全套課件：檢測(cè)與傳感技術(shù)

第1章檢測(cè)與傳感技術(shù)基礎(chǔ)

檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)1.1測(cè)量方法及其分類1.2測(cè)量誤差1.4

傳感器的組成、分類和性能指標(biāo)

1.5測(cè)量系統(tǒng)1.31.1檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

1.1.1檢測(cè)技術(shù)的概念與作用

1、概念檢測(cè)技術(shù)是人們?yōu)榱藢?duì)被測(cè)對(duì)象所包含的信息進(jìn)行定性了解和定量掌握所采取的一系列技術(shù)措施，它是產(chǎn)品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制的重要手段。

2、作用對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)；保證大型設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；對(duì)多種參數(shù)進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，加強(qiáng)故障預(yù)防，達(dá)到早期診斷的目的，可以避免嚴(yán)重的突發(fā)事故，保證設(shè)備和人員的安全，提高經(jīng)濟(jì)效益；可采用計(jì)算機(jī)來處理檢測(cè)信息，進(jìn)行分析、判斷，及時(shí)診斷出故障并自動(dòng)報(bào)警或采取相應(yīng)的對(duì)策；也是自動(dòng)化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。

1.1.2檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)或裝置通常是由傳感器、測(cè)量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。

圖1-1檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖

1．傳感器傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電化學(xué)量的裝置。是檢測(cè)系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。從傳感器研究的目的出發(fā)，著眼于變換過程的特征，可以將傳感器按輸入量的性質(zhì)分為以下兩種。

（1）參量型傳感器。它的輸出量是電阻、電感、電容等無源電參量，相應(yīng)的有電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器等。（2）發(fā)電型傳感器。它的輸出是電壓或電流，相應(yīng)的有熱電偶傳感器、光電傳感器、磁電傳感器、壓電傳感器等。

2．測(cè)量電路測(cè)量電路的作用是將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于傳輸?shù)碾妷夯螂娏餍盘?hào)。通常傳感器輸出信號(hào)微弱時(shí)，就需要由測(cè)量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。

3．顯示記錄裝置顯示記錄裝置是檢測(cè)人員和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，其主要作用是使人們了解被測(cè)量的大小或變化的過程。常用的有模擬顯示、數(shù)字顯示和圖像顯示3種。

模擬顯示是利用指針對(duì)標(biāo)尺的相對(duì)位置來表示被測(cè)量的大小，。數(shù)字顯示則直接以十進(jìn)制數(shù)字形式來顯示讀數(shù)，它可以附加打印機(jī)，打印記錄測(cè)量數(shù)值；并且易于和計(jì)算機(jī)連機(jī)。

圖像顯示，如果被測(cè)量處于動(dòng)態(tài)變化之中，可以將輸出信號(hào)送至記錄儀，從而描繪出被測(cè)量隨時(shí)間變化的曲線。常用的自動(dòng)記錄儀器有筆式記錄儀、光線示波器、磁帶記錄儀等。

1.1.3檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)代化創(chuàng)造了條件，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

（1）人們研究新原理、新材料和新工藝所取得得的成果，將產(chǎn)生更多品質(zhì)優(yōu)良的新型傳感器。（2）檢測(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)裝置目前正迅速地由模擬式、數(shù)字式向智能化方向發(fā)展。1.2測(cè)量方法及其分類

1.2.1概述測(cè)量是在有關(guān)理論的指導(dǎo)下，用專門的儀器或設(shè)備，通過實(shí)驗(yàn)和必要的數(shù)據(jù)處理，求得被測(cè)量的值。

測(cè)量方法的正確與否十分重要，必須根據(jù)不同測(cè)量任務(wù)的要求，找出切實(shí)可行的測(cè)量方法，然后根據(jù)測(cè)量方法選擇合適的測(cè)量工具，組成測(cè)量裝置，進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。

測(cè)量方法的分類多種多樣，例如，根據(jù)在測(cè)量過程中，被測(cè)量是否隨時(shí)間變化，可分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量；根據(jù)測(cè)量手段分類，可分為直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量；按測(cè)量方式分類，可分為偏差式測(cè)量、零位式測(cè)量和微差式測(cè)量等。

1.2.2直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量

1．直接測(cè)量用按已知標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定好的測(cè)量儀器，對(duì)某一未知量直接進(jìn)行測(cè)量，這類測(cè)量稱為直接測(cè)量。直接測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量過程簡(jiǎn)單且迅速，是工程技術(shù)中采用較為廣泛的測(cè)量方法。

2．間接測(cè)量對(duì)幾個(gè)被測(cè)量有確切函數(shù)關(guān)系的物體物理量進(jìn)行直接測(cè)量，然后通過已知函數(shù)關(guān)系的公式、曲線或表格，求出該未知量，這類測(cè)量稱為間接測(cè)量。間接測(cè)量方法手段較麻煩，多用在實(shí)驗(yàn)室，工程中有時(shí)也用。

3．組合測(cè)量在測(cè)量中，使各個(gè)未知量以不同的組合形式出現(xiàn)，根據(jù)直接測(cè)量和間接測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)，通過解一組聯(lián)立方程而求出未知量的數(shù)值，這類測(cè)量稱為組合測(cè)量，又稱聯(lián)立測(cè)量。組合測(cè)量的測(cè)量過程比較復(fù)雜，但易達(dá)到較高的精度，一般適用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和特殊場(chǎng)合。

1.2.3偏差式測(cè)量法、零位式測(cè)量法和微差式測(cè)量法

1．偏差式測(cè)量法在測(cè)量過程中，用儀表指針相對(duì)于刻度線的位移（偏差）來直接表示被測(cè)量，這種方法稱為偏差式測(cè)量法，廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量。

2．零位式測(cè)量法零位式測(cè)量法是在測(cè)量過程中，用指零儀表的零位指示來檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)是否處于平衡狀態(tài)，當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，用已知的基準(zhǔn)量決定被測(cè)未知量的量值。例如用電位差計(jì)測(cè)量待測(cè)電勢(shì)。只適用于測(cè)量變化緩慢的信號(hào)。它在工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用很普遍。

3．微差式測(cè)量法微差式測(cè)量法是綜合了偏差式測(cè)量法和零位式測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)而提出的一種測(cè)量方法，它將被測(cè)未知量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，并取出差值，然后用偏差式測(cè)量法求出此偏差值。微差式測(cè)量法反應(yīng)快、測(cè)量精度高，所以工程測(cè)量中已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。1.3測(cè)量系統(tǒng)

1.3.1測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)被測(cè)對(duì)象的特征量進(jìn)行檢測(cè)、傳輸、處理及顯示等功能，一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)是傳感器、變送器（變換器）和其他轉(zhuǎn)換裝置等的有機(jī)組合。圖1-5所示為測(cè)量系統(tǒng)組成框圖。

圖1-5測(cè)量系統(tǒng)組成框圖

1、傳感器是感受被測(cè)量（物理量、化學(xué)量、生物量等）的大小，并輸出相對(duì)應(yīng)的可用輸出信號(hào)（一般多為電量）的器件或裝置。

2、變送器將傳感器輸出的信號(hào)變換成便于傳輸和處理的信號(hào)。

3、傳輸通道將測(cè)量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號(hào)連接起來，通常用電纜連接，或用光纖連接，以用來傳輸數(shù)據(jù)。

4、信號(hào)處理環(huán)節(jié)將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換。也可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，以便對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行信息處理。

5、顯示裝置是將測(cè)量信息變成人的器官能接收的形式，以完成監(jiān)視、控制或分析的目的。

1.3.2開環(huán)測(cè)量系統(tǒng)和閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)

1．開環(huán)測(cè)量系統(tǒng)開環(huán)測(cè)量系統(tǒng)的全部信息轉(zhuǎn)換只沿著一個(gè)方向進(jìn)行，如圖1-6所示。其中x是輸入量，y是輸出量，k1、k2、k3為各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)。輸出關(guān)系表示為

y

=

k1k2k3x

圖1-6開環(huán)測(cè)量系統(tǒng)框圖

2．閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)有兩個(gè)通道，一個(gè)正向通道，一個(gè)反饋通道，其結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。其中

x為正向通道的輸入量，

為反饋環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)，正向通道的總傳遞系數(shù)k

=

k2k3。由圖1-7得系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系為

圖1-7閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)框圖

顯然，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系由反饋環(huán)節(jié)的特性決定，放大器等環(huán)節(jié)特性的變化不會(huì)造成測(cè)量誤差，或者造成的測(cè)量誤差很小。1.4測(cè)量誤差

測(cè)量誤差是測(cè)得值減去被測(cè)量的真值。

1.4.1測(cè)量誤差的表示方法測(cè)量誤差的表示方法有多種，含義各異。

1．絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差可定義為

式中：

——絕對(duì)誤差；X——測(cè)量值；L——真值。

絕對(duì)誤差可正可負(fù)并有量綱。采用絕對(duì)誤差表示測(cè)量誤差，不能很好說明被測(cè)質(zhì)量的好壞。所以用相對(duì)誤差可以客觀的反映測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2．實(shí)際相對(duì)誤差實(shí)際相對(duì)誤差的定義式為

式中：

——實(shí)際相對(duì)誤差，一般用百分?jǐn)?shù)給出；

——絕對(duì)誤差；L——真值。

3．引用誤差引用誤差是儀表中通用的一種誤差表示方法。它是相對(duì)于儀表滿量程的一種誤差，即

式中：

——引用誤差；

——絕對(duì)誤差。儀表的精確等級(jí)是根據(jù)最大引用誤差來決定的。例如，0.5級(jí)表的引用誤差的最大值不超過

0.5%；1.0級(jí)表的引用誤差的最大值不超過

1%。

4．基本誤差基本誤差是指?jìng)鞲衅骰騼x表在規(guī)定的條件下所具有的誤差。例如，某傳感器是在電源電壓(220

5)V，電網(wǎng)頻率(50

2)Hz，環(huán)境溫度(20

5)℃，溫度65%

5%的條件下標(biāo)定的。

5．附加誤差附加誤差是指?jìng)鞲衅骰騼x表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差。例如，溫度附加誤差，頻率附加誤差，電源電壓波動(dòng)附加誤差等。

1.4.2測(cè)量誤差的性質(zhì)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律及產(chǎn)生的原因可將其分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。

1．隨機(jī)誤差在同一測(cè)量條件下，多次測(cè)量被測(cè)量時(shí)，其絕對(duì)值和符號(hào)以不可預(yù)定方式變化著的誤差稱隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差表示為隨機(jī)誤差

式中：xi——被測(cè)量的某一個(gè)測(cè)量值；——重復(fù)性條件下無限多次的測(cè)量值的平均值，即

由于重復(fù)測(cè)量實(shí)際上只能測(cè)量有限次，因此實(shí)用中的隨機(jī)誤差只是一個(gè)近似估計(jì)值。

2．系統(tǒng)誤差在同一測(cè)量條件下，多次測(cè)量被測(cè)量時(shí)，絕對(duì)值和符號(hào)保持不變，或在條件改變時(shí)，按一定規(guī)律（如線性、多項(xiàng)式、周期性等函數(shù)規(guī)律）變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。前者為恒值系統(tǒng)誤差，后者為變值系統(tǒng)誤差。

它可表示為 系統(tǒng)誤差 式中：L——測(cè)量的真值。

3．粗大誤差超出在規(guī)定條件下預(yù)期的誤差稱為粗大誤差，粗大誤差又稱為疏忽誤差。所以進(jìn)行誤差分析時(shí)，要估計(jì)的誤差只有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類。1.5傳感器的組成、分類和性能

指標(biāo)1.5.1傳感器的組成傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，如圖1-8所示。

敏感元件指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分。轉(zhuǎn)換元件指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等，此外信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助電源。

1.5.2傳感器的分類傳感器的種類很多，其分類方法如表1-1所示。

分類法型式說明按基本效應(yīng)物理型、化學(xué)型、生物型分別以轉(zhuǎn)換中的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等命名按構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型以轉(zhuǎn)換原件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換物性型以轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換按輸入量位移、壓力、溫度、流量、加速度等以被測(cè)量（即按用途分類）按工作原理電阻式、熱電式、光電式等以傳感器轉(zhuǎn)換信號(hào)的工作原理命名按能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型（自然型）傳感器輸出量直接由被測(cè)量能量轉(zhuǎn)換而得能量轉(zhuǎn)換型（外源型）傳感器輸出量能量由外源供給，但受被測(cè)輸入量控制按輸出信號(hào)形式模擬式輸出為模擬信號(hào)數(shù)字式輸出為數(shù)字信號(hào)表1-1 傳感器的分類

1.5.3傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸入與輸出的關(guān)系。傳感器的靜態(tài)特性可用一組性能指標(biāo)來描述，如靈敏度、遲滯、線性度、重復(fù)性、精度和漂移等。

1．靈敏度靈敏度是輸入量

y與引起輸入量增量

y的相應(yīng)輸入量增量

x之比。用S表示靈敏度，即 （1-15）很顯然，靈敏度值越大表示傳感器越靈敏。

2．線性度傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度?？捎脭M合直線近似地代表實(shí)際曲線的一段，使傳感器輸入輸出特性線性變化。

傳感器的線性度是指在全程測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值

Lmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用

L表示，即

式中：

Lmax——最大非線性絕對(duì)誤差；YFS——滿量程輸入值。選取擬合直線的方法很多：理論擬合、過零旋轉(zhuǎn)擬合、端殿連線擬合和端點(diǎn)平移擬合。

3．遲滯

傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象為遲滯，對(duì)于同樣的輸入信號(hào)傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。傳感器在全量程范圍內(nèi)最大遲滯差值與滿量程輸出值之比稱為遲滯誤差，用

H表示，即

4．重復(fù)性重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。

5．漂移傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。

6．精度精度是評(píng)價(jià)系統(tǒng)的優(yōu)良程度。精度分為準(zhǔn)確度和精密度。準(zhǔn)確度就是測(cè)量值對(duì)于真值的偏離程度。精密度就是測(cè)量相同對(duì)象每次測(cè)量也會(huì)得到不同的值，即離散偏差。

本章小結(jié)（1）測(cè)量的概念。測(cè)量系統(tǒng)包括開環(huán)測(cè)量系統(tǒng)和閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)。（2）測(cè)量方法：直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量；偏差式測(cè)量法、零位式測(cè)量法和微差式測(cè)量法。

（3）測(cè)量誤差。誤差的表示方法：絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、基本誤差、附加誤差和引用誤差；誤差的性質(zhì)：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。

（4）傳感器的組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路；傳感器的分類。（5）傳感器的靜態(tài)指標(biāo)：靈敏度、遲滯、線性度、重復(fù)性和漂移。

思考題和習(xí)題1-1什么叫傳感器？它由哪幾部分組成？它們的相互作用及相互關(guān)系如何？1-2什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能指標(biāo)？分別說明這些指標(biāo)的含義。

1-3什么是測(cè)量值的絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、引用誤差？1-4什么是測(cè)量誤差？測(cè)量誤差有幾種表示方法？它們通常適用于什么場(chǎng)合？1-5什么是隨機(jī)誤差？產(chǎn)生隨機(jī)誤差的原因是什么？如何減小隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響？

1-6什么是系統(tǒng)誤差？系統(tǒng)誤差可分為哪幾類？系統(tǒng)誤差有哪些檢驗(yàn)方法？如何減小和消除系統(tǒng)誤差？1-7什么是粗大誤差？如何判斷測(cè)量數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差？1-8什么是間接測(cè)量、直接測(cè)量和組合測(cè)量？

第2章應(yīng)變式傳感器

工作原理2.1應(yīng)變片的種類、材料及粘貼2.2電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路2.3應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用2.4

電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上時(shí)，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。2.1工作原理2.1.1應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

2.1.2工作原理分析當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)，將伸長

l，橫截面積相應(yīng)減小

A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了d

，從而引起電阻值相對(duì)變化量為

dl

/

l為長度相對(duì)變化量即應(yīng)變

，

軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為

式中：

——電阻絲材料的泊松比，負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。

通常，把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)。其表達(dá)式為

靈敏系數(shù)K受兩個(gè)因素影響：應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，即1+2

；

②應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（d

/

）/

。

對(duì)金屬材料來說，電阻絲靈敏度系數(shù)表達(dá)式中1+2

的值要比（d

/

）/

大得多，而半導(dǎo)體材料的（d

/

）/

項(xiàng)的值比1+2

大得多。

2.1.3壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料，當(dāng)某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率

發(fā)生變化的現(xiàn)象。

d

/

為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量，其值與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)變力有關(guān)，其關(guān)系為

上式中：

——半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)；

——半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力；

E——半導(dǎo)體材料的彈性模量；

——半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為

半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高50～80倍，但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重，使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。

用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量為

R時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值，應(yīng)力值

為

由此可知，應(yīng)力值

正比于應(yīng)變

，而試件應(yīng)變

正比于電阻值的變化，所以應(yīng)力

正比于電阻值的變化，這就是利用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理。2.2應(yīng)變片的種類、材料及粘貼

2.2.1金屬電阻應(yīng)變片的種類

1、金屬電阻應(yīng)變片組成敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。

2.2.2金屬電阻應(yīng)變片的材料電阻絲材料應(yīng)有如下要求：（1）靈敏系數(shù)大，且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)；（2）

值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；

（3）電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會(huì)改變其阻值；（4）與銅線的焊接性能好，與其他金屬的接觸電勢(shì)??；（5）機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。

2.2.3金屬電阻應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片是用粘結(jié)劑粘貼到被測(cè)件上的。常用的粘結(jié)劑類型有硝化纖維素型、氰基丙烯酸型、聚酯樹脂型、環(huán)氧樹脂型和酚醛樹脂型等。

2.2.4應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償

1．應(yīng)變片的溫度誤差（1）電阻溫度系數(shù)的影響。敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可表示為

當(dāng)溫度變化

t時(shí)，電阻絲電阻的變化值為

（2）試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生附加變形。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。

2．電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法（1）線路補(bǔ)償法。電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。測(cè)量應(yīng)變時(shí)，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測(cè)試件表面上，補(bǔ)償應(yīng)變片RB粘貼在與被測(cè)試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變，如圖2-4（b）所示。

當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為的溫度場(chǎng)中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡，此時(shí)有

Uo=A(R1R4?RBR3)=0（2-24）

圖2-4電橋補(bǔ)償法

一般按R1=RB=R3=R4選取橋臂電阻。當(dāng)溫度升高或降低

t=t?t0時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片因溫度相同而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即

（2-25）

若此時(shí)被測(cè)試件有應(yīng)變

的作用，則工作應(yīng)變片電阻R1有新的增量

R1=R1K

，而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量，此時(shí)電橋輸出電壓為

Uo=AR1R4K

（2-26）

（2）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法。這種溫度補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片（稱之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片）來補(bǔ)償?shù)摹?.3電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路2.3.1直流電橋

1．直流電橋平衡條件電橋電路如圖2-5所示，圖中E為電源電壓，R1、R2、R3及R4為橋臂電阻，RL為負(fù)載電阻。

當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則這說明欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。

2．電壓靈敏度

設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于

R1<<

R1，分母中

R1

/R1可忽略，并考慮到平衡條件R2

/R1=R4

/R3，則

電橋電壓靈敏度定義為

分析上式可得：（1）電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高。（2）電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。

當(dāng)n=1時(shí)，KU為最大值。R1=R2=R3=R4，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)單臂電橋有：

3．非線性誤差及其補(bǔ)償方法

與

R1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為

為了減小和克服非線性誤差，常采用差動(dòng)電轎如下圖2-6所示，在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，構(gòu)成半橋電路，如圖2-6（a）所示。該電橋輸出電壓為

（2-39）

圖2-6差動(dòng)電橋

若

R1=

R2，R1=R2，R3=R4，則得半橋輸出電壓為

（2-40）

由式（2-40）可知，Uo與

R1/R1成線性關(guān)系，差動(dòng)電路無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。

若將電橋四臂接入4片應(yīng)變片，如圖2-6（b）所示，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。若

R1=

R2=

R3=

R4，且R1=R2=R3=R4，則全橋輸出電壓為： （2-41）

KU=E

（2-42）

此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍，同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償作用。

2.3.2交流電橋根據(jù)直流電橋分析可知，由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性。

圖2-7交流電橋

由交流電路分析可得

要滿足電橋平衡條件，即Uo=0，則

Z1Z4=Z2Z3

對(duì)這種交流電容電橋，除要滿足電阻平衡條件外，還必須滿足電容平衡條件。2.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

2.4.1柱（筒）式力傳感器被測(cè)物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器時(shí)，統(tǒng)稱為應(yīng)變式力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。

圖2-9（a）、（b）所示分別為柱式、筒式力傳感器，應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分，對(duì)稱地粘貼多片，電橋連線時(shí)考慮盡量減小載荷偏心和彎矩影響。

貼片在圓柱面上的展開位置及其在橋路中的連接如圖2-9（c）、（d）所示，R1和R3串接，R2和R4串接，并置于橋路對(duì)臂上，以減小彎矩影響，橫向貼片R5和R7串接，R6和R8串接，作溫度補(bǔ)償時(shí)，接于另兩個(gè)橋臂上。

圖2-9圓柱（筒）式力傳感器

2.4.2應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力，如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道的壓力等。應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。

2.4.3應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器圖2-11所示為插入式測(cè)量容器內(nèi)液體重量的傳感器示意圖。該傳感器有一根傳壓桿，上端安裝微壓傳感器安裝了兩只。下端安裝感壓膜，感壓膜感受上面液體的壓力。

當(dāng)容器中溶液增多時(shí)，感壓膜感受的壓力就增大。將其上兩個(gè)傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時(shí)輸出電壓為

（2-52）

式中：K1，K2——傳感器傳輸系數(shù)。由于h

g表征著感壓膜上面液體的重量，對(duì)于等截面的柱式容器，則

（2-53）

式中：Q——容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量；A——柱形容器的截面積。將上兩式聯(lián)立，得到容器內(nèi)感壓膜上面溶液重量與電橋輸出電壓之間的關(guān)系式為

（2-54）

圖2-11應(yīng)變片容器內(nèi)液體重量傳感器

上式表明，電橋輸出電壓與柱式容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量成線性關(guān)系，因此用此種方法可以測(cè)量容器內(nèi)儲(chǔ)存的溶液重量。

2.4.4應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測(cè)量。圖2-12所示是應(yīng)變片式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1是等強(qiáng)度梁，自由端安裝質(zhì)量塊2，另一端固定在殼體3上。等強(qiáng)度梁上粘貼4個(gè)電阻應(yīng)變敏感元件4。為了調(diào)節(jié)振動(dòng)系統(tǒng)阻尼系數(shù)，在殼體內(nèi)充滿硅油。

圖2-12電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖

測(cè)量時(shí)，將傳感器殼體與被測(cè)對(duì)象剛性連接，當(dāng)被測(cè)物體以加速度

運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化產(chǎn)生輸出電壓，即可得出加速度

值的大小。

應(yīng)變片加速度傳感器不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊場(chǎng)合，一般適用頻率為10～60Hz范圍。

2.4.5半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片在電子皮帶秤上的應(yīng)用荷重傳感器是皮帶秤的關(guān)鍵組成部件，采用半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片作為敏感元件，這種傳感器靈敏度可達(dá)7～10mV/kg，額定壓力為5kg的荷重傳感器可輸出50mV左右。電子皮帶秤工作原理如圖2-13所示。

1—電磁振動(dòng)給料機(jī)；2—物料；3—秤架；4—力敏荷重傳感器（包括放大器）；5—支點(diǎn)；6—減速電機(jī)；7—環(huán)行皮帶；8—料倉圖2-13電子皮帶秤工作原理示意圖

當(dāng)未給料時(shí)，整個(gè)皮帶秤重量通過調(diào)節(jié)秤架上的平衡錘使之自重基本作用在支點(diǎn)5上，僅留很小一部分壓力作為傳感器預(yù)壓力。當(dāng)電磁振動(dòng)機(jī)開始給料時(shí)，通過皮帶運(yùn)動(dòng)，使物料平鋪在皮帶上。此時(shí)皮帶上物料重量一部分通過支點(diǎn)傳到基座，另一部分作用于傳感器上。

設(shè)每米物料重量為P，則傳感器受力為F，F(xiàn)=CP（C為系數(shù)，取決于傳感器距支點(diǎn)的距離）。當(dāng)傳感器受力后，傳感器中的彈性元件將產(chǎn)生變形，因此，粘貼于彈性元件上的力敏應(yīng)變電橋就有電壓信號(hào)

U輸出，其值為

式中：U——應(yīng)變電橋的電源電壓；

R/R——應(yīng)變片的相對(duì)變化。當(dāng)U和R恒定時(shí)，

U與受力成正比。因此

U與P成正比。在皮帶速度V不變時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)皮帶上物料流量為Q=PV，即Q與P成正比。所以測(cè)量

U的大小就間接地測(cè)量Q的大小。

本章小結(jié)（1）應(yīng)變效應(yīng)：即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。（2）應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)：敏感柵、基片、覆蓋層和引線；應(yīng)變式傳感器分類及工作原理。

（3）應(yīng)變片的材料及粘貼。（4）應(yīng)變片的溫度誤差：電阻溫度系數(shù)的影響、試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響；補(bǔ)償方法：線路補(bǔ)償法、自補(bǔ)償法。

（5）應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路：直流電橋、單臂電橋、半橋和全橋。（6）應(yīng)變式傳感器在工程中的應(yīng)用。

思考題和習(xí)題2-1什么叫應(yīng)變效應(yīng)?利用應(yīng)變效應(yīng)解釋金屬電阻應(yīng)變片的工作原理。2-2試述應(yīng)變片溫度誤差的概念、產(chǎn)生原因和補(bǔ)償辦法。

2-3什么是直流電橋？若按不同的橋臂工作方式分類，可分為哪幾種？各自的輸出電壓如何計(jì)算？2-4擬在等截面的懸臂梁上粘貼4個(gè)完全相同的電阻應(yīng)變片，并組成差動(dòng)全橋電路，試問：①4個(gè)應(yīng)變片應(yīng)怎樣粘貼在懸臂梁上？②畫出相應(yīng)的電橋電路圖。

2-5圖2-5為一直流應(yīng)變電橋。圖中E=4V，R1=R2=R3=R4=120

，試求：①R1為金屬應(yīng)變片，其余為外接電阻，當(dāng)R1的增量為

R1=1.2

時(shí)，電橋輸出電壓Uo為多少？

②R1、R2都是應(yīng)變片，且批號(hào)相同，感應(yīng)應(yīng)變的極性和大小都相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓Uo為多少？③題②中，如果R2與R1感受應(yīng)變的極性相反，且

R1=

R2=1.2

，電橋輸出電壓Uo為多少？

2-6圖2-14為等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)，R1為電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏系數(shù)

K

=

2.05，未受應(yīng)變時(shí)，R1=120

。當(dāng)試件受力F時(shí)，應(yīng)變片承受平均應(yīng)變

=800

m/m，試求：

①應(yīng)變片電阻變化量

R1及電阻相對(duì)變化量

R1/R1。②將電阻應(yīng)變片R1置于單臂測(cè)量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。③若要減小非線性誤差，應(yīng)采取何種措施?分析其電橋輸出電壓及非線性誤差大小。

2-7在題2-6條件下，如果試件材質(zhì)為合金鋼，線膨脹系數(shù)

g

=

11

10?6/℃，電阻應(yīng)變片敏感柵材質(zhì)為康銅，其電阻溫度系數(shù)

=15

10?6/℃，線膨漲系數(shù)

s

=

14.9

10?6/℃。當(dāng)傳感器的環(huán)境溫度從10℃變化到50℃時(shí)，所引起的附加電阻相對(duì)變化量(

R/R

)t為多少?折合成附加應(yīng)變

t為多少?

實(shí)訓(xùn)1半導(dǎo)體應(yīng)變片單臂電橋的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）觀察了解應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式。（2）測(cè)試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出，進(jìn)一步理解應(yīng)變式傳感器的工作原理。

二、實(shí)驗(yàn)所需部件直流穩(wěn)壓電源、電橋、差動(dòng)放大器、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)、測(cè)微頭、電壓表。

三、實(shí)驗(yàn)原理由于半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)”特別明顯，可以反映出很微小的形變，當(dāng)電橋的一個(gè)橋臂換成半導(dǎo)體應(yīng)變片后，就構(gòu)成單臂電橋，當(dāng)相鄰兩橋臂換成受力方向相反的應(yīng)變片時(shí)，即可構(gòu)成半橋。若應(yīng)變片不受力時(shí)，4個(gè)橋臂電阻構(gòu)成的電橋在電位計(jì)WD調(diào)節(jié)下能夠達(dá)到平衡狀態(tài)，即輸出為零，若懸臂梁受力，則電橋輸出不再為零，且隨受力的增加而增大。

四、實(shí)驗(yàn)步驟圖2-15（1）差動(dòng)放大器調(diào)零：將差動(dòng)放大器的兩輸入端接地，增益調(diào)節(jié)適當(dāng)，輸出端接地，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕使輸出為0。（2）按圖2-15接線，電橋中R1為半導(dǎo)體應(yīng)變片，其余電阻為固定電阻。

（3）調(diào)節(jié)電橋平衡：懸臂梁不受力時(shí)，電壓表讀數(shù)應(yīng)該為0，若不為0時(shí)，調(diào)節(jié)電位器WD使電橋輸出為0。

（4）旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭，帶動(dòng)懸臂梁分別作向上和向下的運(yùn)動(dòng)，以水平狀態(tài)下的輸出為零，向上和向下各移動(dòng)4mm，每移動(dòng)0.5mm記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，填入表2-2中。（5）用測(cè)出V，X值，畫出V—X曲線，求出靈敏度。

位移/mm00.51.01.52.02.53.03.54.0電壓/V↑電壓/V↓表2-2 數(shù)據(jù)記錄表

第3章電容式傳感器

電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)3.1成電容式傳感器的測(cè)量電路3.2電容式傳感器的應(yīng)用3.33.1電容式傳感器的工作原理

和結(jié)構(gòu)

由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為

式中：

——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，

=

0

r，其中

0為真空介電常數(shù)，

r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；

A——兩平行板正對(duì)面積；

d——兩平行板之間的距離。

如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測(cè)量電路就可以轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型3種。

3.1.1變極距型電容傳感器當(dāng)傳感器的

r和A為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，其初始電容量C0為

若電容器極板間距離由初始值d0縮小了Δd，電容量增大了ΔC，則有

傳感器的輸出特性不是線性關(guān)系，而是曲線關(guān)系。若Δd/d0<<1時(shí)，1?（Δd/d0）2≈1，則上式可以簡(jiǎn)化為

此時(shí)C與Δd近似呈線性關(guān)系，在d0較小時(shí)，對(duì)于同樣的Δd變化所起的ΔC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過小。容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì)。

云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。

3.1.2變面積型電容式傳感器

1、線性位移電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長度方向平移Δx時(shí)，則電容變化量為

電容相對(duì)變化量為： 很明顯，這種傳感器其電容量C與水平位移Δx呈線牲關(guān)系。

2、電容式角位移傳感器當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移

時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)動(dòng)極板轉(zhuǎn)動(dòng)

時(shí)，則

3.1.3變介質(zhì)型電容式傳感器

1、原理

設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為

1，液面高度為h，變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時(shí)變換器電容值為

變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。

2、應(yīng)用用來測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。3.2電容式傳感器的測(cè)量電路3.2.1調(diào)頻電路

調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)。振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。調(diào)頻式測(cè)量電路原理框圖如下圖所示。圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為

式中：L——振蕩回路的電感；C——振蕩回路的總電容，C=C1+C

2+C

x，其中C1為振蕩回路固有電容，C

2為傳感器引線分布電容，C

x=C

0±ΔC為傳感器的電容。

圖3-9調(diào)頻式測(cè)量電路原理圖

當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，ΔC≠0，振蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時(shí)頻率為調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高的靈敏度，可以測(cè)量高至0.01

m級(jí)位移變化量。

3.2.2運(yùn)算放大器式電路

由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi很高，運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)量電路。由運(yùn)算放大器工作原理可得

如果傳感器是一只平板電容，可得

式中：“?”號(hào)表示輸出電壓的相位與電源電壓反相。運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。

圖3-10運(yùn)算放大器式電路原理圖

3.2.3二極管雙T形交流電橋

1、當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí)，C1=C2。其電路工作原理如下：

①當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，于是電容C1充電，在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1上的電荷通過電阻R1，負(fù)載電阻RL放電，流過RL的電流為I1。

②當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，VD2導(dǎo)通、VD1截止，則電容C2充電，在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，C2通過電阻R2，負(fù)載電阻RL放電，流過RL的電流為I2。根據(jù)上面所給的條件，則電流I1=I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。

2、若傳感器輸入不為0，則C1≠C2，I1≠I2，此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通過RL上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為

若 則輸出電壓可改寫為

Uo=UfM(C1?C2)

輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中電容C1和C2的差值有關(guān)。故可用來測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

3.2.4環(huán)形二極管充放電法

基本原理是以一高頻方波為信號(hào)源，通過一環(huán)形二極管電橋，對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行充放電，環(huán)形二極管電橋輸出一個(gè)與被測(cè)電容成正比的微安級(jí)電流。

當(dāng)輸入的方波由E1躍變到E2時(shí)，電容Cx、Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。對(duì)電容Cx充電的電流，如圖3-12中i1所示的方向，對(duì)Cd充電的電流如i3所示方向。在充電過程中（T1這段時(shí)間），VD2、VD4以一直處于截止?fàn)顟B(tài)。在T1這段時(shí)間內(nèi)由A點(diǎn)向C點(diǎn)流動(dòng)的電荷量為q1=Cd(E2?E1)。

當(dāng)輸入的方波由E2返回到E1時(shí)，Cx和Cd放電，它們兩端的電壓由E2下降到E1，放電電流所經(jīng)過的路徑分別為i2、i4所示的方向。在放電過程中（T2時(shí)間內(nèi)），VD1、VD3截止。在T2這段時(shí)間內(nèi)由C點(diǎn)向A點(diǎn)流過的電荷量為q2=Cx(E2?E1)。

設(shè)方波的頻率f=1/T0（即每秒鐘要發(fā)生的充放電過程的次數(shù)），則由C點(diǎn)流向A點(diǎn)的平均電流為I2=Cxf(E2?E1)，而從A點(diǎn)流向C點(diǎn)的平均電流為I3=Cdf(E2?E1)，流過此支路的瞬時(shí)電流的平均值為

令Cx的初始值為C0，ΔCx為Cx的增量，則Cx=C0+ΔCx，調(diào)節(jié)Cd=C0，則

I正比于ΔCx。

3.2.5脈沖寬度調(diào)制電路圖中Cx1、Cx2為差動(dòng)式電容傳感器，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于某一狀態(tài)，Q=1，=0，A點(diǎn)高電位通過R1對(duì)Cx1充電，時(shí)間常數(shù)

1=R1Cx1，直至F點(diǎn)電位高于Ur，比較器A1輸出正跳變信號(hào)。

與此同時(shí)，因=0，電容器Cx2上已充電流通過VD2迅速放電至零電平。A1正跳變信號(hào)激勵(lì)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使Q=0，=1，于是A點(diǎn)為低電位，Cx1通過VD1迅速放電，而B點(diǎn)高電位通過R2對(duì)Cx2充電，時(shí)間常數(shù)為

2=R2Cx2，直至G點(diǎn)電位高于參比電位Ur。比較器A2輸出正跳變信號(hào)，使觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

①當(dāng)差動(dòng)電容器Cx1=Cx2時(shí)，

A、B兩點(diǎn)間的平均電壓值為零。

②當(dāng)差動(dòng)電容Cx1≠Cx2，且Cx1＞Cx2，則

1=R1Cx1＞

2=R2Cx2。此時(shí)UA、UB脈沖寬度不再相等，一個(gè)周期（T1+T2）時(shí)間內(nèi)的平均電壓值不為零。此UAB電壓經(jīng)低通濾波器濾波后，可獲得Uo輸出為

圖3-14脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形

將

代入上式得

若是平行板電容有：

在變面積電容傳感器則有：

由此可見，差動(dòng)脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動(dòng)式電容傳感器。3.3電容式傳感器的應(yīng)用3.3.1電容式加速度傳感器

1、組成它有兩個(gè)固定極板（與殼體絕緣），中間有一用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個(gè)端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動(dòng)極板（與殼體電連接）。

2、原理當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，兩個(gè)固定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，一個(gè)減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的增量，此增量正比于被測(cè)加速度。

電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)是頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采用空氣或其他氣體作阻尼物質(zhì)。

3.3.2電容式壓力傳感器

圖3-16所示為差動(dòng)電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，圖中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。

當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，所形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。

3.3.3差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器

1、用途電容測(cè)厚傳感器是用來對(duì)金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測(cè)。

2、工作原理

是在被測(cè)帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來成為一個(gè)極，而帶材就是電容的另一個(gè)極，其總電容為C1+C2，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y(cè)出來，經(jīng)過放大即可由電表指示測(cè)量結(jié)果。

圖3-17差動(dòng)式電容測(cè)厚儀系統(tǒng)組成框圖

本章小結(jié)（1）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。電容式傳感器按原理分為變面積、變極距和變介質(zhì)3種。工作原理：當(dāng)這3個(gè)參數(shù)中的任意一個(gè)發(fā)生變化，都能夠?qū)е码娙葜蛋l(fā)生變化。通過測(cè)量電路即可得到被測(cè)量，比如力、加速度、液位、位移、厚度、不同種類物質(zhì)的鑒別、轉(zhuǎn)角等。

（2）電容傳感器的測(cè)量電路：調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T形交流電橋、環(huán)形二極管充放電法、脈沖寬度調(diào)制電路等。（3）電容傳感器在工程中的應(yīng)用。

思考題和習(xí)題3-1根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？每種類型各有什么特點(diǎn)？各適用于什么場(chǎng)合？3-2如何改善單極式變極距型傳感器的非線性？

3-3如圖3-7所示為電容式液位計(jì)測(cè)量原理圖。請(qǐng)為該測(cè)量裝置設(shè)計(jì)匹配測(cè)量電路，要求輸出電壓Uo與液位h之間呈線性關(guān)系。

3-4有一個(gè)以空氣為介質(zhì)的變面積型平板電容傳感器，如圖3-5所示，其中

a

=

8mm，b

=

12mm，兩極板間距離為

1mm。一塊板在原始位置上平移了5mm

后，求該傳感器的位移靈敏度K（已知空氣相對(duì)介電常數(shù)

=1F/m，真空時(shí)的介電常數(shù)

0

=

8.854×10-12F/m）。

3-5圖3-11為電容式傳感器的雙T電橋測(cè)量電路，已知

R1=R2=R=40k

，

RL=20k

。

e

=10V，f

=1MHz，C1=10pF，C2=10pF，ΔC1=1pF。求UL的表達(dá)式及對(duì)應(yīng)上述已知參數(shù)的

UL值。

3-6差動(dòng)電容式傳感器接入變壓器交流電橋，當(dāng)變壓器二次側(cè)兩繞組電壓有效值均為U時(shí)，試推導(dǎo)電橋空載輸出電壓Uo與Cx1、Cx2的關(guān)系式。若采用變極距型電容傳感器，設(shè)初始截距均為

0，改變?chǔ)?/p>

后，求空載輸出電壓Uo

與Δ

的關(guān)系式。

3-7簡(jiǎn)述差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器系統(tǒng)的工作原理。

實(shí)訓(xùn)2電容式傳感器的特性一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆针娙菔絺鞲衅鞯墓ぷ髟砗蜏y(cè)量方法。

二、實(shí)驗(yàn)原理電容式傳感器有多種型式，本儀器中是差動(dòng)變面積式。傳感器由兩組定片和一組動(dòng)片組成。當(dāng)安裝于振動(dòng)臺(tái)上的動(dòng)片上、下改變位置，與兩組靜片之間的重疊面積發(fā)生變化，極間電容也發(fā)生相應(yīng)變化，成為差動(dòng)電容。如將上層定片與動(dòng)片形成的電容定為Cx1，下層定片與動(dòng)片形成的電容定為Cx2，當(dāng)將Cx1和Cx2橋路作為相鄰兩臂時(shí)，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與振動(dòng)臺(tái)的位移有關(guān)。

三、實(shí)驗(yàn)所需部件電容式傳感器、電容變換器、差動(dòng)放大器、低通濾波器、低頻振蕩器、測(cè)微儀。四、實(shí)驗(yàn)步驟（1）差動(dòng)放大器調(diào)零。（2）按圖3-18接線，電容變換器和差動(dòng)大器的增益適中。

圖3-18

（3）裝上測(cè)微儀，帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)位移，使電容動(dòng)片位于兩靜片中，此時(shí)差動(dòng)放大器輸出應(yīng)為零。（4）以此為起點(diǎn)，向上和向下位移動(dòng)片，每次0.5mm，直至動(dòng)片全部重合為止。記錄數(shù)據(jù)于表3-2中，并作出V—X曲線，求得靈敏度。

X/mm2.01.51.00.50?0.5?1.0?1.52.0V/V表3-2 數(shù)據(jù)記錄表

（5）低頻振蕩器輸出接“激振I”端，移開測(cè)微頭，適當(dāng)調(diào)節(jié)頻率和振幅，使差放輸出波形較大但不失真，用示波器觀察波形。

五、注意事項(xiàng)（1）電容動(dòng)片與兩定片之間的距離須相等，必要時(shí)可稍做調(diào)整。位移和振動(dòng)時(shí)均不可有擦片現(xiàn)象，否則會(huì)造成輸出信號(hào)突變。

（2）如果差動(dòng)放大器輸出端用示波器觀察到波形中有雜波，請(qǐng)將電容變換器增益進(jìn)一步減小。

（3）由于懸臂梁彈性恢復(fù)滯后，雖然測(cè)微儀回到初始刻度，但差放輸出電壓并不回零，此時(shí)可反方向旋動(dòng)測(cè)微儀，使輸出電壓過零后再回到初始位置，反復(fù)幾次，差放電壓即到零，然后進(jìn)行負(fù)方向?qū)嶒?yàn)。

第4章電感式傳感器

電渦流式傳感器4.1變磁阻式傳感器4.2差動(dòng)變壓器式傳感器4.34.1變磁阻式傳感器4.1.1工作原理變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵3部分組成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為

，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度

發(fā)生改變，導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。

線圈中電感量為

式中：ψ——線圈總磁鏈；

I——通過線圈的電流；

W——線圈的匝數(shù)；

——穿過線圈的磁通。

通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即

因此，線圈的電感值可近似地表示為

當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，只要改變

或S0均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙型電感式傳感器和變面積型電感式傳感器。

在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感器線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器。測(cè)量時(shí)，銜鐵通過導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連，當(dāng)被測(cè)體移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng)，使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等，方向相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減小，形成差動(dòng)形式。

差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。

4.1.2測(cè)量電路變磁阻式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。

1．交流電橋式測(cè)量電路把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂Z1和Z2，另外兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻代替，設(shè)Z1=Z+ΔZ1，Z2=Z－ΔZ2，Z是銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的復(fù)阻抗，ΔZ1，ΔZ2分別是銜鐵偏離中心位置時(shí)兩線圈阻抗的變化量。

其輸出電壓為

式中：L0——銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的電感；

ΔL——單線圈電感的變化量。

2．變壓器式交流電橋電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)，橋路輸出電壓為

當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即Z1=Z2=Z時(shí)，有Uo=0，電橋平衡。當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí)，即Z1=Z+ΔZ，Z2=Z?ΔZ，此時(shí)

當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí)，則Z1=Z?ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此時(shí)

4.1.3變磁阻式傳感器的應(yīng)用

1、變隙電感式壓力傳感器它由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起。

當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。

2、變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器。它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。

當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí)，C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化，即一個(gè)電感量增大，另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓，即可得知被測(cè)壓力的大小。4.2差動(dòng)變壓器式傳感器

4.2.1差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理差動(dòng)變壓器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成繞組互感量的變化。

差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1～100mm機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

差動(dòng)變壓器傳感器中的兩個(gè)次級(jí)繞組反相串聯(lián)，當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓U時(shí)，在兩個(gè)次級(jí)繞組W2a和W2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e2a和e2b。當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1=M2，將有e2a=e2b，因而有Uo=e2a?e2b=0，即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。

當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1>M2，因而e2a增加，而e2b減小。反之，e2b增加，e2a減小。因?yàn)閁o=e2a?e2b，所以當(dāng)e2a、e2b

隨著銜鐵位移x變化時(shí)，Uo也必將隨x而變化。

1．差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路還可以接成全波電壓輸出和全波電流輸出的形式。差動(dòng)整流電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，根據(jù)差動(dòng)輸出電壓的大小和方向就可以判斷出被測(cè)量（如位移）的大小和方向，不需要考慮相位調(diào)整和零點(diǎn)殘余電壓的影響，分布電容影響小，便于遠(yuǎn)距離傳輸，因而獲得廣泛的應(yīng)用。

2．相敏檢波電路相敏檢波電路要求比較電壓與差動(dòng)變壓器二次輸出電壓頻率相同，相位相同或相反。為了保證這一點(diǎn)，通常在電路中接入移相電路。另外，由于比較電壓在檢波電路中起開關(guān)作用，因此其幅值應(yīng)盡可能大，一般應(yīng)為信號(hào)電壓的3～5倍。

圖4-13中RP1為電橋調(diào)零電位器。對(duì)于小位移測(cè)量，由于輸出信號(hào)小，在電路中還要接入放大器。此外，交流電橋也是常用的測(cè)量電路。

4.2.3差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于位移測(cè)量，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。

差動(dòng)變壓器式加速度傳感器的原理。它由懸臂梁和差動(dòng)變壓器構(gòu)成。測(cè)量時(shí)，將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的繞組骨架固定，而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連，此時(shí)傳感器作為加速度測(cè)量中的慣性元件，它的位移與被測(cè)加速度成正比，使加速度測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y(cè)量。當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以Δx(t)振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。4.3電渦流式傳感器

4.3.1電渦流式傳感器的工作原理

1、電渦流效應(yīng)塊狀金屬導(dǎo)體置于變化磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流，該現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。

2、應(yīng)用利用電渦流傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移、材料厚度、金屬表面溫度、應(yīng)力、速度以及材料損傷等進(jìn)行非接觸式的連續(xù)測(cè)量，并且這種測(cè)量方法具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬、體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)。

3、類型電渦流傳感器分為高頻反射式和低頻透射式兩類。

4、原理分析將一個(gè)通以正弦交變電流I1的扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，則線圈周圍空間將產(chǎn)生一個(gè)正弦交變磁場(chǎng)H1，使金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生一個(gè)與H1方向相反的交變磁場(chǎng)H2，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。

它與被測(cè)體的電阻率

、磁導(dǎo)率

以及幾何形狀有關(guān)，還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f、與線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。

函數(shù)關(guān)系式為：Z=F(

,

,r,f,x)

如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只使其中一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，則傳感器線圈的阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。

4.3.2電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)主要是一個(gè)繞制在框架上的扁平繞組，繞組的導(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，圖4-16所示為CZF1型電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)圖，電渦流是采用把導(dǎo)線繞制在框架上形成的，框架采用聚四氟乙烯。

這種傳感器的線圈與被測(cè)金屬之間是磁性耦合的，并利用這種耦合程度的變化作為測(cè)量值，它的尺寸和形狀都與測(cè)量裝置的特性有關(guān)。所以作為傳感器的線圈裝置僅為實(shí)際傳感器的一半，而另一半是被測(cè)體，所以，在電渦流式傳感器的設(shè)計(jì)和使用中，必須同時(shí)考慮被測(cè)物體的物理性質(zhì)和幾何形狀及尺寸。

4.3.3電渦流式傳感器的測(cè)量電路用于電渦流傳感器的測(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f?U變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。

振蕩頻率為：

（4-12）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。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率（fo）穩(wěn)定的激勵(lì)電流io，LC回路輸出電壓為

Uo=iof

(Z)

式中：Z——LC回路的阻抗。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。

4.3.4電渦流式傳感器的應(yīng)用

1．低頻透射式電渦流厚度傳感器在被測(cè)金屬板的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈L1，在被測(cè)金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈L2。當(dāng)在L1上加低頻電壓U1時(shí)，L1上產(chǎn)生交變磁通

1，若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2。

如果將被測(cè)金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流，并將貫穿金屬板，此時(shí)磁場(chǎng)能量受到損耗，使到達(dá)L2的磁通將減弱為

1

，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓U2就越小。因此，可根據(jù)U2電壓的大小得知被測(cè)金屬板的厚度。透射式渦流厚度傳感器的檢測(cè)范圍可達(dá)1～100mm，分辨率為0.1

m，線性度為1%。

2．電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連。

當(dāng)被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電渦流傳感器與輸出軸的距離變?yōu)閐0+Δd。由于電渦流效應(yīng)，使傳感器線圈阻抗隨Δd的變化而變化，導(dǎo)致振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率發(fā)生變化。因此，隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號(hào)中包含有與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率信號(hào)。

該信號(hào)由檢波器檢出電壓幅值的變化量，然后經(jīng)整形電路輸出頻率為fn的脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)電路處理便可得到被測(cè)轉(zhuǎn)速。

這種轉(zhuǎn)速傳感器可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，抗污染能力很強(qiáng)，可安裝在旋轉(zhuǎn)軸近旁長期對(duì)被測(cè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)視。最高測(cè)量轉(zhuǎn)速可達(dá)600

000r/min。

3．高頻反射式電渦流厚度傳感器為了克服帶材不夠平整或運(yùn)行過程中上、下波動(dòng)的影響，在帶材的上、下兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)置了兩個(gè)特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。

S1和S2與被測(cè)帶材表面之間的距離分別為x1和x2。若帶材厚度不變，則被測(cè)帶材上、下表面之間的距離總有“x1+x2=常數(shù)”的關(guān)系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo，數(shù)值不變。

如果被測(cè)帶材厚度改變量為Δ

，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個(gè)Δ

，兩傳感器輸出電壓此時(shí)為2Uo±ΔU，ΔU經(jīng)放大器放大后，通過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測(cè)帶材的厚度。

4．高頻反射式電渦流位移傳感器