現(xiàn)代測(cè)量與傳感技術(shù)教程文件

現(xiàn)代測(cè)量與傳感技術(shù)電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)即利用線圈電感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量分為變磁阻式、變壓器式、渦流式等特點(diǎn)：工作可靠、壽命長(zhǎng)靈敏度高，分辨力高精度高、線性好性能穩(wěn)定、重復(fù)性好4.1變磁阻電感式傳感器（自感式）4.1.1工作原理變磁阻電感式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成。鐵心和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。線圈中電感量可由下式確定：

根據(jù)磁路歐姆定律：式中,Rm為磁路總磁阻。（4-1）（4-2）氣隙很小，可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為（4-3）通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即（4-4）則式（4-3）可寫為（4-5）聯(lián)立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得（4-6）

上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變?chǔ)幕駻0均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻電感式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積A0的傳感器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度電感式傳感器。4.1.2輸出特性L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖5-2所示。圖4-2變隙式電壓傳感器的L-δ特性差動(dòng)變氣隙電感式傳感器為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變氣隙電感式傳感器。4.1.3測(cè)量電路電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。

1.交流電橋式測(cè)量電路同樣地，當(dāng)銜鐵下移時(shí)：當(dāng)銜鐵上移時(shí)：變壓器式交流電橋2.變壓器式交流電橋電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)，橋路輸出電壓

當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即Z1=Z2=Z，此時(shí)有 ，電橋平衡。當(dāng)傳感器銜鐵上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，(4-25)當(dāng)傳感器銜鐵下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此時(shí)(4-26)可知：銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。由于是交流電壓，輸出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。3.諧振式測(cè)量電路分為：諧振式調(diào)幅電路和諧振式調(diào)頻電路。調(diào)幅電路特點(diǎn)：此電路靈敏度很高，但線性差，適用于線性度要求不高的場(chǎng)合。

調(diào)頻電路：振蕩頻率 。當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系。4.1.4變磁阻電感式傳感器的應(yīng)用變氣隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A的指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。

當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí)，C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化。即一個(gè)電感量增大，另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓，即可得知被測(cè)壓力的大小。變氣隙差動(dòng)電感式壓力傳感器

電感測(cè)微儀是用于測(cè)量微小尺寸變化很普遍的一種工具，常用于測(cè)量位移、零件的尺寸等，也用于產(chǎn)品的分選和自動(dòng)檢測(cè)。

測(cè)量桿與銜鐵連接，工作的尺寸變化或微小位移經(jīng)測(cè)量桿帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)，使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生差動(dòng)變化，其交流阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，電橋失去平衡，輸出一個(gè)幅值與位移成正比、頻率與振蕩器頻率相同、相位與位移方向?qū)?yīng)的調(diào)制信號(hào)。如果再對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、相敏檢波，將得到一個(gè)與銜鐵位移相對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào)。

這種測(cè)微儀的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍為mm，分辨率為1，精度可達(dá)到3%。4.2差動(dòng)變壓器電感式傳感器（互感式）

把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器電感式傳感器。差動(dòng)變壓器電感式傳感器的結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1～100mm機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。4.2.1螺線管差動(dòng)變壓器電感式傳感器

1.工作原理

兩個(gè)次級(jí)線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下,其等效電路。當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓U時(shí),根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個(gè)次級(jí)繞組N2a和N2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E2a和E2b。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱,則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí),必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,將有E2a=E2b。由于變壓器兩次級(jí)繞組反相串聯(lián),因而Uo=E2a-E2b=0,即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。差動(dòng)變壓器的輸出特性

當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響，N2a中磁通將大于N2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因?yàn)閁o=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b

隨著銜鐵位移x變化時(shí)，Uo也必將隨x而變化。當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作ΔUo，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等引起的。零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)雜，主要由基波和高次諧波組成?；óa(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電勢(shì)都不能完全抵消。高次諧波（主要是三次諧波）產(chǎn)生原因：是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小Ux，否則將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果。零點(diǎn)殘余電壓的消除方法：（1）盡可能保證傳感器的幾何尺寸、繞組線圈電氣參數(shù)和磁路的對(duì)稱；（2）采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，如相敏整流電路等。2.基本特性根據(jù)差動(dòng)變壓器等效電路。當(dāng)次級(jí)開路時(shí)式中：U——初級(jí)線圈激勵(lì)電壓；

ω——激勵(lì)電壓U的角頻率；

I1——初級(jí)線圈激勵(lì)電流；

r1、

L1——初級(jí)線圈直流電阻和電感。..根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式分別為

由于次級(jí)兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級(jí)開路，則由以上關(guān)系可得

上式說明，當(dāng)激磁電壓的幅值U和角頻率ω、初級(jí)繞組的直流電阻r1及電感L1為定值時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組之間互感之差的函數(shù)。只要求出互感M1和M2對(duì)活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)系式，可得到螺線管式差動(dòng)變壓器的基本特性表達(dá)式。輸出電壓的有效值為分析……

①活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)M1=M2=M

故Uo=0②活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

故與E2a同極性。.③活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故與E2b同極性。.3.差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路問題：（1）差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向);（2）測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。

(1)差動(dòng)整流電路這種電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。

從圖（c）電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，流經(jīng)電容C1的電流方向總是從2到4，流經(jīng)電容C2的電流方向總是從6到8，故整流電路的輸出電壓為

當(dāng)銜鐵在零位時(shí)，因?yàn)閁24=U68，所以Uo=0；當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，因?yàn)閁24>U68

，則Uo>0；而當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)，則有U24<U68，則Uo<0。Uo的正負(fù)表示銜鐵位移的方向。..........(2)相敏檢波電路

輸入信號(hào)u’y(差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓)通過變壓器TA加到環(huán)形電橋的一個(gè)對(duì)角線上。參考信號(hào)uo通過變壓器TB加到環(huán)形電橋的另一個(gè)對(duì)角線上。輸出信號(hào)u’’y從變壓器TA與TB的中心抽頭引出。平衡電阻R起限流作用，以避免二極管導(dǎo)通時(shí)變壓器TB的次級(jí)電流過大。RL為負(fù)載電阻。uo的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)u’y的幅值，以便有效控制四個(gè)二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，且uo和差動(dòng)變壓器式傳感器激磁電壓uy由同一振蕩器供電，保證二者同頻同相（或反相）。相敏檢波電路及波形

根據(jù)變壓器的工作原理，考慮到O、M分別為變壓器TA、TB的中心抽頭，則

采用電路分析的基本方法

當(dāng)u0與uy’均為負(fù)半周時(shí)：二極管VD2、VD3截止，VD1、VD4導(dǎo)通。輸出電壓u’’y表達(dá)式相同。說明只要位移Δx>0，不論u0與uy’是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的電壓始終為正。當(dāng)Δx<0時(shí)：u0與uy’為同頻反相。不論u0與uy’是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓表達(dá)式總是為4.差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用可直接用于位移測(cè)量，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。微壓傳感器CPC型差壓計(jì)圖4.22差動(dòng)變壓器式加速度傳感器原理圖

差動(dòng)變壓器式加速度傳感器:由懸臂梁和差動(dòng)變壓器構(gòu)成。測(cè)量時(shí)，將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連，此時(shí)傳感器作為加速度測(cè)量中的慣性元件，它的位移與被測(cè)加速度成正比，使加速度測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y(cè)量。當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以Δx(t)振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。4.3電渦流電感式傳感器（互感式）4.3.1工作原理電渦流式傳感器原理圖（a）傳感器激勵(lì)線圈;（b）被測(cè)金屬導(dǎo)體

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2。根據(jù)愣次定律，H2的作用將反抗原磁場(chǎng)H1，由于磁場(chǎng)H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。式中,r為線圈與被測(cè)體的尺寸因子。

測(cè)量方法：如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。Z=F(ρ,μ,r,f,x)

傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為電渦流式傳感器等效電路圖根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：解得等效阻抗Z的表達(dá)式為線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為可見：因電渦流效應(yīng)，線圈的品質(zhì)因素Q下降。4.3.3電渦流傳感器測(cè)量電路主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。

1.調(diào)頻式電路

傳感器線