【正文】 ?????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 （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）。 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)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 。 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 。 反之 ，如 f點(diǎn)為 “ –‖， e點(diǎn)為 “ ＋ ” ， 則電流路徑是 ehdcgf。 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 。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。 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 。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)。 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 。 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 。 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?chē)鷮?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 。 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 。 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 )。 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 。 （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 。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。 此線圈可以粘貼于框架上 ， 或在框架上開(kāi)一條槽溝 ， 將導(dǎo)線繞在槽內(nèi) 。當(dāng)鐵芯下移時(shí) ， e和 er相位相反 。 （ 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 。 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) 。其中 x表示銜鐵偏離中心位置的距離。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(jiàn) ， 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。 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 。 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) ? ? ? ?? ?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。 種類(lèi) ：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。 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) 。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。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)。 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 。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。 比例系數(shù) KS稱(chēng)為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù) 。②頻率響應(yīng)特性較好。 （ 1） 敏感柵 由金屬細(xì)絲繞成柵形。無(wú)機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。 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(chēng)為蠕變。 （ 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。若電橋的 負(fù)載電阻 Rg為無(wú)窮大，則 B、 D兩點(diǎn)可視為開(kāi)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(chēng)為等臂電橋 。 ?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 。 不足 ： 存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。μr), 單線圈 δ＜ 10％ ；而差動(dòng)式的 δ＜ 1％ 。因此， 自感 傳感器的等效電路如圖。 目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器 。 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 。 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 。 可見(jiàn) ，無(wú)論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何 ， 通過(guò)電阻 R的電流總是從 d到 c。 可測(cè)量的振幅為 (～ 5)mm， 振動(dòng)頻率為 (0～ 150)Hz。這便是電渦流傳感器的基本原理。 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(lèi)傳感器具有良好的線性 ,大多用來(lái)檢測(cè)位移等參數(shù)。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。 這里是假設(shè)放大器開(kāi)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 。 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(wú)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 。 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(lái)改善 ， 但不可能完全消除 。 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 。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 。 這是十分可貴的性質(zhì) 。 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 。 其中差動(dòng) 式一般優(yōu)于單組（單邊）式的傳感器。 fh r??50 30?（ 一 ） 結(jié)構(gòu)和工作原理 主要由一個(gè)安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成 。 當(dāng) er負(fù)半周時(shí) ， R i1 ～ e1 R1 R2 e21 e22 C2 C1 er 移相器 D1 D4 D3 D2 C D A B i3 i2 i4 e UCD=R0(i4i3)0 ，因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓 UCD0。 電路如圖 。 高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性 引起 。 因此空載輸出電壓 在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓 e21和 e22，其值分別為 ? ?? ? 21211212LReMMe?????? ? ? ?22212221 LLjRRZ ???? ??? ? ? ? 2222122221 LLRRZ ?? ????其幅數(shù) 輸出阻抗 或 副 Ⅰ 0 e2 e2 e21 e22 x 副