传感器与号检测技术课件(共8章)第3章力学量传感器

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1、第3章 力学量传感器3.0基本概念基本概念3.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器3.2压电式传感器压电式传感器3.3电容式传感器电容式传感器3.4电感式传感器电感式传感器第第3章章 力学量传感器力学量传感器返返 回回 主主 目目 录录第3章 力学量传感器3.0 基本概念基本概念第3章 力学量传感器一、应力、应变一、应力、应变应力：元件内力与截面比N/S应变：产生的形变，单位长度的形变。拉压虎克定理：拉压虎克定理：弹性模量E=为常量。是测力的理论基础。即与成正比=E,若知道了，就可求出应力。这样测力就变成了测形变（应变）。测力原理测力原理：力弹性元件应力、应变应变片电信号输出二、压力二、压力压力

2、是重要的工业参数之一,正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。第3章 力学量传感器压力有几种不同表示方法(1)绝对压力指作用于物体表面积上的全部压力,其零点以绝对真空为基准,又称总压力或全压力,一般用大写符号P表示(2)大气压力指地球表面上的空气柱重量所产生的压力,以P0表示。(3)表压力绝对压力与大气压力之差,一般用p表示。测压仪表一般指示的压力都是表压力,表压力又称相对压力。当绝对压力小于大气压力,则表压力为负压,负压又可用真空度表示,负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟道气的压力均是负压。第3章 力学量传感器(4)

3、差压任意两个压力之差称为差压。如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小知道液位和流体流量的大小。测量压力的传感器很多,如应变式、电容式、差动变压器、霍尔、压电等传感器等都能用来测量压力。下面介绍几种工程上常用的测压传感器或测压仪表。二液柱式压力计二液柱式压力计液柱式压力计是以流体静力学原理来测量压力的。它们一般采用水银或水为工作液,用U型管或单管进行测量,常用于低压、负压或压力差的测量。第3章 力学量传感器图11-24所示的U形管内装有一定数量的液体,U形管一侧通压力p1,另一侧通压力p2。当p1=p2时,左右两管的液体高度相等。当p15的小曲率圆环,可用式（3-50）及式（3-51

4、）计算出A、B两点的应变。式中:h圆环厚度;b圆环宽度;E材料弹性模量。这样,测出A、B处的应变,即可确定载荷F。第3章 力学量传感器由图3-10（b）的应力分布可以看出,R2应变片所在位置应变为零。故R2应变片起温度补偿作用。二、二、 应变式压力传感器应变式压力传感器应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力变化#,枪管及炮管内部的压力、内燃机管道压力等。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。图3-11所示为膜片式压力传感器,应变片贴在膜片内壁,在压力p作用下,膜片产生径向应变r和切向应变t,表达式分别为:第3章 力

5、学量传感器第3章 力学量传感器式中:p膜片上均匀分布的压力;R,h膜片的半径和厚度;x离圆心的径向距离。由应力分布图可知,膜片弹性元件承受压力p时,其应变变化曲线的特点为:当x=0时,rmax=tmax；当x=R时,t=0,r=-2rmax。第3章 力学量传感器根据以上特点,一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片,在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片,然后接成全桥测量电路。三、三、 应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器图3-12是插入式测量容器内液体重量传感器示意图。该传感器有一根传压杆,上端安装微压传感器,为了提高灵敏度,共安装了两只;下端安装感压膜,感压膜感受上面

6、液体的压力。当容器中溶液增多时,感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路,则输出电压为第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器将上两式联立,得到容器内感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系式为Uo=(A1-A2)QD（3-56）上式表明,电桥输出电压与柱形容器内感压膜上面溶液的重量呈线性关系,因此用此种方法可以测量容器内储存的溶液重量。第3章 力学量传感器3.2.1压电效应及压电材料压电效应及压电材料3.2.2压电压电传感器测量电路传感器测量电路3.2.3压压电式传感器的应用电式传感器的应用 3.2 压电式传感器压电式传感器返回主目录第3章 力学量传感器3

7、.2 压电式传感器压电式传感器压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应,是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小#,重量轻#,工作频带宽等特点,因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量,以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。第3章 力学量传感器3.2.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷,当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。有

8、时人们把这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。相反,当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生变形,这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料能实现机电能量的相互转换,如图6-1所示。第3章 力学量传感器在自然界中大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。第3章 力学量传感器压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要特性参数有:（1）压电常数压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出的灵敏度。（2）弹性常数压电材料的弹性常数、刚

9、度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数对于一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关;而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。（4）机械耦合系数在压电效应中,其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根;它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。第3章 力学量传感器（5）电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。一、一、 石英晶体石英晶体石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。图6-2（a）表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同

10、的。其中纵向轴z称为光轴,经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴,与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,而把沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向受力时不产生压电效应。第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器若从晶体上沿y方向切下一块如图6-2（c）所示晶片,当在电轴方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为qx=d11fx(6-1)式中:d11x方向受力的压电系数;fx作用力。若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生

11、电荷qy,其大小为qy=d12fy（6-2）式中:d12y轴方向受力的压电系数,d12=-d11;a、b晶体切片长度和厚度。第3章 力学量传感器电荷qx和qy的符号由所受力的性质决定。石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图6-3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。图中“”代表Si4+离子,“”代表氧离子O2-。当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图6-3（a）所示。第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器因为P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间

12、距离。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。如图6-3（b）所示,此时正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零, 即（P1+P2+P3）x0。在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。第3章 力学量传感器当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图6-3（c）所示,与图6-3（b）情况相似,P1增大,P2、P3减小。在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负

13、电荷。在y轴方向上不出现电荷。如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。当作用力fx、fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。第3章 力学量传感器二、二、 压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。如图6-4（a）所示。在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生

14、转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化,当陶瓷材料受到外力作用时,电畴的界限发生移动,电畴发生偏转,从而引起剩余极化强度的变化,因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应,将机械能转变为电能的现象,就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量

15、的大小与外力成正比关系:q=d33F(6-3)式中:d33压电陶瓷的压电系数;F作用力。第3章 力学量传感器压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多,所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关,它的参数也随时间变化,从而使其压电特性减弱。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍,但使用温度较低,最高只有70,温度稳定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）,它 是 钛 酸 钡 （ BaTiO3)和 锆 酸 铅 （ PbZ

16、rO3） 组 成 的Pb（ZrTi）O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。第3章 力学量传感器铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅(Pb（MgNb）O3)、锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷,具有极高的压电系数和较高的工作温度,而且能承受较高的压力。第3章 力学量传感器3.2.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路一、一、 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一

17、种介质,则其电容量为Ca=(6-4)式中:A压电片的面积;d压电片的厚度;r压电材料的相对介电常数。第3章 力学量传感器因此,压电传感器可以等效为一个与电容相并联的电压源。如图6-5（a）所示,电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为Ua=(6-5)压电传感器也可以等效为一个电荷源。如图6-5（b）所示。压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接,因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc,放大器的输入电Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra,这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路,如图6-6所示。第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器二、二、 压电

18、式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路压电传感器本身的内阻抗很高,而输出能量较小,因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为:一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗;二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号,也可以是电荷信号,因此前置放大器也有两种形式:电压放大器和电荷放大器。1.电压放大器（阻抗变换器）图6-7（a）、（b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。第3章 力学量传感器在图6 - 7（b）中, 电阻R = RaRi/(Ra+Ri), 电容C =Ca+Cc+Ci,而ua=q/Ca,若压电元件受正弦力f=Fmsint的作用,则其电压为第3章 力

19、学量传感器式中:Um压电元件输出电压幅值Um=dFm/Ca;d压电系数。由此可得放大器输入端电压Ui,其复数形式为的幅值为第3章 力学量传感器输入电压和作用力之间相位差为在理想情况下,传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大,即（Ca+Cc+Ci）R1,那么由式（6-8）可知,理想情况下输入电压幅值Uim为式（6-10）表明前置放大器输入电压Uim与频率无关。一般认为/03时,就可以认为Uim与无关,0表示测量电路时间常数之倒数,即0=1/R（Ca+Cc+Ci）。第3章 力学量传感器这表明压电传感器有很好的高频响应,但是,当作用于压电元件力为静态力（=0）时,则前置放大器的输入电压

20、等于零,因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉,所以压电传感器不能用于静态力测量。当R（Ca+Cc+Ci）1时,放大器输入电压Uim如式（6-10）所示。式中Cc为连接电缆电容,当电缆长度改变时,Cc也将改变,因而Uim也随之变化。因此,压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换,否则将引入测量误差。2. 电荷放大器电荷放大器电荷放大器常作为压电传感器的输入电路,由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成,当略去Ra和Ri并联电阻后,电荷放大器可用图6-8所示等效电路,第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器图中A为运算放大器增益。由于运算放大器输入阻抗极高,放大器输入端几乎没有

21、分流,其输出电压Uo为UoUCf=式中:Uo放大器输出电压;UCf反馈电容两端电压。由运算放大器基本特性,可求出电荷放大器的输出电压+（1+A）Cf第3章 力学量传感器通常A=104106,因此若满足Ca+c+CiC2时,则1=R1C12=R2C2。由于充放电时间常数变化,使电路中各点电压波形产生相应改变。如图5-13（b）所示,此时uA、uB脉冲宽度不再相等,一个周期（T1+T2）时间内其平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波器滤波后,可获得输出第3章 力学量传感器式中:U1触发器输出高电平;T1、T2C1、C2充放电至Ur所需时间。由电路知识可知:T1=R1C1ln（5-35）T2=（5

22、-36）将T1、T2代入式（5-34）,得第3章 力学量传感器把平行板电容的公式代入式（5-37）,在变极板距离的情况下可得式（5-38）中d1、d2分别为C1、C2极板间距离。当差动电容C1=C2=C0,即d1=d2=d0时,uAB=0;若C1C2,设C1C2,即d1=d0-d,d2=d0+d,则同样,在变面积电容传感器中,则有第3章 力学量传感器由此可见,差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器,并具有线性特性,且转换效率高,经过低通放大器就有较大的直流输出,且调宽频率的变化对输出没有影响。第3章 力学量传感器3.3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用一、一、

23、电容式压力传感器电容式压力传感器图5-14所示为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时,形成的两个电容器的电容量,一个增大,一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器二、二、 电容式加速度传感器电容式加速度传感器图5-15所示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可动极板（与壳体电连接）。当传感器壳体随被测对象在垂直

24、方向上作直线加速运动时,质量块在惯性空间中相对静止,而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化,一个增加,一个减小,从而使C1、C2产生大小相等#,符号相反的增量,此增量正比于被测加速度。电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大,大多采用空气或其它气体作阻尼物质。第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器三、三、 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器图5-16所示为频率型差动式电容测厚传感器系统组成框图。将被测电容C1、C2作为各变换振荡器的回路电容,振荡器的其它参数为固定值,等效电路如图5-16（b）所示,图中C0为耦合和

25、寄生电容,振荡频率f为第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器式中:r极板间介质的相对介电常数;A极板面积;dx极板间距离;Cx待测电容器的电容量。所以第3章 力学量传感器设两传感器极板间距离固定为d0,若在同一时间分别测得上、下极板与金属板材上、下表面距离为dx1、dx2,则被测金属板材厚度=d0-(dx1+dx2)。由此可见,振荡频率包含了电容传感器的间距dx的信息。各频率值通过取样计数器获得数字量,然后由微机进行处理以消除非线性频率变换产生的误差,即可获得板材厚度。四、四、 电容式料位传感器电容式料位传感器图5-17是电容式料位传感器结构示意图。测定电极安装在罐的顶部,这样在罐壁和测定电

26、极之间就形成了一个电容器。第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器当罐内放入被测物料时,由于被测物料介电常数的影响,传感器的电容量将发生变化,电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关,且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。传感器的静电电容可由下式表示:式中:k比例常数;s被测物料的相对介电常数;0空气的相对介电常数;第3章 力学量传感器D储罐的内径;d测定电极的直径;h被测物料的高度。假定罐内没有物料时的传感器静电电容为C0,放入物料后传感器静电电容为C1,则两者电容差为C=C1-C0（5-47）由式（5-46）可见,两种介质常数差别越大,极径D与d相差愈小,传感器灵敏

27、度就愈高。第3章 力学量传感器3.4 电电 感感 式式 传传 感感 器器利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为电感式传感器电感式传感器具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用。电感式传感器种类很多,本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。第3章 力学量传感器3.4.1 变磁阻式传感

28、器变磁阻式传感器一、一、 工作原理工作原理变磁阻式传感器的结构如图4-1所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成,在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定:第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器L=(4-1）式中:线圈总磁链;I通过线圈的电流;w线圈的匝数;穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律,得第3章 力学量传感器式中:Rm磁路总磁阻。对于变隙式传感器

29、,因为气隙很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为Rm=(4-3)式中:1铁芯材料的导磁率;2衔铁材料的导磁率;L1磁通通过铁芯的长度;L2磁通通过衔铁的长度;S1铁芯的截面积;S2衔铁的截面积;0空气的导磁率;第3章 力学量传感器S0气隙的截面积;气隙的厚度。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即则式(4-3）可近似为Rm=联立式(4-1）#,式(4-2）及式(4-5）,可得第3章 力学量传感器(4-6）上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变或S0均可导致电感变化,因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积0的传感

30、器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。二、二、 输出特性输出特性设电感传感器初始气隙为0,初始电感量为L0,衔铁位移引起的气隙变化量为,从式(4-6）可知L与之间是非线性关系,特性曲线如图(4-2）表示,初始电感量为第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器当衔铁上移时,传感器气隙减小,即=0-,则此时输出电感为L=L0+L,代入式(4-6）式并整理,得当/01时,可将上式用台劳级数展开成级数形式为L=L0+L=由上式可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式,即第3章 力学量传感器当衔铁上移时,传感器气隙减小,即=0-,则此时输出电感为L=L0+L,代入式(4-6）式并整理,得第3章 力学

31、量传感器对式(4-11）、(4-13）作线性处理，忽略高次项,可得灵敏度为(4-15）由此可见,变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。第3章 力学量传感器图4-3所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。由图可知,差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈、和磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连,当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等#,方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式

32、。当衔铁往上移动时,两个线圈的电感变化量L1、L2分别由式（4-10）及式（4-12）表示,当差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与L有关,其具体表达式为L=L1+L2第3章 力学量传感器对上式进行线性处理，忽略高次项得灵敏度K0为比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到如下结论:差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。第3章 力学量传感器差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（/0）因子,因为（/0）1,所以,差动式的线性度得到明显改善。为了使输出特性能得到有效改善,构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致

33、。三、三、 测量电路测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。第3章 力学量传感器1. 交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路图4-4所示为交流电桥测量电路,把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替,对于高Q值（Q=L/R）的差动式电感传感器,其输出电压式中:L0衔铁在中间位置时单个线圈的电感;L单线圈电感的变化量。将L=L0（/0）代入式(4-19）得（/0）,电桥输出电压与有关。第3章 力学量传感器2. 变压器式交流电桥变压器式交流电桥变压器式交流电桥测量电路如图4-5所示,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,另外两桥

34、臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压当传感器的衔铁处于中间位置,即Z1=Z2=Z时有=0,电桥平衡。当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此时第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器当传感器衔铁下移时,则Z1=Z-Z,Z2=Z+Z,此时从式(4-21）及式(4-22）可知,衔铁上下移动相同距离时,输出电压的大小相等,但方向相反,由于是交流电压,输出指示无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决。3. 谐振式测量电路谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电路如图4-6所示,谐振式调频电路如图4-7所示。第3章 力学量传感器第3章 力学量传感

35、器在调幅电路中,传感器电感L与电容C#,变压器原边串联在一起,接入交流电源,变压器副边将有电压输出,输出电压的频率与电源频率相同,而幅值随着电感L而变化,图4-6（b）所示为输出电压与电感L的关系曲线,其中L0为谐振点的电感值,此电路灵敏度很高,但线性差,适用于线性要求不高的场合。调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中,其振荡频率f=1/2（LC）1/2。当L变化时,振荡频率随之变化,根据f的大小即可测出被测量的值。图4-（b）表示f与L的特性,它具有明显的非线性关系。第3章 力学量传感器四、四、 变磁阻式传感器的应用变磁阻

36、式传感器的应用图4-8所示是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成,衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时,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。于是衔铁也发生移动,从而使气隙发生变化,流过线圈的电流也发生相应的变化,电流表指示值就反映了被测压力的大小。图4-9所示为变隙式差动电感压力传感器。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器第3章 力学量传感器当被测压力进入C形弹簧管时,C形弹簧管产生变形,其自由端发生位移,带动与自由端连接成一体的衔铁运动,使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化,即一个电感量增大,另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系,所以只要用检测仪表测量出输出电压,即可得知被测压力的大小。第3章 力学量传感器3.4.2压力传感器的接口电路图3-73高精度压力传感器接口电路第3章 力学量传感器图3-74仪用放大器的接口电路第3章 力学量传感器本章习题P1901，3，7，9，11