自動檢測技術(shù)及應(yīng)用3(力學傳感器及力學量檢測)ppt課件

自動檢測技術(shù)及應(yīng)用_(力學傳感器),楊柳yl916513302266827QQ：398530543,項目三力、壓力傳感器及應(yīng)用,了解力的概念及力的測量原理。掌握常用力、壓力傳感器的測量原理。掌握電阻應(yīng)變片的測量電路及補償原理掌握電容式傳感器的測量原理熟悉應(yīng)變式、壓電式、電容式等傳感器的應(yīng)用。,學習要點,2.1概述,力是物質(zhì)之間的一種相互作用,物體之間相互作用的結(jié)果,使物體產(chǎn)生變形；,在物體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變；,改變物體的機械運動狀態(tài)；,改變物體所具有的動能和勢能。,力傳感器的組成,力是一種非電物理量，不能用電工儀表直接測量，需要借助某一裝置將力轉(zhuǎn)換為電量進行測量，能實現(xiàn)這一功能的裝置就是力傳感器。力傳感器主要由力敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路組成。如圖2-1所示。,圖2-1力傳感器測量示意圖,力的計量單位及測量原理,力的計量單位為牛頓,力的測量的原理,力的靜力效應(yīng),力的動力效應(yīng),指彈性物體受力后產(chǎn)生變形的一種物理現(xiàn)象。由胡克定律知：如在彈性范圍內(nèi),彈性物體在力的作用下產(chǎn)生的變形（x），與所受的力F成正比(k為彈性元件的勁度系數(shù))。因此，只要通過一定的手段測出物體的彈性變形量，就可間接確定物體所受力的大小。,指具有一定質(zhì)量的物體受到力的作用時，其動量將發(fā)生變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)加速度的物理現(xiàn)象。由牛頓第二定律可知：當物體質(zhì)量（m）確定后，物體受到的力（F）與所產(chǎn)生的加速度（a）成單值對應(yīng)關(guān)系。只要測出物體的加速度，就可間接測得物體所受到力的大小。,測量力的方法,其中大多需要彈性敏感元件或其它敏感元件的轉(zhuǎn)換。,測量力的方法,電阻式（電位器式、電阻應(yīng)變片式）,電感式（自感、互感、渦流）,電容式,壓電式,壓磁式,壓阻式,返回本章目錄,2.2彈性敏感元件,彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應(yīng)變或位移,然后再由轉(zhuǎn)換電路將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成電信號。彈性敏感元件是力傳感器中一個關(guān)鍵性的部件，應(yīng)具有良好的彈性、足夠的精度,應(yīng)保證長期使用和溫度變化時的穩(wěn)定性。,2.2.1彈性敏感元件的特性,1.剛度抵抗變形的能力剛度是彈性元件在外力做用下變形大小的量度，一般用表示,式中F作用在彈性元件上的外力,x彈性元件產(chǎn)生的變形,（2-1）,2.靈敏度,靈敏度彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小，在彈性力學中稱為彈性元件的柔度。它是剛度的倒數(shù),用K表示,（2-2）,在測控系統(tǒng)中希望它是常數(shù),3.彈性滯后,實際的彈性元件在加載、卸載的正反行程中變形曲線是不重合的，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象，它會給測量帶來誤差。如圖2-2所示。原因：彈性元件在工作過程中分子間存在內(nèi)摩擦。當比較兩種彈性材料時，應(yīng)都用加載變形曲線或都用卸載變形曲線來比較，這樣才有可比性。,圖2-2彈性滯后,4.彈性后效,當載荷從某一數(shù)值變化到另一數(shù)值時,彈性元件變形不是立即完成相應(yīng)的變形，而是經(jīng)一定的時間間隔逐漸完成變形的，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。,圖2-3彈性后效,彈性后效造成的結(jié)果由于彈性后效的存在，彈性敏感元件的變形始終不能迅速地跟上力的變化，在動態(tài)測量時將引起測量誤差。造成這一現(xiàn)象的原因是由于彈性敏感元件中的分子間存在內(nèi)摩擦。,2.2.2彈性敏感元件的分類,彈性敏感元件分類,力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移的變換力的彈性敏感元件。,壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移的變換壓力的彈性敏感元件。,1.變換力的彈性敏感元件,圖2-4變換力的彈性敏感元件,2.變換壓力的彈性敏感元件,圖2-5變換壓力的彈性敏感元件,(1)彈簧管彈簧管又叫布爾登管，它是彎成各種形狀的空心管，管子的截面形狀有許多種，但使用最多的是C形薄壁空心管。如圖2-5a所示。C形彈簧管的一端密封但不固定，成為自由端，另一端連接在管接頭上且固定。當流體壓力通過管接頭進入彈簧管后，在壓力F作用下，彈簧管的橫截面力圖變成圓形截面，截面的短軸力圖伸長。使彈簧管趨向伸直，一直伸展到管彈力與壓力的作用相平衡為止。這樣自由端便產(chǎn)生了位移。通過測量位移的大小，比可得到壓力的大小。,(1)彈簧管,各種波紋管敏感元件的外形,波紋管是有許多同心環(huán)狀皺紋的薄壁圓管,返回本章目錄,2.3電阻應(yīng)變式傳感器,電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)，將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。通過一定的機械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測量電路進一步將電阻的改變轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號輸出?？捎糜谀苻D(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機械加工、計量、建筑測量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。,2.3.1電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),電阻應(yīng)變片的作用是把導(dǎo)體的機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化。電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。由敏感柵、基底、覆蓋層和引線等部分組成。敏感柵由直徑約為0.010.05mm、高電阻系數(shù)的細絲彎曲而成柵狀；基地的作用應(yīng)能保證將構(gòu)件上的應(yīng)變準確地傳遞到敏感柵上去，因此必須做得很薄，一般為0.030.06mm。圖中l(wèi)為應(yīng)變片的工作基長，b為應(yīng)變片的基寬，lb為應(yīng)變片的有效使用面積。應(yīng)變片規(guī)格一般是以有效使用面積和敏感柵的電阻值來表示，如3100mm2、120、350等。,圖2-6電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),電阻應(yīng)變片測試原理,測試時，將應(yīng)變片用粘接劑牢固的粘貼在被測試件的表面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻的變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過一定的測量線路將這種電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就能知道被測試件應(yīng)變量的大小。其原理圖如圖2-7所示。,圖2-7電阻應(yīng)變片測試與原理圖,2.3.2電阻應(yīng)變片的分類,半導(dǎo)體應(yīng)變片,應(yīng)變片分類,箔式,薄膜式,絲式,金屬電阻應(yīng)變片,按其敏感柵不同,按使用溫度,按用途可分為,單向力測量應(yīng)變片平面應(yīng)力分析應(yīng)變片（應(yīng)變花）特殊用途應(yīng)變片等,低溫常溫中溫高溫應(yīng)變片,應(yīng)變片形狀,圖2-9應(yīng)變花的形狀,圖2-8電阻應(yīng)變片類型,箔式應(yīng)變片外形,2.3.3電阻應(yīng)變片工作原理,電阻應(yīng)變片式傳感器是利用了金屬和半導(dǎo)體材料的“應(yīng)變效應(yīng)”應(yīng)變效應(yīng)金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值隨它承受的機械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。如圖2-10所示，當電阻絲受到拉力F時，其阻值發(fā)生變化。材料電阻值的變化，一是受力后材料幾何尺寸變化；二是受力后材料的電阻率也發(fā)生了變化。,圖2-10金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng),電阻應(yīng)變片的工作原理,金屬絲受拉時，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大。,以圓柱形導(dǎo)體為例：電阻R（根據(jù)電阻的定義式）,電阻絲變形過程,圖2-10金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng),電阻絲半徑,電阻絲長度,電阻絲截面積,電阻絲電阻率,當導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時，其長度L、截面積A和電阻率的變化為dL、dA、d相應(yīng)的電阻變化為dR。對式（2-3）全微分得電阻變化率dR/R為：,(2-4),由材料力學得,為電阻絲材料的泊松比。即橫向收縮與縱向伸長之比。即,徑向應(yīng)變,軸向（縱向）應(yīng)變,金屬材料的靈敏度系數(shù)，表示單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化，主要取決于其幾何效應(yīng)，取1.73.6,材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化“壓阻效應(yīng)”。這是由于材料發(fā)生變化時，其自由電子的活動能力和數(shù)量均發(fā)生了變化的緣故,電阻絲幾何尺寸形變所引起的變化幾何效應(yīng),材料的軸向應(yīng)變,電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù),當我們將金屬絲做成電阻應(yīng)變片后，電阻-應(yīng)變特性與金屬單絲是不同的。實驗證明，電阻的相對變化與應(yīng)變的關(guān)系在很大范圍內(nèi)仍然有很好的線性關(guān)系，即,（2-6）,電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。其值恒小于金屬單絲的靈敏度系數(shù)。究其原因，除了應(yīng)變片使用時膠體粘貼傳遞變形失真外，另一重要原因是由于存在著所謂橫向效應(yīng)的緣故。,2.3.4電阻應(yīng)變片的測量電路,電阻應(yīng)變片傳感器輸出電阻的變化較小，一般為，要精確的測量出這些微小電阻的變化，常采用橋式測量電路。如:有一金屬箔式應(yīng)變片，標稱阻值R0為100，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R的變化量僅為0.2，所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量。(彈性模量E是指材料在外力作用下產(chǎn)生單位彈性變形所需要的應(yīng)力)根據(jù)電橋電源的不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋?？刹捎煤銐涸椿蚝懔髟垂╇?。由于直流電橋比較簡單，交流電橋原理與它相似，所以我們只分析直流電橋的工作原理。,恒壓源供電的直流電橋的工作原理,如圖2-11a所示為恒壓源供電的直流電橋測量電路。其特點是，當被測量無變化時，電橋平衡時輸出為零。當被測量發(fā)生變化時，電橋平衡被打破，有電壓輸出。輸出的電壓與被測量的變化成比例。電橋的輸出電壓為:,圖2-11a,當輸出電壓為零時，電橋平衡，因此或為電橋平衡條件。為了獲得最大的電橋輸出，在設(shè)計時常使（稱為等臂電橋）。當四個橋臂電阻都發(fā)生變化時，電橋的輸出為,調(diào)零電橋,實際應(yīng)用時，不可能嚴格成比例關(guān)系，所以即使在未受力時，橋路輸出也不一定為零，因此一般測量電路都設(shè)有調(diào)零裝置，如圖2-11b所示。調(diào)節(jié)RP可使電橋達到平衡，輸出為零。圖中是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。,2.恒流源供電的直流電橋的工作原理,如圖2-12所示為恒流源供電的直流電橋測量電路。電橋輸出為：,恒壓源電橋輸出,圖2-12恒流源供電的電橋測量電路,1單臂電橋的工作原理與輸出,在四臂電橋中，R1為工作應(yīng)變片，由于應(yīng)變而產(chǎn)生相應(yīng)的電阻變化R1。R2、R3及R4為固定電阻。Uo為電橋輸出電壓。初始狀態(tài)下，電橋是平衡的，Uo=0，從而可得到電橋平衡條件為:R1R3=R2R4,得出單臂電橋輸出：,電橋總輸出,根據(jù)電橋輸出公式:,圖2-13a,2、差動電橋,消除非線性誤差的方法采用差動電橋,在試件上安裝兩個工作應(yīng)變片，一片受拉，一片受壓，它們的阻值變化大小相等、符號相反，接入電橋相鄰臂,這時輸出電壓Uo與R1/R1成嚴格的線性關(guān)系，沒有非線性誤差，而且電橋靈敏度比單臂提高一倍，還具有溫度誤差補償作用.,設(shè)初始時R1=R2=R3=R4R1=R2則,圖2-13b,3.差動全橋,差動全橋設(shè)初始時R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4,圖2-13C,雙臂電橋輸出靈敏度是單臂電橋的兩倍，全橋輸出是雙臂電橋的兩倍。并且采用雙臂和全橋測量，可以補償由于溫度變化引起的測量誤差。,則,2.3.5應(yīng)變片的溫度誤差及補償,1.應(yīng)變片的溫度誤差電阻應(yīng)變片傳感器是靠電阻值來度量應(yīng)變的，所以希望它的電阻只隨應(yīng)變而變，不受任何其他因素影響。但實際上，雖然用作電阻絲材料的銅、康銅溫度系數(shù)很小(大約在=(2.55.0)10-5/)，但與所測應(yīng)變電阻的變化比較，仍屬同一量級。如不補償，會引起很大誤差。這種由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的變化而給測量帶來的誤差，稱之為應(yīng)變片的溫度誤差。造成溫度誤差的原因主要有下列兩個方面：1）敏感柵的金屬絲電阻本身隨溫度變化；2）試件材料與應(yīng)變片材料的線膨脹系數(shù)不一致，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加變形，從而造成電阻變化。另外，溫度變化也會影響粘接劑傳遞變形的能力，從而對應(yīng)變片的工作特性產(chǎn)生影響，過高的溫度甚至使粘接劑軟化而使其完全喪失傳遞變形的能力，也會造成測量誤差。但以上述兩個原因為主。,2.電阻應(yīng)變片的溫度補償方法,應(yīng)變片的溫度補償方法通常有兩種，即線路補償和應(yīng)變片自補償。,圖2-14電橋補償法,溫度變化后電路仍呈平衡,（2）應(yīng)變片自補償利用自身具有補償作用的應(yīng)變片（稱之為溫度自補償應(yīng)變片）來補償?shù)?。這種自補償應(yīng)變片制造簡單，成本較低，但必須在特定的構(gòu)件材料上才能使用，不同材料試件必須用不同的應(yīng)變片。,（1）線路補償,在不測應(yīng)變時電路呈平衡，即,全橋的溫度補償原理,當環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較??；半橋也同樣能克服溫漂。,2.3.6應(yīng)變片的粘接劑及粘貼、固化和檢查,1.粘接劑的種類常用的粘接劑可分為有機粘接劑和無機粘接劑兩大類。有機粘接劑通常用于低溫、常溫和中溫.無機粘接劑用于高溫。選擇時要根據(jù)基底材料、工作溫度、潮濕程度、穩(wěn)定性要求、加溫加壓的可能性和粘貼時間的長短等因素來考慮。主要粘接劑牌號有：萬能膠、501、502、914、509、J06-2、JSF-2、1720、J-12、30-14、GJ-14、LN-3、P10-6等。,2.應(yīng)變片的粘貼、固化和檢查,（1）去污試件表面的處理粘貼之前，應(yīng)先將試件表面清理干凈，用細砂紙將試件表面打磨平整，再用丙酮、四氯化碳徹底清洗試件表面的灰塵、油漬，清理面積約為應(yīng)變片的35倍。,（2）應(yīng)變片的粘貼方法,在清理的試件表面上均勻涂刷一薄層粘接劑作為底層，待其干燥固化后，再在此底層及應(yīng)變片基地的地面上均勻涂刷一薄層粘接劑，等粘接劑稍干，即將應(yīng)變片貼在畫線位置，用手指滾壓，把氣泡和多余的粘接劑擠出。注意，應(yīng)變片的底面也要清理。,（3）粘貼后測量,從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，尋找端子折斷和損壞的應(yīng)變片。,（4）焊接,將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。,（5）固定,焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。,實訓(xùn)一應(yīng)變片單臂、半橋、全橋電路特性及比較實驗,一、實驗?zāi)康模?.了解電阻應(yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測量電路。2了解應(yīng)變片半橋（雙臂）工作特點及性能。3了解應(yīng)變片全橋工作特點及性能。4比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應(yīng)的結(jié)論。,實訓(xùn)一應(yīng)變片單臂、半橋、全橋電路特性及比較實驗,二、基本原理：電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號輸出?？捎糜谀苻D(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，應(yīng)用十分廣泛。,實訓(xùn)一應(yīng)變片單臂、半橋、全橋電路特性及比較實驗,測量電路為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點。能較好地滿足各種應(yīng)變測量要求，因此在應(yīng)變測量中得到了廣泛的應(yīng)用。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號最小、線性、穩(wěn)定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信號一般都采用雙臂或全橋工作。,實訓(xùn)一應(yīng)變片單臂、半橋、全橋電路特性及比較實驗,實訓(xùn)一應(yīng)變片單臂、半橋、全橋電路特性及比較實驗,三、需用器件與單元：機頭中的應(yīng)變梁、振動臺；主板中的F/V電壓表、4V電源、箔式應(yīng)變片輸出口、電橋、差動放大器、砝碼。,實訓(xùn)一應(yīng)變片單臂、半橋、全橋電路特性及比較實驗,四、需用器件與單元介紹：熟悉需用器件與單元在傳感器箱中機頭與主板的布置位置(參閱以上說明書二、實驗箱組成圖)。1、圖14為主板中的電橋單元。圖中：菱形虛框為無實體的電橋模型(為實驗者組橋參考而設(shè)，無其它實際意義)。R1=R2=R3=350是固定電阻，為組成單臂應(yīng)變和半橋應(yīng)變而配備的其它橋臂電阻。W1電位器、r電阻為電橋直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)，W2電位器、C電容為電橋交流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)。,2、主板中的差動放大器單元。圖中：左圖是原理圖。其中：IC1-1AD620是差動輸入的測量放大器(儀用放大器)；IC1-2為調(diào)零跟隨器。右圖為實驗面板圖。,五、實驗步驟：,1.差動放大器調(diào)零點：按圖示意接線。(放大器輸入為0),將FV表的量程切換開關(guān)切換到2V檔，合上實驗箱主電源開關(guān)，將差動放大器的撥動開關(guān)撥到“開”位置，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉(zhuǎn)到底后再逆向回轉(zhuǎn)半圈，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使電壓表顯示電壓為零。差動放大器的零點調(diào)節(jié)完成，關(guān)閉主電源。,2、應(yīng)變片單臂電橋特性實驗：將主板上傳感器輸出單元中的箔式應(yīng)變片(標有上下箭頭的4片應(yīng)變片中任意一片為工作片)與電橋單元中R1、R2、R3組成電橋電路，電橋的一對角接4V直流電源，另一對角作為電橋的輸出接差動放大器的二輸入端，將W1電位器、r電阻直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)接入電橋中(W1電位器二固定端接電橋的4V電源端、W1的活動端r電阻接電橋的輸出端)，如圖示意接線。,檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)，在機頭上應(yīng)變梁的振動臺無砝碼時調(diào)節(jié)電橋的直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)W1電位器，使電壓表顯示為0或接近0(有小的起始電壓也無所謂，不影響應(yīng)變片特性與實驗)。,在應(yīng)變梁的振動臺中心點上放置一只砝碼(20g只)，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，第一次可以將10只砝碼全部放上，調(diào)整放大器增益開關(guān)至一設(shè)定值，反復(fù)調(diào)整W1電位器和放大器增益開關(guān)至合適值后，固定增益開關(guān)不再調(diào)節(jié)，根據(jù)砝碼數(shù)量的變化，記下實驗數(shù)據(jù)填入表1。,3、應(yīng)變片雙臂電橋特性實驗：將主板上傳感器輸出單元中的箔式應(yīng)變片(標有上下箭頭的4片應(yīng)變片中任意兩片為工作片)與電橋單元中R1、R2組成電橋電路，電橋的一對角接4V直流電源，另一對角作為電橋的輸出接差動放大器的二輸入端，將W1電位器、r電阻直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)接入電橋中(W1電位器二固定端接電橋的4V電源端、W1的活動端r電阻接電橋的輸出端)，如圖示意接線。,檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)，在機頭上應(yīng)變梁的振動臺無砝碼時調(diào)節(jié)電橋的直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)W1電位器，使電壓表顯示為0或接近0(有小的起始電壓也無所謂，不影響應(yīng)變片特性與實驗)。,在應(yīng)變梁的振動臺中心點上放置一只砝碼(20g只)，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，根據(jù)砝碼數(shù)量的變化，記下實驗數(shù)據(jù)填入表1中雙臂電橋的數(shù)據(jù)。3、應(yīng)變片全臂電橋特性實驗：同上兩步驟接線并記錄全橋電路數(shù)據(jù)。,根據(jù)表1數(shù)據(jù)畫出實驗曲線并計算靈敏度SV/W（V輸出電壓變化量，W重量變化量）和非線性誤差(用最小二乘法)，=m/yFS100式中m為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差：yFS滿量程輸出平均值，此處為200g。根據(jù)實驗所得的結(jié)果進行單臂、半橋和全橋輸出的靈敏度和非線性度分析比較（注意：實驗一、二、三中的放大器增益必須相同）。實驗完畢，關(guān)閉電源。,作業(yè),P159三1,4實驗報告1:準備1:傳感器的標定(P151)準備2:電容式傳感器的測量原理,分類和特點(P163)準備3:電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路(上網(wǎng)找)準備4:電容式傳感器的應(yīng)用(差動電容式差壓變送器,上網(wǎng)找),1.利用全橋電路測量橋梁的上下表面應(yīng)變,R1、R3與R2、R4感受到的應(yīng)變絕對值相等、符號相反,R1t=R2t=R3t=R4t,因而應(yīng)變片R1R4產(chǎn)生的電阻增量合并為4倍的R，Rt則相互抵消,2.3.7電阻應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用,2.應(yīng)變式力傳感器制成的電子秤工作示意圖,電子秤中的各種彈性敏感元件,荷重傳感器上應(yīng)變片工作示意圖,荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。,圖2-18荷重傳感器上應(yīng)變片工作示意圖,荷重傳感器原理演示,荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。,應(yīng)變式力傳感器,應(yīng)變式力傳感器,F,F,F,F,各種懸臂梁,F,F,固定點,固定點,電纜,應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置,F,應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）,F,F,汽車衡,電子秤,磅秤,超市打印秤,遠距離顯示,電子天平,電子天平的精度可達十萬分之一,人體秤,吊鉤秤,便攜式,應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手,可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領(lǐng)域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。,電阻應(yīng)變儀,下圖所示的靜態(tài)應(yīng)變儀測量范圍：19999；分辨率：1；電橋電壓：直流2.5V；應(yīng)變片：120或其他阻值；測量點數(shù)：8/16點；,材料應(yīng)變的測量,斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變的測量,返回本章目錄,.,12.1傳感器的靜態(tài)標定和動態(tài)標定,12.1.1標定標定對新研制或生產(chǎn)的傳感器進行全面的技術(shù)檢定稱為標定；校準將傳感器在使用中或存放后進行的性能復(fù)測稱為校準。傳感器的標定是指在明確傳感器的輸出與輸入關(guān)系的前提下，利用某種標準器具對傳感器進行標度。標定的基本方法利用標準儀器產(chǎn)生已知的非電量（如壓力、位移等）作為輸入量，輸入到待標定的傳感器中，然后將傳感器的輸出量與輸入的標準量相比較，獲得一系列校準數(shù)據(jù)或曲線。有時輸入的標準量是利用一個標準傳感器檢測而得，這時的標定實質(zhì)上是待標定傳感器與標準傳感器之間的比較。,.,傳感器的標定系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：,（1）被測非電量的標準發(fā)生器，如活塞式壓力計、測力機、恒溫源等；（2）被測非電量的標準測試系統(tǒng)，如標準壓力傳感器、標準力傳感器、標準溫度計等；（3）待標定傳感器所配接的信號調(diào)節(jié)器、顯示器和記錄器等，其精度是已知的。,.,為了保證各種量值的準確一致，標定應(yīng)按計量部門規(guī)定檢定規(guī)程和管理辦法進行。各種標準量值都有一個傳遞系統(tǒng)，圖12-1給出了力值傳遞系統(tǒng)。按此系統(tǒng)，只能用上一級標準裝置檢定下級傳感器及配套的儀器。如果待定的傳感器精度較高，可以跨級使用更高級的標準裝置。工程測試所用傳感器的標定應(yīng)在與其使用條件相似的環(huán)境下進行。有時為了獲得較高的標定精度，可將傳感器與其配用的電纜、放大器等測試系統(tǒng)一起標定。有些傳感器標定時還應(yīng)注意規(guī)定安裝技術(shù)條件。,圖12-1力值傳遞系統(tǒng),.,12.1.2靜態(tài)標定,靜態(tài)標定是指在靜態(tài)標準條件下，對傳感器的靜態(tài)特性、靜態(tài)靈敏度、非線性、遲滯、重復(fù)性等性能指標的確定。1.靜態(tài)標準條件靜態(tài)標準條件是指沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身是被測量），環(huán)境溫度一般為（205），相對濕度不大于85%，大氣壓力為101.3087.998KPa的情況。,.,2.標準儀器設(shè)備的精度等級的確定,按照國家規(guī)定，各種量值傳遞系統(tǒng)在標定傳感器時所用的標準儀器及設(shè)備至少要比被標定的傳感器的精度高一個等級。只有這樣，通過標定確定的傳感器的靜態(tài)性能才是可靠的，所確定的精度才是可信的。（1）標準器：標準器應(yīng)有足夠的精度，其允許的基本誤差不應(yīng)超過被校傳感器允許基本誤差的1/51/10，并具有計量部門周期檢定的合格證書。（2）電源：按傳感器要求配備，其穩(wěn)定度按傳感器技術(shù)要求確定，一般應(yīng)為被校傳感器精度的1/51/10。（3）讀數(shù)記錄和數(shù)據(jù)處理裝置，要求其精度為被校傳感器精度的1/31/10。對以上三部分設(shè)備的共同要求是：具有合適的測量范圍，性能穩(wěn)定可靠，操作使用方便。,.,3.對被校傳感器的要求,（1）外觀完整，并附有生產(chǎn)廠家按技術(shù)條件所規(guī)定的技術(shù)指標或銘牌，銘牌應(yīng)標明傳感器名稱、制造廠、型號、規(guī)格、出廠編號、出廠年月。（2）傳感器電源輸入線和輸出線應(yīng)有明顯區(qū)別，并給出線路連接圖，標定時應(yīng)同時將與傳感器配套的設(shè)備，電纜一起標定。,.,4.標定過程及步驟,（1）將傳感器全量程（測量范圍）分成若干個等間隔點；（2）按照等間隔點，由小到大逐一輸入標準量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；（3）再由大到小逐一輸入標準量值，同時記錄對應(yīng)的各輸出值；（4）按（2）、（3）所述過程，對傳感器進行正、反行程反復(fù)循環(huán)多次測試，將得到的輸出、輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線；（5）對測試數(shù)據(jù)進行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果，可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標。,.,12.1.3動態(tài)標定,傳感器的動態(tài)標定主要是研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)及與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)。對一階傳感器只有一個時間常數(shù)對二階傳感器則有固有頻率和阻尼比兩個參數(shù)。,.,1.標準儀器設(shè)備的精度等級的確定,對于動態(tài)校準系統(tǒng)，除具備靜態(tài)標定對儀器設(shè)備精度等級要求外，還必須具有足夠的動態(tài)響應(yīng)范圍。一般要求動態(tài)系統(tǒng)的工作頻率范圍應(yīng)大于被校準傳感器的510倍，上升時間應(yīng)小于被校準傳感器上升時間的1/5。如：標準傳感器的精度為0.01%，被校傳感器的精度可在0.03%0.05%之內(nèi)；標準傳感器的精度為：0.1%，被校：0.3%0.5%。,.,2.傳感器進行動態(tài)標定常用的標準激勵源,（1）周期性函數(shù)，如正弦波、三角波等，以正弦波信號為常用；（2）瞬變函數(shù)，如階躍函數(shù)、半正弦波等，以階躍信號為常用。,.,3.標定方法,對被標定傳感器輸入標準激勵信號，測得輸出數(shù)據(jù)，做出輸出值與時間的關(guān)系曲線。由輸出曲線與輸入標準激勵信號比較可以標定傳感器的動態(tài)響應(yīng)時間常數(shù)、幅頻特性及相頻特性等。,2.5.4電容式傳感器測量轉(zhuǎn)換電路,電容式傳感器把被測物理量轉(zhuǎn)換為電容變化后,還要經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路將電容量轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，以便記錄、傳輸、顯示、控制等。常見的電容式傳感器測量轉(zhuǎn)換電路有橋式電路、調(diào)頻電路、運算放大器電路等。,.,2.5電容式傳感器,電容式傳感器是指能將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感元件。電容式傳感器的測量原理框圖如圖2-33所示。,圖2-33電容式傳感器的測量原理框圖,一個平行板電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，則電器的容量,上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？,.,電容式傳感器的分類及特點,特點：電容式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，分辨率高，工作可靠，非接觸測量，并能在高溫、輻射、強烈振動等惡劣條件下工作，易于獲得被測量與電容量變化的線性關(guān)系，可用于力、壓力、壓差、振動、位移、加速度、液位、料位、成分含量等測量。,平板形圓柱形,變間隙式變面積式變介電常數(shù)式,分類,.,電容式傳感器的各種結(jié)構(gòu),圖2-35電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)類型,.,當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。,實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變間隙式電容器的行程較小的缺點。,2.5.1變間隙式電容傳感器,.,變間隙式電容傳感器的特性曲線,從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當d0小些還是大些？當變間隙式電容傳感器的初始極距d0較小時，它的測量范圍變大還是變小？,a）結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關(guān)系1定極板2動極板,.,為了提高測量的靈敏度，減小非線性誤差，實際應(yīng)用時常采用差動式結(jié)構(gòu)。,圖2-38差動式電容器結(jié)構(gòu),輸出靈敏度提高了一倍,.,變極距式電容傳感器特點,起始電容在20100pF之間，只能測量微小位移（微米級，25200um）。d0過小時，電容容易擊穿，可在極板間放置云母片來改善，云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。有了云母片，極板間起始間距可大大減小，傳感器的輸出線性度可得到改善。d0：25200um1，而(1+A)CfCa+Cc+Ci時，放大器輸出電壓可以表示為,其他電荷放大器外形,面板式電荷放大器,壓電傳感器只能應(yīng)用于動態(tài)測量,由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時，靈敏度下降）。,2.4.4壓電式傳感器的應(yīng)用,被測力通過傳力上蓋使壓電陶瓷片受壓力作用而產(chǎn)生電荷。壓電陶瓷片通常采用兩片（或兩片以上）粘結(jié)在一起。這種傳感器主要用于變化頻率不太高的動態(tài)力的測量。,1.壓電式單向測力傳感器,2.壓電式振動加速度傳感器,傳感器的輸出電荷即與被測物體的振動加速度成正比。結(jié)構(gòu)中的彈簧是給壓電晶片施加預(yù)緊力的，預(yù)緊力應(yīng)適中。,.,.,3玻璃破碎報警裝置,采用高分子壓電薄膜振動感應(yīng)片，如圖2-32所示，將其粘貼在玻璃上，當玻璃遭暴力打碎的瞬間，會發(fā)出幾千赫茲甚至更高頻率的振動。壓電薄膜感受到這一振動，并將這一振動轉(zhuǎn)換成電壓信號傳送給報警系統(tǒng)。這種壓電薄膜振動感應(yīng)片透明且小，不易察覺，所以可用于貴重物品、展館、博物館等櫥窗的防盜報警。,圖2-32高分子壓電薄膜振動感應(yīng)片,壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量,壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用,壓電式步態(tài)分析跑臺,壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置,壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力,地震的巨大威力,地震波形,壓電式振動加速度傳感器的,橫向振動測振器,縱向振動測振器,地震是引發(fā)海嘯的主要原因之一。地震中斷層移動導(dǎo)致斷層間產(chǎn)生空洞，當海水填充這個空洞時產(chǎn)生巨大的海水波動。這種海水波動從深海傳至淺海時，海浪陡然升到十幾米高，并以每秒數(shù)百米的速度傳播。海浪沖到岸上后，將造成重大破壞。海嘯預(yù)警系統(tǒng)通過海底的振動壓力傳感器記錄海浪變化的數(shù)據(jù)，并傳送到信息浮標，由信息浮標發(fā)送到氣象衛(wèi)星，再從氣象衛(wèi)星傳送到衛(wèi)星地面站。,海嘯預(yù)警系統(tǒng),.,氣象接收及發(fā)射天線,振動壓力傳感器,6000m海底,浮標,深海地溝,.,作業(yè),準備0:壓電式傳感器測量電路及應(yīng)用準備1:通用量具的種類及應(yīng)用場合準備2:通用量具游標卡尺及使用準備2:通用量具外徑千分尺及使用準備3:電位器式位移傳感器,2.7壓阻式壓力傳感器,壓阻式壓力傳感器的壓力敏感元件是壓阻元件，它是基于壓阻效應(yīng)工作的。壓阻效應(yīng)-半導(dǎo)體材料的受外力或應(yīng)力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。所引起的電阻相對變化為：,半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)是由于在外力作用下，原子點陣排列發(fā)生變化，即晶格間距改變，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度的變化，從而引起電阻率的變化。利用壓阻效應(yīng)制成的壓阻式傳感器，可用于壓力、加速度、重量、應(yīng)變、拉力、流量等參數(shù)的測量。,半導(dǎo)體材料的電阻率,沿某晶向的應(yīng)力,材料的彈性模量,沿某晶向的應(yīng)變,沿某晶向的壓阻系數(shù),圖2-74是壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓阻芯片采用周邊固定的硅杯結(jié)構(gòu)，封裝在外殼內(nèi)。在一塊圓形的單晶硅膜片上，用半導(dǎo)體工藝中的擴散摻雜法做四個等值電阻，兩片位于受壓應(yīng)力區(qū)，另兩個位于受拉應(yīng)力區(qū)，它們組成一個全橋測量電路。硅模片用一個圓形硅杯固定，兩邊有兩個壓力腔，一個和被測壓力相連，為高壓腔，另一個是低壓腔，為參考壓力，通常和大氣相通。當存在壓差時，膜片產(chǎn)生形變，使兩對電阻阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出電壓反映膜片兩邊承受的壓差的大小。,圖2-74壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,壓阻式壓力傳感器的壓力測量實驗,一、實驗?zāi)康模毫私鈹U散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理和標定方法。二、基本原理：擴散硅壓阻式壓力傳感器的工作機理是半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)，在半導(dǎo)體受力變形時會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出多個半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴散出敏感柵）組成電橋。在壓力（壓強）作用下彈性元件產(chǎn)生應(yīng)力，半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜的電阻率產(chǎn)生很大變化，引起電阻的變化，經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換成電壓輸出，則其輸出電壓的變化反映了所受到的壓力變化。,三、需用器件與單元：機頭靜態(tài)位移安裝架、壓阻式壓力傳感器、傳感器輸入插座、引壓膠管、銅三通、手捏氣泵、壓力表；主板中的FV表、+4V直流電源、壓阻輸出口、差動放大器。,四、實驗步驟：1、將壓阻式壓力傳感器安裝在機頭靜態(tài)位移安裝架上，并連接好引壓膠管、壓力表和手捏氣泵等。如圖所示，并松開手捏氣泵的單向閥。,2、在主板上按圖接線（注意：壓阻的電源端VS與輸出端Vo不能接錯），將FV表量程切換開關(guān)切到2V檔。將差動放大器零。,3、鎖緊手捏氣泵的單向閥，仔細地反復(fù)手捏(注意：用力不要過大)氣泵并同時觀察壓力表，壓力上升到3KPa左右時調(diào)節(jié)差動放大器的調(diào)零電位器，使電壓表顯示為相應(yīng)的0.3V左右。再仔細地反復(fù)手捏氣泵壓力上升到19KPa左右時調(diào)節(jié)差動放大器的增益電位器，使電壓表相應(yīng)顯示1.9V左右。4、仔細地慢悠悠松開手捏氣泵的單向閥，使壓力慢慢下降到3KPa時鎖緊氣泵的單向閥，調(diào)節(jié)差動放大器的調(diào)零電位器，使電壓表顯示為相應(yīng)的0.300V。再仔細地反復(fù)手捏氣泵壓力上升到19Kpa時調(diào)節(jié)差動放大器的增益電位器，使電壓表相應(yīng)顯示1.900V。,重復(fù)步驟4過程，直到認為已足夠精度時調(diào)節(jié)手捏氣泵使壓力在319KPa之間變化，每上升2KPa氣壓分別讀取電壓表讀數(shù).6、畫出實驗曲線計算本系統(tǒng)的靈敏度和非線性誤差。,.,準備,準備1：通用量具的種類及應(yīng)用場合使用注意事項（上網(wǎng)找）準備2：游標卡尺原理、讀數(shù)及使用（上網(wǎng)找）準備3：外徑千分尺原理、讀數(shù)及使用（上網(wǎng)找）準備4：自感式傳感器工作原理和測量電路（上網(wǎng)找）準備5：差動變壓器式傳感器工作原理和測量電路（P169）準備6：電感式傳感器的應(yīng)用（上網(wǎng)找）準備7：電渦流式傳感器及其應(yīng)用（P90，上網(wǎng)找）,.,第三章電感式傳感器及應(yīng)用,本章主要介紹自感式傳感器、差動變壓器式傳感器、電渦流式傳感器。掌握電感式傳感器的特點及應(yīng)用、測量轉(zhuǎn)換電路的形式。了解自感式傳感器結(jié)構(gòu)、工作原理；差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、測量電路；電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、測量電路及應(yīng)用。,.,3.1自感式傳感器,先看一個實驗：,將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如圖4-1所示。這時毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。,.,電感傳感器的基本工作原理演示,F,220V,準備工作,.,電感傳感器的基本工作原理演示,氣隙變小，電感變大，電流變小,F,.,電感傳感器的基本工作原理,當鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量L和感抗XL較小，所以電流I較大。當鐵心閉合時，磁阻變小、電感變大，電流減小。,2-50電感式傳感器工作原理框圖,2.6電感式傳感器,電感傳感器的基本原理是電磁感應(yīng)原理。利用電磁感應(yīng)將被測非電量(如壓力、位移等)轉(zhuǎn)換成電感量的變化輸出。（被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量的）。分類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。主要有變氣隙式電感傳感器、差動螺線管式、差動變壓器式、電渦流式電感傳感器等。,電感式傳感器特點,電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈敏度高、分辨率大，能測出0.1微米甚至更小的機械位移變化，測量精度高，線性度好，可以把輸入的各種機械物理量如位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電量輸出，在工程實踐中應(yīng)用十分廣泛。但電感式傳感器自身頻響低，不適于快速動態(tài)測量。本節(jié)主要介紹自感式、互感式電感式和電渦流式3種傳感器,2.6.1自感式傳感器（也稱變磁阻式電感傳感器）,自感式傳感器種類繁多，常見的有變隙式、變截面式、螺線管式及差動式4種。用來測量位移，主要由線圈、鐵心、銜鐵等組成。,1.自感式傳感器的工作原理,自感式傳感器是利用自感量隨氣隙而改變的原理制成的，圖2-52是最簡單的自感傳感器。當銜鐵受到外力而產(chǎn)生位移時，磁路中氣隙的磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈的電感變化，這種電感量的變化與銜鐵位置相對應(yīng)。因此，只要能測出電感量的變化，就能判定銜鐵位移量的大小，這就是自感式傳感器的基本工作原理。,圖2-52閉磁路式自感傳感器結(jié)構(gòu),根據(jù)磁路的基本知識，線圈的自感為:,因為氣隙厚度較小，可以認為氣隙磁場是均勻的，則磁路中的總磁阻為鐵心磁阻、銜鐵磁阻和空氣隙磁阻之和。,由于導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率遠遠大于空氣的導(dǎo)磁率，所以鐵心磁阻、銜鐵磁阻遠遠小于空氣隙磁阻,圖2-52閉磁路式自感傳感器結(jié)構(gòu),圖2-53變氣隙式電感傳感器輸出特性曲線,所以，鐵芯磁阻、銜鐵磁阻遠遠小于空氣隙磁阻,所以,電感的相對變化量為,當銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小時，線圈電感量變,當銜鐵受到外力的作用，使氣隙變大時，電感的相對變化量為,當,為了減小非線性，氣隙的相對變化量要很小，該類傳感器只適于微小位移的測量，即max1/50為了減小非線性誤差，提高測量靈敏度，常采用差動測量技術(shù)。,銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置，使兩個磁回路中的磁阻發(fā)生大小相等、符號相反的變化，導(dǎo)致一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量則減小，形成差動形式。,假設(shè)當銜鐵往上移動時，則兩個線圈的總的電感變化量為,差動電感式傳感器,圖2-54差動式電感傳感器,電感的相對變化量,差動式輸出是單線圈輸出的兩倍，減小了非線性誤差，提高了測量精度,自感式傳感器實現(xiàn)了將被測非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼辛康淖兓?。還需要測量轉(zhuǎn)換電路將電感量的變化轉(zhuǎn)換為容易測量的電壓或電流信號。常用的測量轉(zhuǎn)換電路有橋式測量電路、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路，在自感式傳感器中，用得較多的是橋式測量電路和調(diào)幅電路。,2.自感式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路,圖2-55交流電橋測量電路,1.交流電橋測量電路交流電橋是電感式傳感器的主要測量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。前面已提到差動式結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。圖2-55是交流電橋測量電路，通常將傳感器作為電橋的兩個工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的二次側(cè)繞組。,交流電橋,當銜鐵受力而發(fā)生移動時，其中一個線圈電感量增加，另一個減小，變化量大小相等，方向相反，設(shè),一般很高，即,交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對變化量是成正比的，與氣隙的變化量成正比,傳感器阻抗,單個線圈銅電阻,電感傳感器的品質(zhì)因數(shù),圖2-55交流電橋測量電路,電橋的輸出,電橋的輸出,左圖所示為變壓器電橋電路。相鄰兩工作臂Z1、Z2是差動電感傳感器的兩個線圈阻抗。另兩臂為變壓器的次級繞組,當銜鐵處于中間位置時,由于線圈完全對稱,因此L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0,電橋橋路平衡,輸出電壓U0=0,（2）變壓器式交流電橋,當銜鐵上、下移時,圖2-56變壓器式交流電橋,當負載阻抗為無窮大時，橋路輸出電壓為,輸出電壓,2.6.2互感式電感傳感器差動變壓器式傳感器,互感傳感器本身就是變壓器，有一次繞組和二次繞組。一次側(cè)接入激勵電源后，二次側(cè)將因互感而產(chǎn)生電壓輸出。當繞組間互感隨被測量變化時，輸出電壓將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。這種傳感器二次繞組一般有兩個，接線方式又是差動的，故又稱為差動變壓器。,當活動銜鐵處于初始平衡位置時，必然會使兩二次繞組磁回路的磁阻相等，磁通相同，互感系數(shù)M1=M2，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，由于兩二次繞組反向串聯(lián)，因而差動變壓器輸出電壓為零。,工作原理,圖2-58螺線管式差動變壓器原理圖,中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,二次繞組,當活動銜鐵向二次繞組N21方向（向上）移動時,當活動銜鐵向二次繞組N22方向（向下）移動時,一次繞組激勵電流,正負號表示輸出電壓與激勵電壓同相或反相。,差動變壓器輸出電壓為：,設(shè),零點殘余電壓,應(yīng)該指出的是，當銜鐵處于初始平衡位置時，變壓器的輸出并不等于零，而是有一個很小的電壓輸出，如圖所示，這個輸出稱為零點殘余電壓。這主要是因為差動變壓器的兩個次級線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸的不對稱造成的。另外導(dǎo)磁材料存在鐵損、不均質(zhì)，初級線圈有銅損耗電阻，線圈間存在寄生電容，這均使差動變壓器輸入電流與磁通不同相?？刹捎锰岣呒庸すに嚲龋约巴怆娐费a償法來減小零點殘余電壓。,差動變壓器輸出特性曲線,反串聯(lián)電路直接把兩個二次線圈反向串接,橋路,R1、R2是橋臂電阻，RP是供調(diào)零用的電位器,2.測量電路,當不考慮電位器,時，設(shè),則輸出電壓為：,電橋輸出是差動變壓器輸出的1/2，但其優(yōu)點是可利用調(diào)零電位器RP進行調(diào)零，不再需要另配調(diào)零電路。但由于差動變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表直接測量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動方向,差動整流電路,為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電壓的目的，實際測量時，常采用差動整流電路和相敏檢波電路，這種電路是把差動變壓器的兩個二次繞組的輸出電壓分別整流，然后將整流電壓或電流的差值作為輸出，再經(jīng)濾波放大電路，輸出直流電壓。圖中的RP是調(diào)零電位器。差動變壓器式傳感器特點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量精度高、性能可靠、測量范圍寬，可以測量1100mm的機械位移。,.,準備,準備1：電感式傳感器的應(yīng)用（上網(wǎng)找）準備2：電渦流式傳感器及其應(yīng)用（P90，上網(wǎng)找）準備3：接近開關(guān)的特點和特性（P88)準備4：霍爾元件原理（P92）準備5：霍爾集成電路（P93）準備6：霍爾傳感器的應(yīng)用（上網(wǎng)找）,2.6.3電感式傳感器的應(yīng)用,電感傳感器不僅可以直接測量位移的變化，也可以測量與位移有關(guān)的任何機械量，如振動、加速度、應(yīng)變、壓力、張力、比重、厚度等參數(shù)。1.振動與加速度測量圖2-62所示為測量加速度的差動變壓器原理圖，傳感器由懸臂梁和差動變壓器構(gòu)成。懸臂梁起支撐與動平衡作用。測量時，將銜鐵與被測振動體相連，其它部位固定。當被測體發(fā)生振動時，銜鐵隨著一起振動，從而使差動變壓器的輸出電壓發(fā)生變化，輸出電壓的大小及頻率與振動物體的振幅與頻率有關(guān)。應(yīng)該指出的是，用于測量振動物體的頻率與振幅時，激勵頻率必須是振動頻率的十倍，這樣測量結(jié)果才精確。一般可測振動物體的振幅為0.10.5mm，振動頻率一般為0150Hz。,圖2-62差動變壓器測量加速度的原理圖,2壓力測量,如圖2-63差動壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。它是用于測量