第4章電感式傳感器(合)

1、第第4章章 電感式傳感器電感式傳感器變換原理變換原理:將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為自感、互感將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為自感、互感的變化的變化第第4章章 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置?，F(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置。分類分類: :電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型4-1 4-1 自感式傳感器自感式傳感器 一、氣隙型自感傳感器一、氣隙型自感傳感器（一）（一）工作原理工作原理組成：線圈組成：線圈1，銜鐵，銜鐵3和鐵芯和鐵芯2等。等。圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長度為圖中點(diǎn)

2、劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長度為l 。0.5l123x(a)氣隙式氣隙式 (b)變截面式變截面式N：線圈匝數(shù)；：線圈匝數(shù)；Rm：磁路總磁阻：磁路總磁阻(鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻)氣隙式自感傳感器，因?yàn)闅庀遁^小氣隙式自感傳感器，因?yàn)闅庀遁^小(l為為0.11mm)，所以，認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，若忽略磁路鐵損，則所以，認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為磁路總磁阻為 l1：鐵芯磁路總長；：鐵芯磁路總長；l2：銜鐵的磁路長；：銜鐵的磁路長；S：隙磁通截面積；：隙磁通截面積； S1：鐵芯橫截面積；：鐵芯橫截面積；S2：銜鐵橫截面積；：銜鐵橫截面積；1：鐵芯磁

3、導(dǎo)率；：鐵芯磁導(dǎo)率；2：銜鐵磁導(dǎo)率；：銜鐵磁導(dǎo)率；0：真空磁導(dǎo)率，：真空磁導(dǎo)率，0=410-7Hm； l：空氣隙總長。：空氣隙總長。mRNL2SlSlSlRm0222111由磁路基本知識(shí)知，線圈自感為由磁路基本知識(shí)知，線圈自感為SlSlSlNRNLm022211122因?yàn)殍F芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，可以忽略，所以上式因?yàn)殍F芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，可以忽略，所以上式可簡(jiǎn)化為：可簡(jiǎn)化為： lSNL02即即Lf(S,l)；如果；如果S保持不變，則保持不變，則L為為l的單值函數(shù)，構(gòu)的單值函數(shù)，構(gòu)成成變隙式自感傳感器變隙式自感傳感器；若保持；若保持l不變，使不變，使S隨位移變化，隨位移變化，則構(gòu)成則構(gòu)成變截面

4、式自感傳感器變截面式自感傳感器。其特性曲線如圖。其特性曲線如圖4-2。L=f（S）L=f（l）lLSL=f(l)為非線性關(guān)系。當(dāng)為非線性關(guān)系。當(dāng)l0時(shí)，時(shí)，L為為，考慮導(dǎo)磁體的磁阻，當(dāng)，考慮導(dǎo)磁體的磁阻，當(dāng)l0時(shí)，并不等于時(shí)，并不等于，而具有一定的數(shù)，而具有一定的數(shù)值，在值，在l較小時(shí)其特性曲線如圖中虛較小時(shí)其特性曲線如圖中虛線所示。如上下移動(dòng)銜鐵使面積線所示。如上下移動(dòng)銜鐵使面積S改改變，從而改變變，從而改變L值時(shí)值時(shí),則則Lf(S)的特的特性曲線為一直線。性曲線為一直線。 （二）（二） 特性分析特性分析主要特性主要特性:靈敏度和線性度。當(dāng)鐵芯和銜鐵采用同一種靈敏度和線性度。當(dāng)鐵芯和銜鐵采用

5、同一種導(dǎo)磁材料，且截面相同時(shí)，因?yàn)闅庀秾?dǎo)磁材料，且截面相同時(shí)，因?yàn)闅庀秎一般較小，故可一般較小，故可認(rèn)為氣隙磁通截面與鐵芯截面相等，設(shè)磁路總長為認(rèn)為氣隙磁通截面與鐵芯截面相等，設(shè)磁路總長為 l ，又因?yàn)殍F芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，可以忽略，則又因?yàn)殍F芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，可以忽略，則 將上式與變間隙電容傳感將上式與變間隙電容傳感器特性表達(dá)式比較可知，器特性表達(dá)式比較可知，變間隙式自感式電感傳感變間隙式自感式電感傳感器具有類似的特性。只需器具有類似的特性。只需將將p49式（式（3-9）中）中C與與L， d與與l對(duì)換即可。對(duì)換即可。lSNL02lLL1L2 L0l0llLL%100ll線性度線性度當(dāng)氣

6、隙當(dāng)氣隙l發(fā)生變化時(shí)，自感的變化與氣隙變化均呈非發(fā)生變化時(shí)，自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系，其非線性程度隨氣隙相對(duì)變化線性關(guān)系，其非線性程度隨氣隙相對(duì)變化l/l的增大的增大而增加；而增加；氣隙減少氣隙減少l所引起的自感變化所引起的自感變化L1與氣隙增加同樣與氣隙增加同樣l所引起的自感變化所引起的自感變化L2并不相等，即并不相等，即L1L2，其，其差值隨差值隨l/l的增加而增大。的增加而增大。特性：特性：1llLLK靈敏度：靈敏度：差動(dòng)差動(dòng)變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電氣參數(shù)和磁結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈共用一路完全相同的線圈共用一個(gè)銜鐵組成。如將這兩個(gè)個(gè)銜鐵組

7、成。如將這兩個(gè)差動(dòng)線圈分別接入測(cè)量電差動(dòng)線圈分別接入測(cè)量電橋鄰臂，則當(dāng)磁路總氣隙橋鄰臂，則當(dāng)磁路總氣隙改變改變l時(shí)，自感相對(duì)變化時(shí)，自感相對(duì)變化為：為： 22112llllLLLLLEUSC1342RR(l- l)/2(l- l)/22llLLKL%1002 llrx螺旋管鐵心圖4-6 單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖l 二二 螺管型電感傳感器螺管型電感傳感器有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時(shí)，因鐵芯在線圈中伸入長度圓柱形鐵芯。傳感器工作時(shí)，因鐵芯在線圈中伸

8、入長度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。時(shí)，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。2lclc2l線圈線圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（ ）INl圖4-9差動(dòng)螺旋管式自感傳感器(a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)磁場(chǎng)分布曲線x(l)(a)(b)三、電感線圈的等效電路三、電感線圈的等效電路 假設(shè)假設(shè)自感自感線圈為一理想純電線圈為一理想純電感，但實(shí)際傳感器中包括：感，但實(shí)際傳感器中包括：線圈的銅損電阻線圈的銅損電阻（Rc）、）、鐵芯的渦流損耗電阻

9、鐵芯的渦流損耗電阻（Re）和和線圈的寄生電容線圈的寄生電容（C）。）。因此，因此，自感自感傳感器的等效電傳感器的等效電路如圖路如圖4-104-10。 CLRcRe（一）交流電橋（一）交流電橋交流電橋是交流電橋是自感自感傳感器的主要測(cè)量電路，為了提高靈敏傳感器的主要測(cè)量電路，為了提高靈敏度，改善線性度，度，改善線性度，自感自感線圈一般接成差動(dòng)形式，如圖。線圈一般接成差動(dòng)形式，如圖。Z1、Z2為工作臂，即線圈阻抗，為工作臂，即線圈阻抗，R1、R2為電橋的平衡臂為電橋的平衡臂 電橋平衡條件：電橋平衡條件：設(shè)設(shè)Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=LE為橋路電

10、源，為橋路電源，ZL是負(fù)載阻抗。是負(fù)載阻抗。工作時(shí)，工作時(shí)，Z1=Z+Z和和Z2=Z-ZZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流電橋原理圖USCE2121RRZZZRZZZZEULLSC2四四 測(cè)量電路測(cè)量電路其輸出電壓幅值其輸出電壓幅值 LjRLjREZZEUSSSC22當(dāng)當(dāng)ZL時(shí)時(shí)ELRLELRRLUSSSSC2222222222)(22LRRZS輸出阻抗輸出阻抗 SSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222SRLQ為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。橋路輸出電壓橋路輸出電壓Usc包含與電源包含與電源E同相和正交兩個(gè)分量。同相和正交兩個(gè)分量。當(dāng)當(dāng)Q值很高時(shí)，值很高時(shí)

11、，Usc ； LLE 2當(dāng)當(dāng)Q值很低時(shí)，自感線圈的電感遠(yuǎn)小于電阻，電感線值很低時(shí)，自感線圈的電感遠(yuǎn)小于電阻，電感線圈相當(dāng)于純電阻圈相當(dāng)于純電阻(ZRs)，交流電橋即為電阻電橋。例，交流電橋即為電阻電橋。例如，應(yīng)變測(cè)量儀就是如此，此時(shí)輸出電壓如，應(yīng)變測(cè)量儀就是如此，此時(shí)輸出電壓Usc= 。 該電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其電阻該電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其電阻R1、R2可用兩個(gè)電阻和一可用兩個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成，調(diào)零方便。個(gè)電位器組成，調(diào)零方便。 SSRRE 2Z1Z2USCE/2E/2E變壓器電橋原理圖I （二）（二） 變壓器電橋變壓器電橋平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊，當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)，平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊，當(dāng)負(fù)

12、載阻抗為無窮大時(shí)，流入工作臂的電流為流入工作臂的電流為 21ZZEI212122122ZZZZEEZZZEUSC初始初始Z1=Z2=Z=RS+jL，故平，故平衡時(shí)，衡時(shí)，USC=0。雙臂工作時(shí)，。雙臂工作時(shí)，設(shè)設(shè)Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相當(dāng)，相當(dāng)于差動(dòng)式自感傳感器的銜鐵向于差動(dòng)式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動(dòng)，則一側(cè)移動(dòng)，則ZZEUSC2同理反方向移動(dòng)時(shí)同理反方向移動(dòng)時(shí)ZZEUSC2優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：這種電橋與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出阻：這種電橋與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出阻抗小，橋路開路時(shí)電路呈線性；抗小，橋路開路時(shí)電路呈線性；缺點(diǎn)缺點(diǎn)：變壓器副邊不接地，易引起來自原邊的靜電感應(yīng)：變壓器副邊

13、不接地，易引起來自原邊的靜電感應(yīng)電壓，使高增益放大器不能工作。電壓，使高增益放大器不能工作。 ELRLUSSC22222222LRZS變壓器電橋的輸出電壓幅值變壓器電橋的輸出電壓幅值輸出阻抗為輸出阻抗為(略去變壓器副邊的阻杭，它遠(yuǎn)小于電感的略去變壓器副邊的阻杭，它遠(yuǎn)小于電感的阻抗阻抗)（一）結(jié)構(gòu)原理與等效電路（一）結(jié)構(gòu)原理與等效電路分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。1 初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵1243123(a)氣隙型(b)螺管型其基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線

14、圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。4-2 4-2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器321212112(a)(b)(c)(d)12112圖4-14差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式1 初級(jí)線圈；2 次級(jí)線圈；3 銜鐵3三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖。初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為1111LjReIe2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1 e1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓L1,R1初級(jí)線圈電感和電阻M1,M1分別

15、為初級(jí)與次級(jí)線圈1,2間的互感L21,L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感R21,R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻I1激勵(lì)電壓的角頻率； e1激勵(lì)電壓的復(fù)數(shù)值；由于Il的存在，在次級(jí)線圈中產(chǎn)生磁通11121mRIN21122mRINRm1及Rm2分別為磁通通過初級(jí)線圈及兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻，N1為初級(jí)線圈匝數(shù)。12221121IMjeIMje11212121mRNNINM21212222mRNNINM1111122212LjReMMjeeeN2為次級(jí)線圈匝數(shù)。因此空載輸出電壓在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為21211212LReMMe22212221LLjRRZ2222122221LLRRZ其幅數(shù)輸

16、出阻抗或副0e2e2e21e22x副原線圈差動(dòng)變壓器輸出電勢(shì)e2與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。 （二）（二） 誤差因素分析誤差因素分析1 1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢(shì)。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。2 2、溫度變化的影響、溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。 3 3、零

17、點(diǎn)殘余電壓、零點(diǎn)殘余電壓 當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作等。 0e2x-xe201 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次諧波 4 三次諧波 5 電磁干擾ee1e20e2012345(a)殘余電壓的波形 (b)波形分析tt圖中e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧

18、波和幅值較小的電磁干擾等。 零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：基波分量基波分量。由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。 高次諧波高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì)。另外，激勵(lì)電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分

19、量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。 消除零點(diǎn)殘余電壓方法：消除零點(diǎn)殘余電壓方法：1 1從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性 為保證線圈和磁路的對(duì)稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對(duì)，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。 2 2選用合適的測(cè)量線路選用合適的測(cè)量線路 采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線

20、由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性3 3采用補(bǔ)償線路采用補(bǔ)償線路由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。 e1e2CRe1e2CR(a)(b)調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02F)可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。e1e2CR1R2W電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路R或L補(bǔ)償電路e1e2

21、L0We1e2R0W(a)(b)接入R0(幾百k)或補(bǔ)償線圈L0(幾百匝)。繞在差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈上以減小負(fù)載電壓，避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘余電壓。電路如圖。 （三）測(cè)量電路（三）測(cè)量電路 差動(dòng)變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向，因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量。1 1、差動(dòng)整流電路、差動(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性，在f點(diǎn)為“”，e點(diǎn)為“”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點(diǎn)為“”，e點(diǎn)為“”，則電流路徑是ehdcg

22、f?？梢姡瑹o論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，通過電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個(gè)次級(jí)線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見圖（b），其值為USC=eabecd。 全波整流電路和波形圖e1RRcabhgfdeUSC銜鐵在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd銜鐵在零位以上銜鐵在零位(b)(a)在f點(diǎn)為“” ，則電流路徑是fgdche (參看圖a)。反之，如f點(diǎn)為“” ，則電流路徑是ehdcgf。2 2、相敏檢波電路、相敏檢波電路容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調(diào)制電壓er和e同頻，經(jīng)過移相器使er和e保持同相或反相，且滿足ere。調(diào)節(jié)電位器R可

23、調(diào)平衡，圖中電阻R1=R2=R0，電容C1=C2=C0，輸出電壓為UCD。當(dāng)鐵芯在中間時(shí),e=0,只有er起作用，輸出電壓UCD0。若鐵芯上移，e0，設(shè)e和er同相位，由于ere，故er正半周時(shí)D1、D2仍導(dǎo)通，但D1回路內(nèi)總電勢(shì)為ere，而D2回路內(nèi)總電勢(shì)為ere，故回路電流i1i2輸出電壓UCD=R0（i1i2）0。當(dāng)er負(fù)半周時(shí)，Ri1e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4eUCD=R0(i4-i3)0，因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓UCD0。當(dāng)鐵芯下移時(shí)，e和er相位相反。同理可得UCD0。由此可見，該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向。 （四）應(yīng)用（四）應(yīng)用測(cè)量

24、振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。1. 1. 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器差動(dòng)變壓器式加速度傳感器用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上，才能得到精確的測(cè)量結(jié)果?？蓽y(cè)量的振幅為(0.15)mm，振動(dòng)頻率為(0150)Hz。 穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)(a)220V加速度a方向a輸出1211 彈性支承 2 差動(dòng)變壓器2. 2. 微壓力變送器微壓力變送器將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式的壓力傳感器。220V1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動(dòng)變壓器 6 銜鐵 7 罩殼V振蕩器穩(wěn)壓電源差動(dòng)變壓器相敏檢波電路1

25、234567這種變送器可分檔測(cè)量( (5 510105 56 610105 5)N/m)N/m2 2壓力，輸出信號(hào)電壓為(0(050)mV50)mV，精度為1.5級(jí)。 4-3 4-3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體上引起感生電流ie，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合，稱為渦流。渦流大小與導(dǎo)體電阻率導(dǎo)體電阻率、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率以及產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈與被測(cè)體之間距離距離x，線圈激勵(lì)電流的頻率頻率f有關(guān)。顯然磁場(chǎng)變化頻率愈高，渦流的集膚效應(yīng)愈顯著。即渦流穿透深度愈小，其穿透深度h可表示 導(dǎo)體電阻率(cm)；r導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率； f交變磁場(chǎng)頻率(Hz)?？梢姡瑴u流穿透深度h和激勵(lì)電

26、流頻率f有關(guān)，所以渦流傳感器根據(jù)激勵(lì)頻率：高頻反射式高頻反射式或低頻透射低頻透射式兩類。 目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用廣泛。 fhr5030電渦流效應(yīng)示意電渦流效應(yīng)示意 一、 結(jié)構(gòu)和工作原理主要由一個(gè)安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開一條槽溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。 1234561 線圈 2 框架 3 襯套4 支架 5 電纜 6 插頭iedM電渦流傳感器原理圖傳感器線圈由高頻信號(hào)激勵(lì)，使它產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場(chǎng)i，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，在磁場(chǎng)作用范圍的導(dǎo)體表層，產(chǎn)生了與此

27、磁場(chǎng)相交鏈的電渦流ie，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)e阻礙外磁場(chǎng)的變化。從能量角度來看，在被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗（當(dāng)頻率較高時(shí)，忽略磁損耗）。能量損耗使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此當(dāng)被測(cè)體與傳感器間的距離d改變時(shí)，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。這便是電渦流傳感器的基本原理。 如圖如圖a、圖、圖b所示，被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦等效成一所示，被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦等效成一個(gè)短路環(huán)，可得到如的等效電路。個(gè)短路環(huán)，可得到如的等效電路。 a)電渦流傳感器原理圖電渦流傳感器原理圖 b)電渦流傳感器等效電路圖電渦流傳感器等效電路圖二、等效電路 根據(jù)等效電路可列出電路

28、方程組：根據(jù)等效電路可列出電路方程組： 通過解方程組，可得通過解方程組，可得I1、I2。因此傳感器線圈的復(fù)陰抗為：因此傳感器線圈的復(fù)陰抗為： 線圈的等效電感為線圈的等效電感為 ： .1.2.11.11.1.22.220UIMjILjIRIMjILjIR2222222122222221.)()(LLRMLjRLRMRIUZ22222221)( LRMLLL 線圈的等效線圈的等效Q值為：值為： 因此，因此， 是是x的非線性函數(shù)。但是，在某一范圍內(nèi)，可以將這些函數(shù)的非線性函數(shù)。但是，在某一范圍內(nèi)，可以將這些函數(shù)關(guān)系近似地通過某一線性函數(shù)來表示。也就是說，電渦流式關(guān)系近似地通過某一線性函數(shù)來表示。也就

29、是說，電渦流式位移傳感器不是在電渦流整個(gè)波及范圍內(nèi)都能呈線性變換的。位移傳感器不是在電渦流整個(gè)波及范圍內(nèi)都能呈線性變換的。 222212222212011QZMRRZMLLQ)(1xFZ )(L2xF)(Q3xF22222221)( LRMLLL式4-69中第一項(xiàng)L1與靜磁效應(yīng)有關(guān)，線圈與金屬導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)此路，其有效磁導(dǎo)率取決于磁路的性質(zhì)。當(dāng)金屬導(dǎo)體為磁性材料，有效磁導(dǎo)率隨導(dǎo)體與線圈距離的減小而增大，于是L1增大；若金屬導(dǎo)體為非磁性材料，則有效磁導(dǎo)率和導(dǎo)體與線圈的距離無關(guān)，即L1不變。第二項(xiàng)為電渦流回路的反射電感，它使傳感器的等效電感值減小。因此，當(dāng)靠近傳感器的被測(cè)物體為非磁性材料或硬磁材料時(shí)，傳感器線圈的等效電感減?。蝗绻粶y(cè)導(dǎo)體為軟磁材料時(shí)，則由于靜磁效應(yīng)使傳感器線圈的等效電感增大。低頻透射式電渦流傳感器 這種傳感器采用低頻激勵(lì)，因而有較大的貫穿深度，適合于測(cè)量金屬材料的厚度。右圖所示為這種傳感器的原理圖和輸出特性。 傳感器包括發(fā)射線圈和接收線圈，并分別位于被測(cè)材料上、下方。由振蕩