1、第三章 压力检测仪表压力是工业生产过程中重要工艺参数之一。许多工艺过程只有在一定的压力条件下进行，才能取得预期的效果；压力的监控也是安全生产的保证。压力的检测和控制是保证工业生产过程经济性和安全性的重要环节。压力测量仪表还广泛地应用于流量和液位测量方面。1 压力概念和单位压力概念：在工程上， “压力”定义为垂直均匀地作用于单位面积上的力，通常用 P 表示，对应于物理学中的压强。单位：国际标准单位为帕斯卡，简称为帕，符号为 Pa，加上词头又有千帕、兆帕等，我国规定帕斯卡为压力的法定单位。目前，工程技术中仍常用的单位还有工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。在工程上，压力有几种不同的表
2、示方法，并且有相应的测量仪表。(1)绝对压力 被测介质作用在容器表面积上的全部压力称为绝对压力。用来测量绝对压力的仪表，称为绝对压力表。(2)大气压力 由地球表面空气柱重量形成的压力，称为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化，其值用气压计测定。(3)表压力 通常压力测量仪表是处于大气之中，则其测得的压力值等于绝对压力和大气压力之差，称为表压力。一般地说，常用的压力测量仪表测得的压力值均是表压力。(4)真空度 当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值(负压力)，其绝对值称为真空度，用来测量真空度的仪表称为真空表。(5)差压 设备中两处的压力之差简称为差压。生产过程中有时直接以差压作为工
3、艺参数，差压测量还可作为流量和物位测量的间接手段。压力检测的主要方法及分类：根据不同工作原理，主要的压力检测方法及分类有如下几种。（1）重力平衡方法液柱式压力计 基于液体静力学原理。被测压力与一定高度的工作液体产生的重力相平衡，将被测压力转换为液柱高度来测量，其典型仪表是 U 形管压力计。这类压力计的特点是结构简单、读数直观、价格低廉，但般为就地测量，信号不能远传；可以测量压力、负压和压差；适合于低压测量，测量上限不超过 0.10.2 Mpa；精确度通常为 0.02%0.15%。高精度的液柱式压力计可用作基准器。负荷式压力计 基于重力平衡原理。其主要型式为活塞式压力计。被测压力与活塞以及加于活
4、塞上的砝码的重量相平衡，将被测压力转换为平衡重物的重量来测量。这类压力计测量范围宽、精确度高(可达0.01%、性能稳定可靠，可以测正压、负压和绝对压力，多用作压力校验仪表。单活塞压力计测量范围达 0.042500MPa，此外还有测量低压和微压的其他类型的负荷式压力计。(2)机械力平衡方法这种方法是将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力可以测知被测压力。力平衡式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。这种类型的压力、差压变送器在电动组合仪表和气动组合仪表系列中有较多应用。(3)弹性力平衡方法此种方法利用弹性元件的弹性变形特性进行测量。被测压力使测压弹性元件产生变形
5、，因弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡，测量弹性元件的变形大小可知被测压力。此类压力计有多种类型，可以测量压力、负压、绝对压力和压差，其应用最为广泛。(4)物性测量方法基于在压力的作用下，测压元件的某些物理特性发生变化的原理。电测式压力计 利用测压元件的压阻、压电等特性或其他物理特性，将被测压力直接转换为各种电量来测量。多种电测式类型的压力传感器，可以适用于不同的测量场合。其他新型压力计 如集成式压力计、光纤压力计等。2 液柱式压力计最早使用的一种压力计。简单、可靠、精度比较高、价格低廉。历史上曾是准确测量压力的唯一仪器。虽然现在已出现一系列新型仪表。实际上此种压力计还在使用，有时还用来检
6、验其它型式的仪表。3 弹性式压力计弹性压力计利用弹性元件受压变形的原理。弹性元件在弹性限度内受压变形，其变形大小与外力成比例，外作用力取消后，元件将恢复原有形状。利用变形与外力的关系，对弹性元件的变形大小进行测量，可以求得被测压力。弹性压力计的组成一般包括弹性元件、变换放大机构、指示机构和调整机构等几个主要环节。弹性元件是仪表的核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选液柱式压力计择和设计；变换放大机构作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构如指针与刻度标尺，用于给出压力示值；调整机构是用于调整仪表的零点和量程。弹性元件主要有以下几种形式。(1)弹性膜
7、片 这是一种外缘固定的片状弹性元件，膜片的弹性特性一般由中心位移与压力的关系表示。按剖面形状及特性，弹性膜片又分为平膜片、波纹膜片和挠性膜片。平膜片的使用位移很小，弹性特性有良好的线性关系。波纹膜片是压有环状同心波纹的圆膜片，波纹的形状有正弦形、锯齿形、梯形等。其位移与压力的关系，由波纹的形状、深度和波纹数确定。为了测量微小压力，还可以制成膜盒，以增大膜片位移。挠性膜片仅作为隔离膜片使用，它要与测力弹簧配用。(2)波纹管 波纹管由整片弹性材料加工而成，是一种壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭的薄壁圆管。波纹管的开口端固定，由此引人被测压力。在其内腔及周围介质的压差作用下，封闭端将产生位移，此位
8、移与压力在一定的范围内呈线性关系。在使用时一般要应用在线性段，也可以在波纹管内加螺旋弹簧以改善特性。用波纹管作弹性元件的压力计，一般用于测量较低压力或压差。(3)弹簧管 弹簧管是一根弯成圆弧状的、具有不等轴截面的金属管。常见的不等轴截面是扁圆和椭圆形。弹簧管的一端封闭并处于自由状态为自由端，另一端开口为固定端，被测压力由固定端通人弹簧管内腔。在压力的作用下，弹簧管横截面有变圆的趋向，弹簧管亦随之产生向外伸直的变形，从而引起自由端位移。自由端的位移量与所加压力有关，可以由此得知裤被测压力的大小。单圈弹簧管中心角一般是 2700，为了增加位移量，可以做成多圈弹簧管型式。弹性元件常用的材料有铜合金、
9、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。近来半导体硅材料得到了更多的应用。下表给出几种弹性元件的结构示意及特性。各种弹性元件组成了多种型式的弹性压力计，它们通过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力计、波纹管差压计、膜盒式压力计等。弹簧管压力计是最常用的直读式测压仪表，其一般结构如下图所示。被测压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改变放大比，调整仪表的量程。转动轴上装
10、有游丝，用以消除两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。直接改变指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。 工程中应用最广泛的压力仪表：弹性式压力计是利用弹性元件受压力作用后产生弹性形变，将变形转换成位移，通过位移变化来测试压力大小。各种弹性元件输出的位移或力必须经过一定的机械传动（直接指示）或变送器转换成标准信号。变送器有两种形式：开环式和闭环式。开环式：位移（力） R、L、C 等电参数，然后经一定的电路变成标准信号，这种变送器原理简单，但材料工艺和电路的要求比较高。随着科技进步，此种压力变送器越来越多。闭环式：利用负反馈保证仪表精度，目前应用较多的力平衡式变送器就属于这一类。4 力平衡
11、式压力变送器工作原理：被测量压力 P 经波纹管转换成 作用于杠杆左端 A 点，使杠杆绕支点 O 作逆时针旋转，iF稍一偏转，位于杠杆右端的位移检测元件便有感觉，使电子放大器产生一定的输出电流 。此电流流过oI反馈线圈和变送器的负载，并与永久磁铁作用产生一定的电磁力，使杠杆 B 点受到反馈力 ，形成一fF个使杠杆作顺时针转动的反力矩。由于位移检测放大器极其灵敏，杠杆实际上只要产生极微小的位移，放大器便有足够的输出电流形成反力矩与作用力矩相平衡。当杠杆处于平衡状态时，输出电流 正比于oI被测量压力 P。这种闭环式的力平衡结构的优点：首先在于当弹性材料的弹性模数温度系数较大时，可以减小温度的影响。因
12、为这里的平衡状态不是靠弹性元件的弹性反力来建立的，当位移检测放大器非常灵敏时，杠杆的位移量很小，若整个弹性系统的刚度设计的很小，那么弹性反力在平衡状态的建立中无足轻重，可以忽略不计。这样，弹性元件的弹性力随温度的漂移就不会影响这类变送器的精度。此外，由于变换过程中位移量很小，弹性元件的受力面积能保持恒定，因而线性度比较好。由于位移量小，还可以减小弹性迟滞现象，减小仪表的变差。为了说明这些优点，通过这种变送器的静态结构图（方框图）来分析。作用力矩 与反馈力矩 之差 使杠杆绕支点 O 旋转，转角 。这里 是杠杆系统的iMfMM扭转刚度，它的大小表示要使杠杆产生单位转角所需的力矩。当杠杆转动时，位移
13、检测点 C 处就有位移 ，其中 为检测点 C 到支点 O 的距离。该位移CldCl被检测并转换为电流输出 。图中 K 表示位移检测放大器的传递系数。oI输出电流 流过反馈线圈，产生电磁反馈力 ，其中 C 为电磁铁的传递系数。此力乘力臂oI ofIF即为反馈力矩 。OBlfM系统的闭环传递函数为： iOABOCo PlSlKlI 1当开环增益很大，即 时，上式可简化为：1BOCll iOBAolCSI由此可知，这种变送器具有一切闭环系统的共同特点，即在开环增益足够大时，其输入量和输出量的关系只取决于输入环节及反馈环节的传递函数，而与正向通道环节的传递函数无关。在上述的力平衡压力变送器中，杠杆系统
14、(包括弹性测量元件)的刚度 和位移检测放大器的传递系数K 都处于正向通道内，只要开环增益足够大，它们的变化不会影响输出值 。因此，弹性测量元件的弹oI性模数随温度的变化，不会影响仪表的精度。这里需要说明，力平衡仪表虽然对弹性反力的变化不甚敏感，但对杠杆系统任何一处存在的摩擦力却是十分敏感的，因为摩擦力矩的引入相当于在比较点引入干扰，会直接引起误差，造成死区和变差。为此，力平衡仪表中支承点都使用弹簧钢片做成弹性支承，以避免摩擦力的引入。从上面的分析看到，在力平衡变送器中，只要测压元件的有效面积 S 能保持恒定，磁铁的磁场强度均匀稳定，力臂的长度 、 不变，便可得到较好的变换精度。OAlB5 微小
15、位移电变换方法5.1）霍尔元件5.1.1)霍尔效应一块长为 、宽为 、厚为 的半导体薄片置于磁感应强度为月的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，如lbd下图所示。当有电流 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 。这种现象称为霍尔效应。I HU假设薄片为 N 型半导体，在其左右两端通以电流 I(称为控制电流)。那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流 I 相反的方向运动。由于外磁场 B 的作用，使电子受到洛仑兹力 FL作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力 FE阻止电子继续偏转。当 FE与
16、 FL相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立电场，称为霍尔电场 EH，相应的电势就称为霍尔电势 UH。BIKnedIH霍尔元件的灵敏度系数 。金属中自由电子浓度 n 很高，因此 很小，使输出 极ned1 HKHU小，不宜作霍尔元件，因此霍尔元件都是由半导体材料制成。如果是 P 型半导体，其载流于是空穴。一般电子迁移率大于空穴迁移率。因此霍尔元件多用 N 型导体材料，霍尔元件越薄(即 d 越小)， 就越大，所以一般霍尔元件都比较簿。薄膜霍尔元件厚度只有 1um 左右。由霍尔电势公式可知，当控制电流(或磁场)方向改变时，霍尔电势方向也将改变，但电流
17、与磁场方向同时改变时，霍尔电势方向不变；当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势 的大小正比于控制电流HUI 和磁感应强度 B，因此霍尔元件可用来测量磁场(I 恒定)、检测电流(B 恒定)。当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时，输出霍尔电势反映了磁场变化此可测微小位移、压力、机械振动等。霍尔式传感器转换效率较低，受温度影响大，但其结构简单，体积小，坚固，频率响应宽，动态范围(输出电势的变化)大，无触点，使用寿命长，可靠性高，易微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动控制、电磁测量、计算装置以及现代军事技术等领域中得到广泛应用。5.1.2)霍尔元件材料及构造：用于制造霍尔元件的材料主要有以下几种。锗
18、(Ge)，N 型及 P 型均可。其电阻率约为 10-2(m)。在室温下载流子迁移率为 3.6103(cm2v-1s-1)。霍尔系数可达 4.25103(cm2c-1)。而且提纯和拉单晶都很容易，故常用于制造霍尔元件。硅(Si)，N 型及 P 型均可。其电阻率约为 1.510-2(m)，N 型硅的载流子迁移率高于 P 型硅。N 型硅霍尔系数可达 2.25103(cm2c-1)。砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。纯砷化铟样品的载流子迁移率可达3104(cm2v-1s-1)，电阻率较小，约为 2.510-3(m)。锑化铟的载流子迁移率可达 6104(cm2v-1s-1)
19、，电阻率约为 710-3(m)。它们的霍尔系数分别为 350 和 1000。由于两者迁移率都非常高，而且可以用化学腐蚀方法将其厚度减薄到 10um，因此用这两种材料制成的霍尔元件有较大的霍尔电势。霍尔元件的外形，结构和符号如下图所示。霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四极引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为 420.1 mm3)。在它的长度方向两端面上焊有两根引线(图中 a、b 线)，称为控制电流端引线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极(或称激励电极)，要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触(无 PN 结特性)。在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有两根
20、霍尔输出端引线(图中 c、d 线)，通常用绿色导线。其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与长度之比要小于 0.1，否则影响输出。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。霍尔元件在电路中可用图(c)的两种符号表示。5.1.3)测量电路：霍尔元件的基本测量电路如下图所示。激励电流由电源正供给，可变电阻 RP用来调节激励电流 I 的大小。只 RL为输出霍尔电势 UH的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。集成霍尔传感器(根据电路和霍尔元件的工作条件不同，分为线性型、开关型)5.1.4)技术指标：额定激励电流、输入电阻、输出电阻、不等位电势及零位电阻、寄生直流电势
21、等。5.1.5)霍尔传感器的补偿：不等位电势补偿和温度补偿。5.1.6)应用： 位移测量开关霍尔集成电路结构 压力测量 钳型电流表、钳型电流传感器 转速测量、长度测量系统测量轮和传感器安装示意图 霍尔传感器安装图5.2）电感式元件电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。电感式传感器具有以下优点：结构简单可靠，输出功率大，抗干扰能力强，对工作环境要求
22、不高，分辨力较高(如在测量长度时一般可达 0.1um)，示值误差一般为示值范围的 0.1-0.5，稳定性好。它的缺点是频率响应低，不宜用于快速动态测量。一般说来，电感式传感器的分辨力和示值误差与示值范围有关。示值范围大时，分辨力和示值精度将相应降低。电感式传感器种类很多。有利用自感原理的自感式传感器(通常称电感式传感器)，利用互感原理通常做成的差动变压器式传感器。自感式传感器5.2.1 工作原理电感式位移传感器种类繁多，目前常用的有变气隙型、变面积型和螺管型三种，如下图所示。虽然形式不同，但都包含线圈、铁芯和活动衔铁三部分。对变间隙型传感器，气隙的大小随被测量的改变而变化，使磁路中气隙的磁阻发
23、生变化，从而引起线圈电感的变化。这种电感量的变化与气隙的大小(即位移量)相对应，因此，只要能测山这种电感量的变化，就能测出位移的大小。变面积型是气隙长度保持一定，而铁芯与衔铁之间相对覆盖面积随被测位移量的变化而改变，从而导致线圈电感的变化。螺管型传感器是线圈电感随着衔铁插入长度的变化而变化。理论上，电感相对变化量与衔铁位移相对变化量成正比，但由于线圈内磁场强度沿轴向分布不均匀，所以实际上，它的输出仍有非线性。 20SuWL下面进一步分析在衔铁变动后， 与 关系的非线性，设衔铁处于起始位置时，电感传感器的初始气隙为 ，初始电感 ，当衔铁向上位移 时，传感器气隙将减小，即 ，0020 0这时电感将
24、增大为 ，电感的变化量为 ，相对改变量为：)(20SuWL 00L，当 时，将上式展开成级数1000L10。同理，如果衔铁向下位移 时，传感 3220 )()(1 00000 器气隙将增加， ，这时电感将减小为 ，电感的变化量为0 )(02SuWL，相对改变量为： ，当 时，将上00L )1(00010式展开成级数 。如果不考虑包括二次项以上的高次项，则 与320)(000 L成比例关系。因此，高次项的存在是造成非线性的原因。但当 越小时，高次项将迅速减小，非线 0性可以得到改善；然而，这又会使传感器的测量范围（即衔铁允许工作位移）变小。所以，对输出特性线性的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的
25、。故这种传感器只能用于微小位移的测量。传感器的灵敏度为 ，从提高传感器灵敏度的角度看，初始间隙应尽量小，结果是被测量的范围也变小。0LS如果增加线圈匝数和铁芯截面积，可以提高灵敏度，但必将增加传感器的几何尺寸和重量。在这三种传感器中变气隙式灵敏度最高，且随气隙的增大而减少，非线性误差大。为了减少非线性误差，量程必须限制在较小范围内，所以只能用于微小位移的测量，一般为 0.001mm1mm；变面积型传感器灵敏度比变间隙型小，理论灵敏度为一常数，因而线性好，量程也比变间隙式大，它的应用也比变间隙型多；螺管型传感器在三种中量程最大，可达几十毫米，灵敏度低，但结构简单便于制作，因而应用比较广泛。这三种
26、类型的传感器，由于线圈中流过负载的电流不等于零，存在起始电流，非线性较女，而且有电磁吸力作用于活动衔铁。易受外界干扰的影响，如电源电压和频率的波动、温度变化等都将使输出产生误差，所以不适用于精密测量，只用在一些继电信号装置。在实际应用中，广泛采用的是差动式电感传感器。5.2.2 差动形式两只完全对称的电感传感器合用一个活动衔铁，便构成差动电感传感器，如下图所示。在起始位置时，衔铁处于中间位置，两边的气隙相等，因此两只电感线圈的电感量在理论上相等。当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时，造成两边气隙不等，使两只电感线圈的电感量一增一减，它们之差为：，可见 中不存在偶次项，这说明差动电感传感)()(2
27、503001 L 21L器的非线性小得多，其灵敏度为 ，是单个电感传感器的 2 倍。02LS5.2.3 测量电路见课本 P49-505.2.4 应用压力测量、厚度测量、焊条偏心度测量等JGH 型电感测厚仪下图是用差动式电感传感器组成的测厚仪电路图。 电感传感器的两个线圈 和 作为两个相邻的桥臂，1L2另外两个桥臂是电容 C1和 C2。桥路对角线输出端用 4 只二极管 D1D 4组成相敏整流器，由电流表 M 显示。在二极管中串联 4 个电阻 R1R 4作为附加电阻，目的是为了减少由于温度变化时，相敏整流器的特性变化所引起的误差，所以应尽可能选用温度系数较小的线绕电阻。R 5是调零电位器，R 6用
28、来调节显示器 M 满刻度用。电桥的电源由接在对角线 ab 的变压器 B 供给，变压器原边采用磁饱和交流稳压器 R7和C4，电路中 C3起滤波作用 SD 为指示灯。差动变压器式传感器差动变压器则是把被测量的变化变换为线圈的互感变化。差动变压器本身是一个变压器，初级线圈输入交流电压，次级线圈感应出电势，当互感受外界影响变化时，其感应电势也随之相应的变化。由于它的次级线圈接成差动的形式，故称差动变压器。差动变压器具有结构简单，测量精度高，灵敏度高及测量范围宽等优点，故应用较广。下面以应用较多的螺管式差动变压器为例说明其特性，它可以测量一至上百毫米的机械位移。5.2.1 工作原理差动变压器结构由初级线
29、圈 P 与两个相同的次级线圈 S1、S 2和插入的可移动的铁芯 C 组成。其线圈联接方式如图(b)所示，两个次级线圈反相串接。当初级线圈户加上一定的正弦交流电压 后，在次级线圈中的感应电势 、 与铁芯在线圈中1U21E的位置有关。当铁芯在中心位置时 ，输出电压 。铁芯向上移动时 ，反之21E02 2。在上述两种情况下，输出电压 的相位相差 1800，其幅值随铁芯位移距离 x 的改变而变化，21E如下图所示。5.2.2 测量电路差动变压器输出交流电压，如果采用交流电压表指示，只能反映铁芯位移的大小、 ，不能反映移动的方向。另外，输出的交流电压中存在零点残余电压。所以要求差动变压器的测量电路，既能
30、反映铁芯位移的大小和方向又能补偿零点残余电压。常用的测量电路有两种形式，一种是差动整流电路，另一种是相敏检波电路。具体参考课本 P56-605.2.3 应用参见课本 P61-625.3）电容式元件5.3.1)工作原理（见课本 77-79）5.3.2)测量电路（脉冲调宽电路） （见课本 90-91）5.3.2)应用（见课本 92）5.4）涡流传感器5.4.1)基本原理电涡流传感器一般都是做成一个扁平空心线圈,将此线圈靠近金属导体,当线圈中通有交流电时,在其周围空间产生交变磁通,放在该磁场中的金属导体就会产生电涡流.此涡流的圆心与线圈在金属导体上投影的圆心重合.研究表明:涡流区与线圈尺寸的关系为
31、, .D 为扁平空心线圈外径,2R 为涡流区外径.2r 为涡流区内径.涡流渗透DR39.12r52.0深度为 . 为导体电阻率,f 为交变磁场的频率, 为相对导磁率.furh50 ru5.4.2)等效电路可把空心线圈看作变压器初级,金属导体中的涡流回路看作变压器次级.当线圈周围产生交变磁场时,环状涡流也将产生交变磁场,其方向与线圈产生的磁通方向相反,因而抵消部分原磁场,这可理解为线圈与环状涡流之间存在互感 M,其大小取决于金属导体和线圈之间的靠近程度.根据等效电路,可列出方程: 1.2.1.1. UIjwMIjLIR02.2.1. IjLIRIjwM为空心线圈电阻和电感1,LR,L 为涡流回路
32、的等效电阻和电感M 为线圈与金属导体之间的互感系数由上面方程解得,当线圈与被测金属导体靠近时,线圈的等效阻抗为: )()( 221221 wLRMwLjRLwRIUZ 等效电阻为 LReq 221)(等效电感为 wMLeq 221)(品质因素 eqeqRwLQ上述分析结果表明,电涡流传感器的等效电气参数都是互感 M 的函数,但是通常利用其电感的变化组成测量回路,故把这类传感器列为电感式传感器.5.4.3)测量电路调频式电路:把传感器线圈作为组成 LC 振荡器的电感元件,当传感器线圈电感变化时,引起振荡器的振荡频率变化,该频率可直接由数字频率计测得,或通过频率电压转换,由仪器指示或记录.调幅式电
33、路:传感器线圈与电容组成并联谐振回路,石英晶体振荡器相当于一个恒流源,向谐振回路提供一个频率稳定为 的高频激励电流 ,LC 回路的输出电压 ,Z 为 LC 回路的阻抗.当被测导体0f0i )(0ZFiu远离传感器时,因 LC 谐振回路的谐振频率设定为激励频率 ,故呈现的阻抗最大,谐振回路上的输出电压f也最大,当被测导体靠近传感器线圈时,线圈的等效电感发生变化,LC 谐振回路的谐振频率改变,所呈现的等效阻抗减小,所以输出电压幅度值也减小,从而实现测量的要求.5.4.4)应用位移测量(压力计):电涡流传感器的等效阻抗 Z 与被测材料的电阻率、导磁率、激磁频率及线圈与被测体间的距离 x 有关。当电阻
34、率、导磁率、激磁频率一定时，Z 只与 x 有关。通过适当的测量电路，可得到输出电压与距离 x 的关系。其线性范围为平面线圈外径的 1/31/5。显然可以用来测量位移（压力） 。振幅测量：可以无接触地测量各种振动的振幅，如测量轴的振动形状，可用多个涡流传感器，并排安置在轴附近，可获得各传感器所在位置轴的瞬时振幅。转速测量：把一个旋转金属加工成齿轮状，旁边安装一个涡流传感器，当旋转体转动时，传感器将周期地改变输出信号，测其频率即可得转速。无损探伤等：可以对被测量对象进行非破坏性的探伤，例如检查金属材料的表面裂纹、热处理裂纹以及焊接部位的探伤等。在检查时，使传感器与被测体的距离不变，当有裂纹出现时，
35、导体电阻率、导磁率发生变化，从而引起传感器的等效阻抗发生变化，通过测量电路达到探伤目的。5.5）压电传感器5.5.1）压电效应5.5.2）压电材料5.5.3）压电传感器5.5.4）压电传感器的等效电路5.5.5）测量电路5.5.6）应用5.6）应变电阻传感器导体或半导体材料在外界作用下(如压力等)产生机械变形,其阻值将发生变化,这种现象称为应变效应.把依据这种效应制成的应变片粘贴于被测材料上,则被测材料受外界作用所产生的应变就会传送到应变片上,从而使应变片上电阻值发生变化,通过测量阻值的变化量,就可以反映出外界作用的大小.5.6.1)应变片工作原理 P136电阻应变片是用直径约为 0.025m
36、m 的具有高电阻率的金属电阻丝制成.由物理学可知:SlR/如果金属丝沿轴线方向受力而变形,其电阻也随之变化,其应变关系可由微分学得到:.对于直径为 D 的圆形电阻丝 .由材料力学知:横向收缩Sdld DdS2和纵向伸长的关系为: . 为材料的泊松比. 为电阻丝轴向的相对lDl变化,也就是应变.由上述可得: kldlldRd )/21()21(k 为应变灵敏系数,其物理意义为单位应变所引起的电阻相对变化.对于金属 变化很小.其灵敏系数主要取决于 .对于半导体应变片则 变化很大 , 其灵敏系数主要取决于 .21dd5.6.2)应变片结构 P1375.6.3)应变片测量电路在电阻应变传感器中,多采用
37、桥式测量电路.根据桥路的工作电压,可分为交流电桥和直流电桥.当电桥负载无穷大时,电桥的输出电压为: URRU)(432140为了使在测量前的输出为零,应使 (电桥平衡条件).令 为桥臂的电阻比,它的3412 312大小与电桥的电压灵敏度有关,当 时,电桥的灵敏度最大.故在测量电路中常用全等臂电桥电路.在实际中的测量电路分:单臂、双臂、全桥测量电路。单臂电桥考虑到 ， 则上式化URRU431210 11RR432为： 。410双臂电桥（相邻臂相反，相对臂相同）（相邻臂）RURURU 24321210（相对臂）0全桥测量电路同理可得： RU0比较上述的桥路可知：全桥测量电路灵敏度最高，双臂次之，单
38、臂最低。全桥和相邻臂工作的测量电路没有非线性误差，同时还能起到温度补偿作用。从上面的电桥输出可以看到，激励电源的稳定是非常重要的。现有专门传感器电源模块，如 2B35K；专门的信号处理模块，如 2B31。对于交流电桥，只须用复数符号法分析。5.6.4)电阻应变传感器的应用测量力、载荷、扭矩、加速度等5.7）光纤传感器光纤传感器的发展已经日益成熟，这一技术的影响 已十分明显。光纤传感器具有许多优点：灵敏度高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息的器件；光纤传感器可以用于高压、电气、噪音、高温、腐蚀或其它恶劣环境。目前，正在研制中的光纤传感器有磁、
39、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流等类型的光纤传感器。光纤传感器的主要特点有：.光纤是一种很灵敏的检测元件。.光纤传感器外径很小，因此有利于在狭小空间环境下的测量。正是由于体积小重量轻，因此在飞行器中内使用。.耐高温、耐水性。故可在高温、水中测量。.具有可挠性，可在振动情况下测量。.传感器频带很宽，有利于超高速测量。.传感器是非电连接，且内部没有机械活动零件，因此作为非接触、非破坏以及远距离测试法，与常规方法相比有独特的优越性。5.7.1）光纤传感器的基本工作原理光纤传感器的基本工作原理是将光源的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光
40、的光学性质，如光的温度，波长（颜色）频率，相位，偏振态，发生成为被调制的信号光。再经光纤送入光探测器，经解调而获得被测参数。目前，研究的光纤传感器按其传感原理分为两类：传光型（非功能型）和传感器型（功能型）光纤传感器。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质。对外界信息的感觉功能是依靠其他物理性质的功能元件来完成。在传感型光纤传感器中，是利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤作为传感元件。光纤不仅起传光作用，而且利用光纤在外界信息作用下，光学性质（光强，相位，偏振态等）的变化来实现传感功能。目前已实用的光纤传感器中，传光型占大多数。以下说明光纤位移传感器原理。 （实验内容）光纤位移传感
41、器是利用光纤传输光信号的功能,根据探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离,原理图如下:标准的光纤位移传感器中,由 600 根光纤组成一个直径为 0.762mm 的光缆,光纤内芯是折射率为 1.62的火石玻璃,包层用折射率为 1.52 的玻璃,光缆的后部被分为二支,一支用于光发射,一支用于光接受.光源是 2.5V 白炽灯,而接受光信号的敏感元件是光电池,光敏感检测器产生的输出与接受到的光强度成正比的电信号.工作原理是:当光纤探头端部紧贴被测件时,发射光纤中的光不能反射到接受光纤中去,因而就不能产生光电流信号,当被测表面渐渐远离光纤探头时发射光纤照亮被测表面的面积 A 越来越大,因而相应的发
42、射光锥和接受光锥重合的面积 B 越来越大,接受光纤端面上被照亮的 B2 区也越来越大,有一个线性增长的输出信号,在一定位移时输出信号最大(光峰点),光峰点以前的这段曲线称前坡区.当被测表面继续远离时,由于被反射光照亮的 B2 面积大于 C,即有部分反射光没有反射进接受光纤,当接受光纤更加远离被测表面,接受到的光强逐渐减小,光敏检测器的输出信号逐渐减弱,进入曲线的后坡区.特性如下图.在后坡区,信号的减弱与探头和被测表面的距离平方成反比.在前坡区,输出信号的强度增加得非常快,所以这一区域可以用来进行微米级的位移测量.后坡区域可用于距离较远而灵敏度,线性度和精度要求不高的测量.在光峰区域,输出信号对
43、于光强度变化的灵敏度要比对于位移变化的灵敏度大得多,所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量.这种类型的光纤传感器灵敏度与所用的光纤束特性有关,这些特性包括光纤的数量,光纤的尺寸和分布,以及每一根纤维的孔径.其中,在光纤探头端部发射光纤和接受光纤的分布状况是决定探头的测量范围和灵敏度的主要因素.如,一个一个交错排列可以获得最大位移灵敏度,但排列困难,费用高.实际中的随机排列是它的近似模拟.分布图如下。6新的测压元件及应用习题：1 霍尔传感器工作原理？并采用它以框图形式设计一个测量范围为-2mm2mm 的位移测量仪，且说明系统工作原理。2 证明差动电容/电感传感器的灵敏度高和非线性小？3 分析以下差动脉冲调宽电路的工作原理，并写出输出电压和电容传感器的关系。4 试用所学过的传感器和测压元件设计一个数字式压力计，并说明其工作原理。
