【正文】 ， 在 f點為 “ ＋ ” ，e點為 “ –‖， 則電流路徑是 fgdche（ 參看圖 a） 。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 。 電路如圖 。 ～ e1 e2 C R1 R2 W 電位器調(diào)零點殘余電壓補償電路 R或 L補償電路 ～ e1 e2 L0 W ～ e1 e2 R0 W (a) (b) ③ 接入 R0(幾百 kΩ)或補償線圈 L0(幾百匝 )。 ～ e1 e2 C R ～ e1 e2 C R (a) (b) 調(diào)相位式殘余電壓補償電路 ② 并聯(lián)電位器 W用于電氣調(diào)零 ， 改變兩次級線圈輸出電壓的相位 ， 如圖所示 。 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 ， 減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓 。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由 1變到 2，從而消除了零點殘余電壓。 由高次諧波產(chǎn)生的因素可知 ， 磁路工作點應選在磁化曲線的線性段 。 其次 ， 應選高磁導率 、 低矯頑力 、 低剩磁感應的導磁材料 。 另外 ，激勵電流波形失真 ， 因其內(nèi)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 。 高次諧波分量主要由導磁材料磁化曲線的非線性 引起 。 又因初級線圈中銅損電阻及導磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻 ， 線圈匝間電容的存在等因素 ， 使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同 。 零點殘余電壓產(chǎn)生原因： ① 基波分量 。 零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū)；零點殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和 ，影響電路正常工作等 。 但實際上 ， 當使用橋式電路時 ， 在零點仍有一個微小的電壓值 (從零點幾 mV到數(shù)十 mV)存在 ，稱為 零點殘余電壓 。 適當提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動電橋可以減少溫度的影響 。 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 。 （ 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 。 因此空載輸出電壓 在次級線圈中感應出電壓 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 Ⅱ 原線圈 差動變壓器輸出電勢 e2與銜鐵位移 x的關系。 初級線圈的復數(shù)電流值為 1111 LjReI????～ ～ ～ e2 R21 R22 e21 e22 e1 R1 M1 M2 L21 L22 L1 e1初級線圈激勵電壓 L1,R1初級線圈電感和電阻 M1,M1分別為初級與次級線圈1,2間的互感 L21,L22兩個次級線圈的電感 R21,R22兩個次級線圈的電阻 I1 ω—激勵電壓的角頻率； e1—激勵電壓的復數(shù)值； 由于 Il的存在，在次級線圈中產(chǎn)生磁通 11121mRIN ???21122mRIN ???Rm1及 Rm2分別為磁通通過初級線圈及兩個次級線圈的磁阻，N1為初級線圈匝數(shù)。 3 2 1 2 1 2 1 1 2 (a) (b) (c) (d) 1 2 1 1 2 差動變壓器線圈各種排列形式 1 初級線圈； 2 次級線圈； 3 銜鐵 3 三節(jié)式的零點電位較小，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。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊，而次級線圈由結構尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。 。 目前多采用螺管型差動變壓器 。 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 。 可反映銜鐵移動的方向 。 SSRRE ?2Z1 Z2 USC E/2 E/2 E 變壓器電橋原理圖 I 變壓器電橋 平衡臂為變壓器的兩個副邊 ， 當負載阻抗為無窮大時 ，流入工作臂的電流為 21 ZZEI??2121221 22 ZZZZEEZZZEUSC ??????初始 Z1=Z2=Z=RS+jωL，故平衡時， USC=0。 例 如 ， 應變測量儀就是如此 ， 此時輸出電壓 Usc= 。 但在實際工作時 ， △ RS/RS一般很小 ， 所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù) 。 ① 橋路輸出電壓 Usc包含與電源 E同相和正交兩個分量 。Z Z2為工作臂，即線圈阻抗， R R2為電橋的平衡臂 電橋平衡條件： 設 Z1=Z2=Z=RS+jωL； R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=L E為橋路電源， ZL是負載阻抗。因此， 自感 傳感器的等效電路如圖。 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。 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 。實際上由于磁場強度分布不均勻 ， 輸入量與輸出量之間關系非線性的 。這說明只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。 當用恒流源激勵時 ， 則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關 。 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 。 一般差動變隙式自感傳感器 Δlδ/lδ＝ ～ ， 可使傳感器非線性誤差在 3％ 左右 。μr), 單線圈 δ＜ 10％ ；而差動式的 δ＜ 1％ 。 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。 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 。 特性分析 主要特性 :靈敏度和線性度 。當 lδ＝ 0時， L為 ∞，考慮導磁體的磁阻，當 lδ＝ 0時，并不等于 ∞，而具有一定的數(shù)值，在 lδ較小時其特性曲線如圖中虛線所示。其特性曲線如圖。 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 ， 因為氣隙較小 (lδ為 ～ 1mm)， 所以 ， 認為氣隙磁場是均勻的 ， 若忽略磁路鐵損 ， 則磁路總磁阻為 l1：鐵芯磁路總長； l2：銜鐵的磁路長； S：隙磁通截面積； S1：鐵芯橫截面積； S2：銜鐵橫截面積； μ1：鐵芯磁導率； μ2：銜鐵磁導率； μ0：真空磁導率， μ0=4π 107H／ m； lδ：空氣隙總長。 （ 一 ） 氣隙型自感傳感器 工作原理 組成：線圈 1，銜鐵 3和鐵芯 2等。 不足 ： 存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)測量。 輸出信號強 ， 電壓靈敏度可達數(shù)百 mV/mm 。 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。 感測量 ：位移、振動、壓力、應變、流量、比重等。 當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向時 ， 懸臂梁自由端受慣性力 F=ma的作用 ， 質(zhì)量塊向箭頭 a相反的方向相對于基座運動 ， 使梁發(fā)生彎曲變形 ， 應變片電阻也發(fā)生變化 ， 產(chǎn)生輸出信號 ，輸出信號大小與加速度成正比 。 測量時 ， 根據(jù)所測振動體加速度的方向 ， 把傳感器固定在被測部位 。 應變片 應變式加速度傳感器 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變片 、 基座及外殼等組成 。 這時測量電路中電橋平衡被破壞 ， 產(chǎn)生輸出電壓 。 ?橫截面梁 ?雙空梁 ?S形彈性元件 P （ b） （ a） 應變式壓力傳感器 應變式壓力傳感器 測量氣體或液體壓力的薄板式傳感器 ， 如圖所示 。 梁的固定端寬度為 b0， 自由端寬度為 b， 梁長為 L， 粱厚為 h。 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 。 柱力式傳感器 梁力式傳感器 應變式壓力傳感器 應變式加速度傳感器 柱式力傳感器 ε2 +ε1 截面積 S F F F 面積 S ε1 +ε2 b） a） 柱力式傳感器 圓柱式力傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種。 ?KERREUg 44 ???? （ 四 ） 應變式傳感器應用 金屬應變片 ， 除了測定試件應力 、 應變外 ， 還制造成多種應變式傳感器用來測定力 、 扭矩 、 加速度 、 壓力等其它物理量 。 δ ≈1/2? Kε 當僅橋臂 AB單臂工作時 ， 輸出電壓為 由前兩式可知 ， 當假定 RΔ R時 ， 輸出電壓 Ug與應變 ε 間呈線性關系 。利用上述特點可進行溫度補償和提高測量的靈敏度 。 ② 若相鄰兩橋臂的應變極性一致 ， 即同為拉應變或壓應變時 ，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同時 ， 輸出電壓為兩者之和 。若電橋的 負載電阻 Rg為無窮大，則 B、 D兩點可視為開路，上式可以化簡為： ? ?? ?4321 3241 RRRR RRRREU g ?? ?? 等臂電橋 當 R1=R2=R3=R4=R時 ， 稱為等臂電橋 。 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。直流電橋比較簡單，因此首先分析直流電橋，如圖所示。 （ 三 ） 測量電路 應變片將應變的變化轉換成電阻相對變化 Δ R/R，要把電阻的變化轉換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。④便于成批生產(chǎn)。③箔柵的尺寸準確、均勻，且能制成任意形狀，特別是為制造應變花和小標距應變片提供了條件，從而擴大了應變 片的使用范圍。①金屬箔柵很薄，因而它所感受的應力狀態(tài)與試件表面的應力狀態(tài)更為接近。金屬箔的厚度 — 般為(～ )mm，它的基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度一般為 (～ )mm。 （ 2） 溫度補償 （ 自補償法和線路補償法 ） 金屬箔式應變片 （ 二 ） 金屬箔式應變片