【正文】 擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片是將 P型雜質(zhì)擴(kuò)散到 N型硅單晶基底上 ， 形成一層極薄的 P型導(dǎo)電層 ， 再通過(guò)超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片 。 但它的溫度穩(wěn)定性差 ， 在較大應(yīng)變下 ， 靈敏度的非線性誤差大 。 通?？梢酝ㄟ^(guò)電橋?qū)㈦娮璧淖兓D(zhuǎn)變成電壓或電流信號(hào) 。 為便于討論 ，假設(shè)電橋的輸入電源內(nèi)阻為零 ， 輸出為空載 。 當(dāng)在電橋的輸出端接有檢流計(jì)時(shí) ， 流過(guò)檢流計(jì)的電流為零 ， 即平衡電橋應(yīng)滿足 4321RRRR ? （ 312） 在上述電橋中 ， R1為受感應(yīng)變片 ， 即單臂受感 。 ? ? ? ?? ? EE 432114143321111RRRRRRRRRRRRRRRUo ??????????????????????E113412111134??????????????????????RRRRRRRRRR （ 313） （ 314） 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 ? ? ERΔRnnU112o 1 ??設(shè)橋臂比為 ， nRR ?12由于 Δ R1R1 ，則分母中 11RR?項(xiàng)可忽略。下面分析當(dāng)供橋電壓Ｅ確定后 ， ｎ 應(yīng)取何值 ， 電橋電壓靈敏度才最高 。 即當(dāng) ， 電橋的靈敏度最高 。 13412 ??RRRR第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 電容式傳感器常用的是平板電容器和圓筒形電容器 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 36平行板電容器 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，平行板電容器的電容為 dAεεC r0? （ 318） ? ? ? ?? ?m/m/pF1m/F1094112110??????????(319) 式中 :C——電容量（ F ε 0—— ε r —— A——極板的有效面積（ m2 d—— 兩平行極板間的距離（ m）。 則圓筒形電容器的電容為 rRlεπεC rln2 0?（ 320） 當(dāng)被測(cè)非電量使得式 （ 318） 中的 A、 d或 ε 發(fā)生變化時(shí) ，電容量 C也隨之變化 。因此 ， 電容量變化的大小與被測(cè)參數(shù)的大小成比例 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 37圓筒形電容器 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 變極距型電容傳感器如圖 38所示 ， 它有一個(gè)固定極板和可動(dòng)極板 ， 其間為空氣介質(zhì) 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 38變極距型電容傳感器 (a)移動(dòng)型； (b)感應(yīng)型； (c)差動(dòng)型 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 當(dāng)動(dòng)極板因被測(cè)量變化而向上移動(dòng)使 d減小 Δd時(shí)，電容量增大 ΔC，則有 ddCddAεεCC rΔ11ΔΔ 0 ????等式兩邊同時(shí)除以 C，有 dΔddΔdCΔC11?（ 322） 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 如果滿足 Δ d/d1時(shí)，則式（ 322）可用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)成 ????????????????????????? . . .dΔddΔddΔddΔdCΔC 321（ 323） 略去高次非線性項(xiàng)，則可得近似線性關(guān)系和靈敏度 Kc，其關(guān)系式分別為 dΔdCΔC ?dΔdCΔCKc1??（ 324） （ 325） 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 圖 39 變極距型電容傳感器的特性曲線 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 Kc稱為電容傳感器的靈敏系數(shù) 。 其輸出特性曲線如圖 39所示 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 （ 1） 既要提高靈敏度 ， 又要減小非線性誤差 ， 可采 （ 2）既要提高靈敏度，又不使極板介質(zhì)擊穿，可在兩極板之間加固定介質(zhì)。 圖 311差動(dòng)變極距型電容傳感器 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 這種傳感器工作時(shí)，如果動(dòng)極板上移 Δ d，則 ddd ???1 ddd ???2（ 328） ???????????????????????????? . ..dΔddΔddΔdCdΔdCΔCCC321 111（ 329） ????????????????????????????? .. .dΔddΔddΔdCdΔdCΔCCC322 111（ 330） 電容總的變化為 ??????????????????? . . .dΔddΔdCCCΔC 321 22（ 331） 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 電容的相對(duì)變化為 ???????????????????????? . . .dΔddΔddΔdCΔC 4212 （ 332） 略去高次項(xiàng)，則 與 的近似線性關(guān)系式為 CΔCdΔddΔdCΔC 2? （ 333） 則差動(dòng)電容傳感器的靈敏度為 c22KdΔdCΔCK ???（ 334） 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 電容式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電容量的變化 ， 但由于電容及其變化量均很小 （ pF級(jí) ） ， 因此必須借助測(cè)量電路檢測(cè)出這一微小電容及增量 ， 并將其轉(zhuǎn)換成電壓 、 電流或頻率 ，以便于顯示 、 記錄或傳輸 。 第 3章 安全檢測(cè)常用傳感器 1） 為克服電容式傳感器極距的變化呈非線性關(guān)系缺點(diǎn) ，最方便 、 簡(jiǎn)單的辦法就是把變極距型電容傳感器作為比例運(yùn)算放大器的反饋環(huán)節(jié) ， 如圖 312所示 。 此電路常用于位移測(cè)量傳感器 。 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 。 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 。 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 。 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 。 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 。 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 。 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?。 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 。 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 。 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 。 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） 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 。 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） 。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 。 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 。（ b）變氣隙截面式 。 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 。 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 。 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 。 輸出特性如圖圖 318（ b） 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 。 線圈電感量的大小與銜鐵插入深度有關(guān) 。 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 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 。 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 。 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 。 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 圖 320 （ a）結(jié)構(gòu)原理 。(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) 。 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 。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 。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 。 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 。 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 。（ 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)鐵芯在零位時(shí) ， uo=0， 鐵芯在零位以上或零位以下時(shí) ， 輸出電壓的極性相反 ， 于是零點(diǎn)殘余電壓會(huì)自動(dòng)抵消 。 100mm） 、 靈敏度高 、 穩(wěn)定性好和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) ， 被廣泛用于直線位移的測(cè)量 。 根據(jù)法拉第電