(dǎo)線直徑一定時，就要增加骨架長度。多圈螺旋電位器就是基于這一原理而設(shè)計的 。20

17、22-6-5指其輸出電壓（或電阻）與電刷行程之間具有非線性關(guān)系的一種電位器。這種電指其輸出電壓（或電阻）與電刷行程之間具有非線性關(guān)系的一種電位器。這種電位器可以實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其他任意非線性函數(shù)的輸出，故位器可以實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其他任意非線性函數(shù)的輸出，故又稱為函數(shù)電位器。又稱為函數(shù)電位器。常用的非線性線繞電位器有變骨架式和變節(jié)距式。變節(jié)距式變骨架式2022-6-5 變骨架式是在保持導(dǎo)線電阻率、截面積S、節(jié)距t、骨架寬度b等結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，通過改變骨架高度h的方法來實現(xiàn)非線性函數(shù)關(guān)系變換的。 骨架高度h隨特性函數(shù)d/dx而變化，骨架制作困難，繞線簡單。

18、 變節(jié)距是指在保持電阻率 、截面積S 、骨架寬度b 、骨架高度h不變的條件下，通過改變節(jié)距t來實現(xiàn)非線性函數(shù)的輸出。 2StdfhbIdx2()I bhtdfSdx骨架制作容易，但繞線困難，適合于特性曲線斜率變化不大的情況。2022-6-5 前面討論的都是在電位器空載情況下的特性，即電位器的輸出端接 至輸入阻抗非常大的放大器時的特性，稱為電位器的空載特性。當(dāng)電位器輸出端帶有有限負(fù)載時所具有的特性就是電位器的負(fù)載特性。 負(fù)載特性將偏離理想的空載特性，它們之間的偏差稱為電位器的負(fù)載 誤差。無論是線性電位器還是非線性電位器，在帶載工作時都會產(chǎn)生 負(fù)載誤差。2022-6-5圖2.11 帶負(fù)載的電位器

19、由由圖圖2.11可以得到負(fù)載電位器的輸出電壓可以得到負(fù)載電位器的輸出電壓為：為： 假設(shè)電位器的總長度（總行程）為假設(shè)電位器的總長度（總行程）為L，電刷的實際行程為電刷的實際行程為，引入電阻的相對變化，引入電阻的相對變化r=R/R0，電位器的負(fù)載系數(shù)，電位器的負(fù)載系數(shù)K=R/R0，電刷，電刷的相對行程的相對行程X=/L，電壓的相對輸出，電壓的相對輸出Y=U0/Ui，則由上式可得：，則由上式可得：上式對于任意電位器都是合適的，是電位上式對于任意電位器都是合適的，是電位器負(fù)載特性的一般表達(dá)式。器負(fù)載特性的一般表達(dá)式。2000()fffioifffR RRRRR UUUR RR RRRRRRRR21f

20、frYrrKK2022-6-5圖圖2.12 電位器式壓力傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖電位器式壓力傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖 被測壓力作用在膜盒上，使膜盒產(chǎn)生位移，被測壓力作用在膜盒上，使膜盒產(chǎn)生位移，經(jīng)放大傳動機(jī)構(gòu)帶動電刷在電位器上滑動。當(dāng)經(jīng)放大傳動機(jī)構(gòu)帶動電刷在電位器上滑動。當(dāng)電位器兩端加有直流工作電壓時，則可從電位電位器兩端加有直流工作電壓時，則可從電位器電刷與電源地端間得到相應(yīng)的輸出電壓，該器電刷與電源地端間得到相應(yīng)的輸出電壓，該輸出電壓大小即可反映出被測壓力的大小。輸出電壓大小即可反映出被測壓力的大小。 當(dāng)忽略彈簧剛度時，膜盒系統(tǒng)中心位移與當(dāng)忽略彈簧剛度時，膜盒系統(tǒng)中心位移與均布壓力均布壓力P的關(guān)系可以

21、描述為：的關(guān)系可以描述為：式中，式中，W為膜盒系統(tǒng)的中心撓度；為膜盒系統(tǒng)的中心撓度；K為膜盒系為膜盒系統(tǒng)的靈敏系數(shù)。統(tǒng)的靈敏系數(shù)。 于是電位器電刷位移與被測均布壓力的關(guān)系于是電位器電刷位移與被測均布壓力的關(guān)系為：為： 式中，式中，l為電位器電刷位移；為電位器電刷位移；lp為連接電位器的為連接電位器的力臂；力臂；lc為連接膜盒的力臂。為連接膜盒的力臂。WK PppcclKllWPll2022-6-5圖 2.13 電阻應(yīng)變式傳感器實物圖電阻應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變量輸入轉(zhuǎn)換為電量電阻應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變量輸入轉(zhuǎn)換為電量輸出的變換器件，可以測量力、位移、速度、輸出的變換器件，可以測量力、位移、速度、加速

22、度、扭矩等。加速度、扭矩等。2022-6-5 圖2.14是柱式電阻應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，它由電阻應(yīng)變片、彈性元件和粘結(jié)劑組成，在傳感器的彈性元件上一般均勻的貼有48片應(yīng)變片，并連接成電橋形式，電橋由穩(wěn)壓電源供電，當(dāng)橋臂中應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化時，電橋即會有電信號輸出。由于電阻應(yīng)變式傳感器的敏感元件是應(yīng)變片，是由它將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電量的，因此，在這里重點對應(yīng)變片進(jìn)行闡述。圖2.14 柱式電阻應(yīng)變傳感器示意圖2022-6-5 橫截半徑、長的圓形電阻絲的電阻值為： 在外力作用下，電阻絲發(fā)生變形，電阻率、導(dǎo)線長度L、導(dǎo)線截面積S或r的變化量分別為d、dL、dS，此時引起的電阻增量為dR，即： 因此，電阻

23、R的相對變化率為： 式中，dL/L為電阻絲軸向相對變形，即=dL/L；dr/r為電阻絲徑向相對變形；d/為電阻絲電阻率的相對變化率，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力有關(guān)，d/=E，E為彈性模量；為壓阻系數(shù)。2LLRSr2RRRdLddrdRdLddSRLSLr2dRdLddrRLr2022-6-5 當(dāng)電阻絲沿軸向伸長時，必沿徑向縮小，根據(jù)材料力學(xué)可知，二者之間的關(guān)系為： 式中，為電阻絲材料的泊松比。 所以 其中，(1+2) 是由幾何尺寸變化引起，對同一材料1+2是常數(shù)，E是由電阻絲電阻率變化引起，通常稱為壓阻效應(yīng)。drdLrL (12 )dRER 2022-6-5 電阻應(yīng)變片一般由敏感元件、基片、覆蓋片

24、和引出線四部分組成。電 阻應(yīng)變片的核心是電阻敏感元件，基片和覆蓋片起保護(hù)作用，并可使 電阻絲和彈性 元件之間絕緣，引出線為連接測量電路之用。 根據(jù)電阻敏感元件的材料及制造工藝不同，電阻應(yīng)變片可分為金屬應(yīng) 變片和 半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。2022-6-5金屬應(yīng)變片一般分為絲式和箔式兩種。 絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片 圖2.15 絲式電阻應(yīng)變片1、3-粘結(jié)劑；2-基底；4-覆蓋片；5-敏感柵；6-引線圖中圖中L稱為敏感柵基稱為敏感柵基長長a稱為線柵寬度。稱為線柵寬度。敏感柵敏感柵5通常用具有高通常用具有高電 阻 率 ， 其 直 徑 為電 阻 率 ， 其 直 徑 為0.0150.05mm的金屬的金屬絲密密排列成

25、柵狀形絲密密排列成柵狀形式而成。通過粘合劑式而成。通過粘合劑1、3固定在絕緣基底固定在絕緣基底2及蓋片及蓋片4之間。之間。 2022-6-5 制作應(yīng)變片的材料，以康銅應(yīng)用最為廣泛。 用康銅作線柵的應(yīng)變片測量范圍大，溫度系數(shù)小，因此，測量時因溫度變化而引 起的誤差較小。靜態(tài)測量時的使用溫度可達(dá)800；動態(tài)測量時可達(dá)400，也可 用于測量大應(yīng)變（高達(dá)22%），價格較低廉。 鎳鉻合金具有較高的電阻率，但溫度系數(shù)大，主要用于動態(tài)應(yīng)變測量，使用溫度 可達(dá)800。在這種合金中摻入少量的其他元素，可以制成6J22合金(即卡馬合金) 和6J23合金，其電阻率比原來有所提高，電阻溫度系數(shù)可以減少，如果采用適當(dāng)

26、冷加工與熱處理工藝，可以控制其電阻溫度系數(shù)，用來制作溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。 鐵鉻合金的特點是電阻率較高，對銅引線的熱電勢小，靈敏系數(shù)較大。 基底的作用是保證將構(gòu)件上的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上，因此基底做得很薄， 并具有良好的絕緣性能及抗潮和耐熱性能，其厚度約為0.02mm0.04mm。 基底有紙基、紙浸膠基和膠基等種類。紙基應(yīng)變片制造簡單、價格便宜、便于粘 貼，但耐熱和耐潮性較差，一般只在短期的實驗中使用，使用溫度在70以下。 用酚醛樹脂、聚酯樹脂等膠液將紙浸透、硬化處理的紙浸膠基，特性得到較大改 善，使用溫度可達(dá)180，抗潮性能也較好，可長期使用。2022-6-5 覆蓋片起到保護(hù)敏感柵的作用，其

27、材料與基底基本相同。 粘合劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘合劑用于低溫、常溫和中溫。常 用的有聚丙烯酸酯、有機(jī)硅樹脂、聚酰亞胺等。無機(jī)粘合劑用于高溫， 常用的有磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽等。 敏感柵電阻絲兩端焊接有引線，用以和外接電路相接，常用的直徑為 0.1mm0.15mm的鍍錫銅線，或其他合金材料制成。 箔式應(yīng)變片 箔式電阻應(yīng)變片是用厚度為3m10m極薄的康銅或鎳鉻金屬片腐蝕而成的。制造時，先在康銅薄片上的一面涂上一薄層聚合膠，使之固化為基底，箔片的另一面涂感光膠，用光刻技術(shù)印刷上所需要的絲柵形狀，然后放在腐蝕劑中將多余部分腐蝕掉，焊上引出線就成了箔式電阻應(yīng)變片。2022-6-5 常見的箔式應(yīng)變

28、片見圖2.16。圖2.16 箔式電阻應(yīng)變片2022-6-5 半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理在于半導(dǎo)體單晶具有壓阻效應(yīng)，即對一塊半導(dǎo)體的某一軸向施加一定載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時，其電阻率會發(fā)生一定變化。不同類型半導(dǎo)體，或施加載荷方向不同，壓阻效應(yīng)也不一樣。目前使用最多的是單晶硅半導(dǎo)體，對于P型硅半導(dǎo)體，(111)晶軸方向的壓阻效應(yīng)最大，而對于N型硅半導(dǎo)體，(100)晶軸方向的壓阻效應(yīng)最大。 圖圖2.17 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片2022-6-51) 靈敏度系數(shù)2) 橫向效應(yīng)3) 應(yīng)變極限4) 機(jī)械滯后5) 零漂和蠕變6) 疲勞壽命7) 允許電流及電阻值8) 溫度特性2022-6-5 應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)一般都用相對靈

29、敏度系數(shù)K來表示，表征應(yīng)變片的應(yīng)變電阻相對變化率與其長度的相對變化率的比值，即： 金屬絲應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為： 式中，C為取決于金屬絲材料結(jié)構(gòu)的比例系數(shù)，一般在-12（鎳）到+6（鉑）之間。K值一般為2.03.6。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為： 式中，是壓阻效應(yīng)系數(shù)，它與半導(dǎo)體導(dǎo)電類型、所摻雜質(zhì)濃度、受力方向及半導(dǎo)體材料電阻率有關(guān)。K值一般為100170，比金屬絲應(yīng)變片高出50倍。1) 靈敏度系數(shù)RLRRKLL12(12 )KC 12KEE 2022-6-5 當(dāng)應(yīng)變片受到縱向拉伸時，其橫向?qū)⒊霈F(xiàn)縮短現(xiàn)象?？v向拉伸使電阻值增加，橫向縮短又使電阻值減小，其綜合結(jié)果使得應(yīng)變數(shù)值偏小或者說應(yīng)變

30、片的靈敏度系數(shù)減小，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。橫向效應(yīng)可以用橫向靈敏度表示，它已經(jīng)包含在靈敏度系數(shù)中。2) 橫向效應(yīng)2022-6-53) 應(yīng)變極限圖2.18 應(yīng)變極限 當(dāng)溫度一定的條件下，指示應(yīng)變與真當(dāng)溫度一定的條件下，指示應(yīng)變與真實應(yīng)變的相對誤差值不超過一定數(shù)值實應(yīng)變的相對誤差值不超過一定數(shù)值時的最大真實應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限，時的最大真實應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限，一般定義該相對誤差為一般定義該相對誤差為10%，即指示，即指示應(yīng)變值為真實應(yīng)變值的應(yīng)變值為真實應(yīng)變值的90%時的真實時的真實應(yīng)變值為應(yīng)變極限應(yīng)變值為應(yīng)變極限 應(yīng)變片電阻相對變化與應(yīng)變的相互關(guān)系，一般認(rèn)為是線性的，但把應(yīng)變片粘貼在被測試件上時，粘

31、結(jié)劑和基片材料的特性對應(yīng)變片的變形有很大影響。當(dāng)應(yīng)變片承受較大應(yīng)變時，膠和基底傳遞應(yīng)變的能力減弱，彈性元件真實應(yīng)變不能全部作用在應(yīng)變片敏感柵上，從而使測出的應(yīng)變值比實際值偏低。此外，當(dāng)應(yīng)變值超過敏感柵彈性極限時，也破壞應(yīng)力和應(yīng)變的正比關(guān)系。2022-6-5 為了減小機(jī)械滯后，要選擇性能良好的粘接劑和基片，以及對金屬絲進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，而且在將?yīng)變片貼在彈性元件上以后，最好先進(jìn)行幾次加載、卸載循環(huán)，然后再標(biāo)定。圖圖2.19機(jī)械滯后曲線機(jī)械滯后曲線 4) 機(jī)械滯后在一定溫度下，對已粘貼應(yīng)變片在一定溫度下，對已粘貼應(yīng)變片的彈性元件加載或卸載時，其特的彈性元件加載或卸載時，其特性曲線不相重合，而是一條

32、封閉性曲線不相重合，而是一條封閉曲線，見曲線，見圖圖2.19，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的機(jī)械滯后。產(chǎn)生機(jī)械滯應(yīng)變片的機(jī)械滯后。產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因主要是敏感柵、粘接劑后的原因主要是敏感柵、粘接劑和基片在承受機(jī)械應(yīng)變后都留有和基片在承受機(jī)械應(yīng)變后都留有殘余變形。殘余變形。2022-6-5 粘貼在試件上的應(yīng)變片，在恒定的應(yīng)變及恒定的溫度環(huán)境中，應(yīng)變片的電阻值隨時間變化的特性，叫應(yīng)變片的蠕變。應(yīng)變片的蠕變主要是由于粘接層引起的，如應(yīng)變膠種類選擇不當(dāng)、粘接層受潮、在接近應(yīng)變膠軟化溫度下進(jìn)行測量、粘接層過厚或固化不充分等因素均能使應(yīng)變片產(chǎn)生蠕變。 應(yīng)變片的零漂是指試件在不受力的情況下，在恒定的溫度

33、環(huán)境中，應(yīng)變片的指示應(yīng)變值隨時間而變化的特性。零漂測定試驗一般進(jìn)行3h。常溫下工作的一個變片不許進(jìn)行此特性的測定。零漂主要是由于應(yīng)變片的絕緣電阻過低和通過電流后產(chǎn)生熱電勢等原因造成的。5) 零漂和蠕變2022-6-5 應(yīng)變片疲勞壽命是應(yīng)變片在試件的某一應(yīng)變變化幅度下所能經(jīng)受的變化循環(huán)次數(shù)。超過這個循環(huán)次數(shù)，應(yīng)變片就不能繼續(xù)工作，或者測出的應(yīng)變比開始服役時減小5%，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。 應(yīng)變片產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因有：應(yīng)變片電阻敏感元件已達(dá)到疲勞極限；應(yīng)變片敏感元件與引出線連接點損壞；應(yīng)變膠損壞；基片與試件（彈性元件）局部脫開等。6) 疲勞壽命7) 允許電流及電阻值 允許電流一般由生產(chǎn)廠家提供

34、，在靜態(tài)下測量時，允許電流一般為25mA； 在動態(tài)下測量時，允許電流為75mA100mA。 應(yīng)變片的電阻值是指應(yīng)變片尚未粘貼，未受外力情況下，在室溫下測定的電阻值。其值有60、120、350、600、1000，其中120是最為常用的阻值。2022-6-5溫度變化時，敏感柵電阻變化為：因膨脹系數(shù)不同引起的阻值變化為：由于環(huán)境溫度變化而引起的總的附加電阻為： 沒有外加載荷時，應(yīng)變片阻值發(fā)生變化的原因有兩個：其一是溫度變化引起敏感柵的電阻率發(fā)生變化；其二是應(yīng)變片敏感柵與彈性元件的線膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生了附加變形。000RRRRt8) 溫度特性0000()gsRR KR Kt000()tgsRRRRKt

35、 式中，Ra為溫度為t時的電阻值； 為敏感柵電阻溫度系數(shù)；R0為溫度為零時的電阻值；K0為溫度為零時的靈敏度系數(shù)；g為彈性元件線性膨脹系數(shù)；s為敏感柵線性膨脹系數(shù)。02022-6-51) 橋路補(bǔ)償 由電橋和差特性公式可知，電橋相鄰兩臂若同時產(chǎn)生大小相等，符號相同的電阻增量，電橋的輸出將保持不變。利用這個性質(zhì)，可將應(yīng)變片的溫度影響相互抵消。 其方法是：將兩個特性相同的應(yīng)變片，用同樣方法粘貼在相同材質(zhì)的兩個試件上，置于相同的環(huán)境溫度中，一個承受應(yīng)力為工作片，一個不承受應(yīng)力為補(bǔ)償片，把兩個應(yīng)變片分別安置在電橋的相鄰兩個臂。測量時，若溫度發(fā)生變化，這兩個應(yīng)變片將引起相同的電阻增量，但這時電橋的輸出值不

36、受這兩個增量的影響，電橋的輸出只反映工作片所承受的應(yīng)力大小。 橋路補(bǔ)償簡單，在常溫下使用效果好。4. 應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償2022-6-5 選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 應(yīng)變片實現(xiàn)自補(bǔ)償?shù)臈l件是： 只要電阻絲材料和被測件材料配合恰當(dāng)，就能滿足上式使應(yīng)變片溫度的變化的電阻增量等于零。選擇不同電阻溫度系數(shù)的電阻絲材料來實現(xiàn)溫度補(bǔ)償而制成的應(yīng)變片稱為選擇式溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。 組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片 利用某些電阻材料的電阻溫度系數(shù)有正負(fù)的特性，將兩種不同的電阻絲柵串聯(lián)制成一個應(yīng)變片，以實現(xiàn)溫度補(bǔ)償，稱為組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片。2) 應(yīng)變片自補(bǔ)償 使用特殊的應(yīng)變片，使其溫度變化時的電阻增量等于零或相互抵消，從

37、而不產(chǎn)生 測量誤差，這種應(yīng)變片稱為自補(bǔ)償應(yīng)變片 00()gsK 2022-6-5 在鑄造生產(chǎn)過程中，鑄件產(chǎn)生應(yīng)力幾乎是不可避免的，它是鑄件在冷卻過程中，以及在加工和使用時引起變形和產(chǎn)生裂紋等缺陷的根本原因，此鑄造應(yīng)力的測量可借助于應(yīng)變式傳感器獲得。 動態(tài)鑄造應(yīng)力測定裝置由“E”形試樣、應(yīng)力傳感器和測量儀器三部分組成?！癊”形試樣由一個橫梁和三個互相形試樣由一個橫梁和三個互相平行的圓桿組成，其中兩側(cè)細(xì)桿為平行的圓桿組成，其中兩側(cè)細(xì)桿為10，中央粗桿為，中央粗桿為20，并分別與三個，并分別與三個測頭相鑄接。測頭、應(yīng)力傳感器和測頭相鑄接。測頭、應(yīng)力傳感器和橫梁通過螺紋緊固在一起橫梁通過螺紋緊固在一起

38、，“E”形形試樣的端部有直澆口，當(dāng)金屬液澆試樣的端部有直澆口，當(dāng)金屬液澆入直澆口，并充滿鑄型以后入直澆口，并充滿鑄型以后，“E”形試樣與傳感器及橫梁便構(gòu)成一個形試樣與傳感器及橫梁便構(gòu)成一個整體的應(yīng)力框。于是應(yīng)力框試樣所整體的應(yīng)力框。于是應(yīng)力框試樣所產(chǎn)生的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械受產(chǎn)生的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械受阻應(yīng)力等都通過應(yīng)力傳感器變?yōu)殡娮钁?yīng)力等都通過應(yīng)力傳感器變?yōu)殡娦盘栞敵?，此信號?jīng)測量儀器被完信號輸出，此信號經(jīng)測量儀器被完整地記錄下來，從而得到了凝固和整地記錄下來，從而得到了凝固和冷卻過程的動態(tài)應(yīng)力曲線。冷卻過程的動態(tài)應(yīng)力曲線。2022-6-5 測量鑄造應(yīng)力是采用電阻應(yīng)變式傳感器，形狀為空心

39、圓柱，見圖2.21。在彈性元件的圓周上，對稱地貼上四片箔式應(yīng)變片，應(yīng)變片的阻值為120歐，四片阻值相同的應(yīng)變片接成全橋電路。當(dāng)金屬液澆滿鑄型冷卻時，由于“E”形試樣的粗、細(xì)桿冷卻速度不同，收縮時互相制約，因而產(chǎn)生了應(yīng)力，該應(yīng)力分別傳給傳感器，使傳感器的彈性元件發(fā)生彈性變形，隨之貼于表面上的應(yīng)變片電阻值即發(fā)生了變化：豎片R1、R3變?yōu)镽1+R1和R3+R3；橫片R2、R4由于橫向長度變化甚微，其阻值變化可以忽略。圖圖2.21 彈性元件貼片示意圖彈性元件貼片示意圖 這樣，原有電橋平衡被破壞，B、D兩端有電信號輸出。輸出信號的大小與彈性元件的受力成正比，即與“E”形試樣粗和細(xì)桿的應(yīng)力大小成正比。 為

40、了消除溫度對應(yīng)變片電阻值的影響，傳感器的彈性元件采用中空水冷。 2022-6-5 電容式傳感器的作用是將被測工件尺寸的微小變化或?qū)⒈粶y工件間的電容介質(zhì)介電系數(shù)的微小變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，然后通過一定的測量電路，將電容量的變化以一定的電信號形式反映出來，從而實現(xiàn)非電量電測量的目的。 它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高，可實現(xiàn)非接觸測量的特點，廣泛應(yīng)用于位移、液位、振動及濕度等參量的測量中。0rSSC 由上式可知，任意改變r 、 S 、 中的其一，則電容C隨之改變。 根據(jù)電容式傳感器的工作原理可分為三種類型，即變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器和變介電常數(shù)型電容傳感器。2022-6-51. 變

41、極距型電容傳感器022111SCSSSC 當(dāng) 時：若， 此時：2211001SCCC 要使C與有近似的線性關(guān)系，即使dCd為近似的線性關(guān)系，必須規(guī)定在較小的間隙范圍內(nèi)變化，通常取/=0.1。此外，當(dāng)小時，同樣的引起的電容變化量C較大，使傳感器的靈敏度提高。但過小時，容易引起電容擊穿，一般可以在極板間放置云母片來改善。 圖2.22 變極距型電容傳感器2022-6-5 圖2.23 差動式變極距電容傳感器在實際應(yīng)用中經(jīng)常采用差動式，見在實際應(yīng)用中經(jīng)常采用差動式，見圖圖2.23。 當(dāng)動板位于中間時：當(dāng)動板位于中間時： 假設(shè)動板向下移動假設(shè)動板向下移動后，則兩組電容后，則兩組電容分別為：分別為：12CC

42、12SCSC此時，電容量信號的檢測方法如下：在兩塊固定極板間加交流電壓u，測定加于兩組電容器上的電壓差值u1-u2。根據(jù)庫侖定律可知：而 所以 可見，動板的移動與u成線性關(guān)系，若測定出u就得到了的大小，同時消除了小范圍移動的限制條件。1122QuQCSQuQCSSQC uu12uuuu 2022-6-52. 變面積型電容傳感器 變面積電容傳感器有四種類型，即平板電容器、圓柱形電容器、角位移電容器和容柵式電容器。圖圖2.24 變面積型線位移電容傳感器原理圖變面積型線位移電容傳感器原理圖 動極板相對定極板移動動極板相對定極板移動后，引起兩后，引起兩極板有效面積變化，從而引起電容量極板有效面積變化，

43、從而引起電容量的變化，電容量變化為：的變化，電容量變化為： 靈敏度為靈敏度為即即C與與成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 00rbCCCx gKCxb 2022-6-5圖圖2.25 變面積型角位移電容傳感器原理圖變面積型角位移電容傳感器原理圖 當(dāng)當(dāng)=0時，時， 當(dāng)動板相對定板有一個角位移，即當(dāng)動板相對定板有一個角位移，即0時時電容量的變化量為：電容量的變化量為：靈敏度為靈敏度為即即C與與呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。000rSC 00001rSCCC 00CCCC 01gC CK 2022-6-53. 變介電常數(shù)型電容傳感器1) 原理 在濕型砂中，主要含有石英砂、粘土、水分、煤粉（或淀粉），這些物質(zhì)中除水的介

44、電系數(shù)為81外，其余的物質(zhì)的介電系數(shù)均小于5，因此，濕型砂中含水量的微小變化就會引起介電系數(shù)的變化，實踐證明濕型砂濕度與介電系數(shù)之間有線性關(guān)系，即含水量的微小變化會引起電容值按線性規(guī)律發(fā)生較大變化，從而可通過快速測得電容量來反映濕型砂的含水量。2022-6-5 在濕型砂中，主要含有石英砂、粘土、水分、煤粉（或淀粉），這些物質(zhì)中除水的介電系數(shù)為81外，其余的物質(zhì)的介電系數(shù)均小于5，因此，濕型砂中含水量的微小變化就會引起介電系數(shù)的變化，實踐證明濕型砂濕度與介電系數(shù)之間有線性關(guān)系，即含水量的微小變化會引起電容值按線性規(guī)律發(fā)生較大變化，從而可通過快速測得電容量來反映濕型砂的含水量。2022-6-52)

45、 傳感器的基本形式 圖圖2.26中，由兩同軸心圓柱的電極中，由兩同軸心圓柱的電極（探頭和砂斗）與兩電極之間的介質(zhì)（探頭和砂斗）與兩電極之間的介質(zhì)（型砂）組成電容器，該電容器的電（型砂）組成電容器，該電容器的電容量為：容量為： 對于一個具體的電容器，對于一個具體的電容器，R、r、L為定值，電容量為定值，電容量C僅取決于極板間所僅取決于極板間所充介質(zhì)的介電系數(shù)充介質(zhì)的介電系數(shù)。2lnLCRr 筒形電容傳感器，適用于有中間砂斗的鑄造車間，見圖2.262022-6-5 同心圓環(huán)電容傳感器，適用于沒有中間砂斗的鑄造車間，將傳感器安裝于混砂機(jī)上，旁側(cè)取樣，結(jié)構(gòu)見圖2.27。圖圖2.27 同心圓環(huán)電容傳感結(jié)

46、構(gòu)圖同心圓環(huán)電容傳感結(jié)構(gòu)圖 2022-6-5 實際測量中，測其輸出電壓值。電容量向電壓的轉(zhuǎn)換是通過高頻發(fā)生器實現(xiàn)的，見圖2.28，它主要由電容和石英晶體組成振蕩器，可產(chǎn)生3MHz15MHz的穩(wěn)定高頻信號，向LC并聯(lián)諧振回路輸出電壓uc：式中，0為高頻信號發(fā)生器固有頻率；I為射極輸出電流。3) 測量電路圖圖2.28 電容法測水分測測量電路示意圖電容法測水分測測量電路示意圖 0CIuC2022-6-5 高頻信號發(fā)生器的固有頻率對電容法測水分的靈敏度影響很大。采用信號源時，當(dāng)濕型砂含水量達(dá)到3.5%以上時，電容量將不隨含水量的增加而變化（濕型砂可能從絕緣體變?yōu)榉墙^緣體），因而限制了電容法測水分的應(yīng)用

47、范圍。如果改用 13.65MHz信號源，則曲線在含水量3.5%4.0%處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折后繼續(xù)上升，即電容量仍隨含水量增加而增大，只是靈敏度有所變化而已，見圖2.29。圖2.29 水分與靈敏度關(guān)系曲線2022-6-51. 橋式測量電路 (a)為單臂接法的橋式測量電路，高頻電源經(jīng)變壓器接到電容橋的一個對角線上，電橋平衡時有：C1/C2=Cx/C3，Usc=0。當(dāng)Cx發(fā)生變化時，Usc0，即有電壓輸出，此種電路多用于料位的檢測。(b)電路中，接有差動電容傳感器，其空載輸出電壓可表示為：00000()()()()scCCCCCUUUCCCCC 2022-6-5圖圖2.31 調(diào)頻電路方框圖調(diào)頻電路方框圖2.

48、調(diào)頻電路 將電容式傳感器接入振蕩器諧振回路，當(dāng)電容器容量發(fā)生變化時，振蕩器振蕩頻率會發(fā)生相應(yīng)改變。將頻率變化送鑒頻器變換為振幅變化，再經(jīng)適當(dāng)放大，即可用表頭指示或記錄儀器記錄下來，這就是利用調(diào)頻電路測量電容傳感器信號輸出的基本原理。2022-6-53. 脈沖電路圖2.32 電容信號脈沖測量電路 當(dāng)K1合向右方時，電源經(jīng)電阻R向電容傳感器Cx充電，電容器充電電壓值為： (1)txUEe 將開關(guān)合向左方時，經(jīng)同樣的電阻R放電，如果能保持充電和放電時間相同，則充電和放電電流大小相同，它們的平均電流值為：222xMxC EQIC EfTT 如果E和f固定不變，則 可反映Cx的大小， 且與Cx呈線性關(guān)系

49、。MIMI2022-6-5 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為線圈的自感或互感變化的裝置。它常用來檢測位移、壓力、振動、應(yīng)變、流量和比重等參數(shù)。 電感式傳感器種類較多，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同，可分為自感式、互感式、電渦流式等。 按照結(jié)構(gòu)形式不同，自感式傳感器有變氣隙式、變截面積式和螺管式；互感式傳感器有變氣隙式和螺管式；電渦流傳感器有高頻反射式和低頻透射式。2022-6-51. 結(jié)構(gòu)和工作原理圖圖2.34 自感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖自感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖 圖2.34為自感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖，其中鐵芯和活動銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或波莫合金制成。鐵芯上繞有線圈，并加交流激勵。鐵芯與銜鐵之間有空

50、氣隙。當(dāng)銜鐵上下移動時，氣隙改變，磁路磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈自感的變化。這種自感量的變化與銜鐵位置有關(guān)，因此只要測出自感量的變化，就能獲得銜鐵位移量的大小，這就是自感式傳感器的變換原理。2022-6-5假設(shè)匝數(shù)為W的電感線圈通以交流電激勵，電感線圈的自感值L為： 而鐵芯、銜鐵和空氣的總磁阻為：當(dāng)忽略鐵芯和銜鐵的磁阻時，電感值L為：220002nmiiWSWLR21nm iiWLR3312111122002imiiiiilllRSSSS 從上式可以看出，當(dāng)線圈的匝數(shù)確定后，只要氣隙厚度或氣隙截面積發(fā)生變化，電感即發(fā)生變化，即 ，因此，電感式自感傳感器從結(jié)構(gòu)上可分為變氣隙式和變面積式。此外，在

51、圓筒形線圈中放圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動時，電感量也發(fā)生變化，可構(gòu)成螺線管型電感傳感器。( , )LfS2022-6-52. 變氣隙式自感傳感器的特性000011LLL-曲線曲線 1) 簡單變氣隙式自感傳感器 當(dāng)銜鐵上移時，傳感器的氣隙減小0，電感量的相對變化為： 在實際應(yīng)用中/01，可將上式展成傅立葉級數(shù)形式：230000LL同理，當(dāng)銜鐵下移時，230000LL 忽略掉包括二次項以上的高次項，則L和成線性關(guān)系。由此可見，高次項是造成非線性的主要原因。 越小，高次項也越小。這說明了輸出特性和測量范圍之間存在矛盾，故電感式傳感器用于測量微小位移量要更精確些。為了減少非線性誤差，實際測量中一般都采

52、用差動式電感傳感器。02022-6-5圖圖2.36 差動變氣隙式自感傳感器差動變氣隙式自感傳感器 2) 差動變氣隙式自感傳感器銜鐵處于初始位置時：銜鐵移動時：差動電感傳感器總的電感變化量為：忽略二次項以上的高次項可得： 20012002WSLLL231000002320000011LLLL2412000021LLLL 002LL可見，差動式電感傳感器為簡單式電感傳感器靈敏度的兩倍；非線性誤差由原來的/0減為(/0)2。2022-6-53.自感式傳感器的實際結(jié)構(gòu)圖圖2.37軸向自感式傳感器結(jié)構(gòu)圖軸向自感式傳感器結(jié)構(gòu)圖1-引出線套管；引出線套管；2-外殼；外殼；3-筒形磁鐵；筒形磁鐵；4-鐵芯；鐵

53、芯；5-線圈；線圈；6-線圈骨架；線圈骨架；7-彈簧；彈簧；8-防轉(zhuǎn)銷；防轉(zhuǎn)銷；9-鋼球?qū)к?；鋼球?qū)к墸?0-測桿；測桿；11-密封套；密封套；12-可換測頭可換測頭 可換測量端可換測量端12用螺紋擰在測桿用螺紋擰在測桿10上，端部有一耐磨材料組成的極硬的柱體或球體，測桿上，端部有一耐磨材料組成的極硬的柱體或球體，測桿10 可在鋼球?qū)к壙稍阡撉驅(qū)к?上作軸向移動，測桿的另一端固定著銜鐵上作軸向移動，測桿的另一端固定著銜鐵4，當(dāng)測量端接觸被測工件推動測桿，當(dāng)測量端接觸被測工件推動測桿移動時，帶動銜鐵移動時，帶動銜鐵4在線圈在線圈5中移動，線圈中移動，線圈5置于固定磁筒置于固定磁筒3中，組成差動的

54、形式，即當(dāng)活動磁中，組成差動的形式，即當(dāng)活動磁芯向左移動時，左部線圈的電感量增加，右部線圈的電感量減小。兩個電感線圈用導(dǎo)線芯向左移動時，左部線圈的電感量增加，右部線圈的電感量減小。兩個電感線圈用導(dǎo)線1引出引出，以便裝入測量電路。測力由彈簧，以便裝入測量電路。測力由彈簧7產(chǎn)生，防轉(zhuǎn)裝置由防轉(zhuǎn)銷產(chǎn)生，防轉(zhuǎn)裝置由防轉(zhuǎn)銷8來限制測桿來限制測桿10的轉(zhuǎn)動，密封套的轉(zhuǎn)動，密封套11用以防止塵土進(jìn)入側(cè)頭內(nèi)。用以防止塵土進(jìn)入側(cè)頭內(nèi)。2022-6-5 當(dāng)匝數(shù)W1為的初級線圈通入激勵交流電流i1時，它將產(chǎn)生磁通11，這時有一部分磁通12穿過匝數(shù)為W2的次級線圈，因而在線圈W2中將產(chǎn)生互感電動勢E，即： 設(shè) ，則

55、，故次級線圈開路輸出電壓為： 式中，r1和L1分別為初級線圈的有效電阻和自感值。 由此可見，輸出電壓信號隨互感變化而變化，這就是互感式傳感器的工作原理。 互感式傳感器按其改變電感量的方式主要有兩種基本形式。121ddIEMdtdt111scUUEj MIj Mrj L 11j tMIIe11j tMdIdtj Ie 圖圖2.38 互感式傳感器工作原理互感式傳感器工作原理2022-6-5圖圖2.39 改變氣隙厚度的互感式傳感器工作原理圖改變氣隙厚度的互感式傳感器工作原理圖它與改變氣隙厚度的自感式傳感器極為相似，其工作原理見圖2.39。由鐵芯1、銜鐵2、初級線圈W1a、W1b和次級線圈W2a、W2

56、b組成。1. 改變氣隙厚度的互感式傳感器2022-6-521211022111022aaaaaamamamabbbbbmbbmbmbWW WLMRRRSW WWMRLRSR 當(dāng)對初級線圈施加交流電時，初級線圈內(nèi)流過電流 ，將在次級線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓 和 。當(dāng)把兩次級線圈反相串接后，輸出電壓為：1I221111()scabbaababEUUUjMMrrj Lj L21()()abscabWUEW 設(shè)初級線圈W1a和W1b的自感分別為L1a、L1b；磁路a和磁路b的總磁阻分別為Rma和Rmb，初級線圈與次級線圈互感系數(shù)為Ma和Mb，a和b為氣隙厚度，S為氣隙磁通截面積，根據(jù)物理學(xué)知識可知：2aU2

57、bU若W1a=W1b=W1，W2a=W2b=W2，且考慮rL可得：2022-6-5 當(dāng)銜鐵處于中間位置時，則 ，此時 ； 當(dāng)銜鐵向上偏移時，則 ， ，此時 當(dāng)銜鐵向下偏移時，則 ， ，此時 從上面分析可知，輸出電壓Usc與傳感器變壓比W2/W1、銜鐵偏移量、激勵電壓E成正比，與磁路氣隙厚度0成反比。 0ab0scU0a0b210scWUEW 0a0b210scWUEW2022-6-5圖圖2.40 Schaevitz差動變壓器式位移傳感器差動變壓器式位移傳感器2. 螺線管型差動變壓器式傳感器2022-6-5螺線管型差動變壓器式傳感器，其結(jié)構(gòu)見圖2.41圖圖2.41螺線管型差動變壓器式傳感器結(jié)構(gòu)螺

58、線管型差動變壓器式傳感器結(jié)構(gòu) 工作原理與改變氣隙互感傳工作原理與改變氣隙互感傳感器相似，它主要由線圈、感器相似，它主要由線圈、線圈框架、鐵芯等組成。在線圈框架、鐵芯等組成。在線圈框架上繞有一組初級線線圈框架上繞有一組初級線圈作為輸入線圈，在框架的圈作為輸入線圈，在框架的另一部分繞上兩組次級線圈另一部分繞上兩組次級線圈作為輸出線圈，在它們的芯作為輸出線圈，在它們的芯部放入鐵芯。當(dāng)初級線圈通部放入鐵芯。當(dāng)初級線圈通以適當(dāng)頻率的激勵電壓時，以適當(dāng)頻率的激勵電壓時，那么在兩個次級線圈中，由那么在兩個次級線圈中，由于變壓器的互感作用就會產(chǎn)于變壓器的互感作用就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。生感應(yīng)電壓。2022-6-5

59、圖圖2.42螺線管型差動變壓器式傳感器輸出特性螺線管型差動變壓器式傳感器輸出特性 當(dāng)鐵芯位于二個線當(dāng)鐵芯位于二個線圈的中間位置時，感應(yīng)圈的中間位置時，感應(yīng)電壓最大；當(dāng)鐵芯逐漸電壓最大；當(dāng)鐵芯逐漸偏離中心位置時，感生偏離中心位置時，感生電壓隨偏離中心增加而電壓隨偏離中心增加而逐步減小，最后接近空逐步減小，最后接近空心狀態(tài)時的電壓為心狀態(tài)時的電壓為e0。當(dāng)兩個次級線圈反向串當(dāng)兩個次級線圈反向串接時，空載輸出電壓接時，空載輸出電壓es c=e1-e2，并且具有，并且具有“V”字特性。字特性。2022-6-5 差動變壓器的兩組次級線圈反向串接，當(dāng)鐵芯處在中間位置時，輸出電壓應(yīng)該為零，見圖2.43，但實

60、際上輸出特性曲線“V”字端部不是零，而有一個很小的電壓e0 ，這個電壓稱為“零點殘余電壓”。 互感傳感器產(chǎn)生零點殘余電壓的原因主要有兩點： 兩次級線圈等效參數(shù)不對稱，使輸出的基波感應(yīng)電勢的幅值不同或相位不同； 由于磁芯的非線性，產(chǎn)生高次諧波不同，不能相互抵消。 圖圖2.43 零點殘余電壓示意圖零點殘余電壓示意圖 2022-6-5 減小或消除零點殘余電壓可采用如下措施： 從設(shè)計和工藝上盡量保證傳感器線圈和磁路對稱； 采用拆圈實驗的方法減小零點殘余電壓。這種方法的理論依據(jù)是兩個次級線圈的等效參數(shù)不相等，用拆圈的方法進(jìn)行調(diào)整，以改善線圈的對稱性，減小零點殘余電壓； 在電路上進(jìn)行補(bǔ)償，這是既簡單又行之