【正文】 等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。 其中差動(dòng) 式一般優(yōu)于單組（單邊）式的傳感器。 ?若忽略邊緣效應(yīng) ， 單組式平板形厚度傳感器如下圖 ，傳感器的電容量與被厚度的關(guān)系為 δx 厚度傳感器 C1 C2 C3 C ????? //)( 0 xxabC????若忽略邊緣效應(yīng) ， 單組式平板形線位移傳感器如下圖 ， 傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為 C1 C2 C3 C C4 00 /)(//)( ???????xxxx labblC ????? a、 b、 lx:固定極板長(zhǎng)度和寬度及被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度 ； δ:兩固定極板間的距離； δx、 ε 、 ε 0:被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù) 、 空氣的介電常數(shù) 。 而 變壓器式電橋 使用元件最少 ， 橋路內(nèi)阻最小 ， 因此目前較多采用 。 UE (a) C1 C1 C2 UE RL RL R R R R + + + + iC1 iC2 i’C1 i’C2 同理，負(fù)半周時(shí)電容 C1的平均電流 : 在［ R＋（ RRL） /（ R＋ RL）］ C2T/2時(shí) , 電流 iC2的平均值 IC2可以寫成下式： 22 e x pCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC????????????????????????????20 220 222111 CURRRRTdtiTdtiTI ELLcTcC ????? ?? ?1121 CURRRRTI ELLC ???故在負(fù)載 RL上產(chǎn)生的電壓為 ? ? ? ? ? ?212210)(2 CCTURRRRRRIIRRRRU ELLLCCLL ???????電路特點(diǎn)： ①線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響； ②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定； ③輸出阻抗為 R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)； ④適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。 這是十分可貴的性質(zhì) 。 對(duì)于變極距型其靜態(tài)靈敏度 kg為 可見其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時(shí)還隨被測(cè)量而變化。變面積型和變介電常數(shù)型電容式傳感器在忽略 邊緣效應(yīng) 時(shí)，其輸入被測(cè)量與輸出電容量呈線性關(guān)系，因而其靜態(tài)靈敏度為常數(shù) 顯然 ， 輸出電容 ?C與被測(cè)量之間是非線性關(guān)系 。 2． 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 易于制造 。 電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外 ， 還因帶電極板間的靜電引力極小 ， 因此所需 輸入能量極小 ， 所以特別適宜低能量輸入的測(cè)量 ， 例如測(cè)量極低的壓力 、 力和很小的加速度 、 位移等 ， 可以做得很靈敏 ， 分辨力非常高 ， 能感受 。 否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加 ， 使輸出特性非線性 。 因此對(duì)電纜選擇 、 安裝 、 接法有要求 輸出特性非線性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的 ， 雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來改善 ， 但不可能完全消除 。 4． 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量 、 具有平均效應(yīng) 當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下 ,電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù) 。 采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量 ?C ????????????????? ???????? ????? 420 12 ??????CC（ 二 ） 特點(diǎn) 1． 溫度穩(wěn)定性好 傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān) ， 僅取決于電極的幾何尺寸 ， 且空氣等介質(zhì)損耗很小 ， 因此只要從強(qiáng)度 、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮 ， 合理選擇材料和幾何尺寸即可 ， 其他因素 (因本身發(fā)熱極小 ) 影響甚微 。 另外 ， 變極距型和變面積型電容式傳感器可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式來提高靜態(tài)靈敏度 ， 一般 提高一倍 。 這里是假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù) A=∞ ， 輸入阻抗 Zi=∞ ， 因此仍然存在一定的非線性誤差 ， 但一般 A和 Zi足夠大 ，所以這種誤差很小 。 Ur—觸發(fā)器的參考電壓。其中二極管 VD1導(dǎo)通、 VD2截止，電容 C1被以極其短的時(shí)間充電、其影響可不予考慮，電容 C2的電壓初始值為 UE。 C0 Cp Rg L r Ce Re L re Ce 供電電源頻率為諧振頻率的 1/3~1/2 將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂 (另一個(gè)臂為固定電容 )或兩個(gè)相鄰臂 ， 另兩個(gè)臂可以是 電阻 或 電容 或電感 ， 也可是 變壓器的兩個(gè)二次線圈 。 當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng) Δl時(shí)，電容變化量 ΔC為 )/l n(212 rrlC ?? ??llCrrlrrllrrlC ?????????0121212 )/l n(2)/l n()(2)/l n(2 ??????這類傳感器具有良好的線性 ,大多用來檢測(cè)位移等參數(shù)。 ?位移 ：線位移和角位移兩種 。這便是電渦流傳感器的基本原理。 可見 ， 渦流穿透深度 h和激勵(lì)電流頻率 f有關(guān) ， 所以渦流傳感器根據(jù)激勵(lì)頻率： 高頻反射式 或 低頻透射 式兩類 。 可測(cè)量的振幅為 (～ 5)mm， 振動(dòng)頻率為 (0～ 150)Hz。 當(dāng)鐵芯在中間時(shí) ,e=0,只有 er起作用 ， 輸出電壓 UCD＝ 0。 可見 ，無論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何 ， 通過電阻 R的電流總是從 d到 c。 ～ e1 e2 C R1 R2 W 電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路 R或 L補(bǔ)償電路 ～ e1 e2 L0 W ～ e1 e2 R0 W (a) (b) ③ 接入 R0(幾百 kΩ)或補(bǔ)償線圈 L0(幾百匝 )。 由高次諧波產(chǎn)生的因素可知 ， 磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段 。 又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻 ， 線圈匝間電容的存在等因素 ， 使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同 。 適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響 。 初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為 1111 LjReI????～ ～ ～ e2 R21 R22 e21 e22 e1 R1 M1 M2 L21 L22 L1 e1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓 L1,R1初級(jí)線圈電感和電阻 M1,M1分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1,2間的互感 L21,L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感 R21,R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻 I1 ω—激勵(lì)電壓的角頻率； e1—激勵(lì)電壓的復(fù)數(shù)值； 由于 Il的存在，在次級(jí)線圈中產(chǎn)生磁通 11121mRIN ???21122mRIN ???Rm1及 Rm2分別為磁通通過初級(jí)線圈及兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻，N1為初級(jí)線圈匝數(shù)。 目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器 。 例 如 ， 應(yīng)變測(cè)量?jī)x就是如此 ， 此時(shí)輸出電壓 Usc= 。因此， 自感 傳感器的等效電路如圖。這說明只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。μr), 單線圈 δ＜ 10％ ；而差動(dòng)式的 δ＜ 1％ 。當(dāng) lδ＝ 0時(shí)， L為 ∞，考慮導(dǎo)磁體的磁阻，當(dāng) lδ＝ 0時(shí)，并不等于 ∞，而具有一定的數(shù)值，在 lδ較小時(shí)其特性曲線如圖中虛線所示。 不足 ： 存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。 當(dāng)被測(cè)點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭所示方向時(shí) ， 懸臂梁自由端受慣性力 F=ma的作用 ， 質(zhì)量塊向箭頭 a相反的方向相對(duì)于基座運(yùn)動(dòng) ， 使梁發(fā)生彎曲變形 ， 應(yīng)變片電阻也發(fā)生變化 ， 產(chǎn)生輸出信號(hào) ，輸出信號(hào)大小與加速度成正比 。 ?橫截面梁 ?雙空梁 ?S形彈性元件 P （ b） （ a） 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器 測(cè)量氣體或液體壓力的薄板式傳感器 ， 如圖所示 。 ?KERREUg 44 ???? （ 四 ） 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 金屬應(yīng)變片 ， 除了測(cè)定試件應(yīng)力 、 應(yīng)變外 ， 還制造成多種應(yīng)變式傳感器用來測(cè)定力 、 扭矩 、 加速度 、 壓力等其它物理量 。若電橋的 負(fù)載電阻 Rg為無窮大，則 B、 D兩點(diǎn)可視為開路，上式可以化簡(jiǎn)為： ? ?? ?4321 3241 RRRR RRRREU g ?? ?? 等臂電橋 當(dāng) R1=R2=R3=R4=R時(shí) ， 稱為等臂電橋 。④便于成批生產(chǎn)。 （ 2） 溫度補(bǔ)償 （ 自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法 ） 金屬箔式應(yīng)變片 （ 二 ） 金屬箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片的工作原理基本和電阻絲式應(yīng)變片相同。制造與安裝應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料。 如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。對(duì)引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。 （ 1） 敏感柵 由金屬細(xì)絲繞成柵形。 SlR ??SlR lnlnlnln ??? ?SdSldldRdR ?????RdR ??dldlldlSdSdr/r為金屬絲半徑的相對(duì)變化，即徑向應(yīng)變?yōu)?εr。②頻率響應(yīng)特性較好。⑤易于實(shí)現(xiàn)小型化、固態(tài)化。 比例系數(shù) KS稱為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù) 。 對(duì)敏感柵的材料的要求：①應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片；③電阻溫度系數(shù)要?。虎芸寡趸芰Ω撸透g性能強(qiáng)； 2 3 4 1 b l 柵長(zhǎng) 柵寬 ⑤ 在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；⑥加工性能良好 ,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對(duì)引線材料的熱電勢(shì)小。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。 因此 ， 須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻 — 應(yīng)變特性重新測(cè)定 。 產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后 ， 其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余變形 ， 使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí) ， 如果敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分 。 這是兩項(xiàng)衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中其意義更為突出。因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時(shí)間很短 (估計(jì)約 )，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 金屬箔式應(yīng)變片和絲式應(yīng)變片相比較，有如下 特點(diǎn) 。電阻應(yīng)變片的測(cè)量線路多采用交流電橋 (配交流放大器 )，其原理和直流電橋相似。 ③ 若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致時(shí) ， 輸出電壓為兩者之和；相對(duì)橋臂的應(yīng)變極性相反時(shí) ， 輸出電壓為兩者之差 。 在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片 ，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片 ，后者取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變 ， 從而構(gòu)成了差動(dòng)對(duì) 。 圓形薄板固定形式：采用嵌固形式， 如圖 （ a） 或與傳感器外殼作成一體 ， 如圖 (b)。 種類 ：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式和互感式兩種； 根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型、面積型和螺管型。 圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長(zhǎng)度為 lδ 。 當(dāng)鐵芯和銜鐵采用同一種導(dǎo)磁材料 ， 且截面相同時(shí) ， 因?yàn)闅庀?lδ一般較小 ， 故可認(rèn)為氣隙磁通截面與鐵芯截面相等 ， 設(shè)磁路總長(zhǎng)為 l ， 則 ? ??????? ??????????? ???rrrmllSlllSR???????? 11100???????? ??rrmllSR ????01rrm llKllNSRNL????? ????? 1202 K=μ0N 2S 一般 μr1，所以 rlllKLL ??? ?????? 11當(dāng)氣隙減少 △ lδ時(shí)