传感器与自动检测技术907

第1章传感器与检测技术的基本知识本章学习的主要内容：1.1感器基础知识1.2检测技术基础知识1.3检测系统中的弹性敏感元件1.4传感器的标定与选择1.1传感器基础知识

1.1.1传感器的组成与分类传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成有用输出电信号的器件或装置。敏感元件

传感元件

信号调理转换电路

被测量非电量电参量电量传感器组成框图

目前一般采用两种分类方法。一是按传感器的工作原理分类，如应变式、电容式、压变式、磁电式等。二是按被测参数分类，如温度、压刀、位移、速度等被测量。1.1.2传感器的基本特性

在生产过程和科学实验中，要对各种参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出-输入特性。1.传感器的静态特性

传感器的线性度是指传感器的输出与输人之间数量关系的线性程度。传感器的输出与输人关系：

传感器输出-输入特性线性化拟合直线：（1）线性度

线性度概念动画演示线性度表达式为（2）灵敏度

传感器在稳定标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值（3）迟滞现象

传感器在正行程（输入量增大）和反行程（输入量减小）期间其输出-输人特性曲线不重合的现象称为迟滞现象。迟滞误差：

（4）重复性

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

重复性误差：

2.传感器的动态特性

传感器的动态特性，是指在测量动态信号时传感器的输出反映被测量的大小和随时间变化的能力。

给传感器输入一个单位阶跃函数信号：

(a)一阶系统(b)二阶系统1.2检测技术基础知识

1.2.1检测系统的组成与功能

检测系统的主要组成部分如图。传感器组成框图被测量传感器信号处理模拟信号处理模数转换模拟信号显示记录

数模转换

数字信号处理数字信号显示记录1.2.2测量的方法

实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法。1.根据测量过程的特点分

直接测量间接测量组合测量2.根据测量的精度因素分

等精度测量非等精度测量3.根据测量仪器的特点分

4.根据测量对象的特点分

非接触测量接触测量动态测量静态测量1.2.3测量误差的分类按误差出现的规律划分

系统误差随机误差粗大误差εδ（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高1.绝对误差

某采购员分别在A

、B

、C

三家商店购买100kg牛肉干、10kg牛肉干、1kg牛肉干，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对C家卖牛肉干的商店意见最大，是何原因？

【例1】1.2.4测量误差的表示方法（2）相对误差①实际相对误差②标称相对误差③满度（或引用）相对误差当Δ取为Δm时，满度（或引用）相对误差就被用来确定仪表的精度等级S：我国电工仪表等级分为七级，即：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0级

【例2】今有0.5级的0～500℃和1.0级的0

～100℃两个温度计，要测80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？解：用0.5级仪表测量时，最大标称相对误差为：

用1.0级仪表测量时，最大标称相对误差为：

显然本例中用1.0级仪表比用0.5级仪表更合适。

1.2.5测量误差的处理1.剔除粗大误差

一般将称为测量结果的极限误差。当有测量数据的剩余误差较极限误差大，则认为该数据有粗大误差存在，必须剔除。2.估算随机误差

3.数据处理的一般步骤

（1）计算n次测量数据的算术平均值

（2）计算标准误差（3）检查有无粗大误差数据（4）计算算术平均值的标准误差（5）写出测量结果的表达式【例3】现对某液体测量温度11次，测量序号与测量数据见下表所示：测量序号i1234567891011测量数据（℃）20.7220.7520.6520.7120.6220.4520.6220.7020.6720.7320.741.3.1弹性敏感元件的基本特性1．刚度

2．灵敏度灵敏度为常数，此弹性特性是线性。弹性特性曲线图

1.3检测系统中的弹性敏感元件

1.3.2弹性敏感元件的形式及应用范围

1．弹性敏感元件的形式变换力变换压力等截面轴环状弹性敏感元件悬臂梁扭转轴弹簧管波纹管等截面薄板波纹膜片和膜盒薄壁圆筒和薄壁半球

2．变换力的弹性敏感元件（1）等截面轴力F应变ε

等截面轴受力动画演示等截面轴示意图（2）环状弹性敏感元件

较小力F应变ε

环状弹性敏感元件受力动画演示（3）悬臂梁悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁受力动画演示悬臂梁示意图力F应变ε

或力F位移

x

（4）扭转轴转矩T

应变ε

扭转轴受力动画演示扭转轴示意图3．变换压力的弹性敏感元件（1）弹簧管压力p

中心角角位移△γ

弹簧管受力动画演示（2）波纹管压力p

自由端的位移x波纹管受力动画演示波纹管示意图（3）等截面薄板（4）波纹膜片和膜盒压力p

位移x压力差p

位移x等截面薄板示意图膜盒示意图应变ε压力p

或者

1.4传感器的标定与选择

1.4.1传感器的标定与校准

标定实际上就是利用某种标准或标准器具对传感器进行刻度。标定工作不仅在传感器出厂时或安装时要进行，而且在传感器的使用过程中还需定期检验。对传感器进行标定和校准，必须有一个长期的、稳定的和高精度的基准。1.4.2传感器的选择与测量条件有关的因素与测量条件有关的因素（1）与测量条件有关的因素与测量条件有关的因素（2）与传感器有关的技术指标与传感器有关的技术指标（3）与使用环境条件有关的因素与使用环境条件有关的因素（4）与购买和维修有关的因素与购买和维修有关的因素2.选择传感器的一般原则2.选择传感器的一般原则（1）借助于传感器分类表按被测量的性质，从典型应用中可以初步确定几种可供选用的传感器类别。（3）借助于传感器的产品目录选型样本，最后查出传感器的规格型号和性能、尺寸。（2）借助于几种常用传感器比较（见附录），按被检测量的检测范围，精度要求，环境要求等确定传感器的结构形式和传感器的最后类别。选择传感器的一般原则。第2章

变阻抗式传感器2.1自感式传感器2.2差动变压器2.3电涡流式传感器2.4电容式传感器本章学习的主要内容：变阻抗式传感器是利用被测量改变线圈电感量或互感量，或者利用被测量改变线圈的等效阻抗，或者利用被测量改变传感器的电容量等，实现对非电量的检测。变阻抗式传感器种类较多，本章介绍自感式传感器、差动变压器、电涡流式传感器和电容式传感器的工作原理和应用。第2章

变阻抗式传感器

自感式传感器主要由线圈、铁心、衔铁及测杆等组成。2.1自感式传感器

2.1.1自感式传感器的工作原理

（a）变气隙式（b）变截面式（c）螺管式1—线圈；2—铁心；3—衔铁；4—测杆；5—导轨；6—工件工作时，衔铁通过测杆与被测物体相接触，被测物体的位移将引起线圈电感的变化，当传感器线圈接入测量转换电路后，电感的变化将被转换成电压、电流或频率的变化，从而完成非电量到电量的转换。根据磁路基本知识，线圈的电感为

（2–

1）式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。由于铁心和衔铁的磁阻比气隙磁阻小得多，因此铁心和衔铁的磁阻可忽略不计，磁路总磁阻近似为气隙磁阻，即式中，δ为气隙厚度；A为气隙的有效截面积；μ0为真空磁导率。因此，电感线圈的电感为

（2–

2）2.1.2自感式传感器的结构类型及特性

自感式传感器有变气隙式、变截面式、螺管式和差动式4种类型。1．变气隙式电感传感器由式（2–

2）可知，若A为常数，则L=f（δ），即电感L是气隙厚度δ的函数，故称这种传感器为变气隙式电感传感器。其输出特性如图2–

2(a)所示。由于电感L与气隙厚度δ成反比，故输入输出是非线性关系，其灵敏度为（2–

3）（a）L-δ特性曲线（b）L-A特性曲线1—实际输出特性；2—理想输出特性图2–2电感传感器的输出特性

（2–

4）2．变截面式电感传感器由式（2–

2）可知，若δ为常数，则L=f（A），即电感L是气隙截面积A的函数，故称这种传感器为变截面式电感传感器。输入输出是线性关系，其输出特性如图2–

2(b)所示。其灵敏度为变面积自感式电感传感器3．螺管式电感传感器螺管式电感传感器由1只螺管线圈和1根柱形衔铁组成。当被测量作用在衔铁上时，会引起衔铁在线圈中伸入长度的变化，从而引起螺管线圈电感的变化。对于长螺管线圈且衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，此时线圈的电感与衔铁插入深度成正比。1—线圈；2—铁心；3—衔铁；4—测杆；5—导轨；6—工件4．差动式电感传感器两个完全相同的单线圈电感传感器共用1根活动衔铁就构成了差动式电感传感器。(a)改变气隙厚度的差动结构(b)改变截面积的差动结构1—线圈；2—铁心；3—衔铁；4—测杆；5—导轨

（2–

5）假设衔铁上移Δδ，则总的电感变化量为当δ≥Δδ时，式中的Δδ2可以忽略不计，则

（2–

6）

其灵敏度为式中，L0为衔铁处于差动线圈中间位置的初始电感。自感式传感器的测量转换电路通常采用电桥电路，其作用是把电感的变化转换为电压或电流信号，以便送入后续放大电路进行放大，然后由仪器指示或记录。2.1.3自感式传感器的测量转换电路

差动式电感传感器的输出特性如右图所示。其中曲线1、2是上、下单线圈自感式电感传感器的输出特性，曲线3是差接后的输出特性。1.变压器电桥电路变压器电桥电路如右图所示，相邻两工作臂是差动式电感传感器的两个线圈，阻抗为Z1、Z2；另外两臂为激励变压器的二次线圈。输出电压取自A、B两点。若D点为零电位，且传感器线圈的品质因数（Q值）较高，即线圈直流电阻远小于其感抗。可推导出输出电压为

（2–7）当衔铁处于中间位置时，即Z1=Z2=Z，此时输出为零，电桥平衡。当衔铁上移时，即Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，此时

（2–8）当衔铁下移时，即Z2=Z+ΔZ，Z1=Z-ΔZ，则有

（2–9）由此可见，衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等，但方向相反。由于是交流信号，因此还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的方向。2.相敏检波电路下图为带相敏检波的交流电桥电路。工作原理和过程为：在图(a)中，Z1、Z2为电感传感器的两个线圈，作为交流电桥相邻的两个桥臂；Z3、Z4两个相同的阻抗作为电桥的另两个相邻桥臂。D1、D2、D3、D4四只二极管构成了相敏整流器，输入交流电压加在A、B两点上，输出电压自C、D两点取出；指示电表V则为零刻度居中的直流电压表或直流数字电压表。（1）当衔铁处于平衡位置时，Z1=Z2=Z，C点电位等于D点电位，输出电压U0=0。（2）当衔铁上移，使上线圈阻抗增大，即Z1=Z+ΔZ，则下线圈阻抗减少为Z2=Z—ΔZ。在输入交流电压的正半周时，A点为正，B点为负，则二极管D1、D4导通，D2、D3截止。C点电位由于Z1的增大而比平衡时的电位降低；D点的电位由于Z2的减小而比平衡时的电位增高。所以，D点的电位高于C点的电位，此时直流电压表正向偏转。进入输入交流电压的负半周时，A点为负，B点为正，则二极管D2、D3导通，D1、D4截止。C点电位由于Z2的减小而比平衡时的电位降低（更负）；D点的电位由于Z1的增大而增高。所以，仍然是D点的电位高于C点的电位，直流电压表正向偏转。这就是说，只要衔铁上移，不论输入电压是正半周还是负半周，电压表总是正向偏转，即输出电压为正。（3）当衔铁下移时，同理可以分析得到，电压表总是反向偏转，输出电压总是为负。

由此可见，采用带相敏整流的电桥电路，输出信号能反映位移大小和方向。实际应用的JGH型电感测厚仪的测量电路如图(b)所示。图中差动电感传感器的两个线圈L1、L2为相邻的两个工作臂，C1、C2为另外两个相邻臂。D1、D2、D3、D4四只二极管构成相敏整流器，二极管中串接的四个线绕电阻为R1、R2、R3、R4，其作用是减小温度变化引起相敏整流器特性变化而造成的误差。C3为滤波电容，RW1用来调节电桥电路的零位，RW2用来调节指示电表的满刻度，SD为指示灯。电桥的输入由变压器的次级供给，原边采用R5和C4构成的磁饱和稳压器。2.1.4自感式传感器的应用

自感式传感器可以用于测量位移和尺寸，也可以测量能够转换为位移量的其他参数，如力、张力、压力、压差、应变、转矩、速度和加速度等。1．位移和尺寸的测量右图为一种电感测厚仪，它的工作原理是：工作前先调节测微螺杆4到给定厚度值，该厚度值可由度盘5读出。被测带材2在上下测量滚轮l、3之间通过，当带材偏离给定厚度时，上测量滚轮3将带动测微螺杆上下移动，通过杠杆7使铁芯6上下移动，从而改变线圈电感L1和L2，电感的变化则由相应的电桥电路测出，这样就可得到带材厚度的偏差值。1，3—上下测量滚轮；2—被测带材；4—测微螺杆；5—度盘；6—衔铁；7—杠杆右图为变气隙型电感式尺寸传感器。传感器壳体4内两个平弹簧2上悬挂着导磁体3，导磁体可以通过微调螺钉1相对于传感器壳体移动；衔铁6由另一对平面平行弹簧5安装在导磁体3上，衔铁下端与穿过调节套管8的测量杆7相连。导磁体上安装了两个线圈9。当衔铁6偏离其中间的平衡位置时，线圈的阻抗发生变化，上下两个线圈的电感变化符号相反。为了增加线性段，导磁体3和衔铁6的工作极面与衔铁的轴线保持45º角。传感器的上部装有夹具10，夹具中开了一个8mm直径的通孔，用来固定弹簧塞，以保证所需的测力。壳体4采用退火钢做成整体式结构，可防止外磁场干扰。右图为螺管型轴向式电感传感器，可换测头10通过螺杆拧在测杆8上，测杆8可在滚珠导轨7上作轴向移动，滚珠有四排，每排8粒，尺寸和形状误差都小于0.6μm。测杆上端固定着衔铁3，当测杆移动时，带动衔铁3在电感线圈中移动。线圈4放在圆筒形磁芯2中，磁芯材料是铁氧体。1—引线；2—圆筒形磁芯；3—衔铁；4—线圈；5—弹簧；6—防转销；7—滚珠导轨；8—测杆；9—密封套；10—可换测头线圈匝数为2×800，线径φ0.13mm，每个电感约为4mH。线圈配置成差动形式，即当衔铁3由中间位置向上移动时，上线圈的电感量增加，下线圈的电感量减少，电感的这种变化由电桥转换电路输出电压。该输出电压与测头的轴向位移成正比。两线圈的输出由引线l引出。弹簧5提供测量力，以保证测量时测头始终与被测物体接触。一般测力控制在0.2N～0.4N。防转销6用来限制测杆转动，以提高示值重复性。密封套9用来防止尘土进入传感器内。用这种传感器可以实现下列位移和尺寸测量：（1）用作精密量仪的主要部件，如制成高精度的电感比较仪，配上相应的测量装置，可对零件进行多种精密测量工作，如测量内径、外径、平行度、平面度、垂直度、振摆、偏心和椭圆度等。（2）作为轴承滚动体自动分选机的主要测量部件，可以分选大、小钢球，圆柱体和圆锥体等，完成对各种滚动体的尺寸测量和形状位置测量。（3）用于测量各种零件的膨胀、伸长和应变等。2．压力的测量下图是BYM型压力传感器的结构原理图。1—弹簧管；2—衔铁；3,4—铁芯；5，6—线圈；7—调节螺钉图中，C形弹簧管1的一端固定，被测压力通入管内，它的自由端与差动式电感传感器的衔铁2相连。工作前通过调节螺钉7使衔铁2位于传感器两差动线圈5和6的中间位置。当压力P发生变化时，弹簧管1的自由端产生位移，带动衔铁2产生位移，使两差动线圈5和6的电感值发生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增加，一个电感量减少。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。传感器输出信号的大小由衔铁位移的大小决定，输出信号的相位由衔铁位移的方向决定。所以，由检测仪表测得的输出电压，即可得知被测压力的大小。下图为变气隙型电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁芯及线圈等组成，衔铁3与膜盒的上端连接在一起。当被测压力进入膜盒4时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。与膜盒顶端相连接的衔铁3也发生相同的移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化。电流表的指示值就反映了被测压力的大小。1—线圈；2—铁芯；3—衔铁；

4—膜盒TD－1油动机行程阀位位移传感器交流差动变压器式角位移传感器GA系列差动变压器式位移传感器差动变压器是把被测量的变化转换成线圈互感量变化的传感器。其工作原理类似于变压器，但接线方式是差动的，故常称之为差动变压器式传感器，简称差动变压器。2.2差动变压器

2.2.1差动变压器的工作原理及输出特性

1.工作原理目前应用最广泛的差动变压器是螺管式差动变压器。在线框上绕有一组一次线圈作输入线圈（或称初级线圈）。在同一线框上另绕两组完全对称的二次线圈作输出线圈（或称次级线圈），它们反向串联组成差动输出形式。1—一次线圈；2—二次线圈；3—衔铁；4—测杆理想差动变压器的工作原理如右图所示。当一次线圈加入励磁电源后，其二次线圈N21、N22产生感应电动势、，输出电压分别为、，经推导，输出电压

为x↑

（2–10）式中，ω为励磁电源角频率；ΔM为线圈互感的增量；为励磁电流。理论和实践证明，线圈互感的增量ΔM与衔铁位移量x基本成正比关系，所以输出电压的有效值为

（2–

11）式中，K为差动变压器的灵敏度，是与差动变压器的结构及材料有关的量，在线性范围内可近似看作常量。2.零点残余电压差动变压器的输出特性如右图所示。E0称为零点残余电压，其数值约为零点几毫伏，有时甚至可达几十毫伏，并且无论怎样调节衔铁的位置均无法消除。1—理想特性；2—实际特性产生零点残余电压的主要原因是：①差动变压器两个二次线圈的电气参数、几何尺寸或磁路参数不完全对称；②存在寄生参数，如线圈间的寄生电容、引线与外壳间的分布电容；③电源电压含有高次谐波；④磁路的磁化曲线存在非线性。减小零点残余电压的方法通常有：①提高框架和线圈的对称性；②减少电源中的谐波成分；③正确选择磁路材料，同时适当减少线圈的激磁电流，使衔铁工作在磁化曲线的线性区；④在线圈上并联阻容移相网络，补偿相位误差；⑤采用相敏检波电路或差动整流电路，可以使零点残余电压减小到能够忽略的程度。差动变压器原理动画演示2.2.2差动变压器的基本特性

灵敏度差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压励磁下，铁心移动一单位距离时的输出电压，以mV／(mm·V)表示。一般差动变压器的灵敏度大于50mV／(mm·V)。影响灵敏度的因素有：电源电压和频率，差动变压器一、二次线圈的匝数比，衔铁直径与长度、材料质量，环境温度，负载电阻等。为了获得高的灵敏度，在不使一次线圈过热的情况下，尽量提高励磁电压，电源频率以400Hz~10kHz为佳。此外，还可以提高线圈的Q值；活动衔铁的直径在尺寸允许的条件下尽可能大些，这样有效磁通较大；选用导磁性能好、铁损小和涡流损耗小的导磁材料等。2.2.3差动变压器的测量转换电路

2．线性范围理想的差动变压器输出电压应与衔铁位移成线性关系，实际上由于衔铁的直径、长度、材质和线圈骨架的形状、大小的不同等均对线性有直接影响。差动变压器一般线性范围约为线圈骨架长度的1/10~1/4。由于差动变压器中间部分磁场是均匀的且较强，所以只有中间部分线性较好。差动变压器输出交流电压，它与衔铁位移成正比，若用交流电压表测量，只能反映铁芯位移的大小，不能反映移动方向。另外，测量值必定含有零点残余电压。为此，需要采用相关的测量电路，以解决判断衔铁位移方向和消除零点残余电压问题。差动变压器最常用的测量转换电路是比较简单的差动整流电路，几种典型电路如下图所示。差动整流电路可分为全波电流输出、半波电流输出、全波电压输出和半波电压输出四种。其中图(a)和图(b)用于连接低阻抗负载的场合，是电流输出型。图(c)和图(d)用于连接高阻抗负载的场合，是电压输出型。由于整流部分在差动变压器输出一侧，所以只需两根直流输送线即可，而且可以远距离输送，因而得到广泛应用。下面以全波电流输出差动整流电路为例来分析其工作原理。（1）当铁芯在中心位置时（u21≈u22），若Uac=Uda，可调节RP，使R1=R2，则式中RD为桥式整流的正向电阻。若u21≠u22（存在零点残余电压），则Uac≠Uda，可调节RP，使R1≠R2，可调整到ImA=I1-I2=0，从而消除零点残余电压。（2）铁芯上移（u21＞u22）时，Uac＞Uda，则

ImA=I1-I2＞0（3）铁芯下移（u21＜u22）时，Uac＜Uda，则

ImA=I1-I2＜0从而判别了位移的大小和方向。通过以上分析可知，全波电流输出型差动整流电路可消除零点残余电压，也可判别位移的大小和方向。半波电流输出差动整流电路、全波电压输出差动整流电路和半波电压输出差动整流电路经过分析(注意，只有在二极管正向电阻不能忽略的情况下，可调电阻才能在电压输出型中调零)，同样可以得到以上结论，这里就不再赘述，读者可以自行分析。一般经相敏检波和差分整流输出的信号还必须通过低通滤波器，从而把调制的高频信号衰减掉，只让衔铁运动所产生的有效信号通过。全波电压输出型差分整流电路及后续电路2.2.

4差动变压器的应用

1．位移的测量右图是一个方形结构的差动变压器式位移传感器，可用于多种场合下测量微小位移。与自感式传感器类似，差动变压器可直接用于测量位移和尺寸，并能测量可以转换成位移变化的各种机械量，如振动、加速度、应变、张力和厚度等。1—测头；2—防尘罩；3—轴套；4—圆片弹簧；5—测杆；6—磁筒；7—活动衔铁；8—线圈架；9—弹簧；10—导线工作原理是：测头l通过轴套和测杆5相连，活动衔铁7固定在测杆5上。线圈架8上绕有三组线圈，中间是初级线圈，两端是次级线圈，形成三节式结构，它们都通过导线10与测量电路相连。初始状态下，调节传感器使其输出为0。当测头l有一位移x时，衔铁也随之产生位移x，引起传感器的输出变化，其大小反映了位移x的大小。线圈和骨架放在磁筒6内，磁筒的作用是增加灵敏度和防止外磁场干扰，圆片弹簧4对测杆起导向作用，弹簧9用来产生一定的测力，使测头始终保持与被测物体表面接触的状态，防尘罩2的作用是防止灰尘进入测杆。2．力和力矩的测量将差动变压器位移传感器与弹性元件组合，可用来测量力和力矩，右图为差动变压器式力传感器。其工作原理是：当力作用于传感器上时，使弹性元件3变形，固定在3上的衔铁2相对线圈l移动，因而产生输出电压，输出电压的大小反映了力的大小。1—线圈；2—衔铁；3—弹性元件这种传感器的优点是承受轴向力时应力分布均匀，且在长径比较小时，受横向偏心分力的影响较小。3．加速度的测量下图所示是一个用于加速度计的差动变压器式传感器。质量块2由两片片簧1支承。测量时，质量块的位移与被测加速度成正比，因此，将加速度的测量转变为位移的测量。质量块的材料是导磁的，所以它既是加速度计中的惯性元件，又是磁路中的磁性元件。1—片簧；2—质量块下图为差动变压器式加速度传感器的又一形式。它由悬臂梁l和差动变压器2构成。测量时，将悬臂梁的底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将差动变压器中的衔铁3的A端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以Δx

(t)振动时，导致差动变压器输出电压也按相同的规律变化。因此，可从差动变压器的输出电压得知被测物体的振动参数。1—悬臂梁；2—差动变压器；3—衔铁钢板厚度的测量2.2.5差动变压器的应用实例

1．差动压力变送器右图是YST—1型差动压力变送器的结构示意图。它适用于测量各种生产流程中液体、水蒸气及气体的压力。当被测压力未导入膜盒时，膜盒无位移，这时，衔铁在差动线圈中间位置，因而输出电压为0。当被测压力从输入口导入膜盒时，膜盒中心产生的位移作用在测杆上，并带动衔铁向上移动，使差动变压器的二次线圈产生的感应电动势发生变化而有电压输出。1—压力接入接头；2—膜盒；3—导线；4—印制板；5—差动线圈；6—衔铁；7—变压器；8—罩壳；9—指示灯；10—安装座；11—底座下图是这种传感器的测量电路。220V交流电通过变压、整流、滤波、稳压后，被晶体管VT1、VT2组成的振荡器转变为6V、1000Hz的稳定交流电压，作为该传感器的励磁电压。差动变压器二次输出电压通过半波差动整流电路、滤波电路后，作为变送器输出信号，可接入二次仪表加以显示。上图中，RP1是调零电位器，RP2是调量程电位器。二次仪表一般可选XCZ-103型动圈式毫伏计，或选用自动电子电位差计（如XWD）。RP2的输出也可以进一步作电压／电流转换，输出与压力成正比的电流信号。这是目前生产的压力变送器常见的做法。YST－1型差动压力变送器线路原理框图变压整流滤波稳压多谐振荡器差分变压器差分整流电路输出显示2．位移检测用差动变压器的实用电路差动变压器根据其测量位移大小的不同，它的行程、一次绕组的激励功率、二次绕组产生的电压都不同。差动变压器一般测量的位移为几微米到几十厘米，市场销售的差动变压器测量的位移大都为几厘米。一般来说，差动变压器的一次侧阻抗为几十到几百欧姆，二次侧阻抗为几千欧姆，激励频率为10kHz左右。

下图是差动变压器的实用电路。它由振荡电路、相敏检波电路及放大电路等基本电路组成。1）差动变压器的激励电源电路差动变压器的激励电源由A4组成文氏桥（RC串并联）正弦波振荡电路产生。其振荡频率为f＝1/2πRC，本电路设计为500Hz；稳幅的负反馈回路中用灯泡代替正温度系数的热电阻或热敏电阻。图中，A5为电压放大级；A6与光电耦合器PC构成负反馈，即自动增益控制（AGC）电路，进一步稳幅。当A5输出信号增强，经二极管整流、电容滤波、A6反相放大输出电平降低，光电耦合器PC的发光二极管亮度变低，光敏电阻阻值变大，使输出信号变弱；反之，使输出信号变强，从而达到增益自动控制的目的，稳定输出电压的幅度。光电耦合器PC采用MCD—521L光敏电阻式，是因为光敏电阻具有纯电阻性质．线性非常好，不会使波形发生变化。由于差动变压器的激励电源又是相敏检波器的参考电压，因此其电压必须保持恒定，但振荡频率的微小波动是允许的。差动变压器的一次绕组的阻抗为几十到几百欧姆，激励电路的输出阻抗必须要低于此阻抗，否则输出电平就会降低。为此电路中增设了升压电路，由A7与VTl、VT2组成。为了保证波形对称，VTl和VT2要采用对管。VTl和VT2的基极偏置采用小信号硅二极管，以免信号失真。47Ω的发射极电阻为晶体管过流保护电阻。2）差动变压器的相敏检波电路差动变压器的相敏检波电路通常为二极管环形电路，也可用运算放大器构成，这里采用LM1496集成电路，使电路更加简单。LM1496是一个双差分模拟乘法器电路，可广泛用于信号的混频和检波等。LM1496的工作电压为30V，功耗为500mW，最大输入电压在信号输人端（差动）为±5V，在载波输入端（差动）为+5V，偏置电流为12mA，工作温度为0—70ºC。图中的电路连接即为LM1496的标准应用。由于LM1496的1（SIG）脚加有直流偏置电压，因此用电容C1隔直流耦合，以免影响差动变压器的工作。差动变压器的交流激励信号作为载波信号加到LM1496的7（CAR）脚，用VDW3稳压管降低并限定载波信号的电平。LM1496的标准工作电压可为±8V或十12、一8V，但常用±9V。图2–

21所示电路中用稳压VDW1和VDW2为LM1496提供工作电压。接在2脚与3脚间的R1和RP1用来调整LM1496的增益。LM1496的9脚和6脚为对称输出，再通过A2变为非对称（单端）输出。3）差动变压器的信号放大电路由LM1496相敏检波后的信号经A2和A3进行放大。A2的增益调整要均衡，保证负反馈电阻和同相端的平衡电阻相等，因此要采用同轴电位器分别串入负反馈电阻（10kΩ）和同相端接地电阻（10kΩ）进行调整。A3为缓冲放大器，并能通过RP4适当调整增益，使输出为0～±10V的电压。A2和A3均选用FET输入型运放LF356，这样，工作稳定，输入阻抗高，对前级电路的影响小。4）电路的调整电位器要选用多圈电位器，RP1调增益，RP2调载波的对称性，RP4调增益，RP7调激励电源电平。将示波器接到TPl端，观察有500Hz的正弦波波形即可。示波器接到TP2端，调RP6可改变振荡频率，调RP7，观察到TP2测试端信号为TPl的1/3即可。若用手触及A4的输入端，则TPl端的信号电平发生变化，这时TP2的信号也能跟着变，即AGC电路能正常工作。示波器接到TP4端，移动差动变压器的磁芯，TP4端的波形大小变化，若没有最小点，可能是二次侧的两个绕组接反了。若观察到最小点，就不要移动磁芯。示波器和数字万用表接到TP5端，调RP2，使观察到的与振荡频率相同的交流分量最小，这时万用表上应显示为0V电压。不为0V，可减小LM14967脚的载波输入，输入必须为正负对称的交流波形。这时若稍移动磁芯，万用表显示正负直流电压信号，则电路工作正常。若用示波器观察的波形最小，稍有些直流信号，不能完全为0时，调RP3使其为0即可。调RP4，在A3的输出可获得与差动变压器位移相应的电压。根据法拉第电磁感应定律，当块状金属导体置于交变磁场或在固定磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象就称为电涡流效应，简称涡流效应。电涡流式传感器是利用电涡流效应，将位移、厚度、材料损伤等非电量转换为阻抗的变化（或电感、Q值的变化），从而进行非电量测量的。电涡流式传感器结构简单，其最大特点是既可以实现非接触测量，又具有灵敏度高、抗干扰能力强、频率响应宽和体积小等优点，因此在工业测量中得到了越来越广泛的应用。2.3电涡流式传感器

电涡流在我们日常生活中的应用干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理图电涡流探雷器电涡流式传感器在金属导体内产生涡流，其渗透深度与传感器线圈的励磁电流的频率有关。所以，电涡流式传感器主要分为高频反射式和低频透射式两大类，其中以高频反射式应用较广。这两类传感器的基本工作原理是相似的。右图是高频反射式涡流传感器的基本原理图。1—传感线圈；2—金属导体2.3.1电涡流式传感器的工作原理当一个传感器线圈通有交变电流时，在线圈的周围就产生一个交变磁场。当被测导体置于该磁场内时，被测导体中将产生电涡流。根据电磁感应理论，电涡流

也将形成一个方向相反的交变磁场。由于磁场的反作用，涡流要消耗一部分能量，抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生变化。1—传感线圈；2—金属导体电涡流线圈与金属板的距离s减小↓电涡流线圈的等效电感L

减小、等效电阻R

增大XL的减小比R的增大多得多，即等效阻抗Z减小流过电涡流线圈的电流i1

增大。↓↓电涡流效应动画演示根据电磁场理论，涡流的大小与导体的电阻率ρ、磁导率μ、导体厚度t、线圈与导体之间的距离s、线圈的激磁角频率ω、线圈的几何参数和导体的几何形状等参数有关。这些参数都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。或者说，线圈阻抗Z是这些参数的函数，可表示为

Z=f（ρ，μ，t，s，ω）如果能控制上述参数中的大部分，而只改变其中的一个参数，阻抗就能成为这个参数的单一函数（这种函数都是非线性函数，但在某一范围内，可近似为线性函数）。2.3.2电涡流式传感器的结构类型及特性1．高频反射式电涡流传感器高频反射式涡流传感器的结构比较简单，如下图所示，由一个扁平线圈固定在框架上构成。线圈用高强度漆包线或银线绕制而成，用胶黏剂（粘应变计用的即可）粘在框架端部，也可以在框架的端部开一条槽，将导线绕在槽内形成一个线圈。l—保护套；2—填料；3—螺母；4—电缆；5—线圈；6—框架；7—壳体下图为常用的一种变间隙型涡流传感器——CZFl型涡流传感器。它采用把导线l绕在框架2的槽内的方法形成线圈。框架采用聚四氟乙烯。使用时通过框架衬套3将整个传感器安装在支架4上。

指出：由于电涡流式传感器是利用传感器线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的，因而作为传感器的线圈装置仅仅是“实际传感器”的一半，而另一半则是被测导体。所以，被测导体的材料物理性质、尺寸和形状等都与传感器的特性密切相关。8—导线；9—框架；10—框架衬套；11—支架；12—插头；13—电缆（1）被测导体的材料对传感器特性的影响一般来说，被测导体的导电率越高，传感器的灵敏度也越高；但被测导体是磁性体时，磁导率越高，灵敏度越低，如被测导体有剩磁，将影响测量结果，所以应该进行消磁处理。（2）被测导体的尺寸和形状对测量的影响研究结果表明，涡流区和线圈几何尺寸有如下关系：电涡流探头外形交变磁场式中，2R为电涡流区的外径；2r为电涡流区的内径；D为线圈的外径。下图为电涡流密度的分布曲线。由图可见，在直径和线圈的外直径相等处的涡流区的涡流密度最大。在直径为线圈外直径的1.8倍处和0.4倍处，相对密度jr/j0已衰减到5％以下。

（2–12）2R=1.390D

2r=0.525D根据分布曲线，可由线圈的大小确定被测区域的大小。同样，被测物体的厚度也不能太薄，一般应大于0.2mm（铜、铝箔等为0.07mm），才不影响测量结果。当然，对厚度的要求还与激励频率有关。（3）被测导体表面镀层对测量精度的影响若被测表面有镀层，则由于镀层的性质和厚度不均匀，在测量转动或移动时，将出现周期性干扰信号，影响测量精度，并且随着激励频率的升高，电涡流的贯穿深度减小，这种干扰影响更大。（4）传感器的安装对测量的影响不适当的安装也将带来附加误差，降低灵敏度和线性范围。安装时，如传感器线圈本身未加屏蔽，那么不属于被测对象的金属物与线圈之间至少要相距一个线圈直径d的大小。涡流传感器除了变间隙型外，还有变面积型和螺管型结构形式。l—矩形线；2—被测导体（a）变面积型电涡流传感器测位移原理（b）螺管型电涡流传感器2．低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器的基本结构如右图所示。传感器由两个绕在胶木棒上的线圈组成，一个为发射线圈，一个为接收线圈，它们分别位于被测金属材料的两侧。由振荡器产生的低频电压加到发射线圈L1的两端后，线圈中流过一个同频电流，并在其周围产生一个交变磁场。如果两线圈间不存在被测物体，那么L1的磁力线就能直接贯穿L2，于是接收线圈L2两端就会感生出一交变电动势，它的大小与的幅值、频率以及L1与L2的匝数、结构和两者间相对位置有关。如果这些参数是确定的，就是定值。当L1和L2之间放入金属板M后，金属板内就会产生涡流，涡流损耗了部分磁场能量，使到达L2上的磁力线减少，从而引起的下降。金属板的厚度δ越大，产生的涡流就越大，损耗磁场的能量就越大，就越小。与被测厚度δ的增加按负指数幂的规律下降，两者的关系曲线如下图所示。电涡流的贯穿深度h为

（2–

13）式中，ρ为导体的电阻率（Ω·cm）；f为交变磁场的频率；μr为相对磁导率。由式（2–

13）可知，贯穿深度h与成比例。当被测材料确定时，μr和ρ为定值。对于不同的激励频率f，其穿透深度h不同，产生的涡流强度也不同，所以在线圈L2中的感应电动势就不同，如下图所示。从图可见，当激励频率较高时，曲线的线性度不好，但当h较小时，灵敏度较高；而当激励频率较低时，线性好，测量范围宽，但灵敏度较低。因此，为了较好地测量厚度，激励频率要选得较低，一般在500Hz。一般情况下，测薄导体时，频率略高些；测厚导体时，频率应低些。测电阻率较小的材料（如铜材）时，应选较低的频率（500Hz）；而测电阻率较大的材料（如黄铜、铝）时，则选用较高的频率（2kHz），从而保证在测不同材料时，得到较好的线性和灵敏度。2.3.3电涡流式传感器的测量转换电路1．电桥电路右图为电涡流式传感器的电桥电路。L1、L2为两个涡流线圈的电感值，组成差动电路，也可以一个是涡流传感器线圈，另一个是固定线圈，起平衡桥路的作用。四个桥臂的阻抗分别为：Z1=L1//C1，Z2=L2//C2，R1和R2。初始状态下电桥平衡，即Z1R2=Z2R1，=0。当被测物体与线圈耦合时，使Z1、Z2发生变化，≠0。由的值可求出被测参数的变化量。由L1C1并联、L2C2并联及R1、R2组成电桥的四个桥臂，振荡器提供电源及涡流传感器工作所需频率。下图为一实用的电桥电路。它由1MHz的晶振、阻抗变换器、交流电桥、检波电路和直流差动放大器五部分组成。在图右方是石英晶体振荡器，它不仅向交流电桥提供较大的激励电压，而且幅值和频率要有较高的稳定性。图中部为交流电桥，传感器线圈与谐振电容分别构成两个并联谐振电路，并且作为桥路的两个相邻的工作臂，有利于改善稳定性和非线性。电桥输出经检波电路后，再由左部的直流差动运算放大器进行放大。运算放大器A3对经过A1、A2分别放大的信号进行差动运算，提高了整个电路的共模抑制比，具有输入阻抗高，增益调节方便，可以补偿漂移等优点。2．调频法谐振法中简要介绍一下调频法的工作原理，其转换电路原理框图如下图所示。并联谐振回路的谐振频率为

（2–

14）当电涡流线圈与被测体的距离s改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率改变，此频率可直接用频率计测量。但多数情况下是通过鉴频器将频率的变化转换为输出电压的变化。调频法的特点是受温度、电源电压等外界因素的影响较小。2.3.4电涡流式传感器的应用1．位移的测量电涡流式传感器可用来测量各种形状金属导体试件的位移量，如汽轮机主轴的轴向位移、磨床换向阀及先导阀的位移和金属试件的热膨胀系数等。测量位移范围为1mm～30mm，分辨率为满量程的0.1％。4~20mA电涡流位移传感器外形图V系列电涡流位移传感器外形图V系列电涡流位移传感器性能一览表

（摘自洞头开关厂资料）

四线制电涡流位移传感器的接线说明2．振幅的测量电涡流式传感器可以无接触地测量旋转轴的径向振动，如图(a)所示；也可以测量汽轮机涡轮叶片的振幅，如图(b)所示；有时为了解轴的振动形状，可用数个电涡流传感器并排地安置在附近测量，如图(c)所示。l—电涡流式传感器；2—被测物偏心和振动检测汽轮机叶片测试3．转速的测量在旋转体上开一条或数条槽或做成齿状，旁边安装一个电涡流式传感器，当转轴转动时，传感器周期地改变着与转轴之间的距离，于是它的输出也周期性地发生变化。此输出信号经放大、变换后，可以用频率计测出其变化频率，从而测出转轴的转速。若转轴上开Z个槽，频率计读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r／min）的数值为

（2–

15）l—电涡流式传感器；2—被测物电涡流传感器转速测量动画演示齿轮转速测量示意图【例】下图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速n

。n=150r/min用于ABS系统（防锁死刹车系统）的速度传感器4．电涡流探伤利用电涡流式传感器可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹，以及焊接处的缺陷等。注意在探伤时，传感器应与被测导体保持距离不变。检测时，由于裂陷出现，将引起导体的电导率、磁导率的变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压的突变，达到探伤的目的。此外，电涡流式传感器还可以探测金属表面温度、表面粗糙度、硬度，进行尺寸检测等，同时也可以制成开关量输出的检测元件，如接近开关及用于金属零件计数的传感器等。手持式裂纹测量仪油管探伤用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹电涡流传感器探伤检测动画演示厚度测量测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度－输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。电涡流涂层厚度仪由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。高频涡流测厚仪测量厚度动画演示

该测厚仪与前面镀层测厚有何区别？厚度：D其它应用电涡流传感器计数动画演示电涡流传感器轴心轨迹测量动画演示电涡流压力传感器2.3.5电涡流式传感器的应用实例1．液位监控系统下图为由电涡流式传感器构成的液位监控系统。当液位变化时，浮子与杠杆带动涡流板上、下移动，涡流板与传感器之间的距离发生变化，系统根据传感器的信号控制电动泵的开启而使液位保持一定。2．电涡流式大件金属物体检测器电路该检测器主要用来检测大件金属物件的存在与否，如车辆的通过等。检测传感器采用埋在深度为0．2m的感应线圈式磁传感器L，它是用26号漆包线在1．2m的框架上绕50匝制成。

电涡流式大件金属物体检测器电路如下图所示。电路主要由振荡器、检测电桥、放大器、倍压整流器及继电器驱动电路等组成。VTl及外围元件组成频率为10kHz的振荡器，其输出通过6000Ω:600Ω的变压器T耦合至电桥。电桥由RP1、RP2、RP3、R1、C6及传感器L组成，适当调节RP1、RP2和RP3，可使电桥在无任何金属物体时接近平衡，几乎无交流信号从电桥输出。若有足够大的铁磁物件通过传感器L的上方时，传感器产生的感应电流使电桥失去平衡，A点就会输出检测信号。检测信号先由VT2、VT3放大，经倍压整流后驱动VT4导通使继电器工作，继电器触点KAl闭合，产生的控制信号可输给执行电路以指示有无车辆存在。电容式传感器将被测量的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。电容式传感器有一系列优点，如结构简单，需要的作用能量小，灵敏度高，动态特性好，能在恶劣环境下工作等。随着微电子技术的发展，特别是集成电路的出现，电容式传感器优点得到了进一步发挥，目前已成熟地运用到测厚、测角、测液位、测压力等方面。2.4电容式传感器

2.4.1电容式传感器的工作原理电容式传感器的基本工作原理可用平板电容器说明。当忽略边缘效应时，其电容C（2–

16）式中，S为极板相对覆盖面积；δ为极板间距离；εr为相对介电常数；ε0为真空介电常数，ε0=8.85×10-12F/m；ε为电容极板间介质的介电常数。当被测量的变化使式（2–

16）中的δ、S和εr中的某一项或几项变化时，电容量C就随之发生变化，在交流工作时就改变了容抗XC，从而使输出电压或电流变化。δ和S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可间接反映压力、加速度等变化；εr的变化则可反映液面的高度、材料厚度等变化。电容传感器声波测量动画演示2.4.2电容式传感器的结构类型及特性

实际应用时，常常仅改变δ、S和εr三参数之一以使C变化。所以电容式传感器可分为三种基本类型：变极距（变间隙）型、变面积型和变介电常数型。下图所示为一些电容式传感器的原理结构形式。其中图(a)、(b)为变极距型；图(c)、(d)、(e)、(f)为变面积型；图(g)和(h)为变介电常数型。图中(a)和(b)是线位移传感器；图(f)为角位移传感器；图(b)、(d)和(f)是差动式电容传感器。1.变极距型电容式传感器当极板间距δ因被测量变化而变化Δδ时，电容变化量ΔC为

（2–

17）式中，C0为极距是δ时的初始电容量。由式（2–

17）可知，ΔC与极板间距的变化Δδ不是线性关系，其灵敏度不为常数。但当Δδ«δ（即量程远小于两极板间的初始距离）时，可认为ΔC与Δδ是线性关系，且当初始极距较小时，对于同样的位移，灵敏度较高。一般电容式传感器的起始电容约为20pF～30pF之间，极板间距在25μm～200μm左右，最大位移应为两极板间距的1/10～1/4。变极距型电容式传感器原理动画演示2.变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器中，平行板结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际应用中最常采用的结构，如下图所示，其中单组式的电容量C在忽略边缘效应时为

（2–

18）

式中，为外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2、r1为外圆筒内半径和内圆柱外半径。(a)单组式(b)差动式当两圆筒相对运动Δl时，电容变化量ΔC为

（2–

19）即电容传感器的电容变化与线位移成正比，灵敏度为常数。变面积型电容式传感器原理动画演示3.变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。变介电常数型电容式传感器原理动画演示下图为电容液位计的结构示意图。当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两极间不同介电常数介质的高度变化，从而导致总电容的变化。电容器由上下介质形成的两个电容器并联而成，总电容与液面高度的关系为（2–

20）(a)同轴内外金属管式(b)金属管外套聚四氟乙烯套管式式中，h1为电容器极板高度；r为内电极的外半径；R为外电极的内半径；H为液面高度；ε1为液体介电常数。从式（2–

20）看出，电容C与液面高度H成线性关系。当液罐外壁是导电金属时，可以将其接地，并作为液位计的外电极，如图2–

43(b)所示。当被测介质是导电的液体时，则内电极应采用金属管外套聚四氟乙烯套管式电极，而且外电极也不是液罐外壁，而是该导电介质本身，这时内外电极的极距只是聚四氟乙烯套管的壁厚。三种电容式传感器比较表类型变间隙变面积变介电常数应用场合微线位移角位移或较大线位移物位、湿度、密度是否线性非线性关系。灵敏度也不是常数。线性关系

线性关系

2.4.3电容式传感器的测量转换电路

1.桥式电路下图为桥式转换电路。图(a)为单臂接法，当交流电桥平衡时，有

（2–

21）

当Cx改变时，，有电压信号输出。(a)单臂接法(b)差动接法图(b)为差动接法，其空载输出电压为

（2–

22）式中，C0为传感器初始电容值；ΔC为传感器电容的变化值。该电路的输出还应经过相敏检波才能分辨的相位，即判别电容传感器的位移方向。2.调频电路电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化后，就使振荡器的振荡频率发生变化，频率的变化在鉴频器中变换为振幅的变化，经过放大后就可以用仪表指示或用记录仪器记录下来。调频接收系统可分为直放式调频和外差式调频两种类型。外差式调频线路比较复杂，但选择性好，特性稳定，抗干扰性能优于直放式调频。用调频系统作为电容式传感器的测量电路主要具有抗外来干扰能力强、特性稳定、能取得高电平的直流信号（伏特数量级）等特点。3.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路是利用对传感器电容的充放电，使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化，通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。脉冲宽度调制电路由比较器IC1、IC2，双稳态触发器及电容充放电回路组成。C1、C2为差动电容式传感器，当双稳态触发器的Q端输出高电平、端输出低电平时，A点通过R1对C1充电，使C点电位上升；同时电容C2通过二极管D2迅速放电，D点电位为低电平，直到C点电位高于参考电压Ur时，比较器IC1输出脉冲，双稳态触发器翻转，A成为低电平，B点成为高电平。这时C点电位经二极管D1迅速放电至零，同时B点通过R2对C2充电，使D点电位上升，到高于参考电压Ur时，比较器IC2输出脉冲，使双稳态触发器再次翻转。这样周而复始，在A、B两点分别输出一个宽度受电容C1、C2调制的矩形脉冲。当C1=C2时，各点的电压波形如图2–

47(a)所示，输出电压uAB的平均值为0；若C1＞C2，各点的电压波形如图2–

47(b)所示，则C1的充电时间大于C2的充电时间，即T1＞T2，uAB经IC3放大低通滤波后，获得的直流电压Uo为

（2–

23）式中，U1为双稳态触发器输出的高电平。图2–47脉冲宽度调制电路各点电压波形图由此可见，输出的直流电压Uo与ΔC成线性关系。脉冲宽度调制电路对于差动式电容传感器均能获得线性输出；不需要相敏检波即能获得直流输出；采用直流电源，虽要求其电压稳定度较高，但比其他转换电路中要求高稳定度的稳频、稳幅的交流电易于做到；对输出矩形波的纯度要求不高。2.4.4电容式传感器的应用

1.压力测量电容式压力传感器的结构示意图如右图所示。其中膜片电极1为电容器的动极板，2为电容器的固定极板。当被测压力或差压作用于膜片电极上，并使它产生位移时，两极板间距离将发生改变，从而导致电容器的电容量也改变。当两极板间距离d很小时，压力和电容量之间为线性关系。高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器外形图电容式差压变送器内部结构图

1－高压侧进气口

2－低压侧进气口

3－过滤片

4－空腔

5－柔性不锈钢波纹隔离膜片

6－导压硅油

7－凹形玻璃圆片

8－镀金凹形电极

9－弹性平膜片

10－

腔各种电容式差压变送器外形图利用电容式差压变送器测量液体的液位差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：p=

gh投入式电容水位计外形图家用电器压力检测示意图2.加速度测量下图所示为一种空气阻尼电容式加速度传感器。该传感器采用差动式结构，有两个固定电极2，两极板间有—用弹簧支撑的质量块3。此质量块的两个端平面经磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使两固定极板相对质量块产生位移，此时上下两个固定电极与质量块端面之间的电容量产生变化而使传感器有一个差动的电容变化量输出。l—绝缘体；2—固定电极；3—质量块（动电极）；4—弹簧片电容传感器加速度测量动画演示硅微加工电容加速