【正文】 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 、 清潔度等對絕緣性能的影響 。 ?????? ????????? ?????? ? /1 100 CCC 非線性 對變極距型電容式傳感器，當極板間距變化時，其電容量的變化： ????????????????? ??????? ?????? 320 1 ???????? ??CC可見 ， 差動式的非線性得到很大改善 ， 靈敏度也提高了一倍 。 ??EE USSSSUUU1212021120 ?????? ；???? 運算放大器式電路 其最大特點是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性 。供電電壓是幅值為 177。 C ?C0 C 特性曲線 ?C0—極距為時的初始電容量。 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激勵，使它產(chǎn)生一個高頻交變磁場 φi，當被測導體靠近線圈時，在磁場作用范圍的導體表層，產(chǎn)生了與此磁場相交鏈的電渦流 ie，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場 φe阻礙外磁場的變化。 由此可見 ， 該電路能判別鐵芯移動的方向 。 差動整流電路 根據(jù)半導體二級管單向導通原理進行解調的 。 消除零點殘余電壓方法： 1． 從設計和工藝上保證結構對稱性 為保證線圈和磁路的對稱性 ， 首先 ， 要求提高加工精度 ， 線圈選配成對 ， 采用磁路可調節(jié)結構 。 而頻率的波動 ， 只要適當?shù)剡x擇頻率 ， 其影響不大 。 但是 ， 為了判別交流信號的相位 ， 需接入專門的相敏檢波電路 。 這種差動螺管式自感傳感器的測量范圍為 (5～ 50)mm,非線性誤差在 ％ 左右 。當銜鐵 3移動時 ， 一個線圈的自感增加 ， 另一個線圈的自感減少 ， 形成差動形式 。 ② 分辨力高 機械位移： ， 甚至更小；角位移： 。 當 α=0時 SEF＝＝ 1??? 當 α=90?時 SEF????? ? ＝－＝－＝ 12E：彈性元件的楊氏模量 梁力式傳感器 等強度梁彈性元件是一種特殊形式的懸臂梁 。當電源 E為電勢源，其內阻為零時，可求出檢流計中流過的電流 Ig與電橋各參數(shù)之間的關系為 R2 R4 R1 R3 E 電橋線路原理圖 Rg A C D Ig B ? ?? ?? ? ? ? ? ?214343214321 3241 RRRRRRRRRRRRRRRRREIgg ????????式中 Rg為負載電阻，因而其輸出電壓 Ug為 ? ?? ?? ? ? ? ? ? ][1 2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRRERIUgggg????????? 設 R1為應變片的阻值 ， 工作時 R1有一增量 Δ R， 當為拉伸應變時 ， Δ R為正；壓縮應變時 ， Δ R為負 。 實際上應變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度 )影響很大 。 所以 ， 通常在實驗之前應將試件預先加 、 卸載若干次 ， 以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差 。 常用的粘結劑分為有機和無機兩大類。 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） ≈ 電阻應變片結構示意圖 應變片的結構與材料 由 敏感柵 基底 蓋片 引線 4和粘結劑 等組成。 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 電阻應變式傳感器 一 、 金屬應變片式傳感器 （金屬絲式應變片、金屬箔式應變片、測量電路、應用） 金屬應變片式傳感器的 核心元件 是金屬應變片，它可將試件上的應變變化轉換成電阻變化。這些部分所選用的材料將直接影響應變片的性能。有機粘結劑用于低溫、常溫和中溫。 Δε Δε1 機械應變 ε 卸載 加載 指示應變εi 應變片的機械滯后 （ 4） 零點漂移和蠕變 對于粘貼好的應變片 ， 當溫度恒定時 ， 不承受應變時 ， 其電阻值隨時間增加而變化的特性 ， 稱為應變片的零點漂移 。 由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級 ，從而產(chǎn)生很大的測量誤差 ， 稱為應變片的溫度誤差 ， 又稱熱輸出 。 在上式中以 R1+Δ R代替 R1， 則 ? ?? ?? ?4321 3241 RRRRRRRRRREUg ???????? 設電橋 各臂均有相應的電阻增量 Δ R Δ R Δ R Δ R4時 ? ?? ? ? ?? ?? ?? ?44332211 33224411 RRRRRRRRRRRRRRRREUg ????????????????????在實際使用時，一般多采用等臂電橋或對稱電橋。 梁的固定端寬度為 b0， 自由端寬度為 b， 梁長為 L， 粱厚為 h。 輸出信號強 ， 電壓靈敏度可達數(shù)百 mV/mm 。 如將這兩個差動線圈 ? ? ????????????????????????????????? ?221111112rr llllllllLLLLL?? ??????E USC 1 3 4 2 Ⅰ Ⅱ R R (lΔ lδ)/2 (lΔ lδ)/2 分別接入測量電橋鄰臂，則當磁路總氣隙改變 Δlδ時，自感相對變化為 rL lllLlLK???? ???????11239。 2lc Δlc 2l 線圈 Ⅱ 線圈 Ⅰ r x H（ ） IN l 差動螺旋管式 自感 傳感器 (a)結構示意圖 (b)磁場分布曲線 x(l) (a) (b) 綜上所述 ， 螺管式自感傳感器的特點： ① 結構簡單 ， 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 ， 易受外部磁場干擾； ④ 由于磁阻高 ， 為了達到某一自感量 ， 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。 優(yōu)點 ：這種電橋與電阻平衡電橋相比 ， 元件少 ， 輸出阻抗小 ， 橋路開路時電路呈線性； 缺點 ：變壓器副邊不接地 ， 易引起來自原邊的靜電感應電壓 ， 使高增益放大器不能工作 。 溫度變化的影響 周圍環(huán)境溫度的變化 ， 引起線圈及導磁體磁導率的變化 ，從而使線圈磁場發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移 。 其次 ， 應選高磁導率 、 低矯頑力 、 低剩磁感應的導磁材料 。 如傳感器的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性 ， 在 f點為 “ ＋ ” ，e點為 “ –‖， 則電流路徑是 fgdche（ 參看圖 a） 。 （ 四 ） 應用 測量振動 、 厚度 、 應變 、 壓力 、 加速度等各種物理量 。從能量角度來看，在被測導體內存在著電渦流損耗（當頻率較高時，忽略磁損耗）。 ?????????????????????????? 0CSSSC 變面積型電容傳感器 變面積型電容傳感器中 ， 平板形結構對極距變化特別敏感 ， 測量精度受到影響 。 UE、周期為 T、占空比為 50％的方波。 其原理如圖 將 Cx = 代入上式得 A ～ uo C Cx u ∑ 運算放大器式 電路原理圖 負號表明輸出與電源電壓反相 。 如果電容式傳感器輸出量采用 容抗 XC=1/(ωC) ， 那么被測量 ?δ 就與 ?XC成線性關系 ， 不需要滿足 ?δ δ 這一要求了 。 高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗 ， 但放大 、 傳輸遠比低頻時復雜 ， 且寄生電容影響加大 ， 難以保證工作穩(wěn)定 。 因此傳感器負載能力差 ， 易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象 ， 嚴重時甚至無法工作 ， 必須采取屏蔽措施 ， 從而給設計和使用帶來不便 。 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較小的范圍內 （ 1cm至零點幾 mm） ， 而且 ?δ 最大應小于極板間距 δ 的 1/5～ 1/10。 另外 ， 差動脈沖調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等；對元件無線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓 ， 對輸出矩形波的純度要求也不高 。 二極管雙 T形電路 電路原理如圖 (a)。 變極距型電容傳感器 圖中極板 1固定不動 ， 極板 2為可動電極 (動片 )， 當動片隨被測量變化而移動時 ， 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，所以實際應用中，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，常常作成差動式結構或采用適當?shù)臏y量電路來改善其非線性。 下圖為 CZF1型渦流傳感器的結構原理 ， 它采取將導線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內 ， 形成線圈的結構方式 。同理可得 UCD0。用交流電壓表測量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小 ，不能反映移動的方向 ， 因此常采用差動整流電路和相敏檢波電路進行測量 。 另外 ，激勵電流波形失真 ， 因其內含高次諧波分量 ， 這樣也將導致零點殘余電壓中有高次諧波成分 。 （ 二 ） 誤差因素分析 激勵電壓幅值與頻率的影響 激勵電源電壓幅值的波動 ， 會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化 ， 直接影響輸出電勢 。 可反映銜鐵移動的方向 。 圖 (b)中 H=f(x)曲線表明：為了得到較好的線性 ,鐵芯長度取 ,則鐵芯工作在 H曲線的拐彎處 ,此時 H變化小 。 差動 變氣隙式自感傳感器結構由兩個電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成 。 優(yōu)點 ： ① 結構簡單 、 可靠 ， 測量力小 銜鐵為 ～ 200 105N時 ， 磁吸力為 (1~10) 105N。 由于應變片沿圓周方向分布 ， 所以非軸向載荷分量被補償 ，在與軸線任意夾角的 α 方向 ， 其應變?yōu)? ： ? ? ? ?? ?????? ? 2c os112 1 ????ε1——沿軸向的應變； μ——彈性元件的泊松比 。直流電橋比較簡單，因此首先分析直流電橋，如圖所示。 溫度誤差及其補償 （ 1） 溫度誤差 用作測量應變的金屬應變片 ， 希望其阻值僅隨應變變化 ，而不受其它因素的影響 。 機械滯后值還與應變片所承受的應變量有關 ， 加載時的機械應變愈大 ， 卸載時的滯后也愈大 。以便將構件受力后的表面應變傳遞給應變計的基底和敏感柵。 物理意義：單位應變引起的電阻相對變化。 優(yōu)點 ：①精度高，測量范圍廣。因此，應根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。 產(chǎn)生原因 ：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內應力逐漸變化；粘結劑固化不充分等 。 因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素： 應變片電阻絲具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同 。 當 R1R4=R2R3時， Ig=0， Ug=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。 L R1 R3 R2 R4 x F h b 等強度梁彈性元件 b0 力 F作用于梁端三角形頂點上，梁內各斷面產(chǎn)生的應力相等，故在對 L方向上粘貼應變片位置要求不嚴。 ③ 重復性好，線性度優(yōu)良 在幾十 μm到數(shù)百 mm的位移范圍內，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。2)(11????????