第二章阻抗式結(jié)構(gòu)性傳感器

第二章阻抗式結(jié)構(gòu)性傳感器第1頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器：依靠敏感結(jié)構(gòu)的變形、運動，將被測量轉(zhuǎn)變成測試電路的阻抗；主要有電阻應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器。這類傳感器除結(jié)構(gòu)相似外，它們的共同特點還有：第2頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三1)同時存在兩種轉(zhuǎn)換器件，其一是將被測量轉(zhuǎn)換成變形、位移、運動等機械量的敏感元件，如：彈性元件、各種運動機構(gòu)，敏感元件的形式?jīng)Q定了傳感器的結(jié)構(gòu)；其二是將機械量轉(zhuǎn)換成電阻、電容、電感等電量的轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換元件決定了傳感器的測試原理。僅由轉(zhuǎn)換元件也可以直接構(gòu)成簡單的傳感器，但轉(zhuǎn)換元件的使用范圍（被測量類型、量程等）將受到很大限制。實際上，常常是敏感元件決定了傳感器的功能和外貌。2)這類傳感器是無源性器件，必須有外接電源才能有電信號輸出。因此，傳感器的精度和靈敏度也與供電電壓有關(guān)。第3頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.1阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器的敏感元件

2.1.1彈性敏感元件的主要性能2.1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能2.1.3彈性敏感元件的材料第4頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器的敏感結(jié)構(gòu)可分為彈性變形和運動機構(gòu)兩類。彈性變形式敏感結(jié)構(gòu)的原理是：利用被測量伴隨的力作用，將被測量轉(zhuǎn)變成彈性體的微量彈性變形，或由被測對象直接牽引引起敏感元件的變形或位移。運動機構(gòu)主要作用是運動變換或放大，如將直線運動變換成旋轉(zhuǎn)運動，常用的機構(gòu)主要是齒輪機構(gòu)、杠桿和連桿機構(gòu)，可參考機械設(shè)計的有關(guān)書籍。本章主要介紹彈性敏感元件。第5頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.1.1彈性敏感元件的主要性能彈性敏感元件的主要性能有：彈性特性、靈敏度，剛度、諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)、安全系數(shù)等。第6頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三1、彈性特性：指元件的輸入－輸出特性，一般指力－變形位移（撓度）特性?？捎孟率奖硎荆夯?/p>

(2-1)式中：F表示施加于敏感元件的力或力矩，ε為變形量或位移第7頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2、靈敏度與剛度：靈敏度S由下式表示：敏感元件的剛度是靈敏度的倒數(shù)。理想傳感器要求有較高的靈敏度，同時傳感器的位移與被測量對象的運動誤差無關(guān)，即有足夠的剛性。但是，很多情形下，傳感器的位移也是被測對象的運動誤差。因此，設(shè)計傳感器時應(yīng)當(dāng)綜合考慮。

(2-2)第8頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三3、諧振頻率：彈性敏感元件的固有頻率決定其動態(tài)特性，一般來說，固有頻率越高，動態(tài)特性越好。彈性元件是一個質(zhì)量連續(xù)分布的系統(tǒng)，可以有無窮多個諧振點，一般最關(guān)心諧振頻率的最低一個，稱為基頻。敏感元件的諧振頻率可由計算獲得，但必須由實驗校正?？捎孟率焦烙嫞夯?/p>

me元件的等效振動質(zhì)量，k元件的彈簧常數(shù)。(2-3)第9頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三4、彈性滯后和后效彈性滯后：是指彈性敏感元件在彈性變形范圍內(nèi)，加、卸載的正反行程變形不重合的現(xiàn)象，一般用最大變形滯后與最大變形的百分比表示。加在彈性敏感元件上的載荷發(fā)生變化后，其變形并不能立即隨載荷變化，加載（或卸載）后經(jīng)過一段時間應(yīng)變才增加（或減?。┑揭欢〝?shù)值的現(xiàn)象稱為彈性后效，在動態(tài)測試時，易造成測試誤差。第10頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三5、安全系數(shù)：安全系數(shù)反映敏感元件的承載能力，用下式表示：或：

σ表示材料單位面積的受力，即應(yīng)力，單位為Pa。F為受力或載荷，A為承載面積,[σ]表示材料的許用應(yīng)力。安全系數(shù)越大，敏感元件的過載能力越強，但可能體積越大，越笨重。一般以1.5～5為宜。除上述特性外，還有材料的蠕變、溫度特性等。第11頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能

常用彈性元件主要有：環(huán)形結(jié)構(gòu)、梁、膜片式結(jié)構(gòu)、波紋管和波登管、諧振結(jié)構(gòu)，它們的性能取決于元件的結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)特性。第12頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三1、基本拉壓：材料受力變形的最基本形式是拉壓變形，由下式計算：式中：ε為應(yīng)變，即單位長度的變形，因此它是一個無量綱，習(xí)慣上將10-6稱為一個微應(yīng)變；Δl

是受力后發(fā)生的變形，l為受載變形長度；E為材料的彈性模量，單位Pa，它是一個僅與材料有關(guān)的參數(shù)。一般材料受力方向稱為縱向，受力發(fā)生縱向變形的同時，橫向也會發(fā)生變形，用εx或εy表示，則有下述關(guān)系：y,

μ稱為泊松比，泊松比是材料的基本力學(xué)參數(shù)，一般鋼材可取μ＝0.25，其它材料可從有關(guān)手冊查得。等截面桿件、等壁厚圓筒可視為基本拉伸結(jié)構(gòu)。設(shè)計時應(yīng)滿足：

。第13頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2、彈性梁:變形以彎曲為主的結(jié)構(gòu)稱為彈性梁。按支承形式可分有懸臂梁、簡支梁等；按承載特性可分有等截面梁、等強度梁等。只有一端支承的梁稱為懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示。圖2.1等截面梁圖中，b為懸臂梁截面寬度，l為力的作用點距固定端的長度，h為梁的厚度，x為測試點的位置。圖2.1等截面梁第14頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三圖2.5扁環(huán)形結(jié)構(gòu)3、環(huán)形結(jié)構(gòu)

稱重式傳感器中常用到如圖2.4所示的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。圖2.5所示的扁環(huán)形結(jié)構(gòu)也常用于測量力傳感器;圖2.4環(huán)形結(jié)構(gòu)第15頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三4、膜片式結(jié)構(gòu)膜片式結(jié)構(gòu)可用于測量與微小位移有關(guān)的量。雖然膜片的結(jié)構(gòu)非常簡單，但應(yīng)力分布卻比較復(fù)雜，按膜的形狀可分為平膜片、帶硬中心的膜片和波紋膜等，按受力方式可分為集中力載荷和均布力載荷，按應(yīng)力的性質(zhì)可分為厚膜和薄膜。膜受載后變形，中心的撓度ω0最大。設(shè)膜厚為h，如果ω0/h<1/3，則可按厚膜計算，厚膜的變形以彎曲為主，膜的拉壓處于次要地位；如果ω0/h＞5，則按薄膜計算，認為薄膜是柔軟的，無彎曲剛度和彎曲應(yīng)力，膜的變形以拉壓為主。圖2.6平薄膜受均布載荷1)平膜

平膜適合與測量受均布載荷的情形，圓形平膜的結(jié)構(gòu)如圖所示，

第16頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2)帶有硬中心的膜片

在傳感器中，帶有硬中心的膜片也有廣泛的應(yīng)用，其特征是膜的中心很厚，可以認為是剛體。常利用硬中心將均布壓力轉(zhuǎn)換為集中力，在小位移下有較高的應(yīng)力，因而有更高的靈敏度。圖2.7硬中心的薄膜受均布載荷第17頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三5、彈性諧振元件:彈性諧振元件能將被測量轉(zhuǎn)變成頻率信號，常用的諧振元件有振動弦、振動梁、振動膜和振動筒。6、其它結(jié)構(gòu)傳感器器還常采用波紋管和波登管作敏感元件。波紋管是具有規(guī)則形狀的圓形薄殼，在軸向力、徑向力或扭矩的作用下能產(chǎn)生相應(yīng)的位移，按波紋成型方法可分為無縫波紋管和有縫波紋管。無縫波紋管采用液壓成型，已經(jīng)有完整的規(guī)格系列；有縫波紋管采用膜片沖壓成型，再沿周邊焊接的工藝制造，其性能優(yōu)越，在精密儀器中應(yīng)用廣泛。(a)圓形截面(b)蝶形截面圖2.8波紋管第18頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.1.3彈性敏感元件的材料

對彈性元件材料的性能有以下要求：①強度高，彈性極限高；②有較高的沖擊韌性和疲勞極限；③彈性模量的溫度系數(shù)小而穩(wěn)定④熱處理后有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性；⑤熱膨脹系數(shù)??；⑥具有良好的工藝性，如機械加工性能和熱處理性能；⑦較好的耐腐蝕性能⑧彈性滯后小。一種材料很難滿足上述所有的條件，選用時要根據(jù)傳感器的工作和使用條件綜合考慮。常用的彈性合金可分為兩大類：高彈性合金和恒彈性合金。第19頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.2電阻應(yīng)變式傳感器第20頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理基于四個基本的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：力(F)→應(yīng)變(ε)→電阻變化(?R)→電壓輸出(?V)。其中，力→應(yīng)變由敏感元件完成，這一轉(zhuǎn)換依賴于傳感器的結(jié)構(gòu)；應(yīng)變→電阻變化由電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)換元件完成，即金屬應(yīng)變效應(yīng)；電阻變化→電壓輸出則由測試電路完成，三個轉(zhuǎn)換過程構(gòu)成一個完整的電阻應(yīng)變式傳感器。第21頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.2.1應(yīng)變效應(yīng)

導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外界力的作用時，產(chǎn)生機械變形，機械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。第22頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.2.2電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu):引線--連接測量導(dǎo)線之用蓋層基底與面膠—中間介質(zhì)和絕緣作用電阻絲(敏感柵)—轉(zhuǎn)換元件

電阻應(yīng)變片式傳感器是目前用于測量力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。其基本結(jié)構(gòu)與組成如左圖示意。第23頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三工作原理

對于一長為L、橫截面積為A、電阻率為ρ的金屬絲，其電阻值R為：如果對電阻絲長度作用均勻應(yīng)力，則ρ、L、A的變化(dρ、dL、dA)將引起電阻R變化dR

，dR可通過對上式的全微分求得：第24頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三電阻相對變化量為：若電阻絲是圓形的，則A=πr2,對r微分得dA=2πr

dr，則：ll+dl2r2(r-dr)F圖2-1金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)第25頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三由材料力學(xué)的知識：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，則軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系為：

εy=-μεx

（2-5）

μ為金屬材料的泊松系數(shù)。第26頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三將（2-4）式、（2-5）代入（2-3）式得：KS稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，表示單位應(yīng)變所引起的電阻的相對變化。第27頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三對于確定的材料，(1+2μ)項是常數(shù)，其數(shù)值約在1~2之間，實驗證明dρ/ρ╱εx

也是一個常數(shù)。上式表示金屬絲的電阻相對變化與軸向應(yīng)變成正比關(guān)系。根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系:應(yīng)力σ=εE，即σ∝ε，而ε∝dR，所以σ∝dR

第28頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3電阻應(yīng)變片的分類

金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片第29頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三1．金屬電阻應(yīng)變片:絲式、箔式、薄膜式。(1)金屬絲式應(yīng)變片：將金屬電阻絲（一般是合金，電阻率較高，直徑約0.02mm）粘貼在絕緣基片上，上面覆蓋一層薄膜，使它們變成一個整體。基片覆蓋層金屬絲引線圖2-2金屬絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)第30頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三（2）金屬箔式應(yīng)變片利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.003~0.010mm，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。其優(yōu)點是表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過的電流較大，可制成各種需要的形狀，便于批量生產(chǎn)。圖2-3箔式應(yīng)變片第31頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三（3）金屬薄膜應(yīng)變片

金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。第32頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三常用應(yīng)變片的形式第33頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三金屬應(yīng)變計:第34頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2．半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。當(dāng)半導(dǎo)體材料某一軸向受外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化。當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時，其電阻相對變化為:第35頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三式中為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率的相對變化，其值與半導(dǎo)體敏感條在軸向所受的應(yīng)力之比為一常數(shù)。即代入（2-10）式，得：上式中1+2μ項隨幾何形狀而變化，πLE項為壓阻效應(yīng)，隨電阻率而變化。第36頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三實驗證明πLE比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點是體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測量系統(tǒng)簡單。但其溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性較嚴重。第37頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.2.4電阻應(yīng)變片的重要特性

靈敏度系數(shù).

物理意義：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化

橫向效應(yīng).

機械滯后.

零點漂移和蠕變.應(yīng)變極限.動態(tài)響應(yīng)特性.第38頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.2.4.1

靈敏度系數(shù)金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻—應(yīng)變特性與金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應(yīng)變片的電阻—應(yīng)變特性重新測定。實驗表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變ε在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。即:K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效應(yīng)。第39頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.2.4.2

橫向效應(yīng)

金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應(yīng)變時，構(gòu)件的軸向應(yīng)變ε使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變εr也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。第40頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.2.4.3機械滯后、零漂及蠕變應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。ΔεΔε1機械應(yīng)變εR卸載加載指示應(yīng)變εi圖2-6應(yīng)變片的機械滯后第41頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.2.4.4應(yīng)變極限在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應(yīng)變值。真實應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力時所引起的表面應(yīng)變。εj真實應(yīng)變εg指示應(yīng)變εi圖2-7應(yīng)變片的應(yīng)變極限100%190%第42頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.2.4.5動態(tài)特性應(yīng)變波的波長為；應(yīng)變片的基長為；推導(dǎo)應(yīng)變片在其基長內(nèi)測得的平均應(yīng)變最大值：

第43頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.2.5溫度補償1.

單絲自補償應(yīng)變片由(2-21)式知，若使應(yīng)變片在溫度變化Δt時的熱輸出值為零，必須使即：

單絲自補償應(yīng)變片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達到溫度自補償?shù)哪康?。?4頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.雙絲組合式自補償應(yīng)變片由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達到一定溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實現(xiàn)溫度補償這種應(yīng)變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號相反，即：(ΔRa)t=–(ΔRb)t焊點RaRb第45頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三3.電路補償法

測量應(yīng)變時，使用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測試件的表面,稱為工作應(yīng)變片R1

。另一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，稱為補償應(yīng)變片R2。在工作過程中補償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。補償應(yīng)變片粘貼示意圖R1R2補償塊試件第46頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三4.熱敏電阻補償法熱敏電阻Rt與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的輸入電壓增加，從而提高了電橋的輸出電壓。選擇分流電阻R的值，可以使應(yīng)變片靈敏度下降對電橋輸出的影響得到很好的補償。ER2R4R1R3圖2-10橋路補償法USCRtR第47頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.3電容式傳感器第48頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三各種電容式傳感器:電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器第49頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三

以電容器為敏感元件，將機械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。第50頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作，這是它的獨特優(yōu)點。隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，促使它揚長避短，成為一種很有發(fā)展前途的傳感器。第51頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.3.1電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)2.3.1.1基本工作原理平行極板電容器的電容量為：S——極板的遮蓋面積，單位為m2；ε——極板間介質(zhì)的介電系數(shù)；δ——兩平行極板間的距離，單位為m；ε0——真空的介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F/m；εr——極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)，對于空氣介質(zhì)，εr≈1。第52頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三一、變面積式變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。變面積式電容傳感器還可以做成其他形式。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量第53頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三角位移變面積型:板狀線位移變面積型第54頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三二、變極距式近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，電容傳感器大多都配置了單片機，所以其非線性誤差可用微機來計算修正。為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成差動形式。第55頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三三、變介電常數(shù)式

圖2.24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下表列出了幾種常用氣體、液體、固體介質(zhì)的相對介電常數(shù)。第56頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三介質(zhì)名稱

相對介電常數(shù)r

介質(zhì)名稱

相對介電常數(shù)真空

1

玻璃釉

3~5

空氣

略大于1

SiO2

38

其他氣體

1~1.2①

云母

5~8

變壓器油

2~4

干的紙

2~4

硅油

2~3.5

干的谷物

3~5

聚丙烯

2~2.2

環(huán)氧樹脂

3~10

聚苯乙烯

2.4~2.6

高頻陶瓷

10~160

聚四氟乙烯

2.0

低頻陶瓷、壓電陶瓷

1000~10000

聚偏二氟乙烯

3~5

純凈的水

80

第57頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.3.2應(yīng)用中存在的問題及其改進措施

1變極距型平板電容傳感器的非線性問題變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動結(jié)構(gòu)來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應(yīng)時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。一存在的問題第58頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2邊緣效應(yīng)當(dāng)極板厚度h與極距δ之比相對較大時，電容器極板的邊緣處將不再是均勻電場，邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，還產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖2.30所示。保護環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場強分布，從而克服邊緣效應(yīng)的影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而是在石英或陶瓷等非金屬材料表面上蒸涂一薄層金屬作為極板。第59頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三圖2.30帶有保護環(huán)的電容傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖2.31帶保護環(huán)的電容傳感器圖2.31所示為一帶保護環(huán)的微位移電容傳感器，可用來測量偏心、不平行度、振動振幅等。只要被測對象在所用頻率下是導(dǎo)電的，氣隙中介質(zhì)的介電常數(shù)不隨時間、溫度和機械應(yīng)力而變化，均可獲得較高的測量精度。設(shè)計上如作些改變，還能作介電材料的測厚傳感器。第60頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三3溫度影響環(huán)境溫度的變化可能改變傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)或介質(zhì)的介電常數(shù)，從而改變電容傳感器的輸出相對于被測輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，產(chǎn)生溫度溫度干擾誤差.第61頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三圖2.32電容式傳感器的溫度誤差(1)．溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響電容傳感器由于極板間隙很，靈敏度很高，因而對結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。當(dāng)傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配時，溫度變化將導(dǎo)致極間間隙較大的相對變化，產(chǎn)生很大的溫度誤差。第62頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三現(xiàn)以圖2-32所示變極距型為例，設(shè)定極板厚度為g0，絕緣件厚度b0，動極板至絕緣底部的殼體長為a0，各零件材料的線脹系數(shù)分別為a、b、g。當(dāng)溫度由t0變化Δt后，極板間隙將由δ0＝a0―b0―g0變成δt；由此引起的溫度誤差由此可見，消除溫度誤差的條件為：在設(shè)計電容式傳感器時，適當(dāng)選擇材料及有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以滿足溫度誤差補償要求?；虻?3頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三（2）溫度對介質(zhì)的影響溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質(zhì)，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。例如煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達0.07％℃；若環(huán)境溫度變化±50℃，則將帶來7％的溫度誤差，故采用此類介質(zhì)時必須注意溫度變化造成的誤差。第64頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三4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800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大?！凹纳娙荨苯档土藗鞲衅鞯撵`敏度，且是隨機變化的，使傳感器的工作不穩(wěn)定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求第65頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三二改進措施1消除和減小邊緣效應(yīng)

適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍。電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場的影響。第66頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。

等位環(huán)3與電極2同平面并將電極2包圍，彼此電絕緣但等電位，使電極1和2之間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場。+-等位環(huán)3電極2電極1第67頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2消除和減小寄生電容的影響

寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號影響儀器的精度，必須消除和減小它。第68頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三（1）增加傳感器原始電容值（2）注意傳感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）采用“驅(qū)動電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)（5）采用運算放大器法；（6）整體屏蔽法第69頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三

（1）增加傳感器原始電容值采用減小極片或極筒間的間距(平板式間距為0.2~0.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積或工作長度來增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在10-3~103pF范圍內(nèi)，相對值變化在10-6~1范圍內(nèi)。第70頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三

（2）集成化將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。第71頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三（3）“驅(qū)動電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)

當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度較高)，測量電路只能與傳感器分開時，可采用“驅(qū)動電纜”技術(shù)。采用這種技術(shù)可使電纜線長達10m之遠也不影響儀器的性能。第72頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線(即電纜芯線)通過增益為1的放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。圖3-21“驅(qū)動電纜”技術(shù)第73頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動電纜”。外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。當(dāng)電容式傳感器的初始電容值很大(幾百μF)時，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長達10m，儀器仍能正常工作。第74頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負載。1:1放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負載、放大倍數(shù)為1(準確度要求達1/10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)動電纜”技術(shù)對1:1放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時，也能正常工作。第75頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三（4）整體屏蔽法C1C2CP1CP2Z1Z2-A

將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。圖3-23交流電橋的整體屏蔽第76頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.4電感式傳感器第77頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.4.1電感器式傳感器的原理電感式傳感器種類很多，本章主要介紹基于變磁阻原理的自感式和互感式傳感器，電渦流式傳感器。第78頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三lδ銜鐵Δδ如圖2.33所示：定義為均勻鐵芯的閉合磁路中的磁阻。式中l(wèi)為磁路長度，μ為磁路的磁導(dǎo)率，S為鐵芯面積，磁通量Φ與線圈參數(shù)有如下關(guān)系：第79頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三W為線圈的匝數(shù)，I為線圈的電流強度，WI稱為磁通勢。對于不均勻磁路，如存在鐵芯（固定鐵芯）、街鐵（活動鐵芯）和氣隙（或其它介質(zhì)）的磁路中，總磁阻可分段疊加計算：由于RM而是與結(jié)構(gòu)有關(guān)的參量，改變傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)會引起磁路磁阻的變化，從而引起磁路磁通量的變化。因此，改變磁路的長度li，通磁面積S均可改變磁阻大小，從而改變磁通量Φ的大小:(2-67)第80頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.4.2自感式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)

自感式傳感器實質(zhì)上是一個帶氣隙的鐵心線圈。按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，可分為變氣隙式、變面積式與螺管式三種；按磁路的結(jié)構(gòu)型式又有Π型、E型或罐型等等；按組成方式分，有單一式與差動式兩種。第81頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三圖4-4是變氣隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式自感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)銜鐵3移動時，一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減少，形成差動形式。123444321314（a）變氣隙型（b）變面積型（c）螺管型圖4-4差動式自感傳感器1-線圈2-鐵芯3-銜鐵4-導(dǎo)桿第82頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三1變氣隙型差動式自感傳感器銜鐵下移：第83頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三上式中不存在偶次項，顯然差動式自感傳感器的非線性誤差在±Δδ工作范圍內(nèi)要比單個自感傳感器的小得多。忽略高次項：提高一倍第84頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三差動式與單線圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點：①線性好；②靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時，輸出信號大一倍；③溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減?。虎茈姶盼y力變化的影響也由于能相互抵消而減小。第85頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三三種類型比較：

氣隙型自感傳感器靈敏度高，它的主要缺點是非線性嚴重，為了限制線性誤差，示值范圍只能較?。凰淖杂尚谐绦?，因為銜鐵在運動方向上受鐵心限制，制造裝配困難。

截面型自感傳感器靈敏度較低，截面型的優(yōu)點是具有較好的線性，因而示但范圍可取大些。

螺管型自感傳感器的靈敏度比截而型的更低，但示值范圍大，線性也較好，得到廣泛應(yīng)用。第86頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2螺管式自感傳感器特點：測量范圍大，數(shù)百毫米，靈敏度低，大量程直線位移。差動螺管式自感傳感器測量范圍1~200mm線性度0.1%~1%分辨率<0.01um

第87頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.4.3互感式（差動式）傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理分氣隙型和螺管型兩種。目前多采用螺管型差動變壓器。123(b)螺管型41243(a)氣隙型1初級線圈;2.3次級線圈;4銜鐵第88頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三(a)、(b)變隙式差動變壓器(c)、(d)螺線管式差動變壓器(e)、(f)變面積式差動變壓器第89頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三工作原理類似于變壓器。主要包括有銜鐵、初級繞組、次級繞組和線圈框架等。初、次級繞組的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移的改變而變化。

初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串接而成，且以差動方式輸出，相當(dāng)于變壓器的副邊。所以又把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱為差動變壓器。第90頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.4.4自感式和互感式傳感器的誤差1．輸出特性的非線性變氣隙自感式傳感器，電其輸出與氣隙寬度成反比，在原理就存在非線性誤差，即使變面積型電感傳感器，也由于氣隙邊緣磁場不均勻等原因，實際上也存在非線性誤差。此外，測量電路也往往存在非線性。為了減小非線性，常用的方法是采用差動結(jié)構(gòu)和限制測量范圍。例如變氣隙式常?。?/5一1/10）氣隙長度，螺管式?。?/3～1/10）線圈長度。對于螺管式自感式傳感器，增加線圈的長度有利于擴大線性范圍或提高線性度。在工藝上應(yīng)注意導(dǎo)磁體和線圈骨架的加工精度、導(dǎo)磁體材料與線圈繞制的均勻性，對于差動式則應(yīng)保證其對稱性。 采用差動結(jié)構(gòu)，可以抵消誤差的偶次項，十分有利于減小傳感器的非線性誤差。第91頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三

2．零位誤差當(dāng)差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，當(dāng)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。如圖是擴大了的零點殘余電壓的輸出特性。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。圖2.38零位誤差

圖2.39零位誤差的波形第92頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三產(chǎn)生零位殘余誤差的原因十分復(fù)雜，但從示波器上可看到，零位殘余誤差含有基波和高次諧波，如圖2.39所示。一般來講，產(chǎn)生零位殘余誤差的主要原因有：傳感器線圈的電電氣參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸不可能完全一致，這是產(chǎn)生基波的主要原因；電感線圈不是理想電感，存在鐵損，導(dǎo)致磁化曲線非線性；線圈中還存在寄生電容，在線圈子的外殼、鐵心間存在分布電容；這是產(chǎn)生高次諧波的原因。此外，電感式傳感器是無源性器件，其輸出與電源電壓成正比，因此，電源電壓中的高次諧波也會疊加到傳感器輸出中。第93頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三

3．溫度誤差

圖2.40

溫度補償電路

環(huán)境溫度的變化會引起自感傳感器的零點溫度漂移、靈敏度溫度漂移以及線性度和相位的變化，造成溫度誤差。環(huán)境溫度對自感式傳感器的影響主要通過（1）材料的線膨脹系數(shù)引起零件尺寸的變化，（2）材料的電阻率溫度系數(shù)引起線圈銅阻的變化，（3）磁性材料磁導(dǎo)綱度系數(shù)，繞阻絕緣材料的介質(zhì)溫度系數(shù)和線圈幾何尺寸變化引起線圈電感量及寄生電容的改變等造成。上述因素對單電感傳感器影響較大，特別對小氣隙式與螺管式影響更大，而第（2）項對低頻激勵的傳感器影響較大。第94頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三

4．互感式傳感器的溫度誤差圖2.41

差動變壓器零位補償為減小溫度誤差，還可采取穩(wěn)定激勵電流的方法，如圖2.40所示。在初級串入一高阻值降壓電阻R，或同時串入熱敏電阻RT進行補償。適當(dāng)選擇RT，可使溫度變化時原邊總電阻近似不變，從而使激勵電流保持恒定。零位補償電路有許多種，最簡單的補償方法是在輸出端接一可調(diào)電位器器，如圖2.41所示。改變電位器電制的位置，可使兩只次級線圈的輸出電壓的大小和相位發(fā)生改變，從而使零位電壓為最小值。這種方法對零位電壓中基波正交分量有顯著的補償效果，但無法補償諧波分量。如果在輸出端再并聯(lián)一只電容器C，就可以有效地補償零位電壓的高次諧波分量。第95頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.4.5電渦流式傳感器2.4.5.1工作原理圖4-22電渦流式傳感器原理圖（a）傳感器激勵線圈;（b）被測金屬導(dǎo)體第96頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三

根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場H2。根據(jù)愣次定律，H2的作用將反抗原磁場H1，由于磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。第97頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三式中,r為線圈與被測體的尺寸因子。測量方法：如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。Z=F(ρ,μ,r,f,x)傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為(4-40)第98頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.4.5.2電渦流傳感器測量電路主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。

1.調(diào)頻式電路圖4-28調(diào)頻式測量電路(a)測量電路框圖；(b)振蕩電路第99頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三

傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x),該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過f-V變換，用數(shù)字電壓表測量對應(yīng)的電壓。振蕩器的頻率為為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將L、C裝在傳感器內(nèi)。此時電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對振蕩頻率f的影響將大大減小。第100頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.調(diào)幅式電路由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路如圖4-29所示。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率（f0）穩(wěn)定的激勵電流io，LC回路輸出電壓（4-48）式中,Z為LC回路的阻抗。第101頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三圖4-29調(diào)幅式測量電路示意圖第102頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)金屬導(dǎo)體遠離或去掉時，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)放大、檢波后，由指示儀表直接顯示出x的大小。除此之外，交流電橋也是常用的測量電路。第103頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.4.5.3電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)和類型

1．反射式變間隙式是電渦流式傳感器中最常用的一種結(jié)構(gòu)型式。它的結(jié)構(gòu)很簡單，由一個扁平線圈固定在框架上構(gòu)成。線圈用高強度漆包銅線或銀線繞制（高溫使用時可采用欽鎢合金線），用粘結(jié)劑粘在框架端部或繞制在框架槽內(nèi)，后者如圖3.44所示。圖3.44電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)1─線圈；2─框架；3─襯套；4─支座；5─電纜；6─接頭第104頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2．透射式這種類型與前述反射式主要不同在于它采用低頻激勵，貫穿深度大，適用于測量金屬材料的厚度。圖2.45為其工作原理示意。圖2.45透射式渦流傳感器工作原理

第105頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.5調(diào)理電路第106頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.5．1電橋式測量電路

直流與交流電橋1．電橋的分類阻抗式傳感器將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電阻、電容或電感等電量的變化，但電量變化一般都很微小，不僅難以精確測量，也不便于直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把這些電量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。具有這種轉(zhuǎn)換功能的電路謂之測量電路，通常由應(yīng)變測量電橋作為前端電路。典型的電橋如圖2-48所示：四個臂Z1、Z2、Z3、Z4按順鐘向為序AC為電源端，BD為輸出端。AB、BC、CD及DA都稱為電橋的一個臂。當(dāng)一個臂、二個臂乃至四個臂接入傳感器時，就相應(yīng)謂之單臂工作、雙臂工作和全臂工作電橋。測量電橋按如下方法分類。圖2.48電橋結(jié)構(gòu)第107頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三（1）按電源分，有直流電橋和交流電橋。

直流電橋橋臂只能接入電阻性元件（應(yīng)變計）。它主要用于電橋輸出可直接顯示（如接磁電式指示器或光線示波器振子）而無需中間放大的場合。如半導(dǎo)體應(yīng)變計。交流電橋橋臂可以是R、L、C。主要用于輸出需放大的場合，如金屬應(yīng)變計等。（2）按工作方式分，有平衡橋式電路（零位測量法）和不平衡橋式電路（偏差測量法）。

圖2.48電橋結(jié)構(gòu).

平衡橋式電路帶有手調(diào)或自調(diào)整橋臂平衡的伺服反饋機構(gòu)。儀表指示測量值時，電橋處于平衡狀態(tài)。常用于高精度、長時間靜態(tài)應(yīng)變測量，如雙橋式靜態(tài)應(yīng)變儀。

不平衡橋式電路的輸出，是與橋臂應(yīng)變量成一定函數(shù)關(guān)系的不平衡電量，然后放大、顯示。儀表指示測量值時，電橋處于不平衡狀態(tài)，它響應(yīng)快，便于處理；常用于動態(tài)應(yīng)變測量。第108頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三(3）按橋臂關(guān)系分，有：①對輸出端對稱（第一種對稱）電橋（Z1=Z2，Z3=Z4）；②對電源端對稱（第二種對稱）電橋（Z1=Z4，Z2=Z3）；③半等臂（ZI=Z2，Z3=Z4）和全等臂電橋（Z1＝Z2＝Z3＝Z4）。（4）接負載輸出電壓或電流的不同要求：電橋還可分電壓輸出橋和功率輸出橋。第109頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2．直流電壓電橋的輸出直流電橋只能接入電阻，適用于電阻應(yīng)變式傳感器。因此圖2-48中Z=R，當(dāng)橋路負載電阻RL很大時，Io可以忽略，此時輸出的電壓靈敏度最高。平衡條件為：各臂應(yīng)變計電阻變化分別為△R1、△R2、△R3、△R4。輸出電壓為Uo：第110頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三由于在分母中含有電阻變化量，輸出電壓變化ΔUo與電阻變化△R1、△R2、△R3、△R4為非線性關(guān)系，但在小的電阻變化時可近似為線性。如果只有一個橋臂R1為傳感器，其它橋臂為平衡固定電阻，且：R1＝R2＝R3＝R4＝Ｒ，則上式為：分母中忽略△R，則：由此引起的相對誤差為：第111頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三一般金屬應(yīng)變計的K＝1.8～4.8，因此=(0.45～1.2)％。

若采用半導(dǎo)體應(yīng)變計，設(shè)K=120，其他條件同上，則由此可見：

①采用金屬應(yīng)變計，在一般應(yīng)變范圍內(nèi)，非線性誤差

＜l％。故在此允許的非線性范圍內(nèi)，金屬應(yīng)變計電橋的電壓輸出特性可由式（2-105）表示成線性關(guān)系。②采用半導(dǎo)體應(yīng)變計時，由于非線性誤差隨K而大增，必須采取補償措施第112頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三3．電橋的非線性誤差及其補償

從上述分析可以看出，電橋的輸出特性實際上都與應(yīng)變呈非線性關(guān)系。當(dāng)測量精度要求較高或變傳感器的靈敏度較時，這種非線性誤差必須適當(dāng)補償。1）恒流源補償法

應(yīng)變電橋非線性誤差的成因，主要由于應(yīng)變電阻△Ri的變化引起工作臂電流的變化所致。采用恒流源，可望減小非線性誤差。如圖2.49，恒流源供電，圖2.49恒流源電橋第113頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2）差動電橋補償法

差動電橋法就是利用上述電橋輸出特性中呈現(xiàn)的相對臂與相鄰臂之“和”、“差”特征，通過應(yīng)變計的合理布置與接橋來達到補償目的的。圖2.50四臂差動電橋圖2.51雙臂差動電橋第114頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三四臂差動工作，不僅消除了非線性誤差，而且輸出為單臂工作是的4倍。此外，差動電橋還能有效地消除或補償溫度引起的誤差。采用雙臂差動電橋時，消除了溫度的影響和非線性誤差，還使電橋的輸出提高1倍。提高靈敏度、降低非線性誤差、有效地補償溫度誤差是差動技術(shù)的特點，在電橋測量中有廣泛的應(yīng)用。第115頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三4.信號調(diào)理電路

對于橋路電壓的放大，一般采用圖2.52所示儀表放大器（或稱儀器放大器、數(shù)據(jù)放大器）電路解決。圖2.52儀表放大器第116頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三5．交流電橋

1)緊耦合電感電橋（Blumlein電橋）

圖2.54所示為用于電容傳感器測量的緊耦合電感臂電橋。其結(jié)構(gòu)特點是兩個電感橋臂互為緊耦合。圖2.54緊耦合電感臂電橋圖圖2.55用緊耦合和不耦合電感做橋臂時的靈敏度第117頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三電橋輸出電壓的一般表達式為：

輸出特性曲線如圖2.55所示。諧振點在即對于小的

值，緊耦合的靈敏度是無耦合的二倍；對于高的

值，無耦合時不存在靈敏度與頻率（或電感）變化無關(guān)的區(qū)域，因而穩(wěn)定性很差。

緊耦合電感電橋抗干擾性好、穩(wěn)定性高，目前已廣泛用于電容式傳感器中，同時它也很適合較高載波頻率的電感式和電阻式傳感器使用。第118頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2)電容傳感器測量電橋

如圖2.56所示，C1、C2為傳感器的兩個差動電容圖2.56變壓器電橋電橋的空載輸出電壓為

對變極距型電容傳感器可見，對變極距型差動電容傳感器的變壓器電橋，在負載阻抗極大時，其輸出特性呈線性第119頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三3）電感傳感器測量電橋自感式傳感器常用的交流電橋有以下幾種圖2.57輸出端對稱電橋（a）一般形式(b)變壓器電橋源端對稱電橋

如圖2.58所示圖2.58電源端對稱電橋第120頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三4)電容式和電感式傳感器的辨向電路電感式和電容式傳感器采用交流電橋作測量電路，電橋輸出電壓的極性不能反映銜鐵或動極板的運動方向，需要專門的差分電路來辨向。圖2.59相敏檢波電路(a)帶相敏檢波的交流電橋(b)實用電路第121頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.5．2阻抗式傳感器的差動結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)型傳感器依靠其靈活的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)各種樣的功能，差動技術(shù)由于能實現(xiàn)溫度影響補償、有效地減小非線性誤差并提高傳感器的靈敏度，因此在結(jié)構(gòu)型傳感器中應(yīng)用較為普遍。1．電阻應(yīng)變式傳感器的差動結(jié)構(gòu)

如圖2.60為典型的應(yīng)變式傳感器差動結(jié)構(gòu)。圖2.60差動式應(yīng)變梁第122頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2．電容式傳感器的差動結(jié)構(gòu)圖2.61所示為差動電容式傳感器結(jié)構(gòu)。圖2.61變極距型差動式結(jié)構(gòu)第123頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三3．差動式自感傳感器單一型自感式傳感器，由于線圈電流的存在，它們的銜鐵受單向電磁力作用，而且易受電源電壓和頻率的波動與溫度變化等外界干擾的影響，因此不適合精密測量。在不少場合，它們的非線性（即使是變面積式傳感器，由于磁通的邊緣效應(yīng)，實際上也存在非線性）限制了使用。因此，絕大多數(shù)自感式傳感器都運用差動技術(shù)來改善性能。圖2.62差動自感傳感器（a）氣隙式；(b)變截面式；(c)螺管式1，2―線圈；3―鐵芯或磁性套管；4―銜第124頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.5．3電流電壓積分差動電路

1．積分電路電容式傳感器常用積分電路來測量，圖2.65示為由運算放大器構(gòu)成的簡單積分電路。圖2.65積分運算電路2．雙T二極管交流電橋如圖2.64所示：U是高頻電源，提供幅值為U的對稱方波（正弦波也適用）；D1、D2為特性完全相同的兩個二極管，R1＝R2=R；C1、C2為傳感器的兩個差動電容。圖2.64雙T二極管交流電橋第125頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三

3脈沖調(diào)寬電路圖2.66為一種差動脈沖寬度調(diào)制電路。圖中C1和C2為傳感器的兩個差動電容。線路由兩個電壓比較器IC1和IC2，一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器FF和兩個充放電回路R1C1和R2C2（R1＝R2）所組成；Ur為參考直流電壓；雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端電平由兩比較器控制。圖2.66差動脈沖調(diào)寬電路第126頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.5．4直接放大

1.運算放大器直接放大圖2.68為其電原理圖。CX為傳感器電容，它跨接在高增益運算放大器的輸入端和輸出端之間。放大器的輸入阻抗很高（

），因此可視作理想運算成大器。圖2.68運算放大器直接放大第127頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.專用集成電路圖2.69MS3110電容通用讀出集成電路已有一些專用集成電路可用于電容測量。MS3110便是其中一例，內(nèi)部原理如圖2.69所示。圖2.69MS3110電容通用讀出集成電路第128頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三3.頻率式測量電路：阻抗式電路還常采用頻率式測量電路。將電容式傳感器或電感式傳感器接入高頻振蕩器的LC諧振回路中，當(dāng)被測量變化使傳感器的電容或電感改變時，振蕩器的振蕩頻率

隨之改變。測定頻率或經(jīng)鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)換成電壓幅值的變化，就可測得被測量的變化。一種電路如圖2.70所示。圖2.70調(diào)頻電路原理圖第129頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.6微機械傳感器第130頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)通常稱為微機電系統(tǒng)技術(shù)，其含義是指可批量制作的、集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、包括接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS可以完成大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)；可以嵌入到大尺寸系統(tǒng)中，把自動化、智能化和可靠性水平提高到一個新的水平。

由于微機電系統(tǒng)是在微機械傳感器基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，因此微機械傳感器不僅具有微機電系統(tǒng)的典型特征，而且是微機電系統(tǒng)中一個非常有特色的獨立分支，也是目前微機電系統(tǒng)中發(fā)展最快、已經(jīng)具有實用價值的研究方向之一。第131頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.6．1微機電系統(tǒng)的分類和特點

微機電系統(tǒng)是指總尺度在毫米級以下的機電系統(tǒng)，表2-2給出了以尺度為標準的分類第132頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三表2-2微機電系統(tǒng)的分類第133頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三微機械系統(tǒng)有以下特點：(1)微機械中起主導(dǎo)作用的力是表面力。由于體積是長度的三次方，表面積是長度的兩次方，因此微機械體積的縮小要快于表面積的縮小。這將使表面力（如摩擦力、靜電力）和體積力（如重力）之比相對增大，表面力成為微機械系統(tǒng)統(tǒng)中的主導(dǎo)作用力。隨著尺寸的縮小，粘性力、靜電力、摩擦力成為影響微機械性能的主要因素。(2)材料不同。首先，微機械裝置制品的尺寸可能接近甚至小于材料的晶體尺寸，由于尺寸微小，材料的內(nèi)部缺陷減少，材料的機械性能與常態(tài)相比有很大提高，表征材料性能的物理量需要重新定義；其次，微小尺寸下材料會表現(xiàn)出更多的各向異性；再其次，微機械傳感器多采用硅作為原材料，也有用石英作為原材料，材料不同將導(dǎo)致系統(tǒng)的性能和工藝與普通機電裝置都有很大的區(qū)別。第134頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三(3)能源供給。對于具有移動和轉(zhuǎn)動功能的微型機械系統(tǒng),電纜成為運動的障礙,所以一般不采用電纜供電。目前微機械一般用靜電力供能,此外常用振動直接激勵供能(壓電、電磁及形狀記憶合金制動)、熱力供能等。（4）由于尺寸微小，微機電傳感器的信號十分微弱，相應(yīng)地外界的干擾信號就顯得很大，因此，微機械傳感器的信號獲取、傳輸都與傳統(tǒng)傳感器不同。（5）制品的性能不同。微機械尺寸小，重量輕，但表面積相對大，導(dǎo)致構(gòu)件的慣性小，而熱傳導(dǎo)、動態(tài)響應(yīng)快，遲滯小，重復(fù)性好等優(yōu)點。第135頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三（6）微機電系統(tǒng)的設(shè)計理論和制造方法與普通傳感器不同。由于主要阻力、驅(qū)動力的變化,使運動學(xué)和動力學(xué)方程起主要作用的因素改變。需要新的構(gòu)造原理和控制方式、新的驅(qū)動原理和方法；由于微機械器件結(jié)構(gòu)的微型化,需要新的制造工藝和裝備；另外，由于尺寸細小導(dǎo)致制造工藝的復(fù)雜化，使微機械產(chǎn)品的研制成本和風(fēng)險大大增加，因此，微機械傳感的設(shè)計方法需要新的理論指導(dǎo)，而仿真設(shè)計在微機電系統(tǒng)設(shè)計中占有更重要的地位。（7）微機械傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。它不僅能代替?zhèn)鹘y(tǒng)通傳感器，還能應(yīng)用于傳統(tǒng)傳感器無法涉及的領(lǐng)域，如人體血管微環(huán)境的監(jiān)測。第136頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.6．2微機械傳感器的制造技術(shù)微機械傳感器有其獨特的加工方法，而這些制造工藝能更好地說明微機械傳感器的特點?；竟に囉校荷L、摻雜、腐蝕、刻蝕、淀積、犧牲層、鍵合、制膜等。其中光刻、腐蝕、鍵合、制膜是最基本的方法。第137頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三1.光刻（LIGA）技術(shù)：光刻的原理是光只對掩膜版上的透明區(qū)起作用，掩膜版下面是一層光敏材料層，受光照后可以顯影。被光照的區(qū)域在顯影過程中溶解，原來被掩蓋的地方就暴露出來，以便進一步的工藝處理。光刻技術(shù)可以刻蝕出深度（或稱高度）為數(shù)百um，而寬度僅1um的平面三維結(jié)構(gòu)。LIGA的缺點是只有制造出不能自由活動的結(jié)構(gòu)，為此，將光刻技術(shù)與犧牲層技術(shù)結(jié)合，形成一種新的SLIGA技術(shù)。2.鍵合技術(shù)：鍵合的意思是依靠化學(xué)鍵的靜電引力實現(xiàn)兩個零件的永久性接合，相當(dāng)于常規(guī)制造中的焊接技術(shù)，但其原理不同。第138頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三3.腐蝕：腐蝕技術(shù)是體成型技術(shù)，用以加工各種形狀的元件或形狀。包含材料去除方法和去除過程控制兩方面的含義。腐蝕方法可分為干法刻蝕（惰性氣體腐蝕）和濕法腐蝕（化學(xué)溶液腐蝕）。其中最重要的是濕法腐蝕。濕法腐蝕又可分為各向同性腐蝕和各向異性腐蝕4.薄膜生成技術(shù)：微機械傳感器常需要在襯底材料的表面制作有各種各樣的膜，如多晶硅膜、二氧化硅膜、合金膜及金剛石膜等。膜可以作為敏感膜，或作為絕緣膜，或起防腐等保護作用?？煞譃槲锢淼矸e法和化學(xué)淀積法兩種。第139頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三5.犧牲層技術(shù)：用光刻的方法只能制作平面三維結(jié)構(gòu)，為了獲取內(nèi)部空腔和可活動的三維結(jié)構(gòu)，必須采用犧牲層技術(shù)。其方法是將多層膜組合在一起，設(shè)法腐蝕掉兩層薄膜中下面（或是里面）的一層，在膜與襯底之間或膜與膜之間形成內(nèi)部的空腔。被腐蝕掉的一層稱為犧牲層。犧牲層是一種為制作某種形狀而設(shè)置的工藝結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)對創(chuàng)造新的元件、敏感結(jié)構(gòu)有重大的意義。薄膜生成技術(shù)和犧性層技術(shù)合稱表面成型技術(shù)第140頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2.6．3微機械傳感器的結(jié)構(gòu)和原理

傳感器首先是一個能量轉(zhuǎn)換裝置，微機械傳感器常用的換能機理有壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)、光學(xué)共振和干涉、電容與幾何尺寸的關(guān)系等；此外，流體傳感器常應(yīng)用熱疇的方法。以下以加速度傳感器為例介紹的微機械傳感器原理第141頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三1．電容式硅微加速度傳感器原理微硅加速度傳感器的工作原理與一般常用的加速度傳感器如液浮擺式加速度傳感器、石英加速度傳感器、金屬撓性加速度傳感器等的工作原理基本一樣，都有一個質(zhì)量擺敏感加速度，并轉(zhuǎn)換為電容信號。但硅微電容式加速度傳感器多為力平衡式傳感器，目前它的敏感部可分為單擺式結(jié)構(gòu)、梳齒結(jié)構(gòu)、蹺蹺板式結(jié)構(gòu)。如圖2.71所示為最基本的單擺式結(jié)構(gòu)。圖2.71質(zhì)量擺的結(jié)構(gòu)第142頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三圖2.72為傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)被測對象的速度變化時，質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力使懸臂梁彎曲，產(chǎn)生一個擺角，導(dǎo)致差動電容改變，此信號經(jīng)電子線路相敏放大后反饋到力矩器。力矩器在差動電容上產(chǎn)生反饋力矩（靜電力）與加速度產(chǎn)生的慣性力矩平衡，使活動質(zhì)量塊保持在原有的平衡位置,反饋電壓的正負和大小可度量輸入加速度的方向和大小。圖2.72電容式硅微加速度傳感器（平衡式）第143頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三2．壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質(zhì)量塊，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測量電橋。在慣性力作用下質(zhì)量塊上下運動，懸臂梁上電阻的阻值隨應(yīng)力的作用發(fā)生變化，引起測量電橋輸出電壓變化。一種體加工三軸加速度計的結(jié)構(gòu)如圖2.73所示，它主要應(yīng)用硅硅鍵合技術(shù)(SDB)和多晶硅淀積的方法制作。圖2.73硅壓阻式加速度傳感器第144頁，共165頁，2023年，2月20日，星期三3．硅熱電耦式加速度傳感器硅微熱電耦式的加速度傳感器目前多應(yīng)用于低成本的傳感器領(lǐng)域。這類加速度傳感器既可以測量動態(tài)加速度，也可以測量靜態(tài)加速度。它基于熱交換原理，介質(zhì)是氣體。如圖2.74所示，熱源處于硅片的中央，硅片懸在空穴中間。在熱源的四周均勻分布有