第二章-阻抗式結(jié)構(gòu)性傳感器課件1

1、第二章阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器：依靠敏感結(jié)構(gòu)的變形、運(yùn)動(dòng)，將被測(cè)量轉(zhuǎn)變成測(cè)試電路的阻抗；主要有電阻應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器。這類傳感器除結(jié)構(gòu)相似外，它們的共同特點(diǎn)還有：1)同時(shí)存在兩種轉(zhuǎn)換器件， 其一是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成變形、位移、運(yùn)動(dòng)等機(jī)械量的敏感元件，如：彈性元件、各種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，敏感元件的形式?jīng)Q定了傳感器的結(jié)構(gòu)； 其二是將機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電阻、電容、電感等電量的轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換元件決定了傳感器的測(cè)試原理。僅由轉(zhuǎn)換元件也可以直接構(gòu)成簡(jiǎn)單的傳感器，但轉(zhuǎn)換元件的使用范圍（被測(cè)量類型、量程等）將受到很大限制。實(shí)際上，常常是敏感元件決定了傳感器的功能和外貌。2)這類傳感器是無(wú)源性器

2、件，必須有外接電源才能有電信號(hào)輸出。因此，傳感器的精度和靈敏度也與供電電壓有關(guān)。2.1阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器的敏感元件 2.1.1彈性敏感元件的主要性能 2.1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能 2.1.3彈性敏感元件的材料阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器的敏感結(jié)構(gòu)可分為彈性變形和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩類。彈性變形式敏感結(jié)構(gòu)的原理是：利用被測(cè)量伴隨的力作用，將被測(cè)量轉(zhuǎn)變成彈性體的微量彈性變形，或由被測(cè)對(duì)象直接牽引引起敏感元件的變形或位移。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要作用是運(yùn)動(dòng)變換或放大，如將直線運(yùn)動(dòng)變換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，常用的機(jī)構(gòu)主要是齒輪機(jī)構(gòu)、杠桿和連桿機(jī)構(gòu)，可參考機(jī)械設(shè)計(jì)的有關(guān)書籍。本章主要介紹彈性敏感元件。2.1.1彈性敏感元件的主要性能彈性敏

3、感元件的主要性能有：彈性特性、靈敏度，剛度、諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)、安全系數(shù)等。1、彈性特性：指元件的輸入輸出特性，一般指力變形位移（撓度）特性。可用下式表示：或 (2-1)式中：F表示施加于敏感元件的力或力矩，為變形量或位移2、靈敏度與剛度：靈敏度S由下式表示：敏感元件的剛度是靈敏度的倒數(shù)。理想傳感器要求有較高的靈敏度，同時(shí)傳感器的位移與被測(cè)量對(duì)象的運(yùn)動(dòng)誤差無(wú)關(guān)，即有足夠的剛性。但是，很多情形下，傳感器的位移也是被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，設(shè)計(jì)傳感器時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮。 (2-2)3、諧振頻率：彈性敏感元件的固有頻率決定其動(dòng)態(tài)特性，一般來(lái)說(shuō)，固有頻率越高，動(dòng)態(tài)特性越好。彈性元件是一個(gè)質(zhì)量連續(xù)分布的系統(tǒng)

4、，可以有無(wú)窮多個(gè)諧振點(diǎn)，一般最關(guān)心諧振頻率的最低一個(gè)，稱為基頻。敏感元件的諧振頻率可由計(jì)算獲得，但必須由實(shí)驗(yàn)校正。可用下式估計(jì)：或 me元件的等效振動(dòng)質(zhì)量，k元件的彈簧常數(shù)。 (2-3)4、彈性滯后和后效 彈性滯后：是指彈性敏感元件在彈性變形范圍內(nèi)，加、卸載的正反行程變形不重合的現(xiàn)象，一般用最大變形滯后與最大變形的百分比表示。加在彈性敏感元件上的載荷發(fā)生變化后，其變形并不能立即隨載荷變化，加載（或卸載）后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間應(yīng)變才增加（或減小）到一定數(shù)值的現(xiàn)象稱為彈性后效，在動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，易造成測(cè)試誤差。5、安全系數(shù)： 安全系數(shù)反映敏感元件的承載能力，用下式表示：或： 表示材料單位面積的受力，即應(yīng)力 ，

5、單位為Pa。F為受力或載荷，A為承載面積, 表示材料的許用應(yīng)力。安全系數(shù)越大，敏感元件的過(guò)載能力越強(qiáng)，但可能體積越大，越笨重。一般以1.55為宜。除上述特性外，還有材料的蠕變、溫度特性等。2.1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能常用彈性元件主要有：環(huán)形結(jié)構(gòu)、梁、膜片式結(jié)構(gòu)、波紋管和波登管、諧振結(jié)構(gòu)，它們的性能取決于元件的結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)特性。1、基本拉壓 ：材料受力變形的最基本形式是拉壓變形，由下式計(jì)算：式中：為應(yīng)變，即單位長(zhǎng)度的變形， 因此它是一個(gè)無(wú)量綱，習(xí)慣上將10-6稱為一個(gè)微應(yīng)變；l 是受力后發(fā)生的變形，l為受載變形長(zhǎng)度；E為材料的彈性模量，單位Pa，它是一個(gè)僅與材料有關(guān)的參數(shù)。一般材料受力

6、方向稱為縱向，受力發(fā)生縱向變形的同時(shí)，橫向也會(huì)發(fā)生變形，用x或y表示，則有下述關(guān)系： y, 稱為泊松比，泊松比是材料的基本力學(xué)參數(shù)，一般鋼材可取0.25，其它材料可從有關(guān)手冊(cè)查得。等截面桿件、等壁厚圓筒可視為基本拉伸結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足： 。2、彈性梁: 變形以彎曲為主的結(jié)構(gòu)稱為彈性梁。按支承形式可分有懸臂梁、簡(jiǎn)支梁等；按承載特性可分有等截面梁、等強(qiáng)度梁等。只有一端支承的梁稱為懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示。圖2.1等截面梁圖中，b為懸臂梁截面寬度，l為力的作用點(diǎn)距固定端的長(zhǎng)度，h為梁的厚度，x為測(cè)試點(diǎn)的位置。 圖2.1等截面梁圖2.5 扁環(huán)形結(jié)構(gòu)3、環(huán)形結(jié)構(gòu) 稱重式傳感器中常用到如圖2.4所示的圓

7、環(huán)形結(jié)構(gòu)。圖2.5所示的扁環(huán)形結(jié)構(gòu)也常用于測(cè)量力傳感器;圖2.4 環(huán)形結(jié)構(gòu)4、膜片式結(jié)構(gòu)膜片式結(jié)構(gòu)可用于測(cè)量與微小位移有關(guān)的量。雖然膜片的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但應(yīng)力分布卻比較復(fù)雜，按膜的形狀可分為平膜片、帶硬中心的膜片和波紋膜等，按受力方式可分為集中力載荷和均布力載荷，按應(yīng)力的性質(zhì)可分為厚膜和薄膜。膜受載后變形，中心的撓度0最大。設(shè)膜厚為h，如果0/h1/3，則可按厚膜計(jì)算，厚膜的變形以彎曲為主，膜的拉壓處于次要地位；如果0/h5，則按薄膜計(jì)算，認(rèn)為薄膜是柔軟的，無(wú)彎曲剛度和彎曲應(yīng)力，膜的變形以拉壓為主。圖2.6 平薄膜受均布載荷1)平膜 平膜適合與測(cè)量受均布載荷的情形，圓形平膜的結(jié)構(gòu)如圖所示， 2

8、)帶有硬中心的膜片在傳感器中，帶有硬中心的膜片也有廣泛的應(yīng)用，其特征是膜的中心很厚，可以認(rèn)為是剛體。常利用硬中心將均布?jí)毫D(zhuǎn)換為集中力，在小位移下有較高的應(yīng)力，因而有更高的靈敏度。圖2.7 硬中心的薄膜受均布載荷5、彈性諧振元件 : 彈性諧振元件能將被測(cè)量轉(zhuǎn)變成頻率信號(hào)，常用的諧振元件有振動(dòng)弦、振動(dòng)梁、振動(dòng)膜和振動(dòng)筒。6、其它結(jié)構(gòu)傳感器器還常采用波紋管和波登管作敏感元件。波紋管是具有規(guī)則形狀的圓形薄殼，在軸向力、徑向力或扭矩的作用下能產(chǎn)生相應(yīng)的位移，按波紋成型方法可分為無(wú)縫波紋管和有縫波紋管。無(wú)縫波紋管采用液壓成型，已經(jīng)有完整的規(guī)格系列；有縫波紋管采用膜片沖壓成型，再沿周邊焊接的工藝制造，其性

9、能優(yōu)越，在精密儀器中應(yīng)用廣泛。(a)圓形截面 (b)蝶形截面圖2.8 波紋管2.1.3彈性敏感元件的材料對(duì)彈性元件材料的性能有以下要求：強(qiáng)度高，彈性極限高；有較高的沖擊韌性和疲勞極限；彈性模量的溫度系數(shù)小而穩(wěn)定熱處理后有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性；熱膨脹系數(shù)?。痪哂辛己玫墓に囆?，如機(jī)械加工性能和熱處理性能；較好的耐腐蝕性能彈性滯后小。一種材料很難滿足上述所有的條件，選用時(shí)要根據(jù)傳感器的工作和使用條件綜合考慮。常用的彈性合金可分為兩大類：高彈性合金和恒彈性合金。2.2電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理基于四個(gè)基本的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：力(F) 應(yīng)變() 電阻變化(R) 電壓輸出(V)。其中，力 應(yīng)

10、變由敏感元件完成，這一轉(zhuǎn)換依賴于傳感器的結(jié)構(gòu)；應(yīng)變電阻變化由電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)換元件完成，即金屬應(yīng)變效應(yīng)；電阻變化電壓輸出則由測(cè)試電路完成，三個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程構(gòu)成一個(gè)完整的電阻應(yīng)變式傳感器。2.2.1 應(yīng)變效應(yīng) 導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外界力的作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。 2.2.2 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu):引線-連接測(cè)量導(dǎo)線之用蓋層基底與面膠中間介質(zhì)和絕緣作用電阻絲(敏感柵)轉(zhuǎn)換元件 電阻應(yīng)變片式傳感器是目前用 于測(cè)量力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。其基本結(jié)構(gòu)與組成如左圖示意。工作原理 對(duì)于一長(zhǎng)為L(zhǎng)、橫截面積為A

11、、電阻率為的金屬絲，其電阻值R為：如果對(duì)電阻絲長(zhǎng)度作用均勻應(yīng)力，則、L、A的變化(d、dL、dA)將引起電阻R變化dR ，dR可通過(guò)對(duì)上式的全微分求得：電阻相對(duì)變化量為： 若電阻絲是圓形的，則A=r ,對(duì)r 微分得dA=2r dr，則： ll+ dl2r2(r-dr)F圖2-1 金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)由材料力學(xué)的知識(shí)：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，則軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系為： y=-x （2-5） 為金屬材料的泊松系數(shù)。將（2-4）式、（2-5）代入（2-3）式得：KS稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，表示單位應(yīng)變所引起的電阻的相對(duì)變化。對(duì)于確定的材料，(1+2)項(xiàng)是常數(shù)，其數(shù)值約在1

12、2之間，實(shí)驗(yàn)證明d/x 也是一個(gè)常數(shù)。上式表示金屬絲的電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比關(guān)系。根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系:應(yīng)力 =E，即 ，而 dR，所以 dR 2.2.3 電阻應(yīng)變片的分類金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片1金屬電阻應(yīng)變片:絲式、箔式、薄膜式。(1)金屬絲式應(yīng)變片：將金屬電阻絲（一般是合金，電阻率較高，直徑約0.02mm）粘貼在絕緣基片上，上面覆蓋一層薄膜，使它們變成一個(gè)整體。 基片覆蓋層金屬絲引線圖2-2 金屬絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)（2）金屬箔式應(yīng)變片 利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.0030.010 mm，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。其優(yōu)點(diǎn)是表面積和截面積之比

13、大，散熱條件好，允許通過(guò)的電流較大，可制成各種需要的形狀，便于批量生產(chǎn)。圖2-3 箔式應(yīng)變片（3）金屬薄膜應(yīng)變片 金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或?yàn)R射式陰極擴(kuò)散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。 這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。 常用應(yīng)變片的形式金屬應(yīng)變計(jì):2半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件 。當(dāng)半導(dǎo)體材料某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化。 當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻相對(duì)變化為 :式中 為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率的相對(duì)變化，其值與半導(dǎo)體敏感條在軸向所受的應(yīng)力之比為一常數(shù)

14、。即代入（2-10）式，得：上式中1+2項(xiàng)隨幾何形狀而變化，LE項(xiàng)為壓阻效應(yīng)，隨電阻率而變化。實(shí)驗(yàn)證明LE比1+2大近百倍，所以1+2可以忽略，因而半導(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)是體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單。但其溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性較嚴(yán)重。2.2.4 電阻應(yīng)變片的重要特性靈敏度系數(shù). 物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化 橫向效應(yīng). 機(jī)械滯后. 零點(diǎn)漂移和蠕變. 應(yīng)變極限. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.2.2.4.1 靈敏度系數(shù) 金屬應(yīng)變絲的電阻相對(duì)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

15、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(duì)應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性重新測(cè)定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?cè)诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系。即:K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 測(cè)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。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效應(yīng)。 2.2.4.2 橫向效應(yīng) 金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變r(jià)也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。 2.2.4.3 機(jī)械滯后、零漂及蠕變應(yīng)變片粘貼在被測(cè)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。1機(jī)械應(yīng)變R

16、卸載加載指示應(yīng)變i圖2-6 應(yīng)變片的機(jī)械滯后2.2.4.4 應(yīng)變極限在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對(duì)測(cè)試值的真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不超過(guò)規(guī)定范圍（一般為10%）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。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(cè)試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)所引起的表面應(yīng)變。j真實(shí)應(yīng)變g指示應(yīng)變i圖2-7 應(yīng)變片的應(yīng)變極限100%190%2.2.4.5 動(dòng)態(tài)特性應(yīng)變波的波長(zhǎng)為 ；應(yīng)變片的基長(zhǎng)為 ；推導(dǎo)應(yīng)變片在其基長(zhǎng)內(nèi)測(cè)得的平均應(yīng)變最大值 ： 2.2.5 溫度補(bǔ)償1. 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片由(2-21)式知，若使應(yīng)變片在溫度變化t時(shí)的熱輸出值為零，必須使即： 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和使用都比較方便，但

17、它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?. 雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一定溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償這種應(yīng)變片的自補(bǔ)償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號(hào)相反，即：(Ra) t= (Rb) t焊點(diǎn)RaRb3. 電路補(bǔ)償法 測(cè)量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測(cè)試件的表面,稱為工作應(yīng)變片R1 。另一片貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上，稱為補(bǔ)償應(yīng)變片R2。在工作過(guò)程中補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。補(bǔ)償應(yīng)變片粘貼示意圖R1R2補(bǔ)償

18、塊試件4.熱敏電阻補(bǔ)償法熱敏電阻Rt與應(yīng)變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Rt的阻值下降，使電橋的輸入電壓增加，從而提高了電橋的輸出電壓。選擇分流電阻R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。ER2R4R1R3圖2-10 橋路補(bǔ)償法USCRtR2.3 電容式傳感器各種電容式傳感器:電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器 以電容器為敏感元件，將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。 電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨力高、可非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工

19、作，這是它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促使它揚(yáng)長(zhǎng)避短，成為一種很有發(fā)展前途的傳感器。2.3.1 電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)2.3.1.1 基本工作原理平行極板電容器的電容量為：S 極板的遮蓋面積，單位為m2； 極板間介質(zhì)的介電系數(shù)；兩平行極板間的距離，單位為m；0 真空的介電常數(shù)，0 =8.85410-12 F/m；r 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)于空氣介質(zhì)，r 1。一、變面積式 變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。變面積式電容傳感器還可以做成其他形式。這一類傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量角位移變面積型:板狀線位移變面積型二、變極距式 近年來(lái)，隨

20、著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電容傳感器大多都配置了單片機(jī)，所以其非線性誤差可用微機(jī)來(lái)計(jì)算修正。為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成差動(dòng)形式。三、變介電常數(shù)式 圖2.24 變介質(zhì)型電容傳感器(a)電介質(zhì)插入式 (b)非導(dǎo)電流散材料物位的電容測(cè)量下表列出了幾種常用氣體、液體、固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。介質(zhì)名稱 相對(duì)介電常數(shù)r 介質(zhì)名稱 相對(duì)介電常數(shù)真空 1 玻璃釉 35 空氣 略大于1 SiO2 38 其他氣體 11.2 云母 58 變壓器油 24 干的紙 24 硅油 23.5 干的谷物 35 聚丙烯 22.2 環(huán)氧樹脂 310 聚苯乙烯 2.42.6 高頻陶瓷 10160 聚四氟乙烯 2.

21、0 低頻陶瓷、壓電陶瓷 100010000 聚偏二氟乙烯 35 純凈的水 80 2.3.2應(yīng)用中存在的問(wèn)題及其改進(jìn)措施1變極距型平板電容傳感器的非線性問(wèn)題 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。 一 存在的問(wèn)題2 邊緣效應(yīng)當(dāng)極板厚度h與極距之比相對(duì)較大時(shí)，電容器極板的邊緣處將不再是均勻電場(chǎng)，邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，還產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖2.30所示。保護(hù)

22、環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)的影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而是在石英或陶瓷等非金屬材料表面上蒸涂一薄層金屬作為極板。圖2.30帶有保護(hù)環(huán)的電容傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖2.31帶保護(hù)環(huán)的電容傳感器圖2.31所示為一帶保護(hù)環(huán)的微位移電容傳感器，可用來(lái)測(cè)量偏心、不平行度、振動(dòng)振幅等。只要被測(cè)對(duì)象在所用頻率下是導(dǎo)電的，氣隙中介質(zhì)的介電常數(shù)不隨時(shí)間、溫度和機(jī)械應(yīng)力而變化，均可獲得較高的測(cè)量精度。設(shè)計(jì)上如作些改變，還能作介電材料的測(cè)厚傳感器。3 溫度影響環(huán)境溫度的變化可能改變傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)或介質(zhì)的介電常數(shù)

23、，從而改變電容傳感器的輸出相對(duì)于被測(cè)輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，產(chǎn)生溫度溫度干擾誤差.圖2.32電容式傳感器的溫度誤差(1)溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響電容傳感器由于極板間隙很，靈敏度很高，因而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。當(dāng)傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配時(shí)，溫度變化將導(dǎo)致極間間隙較大的相對(duì)變化，產(chǎn)生很大的溫度誤差。現(xiàn)以圖2-32所示變極距型為例，設(shè)定極板厚度為g0，絕緣件厚度b0，動(dòng)極板至絕緣底部的殼體長(zhǎng)為a0，各零件材料的線脹系數(shù)分別為a、b、g。當(dāng)溫度由t0變化t后，極板間隙將由0a0b0g0變成t；由此引起的溫度誤差由此可見(jiàn)，消除溫度誤差的條件為：在設(shè)計(jì)電容式傳感器時(shí)，適當(dāng)選擇材料及有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以滿

24、足溫度誤差補(bǔ)償要求?；颍?）溫度對(duì)介質(zhì)的影響溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質(zhì)，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。例如煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達(dá) 0.07；若環(huán)境溫度變化50，則將帶來(lái) 7的溫度誤差，故采用此類介質(zhì)時(shí)必須注意溫度變化造成的誤差。4 寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容(l2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大。“寄生電容” 降低了傳感器的靈敏度，且是隨機(jī)變化的，使傳感器的工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度，其變化量甚至超過(guò)被測(cè)量引起的電

25、容變化量，致使傳感器無(wú)法工作。因此對(duì)電纜選擇、安裝、接法有要求二 改進(jìn)措施1 消除和減小邊緣效應(yīng) 適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長(zhǎng)與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范圍。 電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場(chǎng)的影響。 可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來(lái)消除邊緣效應(yīng)。 等位環(huán)3與電極2同平面并將電極2包圍，彼此電絕緣但等電位，使電極1和2之間的電場(chǎng)基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場(chǎng)。 +-等位環(huán)3電極2電極12 消除和減小寄生電容的影響 寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須

26、消除和減小它。（1）增加傳感器原始電容值（2）注意傳感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）采用“驅(qū)動(dòng)電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)（5）采用運(yùn)算放大器法；（6）整體屏蔽法 （1）增加傳感器原始電容值 采用減小極片或極筒間的間距(平板式間距為0.20.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積或工作長(zhǎng)度來(lái)增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在 10-3103 pF范圍內(nèi)，相對(duì)值變化在 10-61范圍內(nèi)。 （2）集成化 將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。

27、但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場(chǎng)合使用。 （3）“驅(qū)動(dòng)電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù) 當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度較高)，測(cè)量電路只能與傳感器分開時(shí)，可采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)。采用這種技術(shù)可使電纜線長(zhǎng)達(dá)10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能。傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線(即電纜芯線)通過(guò)增益為1的放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。圖3-21 “驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動(dòng)電纜”。外屏蔽層接大地或接儀器地，用來(lái)防止外界電場(chǎng)的干擾。 當(dāng)電容式傳感器的初始電

28、容值很大(幾百F)時(shí)，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長(zhǎng)達(dá)10m，儀器仍能正常工作。 內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。1:1放大器是一個(gè)輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1(準(zhǔn)確度要求達(dá)1/10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)對(duì)1:1放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時(shí)，也能正常工作。 （4）整體屏蔽法C1C2CP1CP2Z1Z2-A 將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來(lái)，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。圖3-23 交流電橋的整體屏蔽2.4 電感式

29、傳感器2.4.1 電感器式傳感器的原理電感式傳感器種類很多，本章主要介紹基于變磁阻原理的自感式和互感式傳感器，電渦流式傳感器。l銜鐵如圖2.33所示：定義為均勻鐵芯的閉合磁路中的磁阻。式中l(wèi)為磁路長(zhǎng)度，為磁路的磁導(dǎo)率，S為鐵芯面積，磁通量與線圈參數(shù)有如下關(guān)系：W為線圈的匝數(shù)，I為線圈的電流強(qiáng)度，WI稱為磁通勢(shì)。對(duì)于不均勻磁路，如存在鐵芯（固定鐵芯）、街鐵（活動(dòng)鐵芯）和氣隙（或其它介質(zhì)）的磁路中，總磁阻可分段疊加計(jì)算：由于RM而是與結(jié)構(gòu)有關(guān)的參量，改變傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)引起磁路磁阻的變化，從而引起磁路磁通量的變化。因此，改變磁路的長(zhǎng)度li，通磁面積S均可改變磁阻大小，從而改變磁通量的大小:(2-

30、67)2.4.2 自感式傳感器的原理與結(jié)構(gòu) 自感式傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)帶氣隙的鐵心線圈。按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，可分為變氣隙式、變面積式與螺管式三種；按磁路的結(jié)構(gòu)型式又有型、E型或罐型等等；按組成方式分，有單一式與差動(dòng)式兩種。圖4-4是變氣隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動(dòng)式自感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)銜鐵3移動(dòng)時(shí)，一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減少，形成差動(dòng)形式。123444321314（a） 變氣隙型（b） 變面積型 （c） 螺管型圖4-4 差動(dòng)式自感傳感器1-線圈 2-鐵芯 3-銜鐵 4-導(dǎo)桿1 變氣隙型差動(dòng)式自感傳感器銜鐵下移： 上式中不存在偶次項(xiàng)，顯然差動(dòng)式自感傳感器的

31、非線性誤差在工作范圍內(nèi)要比單個(gè)自感傳感器的小得多。 忽略高次項(xiàng)： 提高一倍 差動(dòng)式與單線圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)： 線性好； 靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號(hào)大一倍； 溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減??； 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。 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，示值范圍只能較小；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，

32、但示值范圍大，線性也較好，得到廣泛應(yīng)用。2 螺管式自感傳感器特點(diǎn)：測(cè)量范圍大，數(shù)百毫米，靈敏度低，大量程直線位移。 差動(dòng)螺管式自感傳感器測(cè)量范圍 1 200mm線性度 0.1% 1%分辨率 0.01um 2.4.3 互感式（差動(dòng)式）傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理分氣隙型和螺管型兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。123(b)螺管型41243(a)氣隙型1 初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵(a)、(b) 變隙式差動(dòng)變壓器(c)、(d) 螺線管式差動(dòng)變壓器(e)、(f) 變面積式差動(dòng)變壓器 工作原理類似于變壓器。主要包括有銜鐵、初級(jí)繞組、次級(jí)繞組和線圈框架等。初、次級(jí)繞組的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即繞組間

33、的互感隨被測(cè)位移的改變而變化。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，且以差動(dòng)方式輸出，相當(dāng)于變壓器的副邊。所以又把這種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡(jiǎn)稱為差動(dòng)變壓器。 2.4.4 自感式和互感式傳感器的誤差 1輸出特性的非線性 變氣隙自感式傳感器，電其輸出與氣隙寬度成反比，在原理就存在非線性誤差，即使變面積型電感傳感器，也由于氣隙邊緣磁場(chǎng)不均勻等原因，實(shí)際上也存在非線性誤差。此外，測(cè)量電路也往往存在非線性。為了減小非線性，常用的方法是采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)和限制測(cè)量范圍。例如變氣隙式常?。?/5一1/10）氣隙長(zhǎng)度，螺管式?。?/

34、31/10）線圈長(zhǎng)度。 對(duì)于螺管式自感式傳感器，增加線圈的長(zhǎng)度有利于擴(kuò)大線性范圍或提高線性度。在工藝上應(yīng)注意導(dǎo)磁體和線圈骨架的加工精度、導(dǎo)磁體材料與線圈繞制的均勻性，對(duì)于差動(dòng)式則應(yīng)保證其對(duì)稱性。采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以抵消誤差的偶次項(xiàng)，十分有利于減小傳感器的非線性誤差。 2零位誤差 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。 圖2.3

35、8 零位誤差 圖2.39零位誤差的波形產(chǎn)生零位殘余誤差的原因十分復(fù)雜，但從示波器上可看到，零位殘余誤差含有基波和高次諧波，如圖2.39所示。一般來(lái)講，產(chǎn)生零位殘余誤差的主要原因有：傳感器線圈的電電氣參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸不可能完全一致，這是產(chǎn)生基波的主要原因；電感線圈不是理想電感，存在鐵損，導(dǎo)致磁化曲線非線性；線圈中還存在寄生電容，在線圈子的外殼、鐵心間存在分布電容；這是產(chǎn)生高次諧波的原因。此外，電感式傳感器是無(wú)源性器件，其輸出與電源電壓成正比，因此，電源電壓中的高次諧波也會(huì)疊加到傳感器輸出中。 3溫度誤差圖2.40 溫度補(bǔ)償電路 環(huán)境溫度的變化會(huì)引起自感傳感器的零點(diǎn)溫度漂移、靈敏度溫度漂移以及線性度

36、和相位的變化，造成溫度誤差。環(huán)境溫度對(duì)自感式傳感器的影響主要通過(guò)（1）材料的線膨脹系數(shù)引起零件尺寸的變化，（2）材料的電阻率溫度系數(shù)引起線圈銅阻的變化，（3）磁性材料磁導(dǎo)綱度系數(shù)，繞阻絕緣材料的介質(zhì)溫度系數(shù)和線圈幾何尺寸變化引起線圈電感量及寄生電容的改變等造成。上述因素對(duì)單電感傳感器影響較大，特別對(duì)小氣隙式與螺管式影響更大，而第（2）項(xiàng)對(duì)低頻激勵(lì)的傳感器影響較大。 4互感式傳感器的溫度誤差圖2.41 差動(dòng)變壓器零位補(bǔ)償為減小溫度誤差，還可采取穩(wěn)定激勵(lì)電流的方法，如圖2.40所示。在初級(jí)串入一高阻值降壓電阻R，或同時(shí)串入熱敏電阻RT進(jìn)行補(bǔ)償。適當(dāng)選擇RT，可使溫度變化時(shí)原邊總電阻近似不變，從而使

37、激勵(lì)電流保持恒定。零位補(bǔ)償電路有許多種，最簡(jiǎn)單的補(bǔ)償方法是在輸出端接一可調(diào)電位器器，如圖2.41所示。改變電位器電制的位置，可使兩只次級(jí)線圈的輸出電壓的大小和相位發(fā)生改變，從而使零位電壓為最小值。這種方法對(duì)零位電壓中基波正交分量有顯著的補(bǔ)償效果，但無(wú)法補(bǔ)償諧波分量。如果在輸出端再并聯(lián)一只電容器C，就可以有效地補(bǔ)償零位電壓的高次諧波分量。2.4.5 電渦流式傳感器 2.4.5.1 工作原理 圖4-22 電渦流式傳感器原理圖（a） 傳感器激勵(lì)線圈; （b） 被測(cè)金屬導(dǎo)體 根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I

38、2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2。根據(jù)愣次定律， H2的作用將反抗原磁場(chǎng)H1，由于磁場(chǎng)H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(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)。式中, r為線圈與被測(cè)體的尺寸因子。 測(cè)量方法： 如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)， 傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過(guò)與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。 Z=F(,r,f,x) 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(4-40) 2.4.5.2 電渦流傳感器測(cè)量電路 主要有調(diào)頻式、 調(diào)幅式電路兩種。 1. 調(diào)頻式電路

39、圖4-28 調(diào)頻式測(cè)量電路 (a) 測(cè)量電路框圖； (b) 振蕩電路 傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x), 該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過(guò)f-V變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。 振蕩器的頻率為 為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將L、C裝在傳感器內(nèi)。 此時(shí)電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對(duì)振蕩頻率f的影響將大大減小。 2. 調(diào)幅式電路 由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路如圖4-29所示。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提

40、供一個(gè)頻率（f0）穩(wěn)定的激勵(lì)電流io，LC回路輸出電壓 （4-48） 式中, Z為L(zhǎng)C回路的阻抗。 圖4-29 調(diào)幅式測(cè)量電路示意圖 當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大， 諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)放大、 檢波后， 由指示儀表直接顯示出x的大小。 除此之外， 交流電橋也是常用的測(cè)量電路。 2.4.5.3電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)和類型 1反射式變間隙式是電渦流式傳感器中最常用的一種結(jié)構(gòu)型式。

41、它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由一個(gè)扁平線圈固定在框架上構(gòu)成。線圈用高強(qiáng)度漆包銅線或銀線繞制（高溫使用時(shí)可采用欽鎢合金線），用粘結(jié)劑粘在框架端部或繞制在框架槽內(nèi)，后者如圖3.44所示。圖3.44 電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)1線圈；2框架；3襯套；4支座；5電纜；6接頭2透射式這種類型與前述反射式主要不同在于它采用低頻激勵(lì)，貫穿深度大，適用于測(cè)量金屬材料的厚度。圖2.45為其工作原理示意。圖2.45 透射式渦流傳感器工作原理2.5 調(diào)理電路2.51 電橋式測(cè)量電路 直流與交流電橋1電橋的分類阻抗式傳感器將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電阻、電容或電感等電量的變化，但電量變化一般都很微小，不僅難以精確測(cè)量，也不便于直接處理。因此，

42、必須采用轉(zhuǎn)換電路，把這些電量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。具有這種轉(zhuǎn)換功能的電路謂之測(cè)量電路，通常由應(yīng)變測(cè)量電橋作為前端電路。典型的電橋如圖2-48所示：四個(gè)臂Z1、Z2、Z3、Z4按順鐘向?yàn)樾駻C為電源端，BD為輸出端。AB、BC、CD及DA都稱為電橋的一個(gè)臂。當(dāng)一個(gè)臂、二個(gè)臂乃至四個(gè)臂接入傳感器時(shí)，就相應(yīng)謂之單臂工作、雙臂工作和全臂工作電橋。測(cè)量電橋按如下方法分類。圖2.48電橋結(jié)構(gòu)（1）按電源分，有直流電橋和交流電橋。 直流電橋橋臂只能接入電阻性元件（應(yīng)變計(jì)）。它主要用于電橋輸出可直接顯示（如接磁電式指示器或光線示波器振子）而無(wú)需中間放大的場(chǎng)合。如半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)。交流電橋橋臂可以是R、L、C

43、。主要用于輸出需放大的場(chǎng)合，如金屬應(yīng)變計(jì)等。（2）按工作方式分，有平衡橋式電路（零位測(cè)量法）和不平衡橋式電路（偏差測(cè)量法）。 圖2.48電橋結(jié)構(gòu). 平衡橋式電路帶有手調(diào)或自調(diào)整橋臂平衡的伺服反饋機(jī)構(gòu)。儀表指示測(cè)量值時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)。常用于高精度、長(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量，如雙橋式靜態(tài)應(yīng)變儀。 不平衡橋式電路的輸出，是與橋臂應(yīng)變量成一定函數(shù)關(guān)系的不平衡電量，然后放大、顯示。儀表指示測(cè)量值時(shí)，電橋處于不平衡狀態(tài)，它響應(yīng)快，便于處理；常用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。(3）按橋臂關(guān)系分，有：對(duì)輸出端對(duì)稱（第一種對(duì)稱）電橋（Z1=Z2，Z3=Z4）；對(duì)電源端對(duì)稱（第二種對(duì)稱）電橋（Z1=Z4，Z2=Z3）；半等臂（Z

44、I=Z2，Z3=Z4）和全等臂電橋（Z1Z2Z3Z4）。（4）接負(fù)載輸出電壓或電流的不同要求：電橋還可分電壓輸出橋和功率輸出橋。2直流電壓電橋的輸出直流電橋只能接入電阻，適用于電阻應(yīng)變式傳感器。因此圖2-48中Z=R，當(dāng)橋路負(fù)載電阻RL很大時(shí)，Io可以忽略，此時(shí)輸出的電壓靈敏度最高。平衡條件為：各臂應(yīng)變計(jì)電阻變化分別為R1、R2、R3、R4。輸出電壓為Uo：由于在分母中含有電阻變化量，輸出電壓變化Uo與電阻變化R1、R2、R3、R4為非線性關(guān)系，但在小的電阻變化時(shí)可近似為線性。如果只有一個(gè)橋臂R1為傳感器，其它橋臂為平衡固定電阻，且：R1R2R3R4，則上式為：分母中忽略R，則：由此引起的相對(duì)

45、誤差為：一般金屬應(yīng)變計(jì)的K1.84.8，因此 =(0.451.2)。 若采用半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，設(shè)K=120，其他條件同上，則由此可見(jiàn)： 采用金屬應(yīng)變計(jì)，在一般應(yīng)變范圍內(nèi)，非線性誤差 l。故在此允許的非線性范圍內(nèi)，金屬應(yīng)變計(jì)電橋的電壓輸出特性可由式（2-105）表示成線性關(guān)系。采用半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)時(shí)，由于非線性誤差隨K而大增，必須采取補(bǔ)償措施3電橋的非線性誤差及其補(bǔ)償 從上述分析可以看出，電橋的輸出特性實(shí)際上都與應(yīng)變呈非線性關(guān)系。當(dāng)測(cè)量精度要求較高或變傳感器的靈敏度較時(shí)，這種非線性誤差必須適當(dāng)補(bǔ)償。 1）恒流源補(bǔ)償法 應(yīng)變電橋非線性誤差的成因，主要由于應(yīng)變電阻Ri的變化引起工作臂電流的變化所致。采用恒流

46、源，可望減小非線性誤差。如圖2.49，恒流源供電，圖2.49恒流源電橋2）差動(dòng)電橋補(bǔ)償法 差動(dòng)電橋法就是利用上述電橋輸出特性中呈現(xiàn)的相對(duì)臂與相鄰臂之“和”、“差”特征，通過(guò)應(yīng)變計(jì)的合理布置與接橋來(lái)達(dá)到補(bǔ)償目的的。圖2.50四臂差動(dòng)電橋圖2.51 雙臂差動(dòng)電橋四臂差動(dòng)工作，不僅消除了非線性誤差，而且輸出為單臂工作是的4倍。此外，差動(dòng)電橋還能有效地消除或補(bǔ)償溫度引起的誤差。采用雙臂差動(dòng)電橋時(shí)，消除了溫度的影響和非線性誤差，還使電橋的輸出提高1倍。提高靈敏度、降低非線性誤差、有效地補(bǔ)償溫度誤差是差動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)，在電橋測(cè)量中有廣泛的應(yīng)用。4.信號(hào)調(diào)理電路 對(duì)于橋路電壓的放大，一般采用圖2.52所示儀表

47、放大器（或稱儀器放大器、數(shù)據(jù)放大器）電路解決。圖2.52 儀表放大器5交流電橋 1)緊耦合電感電橋（Blumlein電橋） 圖2.54所示為用于電容傳感器測(cè)量的緊耦合電感臂電橋。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩個(gè)電感橋臂互為緊耦合。圖2.54緊耦合電感臂電橋圖 圖2.55用緊耦合和不耦合電感做橋臂時(shí)的靈敏度電橋輸出電壓的一般表達(dá)式為： 輸出特性曲線如圖2.55所示。諧振點(diǎn)在即對(duì)于小的 值，緊耦合的靈敏度是無(wú)耦合的二倍；對(duì)于高的 值，無(wú)耦合時(shí)不存在靈敏度與頻率（或電感）變化無(wú)關(guān)的區(qū)域，因而穩(wěn)定性很差。 緊耦合電感電橋抗干擾性好、穩(wěn)定性高，目前已廣泛用于電容式傳感器中，同時(shí)它也很適合較高載波頻率的電感式和電阻式傳感

48、器使用。2)電容傳感器測(cè)量電橋 如圖2.56所示，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容圖2.56變壓器電橋電橋的空載輸出電壓為 對(duì)變極距型電容傳感器可見(jiàn)，對(duì)變極距型差動(dòng)電容傳感器的變壓器電橋，在負(fù)載阻抗極大時(shí)，其輸出特性呈線性3）電感傳感器測(cè)量電橋自感式傳感器常用的交流電橋有以下幾種圖2.57 輸出端對(duì)稱電橋（a）一般形式 (b)變壓器電橋源端對(duì)稱電橋 如圖2.58所示圖2.58 電源端對(duì)稱電橋4)電容式和電感式傳感器的辨向電路電感式和電容式傳感器采用交流電橋作測(cè)量電路，電橋輸出電壓的極性不能反映銜鐵或動(dòng)極板的運(yùn)動(dòng)方向，需要專門的差分電路來(lái)辨向。圖2.59 相敏檢波電路(a)帶相敏檢波的交流電橋

49、(b)實(shí)用電路2.52 阻抗式傳感器的差動(dòng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)型傳感器依靠其靈活的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)各種樣的功能，差動(dòng)技術(shù)由于能實(shí)現(xiàn)溫度影響補(bǔ)償、有效地減小非線性誤差并提高傳感器的靈敏度，因此在結(jié)構(gòu)型傳感器中應(yīng)用較為普遍。1電阻應(yīng)變式傳感器的差動(dòng)結(jié)構(gòu) 如圖2.60為典型的應(yīng)變式傳感器差動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖2.60 差動(dòng)式應(yīng)變梁2電容式傳感器的差動(dòng)結(jié)構(gòu)圖2.61所示為差動(dòng)電容式傳感器結(jié)構(gòu)。圖2.61變極距型差動(dòng)式結(jié)構(gòu)3差動(dòng)式自感傳感器 單一型自感式傳感器，由于線圈電流的存在，它們的銜鐵受單向電磁力作用，而且易受電源電壓和頻率的波動(dòng)與溫度變化等外界干擾的影響，因此不適合精密測(cè)量。在不少場(chǎng)合，它們的非線性（即使是變面積式傳感器

50、，由于磁通的邊緣效應(yīng)，實(shí)際上也存在非線性）限制了使用。因此，絕大多數(shù)自感式傳感器都運(yùn)用差動(dòng)技術(shù)來(lái)改善性能。圖2.62 差動(dòng)自感傳感器（a）氣隙式；(b)變截面式； (c)螺管式 1，2線圈；3鐵芯或磁性套管；4銜2.53 電流電壓積分差動(dòng)電路 1積分電路電容式傳感器常用積分電路來(lái)測(cè)量，圖2.65示為由運(yùn)算放大器構(gòu)成的簡(jiǎn)單積分電路。圖2.65 積分運(yùn)算電路2雙T二極管交流電橋如圖2.64所示：U是高頻電源，提供幅值為U的對(duì)稱方波（正弦波也適用）；D1、D2為特性完全相同的兩個(gè)二極管，R1R2=R；C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。圖2.64雙T二極管交流電橋 3脈沖調(diào)寬電路 圖2.66為一種差動(dòng)

51、脈沖寬度調(diào)制電路。圖中C1和C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。線路由兩個(gè)電壓比較器IC1和IC2，一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器FF和兩個(gè)充放電回路R1C1和R2C2（R1R2）所組成；Ur為參考直流電壓；雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端電平由兩比較器控制。 圖2.66差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路2.54 直接放大1.運(yùn)算放大器直接放大圖2.68為其電原理圖。CX為傳感器電容，它跨接在高增益運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間。放大器的輸入阻抗很高（ ），因此可視作理想運(yùn)算成大器。圖2.68運(yùn)算放大器直接放大2.專用集成電路圖2.69 MS3110電容通用讀出集成電路已有一些專用集成電路可用于電容測(cè)量。MS3110便是其中一例，內(nèi)部原理如圖

52、2.69所示。圖2.69 MS3110電容通用讀出集成電路3.頻率式測(cè)量電路： 阻抗式電路還常采用頻率式測(cè)量電路。將電容式傳感器或電感式傳感器接入高頻振蕩器的LC諧振回路中，當(dāng)被測(cè)量變化使傳感器的電容或電感改變時(shí)，振蕩器的振蕩頻率 隨之改變。測(cè)定頻率或經(jīng)鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)換成電壓幅值的變化，就可測(cè)得被測(cè)量的變化。一種電路如圖2.70所示。圖2.70 調(diào)頻電路原理圖2.6 微機(jī)械傳感器MEMS(Micro - Electro - Mechanical Systems) 通常稱為微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，其含義是指可批量制作的、集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、包括接口、通信和電源等

53、于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS 可以完成大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)；可以嵌入到大尺寸系統(tǒng)中，把自動(dòng)化、智能化和可靠性水平提高到一個(gè)新的水平。由于微機(jī)電系統(tǒng)是在微機(jī)械傳感器基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的，因此微機(jī)械傳感器不僅具有微機(jī)電系統(tǒng)的典型特征，而且是微機(jī)電系統(tǒng)中一個(gè)非常有特色的獨(dú)立分支，也是目前微機(jī)電系統(tǒng)中發(fā)展最快、已經(jīng)具有實(shí)用價(jià)值的研究方向之一。2.61 微機(jī)電系統(tǒng)的分類和特點(diǎn)微機(jī)電系統(tǒng)是指總尺度在毫米級(jí)以下的機(jī)電系統(tǒng)，表2-2給出了以尺度為標(biāo)準(zhǔn)的分類表2-2 微機(jī)電系統(tǒng)的分類微機(jī)械系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：(1) 微機(jī)械中起主導(dǎo)作用的力是表面力。由于體積是長(zhǎng)度的三次方，表面積是長(zhǎng)度的兩次方，因此微機(jī)械

54、體積的縮小要快于表面積的縮小。這將使表面力（如摩擦力、靜電力）和體積力（如重力）之比相對(duì)增大，表面力成為微機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)中的主導(dǎo)作用力。隨著尺寸的縮小，粘性力、靜電力、摩擦力成為影響微機(jī)械性能的主要因素。(2) 材料不同。首先，微機(jī)械裝置制品的尺寸可能接近甚至小于材料的晶體尺寸，由于尺寸微小，材料的內(nèi)部缺陷減少，材料的機(jī)械性能與常態(tài)相比有很大提高，表征材料性能的物理量需要重新定義；其次，微小尺寸下材料會(huì)表現(xiàn)出更多的各向異性；再其次，微機(jī)械傳感器多采用硅作為原材料，也有用石英作為原材料，材料不同將導(dǎo)致系統(tǒng)的性能和工藝與普通機(jī)電裝置都有很大的區(qū)別。(3)能源供給。對(duì)于具有移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)功能的微型機(jī)械系統(tǒng),

55、 電纜成為運(yùn)動(dòng)的障礙, 所以一般不采用電纜供電。目前微機(jī)械一般用靜電力供能, 此外常用振動(dòng)直接激勵(lì)供能(壓電、電磁及形狀記憶合金制動(dòng))、熱力供能等。（4）由于尺寸微小，微機(jī)電傳感器的信號(hào)十分微弱，相應(yīng)地外界的干擾信號(hào)就顯得很大，因此，微機(jī)械傳感器的信號(hào)獲取、傳輸都與傳統(tǒng)傳感器不同。（5）制品的性能不同。微機(jī)械尺寸小，重量輕，但表面積相對(duì)大，導(dǎo)致構(gòu)件的慣性小，而熱傳導(dǎo)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，遲滯小，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。（6）微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和制造方法與普通傳感器不同。由于主要阻力、驅(qū)動(dòng)力的變化,使運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程起主要作用的因素改變。需要新的構(gòu)造原理和控制方式、新的驅(qū)動(dòng)原理和方法；由于微機(jī)械器件結(jié)構(gòu)的微

56、型化, 需要新的制造工藝和裝備；另外，由于尺寸細(xì)小導(dǎo)致制造工藝的復(fù)雜化，使微機(jī)械產(chǎn)品的研制成本和風(fēng)險(xiǎn)大大增加，因此，微機(jī)械傳感的設(shè)計(jì)方法需要新的理論指導(dǎo)，而仿真設(shè)計(jì)在微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有更重要的地位。（7）微機(jī)械傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。它不僅能代替?zhèn)鹘y(tǒng)通傳感器，還能應(yīng)用于傳統(tǒng)傳感器無(wú)法涉及的領(lǐng)域，如人體血管微環(huán)境的監(jiān)測(cè)。2.62微機(jī)械傳感器的制造技術(shù)微機(jī)械傳感器有其獨(dú)特的加工方法，而這些制造工藝能更好地說(shuō)明微機(jī)械傳感器的特點(diǎn)?；竟に囉校荷L(zhǎng)、摻雜、腐蝕、刻蝕、淀積、犧牲層、鍵合、制膜等。其中光刻、腐蝕、鍵合、制膜是最基本的方法。1.光刻（LIGA）技術(shù)：光刻的原理是光只對(duì)掩膜版上的透明區(qū)起

57、作用，掩膜版下面是一層光敏材料層，受光照后可以顯影。被光照的區(qū)域在顯影過(guò)程中溶解，原來(lái)被掩蓋的地方就暴露出來(lái)，以便進(jìn)一步的工藝處理。光刻技術(shù)可以刻蝕出深度（或稱高度）為數(shù)百um，而寬度僅1um的平面三維結(jié)構(gòu)。LIGA的缺點(diǎn)是只有制造出不能自由活動(dòng)的結(jié)構(gòu)，為此，將光刻技術(shù)與犧牲層技術(shù)結(jié)合，形成一種新的SLIGA技術(shù)。2.鍵合技術(shù)：鍵合的意思是依靠化學(xué)鍵的靜電引力實(shí)現(xiàn)兩個(gè)零件的永久性接合，相當(dāng)于常規(guī)制造中的焊接技術(shù)，但其原理不同。3.腐蝕：腐蝕技術(shù)是體成型技術(shù)，用以加工各種形狀的元件或形狀。包含材料去除方法和去除過(guò)程控制兩方面的含義。腐蝕方法可分為干法刻蝕（惰性氣體腐蝕）和濕法腐蝕（化學(xué)溶液腐蝕）

58、。其中最重要的是濕法腐蝕。濕法腐蝕又可分為各向同性腐蝕和各向異性腐蝕4.薄膜生成技術(shù)：微機(jī)械傳感器常需要在襯底材料的表面制作有各種各樣的膜，如多晶硅膜、二氧化硅膜、合金膜及金剛石膜等。膜可以作為敏感膜，或作為絕緣膜，或起防腐等保護(hù)作用。可分為物理淀積法和化學(xué)淀積法兩種。5.犧牲層技術(shù)：用光刻的方法只能制作平面三維結(jié)構(gòu)，為了獲取內(nèi)部空腔和可活動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)，必須采用犧牲層技術(shù)。其方法是將多層膜組合在一起，設(shè)法腐蝕掉兩層薄膜中下面（或是里面）的一層，在膜與襯底之間或膜與膜之間形成內(nèi)部的空腔。被腐蝕掉的一層稱為犧牲層。犧牲層是一種為制作某種形狀而設(shè)置的工藝結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)對(duì)創(chuàng)造新的元件、敏感結(jié)構(gòu)有重大的

59、意義。薄膜生成技術(shù)和犧性層技術(shù)合稱表面成型技術(shù)2.63 微機(jī)械傳感器的結(jié)構(gòu)和原理傳感器首先是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置，微機(jī)械傳感器常用的換能機(jī)理有壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)、光學(xué)共振和干涉、電容與幾何尺寸的關(guān)系等；此外，流體傳感器常應(yīng)用熱疇的方法。以下以加速度傳感器為例介紹的微機(jī)械傳感器原理1電容式硅微加速度傳感器原理微硅加速度傳感器的工作原理與一般常用的加速度傳感器如液浮擺式加速度傳感器、石英加速度傳感器、金屬撓性加速度傳感器等的工作原理基本一樣，都有一個(gè)質(zhì)量擺敏感加速度， 并轉(zhuǎn)換為電容信號(hào)。但硅微電容式加速度傳感器多為力平衡式傳感器，目前它的敏感部可分為單擺式結(jié)構(gòu)、梳齒結(jié)構(gòu)、蹺蹺板式結(jié)構(gòu)。如圖2.71所示

60、為最基本的單擺式結(jié)構(gòu)。圖2.71 質(zhì)量擺的結(jié)構(gòu)圖2.72為傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)被測(cè)對(duì)象的速度變化時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力使懸臂梁彎曲，產(chǎn)生一個(gè)擺角，導(dǎo)致差動(dòng)電容改變，此信號(hào)經(jīng)電子線路相敏放大后反饋到力矩器。力矩器在差動(dòng)電容上產(chǎn)生反饋力矩（靜電力）與加速度產(chǎn)生的慣性力矩平衡，使活動(dòng)質(zhì)量塊保持在原有的平衡位置,反饋電壓的正負(fù)和大小可度量輸入加速度的方向和大小。圖2.72 電容式硅微加速度傳感器（平衡式）2壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質(zhì)量塊，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測(cè)量電橋。在慣性力作用下質(zhì)量塊上下運(yùn)動(dòng)，懸臂梁上電阻的阻值隨應(yīng)力的作用發(fā)生變化，