機(jī)械工程測試技術(shù)（第3版）課件：參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用

參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用內(nèi)容概要4.1傳感器概念4.2電阻式傳感器及其調(diào)理電路4.3電感式傳感器及其調(diào)理電路4.4電容式傳感器4.5電渦流傳感器4.1傳感器概念基本概念信息檢測中不可缺少的首要環(huán)節(jié)，直接影響測試系統(tǒng)的整體測試精度工程實(shí)際中俗稱測量頭、檢測器等，也稱為一次儀表傳感器Transducer/Sensor/probe4.1傳感器概念國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—87）對傳感器定義:感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。一個指定的傳感器，只能感受規(guī)定的物理量：電量、非電量輸入輸出關(guān)系服從一定規(guī)律，可以復(fù)現(xiàn)——公認(rèn)、標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出信號中載有被測量信息，是能夠傳送的電信號、光信號、氣動信號4.1傳感器概念組成感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測量電量敏感元件直接感受被測量轉(zhuǎn)換為有確定關(guān)系的易變成電量的其它量轉(zhuǎn)換元件將其它物理量直接轉(zhuǎn)換為有確定關(guān)系的電量的元件便于遠(yuǎn)傳、接收的信號4～20mA、±5V服從一定的可復(fù)現(xiàn)的規(guī)律V＝f（p）、Q＝f（p）R＝f（σ）L＝f（x）規(guī)定的物理量壓力應(yīng)變振動、位移

一般傳感器4.1傳感器概念結(jié)構(gòu)敏感元件（彈性結(jié)構(gòu)）——

力、轉(zhuǎn)矩應(yīng)變轉(zhuǎn)換元件（應(yīng)變片）——

應(yīng)變電阻

轉(zhuǎn)換電路（電橋）——電阻電壓C型彈簧管（波登管）：

一端開通，一端封閉，當(dāng)流體進(jìn)入管中后封閉端產(chǎn)生位移，其位移大小正比于流體的壓強(qiáng)。敏感元件：C型管（波登管）壓強(qiáng)→位移轉(zhuǎn)換元件：銜鐵、線圈位移→電感5—C型彈簧管6、8—線圈7—銜鐵9—機(jī)械零點(diǎn)調(diào)零螺釘

敏感元件與轉(zhuǎn)換元件合并。位移→電容4.1傳感器概念4.1傳感器概念基本特性傳感器是測試系統(tǒng)的一個基本單元，基本特性包括：靜態(tài)特性測量范圍、靈敏度、精度等動態(tài)特性工作帶寬、頻響曲線4.1傳感器概念分類按輸入量/用途分類:適合于使用者機(jī)械量：位移、力、速度、加速度、振動熱工量：溫度、壓力、流量、流速光學(xué)量：光強(qiáng)、光通量、輻射能按輸出量性質(zhì)分類：適合于研發(fā)者電參數(shù)型：R、L、C——工程參數(shù)→電參數(shù)基本類型:電阻、電感和電容式無源傳感器：本身沒有內(nèi)在的能量轉(zhuǎn)換電量型/發(fā)電式：電壓、電流、電荷——工程參數(shù)→電信號基本類型:壓電式、磁電式、光電式、霍爾式以及熱電式有源傳感器：本身就有內(nèi)在的能量轉(zhuǎn)換4.2電阻式傳感器4.2.1定義將非電量變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。測量的物理量力、扭矩——應(yīng)變片——電阻溫度——熱敏電阻轉(zhuǎn)換元件電阻R轉(zhuǎn)換電路直流電橋電阻R4.2電阻式傳感器4.2.2應(yīng)變片式傳感器工作原理：應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變片的電阻：材料在軸向受力的作用，產(chǎn)生機(jī)械變形/結(jié)構(gòu)變形——微應(yīng)變Al可見：第一項為幾何尺寸變化所致，第二項為電阻率變化所致。4.2電阻式傳感器

4.2電阻式傳感器應(yīng)變片技術(shù)參數(shù)類型金屬應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片測量范圍με0.1～500000.001～3000靈敏系數(shù)1.8～4.550～200標(biāo)稱阻值Ω120，350，600，…，50001000～5000電阻受溫度影響溫度系數(shù)是正值溫度系數(shù)是負(fù)值，0.15%/0C電阻容差0.1%～0.35%1%～2%有效柵長度/mm0.4～150標(biāo)準(zhǔn)值：3～101～5

金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的性能比較金屬應(yīng)變片：

優(yōu)點(diǎn)是靈敏度一般為常數(shù)。溫度影響比半導(dǎo)體小，由溫度引起的電阻變化與試件應(yīng)變帶來的電阻變化也幾乎是同一數(shù)量級。

缺點(diǎn)是靈敏度較低，需要放大電路。半導(dǎo)體應(yīng)變片：

優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，比金屬材料約高50倍，因此有時可以不加放大器，使測量電路大大簡化。

缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)大，比常用金屬絲材料大幾十倍，因此對溫度過于敏感；

此外大應(yīng)變時靈敏度不為常數(shù)4.2電阻式傳感器4.2電阻式傳感器應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬絲式金屬箔式半導(dǎo)體式50年代以前4.2電阻式傳感器應(yīng)變片材料及應(yīng)用

（1）(金屬)應(yīng)變片材料康銅：常用的電阻絲材料（含40%鎳，1.5%錳的銅合金）卡瑪合金：適用于長時間靜態(tài)測量，比康銅具有更長的疲勞壽命和更寬的溫度范圍(NiCr20AlSi牌號：NiCr20AlSi鎳含量：74.5%雜質(zhì)含量：1%)鉑鎢合金：具有極長的疲勞壽命（2）使用條件絕緣電阻應(yīng)變片絕緣電阻R是指已粘貼的應(yīng)變片與被測試件之間的電阻值一般要求R＞108Ω最大工作電流I

max：已安裝的應(yīng)變片敏感柵允許通過的不影響其工作特性的最大電流值

通常靜態(tài)測量取25mA左右，動態(tài)測量可取75～100mA4.2電阻式傳感器（3）應(yīng)變片安裝等截面梁雙孔梁S型拉力梁應(yīng)用中注意：應(yīng)變最大處受力的方向——應(yīng)變片縱向接線固定4.2電阻式傳感器（4）應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償溫度引起的測量誤差Rt、R0—應(yīng)變片在溫度t、t0時電阻值S—應(yīng)變片靈敏系數(shù)α—應(yīng)變片電阻絲的電阻溫度系數(shù)Δt—溫度變化量β—電阻絲材料和試件材料的線膨脹系數(shù)必須采用一定方法補(bǔ)償電阻應(yīng)變片輸出的溫度誤差，常采用橋路補(bǔ)償方法電阻溫度效應(yīng)熱膨脹效應(yīng)*補(bǔ)償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片材料與結(jié)

構(gòu)相同*補(bǔ)償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片溫度相同*補(bǔ)償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片配接在電

橋相鄰橋臂上。應(yīng)變電阻傳感器特性歸納是一種常用的測力傳感器與壓電式測力傳感器比較的優(yōu)勢：體積小可測量靜態(tài)量可以長期監(jiān)測實(shí)用中有兩類不用材料的應(yīng)變電阻傳感器金屬式半導(dǎo)體材料式使用時必須具有溫度補(bǔ)償電路（電橋）4.2電阻式傳感器4.2電阻式傳感器4.2.3熱電阻式傳感器——利用阻值變化測量溫度工作原理：金屬或半導(dǎo)體的電阻值是溫度的函數(shù)分類：金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱電阻當(dāng)溫度升高1℃時，大多數(shù)金屬的阻值要增加0.4~0.6%，而某些半導(dǎo)體（負(fù)溫度系數(shù)）的電阻值要減小3~6%一般純金屬在溫度變化范圍不大時，其電阻值與溫度的關(guān)系近似為某些半導(dǎo)體的電阻值與溫度的關(guān)系為4.2電阻式傳感器熱電阻式傳感器電阻—溫度特性曲線鉑、銅的電阻特性曲線比較理想半導(dǎo)體的電阻特性曲線4.2電阻式傳感器熱電阻式傳感器的金屬熱電阻材料選擇電阻溫度系數(shù)a越大，制成的溫度傳感器的靈敏度越高。電阻溫度系數(shù)與材料的純度有關(guān)，純度越高，a值就越大，且穩(wěn)定；材料的電阻率要大，這樣可使熱電阻體積較小，熱慣性較小，對溫度變化的響應(yīng)就比較快；在整個測量范圍內(nèi)，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、線性、良好重復(fù)性；易于加工復(fù)制，價格便宜。幾種熱電阻材料特性4.2電阻式傳感器熱電阻式傳感器1）工業(yè)中應(yīng)用最多的金屬熱電阻是鉑和銅鉑電阻化學(xué)穩(wěn)定性很高，容易提純，便于加工——最常用的材料用于13.81K～630℃范圍內(nèi)的測溫、也是基準(zhǔn)溫度計膜鉑電阻用真空沉積的薄膜技術(shù)把鉑濺射在陶瓷基片上，膜厚在2μm以內(nèi)，用玻璃燒結(jié)料固定Ni(或Pd)引線，經(jīng)激光調(diào)阻制成薄膜元件微型化、反應(yīng)快、低成本4.2電阻式傳感器4.2電阻式傳感器銅電阻溫度系數(shù)a高于其它金屬的值，價格低廉，易于提純在-50～150℃范圍內(nèi)近似呈線性關(guān)系缺點(diǎn)：電阻率小，體積較大，銅電阻絲細(xì)而長，故機(jī)械強(qiáng)度降低易氧化，只能用于無侵蝕性介質(zhì)4.2電阻式傳感器2）半導(dǎo)體電阻半導(dǎo)體電阻也稱熱敏電阻，具有正、負(fù)、臨界溫度系數(shù)的三類工業(yè)上測溫常用具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻（種類很多）

電阻溫度系數(shù)大，測量靈敏度較高；室溫下（25℃），熱敏電阻的溫度系數(shù)為-0.045，而鉑的溫度系數(shù)為0.0039。成本低、結(jié)構(gòu)簡單、體積?。c(diǎn)溫度測量）；電阻率高，而且適合動態(tài)測量缺點(diǎn)是性能不穩(wěn)定，互換性差。盡管熱敏電阻不如鉑電阻溫度計那樣具有長時間的穩(wěn)定性，但它們足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求。低溫測量常用鍺電阻電阻溫度關(guān)系很穩(wěn)定，重復(fù)性很好——迄今所研究過的半導(dǎo)體中最理想的低溫測量元件標(biāo)定一次可長期使用，而且它的測量精度可達(dá)到0.005K許多國家將鍺電阻溫度計作為4.2K~20K之間的標(biāo)準(zhǔn)測溫儀表4.2電阻式傳感器4.2.4電阻式傳感器的直流電橋調(diào)理技術(shù)1）基本概念電橋是將電阻、電感、電容等電參數(shù)的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N轉(zhuǎn)換電路。構(gòu)成：四臂激勵電源輸出電壓：直接測量、進(jìn)行放大特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，精確度和靈敏度高，易消除溫度及環(huán)境影響分類：按照所采用電源不同，分為直流電橋和交流電橋2)直流電橋輸出：特征：直流源供電橋臂為電阻電橋平衡條件：相對臂乘積相等

a）與輸入電壓成正比b）與橋臂電阻變化率的代數(shù)和成正比c)相鄰臂電阻變換率符號相反（相減），而相對臂電阻變換率符號相同（相加）。（全等臂電橋）測量：忽略高階小量并利用初始平衡條件，得：4.2電阻式傳感器測試中的幾種連接形式全橋測量：相鄰異性，相對同性補(bǔ)償：對同符號干擾量有抵償作用電橋的作用放大：與輸入電壓成正比單臂橋半橋相鄰臂變化相反相對臂變化相同靈敏度特性4.2電阻式傳感器為了提高靈敏度，可以盡量提高電源電壓嗎？4.2電阻式傳感器直流電橋調(diào)理技術(shù)的應(yīng)用懸臂梁純彎曲力F的測量方法一：R1、R2差動變化半橋應(yīng)變片粘貼位置電橋連接方式方法二：R1、R4相同；R2、R3相同；2組差動變化，全橋應(yīng)變片粘貼位置

電橋連接方式4.2電阻式傳感器應(yīng)變式力傳感器被測物理量：載荷或力用途：各種電子衡器的測力元件，測量范圍從1mN～108N特點(diǎn)：分辨率高，誤差較小，測量范圍大，靜態(tài)與動態(tài)都可測，能在嚴(yán)酷環(huán)境工作的特點(diǎn)柱式測力元件：體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡單柱式4.2電阻式傳感器應(yīng)變式壓力傳感器被測物理量：液體、氣體的動態(tài)和靜態(tài)壓力測量用途：動力管道設(shè)備進(jìn)、出口氣體和液體的壓力，發(fā)動機(jī)噴口壓力，內(nèi)燃機(jī)管道壓力等結(jié)構(gòu)：膜片式或筒式彈性元件

在壓力的作用下，圓膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變應(yīng)變片4.2電阻式傳感器應(yīng)變式扭矩傳感器原理：利用彈性元件在傳遞轉(zhuǎn)矩時產(chǎn)生的應(yīng)變來測量扭矩的。軸受到扭矩作用時，剪切應(yīng)力與它所傳遞的扭矩有線性關(guān)系：其中：Mk轉(zhuǎn)軸所受的扭矩、G剪切彈性模量

應(yīng)變片扭矩傳感器徑向刷式集流環(huán)示意圖1-扭矩軸；2-應(yīng)變片；3-絕緣環(huán)；4-滑環(huán)；5-電刷4.2電阻式傳感器熱電阻式溫度傳感器的應(yīng)用：測溫、補(bǔ)償、控溫Rt是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，Rr是調(diào)節(jié)電阻，R是儀表線圈電阻。冷卻水溫測量：溫度上升，Rt下降，電流變大，微安表讀其值?？烧{(diào)電阻Rr調(diào)節(jié)后使微安表刻度直接反應(yīng)溫度變化引起的Rt變化。溫度補(bǔ)償電路：儀表線圈R銅導(dǎo)線(正系數(shù))，溫度升高引起R阻值升高，影響測量精度，引入負(fù)溫系數(shù)Rt進(jìn)行補(bǔ)償。r為錳銅電阻(0溫系)，目的減小Rt副作用。溫度控制電路：溫度上升，Rt下降，電流變大，繼電器K斷開控制溫度。可調(diào)電阻Rr

調(diào)節(jié)繼電器K的繼電器控制點(diǎn)?；仡檪鞲衅鞫x：感受特定量、一定規(guī)律、可用輸出信號組成：三部分（敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路）電阻式傳感器應(yīng)變片傳感器:結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)、壓阻效應(yīng)應(yīng)變片材料：金屬應(yīng)變片（康銅、鉑鎢合金）、半導(dǎo)體應(yīng)變片熱電阻傳感器：熱阻效應(yīng)熱電阻材料：鉑電阻、銅電阻；鍺電阻、熱敏電阻電阻式傳感器調(diào)理電路——直流電橋電源：直流電源橋臂：電阻電橋功能：測量、補(bǔ)償、放大4.3電感式傳感器4.3.1定義：

基于電磁感應(yīng)原理，將被測量轉(zhuǎn)化為電感量的傳感器。測量的物理量位移壓力流量振動分類電感式傳感器自感型渦流式互感型1）自感型變磁阻傳感器

組成：自感型變磁阻傳感器由線圈、鐵心、銜鐵三部分組成。原理：將被測量的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感系數(shù)的變化。

由于鐵心磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，導(dǎo)致自感傳感器的自感量為：氣隙面積、氣隙長度改變時，均會引起磁路磁阻變化.磁路磁阻Rm由鐵心和銜鐵的磁阻Rf和氣隙磁阻兩部份組成，即：設(shè)線圈匝數(shù)為N，線圈自感L的定義為：其中：4.3電感式傳感器4.3.2變磁阻傳感器（自感傳感器和互感傳感器）自感型變磁阻傳感器靈敏度

變面積式靈敏度變氣隙式靈敏度自感型變磁阻傳感器類型

變面積式變氣隙式為常數(shù)，線性關(guān)系靈敏度低，較少使用隨氣隙變化，非線性關(guān)系靈敏度高，常用4.3電感式傳感器存在問題：非線性嚴(yán)重，只能測量微小位移的測量：0.001～1mm

鐵心對銜鐵的吸力比較大解決辦法：單線圈變成雙線圈——差動4.3電感式傳感器比較可知：前者忽略了二階小量，后者忽略了三階小量，非線性得到了補(bǔ)償

后者比前者靈敏度也提高一倍

吸引力相互抵消則電感的相對變化量為：

因為<<1，將上式按冪級數(shù)展開，即對于一個線圈，假設(shè)銜鐵上移時，空氣間隙由初始距離變?yōu)?，電感變化?/p>

對于差動傳感器，假設(shè)銜鐵左移時，左、右空氣間隙分別變?yōu)?/p>

與

，電感為4.3電感式傳感器差動式變磁阻傳感器差動線圈＋電橋測量——測量電感量結(jié)構(gòu)：螺線管式差動變壓器特點(diǎn)：分辨率很高﹐可達(dá)0.01微米﹐測量范圍一般小於2毫米主要用于位移測量，也可以用于振動、壓力、流量、液位等參數(shù)測量磁心線圈1線圈2變壓器電橋測桿被測件電源Ue組成：兩個線圈、一個鐵芯原理：互感型電感式傳感器工作時，線圈1通入交變電流，在線圈附近空間產(chǎn)生磁通，從而在線圈2產(chǎn)生感生電壓。即：式中，M21是兩線圈之間的互感系數(shù)，即：當(dāng)鐵芯在兩個線圈的孔中左、右移動時，M21隨著N21變化，u2隨之變化

傳感器工作原理：將被測量的變化轉(zhuǎn)換為線圈互感系數(shù)的變化。注意：u2與x之間的關(guān)系呈現(xiàn)非線性，靈敏度也低實(shí)用中常采用雙邊差動變壓器結(jié)構(gòu)改善其非線性、提高靈敏度。

4.3電感式傳感器2)互感式傳感器：是一種線圈互感值隨鐵芯位移改變而變化的傳感器，其原理類似于變壓器

。怎么辦？4.3電感式傳感器互感式差動變壓器結(jié)構(gòu)：初級線圈、完全對稱的反極性串聯(lián)的兩個次級線圈、銜鐵原理：即：輸出電壓幅值與鐵心位移大小成正比.問題：不能反映其方向，輸出電壓存在一定的零點(diǎn)殘余電壓。WW1W2WPx理論實(shí)際Δx0—零點(diǎn)UT

—?dú)堄嚯妷?.3電感式傳感器解決殘余電壓以及方向鑒別的方法差動相敏檢波（位移方向）相敏檢波電路解決鐵心位移的方向性——單輸出對應(yīng)多輸入調(diào)零R解決輸出存在零點(diǎn)殘余電壓的問題（次級線圈電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱引起）應(yīng)用：直接測量線位移；間接測量力、重量、液位等4.3電感式傳感器4.3.3交流信號的調(diào)理技術(shù)1)交流電橋激勵源：高頻電源Ue4個橋臂為復(fù)阻抗Z1～Z4

Z可為電阻R、電容1/(jωC)、電感jωL輸出：調(diào)制信號U0優(yōu)勢:交流信號易于放大

直流放大常存在零漂、級間耦合問題交流電橋R、L、C均可測量

交流電橋的基本工作原理與直流電橋相似，只不過用復(fù)阻抗代替電阻，用交流電源代替直流電源，橋路的輸出電壓為：

可見,平衡必須同時滿足兩個條件：相對橋臂阻抗幅值之積相等、相位之和相等。平衡條件交流電橋平衡的條件為相對橋臂阻抗之積相等，即：

Z1Z4=Z2Z3

若用幅值與相位表示，，上式可以表示為：

交流電橋平衡條件純電阻時電流與電壓同相位：

φ=0；電感性阻抗：φ＞0；電容性阻抗：φ＜0。4.3電感式傳感器當(dāng)相鄰兩臂為純電阻時，則另兩臂如何組成才能平衡？

必須同為純電容，或同為純電感，或同為純電阻。當(dāng)相對臂為純電阻時，則另一對臂如何組成才能？

必須一個為電感，一個為電容；或同為純電阻。如果橋路只有一個電容或一個電感，其它為純電阻可以平衡嗎？注意：

由于每個交流電橋?qū)嶋H上有兩個平衡條件，電橋中需要有兩個可調(diào)的參量，兩個量互相牽扯，調(diào)節(jié)比較復(fù)雜。

實(shí)驗時需要對這兩個參量反復(fù)調(diào)節(jié)，才能使電橋調(diào)到完全平衡。

因此，交流電橋的平衡調(diào)節(jié)要比直流電橋的調(diào)節(jié)困難一些。由于交流電橋必須滿足兩個平衡條件，使用中必須合理搭配電橋中的四臂元件，電橋才能平衡。4.3電感式傳感器要求：

交流電橋的供橋電源應(yīng)有足夠的功率

應(yīng)具有良好的電壓波形和頻率穩(wěn)定度。若電源電壓波形畸變，則高次諧波不但會造成測量誤差，而且將擾亂電橋平衡

一般由振蕩器輸出音頻交流(5~10kHz)作為電橋電源4.3電感式傳感器

如果交流電橋的電感或電容或電阻發(fā)生變化，交流電橋輸出電壓計算式為：式中，分別為橋臂阻抗變化率。交流電橋的測量交流電橋輸出為調(diào)制波外界工頻干擾不易從線路中引入后接的交流放大電路簡單而無零漂4.3電感式傳感器交流電橋的應(yīng)用電感測量Z1＝R1、Z2＝R2Z3＝j(luò)ωL1Z4＝j(luò)ωL2平衡條件：R1.L2=R2.L1電容測量Z1＝R1、Z2＝R2Z3＝1/(jωC1)Z4＝1/(jωC2)平衡條件：R1/C2=R2/C14.3電感式傳感器帶感應(yīng)耦合臂的電橋——變壓器電橋

若用差動變壓器式電感或電容傳感器的電感代替Z3、Z4,此電橋就可測量電感或電容參數(shù)的變化。

也可用差動變壓器式電感傳感器代替感應(yīng)耦合臂W1、W2,此電橋就是電感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路。

帶感應(yīng)耦合臂的電橋具有較高的精度和靈敏度，性能穩(wěn)定，頻率范圍寬，近年來得到廣泛應(yīng)用。

被測量交流電橋的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可測量電阻、電感、電容輸出為調(diào)制波，外界工頻干擾不易從線路引進(jìn)后接的交流放大電路簡單而無零飄缺點(diǎn)：電橋的平衡電路復(fù)雜4.3電感式傳感器4.3電感式傳感器2)信號的調(diào)制與解調(diào)交流電橋只是一種調(diào)制技術(shù)完整的調(diào)理技術(shù)包括電橋調(diào)制輸出交流放大相敏檢波（解調(diào)）低通濾波直流電橋是不是調(diào)制信號？（1）調(diào)制與解調(diào)術(shù)語調(diào)制：用被測信號控制高頻信號的變化規(guī)律的過程調(diào)制信號：載波信號：已調(diào)信號：解調(diào)：從已調(diào)信號中恢復(fù)被測信號的過程4.3電感式傳感器原始被測信號處理過的被測信號傳輸發(fā)射耦合（2）調(diào)制與解調(diào)的作用

調(diào)制目的是將微弱、緩變信號提高到高頻便于微弱緩變信號的放大便于信號的遠(yuǎn)程傳輸緩變信號調(diào)制高頻信號放大放大高頻信號解調(diào)放大緩變信號耦合器

用微弱的緩變信號控制高頻交流信號，然后交流放大、傳輸、耦合隔離等，最后再解調(diào)出放大的信號。為什么？4.3電感式傳感器（3）分類對象：高頻交流載波信號:工具：低頻、慢變被測信號:x(t)分類：幅度調(diào)制(AM)：頻率調(diào)制(FM)：相位調(diào)制(PM)：4.3電感式傳感器三種調(diào)制波的基本波形

相位調(diào)制(PM)幅度調(diào)制(AM)頻率調(diào)制(FM)測試技術(shù)中常用調(diào)幅及調(diào)頻。4.3電感式傳感器功能：調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號（載波）與測試信號在時域相乘，使高頻信號的幅值隨被測信號的變化而變化。－ωo0

ωo

Fy（4）調(diào)幅與解調(diào)

傅里葉變換的頻移性質(zhì)相乘后頻域特點(diǎn)？ω

Fx0

-ωo

0

ωo4.3電感式傳感器

利用調(diào)制可以把低頻信號推移到高頻，利用帶通放大器對信號進(jìn)行放大，從而減少工頻信號的干擾，有效地提高信號質(zhì)量，便于信號的遠(yuǎn)距離傳輸。用不同頻率的載波對不同被測信號進(jìn)行調(diào)制后，能夠移動它們的頻譜位置，使它們互相不發(fā)生覆蓋。調(diào)幅：4.3電感式傳感器調(diào)幅實(shí)現(xiàn)方法：

乘法器調(diào)幅（電量）：使用乘法器使微弱電信號與高頻載波信號相乘；

電參數(shù)直接調(diào)幅（電參數(shù)）：

（1）交流電橋調(diào)幅

（2）分壓電路調(diào)幅4.3電感式傳感器（a）乘法器調(diào)幅4.3電感式傳感器（b）電橋調(diào)幅對于半橋單臂：α＝？對于半橋雙臂：α＝？對于全橋：α＝？4.3電感式傳感器（c）分壓電路調(diào)幅被測量引起電感或電容發(fā)生變化，并聯(lián)回路的阻抗也發(fā)生變化，電壓Ux也要發(fā)生變化，其輸出電壓為：

UoR

L晶體振蕩器濾波放大檢波

C

Ue

Ux自感線圈調(diào)幅信號的解調(diào)（檢波）定義：從調(diào)幅信號中恢復(fù)原有用被測信號的過程分類：包絡(luò)檢波和相敏檢波包絡(luò)檢波：由于調(diào)幅信號的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號一致，因

此，通過檢出包絡(luò)線的方法可實(shí)現(xiàn)解調(diào)。這種方法

簡單，但無法鑒別出信號的相位。相敏檢波：能同時鑒別信號的幅值和相位，因此測試技術(shù)中最

常用。4.3電感式傳感器1）信號電壓與載波同相，輸出為正；信號電壓與載波反相，輸出為負(fù)；2）輸出電壓的大小僅與信號電壓成正比，而與載波電壓無關(guān)。相敏檢波器：相敏檢波器的鑒相與選頻特性常用相敏檢波電路由四個二極管組成環(huán)形結(jié)構(gòu)，利用其單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性換向4.3電感式傳感器相敏檢波器：鑒別信號的幅值和相位、低通

功能：變壓器B的輸出與變壓器A的輸出進(jìn)行比較。電路設(shè)置使變壓器B信號遠(yuǎn)大于變壓器A信號，使參考電壓對二極管起開關(guān)作用,決定二極管的導(dǎo)通與截止。結(jié)果：原信號為正，調(diào)幅波與載波同相，恢復(fù)正；原信號為負(fù)，調(diào)幅波與載波異相，恢復(fù)負(fù)。參考：載波調(diào)幅相敏濾波同一振蕩器發(fā)出的載波信號4.3電感式傳感器

動態(tài)電阻應(yīng)變儀方框圖

解調(diào)－相敏檢波的應(yīng)用電感式傳感器放大電路4.3電感式傳感器4.3電感式傳感器（5）調(diào)頻與解調(diào)調(diào)頻：頻率可控的等幅振蕩器待測的電容或電感作為自激振蕩器的諧振回路中的一個調(diào)諧參數(shù)，電路的諧振頻率為：LC如測量電感，則：

中心頻率為ω0的調(diào)頻信號調(diào)頻比較容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)頻信號在傳輸過程中不易受到干擾4.3電感式傳感器調(diào)頻的解調(diào)解調(diào)/鑒頻：變壓器耦合的諧振回路鑒頻法L1-C1、L2-C2組成的諧振回路，只要利用特性曲線的亞諧振區(qū)近似直線的一段實(shí)現(xiàn)頻率-電壓變換，調(diào)頻信號uf變?yōu)檎{(diào)幅信號ua。經(jīng)過二級管進(jìn)行半波整流，再經(jīng)過RC組成的低通濾波器濾波，濾波器的輸出uc與調(diào)制信號成正比，復(fù)現(xiàn)被測信號。

頻率—電壓線性變換

幅值檢波4.3電感式傳感器應(yīng)用

電感傳感器測量范圍1μm-1mm,分辨力0.01μm自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)：膜盒——彈性敏感元件——銜鐵原理：壓力變化時，膜盒帶動銜鐵位移，線圈自感變化變隙差動式自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)：C形彈簧管——彈性敏感元件——銜鐵原理：流體壓力進(jìn)入彈簧管后，其自由端向外伸展，帶動動銜鐵移動，引起電感變化1—銜鐵2—鐵芯3—線圈4—膜盒5—C型彈簧管6、8—線圈7—銜鐵9—機(jī)械零點(diǎn)調(diào)零螺釘4.3電感式傳感器電感式表面形貌儀T200型表面粗糙度測量儀測量范圍：觸針位移：±2/±20/±200μm分辨率：0.001/0.01μm測力傳感器力→彈性外殼→測桿→磁心差動變壓器4.3電感式傳感器電感測微位移計

核心：螺線管式差動變壓器，常用于測量工件的外形尺寸和輪廓形狀。滾珠分選1—引線電纜2—固定磁筒3—銜鐵4—線圈5—測力彈簧6—防轉(zhuǎn)銷接觸式位移傳感器4.3電感式傳感器回顧電感式傳感器自感式差動變壓器：變磁阻→兩組線圈+鐵芯互感式差動變壓器：變耦合→三組線圈+鐵芯電橋特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，精確度和靈敏度高，易消除溫度及環(huán)境影響分類：按照所采用電源不同，分為直流電橋和交流電橋平衡條件：對應(yīng)臂乘積相等測量方法：相鄰臂相反、相對臂相同應(yīng)用：R、L、C測量、補(bǔ)償、放大調(diào)制與解調(diào)作用：微弱緩變信號的放大、信號的遠(yuǎn)程傳輸分類：幅、頻、相調(diào)制解調(diào)調(diào)幅的三種方法、解調(diào)方法（相敏檢波）調(diào)頻方法及鑒頻（諧振電路）4.4電容式傳感器定義：將被測量變化轉(zhuǎn)換為電容變化的傳感器電容傳感器特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，分辨率高，工作可靠可非接觸測量，可在惡劣環(huán)境下工作測量的物理量位移壓力液位介質(zhì)敏感元件、轉(zhuǎn)換元件電容CA4.4電容式傳感器工作原理在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平行極板電容器的電容量基本類型變極距δ：位移變面積A：位移、壓力（差動）變介質(zhì)ε：介電常數(shù)δAεUQ4.4電容式傳感器（1）變極距式兩極板在被測對象作用下發(fā)生位移δ變化時變極距型電容傳感器的靈敏度是非線性的；為了減小非線性誤差，初始距離δ不能太小;極距愈小，靈敏度愈高，為了提高靈敏度，

δ應(yīng)該取小值，但受擊穿電壓的限制，一般極距取0.1～1mm左右；應(yīng)用：

微小位移量的測量

非接觸測量4.4電容式傳感器差動方式變極距式兩個變極距電容傳感器，被測位移使動片變化，引起極距差動變化，兩個輸出電容也差動變化，提高測量靈敏度，減小非線性影響。差動電容傳感器通常均接成電橋進(jìn)行放大:

電橋的相鄰兩個橋臂

動片定片定片δδ4.4電容式傳感器（2）變面積式：相對面積變化輸出特性：線性測量1cm～10cm中等大小的位移靈敏度減小極距δ可提高靈敏度差動方式：提高靈敏度4.4電容式傳感器（3）變介質(zhì)式輸出特性：線性靈敏度增加面積A、減小極距δ可提高靈敏度應(yīng)用液位高低介電常數(shù)內(nèi)圓筒外圓筒介質(zhì)4.4電容式傳感器電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)靈敏度高精度高達(dá)0.01%動態(tài)特性好，適合測量動態(tài)參數(shù)能量損耗小結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)性好（高溫、輻射等）電容傳感器的缺點(diǎn)電纜分布電容的影響大4.4電容式傳感器典型結(jié)構(gòu)變極距(δ)型:(a)、(b)變面積型(A)型:(c)

～(h)

變介電常數(shù)(ε)型:(i)～(l)4.4電容式傳感器應(yīng)用電容測量時的幾點(diǎn)考慮必須有抗干擾措施：電容量很?。◣讉€pF~幾十個pF），易受外界電場的干擾，要求采用輸入阻抗高，噪聲低的前置放大器引出線應(yīng)盡量短，采用屏蔽線，而且屏蔽線與殼體及可動電極應(yīng)有可靠的接地，以盡量減小外電場的干擾應(yīng)正確選擇極板間的絕緣材料，通常要求絕緣電阻在100MΩ以上，以減小漏電阻對測量精度的影響環(huán)境溫度：采用補(bǔ)償電橋以抵消介電常數(shù)隨溫度的變化,盡量選擇膨脹系數(shù)低的材料制造電容式傳感器，以減小尺寸隨溫度的變化4.