交流仪表换能器

正如已经制造出测量某些物理量并以直流电信号（热电偶、应变计、pH 探头等）的形式重复该信息的设备一样，也制造了与交流电相同的特殊设备。

通常需要能够通过电信号检测和传输机械零件的物理位置。在自动化机床控制和机器人技术领域尤其如此。一个简单易行的方法是使用电位器：

使用电位器

电位计抽头电压指示从动于轴的对象的位置。

然而，电位器有其独特的问题。一方面，它们依赖于“雨刷”和电阻条之间的物理接触，这意味着它们会随着时间的推移而受到物理磨损的影响。

随着电位计磨损，它们与轴位置的比例输出变得越来越不确定。在旧收音机上调节音量控制时，您可能已经体验过这种效果：转动旋钮时，您可能会听到扬声器发出“刮擦”的声音。

这些噪音是音量控制电位器的雨刷接触不良造成的。

此外，擦拭器和条带之间的这种物理接触会在擦拭器移动时在两者之间产生电弧（火花）。

对于大多数电位器电路，电流很小，可以忽略不计，但可以考虑。

如果电位计要在存在可燃蒸气或粉尘的环境中操作，则这种潜在的电弧会转化为潜在的爆炸！

使用 LVDT

使用交流代替直流，如果我们使用可变变压器，我们可以完全避免部件之间的滑动接触 而不是电位器。

为此目的制造的设备称为 LVDT，代表 L 线性V 可变的D 差异 T 变形金刚。 LVDT 的设计如下所示：

线性可变差动变压器 (LVDT) 的交流输出指示磁芯位置。

显然，这个设备是一个变压器 ：它有一个由外部交流电压源供电的初级绕组，两个次级绕组以串联降压方式连接。

它是变量 因为铁芯可以在绕组之间自由移动。这是差异化 因为两个次级绕组的连接方式。被安排为彼此相反（180° 异相）意味着该设备的输出将是差异 两个次级绕组的电压输出之间。

当磁芯居中且两个绕组输出相同的电压时，输出端子的净结果将为零伏。它被称为线性 因为核心的运动自由度是直线。

LVDT 输出的交流电压指示可动铁芯的位置。零伏表示磁芯居中。

磁芯离中心位置越远，在输出端看到的输入（“激励”）电压的百分比就越大。输出电压相对于激励电压的相位表示磁芯偏离中心的方向。

与电位计相比，LVDT 在位置传感方面的主要优势在于移动部件和固定部件之间没有物理接触。

铁芯不接触绕线，而是在不导电的管内滑入和滑出。因此，LVDT不会像电位器那样“磨损”，也不会产生电弧。

LVDT 的激励通常为 10 伏 RMS 或更低，频率范围从电力线到高音频 (20 kHz) 范围。 LVDT 的一个潜在缺点是其响应时间，这主要取决于交流电压源的频率。

如果需要非常快的响应时间，频率必须更高，以允许任何电压感测电路有足够的交流周期来确定磁芯移动时的电压电平。

为了说明这里的潜在问题，请想象一个夸张的场景：由 60 Hz 电压源供电的 LVDT，核心每秒移入移出数百次。

该 LVDT 的输出甚至看起来不像正弦波，因为在 AC 电源电压完成单个周期之前，核心会在其整个运动范围内移动！如果它的移动速度比瞬时电源电压快，几乎不可能确定瞬时磁芯位置。

使用 RVDT

LVDT 的一个变体是 RVDT，或 R 耳部V 可变的D 差异 T 变形金刚。该设备的工作原理几乎相同，不同之处在于核心围绕轴旋转而不是直线移动。 RVDT 只能用于 360°（全圆）运动的一部分。

使用 Synchro 或 Selsyn

继续这个原则，我们有所谓的同步 或 Selsyn ，这是一种结构很像绕线转子多相交流电动机或发电机的装置。

转子可以自由旋转整整 360°，就像电机一样。转子上有一个连接到交流电压源的单绕组，很像 LVDT 的初级绕组。定子绕组通常采用三相 Y 形的形式，尽管已经建立了三相以上的同步器。 （下图）

具有两相定子的设备称为旋转变压器 .旋转变压器产生指示轴位置的正弦和余弦输出。

同步器由三相定子绕组和旋转磁场缠绕而成。旋转变压器有一个两相定子。

转子的交流励磁在定子绕组中感应出的电压不是 在真正的三相发电机中相移 120°。如果转子由直流电而不是交流电供电并且轴连续旋转，那么电压将是真正的三相。

但这不是同步器的设计方式。相反，这是一个位置感应 设备很像 RVDT，只是它的输出信号更加明确。转子由交流供电时，定子绕组电压将与转子的角位置成正比，相位偏移 0° 或 180°，就像常规的 LVDT 或 RVDT。

您可以将其视为具有一个初级绕组和三个次级绕组的变压器，每个次级绕组以独特的角度定向。

随着转子缓慢转动，每个绕组依次直接与转子对齐，产生全电压，而其他绕组将产生低于全电压的电压。

Synchros 通常成对使用。它们的转子并联并由相同的交流电压源供电，它们的轴将精确匹配位置：

同步轴相互从动。旋转一个移动另一个。

这种“发射器/接收器”对已在船舶上用于中继舵位置，或在相当长的距离内中继导航陀螺位置。

“发射器”和“接收器”之间的唯一区别在于哪个被外力转动。 “接收器”可以像“发射器”一样轻松使用，通过强制其轴转动并使同步器在左侧匹配位置。

如果接收器的转子未通电，它将充当位置误差检测器，如果轴与发射器的轴位置偏移 90o 或 270o 以外的任何其他值，则在转子上产生交流电压。

接收器转子将不再产生任何扭矩，因此将不再自动匹配发射器的位置：

如果接收器转子未从发射器转子正好旋转 90 或 270 度，则交流电压表会记录电压。

这几乎可以被认为是一种桥式电路，只有当接收器轴与发射器轴放在两个（匹配）位置之一时才能实现平衡。

同步器的一个相当巧妙的应用是制造移相装置，前提是定子由三相交流电供电：

转子的完整旋转会将相位从 0° 一直平滑地移动到 360°（回到 0°）。

当同步器的转子转动时，转子线圈将逐渐与每个定子线圈对齐，它们各自的磁场彼此相移 120°。

在这些位置之间，这些相移场将混合以产生介于 0°、120° 或 240° 之间的某个位置的转子电压。实际结果是一种能够通过旋转旋钮（附在转子轴上）提供无级变相交流电压的装置。

如果与齿轮齿条机构配合，同步器或旋转变压器可以测量线性运动。

导致同步器（旋转变压器）多次旋转的几英寸（或厘米）线性运动会生成一串正弦波。 感应同步器 ® 是旋转变压器的线性版本。它像旋转变压器一样输出信号；不过，它有一些相似之处。

Inductosyn 由两部分组成：节距为 0.1 英寸或 2 毫米的固定蛇形绕组和称为滑块的可移动绕组 . （下图）

滑块具有与固定绕组具有相同节距的一对绕组。滑块绕组偏移四分之一节距，因此正弦和余弦波均由运动产生。

一个滑块绕组足以计数脉冲，但不提供方向信息。

2 相绕组提供正弦波和余弦波定相的方向信息。一个间距的运动产生一个正弦波和余弦波的循环；多个音高产生一连串的波浪。

感应同步器：(a) 固定蛇形绕组，(b) 可移动滑块 2 相绕组。改编自图 6.16 [WAK]

当我们说正弦波和余弦波是线性运动的函数时，我们真正的意思是当滑块移动时，高频载波被调幅。

必须测量两个滑块交流信号以确定间距内的位置，即精细位置。滑块移动了多少间距？正弦和余弦信号的关系并未揭示这一点。然而，可以从已知的产生粗略位置的起点开始计算音高的数量（波浪的数量）。

这是一个增量编码器 .如果无论起点如何都必须知道绝对位置，则每个长度旋转一圈的辅助旋转变压器会提供粗略位置。这构成了一个绝对编码器 .

线性电感同步器的变压器比为 100:1。将此与旋转变压器的 1:1 比率进行比较。输入感应同步器的几伏交流电激励会产生几毫伏的输出。

该低信号电平由解析器到数字转换器 (RDC) 转换为 12 位数字格式 .可达到25微英寸的分辨率。

还有一种 Inductosyn 的旋转版本，每转具有 360 个图案间距。当与 12 位旋转变压器数字转换器一起使用时，最好能达到 1 弧秒的分辨率。这是一个增量编码器。

从已知起点开始计算音高对于确定绝对位置是必要的。或者，解析器可以确定粗略的绝对位置。

电容式传感器

到目前为止，所讨论的换能器都是感应式的。然而，也可以制作在可变电容上工作的换能器，交流用于感应电容的变化并产生可变的输出电压。

请记住，两个导电表面之间的电容随三个主要因素而变化：这两个表面的重叠面积、它们之间的距离以及表面之间材料的介电常数。

如果这些变量中有三分之二可以固定（稳定），而第三个可以变化，那么任何表面之间电容的测量都将仅表明第三个变量的变化。

长期以来，医学研究人员一直利用电容传感来检测生物体的生理变化。

早在1907年，一位名叫H. Cremer的德国研究人员在跳动的青蛙心脏的两侧放置了两块金属板，并测量了心脏交替充血和排空血液引起的电容变化。

在胸部和背部放置金属板的人体上进行了类似的测量，通过电容变化记录呼吸和心脏动作。

为了对器官活动进行更精确的电容测量，已经将金属探针插入导管尖端的器官（尤其是心脏）中，测量金属探针与受试者身体之间的电容。

具有足够高的交流激励频率和足够灵敏的电压检测器，不仅是泵浦动作，还有声音 可以很容易地解释活跃的心脏。

与电感式换能器一样，电容式换能器也可以制成独立的单元，这与上述直接生理学示例不同。

一些换能器通过使其中一个电容器板可移动来工作，以改变重叠区域或板之间的距离的方式。其他换能器通过在两个固定板之间进出介电材料来工作：

可变电容传感器各不相同； (a) 重叠面积，(b) 板之间的距离，(c) 板之间的电介质量。

可以通过差分设计的方式获得对其他变量变化具有更高灵敏度和免疫力的传感器，这很像 LVDT（线性变量差分 变压器）。以下是一些差分电容式换能器的示例：

差分电容换能器通过改变以下各项来改变电容比：(a) 重叠面积，(b) 板之间的距离，(c) 板之间的电介质。

如您所见，上图中显示的所有差分设备都有三个 电线连接而不是两根：一根电线连接“端”板，一根连接“公共”板。

随着“端”板之一和“公共”板之间的电容变化，另一个“端”板和“公共”板之间的电容沿相反方向变化。这种换能器非常适合在桥式电路中实现：

差分电容换能桥

差分电容换能器电桥测量电路。

电容式传感器为测量电路提供相对较小的电容，通常在微微 法拉范围。因此，通常需要高电源频率（在兆赫范围内！）才能将这些容抗降低到合理水平。

鉴于典型电容传感器提供的小电容，杂散电容有可能成为测量误差的主要来源。良好的导体屏蔽是必不可少的 可靠且准确的电容式传感器电路！

电桥电路并不是有效解释此类传感器差分电容输出的唯一方法，但它是最容易实现和理解的方法之一。与LVDT一样，电桥的电压输出与换能器作用与其中心位置的位移成正比，偏移方向由相移指示。

这种桥式电路在功能上类似于应变计所用的那种：它并不打算一直处于“平衡”状态，而是不平衡的程度代表了被测量的大小。

差分电容传感器“Twin-T”

用于解释差分电容的桥接电路的一个有趣替代方案是 twin-T .它需要使用二极管，即本章前面提到的电流“单向阀”：

差分电容式换能器“Twin-T”测量电路。

如果重新绘制以更像桥式配置，可能会更好地理解此电路：

差分电容传感器“Twin-T”测量电路重新绘制为电桥。输出通过 Rload。

电容器 C1 在每个正半周（以接地点为基准测量为正）期间由交流电压源充电，而 C2 在每个负半周期间充电。

当一个电容器正在充电时，另一个电容器通过三电阻网络放电（以比充电速度慢的速度）。因此，C1 保持相对于地的正直流电压，而 C2 保持相对于地的负直流电压。

如果电容换能器偏离中心位置，一个电容器的电容将增加，而另一个将减小。这对每个电容器的峰值电压充电几乎没有影响，因为从电源到电容器的充电电流路径中的电阻可以忽略不计，从而导致时间常数 (τ) 非常短。

然而，当需要通过电阻器放电时，具有较大电容值的电容器将保持更长时间的电荷，从而导致随着时间的推移平均直流电压高于较小值的电容器。

负载电阻器 (Rload) 一端连接到两个等值电阻器 (R) 之间的点，另一端连接到地，如果两个电容器的直流电压电荷大小相等，则不会降低直流电压。

另一方面，如果一个电容器由于电容差异而保持比另一个更大的直流电压电荷，则负载电阻器将降低与这些电压之间的差异成正比的电压。

因此，差分电容被转换为负载电阻两端的直流电压。

负载电阻器上同时存在交流电压和直流电压，只有直流电压对电容差异很重要。如果需要，可以在该电路的输出中添加一个低通滤波器以阻止交流，只留下直流信号由测量电路解释：

向“twin-T”添加低通滤波器将纯直流馈送至测量指示器。

作为差分电容传感器的测量电路，双T配置比标准电桥配置具有许多优势。

首先，换能器位移由简单的直流电压表示，而不是幅度和的交流电压 必须解释相位以判断哪个电容更大。

此外，给定适当的元件值和电源输出，该直流输出信号可能足够强，可以直接驱动机电仪表运动，无需放大器电路。

另一个重要优点是所有重要的电路元件都有一个直接接地的端子：源极、负载电阻器和两个电容器都以地为参考。

这有助于最大限度地减少通常困扰电桥测量电路的杂散电容的不良影响，同样无需采取瓦格纳接地等补偿措施。

该电路也很容易指定部件。通常，包含互补二极管的测量电路需要选择“匹配”二极管以获得良好的精度。这个电路不是这样！

只要电源电压明显大于两个二极管之间的压降偏差，失配的影响就很小，对测量误差的影响很小。

此外，电源频率变化对增益（对于给定的换能器位移量产生多少输出电压）的影响相对较低，并且方波电源电压与正弦波一样工作，假设占空比为 50%（等于正负半周期），当然。