第4章結(jié)構(gòu)型傳感器

1、第4章 結(jié)構(gòu)型傳感器,第4章 結(jié)構(gòu)型傳感器,4.1 電阻應(yīng)變式傳感器,電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，從而實(shí)現(xiàn)電測(cè)非電量的傳感器。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)。即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。,4.1.1 工作原理,在外界力的作用下，將引起金屬或半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形，其電阻值將會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。對(duì)于不同的材料，電阻率相對(duì)變化的受力效應(yīng)是不同的。,4.1

2、.1 工作原理,1. 金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng),通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料的電阻率相對(duì)變化正比于體積的相對(duì)變化，即有式中，C為由材料及加工方式?jīng)Q定的與金屬導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)相關(guān)的比例系數(shù)。,金屬材料的電阻相對(duì)變化與其線應(yīng)變?chǔ)懦烧取＿@就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。,1. 金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng),將式（4-6）代入（4-5）可有式中，Km=(1+2μ)+C(1-2μ)為金屬電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，它由兩部分組成：前半部分為受力后金屬絲幾何

3、尺寸變化所致，后半部分為因應(yīng)變而發(fā)生的電阻率相對(duì)變化.由以上分析可見(jiàn)：,2. 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng),研究發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導(dǎo)體材料具有壓阻效應(yīng)，即：式中，?為作用于材料上的軸向應(yīng)力；?為半導(dǎo)體在受力方向的壓阻系數(shù)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量。,由以上分析可知，外力作用而引起的軸向應(yīng)變，將導(dǎo)致電阻絲的電阻成比例地變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路可將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。這就是應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理。,2. 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)

4、,將式（4-8）代入式（4-5）可得式中，Ks=(1+2μ)+?E為半導(dǎo)體絲材的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。前半部分為尺寸變化所致，后半部分為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致.,返回,利用金屬或半導(dǎo)體材料電阻絲（也稱應(yīng)變絲）的應(yīng)變電阻效應(yīng)，可以制成測(cè)量試件表面應(yīng)變的敏感元件。為在較小的尺寸范圍內(nèi)敏感應(yīng)變，并產(chǎn)生較大的電阻變化，通常把應(yīng)變絲制成柵狀的應(yīng)變敏感元件，即電阻應(yīng)變計(jì)，簡(jiǎn)稱應(yīng)變計(jì)。,4.1.2 結(jié)構(gòu)與類型,應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu),應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),（1）按加

5、工方法,可以將應(yīng)變片分為以下四種：絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片、薄膜應(yīng)變片（2）按敏感柵的材料,可將應(yīng)變計(jì)分為金屬應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)兩大類,應(yīng)變計(jì)的類型,2. 應(yīng)變計(jì)的類型,制作應(yīng)變片敏感柵常用的金屬材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等，其中康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料。除敏感柵以外，對(duì)基底材料、粘結(jié)劑、引線的材料方面都有要求，可以根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同進(jìn)行選擇。,電阻應(yīng)變計(jì)的材料,3. 電阻應(yīng)

6、變計(jì)的材料,選用應(yīng)變計(jì)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)使用的目的、要求、對(duì)象及環(huán)境條件等，對(duì)應(yīng)變計(jì)的類型進(jìn)行選擇；然后根據(jù)使用溫度、時(shí)間、最大應(yīng)變量及精度要求，選用合適的敏感柵、基底材料的應(yīng)變計(jì)；接著根據(jù)測(cè)量線路或儀器選擇合適應(yīng)變計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)阻值；最后還應(yīng)根據(jù)試件表面可貼應(yīng)變片的面積大小選擇合適尺寸的應(yīng)變計(jì)。,電阻應(yīng)變計(jì)的選用,4. 電阻應(yīng)變計(jì)的選用與粘貼,電阻應(yīng)變片工作時(shí)，是用粘貼劑粘貼到被測(cè)試件或傳感器的彈性元件上的。粘貼劑形成的膠層必須準(zhǔn)確迅速地將被測(cè)

7、應(yīng)變傳遞到敏感柵上去，所以粘貼劑以及粘貼技術(shù)對(duì)于測(cè)量結(jié)果有著直接的影響。,電阻應(yīng)變計(jì)的粘貼,4. 電阻應(yīng)變計(jì)的選用與粘貼,返回,4. 電阻應(yīng)變計(jì)的選用與粘貼,4.1.3 主要特性,靜態(tài)特性是指應(yīng)變計(jì)感受不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)變時(shí)的輸出特性，表征靜態(tài)特性的指標(biāo)主要有：靈敏度系數(shù)、機(jī)械滯后、蠕變、應(yīng)變極限等。,將具有初始電阻值R的應(yīng)變計(jì)安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變計(jì)阻值的相對(duì)變化與試件表面軸向應(yīng)變之比即為靈敏度系數(shù)

8、。應(yīng)變計(jì)的電阻－應(yīng)變特性與單根電阻絲時(shí)不同，一般情況下，應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)小于相應(yīng)長(zhǎng)度單根應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)。,1. 靈敏度系數(shù)（k）,橫向效應(yīng),將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，其靈敏系數(shù)降低了，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。為了減小橫向效應(yīng)帶來(lái)的測(cè)量誤差，一般采用短接式或直角式橫柵，現(xiàn)在更多的是采用箔式應(yīng)變片，可有效克服橫向效應(yīng)的影響。,2. 橫向效應(yīng),機(jī)械滯后,產(chǎn)生機(jī)械滯

9、后的原因主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的。為了減小機(jī)械滯后，除選用合適的粘合劑外，最好在正式使用之前預(yù)先加、卸載若干次再正式測(cè)量，以減小機(jī)械滯后的影響。,3. 機(jī)械滯后,蠕變和零漂,粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變計(jì)的零漂。如果在一定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變計(jì)的蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變變化的方

10、向相反。選用彈性模量較大的粘貼劑和基底材料，有利于蠕變性能的改善。,4. 蠕變和零漂,應(yīng)變極限,應(yīng)變計(jì)的線性（靈敏系數(shù)為常數(shù)）特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過(guò)某一極限值時(shí)，應(yīng)變計(jì)的輸出特性將呈現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限。,5. 應(yīng)變極限,絕緣電阻和最大工作電流,應(yīng)變片絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測(cè)試件之間的電阻值。通常要求為50?100MΩ以上。不

11、影響應(yīng)變片工作特性的最大電流稱為最大工作電流。工作電流大，輸出信號(hào)就大，靈敏度也就高。但是電流過(guò)大時(shí)，會(huì)使應(yīng)變片發(fā)熱、變形，使零漂、蠕變?cè)黾?，甚至燒壞。如果散熱條件好，則電流可適當(dāng)大一些。,6. 絕緣電阻和最大工作電流,二、 動(dòng)態(tài)特性,以正弦變化的應(yīng)變?yōu)槔?，介紹應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)應(yīng)變按正弦規(guī)律變化時(shí)，應(yīng)變片反映出來(lái)的是應(yīng)變片敏感柵上各點(diǎn)應(yīng)變量的平均值，顯然與某一“點(diǎn)”的應(yīng)變值不同，應(yīng)變片所反映的波幅將低于真實(shí)應(yīng)變波，從而帶來(lái)一定的誤差

12、。顯然這種誤差將隨著應(yīng)變片基長(zhǎng)的增加而增大。,設(shè)有一波長(zhǎng)為λ、頻率為f的正弦應(yīng)變波ε=ε0sin(2?x/λ)，在試件中以速度 沿應(yīng)變片柵長(zhǎng)方向傳播，應(yīng)變片的基長(zhǎng)為L(zhǎng)0。圖4-6所示為某一時(shí)刻應(yīng)變片正處于應(yīng)變波達(dá)到最大幅值時(shí)的瞬時(shí)關(guān)系圖。,二、 動(dòng)態(tài)特性,二、 動(dòng)態(tài)特性,這時(shí)應(yīng)變片兩端的坐標(biāo)為：x1=λ/4-L0/2，x2=λ/4+L0/2，則此時(shí)應(yīng)變計(jì)輸出的平均應(yīng)變?chǔ)舙達(dá)到最大值 則可求出應(yīng)變波波幅測(cè)量相對(duì)

13、誤差為,二、 動(dòng)態(tài)特性,由式（4-11）可知，測(cè)量誤差與應(yīng)變波波長(zhǎng)對(duì)基長(zhǎng)的比值n=λ/L0有關(guān)，當(dāng)λ/L0越大，則誤差越小。一般可取λ/L0=10?20，這時(shí)測(cè)量誤差約為1.6%～0.4%。因?yàn)棣?v/f，且λ=nL0，則應(yīng)變片可測(cè)頻率f、應(yīng)變波波速v以及波長(zhǎng)與基長(zhǎng)之比的關(guān)系為,返回,4.1.4 溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償,一、溫度效應(yīng),用應(yīng)變計(jì)測(cè)量時(shí)，通常希望工作溫度是恒定的，實(shí)際應(yīng)用時(shí)工作溫度可能偏離或超出常溫范圍，致使應(yīng)變計(jì)的工作特性改變

14、而影響輸出。這種由溫度變化引起應(yīng)變計(jì)輸出變化的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變片的溫度效應(yīng)（也稱溫度誤差）。,溫度效應(yīng)產(chǎn)生的原因:1. 溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變;2. 試件材料與敏感材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變,一、 溫度效應(yīng),,二、 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償,1、 應(yīng)變片自補(bǔ)償法,,這種方法是通過(guò)精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?。?選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片，也稱單絲自補(bǔ)償應(yīng)變

15、片② 雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變片,2、 橋路補(bǔ)償法,,橋路補(bǔ)償，也稱補(bǔ)償片法，是最常用而且效果較好的線路補(bǔ)償方法。橋路補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，在常溫下補(bǔ)償效果好。但是當(dāng)溫度變化梯度較大時(shí)，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而會(huì)影響補(bǔ)償效果。,3、熱敏電阻補(bǔ)償法,如圖4-9所示，熱敏電阻Rt處在與應(yīng)變片相同的溫度條件下，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的阻值也下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋的輸出，

16、以補(bǔ)償因應(yīng)變片引起的輸出下降。選擇分流電阻Rs的值，可以得到良好的補(bǔ)償效果,返回,4.1.5 電橋測(cè)量電路,一、應(yīng)變電橋,典型的阻抗應(yīng)變電橋如圖4-10所示，四個(gè)橋臂Z1、Z2、Z3、Z4按順時(shí)針為序，ac為電源端，bd為輸出端。當(dāng)橋臂接入應(yīng)變計(jì)時(shí)，即稱為應(yīng)變電橋。當(dāng)一個(gè)臂、二個(gè)臂甚至四個(gè)臂接入應(yīng)變計(jì)時(shí)，就相應(yīng)構(gòu)成了單臂、雙臂和全臂工作電橋。,4.1.5 電橋測(cè)量電路,二、直流電橋,直流電橋的基本形式如圖4-11所示。電橋各臂的電阻值分

17、別為R1、R2、R3和R4，U是直流電源電壓，U0是輸出電壓。,二、 直流電橋,當(dāng)U0=0時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，則有：R1R3=R2R4，此即電橋平衡條件。根據(jù)此條件可分為以下三種情況：（1）對(duì)輸出端對(duì)稱，即R1=R2，R3=R4，這種結(jié)構(gòu)形式也稱為第一種對(duì)稱形式；（2）對(duì)電源端對(duì)稱，即R1=R4，R2=R3，這種結(jié)構(gòu)形式也稱為第二種對(duì)稱形式；（3）全等臂電橋結(jié)構(gòu)，即R1=R2=R3=R4。,單臂工作電橋,一個(gè)橋臂上為電阻應(yīng)變片，

18、其他橋臂上為固定電阻，如圖4-12所示。設(shè)R1為電阻應(yīng)變片，R2、R3和R4為固定電阻。設(shè)應(yīng)變片未承受應(yīng)變時(shí)阻值為R1，電橋處于平衡狀態(tài)，即滿足R1R3=R2R4，電橋輸出電壓為0；當(dāng)承受應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片產(chǎn)生ΔR1的變化，R1的實(shí)際阻值變?yōu)镽1+ΔR1，電橋不平衡，輸出電壓為：,二、 直流電橋,二、 直流電橋,上式中， 稱為電橋電壓靈敏度。 顯然，可通過(guò)適當(dāng)提高電源電壓U（受應(yīng)變片允許承受的

19、最大電流限制）或調(diào)節(jié)橋臂比n的方式，提高單臂電橋的靈敏度。通過(guò)進(jìn)一步的分析可知，當(dāng)電源電壓一定時(shí)，如果n=1，則可以有最大的電壓靈敏度，即采用第一種對(duì)稱的電橋結(jié)構(gòu)形式。此時(shí)，電壓靈敏度為Ku=U/4，輸出電壓為,二、 直流電橋,若在兩個(gè)橋臂上接入電阻應(yīng)變片，其他橋臂上為固定電阻，從而構(gòu)成雙臂工作電橋。如圖4-14所示，設(shè)R1、R2為電阻應(yīng)變片，R3和R4為固定電阻。設(shè)應(yīng)變片未承受應(yīng)變時(shí)阻值為R1、R2，電橋處于平衡狀態(tài)，即滿足R1R3=

20、R2R4，電橋輸出電壓為0；當(dāng)承受應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片R1的電阻增大ΔR1，應(yīng)變片R2的電阻減小ΔR2，且有ΔR1=ΔR2，這種電橋也稱為差動(dòng)電橋。這時(shí)電橋不再平衡，輸出電壓為： 由式（4-30）可知，差動(dòng)電橋的輸出是線性的，沒(méi)有非線性誤差問(wèn)題。與式（4-24）相比，靈敏度提高了一倍。,雙臂工作電橋,二、 直流電橋,二、 直流電橋,若四個(gè)橋臂上為全為電阻應(yīng)變片，也即構(gòu)成全橋工作電橋。如圖4-15所示，R1、R2、R3和R4全為電阻應(yīng)變

21、片。未承受應(yīng)變時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，即滿足R1R3=R2R4；當(dāng)承受應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變計(jì)R1的電阻增大ΔR1，應(yīng)變計(jì)R2的電阻減小ΔR2，R3的電阻增大ΔR3，R4的電阻減小ΔR4，且有ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，這種電橋也稱為差動(dòng)全橋。這時(shí)電橋不再平衡，輸出電壓為：由式（4-32）可見(jiàn)，差動(dòng)全橋的電壓輸出是線性的，沒(méi)有非線性誤差問(wèn)題。與式（4-24）、（4-30）相比，差動(dòng)全橋的靈敏度是單臂電橋的4倍，是雙臂差動(dòng)電橋的2倍。,全臂工

22、作電橋,三、 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。圖4-16(a)為交流電橋的一般形式。交流電橋很適合電容式、電感式傳感器的測(cè)量需要，應(yīng)用場(chǎng)合較多。,彈性敏感元件 物體在外力作用下而改變?cè)瓉?lái)尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為變形，當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來(lái)的尺寸和形狀，那么這種變形稱為彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。,四、 電阻應(yīng)

23、變片式傳感器及其應(yīng)用,2. 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器主要有兩個(gè)方面的應(yīng)用：一是作為敏感元件，直接用于被測(cè)試件的應(yīng)變測(cè)量；另一方面則是作為轉(zhuǎn)換元件，通過(guò)彈性元件構(gòu)成傳感器，用以對(duì)任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應(yīng)變的其他物理量作間接測(cè)量。,返回,首頁(yè),四、 電阻應(yīng)變片式傳感器及其應(yīng)用,4.2 電容式傳感器,,4.2.1 工作原理、類型及特性,由絕緣介質(zhì)分開(kāi)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)的影響，其電容量C與極板間介質(zhì)的介

24、電常數(shù)ε、極板間的有效面積S以及兩極板間的距d有關(guān)： 當(dāng)被測(cè)參數(shù)的變化使式中d、S、εr三個(gè)參量中任意一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容量的變化。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)時(shí)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。,工作原理,,類型和特性,根據(jù)上述原理，在應(yīng)用中電容式傳感器可以有三種基本類型，即變極距(或稱變間隙）型、變面積型和變介電常數(shù)型。 它們的電

25、極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。,4.2.1 工作原理、類型及特性,變極距型電容傳感器,傳感器兩極板間的ε和S為常數(shù)，通過(guò)電容極板間距離的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)物理量的測(cè)量。,4.2.1 工作原理、類型及特性,變面積型電容式傳感器,測(cè)量中動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，兩極板間的相對(duì)有效面積S發(fā)生變化，引起電容C發(fā)生變化。,4.2.1 工作原理、類型及特性,變介質(zhì)型電容傳感器,變介質(zhì)電容傳感器的結(jié)構(gòu)型式較多，可以用來(lái)測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度以及液位高低等

26、，也可用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度。,返回,4.2.1 工作原理、類型及特性,4.2.2 應(yīng)用注意事項(xiàng)及措施,電容的相對(duì)變化量為：傳感器的相對(duì)非線性誤差為： 電容傳感器的靈敏度為K=εS/d02，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，而非線性誤差隨著d0的減小而增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，往往采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。,電容式傳感器的靈敏度及非線性,差動(dòng)電容傳感器具有如下特性：,4.2.2

27、 應(yīng)用注意事項(xiàng)及措施,等效電路,以上對(duì)各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。若電容傳感器工作在高溫、高濕及高頻激勵(lì)條件下工作，則電容的附加損耗等影響不可忽視，這時(shí)電容傳感器的等效電路如圖4-28所示。,4.2.2 應(yīng)用注意事項(xiàng)及措施,邊緣效應(yīng),邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(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4-29所示。,4.2.2 應(yīng)用注意事項(xiàng)及措施,靜電引力,電容式傳

28、感器兩極板間因存在靜電場(chǎng)，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動(dòng)力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測(cè)量誤差。,4.2.2 應(yīng)用注意事項(xiàng)及措施,,寄生電容,寄生電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián)、影響傳感器的靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度。必須消除和減小它。消除和減小寄生電容可采用如下方法：1. 采用“驅(qū)動(dòng)電線”技術(shù)2. 采用組合式與集

29、成技術(shù)3. 整體屏蔽法,4.2.2 應(yīng)用注意事項(xiàng)及措施,溫度影響,（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小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。（2）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)不同而變化，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、醫(yī)麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。,返回,4.2.2 應(yīng)用注意事項(xiàng)及措施,,4.2.3 電容式傳感器的測(cè)量電路,電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：（1）分辨力很高，

30、能測(cè)量低達(dá)10-7F的電容值或0.01μm的絕對(duì)變化量，或高達(dá)100%～200%的相對(duì)變化量（?C/C），因此適合微信息的檢測(cè)；（2）動(dòng)極板質(zhì)量很輕，自身的功耗、發(fā)熱和遲滯極小，可獲得高的靜態(tài)精度，并具有很好的動(dòng)態(tài)特性；（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含有機(jī)材料或磁性材料，對(duì)環(huán)境（除高濕外）的適應(yīng)性強(qiáng)；（4）過(guò)載能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量。,圖4-32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)極板，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，從而

31、構(gòu)成了差動(dòng)電容傳感器。,（1）電容式壓力傳感器,4.2.3 電容式傳感器的測(cè)量電路,圖4-33為差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖。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(guò)磨平拋光后作為兩個(gè)動(dòng)極板（與殼體電連接）。,（2）電容式加速度傳感器,4.2.3 電容式傳感器的測(cè)量電路,1. 調(diào)頻電路,調(diào)頻電路,調(diào)頻測(cè)量電路是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

32、頻率就發(fā)生變化。調(diào)頻電路中可以將振蕩頻率作為輸出信號(hào)，也可以經(jīng)過(guò)f/V轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，參見(jiàn)圖4-34所示。,1. 調(diào)頻電路,L-C諧振回路的振蕩頻率 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，?C=0，則C=C1+C2+C0，所以振蕩器有一個(gè)初始振蕩頻率f0： 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，?C?0，則振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，此時(shí)頻率為 由上式可知，根據(jù)頻率的變化?f可以測(cè)出電容的變化?C，從而完成對(duì)物理量的測(cè)量。調(diào)頻測(cè)量電路具

33、有較高的靈敏度，可以測(cè)量0.01μm級(jí)位移變化量。,2. 運(yùn)算放大器式電路,運(yùn)算放大器式電路,圖4-35是運(yùn)算放大器測(cè)量電路原理圖。圖中Cx是傳感器的電容,Ui是交流電源電壓，Uo是輸出電壓信號(hào)。,2. 運(yùn)算放大器式電路,由運(yùn)算放大器的工作原理可有： 如果是變極距式的電容傳感器，則Cx =?S/ dx，代入上式可有： 式中，“－”號(hào)表示輸出電壓與電源電壓反相。 上式說(shuō)明：運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d

34、x成線性關(guān)系，從而克服了變間隙式電容傳感器的非線性問(wèn)題！運(yùn)算放大器雖解決了單個(gè)變極距式電容傳感器的非線性問(wèn)題，但要求放大器具有足夠大的放大倍數(shù)，而且輸入阻抗很高。,雙T二極管型測(cè)量電路如圖4-36所示。U是高頻電源，提供幅值為U的對(duì)稱方波；D1、D2為特性完全相同的兩個(gè)二極管，R1=R2=R；C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容，RL為負(fù)載電阻。,3. 雙T二極管型電路,3. 雙T二極管型電路,雙T二極管型電路的應(yīng)用特點(diǎn)和要求:(1)電源

35、、傳感器電容、負(fù)載均可同時(shí)在一點(diǎn)接地；(2)二極管D1、D2工作于高電平下，因而非線性失真??；(3)其靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定；(4)將D1、D2、R1、R2安裝在C1、C2附近能消除電纜寄生電容 影響，線路簡(jiǎn)單；(5)輸出電壓較高；(6)輸出阻抗與電容C1和C2無(wú)關(guān)，而僅與R1、R2及RL有關(guān)；(7)輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻RL，可用于動(dòng)態(tài)測(cè) 量；(8)傳感器的頻率響應(yīng)取

36、決于振蕩器的頻率。,差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路不需要載頻和附加解調(diào)線路，無(wú)波形和相移失真，輸出信號(hào)只需要通過(guò)低通濾波器引出，直流信號(hào)的極性取決于C1和C2；對(duì)變極距和變面積的電容傳感器均可獲得線性輸出。這種脈寬調(diào)制線路也便于與傳感器做在一起，從而使傳輸誤差和干擾大大減小。,4.差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路,返回,首頁(yè),,4.3 電感式傳感器,電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置．可以用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)變等多種

37、物理量。 電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí)。一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有線圈繞組。,4.3 電感式傳感器,4.3.1 自感式傳感器,當(dāng)線圈匝數(shù)一定時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，當(dāng)改變氣隙長(zhǎng)度?或氣隙面積S均可導(dǎo)致電感L的變化。相應(yīng)的，變磁阻式電感傳感器可分為變氣隙長(zhǎng)度和變氣隙面積兩種類型的傳感器，前者用來(lái)測(cè)量線位移，后者用來(lái)測(cè)量角位移

38、。對(duì)于變面積式電感傳感器而言，線圈電感L與氣隙面積S是成正比的，而變氣隙長(zhǎng)度傳感器中電感L和氣隙長(zhǎng)度?成反比。,1. 工作原理與輸出特性,電感L和氣隙長(zhǎng)度?的特性曲線可用圖4-40所示。當(dāng)銜鐵的位移量即氣隙的變化量為??時(shí)，由圖可見(jiàn)：當(dāng)氣隙長(zhǎng)度增加??時(shí)，電感變化為-?L1，當(dāng)氣隙長(zhǎng)度減小??時(shí)，電感的變化量為+?L2，雖然氣隙長(zhǎng)度前后兩次的變化量相同，但電感的變化量不等。隨著??越大，?L1、?L2在數(shù)值上相差也越大，這意謂著非線性

39、越嚴(yán)重。因此，為了得到較好的線性特性，必須把銜鐵的工作位移限制在較小的范圍內(nèi)。一般取??=(0.1?0.2)?0，這時(shí)L=f(?)可近似看作一條直線。,1. 工作原理與輸出特性,I-?的關(guān)系特性參見(jiàn)圖4-41虛實(shí)線所示，這是一種理想的特性曲線，實(shí)際測(cè)得的特性曲線是一條不過(guò)零點(diǎn)的曲線，如圖中實(shí)線曲線所示。這是因?yàn)椋海?）當(dāng)氣隙長(zhǎng)度?趨于零時(shí)，R?趨于零，與R?相比較，RF就不能忽略不計(jì)了，這時(shí)L=W2/ RF接近于一定值，因而這時(shí)有一個(gè)

40、起始電流存在。（2）當(dāng)氣隙?很大時(shí)，線圈的銅電阻與線圈的感抗相比不能忽略，這時(shí)最大電流將趨向于一個(gè)穩(wěn)定值 。,1. 工作原理與輸出特性,圖4-42所示為?型差動(dòng)電感傳感器的原理和測(cè)量線路接線圖。差動(dòng)電感傳感器是由兩個(gè)完全相同的電感傳感器組成的（兩個(gè)電感傳感器的尺寸、材料以及線圈的參數(shù)完全一致），上下兩個(gè)傳感器合用一個(gè)銜鐵和相應(yīng)的磁路。測(cè)量時(shí)，銜鐵與被測(cè)件物體相連，當(dāng)被測(cè)物體上下移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移量上下移動(dòng)，使得上下兩個(gè)傳感

41、器的氣隙長(zhǎng)度發(fā)生大小相等、方向相反的變化，從而導(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)。,2. 差動(dòng)式電感傳感器,2. 差動(dòng)式電感傳感器,,2. 差動(dòng)式電感傳感器,差動(dòng)電感傳感器的優(yōu)點(diǎn)：1、差動(dòng)電橋能使變間隙式電感傳感器的非線 性大大減??；2、在同樣的工作范圍內(nèi)差動(dòng)電橋的非線性度減小了，靈敏度提高了一倍；3、組成差動(dòng)電橋測(cè)量電路，補(bǔ)償了溫度對(duì)兩個(gè)線圈參數(shù)的影響。,,3. 自感式電感傳感器主要誤差分析,自

42、感式電感傳感器在對(duì)非電量的測(cè)量中產(chǎn)生誤差的原因：（1）輸出特性的非線性（2）電源電壓和頻率波動(dòng)的影響（3）溫度變化的影響（4）輸出電壓與電源電壓的相位差（5）電橋的不平衡電壓——零位誤差,返回,把被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈間互感系數(shù)變化的傳感器稱為互感式電感傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的。不同的是后者為閉合磁路，前者為開(kāi)磁路；后者初、次級(jí)間的互感為常數(shù)，前者初、次級(jí)間的互感隨銜鐵移動(dòng)而變化，且兩個(gè)次級(jí)繞組用差動(dòng)形式

43、連接，因此又稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。,4.3.2 互感式傳感器,差動(dòng)變壓器分為變氣隙式、變面積式與螺管式三種類型。參見(jiàn)圖4-44所示常見(jiàn)差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。,1. 工作原理和類型,下面以差動(dòng)螺管式變壓器為例，介紹差動(dòng)變壓器的工作原理。在忽略線圈寄生電容、鐵芯損耗、漏磁以及變壓器次級(jí)開(kāi)路（或負(fù)載阻抗足夠大）的情況下，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖4-46所示。圖中r1與L1、r2a與L2a、r2b與L2b分別為初級(jí)繞組、兩個(gè)次級(jí)繞組的銅電

44、阻與電感。,1. 工作原理和類型,根據(jù)變壓器原理，傳感器開(kāi)路輸出電壓為兩次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)之差，即 由式（4-99）可知，差動(dòng)變壓器的輸出特性與初級(jí)線圈對(duì)兩個(gè)次級(jí)線圈的互感之差?M有關(guān)。結(jié)構(gòu)型式不同，互感的計(jì)算方法也不同。下面以圖4-44(a)所示的?型差動(dòng)變壓器為例來(lái)分析其輸出特性。,1. 工作原理和類型,在忽略線圈鐵損（即渦流與磁滯損耗忽略不計(jì)）、漏磁以及變壓器開(kāi)路（或負(fù)載阻抗足夠大）的條件下，圖4-44(a)的

45、等效電路如圖4-47所示。,2. 輸出特性,輸出電壓與銜鐵位移??成比例。式中負(fù)號(hào)表明當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，??為正，輸出電壓與電源電壓反相；當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，??為負(fù)，輸出電壓與電源電壓同相。輸出特性曲線如圖4-48所示。,2. 輸出特性,由圖4-48、圖4-49可見(jiàn)，當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零。這種零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作?U0，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一

46、致。零點(diǎn)殘余電壓主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等引起的。,2. 輸出特性,由以上分析可知，差動(dòng)變壓器的輸出電壓是交流調(diào)幅電壓，若用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向。另外，其測(cè)量值中包含零點(diǎn)殘余電壓。為了既能辨別銜鐵移動(dòng)方向和大小，又能消除零點(diǎn)殘余電壓，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)相敏檢波電路和差動(dòng)整流電路。,3. 測(cè)量電路與誤差,(1) 差動(dòng)相敏檢波電路,差動(dòng)相敏檢波的形

47、式較多，圖4-50是兩個(gè)實(shí)例。相敏檢波電路要求參考電壓與差動(dòng)變壓器次級(jí)輸出電壓頻率相同，相位相同或相反，因此常接入移相電路。,3. 測(cè)量電路與誤差,（2）差動(dòng)整流電路,差動(dòng)整流電路如圖4-51所示。這種電路簡(jiǎn)單，不需要參考電壓，不需考慮相位調(diào)整和零位電壓的影響，對(duì)感應(yīng)和分布電容影響不敏感。,3. 測(cè)量電路與誤差,由以上分析可知：差動(dòng)變壓器式傳感器可以用于位移的測(cè)量，因而一些與位移有關(guān)的機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力或厚度等都可

48、以用差動(dòng)變壓器進(jìn)行測(cè)量。,4. 互感式差動(dòng)變壓器傳感器的應(yīng)用,返回,金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。渦流式傳感器就是在這種渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。,4.3.3 電渦流式傳感器,工作原理,1. 工作原理,為了分析問(wèn)題的方便，可以將被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個(gè)短路環(huán)中的電流。這樣，線圈與被測(cè)導(dǎo)體便等效為相互耦合的兩個(gè)線圈，如圖4-54所示。,1. 工作原理,設(shè)線圈的電阻

49、為R1，電感為L(zhǎng)1，阻抗為Z1=R1+j?L1，短路環(huán)的電阻為R2，電感為L(zhǎng)2，線圈與短路環(huán)之間的互感系數(shù)為M，M隨它們之間的距離x減小而增大。加在線圈兩端的激勵(lì)電壓為 。根據(jù)基爾霍夫定律，可列出電壓平衡方程組 解之得 由此可求得線圈受金屬導(dǎo)體渦流影響后的等效阻抗為,1. 工作原理,線圈的等效電阻、等效電感分別為 考慮到線圈的初始品質(zhì)因數(shù)Q0=?L1/R1，則受渦流影響后線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q

50、值為 綜上所述，由于渦流的影響，線圈的等效電阻增大了，等效電感減小了，線圈的品質(zhì)因數(shù)下降。Q值的下降是由于渦流損耗所引起，并與金屬材料的導(dǎo)電性能和距離x直接有關(guān)。,電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向r的函數(shù)。當(dāng)x一定時(shí)，電渦流密度與半徑r的關(guān)系如下：電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外半徑的1.8～2.5倍的范圍內(nèi)，且分布不均勻；當(dāng)r=0時(shí)，電渦流密度為零；在線圈外半徑附近電渦流密度達(dá)到最大。,

51、2. 電渦流形成范圍,電渦流的徑向形成范圍,由圖可知：電渦流強(qiáng)度與距離x成非線性關(guān)系，且隨著x/ras的增加而迅速減?。划?dāng)利用電渦流式傳感器測(cè)量位移時(shí)，只有在x/ras<<1（一般取0.05～0.15）的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。,2. 電渦流形成范圍,電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系,2. 電渦流形成范圍,圖4-56所示為電渦流密度軸向分布曲線。由圖可見(jiàn)：電渦流密度主要分布在表面附近。,電渦流的軸向貫穿深度,高頻反射式

52、電渦流傳感器工作原理如圖4-53所示，傳感器結(jié)構(gòu)如圖4-57所示，由一個(gè)扁平線圈固定在框架上構(gòu)成。線圈外徑大時(shí)，線圈磁場(chǎng)的軸向分布范圍大，但磁感應(yīng)強(qiáng)度變化梯度小；線圈外徑小時(shí)則相反。,3. 高頻反射式電渦流傳感器,圖4-58為這種電路的原理框圖。圖中L為傳感器線圈電感，與電容C組成并聯(lián)諧振回路，晶體振蕩器提供高頻激勵(lì)信號(hào)。,3. 高頻反射式電渦流傳感器,(1) 定頻調(diào)幅電路,LC回路諧振頻率的偏移如圖4-59所示。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體為軟磁材料時(shí)

53、，由于L增大而使諧振頻率下降（向左偏移）；當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體為非軟磁材料時(shí)則諧振頻率上升（向右偏移）。,（2） 變頻調(diào)幅電路,圖4-62中，由于采用了有較大電容量的C1、C2，使與之并聯(lián)的晶體管極間電容受溫度而變的影響大為減小。同時(shí)為了減小電纜電容變動(dòng)的影響，將諧振回路元件L、C一起做在探頭里。這樣，電纜的分布電容就并聯(lián)到大電容C1、C2上，從而大大減小了分布電容變化對(duì)頻率的影響。為了與負(fù)載隔離，振蕩器可通過(guò)射極跟隨器輸出。,(3) 調(diào)頻電路,