【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電壓 Uo與極距 δ成線性關(guān)系 。 此電路常用于位移測(cè)量傳感器 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 312運(yùn)算放大器電路 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 2） 電橋型電路通常將電容傳感器接入電橋 ， 作為橋路的一部分 ， 如圖 313所示 。 差動(dòng)電容 C C2作為相鄰兩臂接入電橋 ， 另一相鄰兩臂為電感 ， 構(gòu)成電容傳感器變壓器電橋 。 電橋的輸出是調(diào)幅波 ， 經(jīng)交流放大后 ， 需經(jīng)過(guò)相敏檢波和濾波便可得到與電容量變化相應(yīng)的直流輸出 。 此電路要求電源電壓和頻率一定要非常穩(wěn)定 ， 否則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差 。 另外 ， 電容的變化范圍亦不能太大 ， 過(guò)大會(huì)使電橋輸出產(chǎn)生非線性失真 ， 造成較大誤差 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 313電容傳感器變壓器電橋型電路 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 3） 圖 314所示為電容式傳感器作為調(diào)頻振蕩器中諧振回路的一部分 。 當(dāng)物體的振動(dòng)作為輸入量時(shí)便引起電容傳感器的電容量發(fā)生相應(yīng)的變化 ， 導(dǎo)致振蕩器的振動(dòng)頻率的變化并輸出相應(yīng)的調(diào)頻波 ， 再由鑒頻器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓變化 ， 最后放大輸出 。 此種電路具有抗干擾性強(qiáng) 、 靈敏度高等優(yōu)點(diǎn) ， 可測(cè) m的位移變化量 。 其缺點(diǎn)是電纜的分布電容影響較大 ，對(duì)電路設(shè)計(jì)要求較高 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 314電容傳感器調(diào)頻電路 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 4） 脈沖寬度調(diào)制電路如圖 315所示 。 它由比較器 Ⅰ 和 Ⅱ 、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成 。 C C2為傳感器的差動(dòng)電容 ， 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端 Q、 Q為電路的輸出端 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 315脈沖寬度調(diào)制電路 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端 Q為高電位時(shí) ， 通過(guò) R1對(duì) C1充電；Q端的輸出為低電位 ， 電容 C2通過(guò)二極管 V2迅速放電 ， G點(diǎn)被鉗制在低電位 。 當(dāng) F點(diǎn)的電位高于參考電位 Uc時(shí) ， 比較器 Ⅰ 的輸出極性改變 ， 產(chǎn)生脈沖 ， 使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn) ， Q端輸出變?yōu)榈碗娢?， 而 Q端變?yōu)楦唠娢?。 這時(shí) C2充電 C1放電 ， 當(dāng) G點(diǎn)電位高于 Uc時(shí) ， 比較器 Ⅱ 的輸出使觸發(fā)器再一次翻轉(zhuǎn) ， 如此重復(fù) ， 周而復(fù)始 ， 使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端各自產(chǎn)生一寬度受 C1和 C2調(diào)制的方波信號(hào) 。 當(dāng) C1=C2時(shí) ， 各點(diǎn)的電壓波形如圖 316（ a） 所示 ， 輸出電壓的平均值為零 。 但在工作狀態(tài)時(shí)C1≠C2， C C2充電時(shí)間常數(shù)發(fā)生變化 ， 若 C1＞ C2， 各點(diǎn)電壓波形如圖 3－ 16（ b） 所示 ， 輸出電壓 uAB的平均值不再是零 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 316 （ a） Ｃ 1=C2時(shí)各點(diǎn)的電壓波形 。（ b） Ｃ 1＞ C2時(shí)各點(diǎn)的電壓波形 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 輸出電壓 uAB經(jīng)低通濾波后 ， 便可得到一直流輸出電壓Uo， 其值為 A、 B兩點(diǎn)電壓平均值 UA與 UB之差 ， 即 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA????????式中： T T2—— C C2充至 Uc需要的時(shí)間 ， 即 A點(diǎn)和 B點(diǎn)的脈沖寬度； U1—— 觸發(fā)器輸出的高電位 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 由于 U1的大小是固定的 ， 因此 ， 輸出直流電壓 Uo隨 T1和T2而變 ， 即隨 uA和 uB的脈沖寬度而變 ， 而電容 C1和 C2分別與T1和 T2成正比 。 在電阻 R1=R1=R時(shí) 10121210 UCΔCUCCCCU ???（ 338） 由此可知 ， 直流輸出電壓 Uo與電容 C1和 C2之差成比例 ，極性可正可負(fù) 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 對(duì)于極距變化型差動(dòng)電容傳感器 10 UdΔdU ? （ 339） 對(duì)于面積變化型差動(dòng)電容傳感器 10 UAΔAU ? （ 340） 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 根據(jù)以上分析可知 ， 電容傳感器測(cè)量電路具有如下特點(diǎn)： （ 1） 不論是極距變化型或面積變化型 ， 其輸入與輸出變化量都呈線性關(guān)系 ， 而且脈沖寬度調(diào)制電路對(duì)傳感元件的線 （ 2） 不需要解調(diào)電路 ， 只要經(jīng)過(guò)低通濾波器就可以得到 （ 3） （ 4）由于采用直流穩(wěn)壓電源供電，不存在對(duì)其波形及頻率的要求。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 （ １ ） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn) ， 工作可靠 ， 壽命較長(zhǎng)； （ ２ ） 靈敏度和分辨率高 ， 電壓靈敏度一般每毫米的位移 （ ３ ） 線性度和重復(fù)性比較好 ， 在一定位移 （ 如幾十微米至幾毫米 ） 內(nèi) ， 傳感器非線性誤差可做到 ％ ～ ％ ， 并且穩(wěn)定性好 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 1） 自感式電感傳感器主要用來(lái)測(cè)量位移或者是可以轉(zhuǎn)換成位移的被測(cè)量 ， 如振動(dòng) 、 厚度 、 壓力 、 流量等 。 工作時(shí) ， 銜鐵通過(guò)測(cè)桿與被測(cè)物體相接觸 ， 被測(cè)物體的位移將引起線圈電感量的變化 ， 當(dāng)傳感器線圈接入測(cè)量轉(zhuǎn)換電路后 ， 電感的變化將被轉(zhuǎn)換成電壓 、 電流或頻率的變化 ， 從而完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 由電工知識(shí)可知 ， 線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù) ， 即線圈的自感系數(shù) L=ψ/I=NΦ/I（ H） 。ψ=NΦ為磁鏈 ， Ф為磁通 （ I為流過(guò)線圈的電流 ， N為線圈匝數(shù) 。根據(jù)磁路歐姆定律： Φ=μN(yùn)IS/l， μ為磁導(dǎo)率 ， S為磁路截面積 ，l為磁路總長(zhǎng)度 。 令 Rm=l/μS為磁路的磁阻 ， 可得線圈的電感量為 mRNlSμN(yùn)IN ΦIψL22????（ 341） 磁路的總長(zhǎng)度包括鐵芯長(zhǎng)度 li 銜鐵長(zhǎng)度 li2和兩個(gè)空氣間隙 l0的長(zhǎng)度 。 因鐵芯和銜鐵均為導(dǎo)磁材料 ， 磁阻可忽略不計(jì) ，則式 （ 341） 可改寫(xiě)為 000222 lSμN(yùn)RNLm??（ 342） 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 2） 變氣隙長(zhǎng)度式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 317（ a） 所示 。由式 （ 341） 可知 ， 若 S為常數(shù) ， 則 L=f（ l） ， 即電感 L是氣隙厚度 l的函數(shù) ， 故稱這種傳感器為變氣隙截面式電感傳感器 。 由于電感量 L與氣隙厚度 l成反比 ， 故輸入 /輸出是非線性關(guān)系 ， 輸出特性如圖 318（ a） 所示 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 317 （ a）變氣隙長(zhǎng)度式 。（ b）變氣隙截面式 。（ c）螺管式 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 318 （ a）變氣隙長(zhǎng)度式輸出特性；（ b）變氣隙截面式輸出特性 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 可見(jiàn) ， l越小 ， 靈敏度越高 。 為提高靈敏度 ， 保證一定的線性度 ， 變這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量 ， 測(cè)量范圍約在 ～ 1mm左右 。 由于行程小 ， 而且銜鐵在運(yùn)行方向上受鐵芯限制 ， 制造裝配困難 ， 所以近年來(lái)較少使用該類傳感器 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 3） 變氣隙截面式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 317（ b） 所示 。 由式 （ 341） 可知 ， 若保持氣隙厚度 l為常數(shù) ， 則 L=f（ S） ， 即電感 L是氣隙截面積 S的函數(shù) ， 故稱這種傳感器為變截面式電感傳感器 。 但是 ， 由于漏感等原因 ， 變截面式電感傳感器在S=0時(shí) ， 仍有一定的電感 ， 所以其線性區(qū)較小 ， 為了提高靈敏度 ， 常將 l做得很小 。 變截面式傳感器靈敏度比變間隙型小 ，但線性較好 ， 量程也比變間隙式大 ， 使用比較廣泛 。 輸出特性如圖圖 318（ b） 所示 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 4） 螺管式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 317（ c） 所示 。 螺管型電感式傳感器結(jié)構(gòu)由一柱型銜鐵插入螺管圈內(nèi)構(gòu)成 。 其銜鐵隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng) ， 線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化 ， 線圈電感量也因此而變化 。 線圈電感量的大小與銜鐵插入深度有關(guān) 。 理論上 ， 電感相對(duì)變化量與銜鐵位移相對(duì)變化量成正比 ，但由于線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度沿軸線分布不均勻 。 所以實(shí)際上它的輸出仍有非線性 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 設(shè)線圈長(zhǎng)度為 l、 線圈的平均半徑為 r、 線圈的匝數(shù)為 n、銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度為 la、 銜鐵的半徑為 ra、 鐵芯的有效磁導(dǎo)率為 μm， 則線圈的電感量 L與銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度 la的關(guān)系為 ? ?? ?2222214 aam rlμlrlnπL ??（ 343） 由上式可知 ， 螺管型電感式傳感器的靈敏度較低 ， 但由于其量程大且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 易于制作和批量生產(chǎn) ， 因此它是使用最廣泛的一種電感式傳感器 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 5） 以上三種類型的傳感器 ， 由于線圈中流過(guò)負(fù)載的電流不等于零 ， 存在起始電流 ， 非線性較大 ， 而且有電磁吸力作用于活動(dòng)銜鐵；易受外界干擾的影響 ， 如電源電壓和頻率的波動(dòng) 、 溫度變化等都將使輸出產(chǎn)生誤差 ， 所以不適用于精密測(cè)量 ， 只用在一些繼電信號(hào)裝置 。 在實(shí)際應(yīng)用中 ， 廣泛采用的是將兩個(gè)電感式傳感器組合在一起 ， 形成差動(dòng)式傳感器 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 319 差動(dòng) E型自感傳感器結(jié)構(gòu)原理 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 2. 互感式電感傳感器是利用線圈的互感作用將位移轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢(shì)的變化 。 互感式電感傳感器實(shí)際上是一個(gè)具有可動(dòng)鐵芯和兩個(gè)次級(jí)線圈的變壓器 。 變壓器初級(jí)線圈接入交流電源時(shí) ， 次級(jí)線圈因互感作用產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ， 當(dāng)互感變化時(shí) ， 輸出電勢(shì)亦發(fā)生變化 。 由于它的兩個(gè)次級(jí)線圈常接成差動(dòng)的形式 ， 故又稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器 ，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器 。 差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多 ， 下面介紹目前廣泛采用的螺管式差動(dòng)變壓器 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 1） 工作原理 螺管式差動(dòng)變壓器主要由線圈框架 A、 繞在框架上的一組初級(jí)線圈 W和兩個(gè)完全相同的次級(jí)線圈 W Ｗ 2及插入線圈中心的圓柱形鐵芯 B組成 ， 如圖 320（ a） 所示 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 320 （ a）結(jié)構(gòu)原理 。（ b）等效電路 。(c）輸出特性 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 當(dāng)初級(jí)線圈 W加上一定的交流電壓時(shí) ， 次級(jí)線圈 W1和 W2由于電磁感應(yīng)分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì) e1和 e2， 其大小與鐵芯在線圈中的位置有關(guān) 。 把感應(yīng)電勢(shì) e1和 e2反極性串聯(lián) ， 則輸出電勢(shì)為 210 eee ??次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 tiMedd?? （ 344） 式中 :M—— i—— 流過(guò)初級(jí)線圈的激磁電流。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 以上分析表明 ， 差動(dòng)變壓器輸出電壓的大小反映了鐵芯位移的大小 ， 輸出電壓的極性反映了鐵芯運(yùn)動(dòng)的方向 。 從特性曲線看出 ， 差動(dòng)變壓器輸出特性的非線性得到很大的改善 。實(shí)際上 ， 當(dāng)鐵芯位于中間位置時(shí) ， 差動(dòng)變壓器輸出電壓 eo并不等于零 ， 把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓 。 零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因主要是傳感器在制作時(shí)兩個(gè)次級(jí)線圈的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱 ， 以及磁性材料的非線性等問(wèn)題引起的 ， 零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下 。在實(shí)際應(yīng)用時(shí) ， 應(yīng)設(shè)法減小零點(diǎn)殘余電壓 ， 否則將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 2） 差動(dòng)變壓器的輸出是一個(gè)調(diào)幅波 ， 且存在一定的零點(diǎn)殘余電壓 ， 因此為了判別鐵芯移動(dòng)的大小和方向 ， 必須進(jìn)行解調(diào)和濾波 。 另外 ， 為消除零點(diǎn)殘余電壓的影響 ， 差動(dòng)變壓器的后接電路常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路 。 差動(dòng)整流電路就是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別整流 ， 然后將整流后的兩個(gè)電壓或電流的差值作為輸出 。 現(xiàn)以電壓輸出型全波差動(dòng)整流電路為例來(lái)說(shuō)明其工作原理 ， 電路連接如圖 321（ a） 所示 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 321差動(dòng)變壓器測(cè)量電路及波形 （ a）電路圖 。（ b）波形圖 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 由圖 321（ a） 可見(jiàn) ， 無(wú)論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何 ， 流過(guò)兩個(gè)電阻 R的電流總是從 a到 b， 從 d到 c， 故整流電路的輸出電壓 dcabcdabo uuuuu ????（ 345） 其波形圖如圖 321（ b） 所示 ， 當(dāng)鐵芯在