電感式傳感器30295課件

第4章

電感式傳感器

概述第4章電感式傳感器各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測(cè)厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器電感式傳感器示例概述第4章電感式傳感器電感式傳感器示例概述第4章電感式傳感器感測(cè)量：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。電感式傳感器電磁感應(yīng)被測(cè)非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測(cè)量電路

U、I、f自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型和螺管型。概述第4章電感式傳感器優(yōu)點(diǎn)：不足：存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。③重復(fù)性好，線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量力小銜鐵為(0.5～200)×10-4N時(shí)，磁吸力為(1~10)×10-4N。②分辨力高機(jī)械位移：0.1μm，甚至更??；角位移：0.1角秒。輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm。電感式傳感器§4.1自感式傳感器§4.2差動(dòng)式變壓器§4.3電渦流式傳感器

應(yīng)用實(shí)例第4章電感式傳感器4.1自感式傳感器第4章電感式傳感器實(shí)驗(yàn)：氣隙變小，電感變大，電流變小氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈電感：N-線圈匝數(shù)Rm-磁路總磁阻線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器Rm-磁路總磁阻：氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器線圈電感：N-線圈匝數(shù)氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵線圈電感：N-線圈匝數(shù)如果S保持不變，則L為lδ的單值函數(shù)，構(gòu)成變氣隙式自感傳感器.若保持lδ不變，使S隨被測(cè)量（如位移）變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器，氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器L=f(S)L=f(lδ)lδ

，SL電感傳感器特性氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析（對(duì)于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達(dá)式）①當(dāng)氣隙lδ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Δlδ/lδ的增大而增加；②氣隙減少Δlδ所引起的自感變化ΔL1與氣隙增加同樣Δlδ所引起的自感變化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值隨Δlδ/lδ的增加而增大。lδL

L0lδ0ΔL1ΔL2氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析（對(duì)于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達(dá)式）lδL

L0lδ0ΔL1ΔL2傳感器靈敏度：線性度：由于轉(zhuǎn)換原理的非線性，以及正反方向移動(dòng)時(shí)電感變化量的不對(duì)稱性，因此，為了保證精度，變間隙式傳感器只能工作在一個(gè)很小的區(qū)域，因而只能用于微小位移的測(cè)量。差動(dòng)式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析（對(duì)于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達(dá)式）氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析（對(duì)于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達(dá)式）氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析（對(duì)于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達(dá)式）忽略高次方（高階無?。╉?xiàng)：傳感器的靈敏度為：傳感器的線性度為：與氣隙長(zhǎng)度呈反比，希望它小與氣隙長(zhǎng)度呈反比，希望它大。與氣隙相對(duì)變化率呈正比差動(dòng)式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器靈敏度：線性度：?jiǎn)尉€圈氣隙型電感傳感器：靈敏度：差動(dòng)式氣隙型電感傳感器：線性度：1.差動(dòng)式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍.差動(dòng)式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器靈敏度：靈敏度：線性度：?jiǎn)尉€圈氣隙型電感傳感器：差動(dòng)式氣隙型電感傳感器：線性度：2.差動(dòng)式自感傳感器非線性失真小.當(dāng)Δlδ/lδ=10％時(shí)(略去l／lδ·μr),單線圈δ＜10％；而差動(dòng)式的δ＜1％。差動(dòng)式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器R1R2L2L175502505075100L/mHlδ/mm10025L04321ⅠⅡ1234-ΔlδΔlδ1線圈Ⅰ自感特性；2線圈Ⅱ自感特性；3線圈Ⅰ與Ⅱ差動(dòng)自感特性；4電橋電壓與位移之間的特性曲線一般差動(dòng)變隙式自感傳感器Δlδ/lδ＝0.1～0.2時(shí)，可使傳感器非線性誤差在3％左右。其工作行程很小,若取lδ＝2mm,則行程為(0.2—0.5)mm；螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖rx螺旋管鐵芯l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(zhǎng)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)時(shí)，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器rx螺旋管鐵心l單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖磁通密度激勵(lì)電流線圈匝長(zhǎng)比匝數(shù)管長(zhǎng)螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器磁力線路經(jīng)每單位長(zhǎng)度的磁勢(shì)稱為磁場(chǎng)強(qiáng)度：螺線管中的磁場(chǎng)強(qiáng)度：rxl螺管線圈內(nèi)磁場(chǎng)分布曲線1.00.80.60.40.20.60.20.40.81.0H（）INlx/l按上式繪磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖如右：∴可以近似認(rèn)為：處，磁場(chǎng)強(qiáng)度最大。螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器

式中：S是線圈所圍截面積；是線圈長(zhǎng)度；是空氣的導(dǎo)磁率。N為匝數(shù)。

rx螺旋管鐵芯l線圈中沒有鐵芯時(shí)，線圈電感量為：上式為線圈可能的最小電感量。

螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器當(dāng)螺管中引進(jìn)鐵芯且鐵芯的插入長(zhǎng)度與線圈長(zhǎng)度相同時(shí):上式說明螺管型電感傳感器的電感量L的大小與鐵芯的插入長(zhǎng)度

有關(guān)。式中：

是線圈的半徑；是鐵芯的半徑；

是鐵芯的相對(duì)導(dǎo)磁率。上式為線圈可能的最大電感量。當(dāng)鐵芯的插入長(zhǎng)度

小于線圈長(zhǎng)度

時(shí):螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器如果被測(cè)的量與

成正比，由上式可見也一定與ΔL成正比。但是，由于螺管中的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布是不均勻的，所以ΔL隨

的變化實(shí)際上是非線性的。當(dāng)鐵芯的插入長(zhǎng)度

有增量

時(shí)，電感傳感器的電感量L也有增量:螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器為了提高靈敏度與線性度可采用如下差動(dòng)螺管式電感傳感器結(jié)構(gòu)：式中：

是線圈的半徑；是鐵芯的半徑；

是鐵芯的相對(duì)導(dǎo)磁率。螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器差動(dòng)螺管式電感傳感器：式中：

是線圈的半徑；是鐵芯的半徑；

是鐵芯的相對(duì)導(dǎo)磁率。可見：靈敏度比單個(gè)螺管式傳感器高1倍。要提高靈敏度，就要使l/lc和r/rc趨于1.且選盡可能大的鐵芯。螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易；②由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大；③由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾；④由于磁阻高，為了達(dá)到某一自感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大；⑤要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性。

綜上所述，螺管式自感傳感器的特點(diǎn)：電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器實(shí)際傳感器中，線圈不可能是純電感，它包括線圈的銅損電阻RC

；鐵芯的渦流損耗電阻Re

；由于線圈和測(cè)量設(shè)備電纜的接入，存在線圈固有電容和電纜的分布電容，用參數(shù)C表示。等效電路ZCLRcRe電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcRe線圈的銅損電阻RC電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcRe線圈的渦流損耗電阻Re(鐵損)設(shè)渦流穿透深度小于薄片厚度的一半，電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcRe并聯(lián)寄生電容C主要由固有電容和電纜的分布電容組成。Z設(shè)為總等效損耗電阻，在不考慮C時(shí)，電感的串聯(lián)等效阻抗為：考慮C時(shí)，等效阻抗Zp為：電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcReZ記：則：∴由于并聯(lián)電容C的存在，使等效串聯(lián)損耗電阻和等效電感都增大了，等效QP較前減?。弘姼芯€圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcReZ等效QP：測(cè)量電路-交流電橋4.1自感式傳感器交流電橋差動(dòng)的兩個(gè)傳感器線圈接成電橋的兩個(gè)工作臂（Z1、Z2為兩個(gè)差動(dòng)傳感器線圈的復(fù)阻抗），另兩個(gè)橋臂用平衡電阻R1、R2代替。設(shè)初始時(shí)Z1=Z2=Z=RS+jωL；

R1=R2=R；

L1=L2=L0。工作時(shí)，Z變化△Z,ZLR1R2Z2Z1測(cè)量電路-交流電橋4.1自感式傳感器

交流電橋ZLR1R2Z2Z1輸出幅值：輸出阻抗：測(cè)量電路-交流電橋4.1自感式傳感器交流電橋ZLR1R2Z2Z1測(cè)量電路-交流電橋4.1自感式傳感器交流電橋ZLR1R2Z2Z1對(duì)差動(dòng)變氣隙式自感傳感器：可見，電橋輸出電壓與Δlδ有關(guān)，相位與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān)。由于是交流信號(hào)，還要經(jīng)過適當(dāng)電路（如相敏檢波電路）處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。測(cè)量電路-變壓器電橋4.1自感式傳感器變壓器交流電橋Z1Z2IABCD~電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗初始位置測(cè)量電路-變壓器電橋4.1自感式傳感器變壓器交流電橋Z1Z2IABCD~銜鐵下移銜鐵上移輸出阻抗：測(cè)量電路-變壓器電橋4.1自感式傳感器變壓器交流電橋Z1Z2IABCD~若線圈的Q值很高，損耗電阻可忽略，則由上式可知，當(dāng)銜鐵向上、向下移動(dòng)相同的距離時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓大小相等，但極性相反。由于是交流信號(hào)，要判斷銜鐵位移的大小及方向同樣需要經(jīng)過相敏檢波電路的處理。測(cè)量電路-變壓器電橋4.1自感式傳感器變壓器電橋與電阻平衡臂電橋相比，具有元件少，輸出阻抗小，橋路開路時(shí)電路呈線性的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)樽儔浩鞲边叢唤拥?，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。互感式傳感器---差動(dòng)變壓器4.2差動(dòng)式變壓器一、結(jié)構(gòu)原理與等效電路二、變換特征三、誤差因素分析四、測(cè)量電路

差動(dòng)整流電路

相敏檢波電路五、應(yīng)用互感式傳感器---差動(dòng)變壓器4.2差動(dòng)式變壓器

把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成為線圈互感量的變化的傳感器稱為互感式傳感器。次級(jí)次級(jí)骨架初級(jí)銜鐵次級(jí)次級(jí)初級(jí)這種傳感器根據(jù)變壓器的基本原理制成，并將次級(jí)線圈繞組用差動(dòng)形式連接。互感式傳感器---差動(dòng)變壓器4.2差動(dòng)式變壓器分氣隙型和螺管型兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。它可測(cè)量1—100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移。1初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵1243(a)氣隙型123(b)螺管型4螺管型差動(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。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(a)二節(jié)式(b)三節(jié)式(c)四節(jié)式(d)五節(jié)式311212112212123三節(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。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式差動(dòng)變壓器的等效電路差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響）時(shí)的等效電路：2123L1R22L21M1M2L22R21R1～～～互感式傳感器---差動(dòng)變壓器4.2差動(dòng)式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1～～～初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為：ω—激勵(lì)電壓的角頻率；

e1—激勵(lì)電壓的復(fù)數(shù)值；L1，R1初級(jí)線圈電感和電阻；互感式傳感器---差動(dòng)變壓器4.2差動(dòng)式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1～～～在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為：M1，M2分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1,2間的互感；Rm1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和N2為初、次級(jí)線圈匝數(shù)互感式傳感器---差動(dòng)變壓器4.2差動(dòng)式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1～～～因此空載輸出電壓：其幅值：輸出阻抗：或：互感式傳感器---差動(dòng)變壓器4.2差動(dòng)式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1～～～①鐵芯處于中間位置時(shí)，M1=M2=M，|e2|=02123互感式傳感器---差動(dòng)變壓器4.2差動(dòng)式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1～～～2123②鐵芯上升時(shí)，M1=M+ΔM，M2=M-ΔM與e21同極性互感式傳感器---差動(dòng)變壓器4.2差動(dòng)式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1～～～2123③鐵芯下降時(shí)，M1=M-ΔM，M2=M+ΔM與e22同極性互感式傳感器---差動(dòng)變壓器4.2差動(dòng)式變壓器差動(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。Ｕ０e21e220xe2差動(dòng)變壓器輸出特性副Ⅰ副Ⅱ原線圈二、變換特征4.2差動(dòng)式變壓器三節(jié)螺管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)L1R22L21M1M2L22R21R1～～～二、變換特征4.2差動(dòng)式變壓器由上圖得差動(dòng)變壓器的特性公式：二、變換特征4.2差動(dòng)式變壓器鐵芯位移x與輸出電壓e2之間是非線性關(guān)系。非線性誤差:。K1是傳感器的靈敏度系數(shù)，受匝數(shù)比，激勵(lì)電源的頻率、電壓等因素影響。二、變換特征4.2差動(dòng)式變壓器1.二、變換特征4.2差動(dòng)式變壓器2.增加初級(jí)線圈激勵(lì)電壓e1,靈敏度也會(huì)增加。但e1如果太大，則會(huì)引起變壓器發(fā)熱，使輸出信號(hào)發(fā)生漂移。二、變換特征4.2差動(dòng)式變壓器3.低頻時(shí)，B為一常數(shù)，f為激勵(lì)源的頻率。此時(shí)，靈敏度隨頻率增高而增加。當(dāng)頻率高過某個(gè)值時(shí)，K1為常數(shù)，因此，其在高頻時(shí)靈敏度與頻率無關(guān)。三、誤差因素分析4.2差動(dòng)式變壓器激勵(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，滿足時(shí)，其影響不大。L1R22L21M1M2L22R21R1～～～1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響三、誤差因素分析4.2差動(dòng)式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1～～～2、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)因子并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。三、誤差因素分析4.2差動(dòng)式變壓器3、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。x-x0e2e201基波正交分量(a)殘余電壓的波形(b)波形分析13245e20te1e20et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，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。2基波同相分量3二次諧波4三次諧波5電磁干擾三、誤差因素分析4.2差動(dòng)式變壓器零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因

①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)（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)電動(dòng)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。三、誤差因素分析4.2差動(dòng)式變壓器零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因

①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)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。1．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。消除零點(diǎn)殘余電壓方法：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)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。U0+x-x210相敏檢波后的輸出特性

2．選用合適的測(cè)量線路3．采用補(bǔ)償線路CR(a)在差動(dòng)變壓器次級(jí)繞組側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻、電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)，可使零點(diǎn)殘存電壓減小。在次級(jí)繞組側(cè)并聯(lián)電容。由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變繞組的相位，并聯(lián)電阻R是為了利用R的分流作用，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。(b)CR串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。

CR(a)R2WR1C(c)在次級(jí)繞組側(cè)并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩個(gè)次級(jí)線圈輸出電壓的相位。電容C可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。接入補(bǔ)償線圈L以避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘存電壓。LW(d)四.測(cè)量電路4.2差動(dòng)式變壓器差動(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。四.測(cè)量電路4.2差動(dòng)式變壓器（一）差動(dòng)整流電路R2R1abhgcfde++在e點(diǎn)為“＋”，f點(diǎn)為“–”，則電流路徑是eacdbf.在e點(diǎn)為“-”，f點(diǎn)為“+”，則電流路徑是fbcdae.可見，無論次級(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c到d。（一）差動(dòng)整流電路4.2差動(dòng)式變壓器R2R1abhgcfde++無論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，整流電路的輸出電壓e2始終等于R1、R2兩個(gè)電阻上的電壓差。鐵芯在零位Udc圖4-15全波差動(dòng)整流電路電壓波形tttUghU2tUdctUghtU2鐵芯在零位以下R2R1abhgcfde++全波差動(dòng)整流電路電壓波形鐵芯在零位以上ttUdcUghtU2鐵芯在零位以上鐵芯在零位ttUdcUghtU2Udc圖4-15全波差動(dòng)整流電路電壓波形tttUghU2tUdctUghtU2鐵芯在零位以下R2R1abhgcfde++結(jié)論：鐵芯在零位以上或零位以下時(shí)，輸出電壓的極性相反，零點(diǎn)殘存電壓自動(dòng)抵消。容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中比較電壓Ｕ２和Ｕ１同頻，經(jīng)過移相器使Ｕ２和Ｕ１保持同相或反相，且滿足Ｕ２＞＞Ｕ１。2．二級(jí)管相敏檢波電路u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)，位移x（t）=0，傳感器輸出電壓Ｕ１=0,只有Ｕ２起作用。u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+正半周時(shí)因?yàn)槭菑闹行某轭^，所以u(píng)1=u２，故i３=i４。流經(jīng)RL的電流為

i０=i４－i３=０u1u2-R+RLRD3D2D1D4RRT1T2+-i4i3負(fù)半周時(shí)同理可知i１=i２，所以流經(jīng)RL的電流為

i０=i１－i２=０i1RLi2u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-e1e2-+-+i4當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，位移x（t）>0，Ｕ１與Ｕ２同頻同相。正半周時(shí)i3故i４＞

i３，流經(jīng)RL的電流為

i０=i４－i３＞０u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+負(fù)半周時(shí)

故i１＞

i２，流經(jīng)RL的電流為

i０=i１－i２＞０i2i1e1-++e2-Ｕ２正半周Ｕ１負(fù)半周故i４＜

i３。流經(jīng)RL的電流為

i０=i４－i３＜０當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)，位移x（t）＜0，Ｕ１與Ｕ２同頻反相。

e1e2+-+-D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-i4i3同理:在Ｕ２負(fù)半周Ｕ１正半周時(shí)：i１＜

i２。流經(jīng)RL的電流為i０=i１－i２＜０．表示i0的方向也與規(guī)定的正方向相反。D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-+-+-e1e2i2i1結(jié)論：１．銜鐵在中間位置時(shí)，無論參考電壓是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載RL上的輸出電壓始終為0。２．銜鐵在零位以上移動(dòng)時(shí)，無論參考電壓是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載RL上得到的輸出電壓始終為正。３．銜鐵在零位以下移動(dòng)時(shí)，無論參考電壓是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載RL上得到的輸出電壓始終為負(fù)。由此可見，該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向。二級(jí)管相敏檢波在U1、U2同相位時(shí)的波形tU10U2t0ti10ti20ti40ti00ti30相敏檢波前后的輸出特性曲線x0UL（a）經(jīng)過相敏檢波電路后，正位移輸出正電壓，負(fù)位移輸出負(fù)電壓。差動(dòng)變壓器的輸出經(jīng)過相敏檢波以后，特性曲線由圖（a）變成（b），殘存電壓自動(dòng)消失。x0UL（b）測(cè)量振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。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(0.1～5)mm，振動(dòng)頻率為(0～150)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輸出差動(dòng)變壓器彈性支承彈性支承五.應(yīng)用4.2差動(dòng)式變壓器五.應(yīng)用4.2差動(dòng)式變壓器五.應(yīng)用4.2差動(dòng)式變壓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?！?20V1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1234567這種變送器可分檔測(cè)量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號(hào)電壓為(0～50)mV，精度為1.5級(jí)。

五.應(yīng)用4.2差動(dòng)式變壓器液位測(cè)量沉筒式液位計(jì)將水位變化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)換為電感的變化，差動(dòng)變壓器的輸出反映液位高低。4.3電渦流式傳感器

結(jié)構(gòu)和工作原理

測(cè)量電路

應(yīng)用第4章電感式傳感器結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)定律，交變磁通在包圍它的任何閉合導(dǎo)電回路中都將產(chǎn)生感應(yīng)電流。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。結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器演示實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器渦流的大小與導(dǎo)體電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈與被測(cè)體之間距離x（磁通量φ），線圈激勵(lì)電流的頻率f有關(guān)。

若固定某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量另一個(gè)參數(shù)。結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器最大的特點(diǎn)是可以對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行非接觸的連續(xù)測(cè)量。另外，電渦流式傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，應(yīng)用范圍比較廣。結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器電渦流傳感器的等效電路把被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)中的電流，短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L(zhǎng)2。這樣線圈與被測(cè)導(dǎo)體便可等效為兩個(gè)相互耦合的線圈。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距x的減小而增大。電渦流傳感器等效電路MR1L2L1R2結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器根據(jù)克?；舴蚨?，可列出下面的方程：MR1L2L1R2傳感器線圈的等效阻抗為：線圈的電感為：MR1L2L1R2當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體的某些參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，可引起渦流式傳感器線圈的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Q變化，測(cè)量Z、L或Q就可求出被測(cè)量參數(shù)的變化。MR1L2L1R2線圈等效Q值：Q0-----無渦流影響下線圈的Q值，Z2-----金屬導(dǎo)體中電渦流部分阻抗，電渦流傳感器的種類電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度為:說明電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度與傳感器線圈的激勵(lì)信號(hào)頻率有關(guān)。故電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用較廣泛。導(dǎo)體電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ線圈激勵(lì)電流的頻率f結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器金屬扁平線圈渦流區(qū)r/ros1hrosj因?yàn)榻饘俅嬖谮吥w效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi),存在一個(gè)渦流區(qū).當(dāng)線圈與被測(cè)體距離改變時(shí)，電渦流密度發(fā)生變化強(qiáng)度也要變化。結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度I2

與距離X是非線性關(guān)系，隨x/r上升而下降。I2只有在x/r<<1才能有較好線性和靈敏度。X/rosI2/I11.01234結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器高頻(>lMHz)激勵(lì)電流產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與距離該金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵(lì)電流i及角頻率ω等有關(guān)，若只改變距離δ而保持其它參數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測(cè)量。結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器高頻反射式電渦流傳感器由安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可粘貼于框架上，或在框架上開一槽，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，它是將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)。1234561線圈2框架3襯套4支架5電纜6插頭結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器高頻反射式電渦流傳感器iedM～ΦeΦｉ電渦流傳感器原理圖高頻激勵(lì)信號(hào)使線圈產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場(chǎng)φi，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體靠近時(shí)，在磁場(chǎng)作用范圍的導(dǎo)體表層產(chǎn)生電渦流ie，而電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)φe阻礙外磁場(chǎng)的變化。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。低頻透射式電渦流傳感器發(fā)射線圈L1和接收線圈L2分置于被測(cè)金屬板的上下方。低頻透射式電渦流傳感器由于低頻磁場(chǎng)集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓u1加到線圈L1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板,使線圈L2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u2。導(dǎo)體電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ線圈激勵(lì)電流的頻率f由于渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u2減少，當(dāng)金屬板越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)u2越小。低頻透射式電渦流傳感器因此，u2的大小與金屬板的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān).試驗(yàn)表明u2隨材料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少,因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用u2的變化即可測(cè)厚度。δ——被測(cè)金屬板的厚度；h——貫穿深度。

低頻透射式電渦流傳感器δ——被測(cè)金屬板的厚度；h——貫穿深度。

測(cè)量厚度時(shí)，激勵(lì)頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測(cè)厚度，不利于進(jìn)行厚度測(cè)量，通常選激勵(lì)頻率為1kHz左右。δ和h大小盡可能接近低頻透射式電渦流傳感器δ——被測(cè)金屬板的厚度；h——貫穿深度。

測(cè)薄金屬板時(shí)，頻率一般應(yīng)略高些，測(cè)厚金屬板時(shí)，頻率應(yīng)低些。在測(cè)量電阻率ρ較小的材料時(shí)，應(yīng)選較低的頻率（如500Hz），測(cè)量ρ較大的材料時(shí)，應(yīng)選用較高的頻率（如2kHz），從而保證在測(cè)量不同材料時(shí)能得到較好的線性和靈敏度。MR1L2L1R2電渦流傳感器轉(zhuǎn)換電路的作用就是將Z、L或Q轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。阻抗Z的轉(zhuǎn)換電路一般用電橋，電感L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路，又可以分為調(diào)幅法和調(diào)頻法兩種。測(cè)量電路4.3電渦流式傳感器1.交流電