第4章 结构型传感器.ppt

1 第4章结构型传感器 2 第4章结构型传感器 3 4 1电阻应变式传感器 4 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻的变化 从而实现电测非电量的传感器 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应 即在导体产生机械变形时 它的电阻值相应发生变化 4 1 1工作原理 5 在外界力的作用下 将引起金属或半导体材料发生机械变形 其电阻值将会相应发生变化 这种现象称为 电阻应变效应 对于不同的材料 电阻率相对变化的受力效应是不同的 4 1 1工作原理 6 1 金属材料的应变电阻效应 通过研究发现 金属材料的电阻率相对变化正比于体积的相对变化 即有式中 C为由材料及加工方式决定的与金属导体晶格结构相关的比例系数 7 1 金属材料的应变电阻效应 将式 4 6 代入 4 5 可有式中 Km 1 2 C 1 2 为金属电阻丝的应变灵敏度系数 它由两部分组成 前半部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致 后半部分为因应变而发生的电阻率相对变化 8 金属材料的电阻相对变化与其线应变 成正比 这就是金属材料的应变电阻效应 1 金属材料的应变电阻效应 一般金属材料 Km 1 2 C 1 2 以前者为主 则Km 1 2 2 6 由以上分析可见 9 2 半导体材料的应变电阻效应 研究发现 锗 硅等单晶半导体材料具有压阻效应 即 式中 为作用于材料上的轴向应力 为半导体在受力方向的压阻系数 E为半导体材料的弹性模量 10 由以上分析可知 外力作用而引起的轴向应变 将导致电阻丝的电阻成比例地变化 通过转换电路可将这种电阻变化转换为电信号输出 这就是应变片测量应变的基本原理 2 半导体材料的应变电阻效应 将式 4 8 代入式 4 5 可得式中 Ks 1 2 E为半导体丝材的应变灵敏度系数 前半部分为尺寸变化所致 后半部分为半导体材料的压阻效应所致 Ks值主要是由电阻率相对变化所决定 11 利用金属或半导体材料电阻丝 也称应变丝 的应变电阻效应 可以制成测量试件表面应变的敏感元件 为在较小的尺寸范围内敏感应变 并产生较大的电阻变化 通常把应变丝制成栅状的应变敏感元件 即电阻应变计 简称应变计 4 1 2结构与类型 12 应变片的结构 13 1 按加工方法 可以将应变片分为以下四种 丝式应变片 箔式应变片 半导体应变片 薄膜应变片 2 按敏感栅的材料 可将应变计分为金属应变计和半导体应变计两大类 2 应变计的类型 14 制作应变片敏感栅常用的金属材料有康铜Ni45Cu55 镍铬合金Cr20Ni80 铁铬铝合金Fe70Cr25Al5 铁镍铬合金 卡玛 Ni74Cr20Fe3AB贵金属 铂 铂钨合金等 材料等 其中康铜是目前应用最广泛的应变丝材料 除敏感栅以外 对基底材料 粘结剂 引线的材料方面都有要求 可以根据应用对象的不同进行选择 3 电阻应变计的材料 15 选用应变计时 首先应根据使用的目的 要求 对象及环境条件等 对应变计的类型进行选择 然后根据使用温度 时间 最大应变量及精度要求 选用合适的敏感栅 基底材料的应变计 接着根据测量线路或仪器选择合适应变计的标准阻值 最后还应根据试件表面可贴应变片的面积大小选择合适尺寸的应变计 4 电阻应变计的选用与粘贴 16 电阻应变片工作时 是用粘贴剂粘贴到被测试件或传感器的弹性元件上的 粘贴剂形成的胶层必须准确迅速地将被测应变传递到敏感栅上去 所以粘贴剂以及粘贴技术对于测量结果有着直接的影响 4 电阻应变计的选用与粘贴 17 4 电阻应变计的选用与粘贴 AA 单轴片 HA 45度双联片 GB 半桥片 FG 全桥片 KA 圆片 18 4 1 3主要特性 静态特性是指应变计感受不随时间变化或变化缓慢的应变时的输出特性 表征静态特性的指标主要有 灵敏度系数 机械滞后 蠕变 应变极限等 19 将具有初始电阻值R的应变计安装于试件表面 在其轴线方向的单向应力作用下 应变计阻值的相对变化与试件表面轴向应变之比即为灵敏度系数 应变计的电阻 应变特性与单根电阻丝时不同 一般情况下 应变计的灵敏系数小于相应长度单根应变丝的灵敏系数 1 灵敏度系数 k 20 将直的金属丝绕成敏感栅后 虽然长度相同 但应变状态不同 应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小 其灵敏系数降低了 这种现象称为应变片的横向效应 为了减小横向效应带来的测量误差 一般采用短接式或直角式横栅 现在更多的是采用箔式应变片 可有效克服横向效应的影响 2 横向效应 21 产生机械滞后的原因主要是敏感栅 基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的 为了减小机械滞后 除选用合适的粘合剂外 最好在正式使用之前预先加 卸载若干次再正式测量 以减小机械滞后的影响 3 机械滞后 22 粘贴在试件上的应变计 在温度保持恒定 不承受机械应变时 其电阻值随时间而变化的特性 称为应变计的零漂 如果在一定温度下 使其承受恒定的机械应变 应变计电阻值随时间而变化的特性 称为应变计的蠕变 一般蠕变的方向与原应变变化的方向相反 选用弹性模量较大的粘贴剂和基底材料 有利于蠕变性能的改善 4 蠕变和零漂 23 应变计的线性 灵敏系数为常数 特性 只有在一定的应变限度范围内才能保持 当试件输入的真实应变超过某一极限值时 应变计的输出特性将呈现非线性 在恒温条件下 使非线性误差达到10 时的真实应变值 称为应变极限 5 应变极限 24 应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值 通常要求为50 100M 以上 不影响应变片工作特性的最大电流称为最大工作电流 工作电流大 输出信号就大 灵敏度也就高 但是电流过大时 会使应变片发热 变形 使零漂 蠕变增加 甚至烧坏 如果散热条件好 则电流可适当大一些 6 绝缘电阻和最大工作电流 25 二 动态特性 以正弦变化的应变为例 介绍应变计的动态特性 当应变按正弦规律变化时 应变片反映出来的是应变片敏感栅上各点应变量的平均值 显然与某一 点 的应变值不同 应变片所反映的波幅将低于真实应变波 从而带来一定的误差 显然这种误差将随着应变片基长的增加而增大 26 设有一波长为 频率为f的正弦应变波 0sin 2 x 在试件中以速度沿应变片栅长方向传播 应变片的基长为L0 图4 6所示为某一时刻应变片正处于应变波达到最大幅值时的瞬时关系图 二 动态特性 27 二 动态特性 这时应变片两端的坐标为 x1 4 L0 2 x2 4 L0 2 则此时应变计输出的平均应变 p达到最大值则可求出应变波波幅测量相对误差为 28 二 动态特性 由式 4 11 可知 测量误差与应变波波长对基长的比值n L0有关 当 L0越大 则误差越小 一般可取 L0 10 20 这时测量误差约为1 6 0 4 29 二 动态特性 因为 v f 且 nL0 则应变片可测频率f 应变波波速v以及波长与基长之比的关系为 30 2 阶跃应变信号的响应特性 应变片在测量频率较高的动态应变时 应变波在材料中传播速度与声波相同 当应变波在纵栅长度方向上传播时 只有在应变波通过敏感栅全部长度后 应变片所反映的波形经过一定时间的延迟 才能达到最大值 上升时间tk 应变输出从10 上升到90 的最大值所需时间 可表示为 实际响应 若取l0 20mm v 5000m s 则tk 3 2 10 6s 31 4 1 4温度效应及其补偿 一 温度效应 用应变计测量时 通常希望工作温度是恒定的 实际应用时工作温度可能偏离或超出常温范围 致使应变计的工作特性改变而影响输出 这种由温度变化引起应变计输出变化的现象 称为应变片的温度效应 也称温度误差 又称热输出 32 温度效应产生的原因 1 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变 2 试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同 使应变片产生附加应变 一 温度效应 33 设环境温度变化为 t 时 应变片敏感栅材料的电阻温度系数为 t 则应变片产生的电阻相对变化为 34 敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同 当 t存在时引起应变片的附加应变 相应的电阻相对变化为 K应变片灵敏系数 e试件材料线膨胀系数 g敏感栅材料线膨胀系数 35 3 3电阻应变片的主要特性 温度变化 t形成的总电阻相对变化 相应的虚假应变为 因此 应变片热输出的大小不仅与应变片敏感栅材料的性能参数 K t g 有关 而且与被测试件材料的线膨胀系数 e 有关 36 二 电阻应变片的温度补偿 37 1 应变片自补偿法 这种方法是通过精心选配敏感栅材料与结构参数 使得当温度变化时 产生的附加应变为零或相互抵消 选择式自补偿应变片 也称单丝自补偿应变片 双丝自补偿应变片 38 2 桥路补偿法 桥路补偿 也称补偿片法 是最常用而且效果较好的线路补偿方法 桥路补偿的优点是方法简单 在常温下补偿效果好 但是当温度变化梯度较大时 很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况 因而会影响补偿效果 39 3 热敏电阻补偿法 如图4 9所示 热敏电阻Rt处在与应变片相同的温度条件下 当应变片的灵敏度随温度升高而下降时 热敏电阻Rt的阻值也下降 使电桥的输入电压随温度升高而增加 从而提高电桥的输出 以补偿因应变片引起的输出下降 选择分流电阻Rs的值 可以得到良好的补偿效果 40 4 1 5电桥测量电路2013年4月24日星期三dq 一 应变电桥 典型的阻抗应变电桥如图4 10所示 四个桥臂Z1 Z2 Z3 Z4按顺时针为序 ac为电源端 bd为输出端 当桥臂接入应变计时 即称为应变电桥 当一个臂 二个臂甚至四个臂接入应变计时 就相应构成了单臂 双臂和全臂工作电桥 41 4 1 5电桥测量电路2013年4月12日星期五d 二 直流电桥 直流电桥的基本形式如图4 11所示 电桥各臂的电阻值分别为R1 R2 R3和R4 U是直流电源电压 U0是输出电压 42 二 直流电桥 当U0 0时 电桥处于平衡状态 则有 R1R3 R2R4 此即电桥平衡条件 根据此条件可分为以下三种情况 1 对输出端对称 即R1 R2 R3 R4 这种结构形式也称为第一种对称形式 2 对电源端对称 即R1 R4 R2 R3 这种结构形式也称为第二种对称形式 3 全等臂电桥结构 即R1 R2 R3 R4 43 单臂工作电桥 一个桥臂上为电阻应变片 其他桥臂上为固定电阻 如图4 12所示 输出电压为 二 直流电桥 44 二 直流电桥 上式中 称为电桥电压灵敏度 显然 可通过适当提高电源电压U 受应变片允许承受的最大电流限制 或调节桥臂比n的方式 提高单臂电桥的灵敏度 通过进一步的分析可知 当电源电压一定时 如果n 1 则可以有最大的电压灵敏度 即采用第一种对称的电桥结构形式 此时 电压灵敏度为Ku U 4 输出电压为 45 二 直流电桥 若在两个桥臂上接入电阻应变片 其他桥臂上为固定电阻 从而构成双臂工作电桥 如图4 14所示 输出电压为 由式 4 30 可知 差动电桥的输出是线性的 没有非线性误差问题 与式 4 24 相比 灵敏度提高了一倍 双臂工作电桥 46 二 直流电桥 47 二 直流电桥2013年4月12日星期五t 若四个桥臂上为全为电阻应变片 也即构成全桥工作电桥 如图4 15所示 这种电桥也称为差动全桥 这时电桥不再平衡 输出电压为 由式 4 32 可见 差动全桥的电压输出是线性的 没有非线性误差问题 与式 4 24 4 30 相比 差动全桥的灵敏度是单臂电桥的4倍 是双臂差动电桥的2倍 全臂工作电桥 48 三 交流电桥 直流应变电桥输出电压很小 一般都要加放大器 而直流放大器易于产生零漂 因此应变电桥多采用交流电桥 分布电容 交流电桥很适合电容式 电感式传感器的测量需要 应用场合较多 49 弹性敏感元件 P80 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形 当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状 那么这种变形称为弹性变形 具有弹性变形特性的物体称为弹性元件 四 电阻应变片式传感器及其应用 50 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器主要有两个方面的应用 一是作为敏感元件 直接用于被测试件的应变测量 另一方面则是作为转换元件 通过弹性元件构成传感器 用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量 四 电阻应变片式传感器及其应用 作业 4 5 4 6 51 4 2电容式传感器 52 电容式传感器的优点 1 分辨力很高 能测量低达10 7F的电容值或0 01 m的绝对变化量 或高达100 200 的相对变化量 C C 因此适合微信息的检测 2 动极板质量很轻 自身的功耗 发热和迟滞极小 可获得高的静态精度 并具有很好的动态特性 3 结构简单 不含有机材料或磁性材料 对环境 除高湿外 的适应性强 4 过载能力强 可实现无接触测量 53 4 2 1工作原理 类型及特性 电容量C与极板间介质的介电常数 极板间的有效面积S以及两极板间的距d有关 工作原理 54 类型和特性 根据上述原理 在应用中电容式传感器可以有三种基本类型 即变极距 或称变间隙 型 变面积型和变介电常数型 它们的电极形状有平板形 圆柱形和球平面形三种 4 2 1工作原理 类型及特性 55 变极距型电容传感器 传感器两极板间的 和S为常数 通过电容极板间距离的变化实现对相关物理量的测量 4 2 1工作原理 类型及特性 56 已知初始电容为C0 若极距缩小 d 非线性关系 变极距型电容传感器 57 若 d d 1时 则可简化为 最大位移应小于间距的1 10 58 差动式电容传感器 若电极位移 d 灵敏度提高一倍 59 变面积型电容式传感器 测量中动极板移动时 两极板间的相对有效面积S发生变化 引起电容C发生变化 4 2 1工作原理 类型及特性 60 变面积型电容传感器 当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时 其电容变化量化为 C与 x间呈线性关系 61 变介质型电容传感器 变介质电容传感器的结构型式较多 可以用来测量纸张 绝缘薄膜等的厚度以及液位高低等 也可用来测量粮食 纺织品 木材或煤等非导电固体物质的湿度 4 2 1工作原理 类型及特性 d为运动介质的厚度 d保持不变 改变可作为介电常数的测试仪器 介电常数保持不变 d改变 可作为测厚仪器 测液位高度 根据液体容器的形状计算 64 4 2 2应用注意事项及措施 电容的相对变化量为 传感器的相对非线性误差为 电容传感器的灵敏度为K S d02 要提高灵敏度 应减小起始间隙d0 而非线性误差随着d0的减小而增大 在实际应用中 为了提高灵敏度 减小非线性误差 往往采用差动式结构 电容式传感器的灵敏度及非线性 65 差动电容传感器具有如下特性 4 2 2应用注意事项及措施 66 等效电路 以上对各种电容传感器的特性分析 都是在纯电容的条件下进行的 若电容传感器工作在高温 高湿及高频激励条件下工作 则电容的附加损耗等影响不可忽视 这时电容传感器的等效电路如图4 28所示 4 2 2应用注意事项及措施 67 边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低 而且产生非线性 为了消除边缘效应的影响 可以采用带有保护环的结构 如图4 29所示 4 2 2应用注意事项及措施 68 静电引力 电容式传感器两极板间因存在静电场 而作用有静电引力或力矩 静电引力的大小与极板间的工作电压 介电常数 极间距离有关 通常这种静电引力很小 但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下 须考虑因静电引力造成的测量误差 4 2 2应用注意事项及措施 69 寄生电容 寄生电容与传感器电容相关联 影响传感器的灵敏度 而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度 必须消除和减小它 消除和减小寄生电容可采用如下方法 1 采用 驱动电线 技术2 采用组合式与集成技术3 整体屏蔽法 4 2 2应用注意事项及措施2013年4月25日星期四dq 70 温度影响 1 温度对结构尺寸的影响电容传感器由于极板间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感 2 温度对介质的影响温度对介电常数的影响随介质不同而变化 空气及云母的介电常数温度系数近似为零 而某些液体介质 如硅油 医麻油 煤油等 其介电常数的温度系数较大 4 2 2应用注意事项及措施 71 4 2 3电容式传感器的测量电路 电容式传感器的优点 1 分辨力很高 能测量低达10 7F的电容值或0 01 m的绝对变化量 或高达100 200 的相对变化量 C C 因此适合微信息的检测 2 动极板质量很轻 自身的功耗 发热和迟滞极小 可获得高的静态精度 并具有很好的动态特性 3 结构简单 不含有机材料或磁性材料 对环境 除高湿外 的适应性强 4 过载能力强 可实现无接触测量 72 图4 32为差动电容式压力传感器的结构图 图中所示膜片为动极板 两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极 从而构成了差动电容传感器 4 2 3电容式传感器的测量电路 73 图4 33为差动式电容加速度传感器结构图 它有两个固定极板 与壳体绝缘 中间有一用弹簧片支撑的质量块 此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为两个动极板 与壳体电连接 4 2 3电容式传感器的测量电路 74 1 调频电路2013年4月19日星期五 调频测量电路是把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分 当输入量导致电容量发生变化时 振荡器的振荡频率就发生变化 调频电路中可以将振荡频率作为输出信号 也可以经过f V转换成电压信号输出 参见图4 34所示 75 1 调频电路 L C谐振回路的振荡频率当被测信号为零时 C 0 则C C1 C2 C0 所以振荡器有一个初始振荡频率f0 76 1 调频电路 当被测信号不为零时 C 0 则振荡器的振荡频率发生变化 此时频率为由上式可知 根据频率的变化 f可以测出电容的变化 C 从而完成对物理量的测量 调频测量电路具有较高的灵敏度 可以测量0 01 m级位移变化量 77 2 运算放大器式电路 图4 35是运算放大器测量电路原理图 图中Cx是传感器的电容 Ui是交流电源电压 Uo是输出电压信号 78 2 运算放大器式电路2013年4月19日星期五t 由运算放大器的工作原理可有 如果是变极距式的电容传感器 则Cx S dx 代入上式可有 式中 号表示输出电压与电源电压反相 79 变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路 如图所示 C0 200pF 传感器的起始电容量Cx0 20pF 定动极板距离d0 1 5mm 运算放大器为理想放大器 即K Zi 输入电压u1 5sin tV 求当电容传感动极板上输入一位移量 x 0 15mm使d0减小时 电路输出电压u0为多少 80 双T二极管型测量电路如图4 36所示 3 双T二极管型电路 双T型电路工作原理分析正半周D1导通D2截止C1充电 负半周D1截止D2导通C2充电 一个周期内负载RL上输出电压URL与电源电压VE幅值 频率f有关 与电容的差值 C1 C2 成正比 83 双T二极管型电路的应用特点和要求 1 电源 传感器电容 负载均可同时在一点接地 2 二极管D1 D2工作于高电平下 因而非线性失真小 3 其灵敏度与电源频率有关 因此电源频率需要稳定 4 将D1 D2 R1 R2安装在C1 C2附近能消除电缆寄生电容影响 线路简单 5 输出电压较高 6 输出阻抗与电容C1和C2无关 而仅与R1 R2及RL有关 7 输出信号的上升沿时间取决于负载电阻RL 可用于动态测量 8 传感器的频率响应取决于振荡器的频率 84 差动脉冲调宽电路不需要载频和附加解调线路 无波形和相移失真 输出信号只需要通过低通滤波器引出 直流信号的极性取决于C1和C2 对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出 这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起 从而使传输误差和干扰大大减小 4 差动脉冲调宽电路 电路原理图 波形图 电路组成 A1 A2比较器 双稳态触发器 VD1 VD2与电阻 组成充放电回路 Ur参考直流电压 双稳态作输出 电容C1 C2为传感器差动电容 作业 4 16 88 4 3电感式传感器 89 4 3电感式传感器 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置 可以用来测量位移 振动 压力 流量 重量 力矩 应变等多种物理量 90 4 3电感式传感器 电感式传感器是一种机电转换装置 特别是在自动控制设备中广泛应用 电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量 如位移 压力 流量 振动 转换为电感或互感的变化 按传感器结构可分为 自感式 互感式 电涡流式 各种电感式传感器 92 1 工作原理与输出特性 93 4 3 1自感式传感器 当线圈匝数一定时 电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数 当改变气隙长度 或气隙面积S均可导致电感L的变化 相应的 变磁阻式电感传感器可分为变气隙长度和变气隙面积两种类型的传感器 前者用来测量线位移 后者用来测量角位移 对于变面积式电感传感器而言 线圈电感L与气隙面积S是成正比的 而变气隙长度传感器中电感L和气隙长度 成反比 94 电感L和气隙长度 的特性曲线可用图4 40所示 非线性越严重 因此 为了得到较好的线性特性 必须把衔铁的工作位移限制在较小的范围内 一般取 0 1 0 2 0 1 工作原理与输出特性 95 I 的关系特性参见图4 41虚实线所示 这是一种理想的特性曲线 实际测得的特性曲线是一条不过零点的曲线 如图中实线曲线所示 这是因为 1 当气隙长度 趋于零时 R 趋于零 与R 相比较 RF就不能忽略不计了 这时L W2 RF接近于一定值 因而这时有一个起始电流存在 2 当气隙 很大时 线圈的铜电阻与线圈的感抗相比不能忽略 这时最大电流将趋向于一个稳定值 1 工作原理与输出特性 96 图4 42所示为 型差动电感传感器的原理和测量线路接线图 测量时 衔铁与被测件物体相连 当被测物体上下移动时 带动衔铁也以相同的位移量上下移动 使得上下两个传感器的气隙长度发生大小相等 方向相反的变化 从而导致一个线圈的电感量增加 另一个线圈的电感量减小 形成差动 2 差动式电感传感器 97 2 差动式电感传感器 98 2 差动式电感传感器 差动电感传感器的优点 1 差动电桥能使变间隙式电感传感器的非线性大大减小 没有偶次方 2 在同样的工作范围内差动电桥的非线性度减小了 灵敏度提高了一倍 4 93 3 组成差动电桥测量电路 补偿了温度对两个线圈参数的影响 99 3 自感式电感传感器主要误差分析 自感式电感传感器在对非电量的测量中产生误差的原因 1 输出特性的非线性 2 电源电压和频率波动的影响 3 温度变化的影响 4 输出电压与电源电压的相位差 5 电桥的不平衡电压 零位误差 100 把被测的非电量转变为线圈间互感系数变化的传感器称为互感式电感传感器 这种传感器是根据变压器的基本原理制成的 因此又称为差动变压器式传感器 4 3 2互感式传感器 101 差动变压器分为变气隙式 变面积式与螺管式三种类型 参见图4 44所示常见差动变压器的结构示意图 1 工作原理和类型 把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器 这种传感器根据变压器的基本原理制成 并将次级线圈绕组用差动形式连接 差动变压器的结构形式较多 应用最多的是螺线管式差动变压器 它可测量1 100mm范围内的机械位移 1 工作原理和类型 103 差动螺管式变压器的等效电路如图4 46所示 图中r1与L1 r2a与L2a r2b与L2b分别为初级绕组 两个次级绕组的铜电阻与电感 1 工作原理和类型 104 根据变压器原理 传感器开路输出电压为两次级线圈感应电势之差 即差动变压器的输出特性与初级线圈对两个次级线圈的互感之差 M有关 1 工作原理和类型 105 以图4 44 a 所示的 型差动变压器为例来分析其输出特性 在忽略线圈铁损 即涡流与磁滞损耗忽略不计 漏磁以及变压器开路 或负载阻抗足够大 的条件下 图4 44 a 的等效电路如图4 47所示 2 输出特性 106 输出电压与衔铁位移 成比例 式中负号表明当衔铁向上移动时 为正 输出电压与电源电压反相 当衔铁向下移动时 为负 输出电压与电源电压同相 输出特性曲线如图4 48所示 2 输出特性 107 由图4 48 图4 49可见 当衔铁位于中心位置时 差动变压器输出电压并不等于零 这种零位移时的输出电压称为零点残余电压 记作 U0 它的存在使传感器的输出特性不经过零点 造成实际特性与理论特性不完全一致 零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称 以及磁性材料的非线性等引起的 2 输出特性 108 为了既能辨别衔铁移动方向和大小 又能消除零点残余电压 实际测量时 常常采用差动相敏检波电路和差动整流电路 3 测量电路与误差 109 差动相敏检波的形式较多 图4 50是两个实例 相敏检波电路要求参考电压与差动变压器次级输出电压频率相同 相位相同或相反 因此常接入移相电路 3 测量电路与误差 110 差动整流电路如图4 51所示 这种电路简单 不需要参考电压 不需考虑相位调整和零位电压的影响 对感应和分布电容影响不敏感 3 测量电路与误差 111 由以上分析可知 差动变压器式传感器可以用于位移的测量 因而一些与位移有关的机械量 如振动 加速度 应变 比重 张力或厚度等都可以用差动变压器进行测量 4 互感式差动变压器传感器的应用 112 金属导体置于变化着的磁场中 导体内就会产生感应电流 称之为电涡流或涡流 这种现象称为涡流效应 涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的 4 3 3电涡流式传感器 涡流的分布 因为金属存在趋肤效应 电涡流只存在于金属导体的表面薄层内 存在一个涡流区 实际上涡流的分布是不均匀的 涡流区内各处的涡流密度不同 存在径向分布和轴向分布 114 1 工作原理 为了分析问题的方便 可以将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流 这样 线圈与被测导体便等效为相互耦合的两个线圈 如图4 54所示 115 1 工作原理 设线圈的电阻为R1 电感为L1 阻抗为Z1 R1 j L1 短路环的电阻为R2 电感为L2 线圈与短路环之间的互感系数为M