壓力檢測儀表

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. 第三章 壓力檢測儀表 壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要工藝參數(shù)之一。許多工藝過程只有在一定的壓力條件下進(jìn)行，才能取得預(yù)期的效果；壓力的監(jiān)控也是安全生產(chǎn)的保證。壓力的檢測和控制是保證工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要環(huán)節(jié)。壓力測量儀表還廣泛地應(yīng)用于流量和液位測量方面。 1． 壓力概念和單位 壓力概念：在工程上，“壓力”定義為垂直均勻地作用于單位面積上的力，通常用P表示，對應(yīng)于物理學(xué)中的壓強(qiáng)。 單位：國際標(biāo)準(zhǔn)單位為帕斯卡，簡稱為帕，符號為Pa，加上詞頭又有千帕、兆帕等，我國規(guī)定帕斯卡為壓力的法定單位。目前，工程技術(shù)中仍常用的單位還有工程大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。 在工程上，壓力有幾種不同的表示方法，并且有相應(yīng)的測量儀表。 (1) 絕對壓力 被測介質(zhì)作用在容器表面積上的全部壓力稱為絕對壓力。用來測量絕對壓力的儀表，稱為絕對壓力表。 (2) 大氣壓力 由地球表面空氣柱重量形成的壓力，稱為大氣壓力。它隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化，其值用氣壓計(jì)測定。 (3) 表壓力 通常壓力測量儀表是處于大氣之中，則其測得的壓力值等于絕對壓力和大氣壓力之差，稱為表壓力。一般地說，常用的壓力測量儀表測得的壓力值均是表壓力。 (4) 真空度 當(dāng)絕對壓力小于大氣壓力時(shí)，表壓力為負(fù)值(負(fù)壓力)，其絕對值稱為真空度，用來測量真空度的儀表稱為真空表。 (5) 差壓 設(shè)備中兩處的壓力之差簡稱為差壓。生產(chǎn)過程中有時(shí)直接以差壓作為工藝參數(shù)，差壓測量還可作為流量和物位測量的間接手段。 壓力檢測的主要方法及分類： 根據(jù)不同工作原理，主要的壓力檢測方法及分類有如下幾種。 （1）重力平衡方法 液柱式壓力計(jì) 基于液體靜力學(xué)原理。被測壓力與一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力相平衡，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度來測量，其典型儀表是U形管壓力計(jì)。這類壓力計(jì)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、讀數(shù)直觀、價(jià)格低廉，但—般為就地測量，信號不能遠(yuǎn)傳；可以測量壓力、負(fù)壓和壓差；適合于低壓測量，測量上限不超過0.1～0.2 Mpa；精確度通常為0.02%～0.15%。高精度的液柱式壓力計(jì)可用作基準(zhǔn)器。 負(fù)荷式壓力計(jì) 基于重力平衡原理。其主要型式為活塞式壓力計(jì)。被測壓力與活塞以及加于活塞上的砝碼的重量相平衡，將被測壓力轉(zhuǎn)換為平衡重物的重量來測量。這類壓力計(jì)測量范圍寬、精確度高(可達(dá)0.01%、性能穩(wěn)定可靠，可以測正壓、負(fù)壓和絕對壓力，多用作壓力校驗(yàn)儀表。單活塞壓力計(jì)測量范圍達(dá)0.04～2500MPa，此外還有測量低壓和微壓的其他類型的負(fù)荷式壓力計(jì)。 (2)機(jī)械力平衡方法 這種方法是將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，用外力與之平衡，通過測量平衡時(shí)的外力可以測知被測壓力。力平衡式儀表可以達(dá)到較高精度，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這種類型的壓力、差壓變送器在電動(dòng)組合儀表和氣動(dòng)組合儀表系列中有較多應(yīng)用。 (3)彈性力平衡方法 此種方法利用彈性元件的彈性變形特性進(jìn)行測量。被測壓力使測壓彈性元件產(chǎn)生變形，因彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡，測量彈性元件的變形大小可知被測壓力。此類壓力計(jì)有多種類型，可以測量壓力、負(fù)壓、絕對壓力和壓差，其應(yīng)用最為廣泛。 (4)物性測量方法 基于在壓力的作用下，測壓元件的某些物理特性發(fā)生變化的原理。 電測式壓力計(jì) 利用測壓元件的壓阻、壓電等特性或其他物理特性，將被測壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測量。多種電測式類型的壓力傳感器，可以適用于不同的測量場合。 其他新型壓力計(jì) 如集成式壓力計(jì)、光纖壓力計(jì)等。 2． 液柱式壓力計(jì) 最早使用的一種壓力計(jì)。簡單、可靠、精度比較高、價(jià)格低廉。歷史上曾是準(zhǔn)確測量壓力的唯一儀器。雖然現(xiàn)在已出現(xiàn)一系列新型儀表。實(shí)際上此種壓力計(jì)還在使用，有時(shí)還用來檢驗(yàn)其它型式的儀表。 液柱式壓力計(jì) 3． 彈性式壓力計(jì) 彈性壓力計(jì)利用彈性元件受壓變形的原理。彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓變形，其變形大小與外力成比例，外作用力取消后，元件將恢復(fù)原有形狀。利用變形與外力的關(guān)系，對彈性元件的變形大小進(jìn)行測量，可以求得被測壓力。 彈性壓力計(jì)的組成一般包括彈性元件、變換放大機(jī)構(gòu)、指示機(jī)構(gòu)和調(diào)整機(jī)構(gòu)等幾個(gè)主要環(huán)節(jié)。彈性元件是儀表的核心部分，其作用是感受壓力并產(chǎn)生彈性變形，彈性元件采用何種形式要根據(jù)測量要求選擇和設(shè)計(jì)；變換放大機(jī)構(gòu)作用是將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大；指示機(jī)構(gòu)如指針與刻度標(biāo)尺，用于給出壓力示值；調(diào)整機(jī)構(gòu)是用于調(diào)整儀表的零點(diǎn)和量程。 彈性元件主要有以下幾種形式。 (1)彈性膜片 這是一種外緣固定的片狀彈性元件，膜片的彈性特性一般由中心位移與壓力的關(guān)系表示。按剖面形狀及特性，彈性膜片又分為平膜片、波紋膜片和撓性膜片。平膜片的使用位移很小，彈性特性有良好的線性關(guān)系。波紋膜片是壓有環(huán)狀同心波紋的圓膜片，波紋的形狀有正弦形、鋸齒形、梯形等。其位移與壓力的關(guān)系，由波紋的形狀、深度和波紋數(shù)確定。為了測量微小壓力，還可以制成膜盒，以增大膜片位移。撓性膜片僅作為隔離膜片使用，它要與測力彈簧配用。 (2)波紋管 波紋管由整片彈性材料加工而成，是一種壁面具有多個(gè)同心環(huán)狀波紋，一端封閉的薄壁圓管。波紋管的開口端固定，由此引人被測壓力。在其內(nèi)腔及周圍介質(zhì)的壓差作用下，封閉端將產(chǎn)生位移，此位移與壓力在一定的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。在使用時(shí)一般要應(yīng)用在線性段，也可以在波紋管內(nèi)加螺旋彈簧以改善特性。用波紋管作彈性元件的壓力計(jì)，一般用于測量較低壓力或壓差。 (3)彈簧管 彈簧管是一根彎成圓弧狀的、具有不等軸截面的金屬管。常見的不等軸截面是扁圓和橢圓形。彈簧管的一端封閉并處于自由狀態(tài)為自由端，另一端開口為固定端，被測壓力由固定端通人彈簧管內(nèi)腔。在壓力的作用下，彈簧管橫截面有變圓的趨向，彈簧管亦隨之產(chǎn)生向外伸直的變形，從而引起自由端位移。自由端的位移量與所加壓力有關(guān)，可以由此得知褲被測壓力的大小。單圈彈簧管中心角一般是2700，為了增加位移量，可以做成多圈彈簧管型式。 彈性元件常用的材料有銅合金、彈性合金、不銹鋼等，各適用于不同的測壓范圍和被測介質(zhì)。近來半導(dǎo)體硅材料得到了更多的應(yīng)用。下表給出幾種彈性元件的結(jié)構(gòu)示意及特性。各種彈性元件組成了多種型式的彈性壓力計(jì)，它們通過各種傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)直接指示被測壓力值。這類直讀式測壓儀表有彈簧管壓力計(jì)、波紋管差壓計(jì)、膜盒式壓力計(jì)等。 彈簧管壓力計(jì)是最常用的直讀式測壓儀表，其一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。被測壓力由接口引入，使彈簧管自由端產(chǎn)生位移，通過拉桿使扇形齒輪逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與中心齒輪同軸的指針將同時(shí)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并在面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測壓力值。通過調(diào)整螺釘可以改變拉桿與扇形齒輪的接合點(diǎn)位置，從而改變放大比，調(diào)整儀表的量程。轉(zhuǎn)動(dòng) 軸上裝有游絲，用以消除兩個(gè)齒輪嚙合的間隙，減小儀表的變差。直接改變指針套在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的角度，就可以調(diào)整儀表的機(jī)械零點(diǎn)。 工程中應(yīng)用最廣泛的壓力儀表：彈性式壓力計(jì)是利用彈性元件受壓力作用后產(chǎn)生彈性形變，將變形轉(zhuǎn)換成位移，通過位移變化來測試壓力大小。各種彈性元件輸出的位移或力必須經(jīng)過一定的機(jī)械傳動(dòng)（直接指示）或變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。變送器有兩種形式：開環(huán)式和閉環(huán)式。 開環(huán)式：位移（力） R、L、C等電參數(shù)，然后經(jīng)一定的電路變成標(biāo)準(zhǔn)信號，這種變送器原理簡單，但材料工藝和電路的要求比較高。隨著科技進(jìn)步，此種壓力變送器越來越多。 閉環(huán)式：利用負(fù)反饋保證儀表精度，目前應(yīng)用較多的力平衡式變送器就屬于這一類。 4． 力平衡式壓力變送器 工作原理：被測量壓力P經(jīng)波紋管轉(zhuǎn)換成作用于杠桿左端A點(diǎn)，使杠桿繞支點(diǎn)O作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，稍一偏轉(zhuǎn)，位于杠桿右端的位移檢測元件便有感覺，使電子放大器產(chǎn)生一定的輸出電流。此電流流過反饋線圈和變送器的負(fù)載，并與永久磁鐵作用產(chǎn)生一定的電磁力，使杠桿B點(diǎn)受到反饋力，形成一個(gè)使杠桿作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的反力矩。由于位移檢測放大器極其靈敏，杠桿實(shí)際上只要產(chǎn)生極微小的位移，放大器便有足夠的輸出電流形成反力矩與作用力矩相平衡。當(dāng)杠桿處于平衡狀態(tài)時(shí)，輸出電流正比于被測量壓力P。 這種閉環(huán)式的力平衡結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：首先在于當(dāng)彈性材料的彈性模數(shù)溫度系數(shù)較大時(shí)，可以減小溫度的影響。因?yàn)檫@里的平衡狀態(tài)不是靠彈性元件的彈性反力來建立的，當(dāng)位移檢測放大器非常靈敏時(shí)，杠桿的位移量很小，若整個(gè)彈性系統(tǒng)的剛度設(shè)計(jì)的很小，那么彈性反力在平衡狀態(tài)的建立中無足輕重，可以忽略不計(jì)。這樣，彈性元件的彈性力隨溫度的漂移就不會(huì)影響這類變送器的精度。此外，由于變換過程中位移量很小，彈性元件的受力面積能保持恒定，因而線性度比較好。由于位移量小，還可以減小彈性遲滯現(xiàn)象，減小儀表的變差。 為了說明這些優(yōu)點(diǎn)，通過這種變送器的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖（方框圖）來分析。 作用力矩與反饋力矩之差使杠桿繞支點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角。這里是杠桿系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度，它的大小表示要使杠桿產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角所需的力矩。 當(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，位移檢測點(diǎn)C處就有位移，其中為檢測點(diǎn)C到支點(diǎn)O的距離。該位移被檢測并轉(zhuǎn)換為電流輸出。圖中K表示位移檢測放大器的傳遞系數(shù)。 輸出電流流過反饋線圈，產(chǎn)生電磁反饋力，其中C為電磁鐵的傳遞系數(shù)。此力乘力臂即為反饋力矩。 系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 當(dāng)開環(huán)增益很大，即時(shí)，上式可簡化為： 由此可知，這種變送器具有一切閉環(huán)系統(tǒng)的共同特點(diǎn)，即在開環(huán)增益足夠大時(shí)，其輸入量和輸出量的關(guān)系只取決于輸入環(huán)節(jié)及反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，而與正向通道環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)無關(guān)。 在上述的力平衡壓力變送器中，杠桿系統(tǒng)(包括彈性測量元件)的剛度和位移檢測放大器的傳遞系數(shù)K都處于正向通道內(nèi)，只要開環(huán)增益足夠大，它們的變化不會(huì)影響輸出值。因此，彈性測量元件的彈性模數(shù)隨溫度的變化，不會(huì)影響儀表的精度。 這里需要說明，力平衡儀表雖然對彈性反力的變化不甚敏感，但對杠桿系統(tǒng)任何一處存在的摩擦力卻是十分敏感的，因?yàn)槟Σ亮氐囊胂喈?dāng)于在比較點(diǎn)引入干擾，會(huì)直接引起誤差，造成死區(qū)和變差。為此，力平衡儀表中支承點(diǎn)都使用彈簧鋼片做成彈性支承，以避免摩擦力的引入。 從上面的分析看到，在力平衡變送器中，只要測壓元件的有效面積S能保持恒定，磁鐵的磁場強(qiáng)度均勻穩(wěn)定，力臂的長度、不變，便可得到較好的變換精度。 5． 微小位移電變換方法 5.1）霍爾元件 5.1.1)霍爾效應(yīng) 一塊長為、寬為、厚為的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為月的磁場(磁場方向垂直于薄片)中，如下圖所示。當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 假設(shè)薄片為N型半導(dǎo)體，在其左右兩端通以電流I(稱為控制電流)。那么半導(dǎo)體中的載流子(電子)將沿著與電流I相反的方向運(yùn)動(dòng)。由于外磁場B的作用，使電子受到洛侖茲力FL作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積累。而前端面缺少電子，因此后端面帶負(fù)電，前端面帶正電，在前后端面間形成電場。該電場產(chǎn)生的電場力FE阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)FE與FL相等時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，在半導(dǎo)體前后兩端面之間(即垂直于電流和磁場方向)建立電場，稱為霍爾電場EH，相應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢UH。 霍爾元件的靈敏度系數(shù)。金屬中自由電子濃度n很高，因此很小，使輸出極小，不宜作霍爾元件，因此霍爾元件都是由半導(dǎo)體材料制成。如果是P型半導(dǎo)體，其載流于是空穴。一般電子遷移率大于空穴遷移率。因此霍爾元件多用N型導(dǎo)體材料，霍爾元件越薄(即d越小)，就越大，所以一般霍爾元件都比較簿。薄膜霍爾元件厚度只有1um左右。 由霍爾電勢公式可知，當(dāng)控制電流(或磁場)方向改變時(shí)，霍爾電勢方向也將改變，但電流與磁場方向同時(shí)改變時(shí)，霍爾電勢方向不變；當(dāng)載流材料和幾何尺寸確定后，霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，因此霍爾元件可用來測量磁場(I恒定)、檢測電流(B恒定)。當(dāng)霍爾元件在一個(gè)線性梯度磁場中移動(dòng)時(shí)，輸出霍爾電勢反映了磁場變化此可測微小位移、壓力、機(jī)械振動(dòng)等。 霍爾式傳感器轉(zhuǎn)換效率較低，受溫度影響大，但其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，堅(jiān)固，頻率響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍(輸出電勢的變化)大，無觸點(diǎn)，使用壽命長，可靠性高，易微型化和集成電路化，因此在測量技術(shù)、自動(dòng)控制、電磁測量、計(jì)算裝置以及現(xiàn)代軍事技術(shù)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 5.1.2)霍爾元件材料及構(gòu)造： 用于制造霍爾元件的材料主要有以下幾種。 鍺(Ge)，N型及P型均可。其電阻率約為10-2(Ωm)。在室溫下載流子遷移率為3.6103(cm2v-1s-1)。霍爾系數(shù)可達(dá)4.25103(cm2c-1)。而且提純和拉單晶都很容易，故常用于制造霍爾元件。 硅(Si)，N型及P型均可。其電阻率約為1.510-2(Ωm)，N型硅的載流子遷移率高于P型硅。N型硅霍爾系數(shù)可達(dá)2.25103(cm2c-1)。 砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)，這兩種材料的特性很相似。純砷化銦樣品的載流子遷移率可達(dá)3104(cm2v-1s-1)，電阻率較小，約為2.510-3(Ωm)。銻化銦的載流子遷移率可達(dá)6104(cm2v-1s-1)，電阻率約為710-3(Ωm)。它們的霍爾系數(shù)分別為350和1000。由于兩者遷移率都非常高，而且可以用化學(xué)腐蝕方法將其厚度減薄到10um，因此用這兩種材料制成的霍爾元件有較大的霍爾電勢。 霍爾元件的外形，結(jié)構(gòu)和符號如下圖所示?；魻栐慕Y(jié)構(gòu)很簡單，它是由霍爾片、四極引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片(一般為420.1 mm3)。在它的長度方向兩端面上焊有兩根引線(圖中a、b線)，稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線。其焊接處稱為控制電流極(或稱激勵(lì)電極)，要求焊接處接觸電阻很小，并呈純電阻，即歐姆接觸(無PN結(jié)特性)。在薄片的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對稱地焊有兩根霍爾輸出端引線(圖中c、d線)，通常用綠色導(dǎo)線。其焊接處稱為霍爾電極，要求歐姆接觸，且電極寬度與長度之比要小于0.1，否則影響輸出?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。霍爾元件在電路中可用圖(c)的兩種符號表示。 5.1.3)測量電路： 霍爾元件的基本測量電路如下圖所示。 激勵(lì)電流由電源正供給，可變電阻RP用來調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I的大小。只RL為輸出霍爾電勢UH的負(fù)載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。 集成霍爾傳感器(根據(jù)電路和霍爾元件的工作條件不同，分為線性型、開關(guān)型) 開關(guān)霍爾集成電路結(jié)構(gòu) 5.1.4)技術(shù)指標(biāo)：額定激勵(lì)電流、輸入電阻、輸出電阻、不等位電勢及零位電阻、寄生直流電勢等。 5.1.5)霍爾傳感器的補(bǔ)償：不等位電勢補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。 5.1.6)應(yīng)用： l 位移測量 l 壓力測量 l 鉗型電流表、鉗型電流傳感器 l 轉(zhuǎn)速測量、長度測量 系統(tǒng)測量輪和傳感器安裝示意圖 霍爾傳感器安裝圖 5.2）電感式元件 電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實(shí)現(xiàn)測量的一種裝置，可以用來測量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)變等多種物理量。 電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí)，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有線圈繞組。 電感式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單可靠，輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，對工作環(huán)境要求不高，分辨力較高(如在測量長度時(shí)一般可達(dá)0.1um)，示值誤差一般為示值范圍的0.1％-0.5％，穩(wěn)定性好。它的缺點(diǎn)是頻率響應(yīng)低，不宜用于快速動(dòng)態(tài)測量。一般說來，電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關(guān)。示值范圍大時(shí)，分辨力和示值精度將相應(yīng)降低。 電感式傳感器種類很多。有利用自感原理的自感式傳感器(通常稱電感式傳感器)，利用互感原理通常做成的差動(dòng)變壓器式傳感器。 自感式傳感器 5.2.1 工作原理 電感式位移傳感器種類繁多，目前常用的有變氣隙型、變面積型和螺管型三種，如下圖所示。雖然形式不同，但都包含線圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵三部分。 對變間隙型傳感器，氣隙的大小隨被測量的改變而變化，使磁路中氣隙的磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈電感的變化。這種電感量的變化與氣隙的大小(即位移量)相對應(yīng)，因此，只要能測山這種電感量的變化，就能測出位移的大小。變面積型是氣隙長度保持一定，而鐵芯與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測位移量的變化而改變，從而導(dǎo)致線圈電感的變化。螺管型傳感器是線圈電感隨著銜鐵插入長度的變化而變化。理論上，電感相對變化量與銜鐵位移相對變化量成正比，但由于線圈內(nèi)磁場強(qiáng)度沿軸向分布不均勻，所以實(shí)際上，它的輸出仍有非線性。 下面進(jìn)一步分析在銜鐵變動(dòng)后，與關(guān)系的非線性，設(shè)銜鐵處于起始位置時(shí)，電感傳感器的初始?xì)庀稙椋跏茧姼?，當(dāng)銜鐵向上位移時(shí)，傳感器氣隙將減小，即，這時(shí)電感將增大為，電感的變化量為，相對改變量為：，當(dāng)時(shí)，將上式展開成級數(shù)。同理，如果銜鐵向下位移時(shí)，傳感器氣隙將增加，，這時(shí)電感將減小為，電感的變化量為，相對改變量為：，當(dāng)時(shí)，將上式展開成級數(shù)。如果不考慮包括二次項(xiàng)以上的高次項(xiàng)，則與成比例關(guān)系。因此，高次項(xiàng)的存在是造成非線性的原因。但當(dāng)越小時(shí)，高次項(xiàng)將迅速減小，非線性可以得到改善；然而，這又會(huì)使傳感器的測量范圍（即銜鐵允許工作位移）變小。所以，對輸出特性線性的要求和對測量范圍的要求是相互矛盾的。故這種傳感器只能用于微小位移的測量。傳感器的靈敏度為，從提高傳感器靈敏度的角度看，初始間隙應(yīng)盡量小，結(jié)果是被測量的范圍也變小。如果增加線圈匝數(shù)和鐵芯截面積，可以提高靈敏度，但必將增加傳感器的幾何尺寸和重量。 在這三種傳感器中變氣隙式靈敏度最高，且隨氣隙的增大而減少，非線性誤差大。為了減少非線性誤差，量程必須限制在較小范圍內(nèi)，所以只能用于微小位移的測量，一般為0.001mm～1mm；變面積型傳感器靈敏度比變間隙型小，理論靈敏度為一常數(shù)，因而線性好，量程也比變間隙式大，它的應(yīng)用也比變間隙型多；螺管型傳感器在三種中量程最大，可達(dá)幾十毫米，靈敏度低，但結(jié)構(gòu)簡單便于制作，因而應(yīng)用比較廣泛。 這三種類型的傳感器，由于線圈中流過負(fù)載的電流不等于零，存在起始電流，非線性較女，而且有電磁吸力作用于活動(dòng)銜鐵。易受外界干擾的影響，如電源電壓和頻率的波動(dòng)、溫度變化等都將使輸出產(chǎn)生誤差，所以不適用于精密測量，只用在一些繼電信號裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，廣泛采用的是差動(dòng)式電感傳感器。 5.2.2 差動(dòng)形式 兩只完全對稱的電感傳感器合用一個(gè)活動(dòng)銜鐵，便構(gòu)成差動(dòng)電感傳感器，如下圖所示。在起始位置時(shí)，銜鐵處于中間位置，兩邊的氣隙相等，因此兩只電感線圈的電感量在理論上相等。當(dāng)銜鐵偏離中間位置向上或向下移動(dòng)時(shí)，造成兩邊氣隙不等，使兩只電感線圈的電感量一增一減，它們之差為：，可見中不存在偶次項(xiàng)，這說明差動(dòng)電感傳感器的非線性小得多，其靈敏度為，是單個(gè)電感傳感器的2倍。 5.2.3 測量電路 見課本P49-50 5.2.4 應(yīng)用 壓力測量、厚度測量、焊條偏心度測量等 JGH型電感測厚儀 下圖是用差動(dòng)式電感傳感器組成的測厚儀電路圖。 電感傳感器的兩個(gè)線圈和作為兩個(gè)相鄰的橋臂， 另外兩個(gè)橋臂是電容C1和C2。橋路對角線輸出端用4只二極管D1～D4組成相敏整流器，由電流表M顯示。在二極管中串聯(lián)4個(gè)電阻R1～R4作為附加電阻，目的是為了減少由于溫度變化時(shí)，相敏整流器的特性變化所引起的誤差，所以應(yīng)盡可能選用溫度系數(shù)較小的線繞電阻。R5是調(diào)零電位器，R6用來調(diào)節(jié)顯示器M滿刻度用。電橋的電源由接在對角線ab的變壓器B供給，變壓器原邊采用磁飽和交流穩(wěn)壓器R7和C4，電路中C3起濾波作用SD為指示燈。 差動(dòng)變壓器式傳感器 差動(dòng)變壓器則是把被測量的變化變換為線圈的互感變化。差動(dòng)變壓器本身是一個(gè)變壓器，初級線圈輸入交流電壓，次級線圈感應(yīng)出電勢，當(dāng)互感受外界影響變化時(shí)，其感應(yīng)電勢也隨之相應(yīng)的變化。由于它的次級線圈接成差動(dòng)的形式，故稱差動(dòng)變壓器。 差動(dòng)變壓器具有結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，靈敏度高及測量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用較廣。下面以應(yīng)用較多的螺管式差動(dòng)變壓器為例說明其特性，它可以測量一至上百毫米的機(jī)械位移。 5.2.1 工作原理 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)由初級線圈P與兩個(gè)相同的次級線圈S1、S2和插入的可移動(dòng)的鐵芯C組成。其線圈聯(lián)接方式如圖(b)所示，兩個(gè)次級線圈反相串接。 當(dāng)初級線圈戶加上一定的正弦交流電壓后，在次級線圈中的感應(yīng)電勢、與鐵芯在線圈中的位置有關(guān)。當(dāng)鐵芯在中心位置時(shí)，輸出電壓。鐵芯向上移動(dòng)時(shí)，反之。在上述兩種情況下，輸出電壓的相位相差1800，其幅值隨鐵芯位移距離x的改變而變化，如下圖所示。 5.2.2測量電路 差動(dòng)變壓器輸出交流電壓，如果采用交流電壓表指示，只能反映鐵芯位移的大小、，不能反映移動(dòng)的方向。另外，輸出的交流電壓中存在零點(diǎn)殘余電壓。所以要求差動(dòng)變壓器的測量電路，既能反映鐵芯位移的大小和方向又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓。常用的測量電路有兩種形式，一種是差動(dòng)整流電路，另一種是相敏檢波電路。具體參考課本P56-60 5.2.3應(yīng)用 參見課本P61-62 5.3）電容式元件 5.3.1)工作原理（見課本77-79） 5.3.2)測量電路（脈沖調(diào)寬電路）（見課本90-91） 5.3.2)應(yīng)用（見課本92） 5.4）渦流傳感器 5.4.1)基本原理 電渦流傳感器一般都是做成一個(gè)扁平空心線圈,將此線圈靠近金屬導(dǎo)體,當(dāng)線圈中通有交流電時(shí),在其周圍空間產(chǎn)生交變磁通,放在該磁場中的金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生電渦流.此渦流的圓心與線圈在金屬導(dǎo)體上投影的圓心重合.研究表明:渦流區(qū)與線圈尺寸的關(guān)系為,.D為扁平空心線圈外徑,2R為渦流區(qū)外徑.2r為渦流區(qū)內(nèi)徑.渦流滲透深度為.為導(dǎo)體電阻率,f為交變磁場的頻率,為相對導(dǎo)磁率. 5.4.2)等效電路 可把空心線圈看作變壓器初級,金屬導(dǎo)體中的渦流回路看作變壓器次級.當(dāng)線圈周圍產(chǎn)生交變磁場時(shí),環(huán)狀渦流也將產(chǎn)生交變磁場,其方向與線圈產(chǎn)生的磁通方向相反,因而抵消部分原磁場,這可理解為線圈與環(huán)狀渦流之間存在互感M,其大小取決于金屬導(dǎo)體和線圈之間的靠近程度. 根據(jù)等效電路,可列出方程: 為空心線圈電阻和電感 R,L為渦流回路的等效電阻和電感 M為線圈與金屬導(dǎo)體之間的互感系數(shù) 由上面方程解得,當(dāng)線圈與被測金屬導(dǎo)體靠近時(shí),線圈的等效阻抗為: 等效電阻為 等效電感為 品質(zhì)因素 上述分析結(jié)果表明,電渦流傳感器的等效電氣參數(shù)都是互感M的函數(shù),但是通常利用其電感的變化組成測量回路,故把這類傳感器列為電感式傳感器. 5.4.3)測量電路 調(diào)頻式電路:把傳感器線圈作為組成LC振蕩器的電感元件,當(dāng)傳感器線圈電感變化時(shí),引起振蕩器的振蕩頻率變化,該頻率可直接由數(shù)字頻率計(jì)測得,或通過頻率—電壓轉(zhuǎn)換,由儀器指示或記錄. 調(diào)幅式電路:傳感器線圈與電容組成并聯(lián)諧振回路,石英晶體振蕩器相當(dāng)于一個(gè)恒流源,向諧振回路提供一個(gè)頻率穩(wěn)定為的高頻激勵(lì)電流,LC回路的輸出電壓,Z為LC回路的阻抗.當(dāng)被測導(dǎo)體遠(yuǎn)離傳感器時(shí),因LC諧振回路的諧振頻率設(shè)定為激勵(lì)頻率,故呈現(xiàn)的阻抗最大,諧振回路上的輸出電壓也最大,當(dāng)被測導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí),線圈的等效電感發(fā)生變化,LC諧振回路的諧振頻率改變,所呈現(xiàn)的等效阻抗減小,所以輸出電壓幅度值也減小,從而實(shí)現(xiàn)測量的要求. 5.4.4)應(yīng)用 位移測量(壓力計(jì)):電渦流傳感器的等效阻抗Z與被測材料的電阻率、導(dǎo)磁率、激磁頻率及線圈與被測體間的距離x有關(guān)。當(dāng)電阻率、導(dǎo)磁率、激磁頻率一定時(shí)，Z只與x有關(guān)。通過適當(dāng)?shù)臏y量電路，可得到輸出電壓與距離x的關(guān)系。其線性范圍為平面線圈外徑的1/3——1/5。顯然可以用來測量位移（壓力）。 振幅測量：可以無接觸地測量各種振動(dòng)的振幅，如測量軸的振動(dòng)形狀，可用多個(gè)渦流傳感器，并排安置在軸附近，可獲得各傳感器所在位置軸的瞬時(shí)振幅。 轉(zhuǎn)速測量：把一個(gè)旋轉(zhuǎn)金屬加工成齒輪狀，旁邊安裝一個(gè)渦流傳感器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器將周期地改變輸出信號，測其頻率即可得轉(zhuǎn)速。 無損探傷等：可以對被測量對象進(jìn)行非破壞性的探傷，例如檢查金屬材料的表面裂紋、熱處理裂紋以及焊接部位的探傷等。在檢查時(shí)，使傳感器與被測體的距離不變，當(dāng)有裂紋出現(xiàn)時(shí)，導(dǎo)體電阻率、導(dǎo)磁率發(fā)生變化，從而引起傳感器的等效阻抗發(fā)生變化，通過測量電路達(dá)到探傷目的。 5.5）壓電傳感器 5.5.1）壓電效應(yīng) 5.5.2）壓電材料 5.5.3）壓電傳感器 5.5.4）壓電傳感器的等效電路 5.5.5）測量電路 5.5.6）應(yīng)用 5.6）應(yīng)變電阻傳感器 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界作用下(如壓力等)產(chǎn)生機(jī)械變形,其阻值將發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng).把依據(jù)這種效應(yīng)制成的應(yīng)變片粘貼于被測材料上,則被測材料受外界作用所產(chǎn)生的應(yīng)變就會(huì)傳送到應(yīng)變片上,從而使應(yīng)變片上電阻值發(fā)生變化,通過測量阻值的變化量,就可以反映出外界作用的大小. 5.6.1)應(yīng)變片工作原理P136 電阻應(yīng)變片是用直徑約為0.025mm的具有高電阻率的金屬電阻絲制成.由物理學(xué)可知: 如果金屬絲沿軸線方向受力而變形,其電阻也隨之變化,其應(yīng)變關(guān)系可由微分學(xué)得到:.對于直徑為D的圓形電阻絲.由材料力學(xué)知:橫向收縮和縱向伸長的關(guān)系為:.為材料的泊松比.為電阻絲軸向的相對變化,也就是應(yīng)變.由上述可得: k為應(yīng)變靈敏系數(shù),其物理意義為單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化.對于金屬變化很小.其靈敏系數(shù)主要取決于.對于半導(dǎo)體應(yīng)變片則變化很大, 其靈敏系數(shù)主要取決于. 5.6.2)應(yīng)變片結(jié)構(gòu)P137 5.6.3)應(yīng)變片測量電路 在電阻應(yīng)變傳感器中,多采用橋式測量電路.根據(jù)橋路的工作電壓,可分為交流電橋和直流電橋. 當(dāng)電橋負(fù)載無窮大時(shí),電橋的輸出電壓為: 為了使在測量前的輸出為零,應(yīng)使(電橋平衡條件).令為橋臂的電阻比,它的大小與電橋的電壓靈敏度有關(guān),當(dāng)時(shí),電橋的靈敏度最大.故在測量電路中常用全等臂電橋電路.在實(shí)際中的測量電路分:單臂、雙臂、全橋測量電路。 單臂電橋 考慮到，則上式化為：。 雙臂電橋（相鄰臂相反，相對臂相同） （相鄰臂） （相對臂） 全橋測量電路 同理可得： 比較上述的橋路可知：全橋測量電路靈敏度最高，雙臂次之，單臂最低。全橋和相鄰臂工作的測量電路沒有非線性誤差，同時(shí)還能起到溫度補(bǔ)償作用。 從上面的電橋輸出可以看到，激勵(lì)電源的穩(wěn)定是非常重要的?，F(xiàn)有專門傳感器電源模塊，如2B35K；專門的信號處理模塊，如2B31。 對于交流電橋，只須用復(fù)數(shù)符號法分析。 5.6.4)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用 測量力、載荷、扭矩、加速度等 5.7）光纖傳感器 光纖傳感器的發(fā)展已經(jīng)日益成熟，這一技術(shù)的影響 已十分明顯。光纖傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高；幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；可以制造傳感各種不同物理信息的器件；光纖傳感器可以用于高壓、電氣、噪音、高溫、腐蝕或其它惡劣環(huán)境。目前，正在研制中的光纖傳感器有磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流等類型的光纖傳感器。 光纖傳感器的主要特點(diǎn)有： .光纖是一種很靈敏的檢測元件。 .光纖傳感器外徑很小，因此有利于在狹小空間環(huán)境下的測量。正是由于體積小重量輕，因此在飛行器中內(nèi)使用。 .耐高溫、耐水性。故可在高溫、水中測量。 .具有可撓性，可在振動(dòng)情況下測量。 .傳感器頻帶很寬，有利于超高速測量。 .傳感器是非電連接，且內(nèi)部沒有機(jī)械活動(dòng)零件，因此作為非接觸、非破壞以及遠(yuǎn)距離測試法，與常規(guī)方法相比有獨(dú)特的優(yōu)越性。 5.7.1）光纖傳感器的基本工作原理 光纖傳感器的基本工作原理是將光源的光經(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界被測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)，如光的溫度，波長（顏色）頻率，相位，偏振態(tài)，發(fā)生成為被調(diào)制的信號光。再經(jīng)光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)而獲得被測參數(shù)。 目前，研究的光纖傳感器按其傳感原理分為兩類：傳光型（非功能型）和傳感器型（功能型）光纖傳感器。 在傳光型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質(zhì)。對外界信息的感覺功能是依靠其他物理性質(zhì)的功能元件來完成。 在傳感型光纖傳感器中，是利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖作為傳感元件。光纖不僅起傳光作用，而且利用光纖在外界信息作用下，光學(xué)性質(zhì)（光強(qiáng)，相位，偏振態(tài)等）的變化來實(shí)現(xiàn)傳感功能。目前已實(shí)用的光纖傳感器中，傳光型占大多數(shù)。 以下說明光纖位移傳感器原理。（實(shí)驗(yàn)內(nèi)容） 光纖位移傳感器是利用光纖傳輸光信號的功能,根據(jù)探測到的反射光的強(qiáng)度來測量被測反射表面的距離,原理圖如下: 標(biāo)準(zhǔn)的光纖位移傳感器中,由600根光纖組成一個(gè)直徑為0.762mm的光纜,光纖內(nèi)芯是折射率為1.62的火石玻璃,包層用折射率為1.52的玻璃,光纜的后部被分為二支,一支用于光發(fā)射,一支用于光接受.光源是2.5V白熾燈,而接受光信號的敏感元件是光電池,光敏感檢測器產(chǎn)生的輸出與接受到的光強(qiáng)度成正比的電信號.工作原理是:當(dāng)光纖探頭端部緊貼被測件時(shí),發(fā)射光纖中的光不能反射到接受光纖中去,因而就不能產(chǎn)生光電流信號,當(dāng)被測表面漸漸遠(yuǎn)離光纖探頭時(shí)發(fā)射光纖照亮被測表面的面積A越來越大,因而相應(yīng)的發(fā)射光錐和接受光錐重合的面積B越來越大,接受光纖端面上被照亮的B2區(qū)也越來越大,有一個(gè)線性增長的輸出信號,在一定位移時(shí)輸出信號最大(光峰點(diǎn)),光峰點(diǎn)以前的這段曲線稱前坡區(qū).當(dāng)被測表面繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí),由于被反射光照亮的B2面積大于C,即有部分反射光沒有反射進(jìn)接受光纖,當(dāng)接受光纖更加遠(yuǎn)離被測表面,接受到的光強(qiáng)逐漸減小,光敏檢測器的輸出信號逐漸減弱,進(jìn)入曲線的后坡區(qū).特性如下圖. 在后坡區(qū),信號的減弱與探頭和被測表面的距離平方成反比.在前坡區(qū),輸出信號的強(qiáng)度增加得非?？?所以這一區(qū)域可以用來進(jìn)行微米級的位移測量.后坡區(qū)域可用于距離較遠(yuǎn)而靈敏度,線性度和精度要求不高的測量.在光峰區(qū)域,輸出信號對于光強(qiáng)度變化的靈敏度要比對于位移變化的靈敏度大得多,所以這個(gè)區(qū)域可用于對表面狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)測量. 這種類型的光纖傳感器靈敏度與所用的光纖束特性有關(guān),這些特性包括光纖的數(shù)量,光纖的尺寸和分布,以及每一根纖維的孔徑.其中,在光纖探頭端部發(fā)射光纖和接受光纖的分布狀況是決定探頭的測量范圍和靈敏度的主要因素.如,一個(gè)一個(gè)交錯(cuò)排列可以獲得最大位移靈敏度,但排列困難,費(fèi)用高.實(shí)際中的隨機(jī)排列是它的近似模擬.分布圖如下。 6．新的測壓元件及應(yīng)用 習(xí)題： 1． 霍爾傳感器工作原理？并采用它以框圖形式設(shè)計(jì)一個(gè)測量范圍為-2mm~2mm的位移測量儀，且說明系統(tǒng)工作原理。 2． 證明差動(dòng)電容/電感傳感器的靈敏度高和非線性小？ 3． 分析以下差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路的工作原理，并寫出輸出電壓和電容傳感器的關(guān)系。 4． 試用所學(xué)過的傳感器和測壓元件設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字式壓力計(jì)，并說明其工作原理。 .