第四章 差动变压器式位移传感器
4-1 差动变压器式位移传感器工作原理
差动变压式传感器的结构如同一个变压器, 由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。初级线圈作为差动变压器激励用, 相当于变压器的原边；次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成,相当于变压器的副边。差动变压器为开磁路, 工作建立在互感基础上。在初级线圈接入正弦交流激励电源（有效值为U1）时, 次级线圈即感应出电动势, 输出电压为U2, 螺旋测微头与铁芯相连, 其移动引起铁芯的移动, 从而引起线圈互感系数的变化, 此时的输出电压随之作相应的变化。其结构及工作原理如图4-1所示。
传感器输出电压和铁芯位移的理论关系为:
U2?(3N2/h2N1)[(l12?h12?4x2)/(3l12?2h1l2?12x2)]U1x (4-1)
式中：U1、U2分别为激励电源电压、空载输出电压有效值；N1、N2分别是一次、二次线圈的匝数；h1、h2分别为一次、二次线圈高度；l1为磁芯长度；x为铁芯偏离中心位置的距离。在恒压源U1供电的情况下, 分子分母均含有x项, 在误差范围内可近似认为对传感器线性度影响很小。所以，可设
2k1?(3N2/h2N1)[(l12?h12?4x2)/(3l12?2h1l2?12x2)]，则有：
图4-1 差动变压式传感器的结构
U2?k1U1x (4-2)
设传感器灵敏度系数k?k1U1，则有：
U2?kx (4-3)
在给定传感器后N2、h2、N1、h1、l1为定值, 在误差允许范围内，k1可认为是常数, 通过标定获得, 因此，在U1恒定时可以认为k也是常数, 即输出电压与铁芯的位移成线性关系。
由于差动式传感器的输出电压与铁芯的位移成线性关系, 所以可以搭建一定的测量电路系统, 对电压值进行精确测量, 再由已标定的差动变压式传感器的输人输出量之间关系,
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即可精确地测出铁芯移动的微小位移。
测量系统的总体框图如图4-2所示。音频震荡器的信号接人差动变压器的初级线圈,次级线圈的输出信号经零残电压补偿及信号放大电路后作为相敏检波器的输人信号, 相敏检波器的输出信号经低通滤波后用数字电压表显示, 其值应与铁芯的位移成线性正比。 图4-2 测量系统总体框图
4-2 设计用传感器介绍
本次设计采用合肥高创传感器有限公司的W-ACD100型传感器。 特点:
● 精度等级：0.2%； ● 测量范围：100mm；
● 供电电压：AC5V；1KHz；
图4-3 传感器测头
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技术参数 上 行 距离(mm) 实测值(mV) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 时间 开机特性测试记录 -4937 -3958 -2969 -1973 -979 0 981 1975 2969 3958 4939 线性度测试记录 距离(mm) 检验仪器 检验仪表 检 验 条 件 电源型号 供电电压 负载电阻 实测值(mV) 测量仪 数字表 AC5V;1KHz 下 行 理论值(mV) 误差(mV) 理论值(mV) 误差(mV) -4938 -3950 -2963 -1975 -988 0 988 1975 2963 3950 4938 8(0.08%) 输出 温度 备注： 红线，黑线：初级 蓝线，绿线：次级1 黄线，白线：次级2 表格中给出的测试记录在如下条件获得： 1.初级供电电压：正弦波5V；1kHz 2.两组次级经如下电路处理：检波、相减、滤波、放大 3.拉杆在拉出时的起始位置设定距离为零 4-3 任务与要求
1． 设计电源模块和低频振荡电路； 2． 设计电桥，放大和检波电路；
3．用测试台架标定，0~100mm时对应输出为±5V；
4．位移特性测试：将传感器安装在测试台架上，驱动工作台，测量相敏检波电路的输出值，记录工作台的位移量，考核非线性；
5. 电源波动测试：改变振荡器的幅值或频率，观察传感器输出信号的变化情况。
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第五章 压电式测速传感器
5-1 压电式力传感器工作原理
压电传感器是利用压电陶瓷片的压电效应，将应力(或应变)转换成电压(或电荷), 再通过放大器进行放大和输出的装置。压电陶瓷片是其中的关键部件, 从信号变换角度来看, 压电陶瓷片相当于一个电荷发生器(q)。 压电传感器是由将外界力传递到压电陶瓷片的力学系统、压电陶瓷片和将电荷传递到仪表的测量电路三部分构成。
压电式力传感器的力学模型如图5-1 所示。 图5-1 压电式力传感器的力学模型
图中，F 是作用在传感器上的力（待测力），m 是压电转换元件上的等效质量, k 是等效刚度系数，c为等效阻尼系数，x 为m 相对于基座的位移。在F作用下，压电晶体产生的电荷量为：
Q = dij F (5-1) 即传感器输出的电荷量与被测力F 成正比,通过适当的测量系统测出传感器的电荷量,也就实现了对力参量的测量。
利用压电陶瓷元件制成三维传感器,其结构如图5-2 所示. 每个三维力传感器单元由3 个压电元件粘贴在一块IC 基板上组成,3 个单元分别测量垂直力以及前向和侧向剪切力,3 个部分是由同一材料、同一工艺制成而极化处理不同的压电陶瓷元件。 陶瓷片I 的极化方向为垂直方向,用以测量垂直力；陶瓷片Ⅱ、Ⅲ极化方向为水平方向,分别用以测量前向与侧向的剪切力,如图5-3 所示。
图5-2 传感器结构简图
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图5-3 传感器测量原理图
从图3 中可以看出,利用压电陶瓷检测原理，沿图示方向施以压力(剪力) ,能够产生与力成正比的电荷及电压。
5-2 设计用传感器介绍
本次设计采用北京航轩科技发展有限公司电荷变换器及其传感器YFF-3。 特点：
BZ2107电荷变换器是一种简易的小型电荷放大器，它与其他型号电荷放大器比具有体积小，携带方便，抗干扰能力强的特点。
主要技术指标：
1. 最大输入电荷量：10000pc
2. 输出电压量：05V
3. 通频带宽：0.3Hz5kHz（-3dB±1dB）
4. 失真度：<1% 5. 输出噪声：<1mV
6. 供电电压：直流+5V（电源输入端两条线，带白色条状线的为+5V，全黑线为零线） 7. 工作温度：-10℃+50℃ 8. 工作温度：<85%RH（无冷却）
使用方法： 先将测量传感器接入电荷变换器输入端，电荷变换器输出端接指示器，然后开启电源预热15分钟，方可进行测量。正常测量使用时，传感器的满量程对应电荷变换器的最大量程，即如果使用3T传感器连接电荷变换器测量时，指示器显示输出3V电压，那此时测量到的力即是1.8T，依次类推。（如图5-4）所示
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