8. 金属应变片与半导体应变片在工作机理上有何异同? 金属应变片 半导体应变片 异 基于应变效应 基于压阻效应 同 第三章 变电抗式传感器原理与应用
电感式传感器
1. 有哪三种自感式传感器？变气隙式自感传感器、变面积式自感传感器、螺线管式自感传感器
2. 自感式传感器的测量电路（看图分析测量电路）。 调幅电路 相敏检波电路 谐振式调幅电路 衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+ΔZ增加，则Z2=Z-ΔZ减少。 当电源u上端为正，下端为负时，R1上的压降大于R2上的压降；电压表输出上端为负，下端为正。 当电源u上端为负，下端为正时，R2 上压降则大于R1上的压降，电压表电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，输出上端为正，下端为负。另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。 开路时，桥路输出电压： 工作原理：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。 谐振式调幅电路，L0:谐振点的电感值 特点：敏感度高，非线性差 ??Uo?Z?ZZ2?1?U1U?U??2Z1?Z222Z2?Z1 非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 当传感器的衔铁处于中间位置，即(a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路 Z1=Z2=Z时有，U ? o ? 0 电桥平衡。 当传感器衔铁上移时， Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ ????U?Z2?Z1＝U?(Z??Z)?(Z??Z)Uo2Z2?Z12(Z??Z)?(Z??Z)??ZU???2Z使用相敏整流，输出电压U0不仅能当传感器衔铁下移时， Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ ???U??ZUo2Z ?由于U是交流电压，输出指示无法判反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响。 断位移方向，后续电路中配置相敏检波电路来解决。 3. 差动变压器的零点残余电压及其减小此电压的方法。 产生原因 （1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。 （2）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。 （3）励磁电压波形中含有高次谐波。 危害 （1）使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。 （2）零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。 减小措施 （1）提高框架和线圈的对称性，特别是两个二次线圈对称。 （2）采用适当的测量电路，一般可采用在放大电路前加相敏整流器。 （3）在电路上进行补偿，使零点残余电压最小，接近于零。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。 4. 差动整流电路和相敏检波电路原理及其作用。（看图进行电路的推导和说明） 差动整流电路 相敏检波电路 差动整流电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。 电压输出型 全波整流电路 图中调制电压er和es同频，经过移相器使er和es保持同相或反相，且满足er>>es，调节电位器R可调平衡。图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。 电路工作原理： （1）当差动变压器铁芯在中间位置时，es=0，只有er起作用。设此时er为正半周，即A为“+”，B为“－”，则D1、D2导通，D3、D4截止，流过R1、R2上的电流 分别为i1,、i2，其电压降UCB及UDB大小相等方向相全波差动整流电路U0=Udc+Ugh=Ugh-Ucd 反，故输出电压UCD=0。当er为负半周时，A为“-”，B为“+”，此时D3、D4导通，D1、D2截止，流过，R1、R2的电流分别为i3、i4，其电压降UBC与UBD大小相等方向相反，故输出电压UCD=0。 （2）若铁芯上移es和er同位相，由于es>>er，故er正半周时D1、D2仍导通，D3、D4截止，但D1回路内总电势为er+es/2，而D2回路为er－es/2，故回路电流i1>i2，输出电压UCD=R0(i1-i2)>0。当er为负半周时，D3、D4导通、D1、D2截止，此时D3同路内总电势为er－es/2，D4回路内总电势为er+es/2，所以回路电流i4>i3，故输出电压UCD＝R0(i4-i3)>0因此，铁芯上移时，输出电压UCD>0。 电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，（3）当铁芯下移时，es和er相位相反。同理可得UCD<0。 所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电由此可见，相敏检波电路能判别铁芯移动方向，而且，压的幅值），还可以反映位移的方向。 移动位移的大小决定输出电压UCD的高低。 5. 比较差动式自感传感器和差动变压器在结构上及工作原理上的异同之处。 差动式自感传感器 差动变压器 结构 三组线圈 两组线圈 工作原理 将被测量的变化转化为电感线圈的电感值把被测量的变化转换为传感器互感的变化变化 传感器本身是互感系数可变的变压器 相同点 工作原理都是建立在电磁感应的基础上，都可以分为变气隙式、变面积式和螺旋式等 6. 什么叫电涡流效应？说明电涡流式传感器的基本结构与工作原理。 定义 根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中切割磁力线运动时，通过导体的磁通将发生变化，产生感应电动势，该电动势在导体表面形成电流并自行 基本结构 闭合，状似水中的涡流，称为电涡流。 高频反射式涡流传感器 低频透射式涡流传感器 工作原理 一个通以交变电流的传感器线圈，由于电流的存在，感应电动势E的大小间接反映了线圈周围就产生一个交变磁场H1。若被测导体置于该M的厚度t 磁场范围内，导体内便产生电涡流，也将产生一个新 磁场H2 , H2与H1方向相反，力图削弱原磁场H1,从而导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 7. 电涡流传感器的应用。 被 测 参 数 变 换 量 特征 位移、厚度、振动 （1）非接触测量，连续测量 （2）受剩磁的影响。 表面温度、电解质浓度 材质判别、速度（温度） 应力、硬度 探伤 ??x （1）非接触测量，连续测量； （2）对温度变化进行补偿 （1）非接触测量，连续测量； （2）受剩磁和材质影响 可以定量测量 x,?,? 电容式传感器
8. 电感传感器可以测量哪些量。位移、振动、压力、应变、流量、比重 9. 平板电容和桶装电容的电容量计算。 平板电容 C??Ad??0?rAd桶装电容 当 l >> RB?RA时，电容器的电容为： 式中: ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数； A —— 两平行板所覆盖的面积；d —— 两平行板之间的距离。 10. 电容式传感器可分为哪几类?各自的主要用途是什么? 电容式差压传感器 结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms) 能测微小压差(0～0.75Pa)、真空或微小绝对压力 2??0?rlC?RBlnRA 电容式加速度传感器 利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹 电容式振动位移传感器 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。 11. 推导变极距型、变面积型和变介电常数型电容传感器的计算公式，并利用公式进行计算。（会公式并进行计算） 变面积型 变介电常数型 变极距型 2??H线位移变面积型 初始电容 ??AC0?0r初始电容d0 C0?ln DdC?C0??C?d0 －Δd C+ΔC ?0?rAC0 d0??d?C??0?r(a??x)bd?d1?d0?C?x?Ca，0?C?ΔC与Δx呈线性关系 电容增量与液位h呈线性关系 。 2?(?1??)hDlnd ?dΔd/d0<<1时 ?C?C0C与Δd近似呈线性关系 d0当L=0时，传感器的初始电容??d?角位移变面积型 C0??1?d???0?r1L0b0???C00????A1?C?C0??C??C???0r020?d??d0?????d1? ?(L?L)??LC??C?C??1?00d0?d?r2d0? C?C1?C2??0b0r10?0?ΔC与角位移θ呈线性关系 d0当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为 ?CC1k?0??dd0d0小 则 灵敏度高 ad?x?CC?C0(?r2?1)L??C0C0L0 电容变化量与移动量L呈线性关系 。 ?xRAbl??xr?d2d 电容量与极板间距离的关系 x（a）平板状?r （b）筒状 ＋U?2－＋U?2－ 12. 电容传感器测量电路。 电桥电路 ????Z2UUZ2?Z1UC1?C2U??U0????U0??Z1?Z22Z1?Z22 C1?C22?A?A,C2?若采用变极距式电容传感器 C1??d??dd??d?dU?U?? 0 输出电压与位移呈线性关系 。 d2最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 U?C1＋U?oC2－运算放大器电路 1/(j?Cx)CC?(? S)/d u??u?? 0 u ，x1/(j?C)Cxu0??uCd? S输出电压Uo与极板间距离d成线性关系 结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。假设放大器开环放大倍数A=∞，输入阻抗Zi=∞，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。 脉宽调制电路 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 通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号 当差动电容不相等时，uAB电压经低通滤波器滤波后，Uo输出 T ?T 2 T?T U U 1 Uo?UA?UB? 1 1?U1 1 2 式中：U1 —— 触发器输出高电平； T 1 ? T 1 ? T 2 T1、T2 —— C1、C2充电至Ur时所需时间。 2 TT1?R1C1lnU1U1?UrT2?R2C2ln， U1C1?C2U0?U1C1?C2 U1?Ur， 结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2和S1、S2 S1?S2d2?d1U0?UEU0?UES2?S1d2?d1差动变极距型，差动变面积型 特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性 调频电路 f?12?LC?12?L(C1?Ci?C0??C) 当被测信号为零时，△C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0， f0?12?L(C1?Ci?C0) 当被测信号不为零时，△c≠0，此时频率为 f?12?L(C1?Ci?C0??C)?f0??f 有较高的灵敏度，可测至0.01μm级位移变化量，易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰强 双T型电桥电路 电源为正半周，D1短路，D2开路，，电容C1被充电 影响不予考虑，电容C2的电压，初始值为UE