【正文】 ：這種電橋與電阻平衡電橋相比 ， 元件少 ， 輸出阻抗小 ， 橋路開路時(shí)電路呈線性； 缺點(diǎn) ：變壓器副邊不接地 ， 易引起來(lái)自原邊的靜電感應(yīng)電壓 ， 使高增益放大器不能工作 。 但在實(shí)際工作時(shí) ， △ RS/RS一般很小 ， 所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù) 。 2lc Δlc 2l 線圈 Ⅱ 線圈 Ⅰ r x H（ ） IN l 差動(dòng)螺旋管式 自感 傳感器 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)磁場(chǎng)分布曲線 x(l) (a) (b) 綜上所述 ， 螺管式自感傳感器的特點(diǎn)： ① 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 制造裝配容易； ② 由于空氣間隙大 ， 磁路的磁阻高 ， 因此靈敏度低 ，但線性范圍大； ③ 由于磁路大部分為空氣 ， 易受外部磁場(chǎng)干擾； ④ 由于磁阻高 ， 為了達(dá)到某一自感量 ， 需要的線圈匝數(shù)多 ， 因而線圈分布電容大； ⑤要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性。 當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí) ， 則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān) 。 如將這兩個(gè)差動(dòng)線圈 ? ? ????????????????????????????????? ?221111112rr llllllllLLLLL?? ??????E USC 1 3 4 2 Ⅰ Ⅱ R R (lΔ lδ)/2 (lΔ lδ)/2 分別接入測(cè)量電橋鄰臂，則當(dāng)磁路總氣隙改變 Δlδ時(shí)，自感相對(duì)變化為 rL lllLlLK???? ???????11239。其特性曲線如圖。 輸出信號(hào)強(qiáng) ， 電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百 mV/mm 。 測(cè)量時(shí) ， 根據(jù)所測(cè)振動(dòng)體加速度的方向 ， 把傳感器固定在被測(cè)部位 。 梁的固定端寬度為 b0， 自由端寬度為 b， 梁長(zhǎng)為 L， 粱厚為 h。 δ ≈1/2? Kε 當(dāng)僅橋臂 AB單臂工作時(shí) ， 輸出電壓為 由前兩式可知 ， 當(dāng)假定 RΔ R時(shí) ， 輸出電壓 Ug與應(yīng)變 ε 間呈線性關(guān)系 。 在上式中以 R1+Δ R代替 R1， 則 ? ?? ?? ?4321 3241 RRRRRRRRRREUg ???????? 設(shè)電橋 各臂均有相應(yīng)的電阻增量 Δ R Δ R Δ R Δ R4時(shí) ? ?? ? ? ?? ?? ?? ?44332211 33224411 RRRRRRRRRRRRRRRREUg ????????????????????在實(shí)際使用時(shí)，一般多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋。③箔柵的尺寸準(zhǔn)確、均勻，且能制成任意形狀，特別是為制造應(yīng)變花和小標(biāo)距應(yīng)變片提供了條件，從而擴(kuò)大了應(yīng)變 片的使用范圍。 由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí) ，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差 ， 稱為應(yīng)變片的溫度誤差 ， 又稱熱輸出 。 εlim 真實(shí)應(yīng)變 εz 指示應(yīng)變?chǔ)舏 應(yīng)變片的應(yīng)變極限 177。 Δε Δε1 機(jī)械應(yīng)變 ε 卸載 加載 指示應(yīng)變?chǔ)舏 應(yīng)變片的機(jī)械滯后 （ 4） 零點(diǎn)漂移和蠕變 對(duì)于粘貼好的應(yīng)變片 ， 當(dāng)溫度恒定時(shí) ， 不承受應(yīng)變時(shí) ， 其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性 ， 稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移 。注意， K是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為 的鋼材時(shí)測(cè)得的。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫?；椎娜L(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)，其寬度稱為基底寬。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。 二 、 壓阻式傳感器 (一 ) 金屬絲式應(yīng)變片 應(yīng)變效應(yīng) 當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí) ， 其電阻值將發(fā)生變化 ， 這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 。 電阻式傳感器 電感式傳感器 電容式傳感器 第五章 RLC傳感技術(shù) 電阻應(yīng)變式傳感器 一 、 金屬應(yīng)變片式傳感器 （金屬絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片、測(cè)量電路、應(yīng)用） 金屬應(yīng)變片式傳感器的 核心元件 是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。 缺點(diǎn) ：具有非線性，輸出信號(hào)微弱，抗干擾能力較差，因此信號(hào)線需要采取屏蔽措施；只能測(cè)量一點(diǎn)或應(yīng)變柵范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，不能顯示應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)力梯度的變化等；不能用于過(guò)高溫度場(chǎng)合下的測(cè)量。 KS由兩部分組成：前一部分是（ 1+2μ），由材料的幾何尺寸變化引起，一般金屬 μ≈，因此（ 1+2μ） ≈ 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料 由 敏感柵 基底 蓋片 引線 4和粘結(jié)劑 等組成。 （ 2）基底和蓋片 基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵。 常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類。 即 K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 所以 ， 通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加 、 卸載若干次 ， 以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差 。 在圖中，真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測(cè)試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力 (包括機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力 )時(shí)所引起的表面應(yīng)變。 實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測(cè)試件的溫度 )影響很大 。提高了應(yīng)變測(cè)量的精度較大信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度。當(dāng)電源 E為電勢(shì)源，其內(nèi)阻為零時(shí)，可求出檢流計(jì)中流過(guò)的電流 Ig與電橋各參數(shù)之間的關(guān)系為 R2 R4 R1 R3 E 電橋線路原理圖 Rg A C D Ig B ? ?? ?? ? ? ? ? ?214343214321 3241 RRRRRRRRRRRRRRRRREIgg ????????式中 Rg為負(fù)載電阻，因而其輸出電壓 Ug為 ? ?? ?? ? ? ? ? ? ][1 2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRRERIUgggg????????? 設(shè) R1為應(yīng)變片的阻值 ， 工作時(shí) R1有一增量 Δ R， 當(dāng)為拉伸應(yīng)變時(shí) ， Δ R為正；壓縮應(yīng)變時(shí) ， Δ R為負(fù) 。 當(dāng)考慮單臂工作時(shí) ， 即 AB橋臂變化 Δ R， 則 由上式展開級(jí)數(shù)，得 112114211424???????? ???????? ???????? ?? KKER RR RERR REU g? ? ? ? ?????? ????? ?32 81412114 ???? KKKKEU g? ? ? ?? ? ? ? ???????????? ?????? 32328141214814121144 ?????????? KKKKEKKKKEKE則電橋的相對(duì)非線性誤差為 可見， Kε 愈大， δ 愈大，通常 Kε 1。 當(dāng) α=0時(shí) SEF＝＝ 1??? 當(dāng) α=90?時(shí) SEF????? ? ＝－＝－＝ 12E：彈性元件的楊氏模量 梁力式傳感器 等強(qiáng)度梁彈性元件是一種特殊形式的懸臂梁 。 是一種慣性式傳感器 。 ② 分辨力高 機(jī)械位移： ， 甚至更?。唤俏灰疲? 。 mRNL 2?SlSlSlRm0222111???????由磁路基本知識(shí)知，線圈自感為 ????????????SlSlSlNRNLm 022211122????由于自感傳感器的鐵芯一般在非飽和狀態(tài)下 ， 其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率 ， 因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小 ， 所以上式可簡(jiǎn)化為 ??lSNL 02?可見，自感 L是氣隙截面積和長(zhǎng)度的函數(shù)，即 L＝ f(S,lδ) 如果 S保持不變，則 L為 lδ的單值函數(shù)，構(gòu)成 變隙式自感傳感器 ；若保持 lδ不變，使 S隨位移變化，則構(gòu)成 變截面式自感傳感器 。當(dāng)銜鐵 3移動(dòng)時(shí) ， 一個(gè)線圈的自感增加 ， 另一個(gè)線圈的自感減少 ， 形成差動(dòng)形式 。 傳感器工作時(shí) ， 因鐵芯在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化 ， 引起螺管線圈自感值的變化 。 這種差動(dòng)螺管式自感傳感器的測(cè)量范圍為 (5～ 50)mm,非線性誤差在 ％ 左右 。 在實(shí)際測(cè)量中 ， 只希望有同相分量 ， 如能使 或 Q值比較大 ， 均能達(dá)到此目的 。 但是 ， 為了判別交流信號(hào)的相位 ， 需接入專門的相敏檢波電路 。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。 而頻率的波動(dòng) ， 只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率 ， 其影響不大 。 0 e2 x x e20 1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次諧波 4 三次諧波 5 電磁干擾 e e1 e20 e20 1 2 3 4 5 (a)殘余電壓的波形 (b)波形分析 t t 圖中 e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓， e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。 消除零點(diǎn)殘余電壓方法： 1． 從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性 為保證線圈和磁路的對(duì)稱性 ， 首先 ， 要求提高加工精度 ， 線圈選配成對(duì) ， 采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu) 。 圖 (b)中串聯(lián)電阻 R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量 。 差動(dòng)整流電路 根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的 。 相敏檢波電路 容易做到輸出平衡 ， 便于阻抗匹配 。 由此可見 ， 該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向 。 顯然磁場(chǎng)變化頻率愈高 ， 渦流的集膚效應(yīng)愈顯著 。 1 2 3 4 5 6 1 線圈 2 框架 3 襯套 4 支架 5 電纜 6 插頭 ie d M ～ Φｎ Φｉ 電渦流傳感器原理圖 傳感器線圈由高頻信號(hào)激勵(lì)，使它產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場(chǎng) φi，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，在磁場(chǎng)作用范圍的導(dǎo)體表層，產(chǎn)生了與此磁場(chǎng)相交鏈的電渦流 ie，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場(chǎng) φe阻礙外磁場(chǎng)的變化。 一 、 工作原理與類型 （ 一 ） 工作原理 用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器 ， 當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí) ， 其電容 C為 S—極板相對(duì)覆蓋面積； δ—極板間距離； εr—相對(duì)介電常數(shù)； ε0 —真空介電常數(shù) ， ε0 ＝ ； ε —電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù) 。 C ?C0 C 特性曲線 ?C0—極距為時(shí)的初始電容量。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為 50cm，高為。供電電壓是幅值為 177。 右圖為差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖，圖中 C C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A A2是兩個(gè)比較器， Ur為其參考電壓。 ??EE USSSSUUU1212021120 ?????? ；???? 運(yùn)算放大器式電路 其最大特點(diǎn)是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性 ?？稍跇O間加一層云母片（其擊穿電壓大于 103kV/mm）或塑料膜來(lái)改善電容器耐壓性能。 ?????? ????????? ?????? ? /1 100 CCC 非線性 對(duì)變極距型電容式傳感器，當(dāng)極板間距變化時(shí)，其電容量的變化： ????????????????? ??????? ?????? 320 1 ???????? ??CC可見 ， 差動(dòng)式的非線性得到很大改善 ， 靈敏度也提高了一倍 。 3． 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小 ， （ 約幾個(gè) 105N） ， 需要的作用能量極小 ， 又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄 ， 即質(zhì)量很輕 ， 因此其固有頻率很高 ，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短 ， 能在幾 MHz的頻率下工作 ， 特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量 。 容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高 （ 幾十 MΩ 以上 ） ， 否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能 （ 如靈敏度降低 ） ， 為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度 、 清潔度等對(duì)絕緣性能的影響 。 （ 三 ） 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 電容式傳感器所具有的高靈敏度 、