【正文】 程遠(yuǎn)小于極板間初始距 離）時，可以認(rèn)為△ C 與△δ之間是 線性 的。這種類型的傳感器一般用來測量 微小變化 的量。 變介電常數(shù)型電容傳感器大多用來測量電介質(zhì)的 厚度 、 位移 、 液位 ，還可根據(jù)極間介質(zhì)的 介電常數(shù) 隨溫度、濕度改變而改變來測量溫度、濕度等。為了改善變極距式電容傳感器的非線性，可以采用 差動形式 ，并使輸出為 兩電容之差。這種形式不僅可以改善非線性， 靈敏度 也提高了一倍。 變面積型和變介電常數(shù)型（測厚除外）電容傳感器具有很好的線性，但它們 的結(jié)論都是在忽略了 邊緣效應(yīng) 下得到的。 電容式傳感器具有以下優(yōu)點：① 溫度穩(wěn)定性好 ；②結(jié)構(gòu)簡單， 適應(yīng)性強(qiáng)；③ 動態(tài)響應(yīng)好 ；④可以實現(xiàn) 非接觸 測量，具有平均效應(yīng)。 電容式傳感器的主要缺點是：① 輸出阻抗高 ，負(fù)載能力差；② 寄生電容 影響大；③ 輸出特性 非線性。 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 ，因此應(yīng)盡 量消除和減小邊緣效應(yīng)。 思考題： 說明變氣隙型電感傳感器、差動變壓器式傳感器和渦流傳感器的主要組成、工作原理和基本特性。 答： ① 變氣隙型電感傳感器主要由線圈、鐵心、銜鐵三部分組成的。線圈是套在鐵心上的，在鐵心與銜鐵之間有一個空氣隙，空氣隙厚度為δ。傳感器的運動部分與銜鐵相連。 當(dāng)外部作用力作用在傳感器的運動部分時，銜鐵將產(chǎn)生位移，使空氣隙δ發(fā)生變化，磁路磁阻 Rm發(fā)生變化，從而引起線圈電感的變化。線圈電感 L 的變化與空氣隙δ的變化相對應(yīng)，這樣只要測出線圈的電感就能判定空氣隙的大小，也就是銜鐵的位移。 ② 差動變壓器式傳感器主要由鐵心、銜鐵和線圈組成。線圈又分為初級線圈（也稱激勵線圈）和次級線圈（也稱輸出線圈）。上下兩個鐵心及初級、次級線圈是對稱的。銜鐵位于兩個鐵心中間。上下兩個初級線圈串聯(lián)后接交流激磁電壓 1，兩個次級線圈按電勢反相串聯(lián)。它的優(yōu)點是靈敏度高，一般用 于測量幾微米至幾百微米的機(jī)械位移。缺點是示值范圍小，非線性嚴(yán)重。 ③ 渦流5 傳感器的結(jié)構(gòu)很簡單，有一個扁平線圈固定在框架上構(gòu)成。線圈用高強(qiáng)度漆包線或銀線繞制而成，用粘合劑站在框架端部，也可以在框架上開一條槽，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)形成一個線圈。渦流傳感器的工作原理是渦流效應(yīng)，當(dāng)一塊金屬導(dǎo)體放置在一變化的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中漩渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，所以稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應(yīng)。渦流傳感器最大的特點是可以實現(xiàn)非接觸式測量，可以測量振動、位移、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度和硬度等參數(shù)，還可以進(jìn)行無 損探傷，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量線性范圍大、體積小等優(yōu)點。 為什么螺管型電感傳感器比變氣隙型電感傳感器有更大的測位移范圍？ 答：變氣隙型靈敏度高，因為原始?xì)庀鼎?0 一般取得很小（ ~），當(dāng)氣隙變化為△δ =1μ m 時，電感的相對變化量△ L/L0 可達(dá) ~，因而它對處理電路的放大倍數(shù)要求低。它的主要缺點是非線性嚴(yán)重，為了減小非線性，量程就必須限制在較小范圍內(nèi)，通常為氣隙δ 0 的 1/5 以下，同時，這種傳感器制造裝配困難。變面積型的靈敏度比便器習(xí)性的低，它的優(yōu)點是具有良好 對吧線性，量程較大，制造裝配比較方便，應(yīng)用較廣。螺管型的靈敏度比變面積型的還低，但量程大，線性較好，制造裝配方便，與變面積型相比，批量生產(chǎn)的互換性強(qiáng)，應(yīng)用越來越多。 電感式傳感器的測量電路主要形式是什么？ 答：交流電橋是電感傳感器的主要變換電路。橋臂可以是電阻、容抗或感抗元件。當(dāng)不接負(fù)載（或負(fù)載阻抗為無窮大）時，其輸出稱為開路輸出電壓，表達(dá)式為： 當(dāng)電橋平衡時，即 Z1Z3=Z2Z4，電橋的輸出 ，當(dāng)橋臂阻抗發(fā)生變化時，引起電橋不平衡， 將不再為 0，通過 的變化，可以確定橋臂阻抗的變化。實際應(yīng)用中，交流電橋常與差動式電感傳感器配用，傳感器的兩個電感線圈作為電橋的兩個工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的兩個次級線圈 。 與非差動型性比，差動型變磁阻式自感傳感器有什么優(yōu)點？ 答：具有下列優(yōu)點：線性好； 靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時，輸出信號大一倍；溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減??；電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。 什么是差動變壓器的零點殘余電壓？如何消除？ 答：差動變 壓器隨銜鐵的位移輸出一個調(diào)幅波，因而可以用反串電路作為轉(zhuǎn)換電路，即直接將兩個次級線圈反向串接，傳感器的空載輸出電壓等于兩個次級線圈感應(yīng)電動勢之差。最常用的差動變壓器的轉(zhuǎn)換電路為差動整流電路。把兩個次級電壓分別整流后，以它們的差為輸出端，這樣，次級電壓的相位和殘余電壓都不必考慮。 什么叫渦流效應(yīng)？ 答：渦流傳感器的工作原理是渦流效應(yīng)，當(dāng)一塊金屬導(dǎo)體放置在一變化的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中漩渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，所以稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應(yīng)。 壓磁式傳感器的工作原理是什么 ？ 答：壓磁式傳感器的工作原理是基于鐵磁材料的壓磁效應(yīng)，它具有輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，過載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點；但測量精度一般，頻率響應(yīng)較低，常用于冶金、礦山、運輸?shù)? 工業(yè)，用于測力和稱重。近年來，應(yīng)用逐漸廣泛。 為什么說感應(yīng)同步器是數(shù)字傳感器？ 答：感應(yīng)同步器是利用兩個平面繞組的互感系數(shù)隨兩者的相對位置變化而變化，來測量線位移和角位移的傳感器，可以分為直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器 。 試比較差動電感傳感器幾種常用測量電路的特點。 答：差動傳感器幾種常用的測量電路有：變氣隙型、變面積型和螺管型三種。變氣隙 型傳感器的優(yōu)點是靈敏度高，一般用于測量幾微米至幾百微米的機(jī)械位移。缺點是示值范圍小，非線性嚴(yán)重。變面積型傳感器通?？梢詼y量到幾秒的微小角位移，輸出的線性范圍一般在177。 10176。左右。螺管型與前面兩種相比，雖然靈敏度低，但是示值范圍大，自由行程可以自由安排，制造裝配也比較方便。 比較低頻透射式和高頻反射式渦流傳感器測厚度的原理有什么不同？ 答：低頻透射式渦流傳感器：為了較好的測量厚度，激勵頻率要選的較低，一般在 500Hz。一般地說，測薄導(dǎo)體時，頻率略高些，測厚導(dǎo)體時頻率應(yīng)低些。測ρ較小的材料（如銅材）時，應(yīng)選較 低的頻率（ 500Hz），而測ρ較大的材料（如黃銅、鋁）時，則選用較高的頻率（ 2kHz），從而保證在測不同材料時，得到較好的線性和靈敏度。 高頻反射式渦流傳感器：傳感器和基準(zhǔn)面的距離 x 是固定的，將被測物體放在基準(zhǔn)面上以后，可測出渦流傳感器與被測物體之間的距離 d，于是可以求出被測物體的厚度 h=xd。 作業(yè)題： 1 當(dāng)自感式傳感器結(jié)構(gòu)和材料確定后，電感 L 為氣隙截面積 S 及空氣隙長度δ的函數(shù)。 S 固定，可構(gòu)成 變氣隙型 傳感器。δ固定，可構(gòu)成 變面積型 傳感器。 2 變氣隙型電感傳感器靈敏度 高 ，非線性 嚴(yán)重 ，量程 較小 。變面積 型電感傳感器的靈敏度 比空氣隙型的低 ，線性性 好 ，量程 較大 。螺管型電感傳感器的靈敏度 比變面積型的還低 ，量程 大 ，線性性 較好 。 3 差動電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求是：兩個磁導(dǎo)體的幾何尺寸 完全相同 ，材料性能 完全相同 ，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸 也完全相同 。 4 差動式的與單線圈的電感傳感器相比，具有線性 好 、靈敏度 提高一倍 和測量精度 高 的優(yōu)點。 5 交流電橋的平衡條件是 Z1Z3=Z2Z4。 6 零位誤差是指輸入為 零 時，輸出 不為零 。減小零位誤差的方法是 減小電源中的諧波成分 ，還可以 采用補(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償 。 7 根據(jù)電磁場的理論 ，渦流的大小與導(dǎo)體的 電阻率ρ 、 導(dǎo)磁率μ 、 導(dǎo)體厚度 t 及 線圈與導(dǎo)體之間的距離 x、線圈的激磁頻率ω 等參數(shù)有關(guān)。改變 線圈和導(dǎo)體之間的距離 ，可以做成測量位移、厚度、振動的傳感器；改變導(dǎo)體的 電阻率 ，可以做成測量表面溫度、檢測材質(zhì)的傳感器；改變導(dǎo)體的 導(dǎo)磁率 ，可以做成測量應(yīng)力、硬度的傳感器，同時改變 x,ρ和μ ，可以對導(dǎo)體進(jìn)行探傷。 8 低頻透射式渦流傳感器的測量原理是：當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈之間放入金屬板后，引起接收線圈感應(yīng)電勢 E2 的變化，金屬板的 厚度δ 越大， E2 就 越小 。通常，測薄導(dǎo)體時，激勵頻率 較高 ，測厚導(dǎo)體時激勵頻率應(yīng) 較 低 。測 ? 較小的材料時，應(yīng)選 較低 的頻率，而測 ? 較大的材料（黃銅、鋁）時，則選用 較高 的頻率。 7 9 渦流傳感器最大的特點是可以實現(xiàn)非接觸式測量，應(yīng)用非常廣泛，可以檢測 位移和尺寸 、 厚度 、 轉(zhuǎn)速 、 溫度 和渦流探傷 。 10 感應(yīng)同步器的激磁方式有兩種：一種是以 滑尺（或定子） 激磁，由 定尺（或轉(zhuǎn)子） 取出感應(yīng)信號；另一類是以定尺 激磁，由 滑尺 取出感應(yīng)電勢信號。感應(yīng)同步器的檢測系統(tǒng)分成 鑒相型 和 鑒幅型 。 11 零位誤差是指零電勢距離起始零位的 實際 位移量 與 理論位移量 的誤差，點的細(xì)分誤差是指每個細(xì)分點的 實際細(xì)分值 與 理論細(xì)分值 之差，細(xì)分誤差為各點細(xì)分誤差中的正最大值和負(fù)最大值的絕對值之和的一半，并冠以“177?！碧杹肀硎?。 思考題： 1 磁電式傳感器可分為幾類？各有什么性能特點？答： ① 變磁通式磁電傳感器 ： 這種類型的傳感器線圈和磁鐵固定不同，利用鐵磁性物質(zhì)制成一個齒輪（或凸輪）與被測物體相連而連動，在運動中齒輪（或凸輪）不斷改變磁路的磁阻，從而改變了線圈的磁通，在線圈中感應(yīng)出電動勢。這種類型的傳感器在結(jié)構(gòu)上有開磁路和閉磁路兩種，一般都用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度，產(chǎn)生 感應(yīng)電勢的頻率作為輸出，感應(yīng)電動勢的頻率等于磁通變化的頻率 ②恒定磁通式磁電傳感器 ： 在圖 64 中，線圈和殼體固定，永久磁鐵用彈簧支承，當(dāng)殼體隨被測物體一起振動時，由于彈性元件較軟而運動部件質(zhì)量相對較大，因而有較大慣性，來不及跟隨振動體一起振動，振動能量幾乎全部被彈性元件吸收，永久磁鐵與線圈之間產(chǎn)生相對運動，線圈切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 。 2 簡述磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理，磁電感應(yīng)式傳感器最基本的構(gòu)成元件有哪些？ 答：磁電式傳感器直接從被測物體吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電信號輸出，且輸出功率大，性能穩(wěn)定，它的工作不 需要電源，調(diào)理電路非常簡單，由于磁電式傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要高增益放大器，適用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩的測量。 3 利用磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理，設(shè)計一個測量主軸轉(zhuǎn)速的傳感器，并說明如何將其作為數(shù)字傳感器使用。 答：測量轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)軸與被測轉(zhuǎn)軸鏈接，從而帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子的齒與定子的齒相對時氣隙最小，磁路中磁通最大，當(dāng)兩者的齒與槽相對時，氣隙最大，磁路中磁通最小。因而當(dāng)定子不動而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，磁通就周期性的變化，從而在線圈感應(yīng)出近似正弦的電感信號，感應(yīng)電勢頻率。 可否利用磁電感應(yīng)式傳感器 來測流量？簡述其工作原理。 答： 電磁流量傳感器 8 電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 68 所示，傳感器安裝在工藝管通中，當(dāng)導(dǎo)電流體沿測量管在磁場中與磁力線成垂直方向運動時，導(dǎo)電流本切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其值可用下式表示： 流經(jīng)測量管流體的瞬時流量 與流速 的關(guān)系為 68 式中， —測量管內(nèi)電極處橫截面面積 則： 69 式中， —儀表常數(shù) 由式 69 可知，當(dāng)傳感器參數(shù)確定后，儀表常數(shù) 是一定值，感應(yīng)電勢正與流量 Q 成正比。 5 什么是霍爾效應(yīng)？簡述霍爾電流表和霍爾場強(qiáng)計的工作原 理。 答： 金屬或半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流 ，在與薄