传感器实验实训教程.doc

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1、传 感 器 实 验 实 训 教 程湖南文理学院内容提要：本书以普及传感器基础知识、指导应用传感器为主线，在讲述传感器的工作原理、特性、测量电路的基础上，详细讲解了电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器和霍尔式传感器以及其他类型传感器的综合技能实训，重点对读者检测和应用各种传感器的技能进行实训指导。本书用简明的语言阐明了传感器的工作原理，通俗易懂，减少了原理中复杂公式的推导，加强了实用性，能使读者结合实际即学即用。本书可作为高职、中职电子技术应用专业、数控及自动化专业、仪器仪表专业、机电一体化专业等课程的实验实训教材，也可作为电子企业和机电工程技术人员

2、及广大电子爱好者学习的参考和自学用书。前言：随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。在工农业生产领域，工厂的自动流水生产线，全自动加工设备，许多智能化的检测仪器设备，都大量地采用了各种各样的传感器，它们在合理化地进行生产，减轻人们的劳动强度，避免有害的作业发挥了巨大的作用。在家用电器领域，象全自动洗衣机、电饭褒和微波炉都离不开传感器。医疗卫生领域，电子脉博仪、体温计

3、、医用呼吸机、超声波诊断仪、断层扫描（CT）及核磁共振诊断设备，都大量地使用了各种各样的传感技术。这些对改善人们的生活水平，提高生活质量和健康水平起到了重要的作用。在军事国防领域，各种侦测设备，红外夜视探测，雷达跟踪、武器的精确制导，没有传感器是难以实现的。在航空航天领域，空中管制、导航、飞机的飞行管理和自动驾驶，仪表着陆盲降系统，都需要传感器。人造卫星的遥感遥测都与传感器紧密相关。没有传感器，要实现这样的功能那是不可能的。CSY系列传感器与检测技术实验台主要用于各大、中专院校及职业院校开设的“传感器原理与技术”“自动化检测技术”“非电量电测技术”“工业自动化仪表与控制”“机械量电测”等课程的

4、实验教学。CSY998型系列传感器与检测技术实验台上采用的大部分传感器虽然是教学传感器（透明结构便于教学），但其结构与线路是工业应用的基础，通过实验可以帮助广大学生加强对书本知识的理解，并在实验的进行过程中，通过信号的拾取，转换，分析，掌握作为一个科技工作者应具有的基本的操作技能与动手能力。CSY2000系列传感器与检测技术实验台是在CSY998的基础上，为适应不同类别、不同层次的专业需要，最新推出的模块化的新产品。其优点在于：能适应不同专业的需要，不同专业可以有不同的实验模板。能适应不断发展的形势，作为信息拾取的工具，传感器发展很快，可以不断补充新型的传感器模板。可以利用主控台的共用源用于学

5、生课程设计、毕业设计和自制装置。当然，由于编写者时间、水平、精力所限，难免有疏漏谬误之处，热切期望您的赐教！每个实验都有注意事项。希望学生认真阅读，谨慎操作，否则容易引起器件损坏。本书由孔令宇主编、蒋丽丽、王蕴珊审稿。本书在编写过程中参阅了许多兄弟院校的有关教材，吸取了宝贵经验，谨此表示衷心感谢；本教材的编写工作还得到了机械学院领导的大力支持，在此我们特一一表示忠心的感谢。目 录第一部分 传感器与检测技术的理论基础7第一章 电阻式传感器7第一节 电阻应变式传感器7第二节 湿敏电阻传感器15第三节 气敏电阻传感器16第二章 电感式传感器17第一节 差动变压器17第二节 自感传感器19第三节 电涡

6、流传感器21第三章 电容传感器24第四章 压电传感器28第五章 霍尔传感器32第二部分 传感器实验指导33第三章 CSY2000型传感器与检测技术实验台简介33一、CSY2000型传感器实验仪简介78二、电路原理78三、使用方法78四、仪器维护及故障排除79五、注意事项79第四章 CSY2000型传感器实验80实验一 金属箔式应变片高精度单臂电桥性能实验80实验二 金属箔式应变片半桥性能实验82实验三 金属箔式应变片高精度、高灵敏度全桥性能实验84实验四 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较85实验五 直流全桥的应用电子秤实验86实验六 金属箔式应变片的温度影响实验87实验七 交流全桥的应用

7、振动测量实验88实验八 压阻式压力传感器的压力测量实验90实验九 差动变压器的性能实验92实验十 激励频率对差动变压器特性的影响94实验十一 差动变压器的应用振动测量实验94实验十二 电容式传感器的位移实验96实验十三 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验97实验十四 交流激励时霍尔式传感器的位移实验98实验十五 霍尔测速实验100实验十六 磁电式转速传感器测速实验101实验十七 压电式传感器测振动实验101实验十八 电涡流传感器位移实验102实验十九 被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验104实验二十 光纤传感器的位移特性实验104实验二十一 光电转速传感器测速实验105实验二十二 利用

8、光电传感器控制电机转速106实验二十三 温度源的温度控制调节实验119实验二十四A Pt100铂电阻测温特性实验122实验二十四B Pt100铂电阻测温特性实验124实验二十五A 铜热电阻测温特性实验126实验二十五B 铜热电阻测温特性实验127实验二十六A K型热电偶测温性能实验128实验二十六B K型热电偶测温性能实验130实验二十七 A K型热电偶冷端温度补偿实验132实验二十七B K型热电偶冷端温度补偿实验134实验二十八 A E型热电偶测温性能实验137实验二十八B E型热电偶测温性能实验138实验二十九A 集成温度传感器(AD590)温度特性实验139实验二十九B 集成温度传感器(

9、AD590)温度特性实验140实验三十 气敏传感器实验142实验三十一 湿敏传感器实验143实验三十二 数据采集系统实验静态采集举例144实验三十三 数据采集系统实验动态采集举例144实验三十四发光二极管（光源）的照度标定实验145实验三十五光敏电阻特性实验146实验三十六 光敏二极管的特性实验149实验三十七 光敏三极管特性实验151实验三十八硅光电池特性实验153实验三十九 光电开关实验154附表：常用热电阻、热电偶分度表155参考文献160第一部分 传感器与检测技术的理论基础第一章 电阻式传感器第一节 电阻应变式传感器一、应变片的类型和材料应变片可分为金属电阻应变片及半导体应变片两大类。

10、这里以金属电阻应变片为例。金属电阻应变片分金属丝式、金属箔式和金属薄膜式三种。1. 金属丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式两种。图1-1 所示为回线式应变片，它的敏感栅丝的直径在 图1-1 丝式应变片0.012mm0.05mm，以0.025mm左右为最常用，丝线的曲率半径r为0.1mm0.3mm，基片用厚度为0.03mm左右的薄纸（称纸基），用黏结剂和有机树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能保证有效地传递变形。引线多用0.15mm0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，所以最为常用。但因弯曲部的变形使其横向效应较大。为了克服横向效应，有短接式应变片

11、。两端用直径比栅丝直径粗510倍的镀银丝短接而成。由于焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，制造工艺要求高，使用较少。丝式应变片敏感栅的材料要求是：灵敏系数高，电阻率高,稳定性好，温度系数小，机械强度高，抗氧化，耐腐蚀。常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁镍铬合金以及贵金属（铂、铂钨合金）等。2金属箔式应变片图1-2为金属箔式应变片。金属箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003mm0.01mm的电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状，图1-2 金属箔式应变片它的优点是：（1）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，栅长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求。（2）

12、与被测试件接触面积大，黏结性能好。散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度。（3）横向效应可以忽略。（4）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。它的主要缺点是电阻值的分散性大，有的能相差几十欧姆，故需要作阻值调整。3. 金属薄膜应变片 金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，最后再加上保护层，易实现工业化批量生产。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，可在-197317温度下工作。主要问题是，尚难控制其电阻与温度和时间的变化关系。二、应变片的工作原理当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这

13、种现象称为金属的电阻应变效应。设有一根长度为L、截面积为S、电阻率为的金属丝，在未受力时，原始电阻为 （1-1）当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长L，横截面积相应减小S，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化R。对式（11）全微分，并用相对变化量来表示，则有: (1-2) 图1-3 电阻丝拉伸应变示意图式中的为电阻丝的轴向应变，用表示。若径向应变为r/r，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为：，因为S/S2(r/r)，则（12）式可以写成 （13）公式（13）为“应变效应”的表达式。k0称为金属电阻的灵敏度系数，由式（13）可见，k0受两个因素影响，一个是（1+2

14、），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是/（），是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则k01+2，对半导体，k0值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常金属丝的灵敏度系数k0=27左右。三、应变片的常用材料及粘贴技术1常用材料（1） 4YC3：4YC3是Fe-Cr-Al系550高应变电阻合金，其电阻率高，电阻温度系数低，热稳定性好，主要用于工作温度550的电阻应变计。（2） 4YC4：4YC4是Fe-Cr-Al系750高温应变电阻合金，其电阻率高、电阻温度系数低，尤其是在600以上有较好

15、的热输入和重现性低的零飘。合金主要用作工作温度750的电阻应变计，用于大型汽轮机、航空、原子反应堆等领域中静态和准静态测量。（3） 4YC8：4YC8铜镍锰钴合金精密箔材，专用于高精度箔式电阻应变计，其温度自补偿性能及其它技术指标符合电阻应变计标准规定的A级产品质量要求。箔材平均热输出系数ct1，用它制成箔式应变计，可以在钛合金、普通钢、不锈钢、铝合金、镁合金等多种材料制成的试件上达到良好的温度自补偿效果，优于国外同类合金箔材，技术性能达到国外先进水平。（4） 4YC9：4YC9是Ni-Mo系500自补偿应变电阻合金，它的值高，电阻温度系数小，热输出、热稳定性好，适用于制作在500工作的自补偿

16、电阻应变计。 2应变片的粘贴工艺步骤（1） 应变片的检查与选择 首先要对采用的应变片进行外观检查，观察应变片的敏感栅是否整齐、均匀，是否有锈斑以及短路和折弯等现象。其次要对选用的应变片的阻值进行测量，阻值选取合适将对传感器的平衡调整带来方便。（2） 试件的表面处理 为了获得良好的黏合强度，必须对试件表面进行处理，清除试件表面杂质、油污及疏松层等。一般的处理办法可采用砂纸打磨，较好的处理方法是采用无油喷砂法，这样不但能得到比抛光更大的表面积，而且可以获得质量均匀的结果。为了表面的清洁，可用化学清洗剂如氯化碳、丙酮、甲苯等进行反复清洗，也可采用超声波清洗。值得注意的是，为避免氧化，应变片的粘贴应尽

17、快进行。如果不立刻贴片，可涂上一层凡士林暂作保护。（3）底层处理 为了保证应变片能牢固地贴在试件上，并具有足够的绝缘电阻，改善胶接性能，可在粘贴位置涂上一层底胶。（4）贴片 将应变片底面用清洁剂清洗干净，然后在试件表面和应变片底面各涂上一层薄而均匀的黏合剂。待稍干后，将应变片对准划线位置迅速贴上，然后盖一层玻璃纸，用手指或胶锟加压，挤出气泡及多余的胶水，保证胶层尽可能薄而均匀。(5) 固化 黏合剂的固化是否完全，直接影响到胶的物理机械性能。关键是要掌握好温度、时间和循环周期。无论是自然干燥还是加热固化都要严格按照工艺规范进行。为了防止强度降低、绝缘破坏以及电化腐蚀，在固化后的应变片上应涂上防潮

18、保护层，防潮层一般可采用稀释的粘合胶。(6)粘贴质量检查 首先是从外观上检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡、漏粘、破损等。然后是测量应变片敏感栅是否有断路或短路现象以及测量敏感栅的绝缘电阻。(7) 引线焊接与组桥连线 检查合格后既可焊接引出导线，引线应适当加以固定。应变片之间通过粗细合适的漆包线连接组成桥路。连接长度应尽量一致，且不宜过多。四、 测量电路应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化而得到的。通常金属电阻应变片灵敏度系数K很小，机械应变一般在1010-6300010-6之间，可见，电阻相对变化是很小的。例如，某传感器弹性元件在额定载荷下产生应变-6，应变片的电阻值为，灵敏度系数K

19、=2,则电阻的相对变化量为10-6=0.002，电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化，用一般测量电阻的仪表很难直接测出来，必须用专门的电路来测量这种微弱的电阻变化。最常用的电路为电桥电路。（一） 直流电桥如图1-4所示，电桥各臂的电阻分别为R1、R2、R3、R4，U为电桥的直流电源电压。当四臂电阻R1= R2= R3= R4=R时，成为等臂电桥；当R1= R2=R,R3= R4=R(RR)时，称为输出对称电桥；当R1= R4=R,R2= R3=R(RR)时，称为电源对称电桥。a)b)RgRgUo 电阻应变片接入电桥电路通常有以下接法：如果电桥一个臂接入应变片，其他三个臂采用固定电阻，称为单

20、臂工作电桥；如果电桥两个臂接入应变片称为双臂工作电桥，又称半桥形式；如果四个臂都接入应变片称为全桥形式。 图1-4 直流电桥 图1-5 直流电桥的电流输出1. 直流电桥的电流输出当电桥的输出信号较大，输出端有接入电阻值较小的负载如检流计或光线示波器进行测量时，电桥将以电流形式输出，如图1-5a所示，负载电阻为Rg。由图中可以看出 所以，电桥输出端的开路电压为 = （1-4） 应用有源端口网络定理，电流输出电桥可以简化成图1-5b所示的电路。图中E相当于电桥输出端开路电压，R为网络的入端电阻 R=+ （1-5）由图1-5b可以知道，流过负载Rg的电流为 （1-6）当Ig=0时，电桥平衡。故电桥平

21、衡条件为R1R3=R2R4或当电桥负载电阻Rg等于电桥输出电阻时，即阻抗匹配时，有 Rg=R=+这时电桥输出功率最大，电桥输出电流为 （1-7）输出电压为 （1-8）当桥臂为电阻应变片且有电阻增量时，略去分母中的项，则对于输出对称电桥，R1= R2=R,R3= R4=R(RR)，则有 对于电源对称电桥，R1= R4=R,R2= R3=R(RR)，则有：对于等臂电桥，R1= R2=R3= R4=R，则有由以上结果可以看出，三种形式的电桥，当时，其输出电流都与应变片的电阻变化率及应变成正比，它们之间呈线性关系。2. 直流电桥的电压输出当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以，可以认

22、为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为 （1-9）设电桥为单臂工作状态，即为应变片，其余桥臂均为固定电阻。当感受应变产生电阻增量 时，由初始平衡条件得，代入式（1-9），则电桥由于 产生不平衡引起的输出电压为 （1-10）对于输出对称电桥，此时，R，当臂的电阻产生变化 ，根据式（1-10）可得到输出电压为 （1-11）对于电源电桥，当R1臂产生电阻增量时，由式（1-10）得 （1-12） 对于等臂电桥，当的电阻增量 时，由式（1-10）可得输出电压为 （1-13）由上面三种结果可以看出，当桥臂应变片的电阻发生变化时，电桥的输出电压也随着

23、变化。当 时，电桥的输出电压与应变成线性关系。还可以看出，在桥臂电阻产生相同变化的情况下，等臂电桥以及输出对称电桥的输出电压要比电源对称电桥的输出电压大，即它们的灵敏度要高。因此在使用中多采用等臂电桥或输出对称电桥。在实际使用中，为了进一步提高灵敏度，常采用等臂电桥，四个应变片接成两个差动对称的全桥工作形式，如图1-6所示。 由图1-4可见=R+R，=R-R，=R+R，=R-R，将上述条件代入式（1-9）得 （1-14） 由式（1-14）看出，由于充分利用了双差动作用，它的输出电压为单臂工作的4倍，所以大大提高了测量的灵敏度。UoR+RR-RR+RR-RUo 图1-6 等臂电桥 图1-7 应变

24、片等臂交流电桥 （二）交流电桥交流电桥通常是采用正弦交流电压供电，在频率较高的情况下需要考虑分布电容的影响。1 电桥的平衡条件设交流电桥的电源电压为 （1-15）式中，为电源电压的幅值；为电源电压的角频率，=为电源电压的频率，一般取被测应变最高频率的510倍。在测量中，电桥的桥臂由应变片或固定无感精密电阻组成。由于分布电容的影响（分布电感的影响很小，可不予考虑），当四个桥臂均为应变片时，电桥如图1-7所示。此时交流电桥的输出电压为 （1-16） 式中：电桥平衡的条件则为 （1-17）2 流电桥的输出电压由于电桥是交流电压，因此它的输出电压也是交流电压，电压的幅值和应变的大小成正比。可见，可以通

25、过电桥输出电压的幅值来测量应变的大小，但无法通过输出电压来判断应变的方向。例如，一个单臂接入应变片的等臂电桥，即时，忽略分母中的的影响，根据式（1-16）可以得到 （1-18）对于一个相邻两个桥臂接入差动变化的应变片的等臂桥，即时，根据式（1-16）得 （1-19）式（1-19）与式（1-18）比较灵敏度提高了一倍，即双臂差动比单臂工作效率提高一倍。 （三）电桥的线路补偿1. 零点补偿 电桥的电阻应变片虽经挑选,但要求四个应变片阻值绝对相等是不可能的。即使原来阻值相等，经过贴片后将产生变化，这样就使电桥不能满足初使平衡条件，即电桥有一个零位输出（）。为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小

26、的任一桥臂中串联一个小电阻进行补偿，如图1-8所示。 例如当时，初始不平衡输出电压为负，这时可在桥臂上接入，使电桥输出达到平衡。FF图1-8 零点补偿电路 图1-9 温度补偿电路2. 温度补偿R0RE/2RE/2RT 环境温度的变化也会引起电桥的零点漂移。产生漂移的原因有：电阻应变片的电阻温度系数不一致；应变片材料与被测试件材料间的膨胀率不一致；电阻应变片的粘贴情况不一致。 温度补偿的方法一般采取用补偿片法和热敏元件法。 所谓补偿片法，即用一个应变片作工作片，贴在试件上测应变。在另一块和被测试件结构材料相同而不受应力的补偿块上贴上和工作片规格完全相同的补偿片，使补偿块和被测试件处于相同的温度环

27、境，工作片和补偿片分别接入电桥的相邻两臂，如图1-9所示。由于工作片和补偿片所受温度相同，则两者所产生的热应变相等，因为是处于电桥的相邻两臂，所以不影响电桥的输出。对于温度所引起的零漂移也可认为是由四个桥臂电阻的温度系数不一致所引起的，因此可以在某一桥臂中连接一个 图1-10 零漂移补偿电路温度系数较大的金属电阻。如图1-10所示，在桥臂中串入一个铜电阻。3 弹性模量补偿弹性元件承受一定载荷且温度升高时，弹性模量要减小，因此导致了传感器输出灵敏度变大，使电桥输出增大。补偿的方法可使电桥的输出随温度升高而减小。通常将分别接入桥路两个输入端，以保证桥路对称，见图1-10所示。第二节 湿敏电阻传感器

28、湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。氯化锂湿敏电阻（图1-11）氯化锂湿敏电阻，即电解质湿敏电阻，利用物质吸收水分子而导电率变化检测湿度。在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl以正负离子的形式存在，锂离子（Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高。溶液中的离子导电能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率上升。当溶液置于一定湿度场中，若环境RH上升，溶液吸收水分子使浓度下降，电阻率上升，反之RH下降，溶液失去水分子使浓度上升，电阻率下降（如图1-12）。通过测量溶液电阻值R实现对湿度的测量。图1-11 氯化锂湿敏电阻 图1-12 电阻率与RH关系半

29、导体陶瓷湿敏电阻 半导体湿敏电阻通常用两种以上的金属氧化物半导体烧结成多孔陶瓷，材料有正温度系数和负温度系数两种。负特性半导体瓷湿敏电阻（如ZnO-Li-V2O5），电阻随温度增加而下降。由于水分子中氢原子具有很强的正电场，当水分子在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面俘获电子，使半导体表面带负电，相当于表面电势变负（P型半导体电势下降，N型半导体出现反型层），电阻率随湿度增加而下降。 a. 负特性b. 正特性正特性半导体瓷湿敏电阻（如Fe3O4），材料结构、电子能量状态与负特性不同，总的电阻值升高没有负特性阻值下降的明显。 图1-13 正、负特性图第三节 气敏电阻传感器在现代社会的生产和生活

30、中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓

31、度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。象SnO2金属氧化物半导体气敏材料，属于N型半导体，在200300温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当遇到有能供给电子的可燃气体（如CO等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体电子密度增加，电阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。第二章 电感式传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起

32、线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此，根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。 第一节 差动变压器一、差动变压器的工作原理4321图2-1 差动变压器的结构示意图、1-一次绕组 2 3 二次绕组 4-衔铁L21E2图2-2 差动变压器的等效电路L22E22E21U1M1M2R21R1R22差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的传感器主要包括衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测唯一改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变

33、压器式电感传感器，通常通称差动变压器。如图2-1所示。差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图（2-2）所示。图中U为一次绕组励磁电压；、M分别为一次绕组与两个二次绕组的互感；分别为一次绕组的电感和有效电阻；、分别为两个二次绕组的电感；R、分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。与两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组一边，这时互感大，小，因而二次绕组内感应电动势大于二次绕组内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁

34、移动越大，差动输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组一边移动时，差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此，通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。由图2-2可以看出一次绕组的电流为二次绕组的电动势为由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为其有效值为二、测量电路1差动相敏检波电路图2-3是差动相敏检波电路的一种形式。相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。另外还要求比较电压的幅值尽可能大，一般情况下，其幅值应为信号电压的35倍。2差动整流电路差动整流电路结构简单，一般不需要调整相位，不考虑零点残余

35、电动势的影响，适于远距离传输。图2-4是差动整流的两种典型电路。图2-4a是简单方案的电压输出型。为了克服上述电路中二极管的非线性影响以及二极管正向饱和压降和反向漏电流的不利影响，可以采用图2-4b所示电路。图2-3 差动相敏检波电路移相器VV a b图2-4 差动整流电路 第二节 自感传感器自感式电感传感器可分为变隙型、变面积型和螺管型三种类型。一、螺管型电感式传感器工作原理CSY系列传感系统所用的为螺管式传感器图2-5为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。设线圈长

36、度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为m，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为 lrx12图2-5 螺管型电感传感器1-线圈 2-衔铁2ra二、测量电路交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦MLLc) 紧耦合电感臂电桥UU/2U/2U0b) 变压器式电桥Z1Z2Z1U0UR1UZ1L

37、1L2Z2ZLU0a) 电阻平衡臂电桥图2-6 交流电桥的几种形式R2R1R2Z2合电感线圈。图2-6是交流电桥的几种常用形式。 1电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥如图2-6a所示。Z1、Z2为传感器阻抗。设L1=L2=L;则有Z1= Z2=Z=R+,另有R1=R2=R。由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时，Z1=Z+Z和Z2=ZZ，当ZL时，电桥的输出电压为： （2-2-1）当LR时，上式可近似为： （2-2-2） 由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。2变压器式电桥变压器式电桥如图2-6b所示，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为

38、： a （2-2-3）（2-2-4）由于是双臂工作形式，当衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，则有： 同理，当衔铁上移时，则有： （2-2-5）由式（2-2-4）和式（2-2-5）可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。BV图2-7 带相敏整流的交流电桥图2-7是一个采用了带相敏整流的交流电桥。差动电感式传感器的两个线圈作为交流电桥相邻的两个工作臂，指示仪表是中心为零刻度的直流电压表或数字电压表。设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z2。当衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，C点电位等于D点电位，电表指

39、示为零。当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+Z，则下部线圈阻抗减少，Z2=Z-Z。如果输入交流电压为正半周，则A点电位为正，B点电位为负，二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A-F-D-B支路中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。 如果输入交流电压为负半周，A点电位为负，B点电位为正，二极管V2、V3导通，V1、V4截止，则在A-F-C-B支路中，C点电位由于Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即B点电位为正，A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Z2减少时，C点电位更负）；而在A-E-D-B支路中，D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位，电压表正向偏转。同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表