【正文】 H（ ） IN l x（ l） 鐵芯在開始插入（ x=0）或幾乎離開線圈時(shí)的靈敏度，比鐵芯插入線圈的 1/2長(zhǎng)度時(shí)的靈敏度小得多。2)(11?????????????rllll?????① 差動(dòng)式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍 ② 差動(dòng)式自感傳感器非線性失真小 ,如當(dāng) Δlδ/lδ=10％ 時(shí) (略去 l／ lδ L=f（ S） L=f（ lδ） lδ L S L=f(lδ)為非線性關(guān)系。 ③ 重復(fù)性好，線性度優(yōu)良 在幾十 μm到數(shù)百 mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。 當(dāng)被測(cè)點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭所示方向時(shí) ， 固定在被測(cè)部位 。 L R1 R3 R2 R4 x F h b 等強(qiáng)度梁彈性元件 b0 力 F作用于梁端三角形頂點(diǎn)上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，故在對(duì) L方向上粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。 若假定不成立 ， 則按線性關(guān)系刻度的儀表用來(lái)測(cè)量必然帶來(lái)非線性誤差 。 當(dāng) R1R4=R2R3時(shí)， Ig=0， Ug=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。 ②箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過(guò)較大電流，因而可以輸出。 因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素： 應(yīng)變片電阻絲具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同 。 10% 1 主要因素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。 產(chǎn)生原因 ：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等 。測(cè)量結(jié)果表明， 應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K恒小于線材的靈敏系數(shù) KS。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。 （ 3）引線 是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。 設(shè)有一根長(zhǎng)度為 l、 截面積為 S、 電阻率為 ρ 的金屬絲 ， 其電阻 R為 兩邊取對(duì)數(shù) ， 得 等式兩邊取微分 ， 得 —— 電阻的相對(duì)變化； —— 電阻率的相對(duì)變化； —— 金屬絲長(zhǎng)度相對(duì)變化 ， 用 ε 表示 ， ε = 稱為金屬絲長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變或軸向應(yīng)變； —— 截面積的相對(duì)變化 。 優(yōu)點(diǎn) ：①精度高，測(cè)量范圍廣。⑥價(jià)格低廉，品種多樣，便于選擇。 物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。對(duì)應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。 實(shí)驗(yàn)表明 ， 金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變 ε 在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系 。 機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān) ， 加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大 ， 卸載時(shí)的滯后也愈大 。實(shí)際上，蠕變中包含零漂，它是一個(gè)特例 （ 5）應(yīng)變極限 在一定溫度下， 應(yīng)變片的指示應(yīng)變對(duì)測(cè)試值的真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不超過(guò)規(guī)定范圍（一般為 10%）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。 溫度誤差及其補(bǔ)償 （ 1） 溫度誤差 用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片 ， 希望其阻值僅隨應(yīng)變變化 ，而不受其它因素的影響 。①金屬箔柵很薄，因而它所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更為接近。直流電橋比較簡(jiǎn)單，因此首先分析直流電橋，如圖所示。利用上述特點(diǎn)可進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高測(cè)量的靈敏度 。 由于應(yīng)變片沿圓周方向分布 ， 所以非軸向載荷分量被補(bǔ)償 ，在與軸線任意夾角的 α 方向 ， 其應(yīng)變?yōu)? ： ? ? ? ?? ?????? ? 2c os112 1 ????ε1——沿軸向的應(yīng)變； μ——彈性元件的泊松比 。 應(yīng)變片 應(yīng)變式加速度傳感器 由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊 m的懸臂梁及貼在梁根部的應(yīng)變片 、 基座及外殼等組成 。 優(yōu)點(diǎn) ： ① 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 可靠 ， 測(cè)量力小 銜鐵為 ～ 200 105N時(shí) ， 磁吸力為 (1~10) 105N。 1 2 3 x (a)氣隙式 (b)變截面式 N：線圈匝數(shù)； Rm：磁路總磁阻 (鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻 ) 氣隙式自感傳感器 ， 因?yàn)闅庀遁^小 (lδ為 ～ 1mm)， 所以 ， 認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的 ， 若忽略磁路鐵損 ， 則磁路總磁阻為 l1：鐵芯磁路總長(zhǎng)； l2：銜鐵的磁路長(zhǎng)； S：隙磁通截面積； S1：鐵芯橫截面積； S2：銜鐵橫截面積； μ1：鐵芯磁導(dǎo)率； μ2：銜鐵磁導(dǎo)率； μ0：真空磁導(dǎo)率， μ0=4π 107H／ m； lδ：空氣隙總長(zhǎng)。 差動(dòng) 變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成 。 單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯 。 圖 (b)中 H=f(x)曲線表明：為了得到較好的線性 ,鐵芯長(zhǎng)度取 ,則鐵芯工作在 H曲線的拐彎處 ,此時(shí) H變化小 。 ① 橋路輸出電壓 Usc包含與電源 E同相和正交兩個(gè)分量 。 可反映銜鐵移動(dòng)的方向 。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。 （ 二 ） 誤差因素分析 激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響 激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng) ， 會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化 ， 直接影響輸出電勢(shì) 。 零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和 ，影響電路正常工作等 。 另外 ，激勵(lì)電流波形失真 ， 因其內(nèi)含高次諧波分量 ， 這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分 。 由于 R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化 ，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn) ， 減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓 。用交流電壓表測(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小 ，不能反映移動(dòng)的方向 ， 因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量 。反之，如 f點(diǎn)為“ –‖ ，則電流路徑是 ehdcgf。同理可得 UCD0。 渦流大小與 導(dǎo)體電阻率 ρ、 磁導(dǎo)率 μ 以及產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈與被測(cè)體之間 距離 x， 線圈激勵(lì)電流的 頻率 f有關(guān) 。 下圖為 CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理 ， 它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi) ， 形成線圈的結(jié)構(gòu)方式 。 電容器是電子技術(shù)的三大類無(wú)源元件 (電阻、電感和電容 )之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量 ,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 變極距型電容傳感器 圖中極板 1固定不動(dòng) ， 極板 2為可動(dòng)電極 (動(dòng)片 )， 當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí) ， 使兩極板間距變化 ， 從而使電容量產(chǎn)生變化 ， 其電容變化量 ΔC為 δ 2 變極距型電容傳感器 1 該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實(shí)際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度和減小外界因素 (如電源電壓、環(huán)境溫度 )的影響，常常作成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)或采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路來(lái)改善其非線性。 2r1 2r2 hx )/ln(2120rrhA ???)/l n ()(2120rrK ??? ??例 某電容式液位傳感器由直徑為 40mm和 8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。 二極管雙 T形電路 電路原理如圖 (a)。通過(guò)低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。 另外 ， 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路采用直流電源 ， 其電壓穩(wěn)定度高 ， 不存在穩(wěn)頻 、 波形純度的要求 ， 也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓 ， 對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高 。但 δ 過(guò)小易導(dǎo)致電容器擊穿（空氣的擊穿電壓為 3kV／ mm）。 由于 δ 取值不能大 ， 否則將降低靈敏度 ， 因此變極距型電容式傳感器常工作在一個(gè)較小的范圍內(nèi) （ 1cm至零點(diǎn)幾 mm） ， 而且 ?δ 最大應(yīng)小于極板間距 δ 的 1/5～ 1/10。 此外傳感器可以做得體積很小 ， 以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測(cè)量 。 因此傳感器負(fù)載能力差 ， 易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象 ， 嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作 ， 必須采取屏蔽措施 ， 從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便 。 電容傳感器正逐漸 成為一種高靈敏度 、 高精度 ， 在動(dòng)態(tài) 、 低壓及一些特殊測(cè)量方面大有發(fā)展前途的傳感器 。 高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗 ， 但放大 、 傳輸遠(yuǎn)比低頻時(shí)復(fù)雜 ， 且寄生電容影響加大 ， 難以保證工作穩(wěn)定 。 又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電 ，因此系統(tǒng)工作頻率高 。 如果電容式傳感器輸出量采用 容抗 XC=1/(ωC) ， 那么被測(cè)量 ?δ 就與 ?XC成線性關(guān)系 ， 不需要滿足 ?δ δ 這一要求了 。 ?????? ?????? ???? /1 10CCK g????????????????? ???????? ???????? ????? 4320 1?????????CKg靈敏度取決于 r2/r1， r2與 r1越接近 ， 靈敏度越高 。 其原理如圖 將 Cx = 代入上式得 A ～ uo C Cx u ∑ 運(yùn)算放大器式 電路原理圖 負(fù)號(hào)表明輸出與電源電壓反相 。 R2 雙穩(wěn) 態(tài)觸 發(fā)器 VD1 VD2 A1 A2 A B R1 C1 C2 uAB F Q Q Ur 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 G t uA uA uB uB uAB uAB UF UF UG UG Ur Ur Ur Ur U1 U1 T1 U1 U1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T2 U1 U1 U1 U1 T1 T2 t t t t t t t t t (a) (b) 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖 U0 UAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓 U0為 12121121212110 UTTTTUTTTUTTTUUUBA ?????????UA、 UB—A點(diǎn)和 B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量； T T2 —分別為 C1和 C2的充電時(shí)間； U1—觸發(fā)器輸出的高電位 。 UE、周期為 T、占空比為 50％的方波。被儲(chǔ)存液體的 εr ＝ 。 ?????????????????????????? 0CSSSC 變面積型電容傳感器 變面積型電容傳感器中 ， 平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感 ， 測(cè)量精度受到影響 。 δ 、 S和 ε r中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí) ， 就改變了電容C0、 δ或 S的變化可以反映線位移或角位移的變化 ， 也可以間接反映壓力 、 加速度等的變化； ε r的變化則可反映液面高度 、 材料厚度等的變化 。從能量角度來(lái)看，在被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗（當(dāng)頻率較高時(shí)，忽略磁損耗）。 即渦流穿透深度愈小 ， 其穿透深度 h可表示 ρ—導(dǎo)體電阻率 (Ω （ 四 ） 應(yīng)用 測(cè)量振動(dòng) 、 厚度 、 應(yīng)變 、 壓力 、 加速度等各種物理量 。 圖中調(diào)制電壓 er和 e同頻 ， 經(jīng)過(guò)移相器使 er和 e保持同相或反相 ， 且滿足 ere。 如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性 ， 在 f點(diǎn)為 “ ＋ ” ，e點(diǎn)為 “ –‖， 則電流路徑是 fgdche（ 參看圖 a） 。 ～ e1 e2 C R ～ e1 e2 C R (a) (b) 調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路 ② 并聯(lián)電位器 W用于電氣調(diào)零 ， 改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位 ， 如圖所示 。 其次 ， 應(yīng)選高磁導(dǎo)率 、 低矯頑力 、 低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料 。 零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因： ① 基波分量 。 溫度變化的影響 周圍環(huán)境溫度的變化 ， 引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化 ，從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移 。 3 2 1 2 1 2 1 1 2 (a) (b) (c) (d) 1 2 1 1 2 差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式 1 初級(jí)線圈； 2 次級(jí)線圈； 3 銜鐵 3 三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。 優(yōu)點(diǎn)