【正文】 其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應時 ， 輸出特性才呈線性 。 當采用非接觸測量時 ,電容式傳感器具有平均效應 ,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響 。 而電阻式傳感器有電阻 ， 供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器存在銅損 、渦流損耗等 ， 引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂 。 例如 ， 對變面積型差動式線位移電容式傳感器 ， 其靜態(tài)靈敏度為 ? ?120/ln2rrlClCkg???????對于圓柱形變面積型電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為 ? ?? ?? ?? ? ? ?121212 /ln4//ln2/ln2rrlrrllrrlllCKg?????? ????????? ???????????可見比相應單組式的靈敏度提高一倍。 ? ? uCCuCjCjuxx ??????1)(10?? /)( S ?? SuCu ??0三 、 主要性能 、 特點和設計要點 （ 一 ） 主要性能 靜態(tài)靈敏度 是被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比 。 設電容 C1和 C2的極間距離和面積分別為 2和 SS2， 將平行板電容公式代入上式 ， 對 差動式變極距型 和變面積型 電容式傳感器可得 可見差動脈沖調(diào)寬電路能適用于 任何差動式電容式傳感器 ， 并具有理論上的 線性特性 。根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容 C2的電流 iC2如下： C2 UE (b) Ｕ ｏ R R RL C2 C1 VD1 VD2 iC1 iC2 + + － ＋ 177。 其中另兩個臂是緊耦合電感臂 的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性 ， 且寄生電容影響極小 、 大大簡化了電橋的屏蔽和接地 ， 適合于高頻電源下工作 。 變介電常數(shù)型電容傳感器 變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度 、 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介質(zhì)材料的 溫度 、 濕度 等 。 ?極板形狀 ：平板或圓板形和圓柱 (圓筒 )形 ， 雖還有球面形和鋸齒形等其他的形狀 ， 但一般很少用 ， 故表中未列出 。 電容式傳感器 優(yōu)點 ：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應性強、動態(tài)響應時間短、易實現(xiàn)非接觸測量等。 目前高頻反射式電渦流傳感器應用廣泛 。 穩(wěn)壓電源 振蕩器 檢波器 濾波器 (b) (a) ～ 220V 加速度 a方向 a 輸出 1 2 1 1 彈性支承 2 差動變壓器 2. 微壓力變送器 將差動變壓器和彈性敏感元件 （ 膜片 、 膜盒和彈簧管等 ）相結(jié)合 ， 可以組成各種形式的壓力傳感器 。 若鐵芯上移 ，e≠ 0， 設 e和 er同相位 ， 由于 ere， 故 er正半周時 D D2仍導通 ，但 D1回路內(nèi)總電勢為 er＋ e， 而 D2回路內(nèi)總電勢為 er－ e， 故回路電流 i1＞ i2輸出電壓 UCD=R0（ i1–i2） 0。 同理可分析另一個次級線圈的輸出情況 。 繞在差動變壓器的初級線圈上以減小負載電壓 ， 避免負載不是純電阻而引起較大的零點殘余電壓 。 2． 選用合適的測量線路 采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。 ② 高次諧波 。 零點殘余電壓 當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時 ， 理想條件下其輸出電壓為零 。 ?????????12221121IMjeIMje????11212121 mRNNINM ??? ? 21212222 mRNNINM ??? ?? ?1111122212 LjReMMjeee?? ??????N2為次級線圈匝數(shù)。 1 初級線圈 。 該電橋結(jié)構(gòu)簡單 ， 其電阻 R R2可用兩個電阻和一個電位器組成 ， 調(diào)零方便 。 C L Rc Re （ 四 ） 測量電路 交流電橋 交流電橋是 自感 傳感器的主要測量電路，為了提高靈敏度，改善線性度， 自感 線圈一般接成差動形式，如圖。 若被測量與 Δlc成正比 ，則 ΔL與被測量也成正比 。 75 50 25 0 50 75 100 L/mH lδ/mm 100 25 LD 4 3 2 1 Ⅰ Ⅱ 1 2 3 4 Δ lδ Δ lδ 對差動氣隙式傳感器其 Δlδ/lδ與l/(lδμr)的變化受到靈敏度和非線性失真相互矛盾的制約 ,因此只能適當選取 。如上下移動銜鐵使面積 S改變，從而改變 L值時 ,則 L＝ f(S)的特性曲線為一直線。 一 、 自感式傳感器 有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu) 。 L 應變片 質(zhì)量塊 m 彈簧片 外殼 基座 a 應變式加速度傳感器 電感式傳感器（變磁阻） ?自感式傳感器 ?氣隙型自感傳感器 ?螺管型自感傳感器 ?自感線圈的等效電路 ?測量電路 ?差動變壓器 ?結(jié)構(gòu)原理與等效電路 ?誤差因素分析 ?測量電路 ?應用 ?電渦流式傳感器 定義： 是一種利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的裝置。 當氣體或液體壓力作用在薄板承壓面上時 ， 薄板變形 ， 粘貼在另一面的電阻應變片隨之變形 ， 并改變阻值 。 應變式傳感器包括兩個部分：一是 彈性敏感元件 ，利用它將被測物理量（如力、扭矩、加速度、壓力等）轉(zhuǎn)換為彈性體的應變值；另一個是 應變片 作為轉(zhuǎn)換元件將應變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。 此時電橋輸出可寫為 一般情況下 ， Δ Ri（ i=1， 2， 3， 4） 很小 ， 即 RΔ Ri，略去上式中的高階微量 ， 并利用 式得到 ? ?? ?? ?4321 32414321 22 RRRRRRRRRRRRRRREUg ??????????????????????? ?43214321 44 ???? ?????????? ???????? EKRRRRRRRREU g?KRR ??① 當 Δ RiR時 ， 輸出電壓與應變呈線性關系 。 ⑤缺點：電阻值分散性大，有的相差幾十 Ω，故需要作阻值調(diào)整；生產(chǎn)工序較為復雜，因引出線的焊點采用錫焊，因此不適于高溫環(huán)境下測量；此外價格較貴。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵，故稱箔式電阻應變片，如圖?；缀驼辰Y(jié)劑的厚度不宜過大，并應經(jīng)過適當?shù)墓袒幚恚拍塬@得較高的應變極限。 一般蠕變的方向與原應變量的方向相反。 （ 2） 橫向效應 金屬應變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應變時，其橫向應變 εr也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化 (除了 ε起作用外 )，應變片受橫向應變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應。 主要特性 （ 1） 靈敏度系數(shù) 金屬應變絲的電阻相對變化與它所感受的應變之間具有線性關系， 用靈敏度系數(shù) KS表示 。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。電阻應變片的電阻值為 60Ω 、 120Ω 、200Ω 等多種規(guī)格，以 120Ω 最為常用。 S=π r 2 dS /S=2③結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕。④可在高 (低 )溫、高速、高壓、強烈振動、強磁場及核輻射和化學腐蝕等惡劣條件下正常工作。dr/r εr= –με 由材料力學知 將微分 dR、 dρ改寫成增量 ΔR、 Δρ，則 )21()21( ??????? ?????? dldldRdR???? SKl lllR R ???????? )//21( 金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之間存在比例關系。應變片柵長大小關系到所測應變的準確度，應變片測得的應變大小是應變片柵長和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應變量。 （ 4）粘結(jié)劑 用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。 當金屬絲做成應變片后 ， 其電阻 — 應變特性 ， 與金屬單絲情況不同 。 ?KRR ?? ?RRK ?? （ 3） 機械滯后 應變片粘貼在被測試件上 ， 當溫度恒定時 ，其加載特性與卸載特性不重合 ， 即為機械滯后 。 產(chǎn)生原因 ：由于膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少。 （ 6） 動態(tài)特性 當被測應變值隨時間變化的頻率很高時，需考慮應變片的動態(tài)特性。金屬箔的厚度 — 般為(～ )mm，它的基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度一般為 (～ )mm。 （ 三 ） 測量電路 應變片將應變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化 Δ R/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。 ② 若相鄰兩橋臂的應變極性一致 ， 即同為拉應變或壓應變時 ，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同時 ， 輸出電壓為兩者之和 。 柱力式傳感器 梁力式傳感器 應變式壓力傳感器 應變式加速度傳感器 柱式力傳感器 ε2 +ε1 截面積 S F F F 面積 S ε1 +ε2 b） a） 柱力式傳感器 圓柱式力傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種。 這時測量電路中電橋平衡被破壞 ， 產(chǎn)生輸出電壓 。 感測量 ：位移、振動、壓力、應變、流量、比重等。 （ 一 ） 氣隙型自感傳感器 工作原理 組成：線圈 1，銜鐵 3和鐵芯 2等。 特性分析 主要特性 :靈敏度和線性度 。 一般差動變隙式自感傳感器 Δlδ/lδ＝ ～ ， 可使傳感器非線性誤差在 3％ 左右 。實際上由于磁場強度分布不均勻 ， 輸入量與輸出量之間關系非線性的 。Z Z2為工作臂，即線圈阻抗， R R2為電橋的平衡臂 電橋平衡條件： 設 Z1=Z2=Z=RS+jωL； R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=L E為橋路電源， ZL是負載阻抗。 SSRRE ?2Z1 Z2 USC E/2 E/2 E 變壓器電橋原理圖 I 變壓器電橋 平衡臂為變壓器的兩個副邊 ， 當負載阻抗為無窮大時 ，流入工作臂的電流為 21 ZZEI??2121221 22 ZZZZEEZZZEUSC ??????初始 Z1=Z2=Z=RS+jωL，故平衡時， USC=0。 。 因此空載輸出電壓 在次級線圈中感應出電壓 e21和 e22，其值分別為 ? ?? ? 21211212LReMMe?????? ? ? ?22212221 LLjRRZ ???? ??? ? ? ? 2222122221 LLRRZ ?? ????其幅數(shù) 輸出阻抗 或 副 Ⅰ 0 e2 e2 e21 e22 x 副 Ⅱ 原線圈 差動變壓器輸出電勢 e2與銜鐵位移 x的關系。 但實際上 ， 當使用橋式電路時 ， 在零點仍有一個微小的電壓值 (從零點幾 mV到數(shù)十 mV)存在 ，稱為 零點殘余電壓 。 高次諧波分量主要由導磁材料磁化曲線的非線性 引起 。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由 1變到 2，從而消除了零點殘余電壓。 電路如圖 。 輸出的電壓波形見圖 （ b） ， 其值為 USC=eab＋ ecd。 當 er負半周時 ， R i1 ～ e1 R1 R2 e21 e22 C2 C1 er 移相器 D1 D4 D3 D2 C D A B i3 i2 i4 e UCD=R0(i4i3)0 ，因此鐵芯上移時輸出電壓 UCD0。 ～ 220V 1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動變壓器 6 銜鐵 7 罩殼 V 振蕩器 穩(wěn)壓電源 差動變壓器 相敏檢波電路 1 2 3 4 5 6 7 這種變送器可分檔測量 (–5 105～ 6 105)N/m2壓力，輸出信號電壓為 (0～ 50)mV，精度為 。 fh r??50 30?（ 一 ） 結(jié)構(gòu)和工作原理 主要由一個安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成 。 由于材料、工藝，特別是測量電路及半導體集成技術