《位移傳感器》課件

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1、1 第 二 章 位 移 檢 測 傳 感 器位 移 可 分 為 線 位 移 和 角 位 移電 阻 式 、 電 容 式 、 渦 流 式 、 壓 電 式 、感 應(yīng) 同 步 式 、 磁 柵 式 、 光 電 式 位 移 是 指 物 體 的 某 個 表 面 或 某 點(diǎn) 相 對 于 參 考 表面 或 參 考 點(diǎn) 位 置 的 變 化 。 位 移 有 線 位 移 和 角 位 移兩 種 。 線 位 移 是 指 物 體 沿 著 某 一 條 直 線 移 動 的 距離 ； 角 位 移 是 指 物 體 繞 著 某 一 定 點(diǎn) 旋 轉(zhuǎn) 的 角 度 。在 機(jī) 械 工 程 中 經(jīng) 常 要 精 確 測 量 零 部 件 的 位 移

2、 或 位置 ， 并 且 力 、 壓 力 、 扭 矩 、 速 度 、 加 速 度 、 溫 度 、流 量 等 參 數(shù) 也 可 經(jīng) 轉(zhuǎn) 換 為 位 移 進(jìn) 行 測 量 。 位 移 測量 時 ， 首 先 要 根 據(jù) 不 同 的 測 量 對 象 ， 選 擇 適 當(dāng) 的測 量 點(diǎn) 、 測 量 方 向 和 測 量 儀 器 。 2 位 移 傳 感 器 的 分 類 3線繞式薄膜電位器導(dǎo)電塑料電位器光電電位器非線繞式 電位器式傳感器 線繞式電阻傳感器非線繞式電阻傳感器 電位器式傳感器 4 電 阻 、 電 容 、 電 感 式 位 移 傳 感 器 的 特 點(diǎn) 常 用 的 位 移 傳 感 器 1. 電 阻 式 包 括

3、電 位 器 式 和 電 阻 應(yīng) 變 式 兩 類 。 適用 于 幾 毫 米 到 幾 百 毫 米 的 位 移 測 量 。 2.電 容 式 可 用 來 測 量 0.1 10mm的 線 位 移 和 1()到 幾 十 ( )的 角 位 移 。 3.電 感 式 電 感 式 位 移 傳 感 器 分 為 自 感 和 互 感 兩類 。 前 者 可 適 于 測 量 較 大 位 移 (數(shù) mm到 數(shù) 百mm)， 。 互 感 式 ( 0.1 200mm)， 電 渦 流 式 位移 傳 感 器 ， 可 以 測 量 小 到 微 米 級 ， 大 到 幾 百 毫 米的 位 移 。 5 電 位 器 式 傳 感 器 電 位 器 是

4、 人 們 常 用 到 的 一 種 電 子 元 件 ， 它 作 為 傳 感 器 可 以將 機(jī) 械 位 移 或 其 他 能 變 換 成 位 移 的 非 電 量 變 換 為 電 阻 值 的 變 化 ， 并 容 易 轉(zhuǎn) 換 成 電 壓 的 變 化 。 電 位 器 式 傳 感 器 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 價格 低 廉 ， 性 能 穩(wěn) 定 ， 對 環(huán) 境 條 件 要 求 不 高 ， 輸 出 信 號 大 ， 易于 轉(zhuǎn) 換 ， 便 于 維 修 的 優(yōu) 點(diǎn) 。 其 缺 點(diǎn) 是 存 在 摩 擦 ， 分 辨 力 有 限 ， 精 度 不 夠 高 ， 動 態(tài) 響 應(yīng) 較 差 ， 僅 適 于 測 量 變 化 較 緩

5、慢 的 量 ， 常用 作 位 置 信 號 發(fā) 生 器 。 圖 3-1(a)和 (b)分 別 為 直 線 位 移 和 角 位 移 傳感 器 的 外 形 圖 。 6圖 3-1 電 位 器 式 傳 感 器 的 外 形 及 電 壓 轉(zhuǎn) 換 原 理 圖（ a） 直 線 位 移 傳 感 器 ； (b) 角 位 移 傳 感 器 ； (c) 電 位 器 的 位 移 電 壓 轉(zhuǎn) 換 原 理 圖 7 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 線 圈 繞 于 絕 緣 骨 架 上 ， 滑 動 觸 點(diǎn) (電 刷 )在 移 動 過 程 中 , 從 一 匝 滑 到 另 一 匝 時 ， 電 阻 值 隨 位 移 發(fā) 生 變 化 。 lR A

6、 R b c a b x 8 電 阻 體 是 由 電 阻 系 數(shù) 很 高 的 極 細(xì) 均 勻 導(dǎo) 線 ，按 照 一 定 的 規(guī) 律 整 齊 地 繞 在 一 個 絕 緣 的 骨 架 上制 成 的 。 在 它 與 電 刷 相 接 觸 的 部 分 ， 將 導(dǎo) 線 表面 的 絕 緣 去 掉 ， 然 后 加 以 拋 光 ， 形 成 一 個 電 刷可 在 其 上 滑 動 的 接 觸 道 。 電 刷 通 常 是 由 具 有 彈性 的 金 屬 薄 片 或 金 屬 絲 制 成 ， 其 末 端 彎 曲 成 弧形 ， 利 用 電 刷 與 電 阻 本 身 的 彈 性 變 形 產(chǎn) 生 的 彈性 力 ， 使 電 刷 與

7、電 阻 元 件 有 一 定 的 接 觸 壓 力 ，以 使 兩 者 在 相 對 滑 動 過 程 中 保 持 可 靠 的 接 觸 和導(dǎo) 電 。 電 位 器 常 用 的 電 阻 絲 材 料 為 銅 鎳 合 金（ 銅 60 、 鎳 40 ） ， 電 刷 為 磷 青 銅 ， 骨 架 為陶 瓷 酚 醛 樹 脂 等 。 9 電 位 器 式 傳 感 器 的 轉(zhuǎn) 換 原 理 根 據(jù) 電 工 知 識 ， 我 們 很 容 易 理 解 電 位 器 的 電 壓 轉(zhuǎn) 換 原 理 。 電 位 器 的 位 移 電 壓 轉(zhuǎn) 換 原 理 如 圖 3-1（ c） 所 示 。 設(shè) 電 阻 體 的長 度 為 l， 電 阻 值 為 R，

8、 兩 端 所 加 （ 輸 入 ） 電 壓 為 Ui， 則 滑 動 端輸 出 電 壓 為 xlUU o i (3-1)式 中 ， x為 位 移 量 。 10 電 位 器 式 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 與 類 型 如 圖 3-2所 示 ， 電 位 器 由 電 阻 元 件 、 電 刷 、 骨 架 等 組 成 。 其 形 式 有 直 滑 式 和 旋 轉(zhuǎn) 式 ， 旋 轉(zhuǎn) 式 有 單 圈 和 多 圈 兩 種 。 電 刷 由觸 頭 、 臂 、 導(dǎo) 向 及 軸 承 等 裝 置 組 成 ； 觸 頭 常 用 銀 、 鉑 銥 、 鉑銠 等 金 屬 ； 電 刷 臂 用 磷 青 銅 等 彈 性 較 好 的 材 料 ； 骨

9、 架 常 用 陶 瓷 、 酚 醛 樹 脂 及 工 程 塑 料 等 絕 緣 材 料 。 電 阻 元 件 有 線 繞 電 阻 、 薄 膜電 阻 、 導(dǎo) 電 塑 料 電 阻 、 導(dǎo) 電 玻 璃 釉 電 阻 等 。 11圖 3-2 電 位 器 的 原 理 圖 （ a） 直 滑 式 ； (b) 單 圈 旋 轉(zhuǎn) 式 ； (c) 多 圈 旋 轉(zhuǎn) 式 12 變 阻 器 式 傳 感 器 的 性 能 參 數(shù) : 1)線 性 (或 曲 線 的 一 致 性 ); 4)移 動 或 旋 轉(zhuǎn) 角 度 范 圍 ; 2) 分 辨 率 ; 5)電 阻 溫 度 系 數(shù) ; 3)整 個 電 阻 值 的 偏 差 ; 6)壽 命 ;變

10、阻 器 式 傳 感 器 的 分 類按 測 量 類 型 ：單 圈 電 位 器多 圈 電 位 器直 線 滑 動 式 電 位 器 13 1. 線 繞 電 位 器 線 繞 電 位 器 電 阻 元 件 由 康 銅 絲 、 鉑 銥 合 金 及 卡 瑪 絲 等 電 阻絲 繞 制 ， 因 而 能 承 受 較 高 的 溫 度 ， 常 被 制 成 功 率 型 電 位 器 ， 其 額 定 功 率 范 圍 一 般 為 0.25 50 W， 阻 值 范 圍 為 100 100 k 。 線 繞 電 位 器 的 突 出 優(yōu) 點(diǎn) 是 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 使 用 方 便 ； 缺 點(diǎn) 是分 辨 率 低 ， 這 是 由 于 電 阻

11、 絲 是 一 匝 一 匝 地 繞 在 骨 架 上 的 ， 當(dāng) 接觸 電 刷 從 這 一 匝 移 到 另 一 匝 時 ， 阻 值 的 變 化 呈 階 梯 式 。 14 15 16 RRUUsc 00 LLUUsc 00 00LRLRKR 00LULUK scV 17 0200 URRRRR RRU L Lx 000 KUURRUsc )1(1 0 KKKUUx xUU 0 xLL URRRR RR )( 0 0RRK LRR0 LURUKU scscsc , scx UU 18 )1(1 0 KKKUUx 0KUUsc xsc UUU %1000 UU 時 ，32K 15.0 max 0RRK

12、LRR0 19 KKRRRL 150%1.0 115.015.0 max 00 kR 10max LRnUU 0 mnUmnUUn 001 )111( 0 nnmU 15.0max 20%10021%1002 1 0 0 nU nUei %1001%10000 nUnURV %1001%100 nLnLR L U nU 2185 1010 22 2. 非 線 繞 電 位 器 1) 合 成 膜 電 位 器 合 成 膜 電 位 器 的 電 阻 體 是 用 具 有 某 一 電 阻 值 的 懸 浮 液 噴 涂在 絕 緣 骨 架 上 形 成 電 阻 膜 而 制 成 的 。 其 優(yōu) 點(diǎn) 是 分 辨 率 較

13、 高 ， 阻值 范 圍 很 寬 （ 100 4.7 M ） ， 耐 磨 性 較 好 ， 工 藝 簡 單 ， 成 本 低 ， 線 性 度 好 等 ； 主 要 缺 點(diǎn) 是 接 觸 電 阻 大 ， 功 率 不 夠 大 ， 容 易 吸 潮 ， 噪 聲 較 大 等 。 23 2） 金 屬 膜 電 位 器 金 屬 膜 電 位 器 由 合 金 、 金 屬 或 金 屬 氧 化 物 等 材 料 通 過 真 空濺 射 或 電 鍍 方 法 ， 在 瓷 基 體 上 沉 積 一 層 薄 膜 而 制 成 。 金 屬 膜 電位 器 具 有 無 限 分 辨 力 ， 接 觸 電 阻 很 小 ， 耐 熱 性 好 ， 滿 負(fù) 荷

14、達(dá)70 。 與 線 繞 電 位 器 相 比 ， 它 的 分 布 電 容 和 分 布 電 感 很 小 ， 特 別 適 合 在 高 頻 條 件 下 使 用 。 它 的 噪 聲 僅 高 于 線 繞 電 位 器 。 金屬 電 位 器 的 缺 點(diǎn) 是 耐 磨 性 較 差 ， 阻 值 范 圍 窄 ， 一 般 在 10 100 。 由 于 這 些 缺 點(diǎn) ， 限 制 了 它 的 使 用 范 圍 。 24 3) 導(dǎo) 電 塑 料 電 位 器 導(dǎo) 電 塑 料 電 位 器 又 稱 實(shí) 心 電 位 器 ， 這 種 電 位 器 的 電 阻 是 由塑 料 粉 及 導(dǎo) 電 材 料 的 粉 料 經(jīng) 塑 壓 而 成 的 。 導(dǎo)

15、 電 塑 料 電 位 器 的 耐磨 性 很 好 ， 使 用 壽 命 較 長 ， 允 許 電 刷 的 接 觸 壓 力 很 大 ， 在 振動 、 沖 擊 等 惡 劣 環(huán) 境 下 仍 能 可 靠 工 作 。 此 外 ， 它 的 分 辨 率 較高 ， 線 性 度 較 好 ， 阻 值 范 圍 大 ， 能 承 受 較 大 的 功 率 。 導(dǎo) 電 塑料 電 位 器 的 缺 點(diǎn) 是 阻 值 易 受 濕 度 影 響 ， 故 精 度 不 易 做 得 很 高 。 導(dǎo) 電 塑 料 電 位 器 的 標(biāo) 準(zhǔn) 阻 值 有 1 k 、 2 k 、 5 k 和 10 k ， 線 性 度 為 0.1%和 0.2% 。 25 4）

16、 導(dǎo) 電 玻 璃 釉 電 位 器 導(dǎo) 電 玻 璃 釉 電 位 器 又 稱 金 屬 陶 瓷 電 位 器 ， 它 是 以 合 金 、 金 屬 氧 化 物 或 難 溶 化 合 物 等 為 導(dǎo) 電 材 料 ， 以 玻 璃 釉 粉 為 粘 合劑 ， 混 合 燒 結(jié) 在 陶 瓷 或 玻 璃 基 體 上 制 成 的 。 導(dǎo) 電 玻 璃 釉 電 位器 的 耐 高 溫 性 、 耐 磨 性 好 ， 有 較 寬 的 阻 值 范 圍 ， 電 阻 濕 度 系數(shù) 小 且 抗 濕 性 強(qiáng) 。 導(dǎo) 電 玻 璃 釉 電 位 器 的 缺 點(diǎn) 是 接 觸 電 阻 變 化大 、 噪 聲 大 、 不 易 保 證 測 量 的 高 精 度

17、 。 26 27 28 maxmax UU maxmax Uxx 29 30 3.2 應(yīng) 變 式 傳 感 器 應(yīng) 變 式 傳 感 器 是 根 據(jù) 應(yīng) 變 原 理 ， 通 過 應(yīng) 變 片 和 彈 性 元 件 將機(jī) 械 構(gòu) 件 的 應(yīng) 變 或 應(yīng) 力 轉(zhuǎn) 換 為 電 阻 的 微 小 變 化 再 進(jìn) 行 電 量 測 量的 裝 置 。 其 基 本 構(gòu) 成 如 圖 3-3所 示 。 圖 3-3 應(yīng) 變 式 傳 感 器 原 理 框 圖 31 應(yīng) 變 式 傳 感 器 具 有 以 下 優(yōu) 點(diǎn) ： （ 1） 測 量 范 圍 寬 、 精 度 高 ， 如 測 量 力 可 達(dá) 10-1 106N、 0.05% F.S

18、， 測 量 壓 力 可 達(dá) 10 1011Pa、 0.1% F.S， 測 量 應(yīng) 變 可達(dá) k級 ； （ 2） 動 態(tài) 響 應(yīng) 好 ， 一 般 電 阻 應(yīng) 變 片 響 應(yīng) 時 間 為 10-7s， 半導(dǎo) 體 式 應(yīng) 變 片 響 應(yīng) 時 間 達(dá) 10-11s； (3) 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 使 用 方 便 ， 體 積 小 ， 重 量 輕 ； 品 種 多 ， 價格 低 ， 耐 惡 劣 環(huán) 境 ， 易 于 集 成 化 和 智 能 化 。 32 3.2.1 應(yīng) 變 效 應(yīng) 與 應(yīng) 變 靈 敏 度 1. 金 屬 導(dǎo) 體 的 電 阻 應(yīng) 變 靈 敏 度 金 屬 導(dǎo) 體 的 電 阻 與 材 料 、 長 度 、

19、 截 面 積 和 溫 度 有 關(guān) 。 在 溫度 一 定 時 ， 其 電 阻 定 律 為 SlR (3-2） 式 中 ， R為 導(dǎo) 體 的 電 阻 值 ； l為 導(dǎo) 體 的 長 度 ； S為 導(dǎo) 體 的 截 面 積 ； 為 導(dǎo) 體 的 電 阻 率 。 33 當(dāng) 沿 金 屬 絲 長 度 方 向 施 加 力 時 ， 其 幾 何 尺 寸 和 電 阻 率 都 會變 化 ， 從 而 導(dǎo) 致 電 阻 值 的 變 化 。 經(jīng) 證 明 可 得 KRR (3-3） 式 中 ， K為 應(yīng) 變 靈 敏 度 系 數(shù) 。 由 表 3-1可 以 看 出 ， 金 屬 應(yīng) 變 片 K 2。 34 2. 半 導(dǎo) 體 的 壓 阻

20、效 應(yīng) 與 壓 阻 系 數(shù) 對 于 半 導(dǎo) 體 材 料 ， 在 某 一 晶 向 施 加 一 定 應(yīng) 力 時 ， 其 電 阻率 將 產(chǎn) 生 較 大 的 變 化 ， 而 幾 何 尺 寸 變 化 很 小 ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 壓阻 效 應(yīng) 。 相 應(yīng) 的 ， 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 電 阻 也 常 稱 為 壓 阻 元 件 。 半 導(dǎo) 體材 料 壓 阻 靈 敏 度 為 EK 1 (3-4) 式 中 ， E為 半 導(dǎo) 體 材 料 的 彈 性 模 量 ； l為 半 導(dǎo) 體 材 料 的 壓 阻 系數(shù) 。 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 片 的 K約 為 幾 十 甚 至 幾 百 ， 遠(yuǎn) 大 于 金 屬 電 阻 的應(yīng) 變

21、 靈 敏 度 。 但 其 溫 度 穩(wěn) 定 性 遠(yuǎn) 不 如 金 屬 電 阻 應(yīng) 變 片 。 35 3.2.2 電 阻 應(yīng) 變 片 1. 電 阻 應(yīng) 變 片 的 類 型 與 結(jié) 構(gòu) 1） 金 屬 電 阻 應(yīng) 變 片 金 屬 電 阻 應(yīng) 變 片 的 類 型 和 結(jié) 構(gòu) 如 圖 3-4所 示 ， 它 有 絲 式 、 箔 式 和 薄 膜 式 。 其 中 ， 圖 （ a） 為 其 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 ， 敏 感 柵 粘 貼在 基 底 上 ， 上 面 覆 蓋 保 護(hù) 層 。 基 底 有 紙 基 和 膠 基 兩 種 。 應(yīng) 變片 的 縱 向 尺 寸 為 工 作 長 度 ， 反 映 被 測 應(yīng) 變 ， 其 橫

22、向 應(yīng) 變 將 造 成測 量 誤 差 。 圓 角 絲 柵 橫 向 應(yīng) 變 靈 敏 度 高 ， 誤 差 較 大 ， 但 耐 疲勞 性 好 ， 一 般 用 于 動 態(tài) 測 量 。 直 角 絲 柵 橫 向 應(yīng) 變 靈 敏 度 小 ， 因 而 精 度 高 ， 但 耐 疲 勞 性 差 ， 適 用 于 靜 態(tài) 測 量 。 36 箔 式 電 阻 應(yīng) 變 片 是 用 光 刻 技 術(shù) 將 康 銅 或 鎳 鉻 合 金 箔 腐 蝕 成柵 狀 而 成 。 其 絲 柵 形 狀 可 與 應(yīng) 力 分 布 相 適 應(yīng) ， 制 成 各 種 專 用 應(yīng)變 片 。 它 的 電 阻 值 分 散 度 小 ， 可 做 成 任 意 形 狀

23、 ， 易 于 大 量 生 產(chǎn) ， 成 本 低 ， 散 熱 性 好 ， 允 許 通 過 大 的 電 流 ， 靈 敏 度 高 ， 耐 蠕 變和 耐 漂 移 能 力 強(qiáng) 。 薄 膜 應(yīng) 變 片 是 采 用 真 空 鍍 膜 技 術(shù) 在 很 薄 的 絕緣 基 底 上 蒸 鍍 金 屬 電 阻 材 料 薄 膜 ， 再 加 上 保 護(hù) 層 形 成 的 。 其 優(yōu)點(diǎn) 是 靈 敏 度 高 ， 允 許 通 過 大 的 電 流 。 37圖 3-4 金 屬 電 阻 應(yīng) 變 片 38 2） 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 片 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 片 有 體 型 、 薄 膜 型 和 擴(kuò) 散 型 等 形 式 。 圖 3-5是體 型 半

24、導(dǎo) 體 應(yīng) 變 片 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 ， 它 由 基 片 1、 條 狀 半 導(dǎo) 體 2、 引 線 3組 成 。 體 型 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 片 是 直 接 用 單 晶 鍺 或 單 晶 硅 等 半導(dǎo) 體 材 料 經(jīng) 過 切 割 、 研 磨 、 切 條 、 焊 引 線 、 粘 貼 等 工 藝 過 程制 成 的 。 39圖 3-5 體 型 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 片 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 40 表 3-1 應(yīng) 變 片 主 要 技 術(shù) 參 數(shù) 41 2. 應(yīng) 變 片 的 使 用 1） 電 阻 應(yīng) 變 片 的 選 擇 選 擇 時 主 要 考 慮 尺 寸 、 初 始 電 阻 、 絕 緣 電 阻 及 允 許 工

25、 作 電流 。 （ 1） 應(yīng) 變 片 的 幾 何 尺 寸 ： 應(yīng) 變 片 的 幾 何 參 數(shù) 主 要 是 指 敏感 柵 基 長 l、 基 寬 a和 曲 率 半 徑 r。 一 般 基 長 l在 3 35 mm范 圍 內(nèi) ， 基 寬 =0.03 10 mm， 圓 角 絲 柵 的 曲 率 半 徑 r=0.1 0.3 mm。 42 （ 2） 應(yīng) 變 片 的 初 始 電 阻 和 絕 緣 電 阻 ： 應(yīng) 變 片 的 初 始 電 阻值 R0有 60、 120、 200、 350、 600或 1000 的 應(yīng) 變 片 。 絕 緣 電 阻是 指 敏 感 柵 與 基 底 間 的 電 阻 ， 應(yīng) 防 止 應(yīng) 變 片

26、 與 試 件 間 的 漏 電 而造 成 誤 差 。 （ 3） 允 許 工 作 電 流 和 逸 散 功 率 ： 通 常 在 測 靜 態(tài) 量 時 ， 允許 電 流 小 于 25 mA。 在 測 動 態(tài) 量 時 ， 允 許 電 流 高 一 些 。 應(yīng) 變 片的 逸 散 功 率 是 指 當(dāng) 電 流 通 過 應(yīng) 變 片 時 ， 在 溫 度 允 許 范 圍 內(nèi) ， 單位 時 間 傳 給 周 圍 介 質(zhì) 的 熱 量 。 43 2） 電 阻 應(yīng) 變 片 粘 貼 電 阻 應(yīng) 變 片 是 粘 貼 在 彈 性 敏 感 元 件 上 或 被 測 構(gòu) 件 上 工 作 的 ， 傳 感 器 的 性 能 在 很 大 程 度 上

27、 取 決 于 粘 貼 質(zhì) 量 。 電 阻 應(yīng) 變 片 的粘 貼 工 藝 如 下 ： （ 1） 試 件 的 表 面 處 理 ： 必 須 將 試 件 表 面 處 理 干 凈 ， 清 除雜 質(zhì) 、 油 污 及 表 面 氧 化 層 等 。 （ 2） 確 定 貼 片 位 置 ： 應(yīng) 變 片 應(yīng) 貼 在 試 件 應(yīng) 變 最 大 的 部 位 。 44 （ 3） 粘 貼 ： 首 先 用 甲 苯 、 四 氫 化 碳 等 溶 劑 清 洗 試 件 表 面和 應(yīng) 變 片 的 底 面 ， 然 后 在 試 件 表 面 和 應(yīng) 變 片 的 底 面 各 涂 一 層 薄而 均 勻 的 粘 合 劑 ， 將 應(yīng) 變 片 貼 在 確

28、 定 的 位 置 處 。 貼 片 后 ， 在 應(yīng)變 片 上 蓋 上 一 張 玻 璃 紙 并 加 壓 ， 排 出 多 余 的 膠 水 和 氣 泡 。 加 壓時 要 注 意 防 止 應(yīng) 變 片 錯 位 。 粘 貼 應(yīng) 變 片 的 粘 合 劑 的 種 類 很 多 ， 要 根 據(jù) 基 片 材 料 、 工 作溫 度 、 潮 濕 程 度 、 穩(wěn) 定 性 、 是 否 加 溫 加 壓 以 及 粘 貼 時 間 等 多 種因 素 合 理 選 擇 粘 合 劑 。 （ 4） 固 化 ： 根 據(jù) 所 使 用 的 粘 合 劑 的 固 化 工 藝 要 求 進(jìn) 行 固化 處 理 。 45 （ 5） 粘 貼 質(zhì) 量 檢 查 ：

29、 檢 查 粘 貼 位 置 是 否 正 確 ， 粘 合 層是 否 有 氣 泡 和 漏 貼 ， 敏 感 柵 是 否 有 短 路 或 斷 路 現(xiàn) 象 以 及 敏 感柵 的 絕 緣 性 能 等 。 （ 6） 引 線 的 焊 接 與 防 護(hù) ： 檢 查 合 格 后 即 可 焊 接 引 線 ， 引 線 要 適 當(dāng) 固 定 。 然 后 在 應(yīng) 變 片 上 涂 一 層 防 護(hù) 層 ， 防 止 大 氣對 應(yīng) 變 片 的 侵 蝕 。 46 3.2.3 轉(zhuǎn) 換 電 路 1. 電 阻 電 橋 的 輸 出 電 壓 直 流 電 阻 電 橋 如 圖 3-6（ a） 、 （ b） 、 （ c） 所 示 ， 其 初 始狀 態(tài)

30、可 通 過 RP1調(diào) 零 。 若 采 用 交 流 電 源 供 電 ， 則 稱 為 交 流 電 橋 ， 如 圖 3-6（ d） 所 示 ， 可 通 過 RP1和 RP2調(diào) 零 。 當(dāng) 電 橋 平 衡 時 ， 輸出 電 壓 Uo=0。 電 橋 的 平 衡 條 件 是 對 邊 臂 電 阻 乘 積 相 等 ， 即 R1R3=R2R4 (3-5） 47圖 3-6 常 用 電 橋 電 路 （ a） 單 臂 ； （ b） 雙 臂 ； (c) 全 橋 ； (d) 交 流 電 橋 48 由 于 通 常 四 個 電 阻 不 可 能 剛 好 滿 足 平 衡 條 件 ， 因 此 電 橋 都 設(shè) 置有 調(diào) 零 電 路

31、。 調(diào) 零 電 路 是 由 RP1及 R5組 成 的 。 當(dāng) 電 橋 不 平 衡 時 ， 將 有 電 壓 輸 出 。 根 據(jù) 電 路 原 理 ， 其 輸 出 電 壓 為 i4132 4231i41 432 3o )( URRRR RRRRURR RRR RU （ 3-6） 當(dāng) 四 個 橋 臂 電 阻 R1、 R2、 R3、 R4分 別 發(fā) 生 R1 、 R2 、 R3 、 R4的 變 化 量 時 ， 式 （ 3-6） 分 母 中 將 含 有 變 量 R項(xiàng) ， 分子 中 將 含 有 R 2項(xiàng) ， 因 此 電 橋 為 非 線 性 特 性 。 在 滿 足 式 （ 3-5）的 條 件 下 ， 略 去

32、分 母 中 的 R項(xiàng) 和 分 子 中 的 R2項(xiàng) ， 并 經(jīng) 整 理 可得 44332211io 4 RRRRRRRRUU （ 3-7） 49 2. 應(yīng) 變 電 橋 的 工 作 方 式 對 于 應(yīng) 變 式 傳 感 器 ， 其 電 橋 電 路 可 分 為 全 橋 、 單 臂 電 橋 和雙 臂 電 橋 工 作 方 式 。 全 橋 和 雙 臂 電 橋 還 可 構(gòu) 成 差 動 工 作 方 式 。 式 （ 3-7） 和 式 （ 3-8） 為 全 橋 的 輸 出 電 壓 表 達(dá) 式 。 1） 半 橋 單 臂 工 作 方 式 如 圖 3-6（ a） 所 示 ， R1為 電 阻 應(yīng) 變 片 ， R2、 R3、

33、 R4為 固 定 電阻 ， 由 式 （ 3-7） 和 式 （ 3-8） 得 1i11io 44 kURRUU （ 3-9） 50 2） 半 橋 雙 臂 工 作 方 式 如 圖 3-6（ b） 所 示 ， R1、 R2均為 電 阻 應(yīng) 變 片 ， R3、 R4為 固 定 電 阻 ， 同 理 可 得 )(44 21i2211io kURRRRUU （ 3-10） 51 3） 差 動 電 橋 由 式 （ 3-7） 可 以 看 出 ， 相 鄰 橋 臂 間 為 相 減 關(guān) 系 ， 相 對 橋 臂間 為 相 加 關(guān) 系 。 因 此 構(gòu) 成 差 動 電 橋 的 條 件 為 ： 相 鄰 橋 臂 應(yīng) 變 片的

34、應(yīng) 變 方 向 應(yīng) 相 反 ， 相 對 橋 臂 應(yīng) 變 片 的 應(yīng) 變 方 向 應(yīng) 相 同 。 如 果各 應(yīng) 變 片 的 應(yīng) 變 量 相 等 ， 則 稱 為 對 稱 電 橋 。 那 么 ， 式 （ 3-10）和 式 （ 3-7） 可 分 別 改 寫 為 1i11io 1i11io 22 kURRUU kURRUU （ 3-11） （ 3-12） 52 3.3 電 容 式 傳 感 器 3.3.1 電 容 式 傳 感 器 的 類 型 與 特 性 在 物 理 學(xué) 中 我 們 已 經(jīng) 知 道 ： 兩 個 彼 此 絕 緣 而 又 靠 得 很 近的 導(dǎo) 體 就 組 成 了 一 個 電 容 器 ， 電 容

35、量 等 于 極 板 所 帶 電 荷 量 與極 板 間 的 電 壓 之 比 。 平 行 金 屬 板 間 的 電 容 量 為 kdSUQC 4 （ 3-13） 式 中 ， k 9 10 9Nm2/C2。 53 1.改 變 極 板 間 距 離 的 平 板 電 容 式 傳 感 器 如 圖 3-7（ a） 所 示 ， 設(shè) A板 為 一 固 定 極 板 ， B板 為 一 可 動 極板 ， 當(dāng) B板 隨 被 測 位 移 x移 動 時 ， 兩 板 間 距 離 d就 發(fā) 生 變 化 ， 從而 改 變 電 容 量 。 由 圖 3-7（ b） 可 知 其 特 性 為 非 線 性 ， 但 若 d很小 時 ， 則 可

36、以 近 似 為 線 性 特 性 ， 而 且 具 有 很 高 的 靈 敏 度（ d/d=c/c)。 如 圖 3-7（ c） 所 示 為 差 動 式 結(jié) 構(gòu) ， 可 以 提 高 靈 敏度 、 減 小 非 線 性 。 54圖 3-7 平 板 電 容 式 傳 感 器(a) 變 極 距 式 示 意 圖 ； (b) 變 極 距 式 的 特 性 ； (c) 差 動 式 示 意 圖 55 2. 改 變 極 板 間 有 效 面 積 的 電 容 式 傳 感 器 改 變 極 板 間 有 效 面 積 的 電 容 式 傳 感 器 常 見 的 有 以 下 四 種 ： 平 板 式 、 扇 形 平 板 式 、 柱 面 板 式

37、 和 圓 筒 面 式 ， 如 圖 3-8所 示 。 同 樣 它 們 也 可 以 做 成 差 動 式 。 平 板 式 和 圓 筒 面 式 用 于 測 量 直 線位 移 ， 扇 形 平 板 和 柱 面 板 式 用 于 測 量 角 位 移 。 變 面 積 式 電 容傳 感 器 的 特 性 為 線 性 特 性 ， 測 量 范 圍 寬 ， 但 靈 敏 度 較 低 。 圓筒 面 電 容 式 傳 感 器 的 電 容 值 可 表 示 為 )/ln( )(55.0)/ln( )( rr dD lldD llKCAB （ 3-14） 式 中 ， l為 兩 圓 筒 的 高 度 ； d為 圓 筒 A的 外 徑 ； D

38、為 圓 筒 B的 內(nèi) 徑 ； l為 沿 軸 線 的 位 移 (單 位 為 cm)； K為 系 數(shù) ， 當(dāng) d接 近 D時 ， 可 略 去邊 緣 效 應(yīng) ， 取 K=0.55。 56圖 3-8 改 變 極 板 間 有 效 面 積 的 電 容 式 傳 感 器 （ a） 平 板 式 ； （ b） 扇 形 平 板 ； （ c） 柱 面 板 式 ； （ d） 圓 筒 面 式 57 3. 改 變 極 板 間 介 質(zhì) 的 電 容 式 傳 感 器 圖 3-9為 改 變 極 板 間 介 質(zhì) 的 電 容 式 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖 。 它的 電 極 間 相 互 位 置 沒 有 任 何 改 變 ， 而

39、是 靠 改 變 極 板 間 介 質(zhì) 高 度來 改 變 其 電 容 值 的 。 設(shè) 被 測 介 質(zhì) 的 相 對 介 電 常 數(shù) 為 r1， 空 氣 的相 對 介 電 常 數(shù) 為 r0 1， 介 質(zhì) 高 度 為 h， 傳 感 器 總 高 度 為 H， 內(nèi)筒 的 外 徑 為 d， 外 筒 的 內(nèi) 徑 為 D， 則 由 式 （ 3-14） 可 求 得 傳 感 器的 電 容 值 為 dD hKCC ln )( 0r1r0 （ 3-15） 式 中 ， 為 傳 感 器 的 初 始 電 容 值 。 可 見 傳 感 器 的 電容 增 量 與 被 測 液 位 高 度 h成 正 比 ， 故 它 可 以 用 來 測

40、量 液 位 和 料 位的 高 度 。 )/ln( 0r0 dD HKC 58圖 3-9 變 介 質(zhì) 電 容 式 傳 感 器 原 理 圖 （ a） 結(jié) 構(gòu) 原 理 示 意 圖 ； （ b） 輸 入 /輸 出 特 性 59 3.3.2 電 容 式 傳 感 器 的 轉(zhuǎn) 換 電 路 1. 橋 式 電 路 圖 3-10為 電 容 傳 感 器 的 橋 式 轉(zhuǎn) 換 電 路 。 其 中 ， （ a） 為 單 臂接 法 ， 高 頻 電 源 接 到 電 容 電 橋 的 一 個 對 角 線 上 ， 電 容 C1、 C2、C3、 Cx構(gòu) 成 電 容 電 橋 的 四 臂 ， Cx為 電 容 傳 感 器 ， 電 橋 平

41、衡 時 輸出 電 壓 為 零 ； Cx變 化 時 電 橋 平 衡 被 破 壞 ， 則 有 電 壓 輸 出 。 （ b）為 差 動 接 法 ， 其 空 載 輸 出 電 壓 可 表 示 為 uo= CU/C0， C為 電容 傳 感 器 的 電 容 變 化 值 。 （ c） 為 雙 T形 電 橋 原 理 圖 ， 激 勵 電 源為 穩(wěn) 頻 、 穩(wěn) 幅 的 高 頻 對 稱 方 波 ， 它 利 用 二 極 管 控 制 傳 感 器 電 容C x和 電 容 C的 充 放 電 ， 當(dāng) Cx=C時 ， 負(fù) 載 RL上 流 過 的 平 均 電 流 為 零 ； 60圖 3-10 電 容 傳 感 器 的 橋 式 轉(zhuǎn) 換

42、 電 路 61 當(dāng) Cx變 化 時 ， 負(fù) 載 RL上 得 到 與 電 容 變 化 成 比 例 的 信 號 電 壓 。電 容 C可 以 是 固 定 電 容 ， 也 可 以 是 差 動 電 容 的 另 一 邊 。 雙 T形 電橋 輸 出 電 壓 高 ， 可 測 量 高 速 機(jī) 械 振 動 ， 輸 出 阻 抗 與 Cx無 關(guān) ， 只決 定 于 電 阻 R（ 1 100 k） , 可 用 毫 安 表 或 微 安 表 直 接 測 量 。 電 容 式 傳 感 器 也 可 以 采 用 如 圖 3-6(d) 所 示 的 電 路 ， 將 圖中 的 C1、 C2接 成 差 動 電 容 傳 感 器 的 兩 個 差

43、 動 電 容 ， 由 RP1和 RP2配 合 調(diào) 節(jié) 電 橋 的 平 衡 。 62 2. 差 動 脈 沖 調(diào) 寬 電 路 圖 3-11為 差 動 電 容 傳 感 器 的 脈 沖 調(diào) 寬 電 路 ， 其 輸 出 電 壓 經(jīng)低 通 濾 波 后 的 平 均 值 正 比 于 輸 入 的 非 電 量 。 可 以 證 明 ： 變 極 距差 動 電 容 傳 感 器 輸 出 為 UddU 0av （ 3-16） 變 面 積 差 動 電 容 傳 感 器 輸 出 為 USSU 0av （ 3-17） 式 中 ， U為 觸 發(fā) 器 輸 出 高 電 平 電 壓 值 。 63圖 3-11 差 動 式 電 容 傳 感 器

44、 脈 沖 調(diào) 寬 電 路 64 3.3.3 電 容 式 傳 感 器 的 使 用 注 意 事 項(xiàng) 在 應(yīng) 用 或 制 造 電 容 式 傳 感 器 時 ， 應(yīng) 特 別 注 意 以 下 幾 點(diǎn) ： （ 1） 擊 穿 電 壓 ： 電 容 式 傳 感 器 極 板 之 間 的 空 氣 隙 d很 小 ， 存 在 介 質(zhì) 被 擊 穿 的 危 險 ， 通 常 在 兩 極 板 間 加 云 母 片 以 避 免 空 氣隙 被 擊 穿 。 （ 2） 極 片 材 料 受 溫 度 的 影 響 ： 由 不 同 材 料 制 造 成 的 傳 感器 ， 具 有 不 同 的 溫 度 膨 脹 系 數(shù) ， 為 此 在 決 定 傳 感 器

45、 尺 寸 和 選 材時 均 要 考 慮 溫 度 影 響 。 （ 3） 連 接 線 問 題 ： 電 容 式 傳 感 器 的 電 容 值 均 很 小 ， 一 般在 皮 法 (10 -12F)級 ， 因 而 連 接 線 通 常 使 用 分 布 電 容 極 小 的 高 頻 電纜 。 65 3.4 電 感 式 傳 感 器 3.4.1 自 感 式 傳 感 器 1. 變 氣 隙 式 （ 閉 磁 路 式 ） 自 感 傳 感 器 變 氣 隙 式 自 感 式 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 如 圖 3-12所 示 。 其 中 ， （ a） 為 單 邊 式 結(jié) 構(gòu) ， （ b） 為 差 動 式 結(jié) 構(gòu) 。 它 們

46、由 鐵 芯 、 線 圈 、 銜 鐵 、 測 桿 及 彈 簧 等 組 成 。 66圖 3-12 變 氣 隙 式 自 感 式 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖（ a） 單 邊 式 ； （ b） 差 動 式 67 由 電 工 知 識 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) 為 )H(INIL 式 中 ， =N 為 磁 鏈 ； 為 磁 通 （ Wb） ； I為 流 過 線 圈 的 電 流（ A） ， N為 線 圈 匝 數(shù) 。 根 據(jù) 磁 路 歐 姆 定 律 知 ： lNIS 式 中 ， 為 磁 導(dǎo)

47、率 ； S為 磁 路 截 面 積 ； l為 磁 路 總 長 度 。 68 令 Rm=l/ S為 磁 路 的 磁 阻 ， 可 得 線 圈 的 電 感 量 為 m22 RNl SNINL （ 3-18） 圖 3-12中 的 磁 路 總 長 度 包 括 鐵 芯 長 度 li1、 銜 鐵 長 度 li2和 兩個 空 氣 間 隙 l0的 長 度 ， 即 l= li1+ li2+2l0。 因 鐵 芯 和 銜 鐵 均 為 導(dǎo) 磁材 料 ， 磁 阻 可 忽 略 不 計(jì) ， 則 式 （ 3-18） 可 改 寫 為 0 002m2 2l SNRNL （ 3-19） 式 中 ， S0為 氣 隙 的 等 效 截 面

48、積 ； 0為 空 氣 的 磁 導(dǎo) 率 。 只 要 被 測 非電 量 能 夠 引 起 空 氣 隙 長 度 l0或 等 效 截 面 積 S0發(fā) 生 變 化 ， 線 圈 的 電 感量 就 會 隨 之 變 化 。 因 此 ， 電 感 式 傳 感 器 從 原 理 上 可 分 為 變 氣 隙 長度 式 和 變 氣 隙 截 面 式 兩 種 類 型 。 69 1） 變 氣 隙 長 度 式 電 感 傳 感 器 由 式 （ 3-19） 可 知 ， 變 氣 隙 長 度 式 傳 感 器 的 特 性 與 圖 3-7（ b） 所 示 的 相 同 。 它 具 有 線 性 度 差 、 示 值 范 圍 窄 、 自 由 行 程小

49、 、 在 小 位 移 下 靈 敏 度 很 高 的 特 點(diǎn) 。 因 此 ， 常 用 于 直 線 小 位移 的 測 量 ， 以 及 結(jié) 合 彈 性 敏 感 元 件 構(gòu) 成 壓 力 傳 感 器 、 加 速 度 傳感 器 等 。 2） 變 氣 隙 截 面 式 電 感 傳 感 器 如 圖 3-13所 示 ， 旋 轉(zhuǎn) 銜 鐵 可 改 變 氣 隙 的 截 面 積 。 同 樣 由 式（ 3-19） 可 知 ， 變 截 面 式 傳 感 器 具 有 線 性 度 良 好 、 自 由 行 程 大 、 示 值 范 圍 寬 、 靈 敏 度 較 低 的 特 點(diǎn) ， 通 常 用 來 測 量 比 較 大 的 直 線位 移 和

50、角 位 移 。 70圖 3-13 變 氣 隙 截 面 式 電 感 傳 感 器 71 3） 差 動 式 結(jié) 構(gòu) 為 了 擴(kuò) 大 示 值 范 圍 和 減 小 非 線 性 誤 差 ， 可 采 用 差 動 結(jié) 構(gòu) ， 如 圖 3-12（ b） 和 3-13所 示 。 將 兩 個 線 圈 接 在 電 橋 的 相 鄰 臂 ，構(gòu) 成 差 動 電 橋 ， 不 僅 可 使 靈 敏 度 提 高 一 倍 ， 而 且 可 使 非 線 性誤 差 大 為 減 小 。 如 當(dāng) x/l0=10%時 ， 單 邊 式 非 線 性 誤 差 小 于 10 ， 而 差 動 式 非 線 性 誤 差 小 于 1 。 72 2. 螺 管 式

51、 （ 開 磁 路 式 ） 自 感 式 傳 感 器 螺 管 式 自 感 式 傳 感 器 常 采 用 差 動 式 ， 如 圖 3-14所 示 。 它 是在 螺 線 管 中 插 入 圓 柱 形 鐵 芯 而 構(gòu) 成 的 。 其 磁 路 是 開 放 的 ， 氣 隙磁 路 占 很 長 的 部 分 。 有 限 長 螺 線 管 內(nèi) 部 磁 場 沿 軸 線 非 均 勻 分 布 ， 中 間 強(qiáng) ， 兩 端 弱 。 插 入 鐵 芯 的 長 度 ， 不 宜 過 短 也 不 宜 過 長 ， 一 般 鐵 芯 與 線 圈 長 度 比 為 0.5， 半 徑 比 趨 于 1為 宜 。 鐵 磁 材 料 的選 取 決 定 于 供

52、橋 電 源 的 頻 率 ， 500Hz以 下 多 用 硅 鋼 片 ， 500 Hz以 上 多 用 坡 莫 合 金 ， 更 高 頻 率 的 則 選 用 鐵 氧 體 。 從 線 性 度 考 慮 ， 匝 數(shù) 和 鐵 芯 長 度 有 一 最 佳 數(shù) 值 ， 應(yīng) 通 過 實(shí) 驗(yàn) 選 定 。 73圖 3-14 螺 管 式 自 感 式 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 原 理 74 3. 電 感 式 傳 感 器 的 轉(zhuǎn) 換 電 路 電 感 式 傳 感 器 常 用 交 流 阻 抗 電 橋 和 諧 振 電 路 實(shí) 現(xiàn) 信 號 的 轉(zhuǎn)換 。 圖 3-15為 電 感 式 傳 感 器 常 用 的 交 流 阻 抗 電 橋 ， 電 橋

53、 的 平 衡也 可 用 如 圖 3-6（ d） 所 示 的 電 路 來 調(diào) 節(jié) 。 圖 3-15（ a） 為 電 感 電 橋 ， 為 了 便 于 選 擇 元 件 ， 另 外 兩 臂常 采 用 固 定 電 阻 ， 電 橋 的 輸 出 電 壓 為 LLuu 2 o （ 3-20） 75 圖 3-15(b)為 變 壓 器 電 橋 ， 其 中 兩 橋 臂 為 變 壓 器 二 次 側(cè) 的 線圈 ， Z1、 Z2為 差 動 式 電 感 傳 感 器 的 線 圈 ， 若 忽 略 線 圈 的 電 阻 變化 ， 則 輸 出 電 壓 為 LLuZZ ZZuu 22 21 21o （ 3-21） 當(dāng) 銜 鐵 移 動

54、方 向 相 反 時 ， 輸 出 電 壓 的 相 位 將 相 差 180 。 76圖 3-15 電 感 式 傳 感 器 電 橋 電 路 (a) 電 感 電 橋 ； (b) 變 壓 器 電 橋 77 3.4.2 差 動 變 壓 器 1. 差 動 變 壓 器 的 結(jié) 構(gòu) 與 原 理 差 動 變 壓 器 是 互 感 式 差 動 電 感 傳 感 器 ， 它 的 結(jié) 構(gòu) 分 為 變 隙 式和 螺 管 式 兩 種 。 由 于 變 隙 式 行 程 很 小 (l 0 0.5 mm)， 結(jié) 構(gòu) 也 很復(fù) 雜 ， 目 前 多 采 用 螺 管 式 ， 如 圖 3-16（ a） 所 示 。 螺 管 式 差 動 變壓 器

55、 的 結(jié) 構(gòu) 仍 包 括 線 圈 、 鐵 芯 、 銜 鐵 和 測 桿 等 。 線 圈 排 列 的 方式 有 二 節(jié) 型 、 三 節(jié) 型 和 多 節(jié) 型 幾 種 。 線 圈 由 一 次 側(cè) 線 圈 、 二 次側(cè) 線 圈 和 骨 架 組 成 。 骨 架 常 采 用 絕 緣 、 高 頻 損 耗 小 、 抗 潮 濕 、 溫 度 膨 脹 系 數(shù) 小 的 材 料 制 成 圓 柱 形 。 78 普 通 的 可 用 膠 木 棒 ， 要 求 高 的 則 用 環(huán) 氧 玻 璃 纖 維 、 聚 砜 塑料 或 聚 四 氟 乙 烯 等 。 骨 架 的 形 狀 和 尺 寸 要 精 密 對 稱 。 線 圈 通 常用 高 強(qiáng)

56、度 漆 包 線 密 繞 而 成 ， 一 般 采 用 36 48號 漆 包 線 ， 導(dǎo) 線 直徑 取 決 于 電 源 電 壓 和 頻 率 的 高 低 。 鐵 芯 的 作 用 是 提 供 閉 合 磁 回路 、 磁 屏 蔽 和 機(jī) 械 保 護(hù) 。 銜 鐵 和 鐵 芯 用 同 種 導(dǎo) 磁 材 料 制 造 。 高精 度 差 動 變 壓 器 宜 用 高 鎳 坡 莫 合 金 。 鐵 芯 和 銜 鐵 要 經(jīng) 過 適 當(dāng) 的 熱處 理 ， 除 去 應(yīng) 力 ， 以 改 進(jìn) 磁 性 能 。 在 忽 略 了 鐵 損 、 導(dǎo) 磁 體 磁 阻和 線 圈 間 寄 生 電 容 的 理 想 情 況 下 ， 螺 管 式 差 動

57、變 壓 器 的 等 效 電路 如 圖 3-16（ b） 所 示 。 圖 中 ， e 1為 初 級 線 圈 的 激 勵 電 勢 ； L1、R1為 初 級 線 圈 的 電 感 和 電 阻 ； R21、 R22為 兩 個 二 次 線 圈 的 電 阻 。兩 個 二 次 線 圈 反 極 性 串 聯(lián) ， 因 此 e2=e21-e22， 由 電 路 原 理 可 以 得 出 e2=k(M1-M2)=k M （ 3-22） 79圖 3-16 差 動 變 壓 器 的 結(jié) 構(gòu) 與 原 理 圖（ a） 結(jié) 構(gòu) 與 原 理 圖 ； （ b） 等 效 電 路 80 2. 差 動 變 壓 器 的 特 性 1） 差 動 變

58、壓 器 的 輸 出 特 性 差 動 變 壓 器 的 理 想 輸 出 特 性 如 圖 3-17（ a） 所 示 ， 在 線 性范 圍 內(nèi) ， 輸 出 電 動 勢 隨 銜 鐵 正 、 負(fù) 位 移 而 線 性 增 大 。 81圖 3-17 差 動 變 壓 器 的 輸 出 特 性（ a） 理 想 特 性 ； （ b） 零 點(diǎn) 殘 余 電 壓 ； （ c） 相 敏 檢 波 后 的 特 性 82 2） 零 點(diǎn) 殘 余 電 壓 實(shí) 際 上 ， 由 于 工 藝 上 的 原 因 ， 差 動 變 壓 器 二 次 繞 組 不 可 能完 全 對 稱 ， 其 次 由 于 線 圈 中 的 銅 損 、 磁 性 材 料 的

59、鐵 損 和 材 質(zhì) 的不 均 勻 性 、 線 圈 匝 間 分 布 電 容 的 存 在 以 及 導(dǎo) 磁 材 料 磁 化 特 性 的非 線 性 引 起 電 流 波 形 畸 變 而 產(chǎn) 生 的 高 次 諧 波 ， 使 勵 磁 電 流 與 所產(chǎn) 生 的 磁 通 不 同 相 。 當(dāng) 位 移 x為 零 時 ， 輸 出 電 動 勢 e不 等 于 零 ， 該 不 為 零 的 輸 出 電 動 勢 稱 為 零 點(diǎn) 殘 余 電 壓 ， 如 圖 3-17（ b） 所示 。 83 3） 靈 敏 度 與 激 勵 電 動 勢 的 關(guān) 系 差 動 變 壓 器 靈 敏 度 與 激 勵 電 動 勢 有 關(guān) ， 用 (mV/mm)

60、/V來 表 示 。e1越 大 ， 靈 敏 越 高 。 但 e1也 不 能 過 大 ， 過 大 時 將 會 使 差 動 變 壓器 線 圈 發(fā) 熱 而 引 起 輸 出 信 號 漂 移 ， e1可 取 零 點(diǎn) 幾 伏 到 數(shù) 伏 ， 常取 3 8V。 4） 靈 敏 度 與 激 勵 電 源 頻 率 的 關(guān) 系 激 勵 電 源 頻 率 過 高 或 過 低 都 會 使 靈 敏 度 降 低 ， 常 選 4 10 kHz。 5） 靈 敏 度 與 二 次 線 圈 匝 數(shù) 的 關(guān) 系 二 次 線 圈 匝 數(shù) 越 多 ， 靈 敏 度 越 高 ， 兩 者 成 線 性 關(guān) 系 。 但 是匝 數(shù) 增 加 ， 零 點(diǎn) 殘

61、余 電 壓 也 隨 之 變 大 。 84 3. 消 除 零 點(diǎn) 殘 余 電 壓 的 幾 種 方 法 由 繞 組 不 對 稱 引 起 的 零 點(diǎn) 殘 余 電 壓 可 以 通 過 調(diào) 節(jié) 銜 鐵 初 始位 置 進(jìn) 行 消 除 ， 然 而 因 相 位 誤 差 造 成 的 零 點(diǎn) 殘 余 電 壓 是 無 法 通過 調(diào) 節(jié) 銜 鐵 初 始 位 置 進(jìn) 行 消 除 的 。 因 此 ， 消 除 零 點(diǎn) 殘 余 電 壓 的方 法 可 以 歸 納 為 以 下 三 種 ： （ 1） 從 設(shè) 計(jì) 和 工 藝 上 盡 量 保 證 線 圈 和 磁 路 對 稱 ， 選 用 高性 能 的 導(dǎo) 磁 材 料 ， 導(dǎo) 磁 體 必

62、 須 經(jīng) 過 熱 處 理 ， 消 除 殘 余 應(yīng) 力 ， 以提 高 磁 性 能 的 均 勻 性 和 穩(wěn) 定 性 。 （ 2） 采 用 相 敏 檢 波 電 路 不 僅 可 以 鑒 別 銜 鐵 的 移 動 方 向 ， 而 且 有 利 于 消 除 零 點(diǎn) 殘 余 電 壓 ， 其 特 性 如 圖 3-17（ c） 所 示 。 85 （ 3） 采 用 適 當(dāng) 的 補(bǔ) 償 電 路 ， 如 圖 3-18所 示 。 圖 中 ， 電 阻 是用 康 銅 絲 繞 制 的 ， 串 聯(lián) 時 的 阻 值 為 0.5 5 ； 并 聯(lián) 時 的 阻 值 為數(shù) 十 至 數(shù) 百 千 歐 ； 并 聯(lián) 電 容 的 數(shù) 值 在 100

63、500 pF范 圍 內(nèi) 。 實(shí)際 補(bǔ) 償 元 件 的 參 數(shù) 都 要 通 過 實(shí) 驗(yàn) 來 確 定 。 86圖 3-18 差 動 變 壓 器 的 補(bǔ) 償 電 路 87 4. 差 動 變 壓 器 的 差 動 整 流 電 路 差 動 變 壓 器 靈 敏 度 較 高 ， 一 般 滿 量 程 輸 出 電 壓 可 達(dá) 幾 伏 ， 在 要 求 不 高 時 ， 可 直 接 接 入 整 流 電 路 。 常 用 的 差 動 整 流 電 路 如圖 3-19所 示 。 88圖 3-19 差 動 整 流 電 路 （ a） 全 波 電 流 輸 出 ； （ b） 半 波 電 流 輸 出 ；（ c） 全 波 電 壓 輸 出

64、； （ d） 半 波 電 壓 輸 出 89 3.5 電 渦 流 式 傳 感 器 3.5.1 電 渦 流 式 傳 感 器 的 工 作 原 理 成 塊 的 金 屬 物 體 置 于 變 化 著 的 磁 場 中 或 者 在 磁 場 中 運(yùn) 動 時 ， 在 金 屬 導(dǎo) 體 中 會 感 應(yīng) 出 一 圈 圈 自 相 閉 合 的 電 流 ， 稱 為 電 渦 流 。 電 渦 流 式 傳 感 器 是 一 個 繞 在 骨 架 上 的 導(dǎo) 線 所 構(gòu) 成 的 空 心 線 圈 ， 它 與 正 弦 交 流 電 源 接 通 ， 通 過 線 圈 的 電 流 會 在 線 圈 周 圍 空 間 產(chǎn)生 交 變 磁 場 。 當(dāng) 導(dǎo) 電

65、 的 金 屬 靠 近 這 個 線 圈 時 ， 金 屬 導(dǎo) 體 中 便 會產(chǎn) 生 電 渦 流 ， 如 圖 3-20所 示 。 渦 流 的 大 小 與 金 屬 導(dǎo) 體 的 電 阻 率 、 磁 導(dǎo) 率 、 厚 度 d、 線 圈 與 金 屬 導(dǎo) 體 的 距 離 x以 及 線 圈 勵 磁 電 流 的角 頻 率 等 參 數(shù) 有 關(guān) 。 如 果 固 定 其 中 某 些 參 數(shù) ， 就 能 由 電 渦 流 的大 小 測 量 出 另 外 一 些 參 數(shù) 。 90圖 3-20 電 渦 流 作 用 原 理 圖 91 3.5.2 電 渦 流 式 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 電 渦 流 式 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 比 較

66、簡 單 ， 主 要 是 一 個 繞 制 在 框 架上 的 線 圈 ， 目 前 比 較 普 遍 使 用 的 是 矩 形 截 面 的 扁 平 線 圈 。 線圈 的 導(dǎo) 線 應(yīng) 選 用 電 阻 率 小 的 材 料 ， 一 般 采 用 高 強(qiáng) 度 漆 包 銅 線 。 如 果 要 求 高 一 些 可 用 銀 線 或 銀 合 金 線 ， 在 高 溫 條 件 下 使 用 時 可用 錸 鎢 合 金 線 。 對 線 圈 框 架 要 求 用 損 耗 小 、 電 性 能 好 、 熱 膨 脹系 數(shù) 小 的 材 料 。 一 般 可 選 用 聚 四 氟 乙 烯 、 高 頻 陶 瓷 、 環(huán) 氧 玻 璃纖 維 等 。 在 采 用 線 圈 與 框 架 端 面 膠 接 的 形 式 時 ， 膠 水 亦 要 選 擇適 當(dāng) ， 一 般 可 以 選 用 粘 貼 應(yīng) 變 片 用 的 膠 水 。 如 圖 3-21所 示 為 CZF-1型 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 圖 ， 它 采 用 導(dǎo) 線 繞 在框 架 上 的 形 式 ， 框 架 采 用 聚 四 氟 乙 烯 。 其 性 能 由 表 3-2列 出 。 92圖 3-21 CZF-1型 傳