【正文】 ? ? ? ?? ?rr lllllL LL ?? ??? ??????? 1? ??????????????????rrllllllllLL????????1111111自感的相對(duì)變化 ? ? ? ? ? ? ????????????????????????????????? ?211111111rrr llllllllllllLL??? ?????????同理，當(dāng)總氣隙長(zhǎng)度增加 Δlδ時(shí)，自感減小為 ΔL2，即 rllllLL?????????? 2? ? ? ? ??????????????????????????????? ?21111111rrr llllllllllll??? ?????????若忽略高次項(xiàng)，則自感變化靈敏度為 ? ?rL lllLlLK???? ???????11? ?rllll?? ????????11線性度 lδ L ΔL1 ΔL2 L0 lδ0 ① 當(dāng)氣隙 lδ發(fā)生變化時(shí) ， 自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系 ， 其非線性程度隨氣隙相對(duì)變化 Δlδ/lδ的增大而增加； ②氣隙減少 Δlδ所引起的自感變化 ΔL1與氣隙增加同樣Δlδ所引起的自感變化 ΔL2并不相等，即 ΔL1＞ ΔL2，其差值隨 Δlδ/lδ的增加而增大。其工作行程很小 ,若取 lδ＝ 2mm,則行程為 (—)mm；較大行程的位移測(cè)量 ,常利用螺管式自感傳感器 1 線圈 Ⅰ 自感特性； 2 線圈 Ⅱ 自感特性； 3 線圈 Ⅰ 與 Ⅱ 差動(dòng)自感特性； 4 特性曲線 差動(dòng)式自感傳感器的輸出特性 r x 螺旋管 鐵心 單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖 l （ 二 ） 螺管型自感傳感器 有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式 。 為了提高靈敏度與線性度 ,常采用差動(dòng)螺管式自感傳感器 。工作時(shí)， Z1=Z+Δ Z和 Z2=ZΔ Z ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 交流電橋原理圖 USC E 2121RRZZ ?ZRZZZZEULLSC ?????2其輸出電壓幅值 LjRLjREZZEUSSSC ??????????22當(dāng) ZL→∞ 時(shí) ? ? ? ?ELRLELRRLUSSSSC 222222222 ????????????? ?2)( 22 LRRZ S ????輸出阻抗 ?????????????? ???????????? ??????????????SSSSSC RRLLQjLLRREU111112 22SRLQ ?? 為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。雙臂工作時(shí)，設(shè)Z1=Z–ΔZ， Z2=Z+ΔZ，相當(dāng)于差動(dòng)式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動(dòng)，則 ZZEUSC??2同理反方向移動(dòng)時(shí) ZZEUSC???2可見 ， 銜鐵向不同方向移動(dòng)時(shí) ， 產(chǎn)生的輸出電壓 Usc大小相等 、 方向相反 ， 即相位互差 180186。4銜鐵 1 2 4 3 1 2 3 (a)氣隙型 (b)螺管型 其基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。其中 x表示銜鐵偏離中心位置的距離。 如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性 。 由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響 ， 使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦 (主要是三次諧波 )磁通 ， 從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì) 。 e2 +x x 2 1 0 相敏檢波后的輸出特性 3． 采用補(bǔ)償線路 ① 由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同 ， 并聯(lián)電容可改變其一的相位 ， 也可將電容 C改為電阻 ， 如圖 (a)。 （ 三 ） 測(cè)量電路 差動(dòng)變壓器的輸出電壓為交流 ， 它與銜鐵位移成正比 。 全波整流電路和波形圖 ～ e1 R R c a b h g f d e USC 銜鐵在 零位以下 eab t t t eab t t t eab t ecd t USC t ecd USC USC ecd 銜鐵在 零位以上 銜鐵在 零位 (b) (a) 在 f點(diǎn)為 “ ＋ ” ，則電流路徑是fgdche (參看圖 a)。當(dāng)鐵芯下移時(shí) ， e和 er相位相反 。 三 、 電渦流式傳感器 當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí) ， 導(dǎo)體上引起感生電流 ie， 此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合 ， 稱為渦流 。 此線圈可以粘貼于框架上 ， 或在框架上開一條槽溝 ， 將導(dǎo)線繞在槽內(nèi) 。 應(yīng)用 ：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。 l 平板形 lx ?若忽略邊緣效應(yīng) ， 圓筒式液位傳感器如下圖 ， 傳感器的電容量與被液位的關(guān)系為 液位傳感器 h C1 C C2 xx KhArrhrrhC ?????)/l n()(2)/l n(2120120 ?????可見 ， 傳感器電容量 C與被測(cè)液位高度 hx成線性關(guān)系 。 （二）測(cè)量電路 電橋電路 特點(diǎn) ： ① 高頻交流正弦波供電； ② 電橋輸出調(diào)幅波 ， 要求其電源電壓波動(dòng)極小 ，需采用穩(wěn)幅 、 穩(wěn)頻等措施； ③ 通常處于不平衡工作狀態(tài) ， 所以傳感器必須工作在平衡位置附近 ， 否則電橋非線性增大 ， 且在要求精度高的場(chǎng)合應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋； ④ 輸出阻抗很高 (幾 MΩ 至幾十 MΩ )， 輸出電壓低 ，必須后接高輸入阻抗 、 高放大倍數(shù)的處理電路 。 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 又稱 差動(dòng)脈寬 (脈沖寬度 )調(diào)制電路 利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。 在此指出：具有這個(gè)特性的電容測(cè)量電路還有 差動(dòng)變壓器式電容電橋 和由 二極管 T形電路經(jīng)改進(jìn)得到的二極管環(huán)形檢彼電路 等 。減小 δ 可以提高靈敏度。 只有當(dāng) (?δ /δ 1時(shí) ， 略去各非線性項(xiàng)后才能得到近似線性關(guān)系為 C＝ C0(?δ /δ )。 能在高低溫 、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作 ， 適應(yīng)能力強(qiáng) ， 尤其可以承受很大的溫度變化 ， 在高壓力 、 高沖擊 、 過(guò)載等情況下都能正常工作 ， 能測(cè)超高壓和低壓差 ，也能對(duì) 帶磁 工件進(jìn)行測(cè)量 。 不足： 1． 輸出阻抗高 ， 負(fù)載能力差 電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制 ， 一般為幾十到幾百 pF， 使傳感器的輸出阻抗很高 ， 尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí) ， 輸出阻抗高達(dá) 106～108Ω 。 隨著材料 、 工藝 、 電子技術(shù) ， 特別是集成電路的高速發(fā)展 ，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克服 。 2． 寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小 ， 而其引線 電纜電容 (l～ 2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、 測(cè)量電路的 雜散電容 以及 傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容 等 “ 寄生電容 ” 卻較大 ， ① 降低了傳感器的靈敏度； ②這些電容 (如電纜電容 )常常是隨機(jī)變化的 ， 將使傳感器工作不穩(wěn)定 ， 影響測(cè)量精度 ， 其變化量甚至超過(guò)被測(cè)量引起的電容變化量 ，致使傳感器無(wú)法工作 。 它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù) ，如測(cè)量振動(dòng) 、 瞬時(shí)壓力等 。 在忽略邊緣效應(yīng)時(shí) ， 變面積型和變介電常數(shù)型 （ 測(cè)厚除外 ） 電容式傳感器具有很好的線性 ， 但實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)引起極板或極筒間 電場(chǎng)分布 不均勻 ， 導(dǎo)致非線性問(wèn)題仍然存在 ， 且靈敏度下降 ， 但比變極距型好得多 。 雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋長(zhǎng)度與靈敏度無(wú)關(guān) ， 但不可太小 ， 否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性 。 顯然 ， 輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系 ， 這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性 。 C C2的充電時(shí)間 T T2為 rUUUCRT?? 11111 lnrUUUCRT??11222 ln設(shè) R1＝ R2＝ R， 則 rUCCCCU21210 ???因此，輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。若將二極管理想化，則當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成典型的一階電路，如圖 (b)。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲(chǔ)存灌內(nèi)傳感器的靈敏度 (pF/L) 解： pFmmpFrrHC 5ln)/(2ln2120m i n ????????pFpFrrHC r ln2120m a x ???????LmmHdV )(422???? ??LpFL pFpFV CCK / i nm a x ?????二 、 轉(zhuǎn)換電路 （ 一 ） 電容式傳感器等效電路 L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感： r由引線電阻 、 極板電阻和金屬支架電阻組成； C0為傳感器本身的電容； Cp為引線電纜 、 所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容； Rg是極間等效漏電阻 ， 它包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗 、 極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗 ， 其值在制造工藝上和材料選取上應(yīng)保證足夠大 。 而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小 ， 成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu) ， 其中線位移單組式的電容量 C在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)為 l—外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度； r r1 —圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑 。 S δ ε ????? SSC r 0??（ 二 ） 類型 三種基本類型 ： ?變極距 (變間隙 )(δ)型 ?變面積型 (S)型 ?變介電常數(shù) (εr)型 表 51列出了電容式傳感器的三種基本結(jié)構(gòu)形式 。能量損耗使傳感器的 Q值和等效阻抗 Z降低，因此當(dāng)被測(cè)體與傳感器間的距離 d改變時(shí)，傳感器的 Q值和等效阻抗 Z、電感 L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。cm)； μr—導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率； f—交變磁場(chǎng)頻率 (Hz)。 1. 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器 用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上 ， 才能得到精確的測(cè)量結(jié)果 。 調(diào)節(jié)電位器 R可調(diào)平衡 ， 圖中電阻 R1=R2=R0， 電容 C1=C2=C0， 輸出電壓為 UCD。 反之 ，如 f點(diǎn)為 “ –‖， e點(diǎn)為 “ ＋ ” ， 則電流路徑是 ehdcgf。 電容 C()可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng) 。 并應(yīng)經(jīng)過(guò)熱處理 ， 消除殘余應(yīng)力 ， 以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性 。 由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致 ， 因此它的 等效電路參數(shù) （ 互感 M、 自感 L及損耗電阻 R） 不可能相同 ， 從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)數(shù)值不等 。 當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí) ， 影響更為嚴(yán)重 ， 因此 ， 采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利 。 在理想情況下 (忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗 )， 差動(dòng)變壓器的等效電路如圖 。 ELRLUSSC 2222 ?????2222 LRZ S ???變壓器電橋的輸出電壓幅值 輸出阻抗為 (略去變壓器副邊的阻杭，它遠(yuǎn)小于電感的阻抗 ) 二 、 差動(dòng)變壓器 （ 一 ） 結(jié)構(gòu)原理與等效電路 分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種 。 當(dāng) Q值很高時(shí) ， Usc＝ ； SSRRLL ???LLE ?2② 當(dāng) Q值很低時(shí) ， 自感線圈的電感遠(yuǎn)小于電阻 ， 電感線圈相當(dāng)于純電阻 (ΔZ＝ Rs)， 交流電橋即為電阻電橋 。 （三）自感線圈的等效電路 假設(shè) 自感 線圈為一理想純電感，但實(shí)際傳感器中包括：線圈的銅損電阻 （ Rc）、 鐵芯的渦流損耗電阻 （ Re）和線圈的寄生電容 （ C）。 螺管線圈內(nèi)磁場(chǎng)分布曲線 r x l