機(jī)械工程測(cè)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(cè)中不可缺少的首要環(huán)節(jié)，直接影響測(cè)試系統(tǒng)的整體測(cè)試精度工程實(shí)際中俗稱測(cè)量頭、檢測(cè)器等，也稱為一次儀表傳感器Transducer/Sensor/probe4.1傳感器概念國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—87）對(duì)傳感器定義:感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。一個(gè)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(hào)中載有被測(cè)量信息，是能夠傳送的電信號(hào)、光信號(hào)、氣動(dòng)信號(hào)4.1傳感器概念組成感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量敏感元件直接感受被測(cè)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(hào)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(dòng)、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(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)基本單元，基本特性包括：靜態(tài)特性測(cè)量范圍、靈敏度、精度等動(dòng)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(dòng)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(wú)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(hào)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(cè)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(xiàng)為幾何尺寸變化所致，第二項(xiàng)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(cè)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(zhǎng)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(lái)的電阻變化也幾乎是同一數(shù)量級(jí)。

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(shí)可以不加放大器，使測(cè)量電路大大簡(jiǎn)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(duì)溫度過(guò)于敏感；

此外大應(yīng)變時(shí)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(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)測(cè)量，比康銅具有更長(zhǎng)的疲勞壽命和更寬的溫度范圍(NiCr20AlSi牌號(hào)：NiCr20AlSi鎳含量：74.5%雜質(zhì)含量：1%)鉑鎢合金：具有極長(zhǎng)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(cè)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(guò)的不影響其工作特性的最大電流值

通常靜態(tài)測(cè)量取25mA左右，動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)量誤差Rt、R0—應(yīng)變片在溫度t、t0時(shí)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(cè)力傳感器與壓電式測(cè)力傳感器比較的優(yōu)勢(shì)：體積小可測(cè)量靜態(tài)量可以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)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(shí)，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(shí)，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(duì)溫度變化的響應(yīng)就比較快；在整個(gè)測(cè)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(jià)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(cè)溫、也是基準(zhǔn)溫度計(jì)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(jià)格低廉，易于提純?cè)?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(zhǎng)，故機(jī)械強(qiáng)度降低易氧化，只能用于無(wú)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(cè)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(cè)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(jiǎn)單、體積小（點(diǎn)溫度測(cè)量）；電阻率高，而且適合動(dòng)態(tài)測(cè)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(jì)那樣具有長(zhǎng)時(shí)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(cè)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(guò)的半導(dǎo)體中最理想的低溫測(cè)量元件標(biāo)定一次可長(zhǎng)期使用，而且它的測(cè)量精度可達(dá)到0.005K許多國(guó)家將鍺電阻溫度計(jì)作為4.2K~20K之間的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(lì)電源輸出電壓：直接測(cè)量、進(jìn)行放大特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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(hào)相反（相減），而相對(duì)臂電阻變換率符號(hào)相同（相加）。（全等臂電橋）測(cè)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(cè)試中的幾種連接形式全橋測(cè)量：相鄰異性，相對(duì)同性補(bǔ)償：對(duì)同符號(hào)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(duì)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?jiǎn)幔?.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(cè)量方法一：R1、R2差動(dòng)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(dòng)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(cè)物理量：載荷或力用途：各種電子衡器的測(cè)力元件，測(cè)量范圍從1mN～108N特點(diǎn)：分辨率高，誤差較小，測(cè)量范圍大，靜態(tài)與動(dòng)態(tài)都可測(cè)，能在嚴(yán)酷環(huán)境工作的特點(diǎn)柱式測(cè)力元件：體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡(jiǎn)單柱式4.2電阻式傳感器應(yīng)變式壓力傳感器被測(cè)物理量：液體、氣體的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力測(cè)量用途：動(dòng)力管道設(shè)備進(jìn)、出口氣體和液體的壓力，發(fā)動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變來(lái)測(cè)量扭矩的。軸受到扭矩作用時(shí)，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(cè)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(cè)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(cè)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?？烧{(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(hào)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(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的傳感器。測(cè)量的物理量位移壓力流量振動(dòng)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(cè)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(zhǎng)度改變時(shí)，均會(huì)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(wèn)題：非線性嚴(yán)重，只能測(cè)量微小位移的測(cè)量：0.001～1mm

鐵心對(duì)銜鐵的吸力比較大解決辦法：?jiǎn)尉€圈變成雙線圈——差動(dòng)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(duì)變化量為：

因?yàn)?lt;<1，將上式按冪級(jí)數(shù)展開，即對(duì)于一個(gè)線圈，假設(shè)銜鐵上移時(shí)，空氣間隙由初始距離變?yōu)椋姼凶兓?/p>

對(duì)于差動(dòng)傳感器，假設(shè)銜鐵左移時(shí)，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(dòng)式變磁阻傳感器差動(dòng)線圈＋電橋測(cè)量——測(cè)量電感量結(jié)構(gòu)：螺線管式差動(dòng)變壓器特點(diǎn)：分辨率很高﹐可達(dá)0.01微米﹐測(cè)量范圍一般小於2毫米主要用于位移測(cè)量，也可以用于振動(dòng)、壓力、流量、液位等參數(shù)測(cè)量磁心線圈1線圈2變壓器電橋測(cè)桿被測(cè)件電源Ue組成：兩個(gè)線圈、一個(gè)鐵芯原理：互感型電感式傳感器工作時(shí)，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(gè)線圈的孔中左、右移動(dòng)時(shí)，M21隨著N21變化，u2隨之變化

傳感器工作原理：將被測(cè)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(dòng)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(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)：初級(jí)線圈、完全對(duì)稱的反極性串聯(lián)的兩個(gè)次級(jí)線圈、銜鐵原理：即：輸出電壓幅值與鐵心位移大小成正比.問(wèn)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(dòng)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(duì)應(yīng)多輸入調(diào)零R解決輸出存在零點(diǎn)殘余電壓的問(wèn)題（次級(jí)線圈電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱引起）應(yīng)用：直接測(cè)量線位移；間接測(cè)量力、重量、液位等4.3電感式傳感器4.3.3交流信號(hào)的調(diào)理技術(shù)1)交流電橋激勵(lì)源：高頻電源Ue4個(gè)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(hào)U0優(yōu)勢(shì):交流信號(hào)易于放大

直流放大常存在零漂、級(jí)間耦合問(wèn)題交流電橋R、L、C均可測(cè)量

交流電橋的基本工作原理與直流電橋相似，只不過(guò)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(shí)滿足兩個(gè)條件：相對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)，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(duì)臂為純電阻時(shí)，則另一對(duì)臂如何組成才能？

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

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

實(shí)驗(yàn)時(shí)需要對(duì)這兩個(gè)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(gè)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(huì)造成測(cè)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(jì)算式為：式中，分別為橋臂阻抗變化率。交流電橋的測(cè)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(jiǎn)單而無(wú)零漂4.3電感式傳感器交流電橋的應(yīng)用電感測(cè)量Z1＝R1、Z2＝R2Z3＝j(luò)ωL1Z4＝j(luò)ωL2平衡條件：R1.L2=R2.L1電容測(cè)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(dòng)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(cè)量電感或電容參數(shù)的變化。

也可用差動(dòng)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(lái)得到廣泛應(yīng)用。

被測(cè)量交流電橋的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可測(cè)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(jiǎn)單而無(wú)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(hào)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(hào)？（1）調(diào)制與解調(diào)術(shù)語(yǔ)調(diào)制：用被測(cè)信號(hào)控制高頻信號(hào)的變化規(guī)律的過(guò)程調(diào)制信號(hào)：載波信號(hào)：已調(diào)信號(hào)：解調(diào)：從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)被測(cè)信號(hào)的過(guò)程4.3電感式傳感器原始被測(cè)信號(hào)處理過(guò)的被測(cè)信號(hào)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(hào)提高到高頻便于微弱緩變信號(hào)的放大便于信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸緩變信號(hào)調(diào)制高頻信號(hào)放大放大高頻信號(hào)解調(diào)放大緩變信號(hào)耦合器

用微弱的緩變信號(hào)控制高頻交流信號(hào)，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(hào)。為什么？4.3電感式傳感器（3）分類對(duì)象：高頻交流載波信號(hào):工具：低頻、慢變被測(cè)信號(hào):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(cè)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(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)（載波）與測(cè)試信號(hào)在時(shí)域相乘，使高頻信號(hào)的幅值隨被測(cè)信號(hào)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(hào)推移到高頻，利用帶通放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，從而減少工頻信號(hào)的干擾，有效地提高信號(hào)質(zhì)量，便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。用不同頻率的載波對(duì)不同被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后，能夠移動(dòng)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(hào)與高頻載波信號(hào)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(duì)于半橋單臂：α＝？對(duì)于半橋雙臂：α＝？對(duì)于全橋：α＝？4.3電感式傳感器（c）分壓電路調(diào)幅被測(cè)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(hào)的解調(diào)（檢波）定義：從調(diào)幅信號(hào)中恢復(fù)原有用被測(cè)信號(hào)的過(guò)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(hào)的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號(hào)一致，因

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

簡(jiǎn)單，但無(wú)法鑒別出信號(hào)的相位。相敏檢波：能同時(shí)鑒別信號(hào)的幅值和相位，因此測(cè)試技術(shù)中最

常用。4.3電感式傳感器1）信號(hào)電壓與載波同相，輸出為正；信號(hào)電壓與載波反相，輸出為負(fù)；2）輸出電壓的大小僅與信號(hào)電壓成正比，而與載波電壓無(wú)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(gè)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(hào)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(hào)遠(yuǎn)大于變壓器A信號(hào)，使參考電壓對(duì)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(hào)為正，調(diào)幅波與載波同相，恢復(fù)正；原信號(hào)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(hào)4.3電感式傳感器

動(dòng)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(cè)的電容或電感作為自激振蕩器的諧振回路中的一個(gè)調(diào)諧參數(shù)，電路的諧振頻率為：LC如測(cè)量電感，則：

中心頻率為ω0的調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻比較容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)頻信號(hào)在傳輸過(guò)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(hào)uf變?yōu)檎{(diào)幅信號(hào)ua。經(jīng)過(guò)二級(jí)管進(jìn)行半波整流，再經(jīng)過(guò)RC組成的低通濾波器濾波，濾波器的輸出uc與調(diào)制信號(hào)成正比，復(fù)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)。

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(cè)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(shí)，膜盒帶動(dòng)銜鐵位移，線圈自感變化變隙差動(dòng)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(dòng)動(dòng)銜鐵移動(dòng)，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(cè)量?jī)x測(cè)量范圍：觸針位移：±2/±20/±200μm分辨率：0.001/0.01μm測(cè)力傳感器力→彈性外殼→測(cè)桿→磁心差動(dòng)變壓器4.3電感式傳感器電感測(cè)微位移計(jì)

核心：螺線管式差動(dòng)變壓器，常用于測(cè)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(cè)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(dòng)變壓器：變磁阻→兩組線圈+鐵芯互感式差動(dòng)變壓器：變耦合→三組線圈+鐵芯電橋特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)臂乘積相等測(cè)量方法：相鄰臂相反、相對(duì)臂相同應(yīng)用：R、L、C測(cè)量、補(bǔ)償、放大調(diào)制與解調(diào)作用：微弱緩變信號(hào)的放大、信號(hào)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(cè)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(jiǎn)單，分辨率高，工作可靠可非接觸測(cè)量，可在惡劣環(huán)境下工作測(cè)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(dòng)）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(cè)對(duì)象作用下發(fā)生位移δ變化時(shí)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(cè)量

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

電橋的相鄰兩個(gè)橋臂

動(dòng)片定片定片δδ4.4電容式傳感器（2）變面積式：相對(duì)面積變化輸出特性：線性測(cè)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(dòng)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(dòng)態(tài)特性好，適合測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)能量損耗小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量時(shí)的幾點(diǎn)考慮必須有抗干擾措施：電容量很?。◣讉€(gè)pF~幾十個(gè)pF），易受外界電場(chǎng)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(dòng)電極應(yīng)有可靠的接地，以盡量減小外電場(chǎng)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(duì)測(cè)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.