【正文】 工作時(shí)，質(zhì)量組件敏感被測加速度，使電容傳感器產(chǎn)生相應(yīng)輸出，經(jīng)測量 (伺服 )電路轉(zhuǎn)換成比例電流輸入力發(fā)生器，使其產(chǎn)生一電磁力與質(zhì)量組件的慣性力精確平衡，迫使質(zhì)量組件隨被加速的載體而運(yùn)動(dòng)；此時(shí)，流過力發(fā)生器的電流，即精確反映了被測加速度值 。固定于殼體的兩個(gè)石英定極板與動(dòng)極板構(gòu)成差動(dòng)結(jié)構(gòu)；兩極面均鍍金屬膜形成電極。 圖 電容式位移傳感器 1測桿； 2開槽簧片； 3固定電極； 4活動(dòng)電極 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 電容式加 速度傳感器 圖 電容式撓性加速度傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 圖 速度計(jì)。它 采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)、圓柱形 電極，與測桿相連的動(dòng)電 極隨被測位移而軸向移動(dòng)， 從而改變活動(dòng)電極與兩個(gè) 固定電極之間的覆蓋面積， 使電容發(fā)生變化。由式子可知，測出的電容量即反映灌裝高度ｌ。 上述原理可用于非導(dǎo)電散材物料的物位測量。由式 ? ?lllbCCC rr 20100021 )( ???? ????? 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 圖 變介質(zhì)型電容傳感器 (a)電介質(zhì)插入式； (b)非導(dǎo)電流散材料物位的電容測量 式中 l0、 b0——極板長度和寬度； l——第二種電介質(zhì)進(jìn)入極間的長度 。圖 (a)中兩平行極板固定不動(dòng)，極距為 δ 0，相對介電常數(shù)為 ε r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) （ 3）變介電常數(shù)式電容傳感器 ? 這種電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度。 當(dāng)動(dòng)極板 C隨角位移 (Δα) 輸入而擺動(dòng)時(shí)兩 0000 ???? lrCC rBCAC ?? 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) （二）變極距式電容傳感器 如圖 ，當(dāng)平行板電容器兩極板之間對應(yīng)的面積 S和兩極板之間介質(zhì)的相對介電常數(shù) ε不變，只改變電容器兩極之間的距離時(shí)，電容器的容量 C則發(fā)生變化，利用電容器的這一特性制作的傳感器，稱為變極距式電容傳感器。 C的初始位置必須保證與 A、 B的初始電容值相同。動(dòng)極板 C平行于 A、B，并在自身平 (柱 )面內(nèi)繞 O點(diǎn)擺動(dòng)。角位移測量用的差動(dòng)式典型結(jié)構(gòu)如圖。 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 圖 變面積型差動(dòng)式結(jié)構(gòu) (a)扇形平板結(jié)構(gòu)； (b)柱面板結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 變面積型電容傳感器與變極距型相比，其靈敏度較低。它的靈敏度為 000??? blCS r????必須指出，上述討論只在初始極距 δ 0精確保持不變時(shí)成立，否則將導(dǎo)致測量誤差。設(shè)動(dòng)極板相對定極板沿長度ｌ 0方向平移 Δ ｌ時(shí)，則電容為 ? ?0 0 000r l l bC C C ?????? ? ? ?圖 （ a）單片式 (b) 中間極移動(dòng)式 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 很明顯，這種傳感器的輸出特性呈線性。 圖 電容器結(jié)構(gòu)示意圖 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) （一）變面積式電容傳感器 原理結(jié)構(gòu)如圖 （ a）所示。 S δ ε δ、 S和 εr中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí)，就改變了電容 C0。 應(yīng)用 ： 壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。 優(yōu)點(diǎn) ： 測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測量等。 當(dāng)被測體帶動(dòng)銜鐵以 Δx(t)振動(dòng)時(shí) ,導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化 。 它由懸臂梁 1 和差動(dòng)變壓器 2 構(gòu)成 。 0 e2 x x e20 1 2 1—e20等于零的輸出曲線 2—e20不等于零的輸出曲線 e20—零點(diǎn)殘余電壓 電感式傳感器 圖 零點(diǎn)殘余電壓示意圖 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 造成零點(diǎn)殘余電壓的主要原因是： 一組兩個(gè)傳感器不完全對稱； 存在寄生參數(shù)； 供電電源中有諧波，而電橋不能對基波進(jìn)行較好的預(yù)調(diào)平衡； 供電電源很好，但磁路本身存在非線性； 工頻干擾。 ?如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性 。 電感式傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) （三）零點(diǎn)殘余電壓 ?當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí) ， 理想條件下其輸出電壓為零 （ 圖 416） 。 同理可得 UCD0。 ?當(dāng) er負(fù)半周時(shí) ， UCD=R0(i4i3)0， 因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓 UCD0。 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 電感式傳感器 圖 相敏檢波電路 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) ?當(dāng) 鐵芯在中間 時(shí) ,e=0,只有 er起作用 ， 輸出電壓 UCD＝ 0。 圖 er和 e同頻 ，經(jīng)過移相器使 er和 e保持同相或反相 ， 且滿足 ere。 負(fù)半周 ， f點(diǎn)為 “ –” ， e為 “ +”，則電流路徑是 ehdcgf。輸出的電壓波形見圖（ b），其值為 USC=eab＋ ecd?？梢?，無論次級線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，通過電阻 R的電流總是從 d到 c。 如傳感器的一個(gè)次級線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性，在 f點(diǎn)為“＋”， e點(diǎn)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(dòng)的方向 ， 因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測量 。從曲線圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的線性度較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式的兩倍。 電感式傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) （ 2）差動(dòng)變壓器式傳感器的特性 在變隙式差動(dòng)電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測量移動(dòng)而偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感量一個(gè)增加，一個(gè)減少，形成差動(dòng)形式。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。4銜鐵 1 2 4 3 1 2 3 (a)氣隙型 (b)螺管型 其基本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。 電感式傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) ?差動(dòng)變壓器式傳感器 1. 差動(dòng)變壓器式傳感器結(jié)構(gòu) 1 初級線圈 。其關(guān)系式為： 222224 [ ( 1 ) ]m a aNL lr l rl? ?? ? ?線圈長度為 l；線圈的平均半徑為 r；線圈的匝數(shù)為N，銜鐵進(jìn)入線圈的長度為 la，銜鐵的半徑為 ra；鐵芯的有效磁導(dǎo)率為 μm。螺管型電感式傳感器的銜鐵隨被測對象移動(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。 20NAL ???由式子 可知，線圈電感量 L與磁通截面面積A成正比，是一種線性關(guān)系。 121 2 02mllRA A A?? ? ?? ? ?對于變間隙式電感傳感器，因?yàn)闅庀遁^小 (l0為 ～ 1mm)，所以，認(rèn)為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為 22 121 2 02mN llLNA A AR?? ? ???? ? ? ?????因此有： 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 ， 所以上式可簡化為 電感式傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 20NAL ???可以看出，電感值與線圈匝數(shù) N的平方成正比，與空氣間隙有效截面積 A成正比，與空氣間隙長度 δ 成反比。 圖 磁路 ，磁路中空氣隙總長度為 l0 。 不足 ：存在交流零位信號，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測量 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) ?自感式電感傳感器 可分為變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。 輸出信號強(qiáng) ， 電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百 mV/mm 。 優(yōu)點(diǎn) ： ① 結(jié)構(gòu)簡單 、 可靠 ， 測量力小 銜鐵為 ～ 200 105N時(shí) ， 磁吸力為 (1~10) 105N。 電感測量 ：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。 實(shí)驗(yàn)室用時(shí) ，也可不裝保護(hù)套管 ， 以減小熱慣性 。 熱電偶傳感器原理 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) ?工業(yè)用熱電偶 下圖 。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動(dòng)勢之外還應(yīng)該有冷端溫度信號，如果多個(gè)熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補(bǔ)償導(dǎo)線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個(gè)冷端溫度傳感器和一個(gè)修正 T0的輸入通道就可以了。例如冷端溫度恒定但不為 0℃ 的情況，只需在采樣后加一個(gè)與冷端溫度對應(yīng)的常數(shù)即可。 圖 注意：橋臂 RCu必須和熱電偶的冷端靠近 ， 使處于同一溫度之下 。 在測量結(jié)果中人為地加一個(gè)恒定值 ，因?yàn)槔涠藴囟确€(wěn)定不變，電動(dòng)勢EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上 調(diào)整零點(diǎn) 的辦法，加大某個(gè)適當(dāng)?shù)闹刀鴮?shí)現(xiàn)補(bǔ)償。 用普通室溫計(jì)算出參比端實(shí)際溫度 TH， 利用公式計(jì)算熱電勢 ,然后查表 . 例： 用鎳鉻 ——鎳硅（ K型）熱電偶測溫，熱電偶參考端溫度為 30oC，測得的勢為 28mV，求熱端溫度。 方法 ? 冰點(diǎn)槽法 ? 計(jì)算修正法 ? 補(bǔ)正系數(shù)法 ? 零點(diǎn)遷移法 ? 冷端補(bǔ)償器法 ? 軟件處理法 熱電偶傳感器原理 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里 ， 使 T0=0℃ 。 解：在 E(Tn,T0)中， Tn=30oC， T0=0oC 查分度表有， E(30,0)= E(T,Tn)= 故有：E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=+= 反查分度表有： T=830oC，即測量端實(shí)際溫度為830oC。 熱電偶傳感器原理 圖 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 2. 中間溫度定律 熱電偶 AB兩結(jié)點(diǎn)的溫度分別為 T、 T0 時(shí)產(chǎn)生的熱電勢為 EAB(T, T0) 等于該熱電偶在 T、 Tn及 Tn、 T0時(shí)的熱電勢 EAB(T, Tn)與EAB(Tn, T0)的代數(shù)和 。 如果使 EAB(T0)=常數(shù) ， 則回路熱電勢 EAB(T， T0)就只與溫度 T有關(guān) ， 而且是 T的單值函數(shù) ， 這就是利用熱電偶測溫的原理 。 熱電偶傳感器原理 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 結(jié)論 : 熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶開頭尺寸無關(guān) 。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將該電位差稱為 溫差電動(dòng)勢 。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)由熱端指向冷端的靜電場。 熱電偶傳感器原理 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) （ 2）溫差電動(dòng)勢 A EA(T,To) To T 圖 對于導(dǎo)體 A或 B，將其兩端分別置于不同的溫度場 T、 T0中 (TT0)。 接觸電動(dòng)勢的大小與導(dǎo)體的材料、接點(diǎn)的溫度有關(guān) ，與導(dǎo)體的直徑、長度及幾何形狀無關(guān)。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時(shí)，即自導(dǎo)體 A擴(kuò)散到導(dǎo)體 B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導(dǎo)體 B到導(dǎo)體 A的自由電子數(shù)相等時(shí)，便處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。所以導(dǎo)體 A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體 B得到電子帶負(fù)電荷，于是，在 A、 B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由 A到 B的電場。 熱端 冷端 熱電偶傳感器原理 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) + A B T eAB(T) （ 1）接觸電勢 當(dāng) A和 B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同 (即電子密度不同 )，因此，電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。 回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢 ，叫 熱電勢 。 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) ?熱電偶傳感器測溫原理 ?如圖 ， 兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A和 B組合成閉合回路 ，若導(dǎo)體 A和 B的連接處溫度不同 （ 設(shè) T＞ T0） ， 則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生 ， 也就是說回路中有電動(dòng)勢存在 ， 這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng) 。 熱電偶傳感器是目前使用最廣泛的測溫元件之一。優(yōu)點(diǎn)是：不從被測物體上吸收熱量；不會(huì)干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會(huì)產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。 （ 2）非接觸式傳感器 主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進(jìn)行遙測。因此采用這種方式要測得物體的真實(shí)溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。半橋也同樣能克服溫漂。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 結(jié)果：應(yīng)變片的靈敏度比電阻絲的靈敏度要小 解決辦法：多采用箔式應(yīng)變片 圖 應(yīng)變片軸向受力及橫向