傳感器與電子測(cè)量：6微位移測(cè)量

微位移測(cè)量概述電阻式位移傳感器電阻應(yīng)變式位移傳感器電容式位移傳感器電感式位移傳感器容柵式位移傳感器感應(yīng)同步器磁柵式位移傳感器概述前邊所介紹的多半用于大尺度的幾何量測(cè)量，而在工程領(lǐng)域常常需要對(duì)一些相對(duì)微小的位移尺度進(jìn)行測(cè)量，這通常由位移傳感器來實(shí)現(xiàn)。位移傳感器包括：線位移傳感器角位移傳感器而傾斜傳感器則是以重力線為參照基準(zhǔn)的角位移傳感器位移傳感器按形式分：線位移角位移按物理原理分：電阻式、電容式、渦流式、壓電式、感應(yīng)同步式、磁柵式、光電式等等位移是指物體的某個(gè)表面或某點(diǎn)相對(duì)于參考表面或參考點(diǎn)位置的變化。線位移是指物體沿著某一條直線移動(dòng)的距離；角位移是指物體繞著某一定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度。在機(jī)械工程中經(jīng)常要精確測(cè)量零部件的位移或位置，并且力、壓力、扭矩、速度、加速度、溫度、流量等參數(shù)也可經(jīng)轉(zhuǎn)換為位移進(jìn)行測(cè)量。位移傳感器的分類電阻式位移傳感器電阻式位移傳感器電位器式傳感器電位器是常用的一種電子元件，它可以將機(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。電位器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。其缺點(diǎn)：存在摩擦，分辨力有限，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。結(jié)構(gòu)和工作原理線圈繞于絕緣骨架上，滑動(dòng)觸點(diǎn)(電刷)在移動(dòng)過程中,從一匝滑到另一匝時(shí)，電阻值隨位移發(fā)生變化。電阻體是由電阻系數(shù)很高的極細(xì)均勻?qū)Ь€，按照一定的規(guī)律整齊地繞在一個(gè)絕緣的骨架上制成的。在它與電刷相接觸的部分，將導(dǎo)線表面的絕緣去掉，然后加以拋光，形成一個(gè)電刷可在其上滑動(dòng)的接觸道。電刷通常是由具有彈性的金屬薄片或金屬絲制成，其末端彎曲成弧形，利用電刷與電阻本身的彈性變形產(chǎn)生的彈性力，使電刷與電阻元件有一定的接觸壓力，以使兩者在相對(duì)滑動(dòng)過程中保持可靠的接觸和導(dǎo)電。電位器常用的電阻絲材料為銅鎳合金（銅60％、鎳40％），電刷為磷青銅，骨架為陶瓷酚醛樹脂等。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。

設(shè)電阻體的長(zhǎng)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

式中，x為位移量。

電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)與類型電位器由電阻元件、

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。

電位器式傳感器的應(yīng)用1、航空飛行高度傳感器2、液面高度測(cè)試儀電阻應(yīng)變式位移傳感器應(yīng)變式傳感器

應(yīng)變式傳感器是根據(jù)應(yīng)變?cè)恚?/p>

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)成如圖所示。

應(yīng)變式傳感器原理框圖

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)10-1～106N、0.05%F.S，測(cè)量壓力可達(dá)10～1011Pa、0.1%F.S，測(cè)量應(yīng)變可達(dá)με～kμε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(jiǎn)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。應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)變靈敏度

1.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(zhǎng)度、截面積和溫度有關(guān)。在溫度一定時(shí)，

其電阻定律為

式中，R為導(dǎo)體的電阻值；l為導(dǎo)體的長(zhǎng)度；S為導(dǎo)體的截面積；

ρ

為導(dǎo)體的電阻率。

當(dāng)沿金屬絲長(zhǎng)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

式中，K為應(yīng)變靈敏度系數(shù)。

2.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σ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式中，E為半導(dǎo)體材料的彈性模量；πl(wèi)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)不如金屬電阻應(yīng)變片。

1.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(zhǎng)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。

箔式電阻應(yīng)變片是用光刻技術(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。圖3-4金屬電阻應(yīng)變片

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)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。

體型半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖

應(yīng)變片主要技術(shù)參數(shù)

電容式傳感器電容式傳感器

1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

（3-13）

式中，k≈9×109N·m2/C2。

1.改變極板間距離的平板電容式傳感器如圖（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（b）可知其特性為非線性，但若Δd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=Δc/c)。如圖（c）所示為差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，可以提高靈敏度、減小非線性。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

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

（3-14）

式中，l為兩圓筒的高度；d為圓筒A的外徑；D為圓筒B的內(nèi)徑；Δl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。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

3.改變極板間介質(zhì)的電容式傳感器這種傳感器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εr1，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為εr0＝1，介質(zhì)高度為h，傳感器總高度為H，內(nèi)筒的外徑為d，外筒的內(nèi)徑為D，則由式（3-14）可求得傳感器的電容值為

（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。

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

電容傳感器的橋式轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路

1.橋式電路其中，（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，

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=－ΔCU/C0，ΔC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；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)，只決定于電阻R（1～100kΩ）,可用毫安表或微安表直接測(cè)量。

2.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。可以證明：

變極距差動(dòng)電容傳感器輸出為

（3-16）

變面積差動(dòng)電容傳感器輸出為

（3-17）

式中，U為觸發(fā)器輸出高電平電壓值。

圖3-11差動(dòng)式電容傳感器脈沖調(diào)寬電路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。

電感式位移傳感器一、自感式傳感器

1.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。

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

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

式中，ψ=NФ為磁鏈；Ф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：

式中，μ為磁導(dǎo)率；S為磁路截面積；l為磁路總長(zhǎng)度。令Rm=l/μS為磁路的磁阻，可得線圈的電感量為

（3-18）

圖3-12中的磁路總長(zhǎng)度包括鐵芯長(zhǎng)度li1、銜鐵長(zhǎng)度li2和兩個(gè)空氣間隙l0的長(zhǎng)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

（3-19）

式中，S0為氣隙的等效截面積；μ0為空氣的磁導(dǎo)率。只要被測(cè)非電量能夠引起空氣隙長(zhǎng)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(zhǎng)度式和變氣隙截面式兩種類型。

1）變氣隙長(zhǎng)度式電感傳感器由式（3-19）可知，

變氣隙長(zhǎng)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。

圖3-13變氣隙截面式電感傳感器

3）差動(dòng)式結(jié)構(gòu)為了擴(kuò)大示值范圍和減小非線性誤差，

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)Δx/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％。

2.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(zhǎng)的部分。有限長(zhǎng)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(zhǎng)度，不宜過短也不宜過長(zhǎng)，

一般鐵芯與線圈長(zhǎng)度比為0.5，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，500Hz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(zhǎng)度有一最佳數(shù)值，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)選定。

圖3-14螺管式自感式傳感器結(jié)構(gòu)原理

3.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（3-20）

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（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°。

圖3-15電感式傳感器電橋電路(a)電感電橋；

(b)變壓器電橋

二、差動(dòng)變壓器1.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(l0＜0.5mm)，結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，目前多采用螺管式。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。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36～48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)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?/p>

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)=kΔM

（3-22）

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

2.差動(dòng)變壓器的特性

1）差動(dòng)變壓器的輸出特性差動(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。

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

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，

如圖3-17（b）所示。

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3～8V。

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4～10kHz。

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。

3.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)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。

（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0.5～5Ω；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100～500pF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。

圖3-18差動(dòng)變壓器的補(bǔ)償電路

4.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。

圖3-19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

三、電渦流式傳感器電渦流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。渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、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ω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)。電渦流作用原理圖

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(jiǎn)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。

圖3-21CZF-1型傳感器的結(jié)構(gòu)圖

表3-2CZF-1型傳感器性能一覽表

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。

圖3-22諧振電路調(diào)幅原理圖（a）

電路原理圖；

（b）

諧振特性曲線；（c）

調(diào)幅特性

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)。

圖3-23CZF-1型電渦流式傳感器測(cè)量電路框圖

3.5.4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（3-23）

式中，ρ為導(dǎo)體電阻率；f為勵(lì)磁電源的頻率。

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，

電阻率小的材料應(yīng)選用較低的勵(lì)磁頻率。

2.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。

3.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0.05～0.15。

4.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。

3.6相

敏

檢

波

3.6.1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。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。

3.6.2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ΔR=R（t），激勵(lì)電源電壓為ui=uimcos(ωt+φ)，則電橋輸出電壓為uo=KR（t）uimcos(ωt+φ)=uomcos(ωt+φ)式中，K為接法系數(shù)。當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，半橋單臂接法K=1/（4R0），半橋差動(dòng)接法K=1/（2R0），全橋接法K=1/R0；uom=KuimR（t），為輸出電壓幅值。圖3-24交流電橋的調(diào)幅特性

3.6.3相敏檢波電路

1.二極管相敏檢波電路圖3-25為二極管相敏檢波電路的一般形式。它由四個(gè)二極管順向串聯(lián)成一個(gè)閉合回路，四個(gè)端點(diǎn)分別接變壓器T1、T2的二次側(cè)。T1、T2均有中心抽頭，輸出檢波后的信號(hào)接至負(fù)載。T1的一次側(cè)輸入調(diào)幅波ui，T2的一次側(cè)輸入?yún)⒖茧妷簎r，ur

可直接取自載波，它與ui頻率相同，相位相同或相反，比ui幅度大3～5倍。變壓器的極性標(biāo)定如圖中所示。圖3-25二極管相敏檢波電路的一般形式

二極管相敏檢波電路的工作原理分析如下：（1）當(dāng)調(diào)制信號(hào)為正時(shí)，ui與載波相位相同，故ur與ui相位也相同。①在ui的正半周時(shí)，ur給二極管VD3、VD4正向偏置使之導(dǎo)通，給VD1、VD2反向偏置使之截止。輸入調(diào)幅信號(hào)ui經(jīng)T1二次側(cè)的下半邊輸出uy/2并經(jīng)VD3、T2二次側(cè)的右半邊和電流表構(gòu)成回路，電流方向?yàn)樯险仑?fù)，并設(shè)其為正方向。②在ui的負(fù)半周時(shí)，ur使VD3、VD4截止，VD1、VD2導(dǎo)通。輸入調(diào)幅信號(hào)ui經(jīng)T1二次側(cè)的上半邊輸出uy/2并經(jīng)VD1、T2二次側(cè)的左半邊和電流表構(gòu)成回路，電流方向?yàn)檎?。?）當(dāng)調(diào)制信號(hào)為負(fù)時(shí)，ui與載波相位相反，故ur與ui相位也相反。①在ui的正半周時(shí)，ur為負(fù)，電流經(jīng)T1二次側(cè)的上半邊、VD2、T2二次側(cè)的右半邊，方向?yàn)樨?fù)。②在ui的負(fù)半周時(shí)，ur為正，電流經(jīng)T1二次側(cè)的下半邊、VD4、T2二次側(cè)的左半邊，方向?yàn)樨?fù)。

2.相敏檢波的特點(diǎn)綜上所述，相敏檢波器是對(duì)調(diào)幅信號(hào)與參考信號(hào)間相位敏感的檢波器，它有以下特點(diǎn)：（1）相敏檢波輸出信號(hào)的極性與調(diào)制信號(hào)極性相同，即能識(shí)別方向。（2）相敏檢波輸出信號(hào)的幅值與調(diào)制信號(hào)的幅值相同，即能表示被測(cè)值。（3）

相敏檢波輸出信號(hào)的頻率等于載波頻率的二倍。

因此，

只要在相敏檢波后加入適當(dāng)?shù)牡屯V波器，

便可得到調(diào)制波信號(hào)。

如果測(cè)量裝置頻率響應(yīng)較低，

如磁電式電流表，

也可不加濾波器。

3.運(yùn)算放大器組成的相敏檢波電路用運(yùn)算放大器組成的差動(dòng)變壓器的相敏檢波電路如圖3-26所示，它由運(yùn)算放大器（A1、A2、A3、A4）、振蕩器OSC、反相器A5和四個(gè)二極管組成。差動(dòng)變壓器輸出電壓經(jīng)A1放大加于A2的反相端和A3的同相端，振蕩器信號(hào)加于A3的反相端并經(jīng)反相加于A2的同相端。當(dāng)差動(dòng)變壓器輸出信號(hào)與振蕩器信號(hào)同相時(shí)，A3輸出大于A2輸出，經(jīng)A4放大輸出正相位；相位相反時(shí)輸出相位也相反。振蕩信號(hào)經(jīng)A4放大輸出相互抵消。因此，經(jīng)A4只放大輸出差動(dòng)變壓器的輸出信號(hào)。圖3-26運(yùn)算放大器組成的相敏檢波電路

4.集成模擬乘法器相敏檢波電路圖3-27為用集成模擬乘法器LM1496實(shí)現(xiàn)相敏檢波的電路。該電路的工作電壓為30V，常用±9V；信號(hào)輸入端最大電壓為±5V；載波輸入端為5V；

偏置電流為12mA。

圖3-27用集成模擬乘法器LM1496實(shí)現(xiàn)相敏檢波的電路容柵式位移傳感器(1)基本類型及工作原理長(zhǎng)容柵圓容柵片狀柱狀長(zhǎng)容柵n－動(dòng)尺柵級(jí)片數(shù)a,b－柵極片長(zhǎng)度和寬度CCmax0aW3a2Wx片狀圓容柵r2,r1

－圓盤柵極片外半徑和內(nèi)半徑

a－每條柵極片對(duì)應(yīng)的圓心角（rad）柱狀圓容柵(3)容柵式傳感器應(yīng)用主要應(yīng)用于量具、量?jī)x和機(jī)床數(shù)顯裝置。角位移容柵傳感器已在電子數(shù)顯千分尺及機(jī)床分度盤中應(yīng)用。線位移容柵傳感器已在電子數(shù)顯卡尺、數(shù)顯深度尺、數(shù)顯高度尺、機(jī)床數(shù)顯標(biāo)尺中應(yīng)用容柵式輪胎花紋深度尺容柵式錯(cuò)位量測(cè)量?jī)x系列產(chǎn)品102容柵式傳感器應(yīng)用瑞士tesa數(shù)顯千分尺數(shù)顯卡尺三爪內(nèi)徑千分尺感應(yīng)同步器1.感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器sincos節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距τ（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺定尺

包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節(jié)距T(一般為2mm)的