《传感器检测与应用》（省奖）作者王斌 学习情境2.数显电子秤的制作

1、传感器检测及应用传感器检测及应用学习情境二：力的检测学习情境二：力的检测 数显电子秤的制作数显电子秤的制作情境介绍：情境介绍： 日常生活和生产中广泛使用各种各样的电子秤，它需要用传感器对力进行检测，实现的关键是将物重这一物理量的大小转换成电信号的大小，从而实现显示。 对于力的检测比较常见的是一种应变式的电阻传感器，它主要由弹性敏感元件、电阻应变片和测量转换电路组成。本学习情境在掌握必要的电阻应变片理基础上，通过数显电子秤这一产品的制作，熟悉电阻应变式式传感器应用，实现对力的检测。学习要点：学习要点： l应变传感器的原理，三种测量转换电路的特点；l电阻应变式传感器的分类、特性及应用；l掌握测量应

2、变、拉力、荷重、转矩的方法及计算；l电子秤的工作原理，熟悉制作和调试过程。学习情境二：力的检测学习情境二：力的检测 数显电子秤的制作数显电子秤的制作l知识点拨知识点拨l电阻应变式传感器实现力的检测电阻应变式传感器实现力的检测l数显电子秤的制作数显电子秤的制作l知识拓展知识拓展学习情境二：力的检测学习情境二：力的检测 数显电子秤的制作数显电子秤的制作一、应变效应一、应变效应二、应变片的类型和特性二、应变片的类型和特性三、测量转换电路三、测量转换电路 一、应变效应一、应变效应2llRAr 设有一长度为设有一长度为l l、截面积为、截面积为A A、半径为、半径为r r、电阻率为、电阻率为 的金属单丝

3、，它的电阻值的金属单丝，它的电阻值R R 可表示为可表示为: : 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中上式中 、r r、l l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R R发生变发生变化。化。 2llRAr例如例如, ,金属丝受拉时，金属丝受拉时，l l变长、变长、r r变小，导致变小，导致R R 变大变大 。又如又如，某些半导体受拉时，某些半导体受拉时， 将变大，导致将变大，导致R R变大。变大。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量 R R R R与材料力学中的与材料力

4、学中的轴向应变轴向应变 x x的关系在很大范围内的关系在很大范围内是线性的，即是线性的，即 2-1xRKRK K电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度 对于不同的金属材料，对于不同的金属材料，K K 略微不同，一般为略微不同，一般为2 2左右。左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以会产生很大的变化，所以半导体材料灵敏度比金属材料半导体材料灵敏度比金属材料大几十倍大几十倍。 在材料力学中，在材料力学中， x x = = l l/l/l称为电阻丝的称为电阻丝的轴向应变轴向应变，也称纵向应变，是量纲为也称纵向应变，是量

5、纲为1 1的数。的数。 x x通常很小，常用通常很小，常用1010- -6 6表示之。例如，当表示之。例如，当 x x为为0.0000010.000001时，在工程中常表示时，在工程中常表示为为1 1 1010-6-6或或 m/mm/m。在应变测量中，也常将之称为。在应变测量中，也常将之称为微应微应变变() )。 对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于变最好不要大于1 1 1010-3-3，即，即10001000 m/mm/m，否则有可能超，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。过材料的极限强度而导致断裂。 应变片用于测量力应变片用

6、于测量力F F 的计算公式的计算公式 由材料力学可知，由材料力学可知， x x= =F F / /（AEAE），所以），所以 R R / /R R又可又可表示为表示为 如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K K 和试件的横截面积和试件的横截面积A A以及弹以及弹性模量性模量均为已知，则只要设法测出均为已知，则只要设法测出 R R / /R R的数值，即的数值，即可获知试件受力可获知试件受力的大小，的大小，例如可用于电子秤的称重例如可用于电子秤的称重。 2-2RFKRAE二、应变片的种类和特性二、应变片的种类和特性金属应变片金属应变片 半导体应变片半导体应变片 金属丝式金属丝式 箔式箔式薄膜式薄

7、膜式1 1、类型结构、类型结构lbl称应变片的标距或工作基长; b称应变片的 工作宽度b*l称应变片的规格（1 1）金属丝式）金属丝式 金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。金属丝式应变片的金属丝式应变片的内部结构内部结构 （2 2）箔式）箔式 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。箔式应变片的外形箔式

8、应变片的外形（3 3）薄膜式）薄膜式 真空蒸镀技术制成，特点同上。（4 4）半导体应变片）半导体应变片 半导体应变片灵敏度高，横向效应小，但热稳定性差、电阻与应变间的非线性严重。使用时，需进行非线性补偿。应变片主要性能指标应变片主要性能指标 上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？ 三、测量转换电路三、测量转换电路 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。 例如，例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100

9、，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为0.2，所以必须使用不不平衡电桥平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R /R转换为输出电压Uo的。 不平衡电桥不平衡电桥 3i124o1234() 2-34RURRRURRRR电桥平衡条件：电桥平衡条件： R R1 1/ /R R2 2= =R R4 4/ /R R3 3 )(443210KUUi电桥调零电桥调零 调节调节RPRP，最终可以使，最终可以使R R1 1 / /R R2 2 = =R R4 4/ /R

10、R3 3（ R R1 1 、R R2 2 是是R R1 1、R R2 2并联并联RPRP后的等效电后的等效电阻），电桥趋于平衡，阻），电桥趋于平衡，U Uo o被预调到零位，这一过程被预调到零位，这一过程称为调零。图中的称为调零。图中的R R5 5是用是用于减小调节范围的限流电于减小调节范围的限流电阻。阻。 （1 1）单臂半桥）单臂半桥 R1 R1为应变片，其为应变片，其余电阻为固定电阻余电阻为固定电阻 （2 2）双臂半桥）双臂半桥 R R1 1、R R2 2为应变片，为应变片，R R3 3、R R4 4为固定电阻为固定电阻 。应变应变片片R R1 1 、R R2 2 感受感受到的应变到的应变

11、 1 1- - 2 2以及产以及产生的电阻增量正负号生的电阻增量正负号相间，可以使输出电相间，可以使输出电压压U Uo o成倍地增大。成倍地增大。（3 3）四臂全桥）四臂全桥 全桥的四个桥臂都全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法为应变片，如果设法使试件受力后，应变使试件受力后，应变片片R R1 1 R R4 4产生的电阻产生的电阻增量（或感受到的应增量（或感受到的应变变 1 1 4 4）正负号相间，）正负号相间，就可以使输出电压就可以使输出电压U Uo o成倍地增大。成倍地增大。桥路的温度补偿原理桥路的温度补偿原理 当环境温度升高时，当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度桥臂上的应变片温度同时升高

12、，温度引起同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；所以全桥的温漂较小；双臂半桥也同样能克双臂半桥也同样能克服温漂。服温漂。 结论结论 上述三种工作方式中，四臂全桥工作方上述三种工作方式中，四臂全桥工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。温度自补偿。 一、应变片的粘贴一、应变片的粘贴二、应变传感器的测量二、应变传感器的测量（1）去污去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细

13、纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。一、应变片的粘贴一、应变片的粘贴 （2 2）贴片贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡 。 （3）测量测量 ：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。 （4）焊接焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。 （5）固定固定： 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。二、应变传感器的测量二、应变传感器的测量 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应应变

14、效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。将应变力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路。（1 1）应变式力传感器应变式力传感器 应变式力传感器（环式）应变式力传感器（环式） FFFF应变式力传感器（悬臂梁）应变式力

15、传感器（悬臂梁）各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆（2 2）应变式荷重传感器应变式荷重传感器 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形：荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形：轴向变短，径向变长。轴向变短，径向变长。 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置R1R2 R4应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置FFFF汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡称重系统汽车衡称重系统荷重传感器计算公式荷重传感器计算公式 当当K KF F为常数时，桥路所加的激励源电压为常数时，桥路所加的激励源电压U Ui i越高，越高，满量程输

16、出电压满量程输出电压U Uomom也越高。也越高。ioommmFK UFUUFFFiomFUUK荷重传感器应用估算荷重传感器应用估算 例例2-22-2 现用图现用图2-82-8所示的荷重传感器称重。当桥路电压为所示的荷重传感器称重。当桥路电压为6V6V时，测得桥路的输出电压为时，测得桥路的输出电压为24mV24mV，求被测荷重为多少吨。，求被测荷重为多少吨。 解：从图解：从图2-82-8所示的荷重传感器铭牌上得到所示的荷重传感器铭牌上得到F F m m=100=100 10103 3N N，K KF F= 2mV/V= 2mV/V，根据公式有根据公式有：333O3Fi100 106 1012.

17、5 10 N1.3t2 1024mF UFKU ioommmFK UFUUFFF 在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4 4个荷重个荷重传感器，量程传感器，量程F Fm m =20t =20t， 灵敏度灵敏度K KF F =2.5mV/V=2.5mV/V，使用，使用4 4个个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，独立的桥路电源，每一个电源电压均相等， U Ui i =12V =12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压U Uo o =24mV =24mV， 请估算汽车的质量。请估算汽车的质量。 汽车在钢板上有少许

18、的前、后、左、右偏位，汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，是否会影响测量结果？为什么？是否会影响测量结果？为什么？ 荷重传感器用于构件的称重荷重传感器用于构件的称重 荷重传感器荷重传感器（共（共 3 3个，个，120120度分布，度分布，以达到均衡目的）以达到均衡目的）底座底座垫块垫块电缆电缆构件构件电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤远距离显示电子天平电子天平电子天平的精度可达十万分之一人体秤人体秤 便携式便携式吊钩秤吊钩秤 电子秤的实现，最根本的要求便是将物体重量的大小转换为电信号的大小，并加以显示出来。应变电阻片可以实现重量的检测。通过数显电子秤这一实际产品的制作，熟悉应变式传感器的应用

19、，掌握这一传感器在物重检测中的使用和实现方法。一、制作简介一、制作简介l数显电子秤具有真确度高，易于制作，成本低廉，体积小巧，使用等特点。l本任务要成完成一个数显电子秤的制作，要求分辨力为1g，在2kg的量程范围内测量精度可达0.5%RD1字。二、制作实现方案二、制作实现方案 实现方案如下图。利用由电阻应变式传感器将物体的荷重转换为微弱的电信号，再由测量放大电路对弱电压信号进行放大，后以模拟信号的方式传送到A/D转换器。再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。电 阻 应变 式 传感 器 输出信号测量放大电路放大信号显 示 电路A/D转换电路三

20、、电路原理三、电路原理 如图所示，主要部分为电阻应变传感器R1，IC2、IC3组成的测量放大电路，以及IC1和外围元件组成的数显面板表。R1采用E350ZAA箔式应变片，其常态阻值为350。四、元件选择四、元件选择1）IC1选用ICL7126集成块；IC2、IC3选用高精度低温标精密运放OP-07；IC4选用LM3851.2V。2）传感器RI选用E350ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值为350。3）各电阻元件宜选用精密金属膜电阻。4）RPI选用精密多圈电位器，RP2、RP3经调试后可分别用精密金属膜电阻代替。5）电容中C1选用云母电容或瓷介电容。五、制作五、制作 1 1）电子线路的制作）电子线

21、路的制作 元件布置：横平竖直，间距适当； 锡焊：控制焊点大小，注意虚焊； 2 2）变形钢件的制作）变形钢件的制作 可用普通钢锯条制作，先将锯齿磨平，再将锯条加热弯成“U”形，并在对应位置钻孔，以装显示部件。然后再进行淬火和表面处理，秤钩粘于钢件底部。应变片用应变胶粘剂粘接于钢件变形最大的部位。六、调试六、调试1）在秤体自然下垂无负载时调RP1，显示为零；2）再调整RP2，使秤体承担满量程2千克时显示满量程值；3）然后在秤钩下悬挂1千克的标准砝码，观察显示器是否显示1.000，如有偏差，可调整RP3值，使之准确显示1.000；4）重新进行2、3步骤，使之均满足要求为止；5）准确测量RP2、RP3

22、值，用固定精密电阻代替；l是否熟悉电阻应变片的功能；l是否正确利用应变片进行力的检测；l数显电子秤的制作过程是否规范；l制作的电子秤能否成果在量程内进行重量的测量。 电阻应变式传感器的其他用途电阻应变式传感器的其他用途 差动变压器传感器实现的压力变送器差动变压器传感器实现的压力变送器 电感传感器的其他用途电感传感器的其他用途（1 1）应变式数显扭矩扳手）应变式数显扭矩扳手 用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有单位转换、峰值保持、自动断电等功能。 电阻应变式传感器的其他用途电阻应变式传感器的其他用途（2 2）

23、应变式）应变式加速度传感器加速度传感器（3 3）压）压阻式固态压力传感器阻式固态压力传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器( (续续) )呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p p1 1进气管进气管p p2 2进气管进

24、气管固态压力传感器固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器( (续续) )表压压力传感器表压压力传感器(P2(P2敞开敞开) )p p1 1进气管进气管小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器( (续续) )绝对压力传感器绝对压力传感器(P2(P2抽真空抽真空) )压阻式固态压力传感器内部结构压阻式固态压力传感器内部结构信号处理电路信号处理电路 应用应用: :投入式液位传感器投入式液位传感器安装高度安装高度h h0 0处水的表压处水的表压: : p1= gh1 液位液位高度高度: : h=h0+h1=h0+p1 /（ g） 投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力

25、传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。 隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。 投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。 投入式液位计投入式液位计投入式液位计外形投入式液位计外形压阻式固态压阻式固态压力传感器压力传感器 光柱显示器光柱显示器 橡胶背压管橡胶背压管 （4 4）电阻应变仪）电阻应变仪上图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率： 1；电桥电压：直流2.5V； 应变片：120或其他阻值； 测量点数：8/16点；电阻应变仪电阻应变仪 右图所示的静动态应变

26、仪技术指标： 量程：110000 频率范围：0-150kHz l平衡方式：手动 l精度：0.3% l零点飘移：- /：0.1- /24小时：0.5l灵敏度变化：- /：0.05%- /24小时：0.3% l信噪比：52dB电阻应变仪电阻应变仪接线端子接线端子材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试 差动变压器传感器实现的差动变压器传感器实现的压力变送器压力变送器l自感式传感器性能分析自感式传感器性能分析l差动变压器式传感器性能分析差动变压器式传感器性能分析 l差动变压器式压力变送器的实现差动变压器式压力变送器的实现 所谓压力变送器是能将测压元件传感器感受到的

27、气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号(如4-20mADC等)， 以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。这里可以由差动变压器式电感传感器来实现。 电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示结论：气隙变小，电感变大，电流变小结论：气隙变小，电感变大，电流变小F F 自感式传感器性能分析自感式传感器性能分析 一、基本工作原理一、基本工作原理 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻R Rm m也较大，线也较大，线圈的电感量圈的电感量L L和感抗和感抗X XL L 较小，所以电流较小，所以电流I I 较大。当铁较大。当铁心闭合时，磁

28、阻变小、电感变大，电流减小。心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。 (3 1)2LUUUIZXfL二、基本结构二、基本结构 主要由线圈线圈、铁心铁心、衔衔铁铁及测杆测杆等组成。工作时，衔铁通过测杆与被测物体相接触，被测物体的位移将引起线圈电感量的变化，通过转换电路，电感的变化可转换成电压、电流或频率的变化，从而实现非电量到电量的转换。 自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 变隙式变隙式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 N N：线圈匝数；：线圈匝数； A A ：气隙的有效截面积；：气隙的有效截面积； 0 0 ：真空磁导率；：真空磁导率； ：气隙厚度。：气隙厚度。 电感量计算

29、公式电感量计算公式 ：20 2NAL1 1、变隙式电感传感器、变隙式电感传感器 在线圈匝数确定后，保持气隙截面不变，则在线圈匝数确定后，保持气隙截面不变，则电感与气隙厚度成反比关系。电感与气隙厚度成反比关系。输出特性曲线输出特性曲线特点：特点：气隙越薄，气隙越薄，灵敏度越高。为灵敏度越高。为保证一定的线性保证一定的线性度，只能用于微度，只能用于微小位移的测量。小位移的测量。 20212ANddLK变隙式电感传感器的灵敏度为变隙式电感传感器的灵敏度为: : L2 2、变截面式电感传感器、变截面式电感传感器 在线圈匝数确定后，若气隙厚度为常数，则在线圈匝数确定后，若气隙厚度为常数，则电感与气隙截面

30、积成线性关系。电感与气隙截面积成线性关系。 20 2NAL变截面式电感传感器的灵敏度为变截面式电感传感器的灵敏度为: : 00222NdAdLKLA特点：特点：其线性区其线性区较小，灵敏度较较小，灵敏度较低低 。 3 3、螺管式电感传感器、螺管式电感传感器 单线圈螺管式电感传感器主要由一只螺管线圈螺管线圈和一根柱形衔铁柱形衔铁构成。传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺管线圈电感量的变化。当衔铁工作在螺管的中部时，可认为线圈内磁场强度是均匀的。此时线圈电感量L与衔铁插入深度基本成正比。特点：特点：结构简单，制作容易，但灵敏度稍低，适用于测量稍大一点的位移。 上述三种电感传感器在使用时

31、，由于线圈中通有交流激励电流，因而衔铁始终受到电磁吸力，会引起振动和附加误差，且非线性误差较大。另外，外界的干扰如电源电压频率的变化，温度的变化都使输出产生误差。 小结小结解决：差动电感传感器解决：差动电感传感器（1 1）结构特点）结构特点：由两个完全相同的单个线圈的电感传感器共用一根活动衔铁。4 4、差动电感传感器、差动电感传感器1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件 变隙式 螺线管式（2 2）工作原理）工作原理 请分析：灵敏度、请分析：灵敏度、 线性度有何变化线性度有何变化1 1、2 2为为L L1 1、L L2 2 的特性，的特性

32、，3 3为差动特性为差动特性 在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。 （3 3）特点）特点 差动式电感传感器的差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。 从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差

33、。测量误差。 l测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。压或电流的变化，以便用仪表指示出来。三、测量转换电路三、测量转换电路 四个桥臂分别为传感器两个四个桥臂分别为传感器两个线圈阻抗（相邻）和激励变压器线圈阻抗（相邻）和激励变压器二次绕组。当衔铁处于中间位置二次绕组。当衔铁处于中间位置时，由于线圈完全对称，电桥平时，由于线圈完全对称，电桥平衡，输出电压衡，输出电压=0=0。1 1变压器电桥电路变压器电桥电路 当衔铁下移时，下线圈感抗增加，而上线圈感抗减小时。输出电压绝对值增大，其相位与激励源同相。衔铁上移时，输出电

34、压相位与激励源反相。若在转换电路输出端接上普通指示仪表时，无法判别输出的相位和位移的方向。特点：特点：只判别位移的大小，无法判别出位移的方向。只判别位移的大小，无法判别出位移的方向。 如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路相敏检波电路。2 2、相敏检波电路、相敏检波电路 可反映位移的大小（幅值），还可反映位移的可反映位移的大小（幅值），还可反映位移的方向（相位）方向（相位） a）非相敏检波 b）相敏检波 1理想特性曲线 2实际特性曲线 输出特性曲线输出特性曲线 敏检波电路的敏检波

35、电路的输出电压为直输出电压为直流，其极性由流，其极性由输入电压的相输入电压的相位决定。当衔位决定。当衔铁下移时，检铁下移时，检流计指针正偏，流计指针正偏，衔铁上移时，衔铁上移时，检流计指针反检流计指针反偏。偏。 通过调零电路，通过调零电路，可使输出曲线平移到可使输出曲线平移到原点。原点。标定位移时的实验数据及曲线标定位移时的实验数据及曲线 单相变压器有一个一次线圈（又称为初级线单相变压器有一个一次线圈（又称为初级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈加上交流激磁电压次线圈加上交流激磁电压U Ui i后，将在二次线圈中产后，将在二次线圈中

36、产生感应电压生感应电压U UO O。 在全波整流电路中，在全波整流电路中，两个二次线圈串联，总两个二次线圈串联，总电压等于两个二次线圈电压等于两个二次线圈的电压之和。的电压之和。 若一个若一个二次绕组同名端对调后，二次绕组同名端对调后，则总电压为两者之差，则总电压为两者之差，此种接法为此种接法为差动接法差动接法。 差动变压器式传感器性能分析差动变压器式传感器性能分析 一、差动变压器式传感器的工作原理一、差动变压器式传感器的工作原理 1 1、差动变压器式传感器、差动变压器式传感器：把被测位移量转换为一次线：把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量圈与二次线圈间的互感量M M的变化的装置。的

37、变化的装置。 由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变螺线管式差动变压器压器。 4 43 32 21 11一次绕组2、3二次绕组4衔铁2 2、差动变压器式传感器的等效电路、差动变压器式传感器的等效电路 结构特点：结构特点： 两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。 请将二次线圈请将二次线圈N N2121、N N2222的有关端点的有关端点正确地连接起来，正确地连接起来，并指出哪两个为输并指出哪两个为输出端点。出端点。3 3、差动变压器

38、输出特性曲线差动变压器输出特性曲线副0u0u0u22u21x副原线圈差动变压器输出特性曲线差动变压器输出特性曲线产生零点残余电压原因产生零点残余电压原因结构不完全对称；结构不完全对称；存在寄生参数；存在寄生参数；电源存在高次谐波；电源存在高次谐波；磁路的磁化曲线存在磁路的磁化曲线存在非线性非线性二、主要性能二、主要性能 1 1、灵敏度、灵敏度 差动变压器的灵敏度一般可达差动变压器的灵敏度一般可达0.5-5V/mm0.5-5V/mm，行程越行程越小，灵敏度越高小，灵敏度越高。 为了提高灵敏度，励磁为了提高灵敏度，励磁电压在电压在10V10V左右左右为宜。电源为宜。电源频率以频率以1-10kHz1

39、-10kHz为好。为好。 2 2、线性范围、线性范围 一般线性范围约为一般线性范围约为线圈骨架长度的线圈骨架长度的1/101/10左右，只左右，只有中间部分线性较好。有中间部分线性较好。例：欲测量例：欲测量2 20mm0mm 2 2mmmm轴的直径误差，应选轴的直径误差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）为宜感传感器）为宜 ？三、测量电路三、测量电路 差动变压器的输出电压是交流分量，它与衔铁差动变压器的输出电压是交流分量，它与衔铁位移成正比，其输出电压如用交流电压表来测量时，位移成正比，其输出电压如用交流电压表来测量时，无法判别衔铁移动的

40、方向。无法判别衔铁移动的方向。方法：方法：1 1差动相敏检波电路差动相敏检波电路2 2差动整流电路差动整流电路差动整流电路差动整流电路差动整流的特点差动整流的特点 电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。向。 差分变压器传感器产品差分变压器传感器产品TD-1油动机行程阀位位移传感器交流差分变压器式角位移传感器 GA系列差分变压器位移传感器一、压力测量用的膜盒一、压力测量用的膜盒

41、 膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为直线位移。 差动变压器式压力变送器的实现差动变压器式压力变送器的实现 二、实现的基本原理二、实现的基本原理 压力变送器结构压力变送器结构 当被测压力导入膜盒时，膜盒在被测介质的压力作用下，其自由端产生一正比于被测压力的位移，测杆带动衔铁向上位移，在差动变压器的二次线圈中产生的感应电动势发生变化而有电压输出，此电压经处理电路处理后，送给二次仪表加以显示。三、压力变送器的原理电路三、压力变送器的原理电路l电路分析电路分析 220V交流电通过降压、整流、滤波、稳压后，由多谐振荡器和功率驱动电路转变为6V、2kHz的稳频、稳幅交流电压，作为差动的激励源。差动变压器的二次侧输出电压通过半波差动整流电路、滤波电路后，作为变送器输出信号。线路中RP1为调零电位器，RP2为量程电位器。差动整流的输出可以进一步作U/I变化，使之为电流输出型变送器。 电感式传感器的其他应用电感式传感器的其他应用 （1）位移测量位移测量 轴向式电感测微器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头 凡是能转换成位移变化的参数，如压力、力、压差、加速度、振动及工件尺寸等均可用电感传感器来测量。 轴向式电感测微器的内部结构轴向式电感测微器的