第6节 交流仪表传感器 (修订中)
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正如已经制造了用于测量某些物理量并以直流电信号（热电偶、应变仪、pH 探头等）的形式重复该信息的设备一样，已经制造了对交流电执行相同操作的特殊设备。
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：
# 1. 使用电位器
电位器抽头电压指示从动于轴的物体的位置。
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受到物理磨损的影响。
随着电位器的磨损，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中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）的可能性。
对于大多数电位器电路，电流非常低，以至于雨刷电弧可以忽略不计，但有可能考虑。
如果电位计要在存在可燃蒸汽或粉尘的环境中运行，这种电弧放电的可能性会转化为爆炸的可能性！
# 2. 使用 LVDT
_使用交流而不是直流，如果我们使用可变变压器_而不是电位器，我们能够完全避免部件之间的滑动接触。
为此目的制造的设备称为 LVDT ，它____代表__线性__可变__差动__变压器。LVDT 的设计如下所示：
线性可变差动变压器 (LVDT) 的交流输出指示铁芯位置。
显然，这个设备是一个 变压器 (opens new window)：它有一个由外部交流电压源供电的初级绕组，以及两个以串联降压方式连接的次级绕组。
它是_可变_的，因为铁芯可以在绕组之间自由移动。由于两个次级绕组的连接方式，它是_差分的。布置成彼此相对（180° 异相）意味着该设备的输出将是两个次级绕组的电压输出之间的_差。
当磁芯居中且两个绕组输出相同的电压时，输出端的最终结果将是零伏。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。零伏意味着核心居中。
磁芯离中心位置越远，输出端的输入（“激励”）电压百分比就越大。输出电压相对于励磁电压的相位指示磁芯偏离中心的哪个方向。
与电位器相比，LVDT 在位置传感方面的主要优势是运动部件和静止部件之间没有物理接触。
铁芯不接触导线绕组，而是在非导电管内滑入滑出。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，频率范围从电源线到高音频 (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，则频率必须更高，以允许任何电压检测电路有足够的交流周期来确定核心移动时的电压电平。
为了说明这里的潜在问题，想象一下这个夸张的场景：一个由 60 Hz 电压源供电的 LVDT，核心每秒进出数百次。
此 LVDT 的输出甚至看起来都不像正弦波，因为在交流电源电压完成一个周期之前，核心将在其整个运动范围内移动！如果它的移动速度快于瞬时源电压，则几乎不可能确定瞬时核心位置。
# 3. 使用 RVDT
LVDT__的一个变__体__是 RVDT，或__旋转__可变差动__变压器。该装置的工作原理几乎相同，只是核心围绕轴旋转而不是直线运动。RVDT 只能用于 360°（全圆）运动的一部分。
# 4. 使用同步或 Selsyn
继续这个原理，我们有所谓的_Synchro_或_Selsyn_，这是一种构造很像绕线转子多相 交流电机 (opens new window)或发电机的设备。
转子可以自由旋转 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 (opens new window)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。旋转变压器具有两相定子。
转子交流励磁在定子绕组中感应的电压_不会_像真正的三相发电机那样相移 120°。如果转子用直流电流而不是交流电流供电，并且轴连续旋转，那么电压将是真正的三相电压。
但这不是同步器的设计方式。相反，这是一个_位置传感_设备，很像 RVDT，只是它的输出信号更加明确。当转子由交流电供电时，定子绕组电压的大小将与转子的角位置成比例，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，每个绕组依次与转子直接对齐，产生全电压，而其他绕组将产生低于全电压的电压。
同步器通常成对使用。由于它们的转子并联并由相同的交流电压源供电，它们的轴将以高精度匹配位置：
同步轴相互从动。旋转一个移动另一个。
这种“发射器/接收器”对已在船上用于传递方向舵位置，或在相当长的距离上传递导航陀螺仪的位置。
“发射器”和“接收器”之间的唯一区别是哪个被外力转动。“接收器”可以像“发射器”一样轻松地使用，方法是强制其轴转动并将同步器置于左侧匹配位置。
如果接收器的转子未通电，它将充当位置误差检测器，如果轴与发射器轴位置的偏移不是 90o 或 270o，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：
如果接收器转子未与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接电路，只有当接收器轴与发射器轴处于两个（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创建移相装置，前提是定子由 三相交流电供电 (opens new window)：
转子完全旋转将使相位平滑地从 0° 一直移动到 360°（回到 0°）。
随着同步器的转子转动，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° 偏移之间的转子电压。实际结果是一种能够通过旋钮（连接到转子轴）的扭转提供无限可变相位交流电压的设备。
如果配备齿轮齿条机构，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）的线性运动会产生一串正弦波。Inductosyn ® 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，它略有相似之处。
Inductosyn 由两部分组成：一个间距为 0.1 英寸或 2 毫米的固定蛇形绕组和一个称为_滑块_的可移动绕组。（下图）
滑块具有一对与固定绕组具有相同节距的绕组。滑块绕组偏移四分之一节距，因此正弦波和余弦波都是通过运动产生的。
一个滑块绕组足以计数脉冲，但不提供方向信息。
两相绕组在正弦波和余弦波的定相中提供方向信息。移动一个音高会产生一个正弦波和余弦波周期；多个音高会产生一连串的波浪。
![Inductosyn：(a) 固定蛇形绕组，(b) 可移动滑块 2 相绕组。 改编自图 6.16 [WAK]](https://www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/cycle-of-sine-and-cosine-waves.png)
Inductosyn：(a) 固定蛇形绕组，(b) 可移动滑块 2 相绕组。改编自图 6.16 [ WAK (opens new window) ]
当我们说正弦波和余弦波是作为线性运动的函数产生时，我们真正的意思是高频载波在滑块移动时被幅度调制。
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。滑块移动了多少个音高？正弦和余弦信号的关系并未揭示这一点。然而，可以从产生粗略位置的已知起点开始计算俯仰数（波数）。
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，那么每长度一圈的辅助旋转变压器会给出一个粗略的位置。这就构成了_绝对编码器_。
线性 Inductosyn 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。几伏交流激励进入 Inductosyn 会产生几毫伏输出。
_该低信号电平由旋转变压器数字转换器 (RDC)_转换为 12 位数字格式。可实现 25 微英寸的分辨率。
还有一个 Inductosyn 的旋转版本，每转有 360 个图案间距。当与 12 位旋转变压器一起使用时，可以实现更好的 1 角秒分辨率。这是一个增量编码器。
为了确定绝对位置，必须从已知起点开始计算节距。或者，旋转变压器可以确定粗略的绝对位置。
# 5. 电容传感器
到目前为止，讨论的换能器都是感应式的。然而，也可以制造在可变电容上工作的传感器，交流电用于感测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。
如果这些变量中的三分之二可以固定（稳定）并且第三个允许变化，那么表面之间的电容测量值将仅指示第三个变量的变化。
医学研究人员长期以来一直利用电容感应来检测活体的生理变化。
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，并测量了心脏交替填充和排空血液所导致的电容变化。
类似的测量已经在人体上进行，金属板放置在胸部和背部，通过电容变化记录呼吸和心脏动作。
为了更精确地测量器官活动的电容，已将金属探针插入导管尖端的器官（尤其是心脏）中，测量金属探针和受试者身体之间的电容。
使用足够高的交流激励频率和足够灵敏的电压检测器，不仅可以轻松解释泵送动作，还可以轻松解释活动心脏的_声音。_
与感应式换能器一样，电容式换能器也可以制成独立的单元，这与上面描述的直接生理示例不同。
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。其他传感器通过在两个固定板之间移入和移出介电材料来工作：
可变电容换能器变化；(a) 重叠区域，(b) 板之间的距离，(c) 板之间的电介质量。
可以通过差分设计获得对其他变量变化具有更高灵敏度和抗扰度的传感器，这与 LVDT（线性可变_差分_变压器）背后的概念非常相似。以下是一些差分电容传感器的示例：
差分电容换能器通过改变：（a）重叠面积，（b）板之间的距离，（c）板之间的电介质来改变电容比。
如您所见，上图中显示的所有差分设备都具有_三_线连接，而不是两线：每个“端”板一根线，“公共”板一根线。
当“端”板之一和“公共”板之间的电容发生变化时，另一个“端”板和“公共”板之间的电容会沿相反方向变化。这种换能器非常适合在桥式电路 (opens new window)中实现：
# 5.1. 差动电容传感器电桥
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以供操作，通常在_皮法拉_范围内。因此，通常需要高电源频率（在兆赫范围内！）将这些容抗降低到合理的水平。
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_对于_可靠和准确的电容式传感器电路至关重要！
桥式电路不是有效解释这种传感器的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，电桥的电压输出与传感器动作从其中心位置的位移成正比，偏移方向将由相移指示。
这种桥式电路在功能上与应变仪使用的那种类似：它并不打算一直处于“平衡”状态，而是不平衡的程度代表被测量的大小。
# 5.2. 差动电容传感器“Twin-T”
用于解释差分电容的桥电路的一个有趣替代方案是_双_T。它需要使用二极管，即本章前面提到的电流“单向阀”：
差分电容传感器“Twin-T”测量电路。
如果重新绘制成更像一个桥配置，这个电路可能会更好地理解：
差分电容传感器“Twin-T”测量电路重绘为电桥。输出跨过 R负载。
电容器 C 1在每个正半周期内由交流电压源充电（正，以接地点为基准测量），而 C 2在每个负半周期内充电。
当一个电容器充电时，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，C 1保持相对于地的正直流电压，而 C 2保持相对于地的负直流电压。
如果电容传感器偏离中心位置，一个电容器的电容将增加，而另一个电容器的电容将减小。这对每个电容器的峰值电压充电影响很小，因为从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其电荷更长时间，从而导致随着时间的推移比较小值的电容器具有更大的平均直流电压。
负载电阻器 (R load ) 的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比另一个电容器保持更大的直流电压电荷，则负载电阻器将下降与这些电压之间的差异成比例的电压。
因此，差分电容被转换为负载电阻两端的直流电压。
在负载电阻上，同时存在交流和直流电压，只有直流电压对电容的差异很重要。如果需要，可以在该电路的输出端添加一个低通滤波器来阻止交流，只留下一个直流信号由测量电路解释：
在“twin-T”中添加低通滤波器，将纯直流馈送到测量指示器。
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，而不是交流电压，其幅度_和_相位必须通过解释来判断哪个电容更大。
此外，在适当的元件值和电源输出的情况下，该直流输出信号可能足够强，可以直接驱动机电式仪表移动，从而无需放大器电路。
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，同时消除对瓦格纳接地等补偿措施的需要。
该电路也很容易指定零件。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！
只要电源电压显著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的影响相对较小（对于给定的传感器位移量会产生多少输出电压），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。
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