傳感器第三章

傳感器第三章課件第一頁，共九十一頁，2022年，8月28日3.1自感式傳感器3.1.1單線圈自感傳感器自感式傳感器亦稱變隙式自感傳感器或變磁阻式自感傳感器，根據(jù)鐵芯線圈磁路氣隙的改變，引起磁路磁阻的改變，從而改變線圈自感的大小。氣隙參數(shù)的改變可通過改變氣隙長度和改變氣隙截面積兩種方式實(shí)現(xiàn)。傳感器線圈分單線圈和雙線圈兩種。第二頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-1單線圈變氣隙式長度自感傳感器第三頁，共九十一頁，2022年，8月28日根據(jù)磁路知識(shí)，線圈自感L可按下式計(jì)算

與電阻串聯(lián)類似，串聯(lián)磁路磁阻為各環(huán)節(jié)磁阻之和

實(shí)際上由于鐵芯工作于非飽和狀態(tài)，此時(shí)鐵芯的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因而磁路的總磁阻主要由氣隙的磁阻所決定。即可認(rèn)為第四頁，共九十一頁，2022年，8月28日移動(dòng)銜鐵的位置，即可改變氣隙的長度，從而引起線圈自感的變化，實(shí)現(xiàn)位移到電感量的變化的轉(zhuǎn)換。設(shè)初始?xì)庀稙?，電感初值為，?dāng)銜鐵上移時(shí)，氣隙變?yōu)?，可知線圈自感的變?yōu)?/p>

當(dāng)，將（3-5）用泰勒級(jí)數(shù)展開第五頁，共九十一頁，2022年，8月28日當(dāng)銜鐵下移幅度為時(shí)，線圈自感變?yōu)?/p>

變氣隙長度型傳感器與呈非線性關(guān)系，而且在位移幅度相同但位移方向不同時(shí)，所引起的電感變化的絕對(duì)量并不完全相同。但在的前提下，作線性化處理，可得第六頁，共九十一頁，2022年，8月28日其靈敏度為

非線性誤差為

為提高自感傳感器的靈敏度，可減小;但的減小又限制了測量范圍，而且使非線性加重。第七頁，共九十一頁，2022年，8月28日自感傳感器總要接入測量電路中去，有必要研究傳感器相對(duì)于測量電路的等效電路。不能把它看成一個(gè)理想的純電感L。實(shí)際上：線圈導(dǎo)線存在電阻Rc；傳感器中的鐵磁材料在交變磁場中一方面被磁化，另一方面形成渦流及損耗，這些損耗可分別用磁滯損耗電阻和渦流損耗電阻Re表示；還存在線圈的匝間電容和電纜線分布電容，二者用C統(tǒng)一表示。第八頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-2自感傳感器的等效電路第九頁，共九十一頁，2022年，8月28日單線圈自感傳感器結(jié)構(gòu)雖然簡單，但存在諸多缺陷，技術(shù)性能較差：由于線圈流往負(fù)載的電流不可能為零，存在起始電流，銜鐵始終受電磁引力，會(huì)引起附加誤差；非線性誤差較大；某些客觀存在的干擾如電源、溫度的波動(dòng)，都會(huì)對(duì)輸出造成影響。第十頁，共九十一頁，2022年，8月28日3.1.2差動(dòng)自感傳感器雙線圈變氣隙式自感傳感器采用兩個(gè)線圈激磁，工作時(shí)兩線圈的自感呈反相變化，形成差動(dòng)輸出，因而稱之為差動(dòng)自感傳感器。差動(dòng)自感傳感器亦有變氣隙長度型和變氣隙截面積型，由兩只完全對(duì)稱的單線圈自感傳感器共用一個(gè)活動(dòng)銜鐵而構(gòu)成。第十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-3變氣隙長度型差動(dòng)自感傳感器設(shè)，，則兩線圈自感分別為第十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-4差動(dòng)自感傳感器的輸出特性示意圖差動(dòng)自感傳感器的輸出特性示意圖如圖所示。第十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)能帶來的好處：將傳感器兩線圈接入交流電橋的相鄰兩臂圖3-5差動(dòng)自感傳感器接入交流電橋第十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日初始時(shí)，銜鐵處于中間位置，，，即,而是固定臂，于是電橋平衡，輸出電壓=0。當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，兩線圈電感量(或阻抗)一增、一減第十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日此時(shí)電橋失衡，有電壓輸出，輸出為

因?yàn)榫€圈的品質(zhì)因數(shù)很高，可見，輸出信號(hào)的幅值與銜鐵的位移幅度成正比，其相位取決于位移的方向，若銜鐵上移，輸出信號(hào)與激勵(lì)電源同相位；若銜鐵下移，輸出信號(hào)與激勵(lì)電源相位相差180o。第十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日若只將單線圈自感傳感器接入該電橋，不妨設(shè)Z1為該單線圈自感傳感器，可得

采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)能帶來的好處：理論上消除了零位輸出，銜鐵所受電磁力平衡；靈敏度提高一倍；線性度得到改善(高次項(xiàng)能部分相互抵消)；差動(dòng)形式可減弱或消除溫度、電源變化及外界干擾等共模干擾的影響。因?yàn)檫@些干擾是以相同的方向、相同的幅度作用在兩個(gè)線圈上的，所引起的自感變化的大小和符號(hào)相同，而信號(hào)調(diào)理電路實(shí)質(zhì)上是將兩個(gè)線圈自感的差值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。第十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日自感傳感器直接檢測的非電量是微小位移，配合各種敏感元件，它也可完成能夠轉(zhuǎn)換為微小位移的其他非電量的檢測。圖3-6是利用自感傳感器測量壓力的示意圖，可用來測量液位。圖3-6利用自感傳感器測量壓力第十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-7所示為采用差動(dòng)自感傳感器測量壓力差的原理結(jié)構(gòu)。若，則銜鐵處于對(duì)稱位置，即處于零位，此時(shí)有；若時(shí)，則下面的電感增大，上面電感減小，壓力差與電感變化具有確切對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果某密閉壓力容器內(nèi)部儲(chǔ)存的是具有固定密度的液體，則其底部壓力與頂部壓力之差和液位之間將具有確切對(duì)應(yīng)關(guān)系，則圖3-7可用來測量其液位。第十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-7采用差動(dòng)自感傳感器測量壓力差第二十頁，共九十一頁，2022年，8月28日3.2差動(dòng)變壓器3.2.1工作原理差動(dòng)變壓器將位移量轉(zhuǎn)換為線圈間互感的變化。它實(shí)質(zhì)上是—種變壓器，主要由原邊繞組、副邊繞組和鐵芯組成。它往往做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，副邊兩個(gè)繞組進(jìn)行“差接”。在其原邊繞組施加激勵(lì)電壓后，由于互感系數(shù)變化，副邊差接繞組的感應(yīng)電勢將相應(yīng)地發(fā)生變比。由于它結(jié)構(gòu)簡單．測量精度較高、測量范圍寬，作為位移傳感器得到廣泛應(yīng)用。其中螺管式差動(dòng)變壓器是差動(dòng)變壓器的主要結(jié)構(gòu)形式。第二十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-8螺管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖第二十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日差動(dòng)變壓器主要由線圈、鐵芯組成。線圈由初級(jí)線圈和次級(jí)線圈組成。線圈中插入圓柱形鐵心b。圖中所示為三段式差動(dòng)變壓器，即線圈骨架分成三段，中間為初級(jí)線圈，上下為次級(jí)線圈。線圈繞制方式多為初級(jí)在內(nèi)，次級(jí)在外；差動(dòng)變壓器的電氣連接方法如圖3-9所示，次級(jí)線圈和反極性串聯(lián)。第二十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-9差動(dòng)變壓器的電氣連接方法第二十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日差動(dòng)變壓器的工作原理可以用變壓器原理解釋，所不同的是一般變壓器的磁路是閉合的、而差動(dòng)變壓器的磁路是不閉合的。一般變壓器的初次級(jí)間的互感系數(shù)是常數(shù)，差動(dòng)變壓器的初次級(jí)之間的互感是隨銜鐵移動(dòng)而作相應(yīng)的變化。差動(dòng)變壓器的工作正是建立在互感變化的基礎(chǔ)上。第二十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-10差動(dòng)變壓器輸出特性曲線實(shí)際的差動(dòng)變壓器當(dāng)鐵芯位于線圈中心位置時(shí)，輸出電壓值不為零，而是，稱為零點(diǎn)殘余電壓。因此差動(dòng)變壓器的實(shí)際輸出特性如圖3-10(a)中虛線所示。第二十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因主要有：1)由于兩個(gè)次級(jí)線圈的繞制在工藝上不可能完全一致，因此它們的等效參數(shù)(互感、自感和損耗電阻)不可能完全相等。初級(jí)線圈中銅損和鐵損的存在以及匝間寄生電容的存在使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通之間有相位差。上述因素就使兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電勢不僅數(shù)值不等，并且相位也不相同。這是零點(diǎn)殘余電壓中基波分量產(chǎn)生的原因。2）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—致，導(dǎo)致產(chǎn)生非正弦波磁通，從而在次級(jí)線圈感應(yīng)出非正弦波電勢，其主要是含三次諧波。這是零點(diǎn)殘余電壓中所含高次諧波產(chǎn)生的原因。第二十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日零點(diǎn)殘余電壓的存在，使差動(dòng)變壓器在機(jī)械零位附近的靈敏度下降，非線性誤差增大，降低了它在零位附近的分辨率。消除或減小零點(diǎn)殘余電壓—般可采用以下方法：1)設(shè)計(jì)和加工應(yīng)盡量保證線圈和磁路對(duì)稱，結(jié)構(gòu)上可附加磁路調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。其次，應(yīng)選用高導(dǎo)磁率、低矯頑磁力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料，并將導(dǎo)磁體加以熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。在選取磁路工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使其不工作在磁化曲線飽和區(qū)。2)選用合適的測量電路，如相敏檢波和差動(dòng)整流電路，其直流輸出不僅可以鑒別鐵心位移方向，而且可以減小或消除零點(diǎn)殘余電壓。第二十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日3)采用補(bǔ)償電路，為常采用的零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路原理圖。消除零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償電路有四種：①附加串聯(lián)電阻以消除基波同相成分；②附加并聯(lián)電阻以消除基波正交成分；③附加并聯(lián)電容。改變相移，補(bǔ)償高次諧波分量；④附加反饋繞組和反饋電容，以補(bǔ)償基波及高次諧波分量。串聯(lián)電阻的阻值很小，為0.5－5Ω，并聯(lián)電阻的阻值為數(shù)十到數(shù)百千歐；并聯(lián)電容的數(shù)值在數(shù)百PF范圍。實(shí)際數(shù)值通常由實(shí)驗(yàn)來確定。第二十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-11差動(dòng)變壓器的零位補(bǔ)償?shù)谌?，共九十一頁?022年，8月28日3.2.2輸出特性1等效電路忽略實(shí)際差動(dòng)變壓器中的渦流損耗、鐵損和寄生電容等，其等效電路如圖3-12所示。

圖3-12差動(dòng)變壓器的等效電路第三十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日可列出如下方程：第三十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日當(dāng)鐵芯位于中間位置時(shí)，，=0鐵芯向上位移時(shí)，，鐵芯向下位移時(shí)，，第三十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日2靈敏度指在單位電壓激勵(lì)下，鐵心移動(dòng)單位距離時(shí)的輸出電壓變化量，其量綱為mv/mm/V。一般螺管式差動(dòng)變壓器的靈敏度大于5mV/mm/V。為提高靈敏度，可采取下列措施：①增大差動(dòng)變壓器的幾何尺寸以提高線圈的Q值?！憔€圈長度為其直徑的1.5——2.0倍較為合適。②適當(dāng)提高激磁頻率。③增大鐵芯直徑，但不應(yīng)觸及線圈骨架；鐵芯采用導(dǎo)磁率高、鐵損小、渦流損耗小的材料。④在不使初級(jí)線圈過熱的前提條件下當(dāng)提高激勵(lì)電壓。第三十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日坡莫合金的導(dǎo)磁性能好，但渦流損耗較大，所以對(duì)激磁頻率為500Hz以上的差動(dòng)變壓器，大多使用鐵氧體鐵芯；低頻激磁時(shí)，多采用工業(yè)純鐵作鐵芯材料。在要求電流輸出的場合，宜采用次級(jí)線圈匝數(shù)較少的差動(dòng)變壓器，以降低其輸出阻抗，再選擇合適的輸出電路，可得到1mV/mm/V的靈敏度。

第三十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日3頻率特性差動(dòng)變壓器的激勵(lì)頻率—般在50Hz至10kHz范圍。頻率太低時(shí)，其靈敏度顯著降低，由溫度和頻率波動(dòng)引起的附加誤差增大；但頻率太高，其渦流損耗和鐵損增加，寄生電容影響加大。根據(jù)具體應(yīng)用場合選擇合適的工作頻率非常重要。當(dāng)負(fù)載電阻RL與次級(jí)線圈串聯(lián)時(shí)，RL上的輸出電壓表示為第三十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日根據(jù)（3-19）畫出差動(dòng)變壓器頻率特性如圖3-13。當(dāng)RL遠(yuǎn)大于差動(dòng)變壓器內(nèi)阻時(shí)，下限截止頻率fL為圖3-13差動(dòng)變壓器頻率特性第三十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日4相位差動(dòng)變壓器的次級(jí)電壓相對(duì)初級(jí)電壓的相位通常超前幾度到幾十度。超前相角大小與差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)和激磁頻率有關(guān)。小型、低頻者超前角大，大型、高頻者超前角小。5線性范圍差動(dòng)變壓器鐵芯的材質(zhì)、長度、直徑和線圈骨架的形狀、大小均對(duì)其次級(jí)電壓與鐵芯位移之間關(guān)系的線性度有直接影響．通常其線性范圍約為其線圈骨架長度的1／10到1／4。通常所說的線性度不僅包括鐵芯位移與次級(jí)電壓關(guān)系的線性程度，還要求次級(jí)電壓的相位角為某固定值。后—點(diǎn)住往難于滿足。若考慮此因素，差動(dòng)變壓器線性范圍約為其線圈骨架長度的1／10左右。

第三十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日6溫度特性初級(jí)線圈的電阻溫度系數(shù)對(duì)差動(dòng)變壓器的溫度特性影響最大。銅導(dǎo)線的電阻溫度系數(shù)約為0.4%/℃，對(duì)于小型差動(dòng)變壓器且在較低頻率下使用，其初級(jí)線圈總阻抗中線圈電阻所占比例較大，此時(shí)差動(dòng)變壓器的溫度系數(shù)約為-0.3%/℃。對(duì)于大型差動(dòng)變壓器且使用頻率較高時(shí)，其溫度系數(shù)較小，一般約為-0.1%/℃至-0.05%/℃。

第三十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日3.2.3典型應(yīng)用舉例差動(dòng)變壓器直接測量的物理量是鐵芯位移，配合相應(yīng)的敏感元件，它也可用于其它物理量的測量。圖3-14是利用差動(dòng)變壓器測量大型構(gòu)件如鋼梁撓度的示意圖。第四十頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-14利用差動(dòng)變壓器測量大型構(gòu)件撓度第四十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-15為兩種常用的差動(dòng)變壓器測力傳感器。圖(a)為環(huán)形彈性元件，隨彈性元件剛度的不同，測力范圍為102N~106N。圖(b)為筒形彈性元件，其特點(diǎn)是輸出信號(hào)大，線性好，重復(fù)性好及漂移小。彈性元件受力產(chǎn)生位移，帶動(dòng)差動(dòng)變壓器的鐵芯運(yùn)動(dòng)，使兩線圈互感發(fā)生變化，最后使差動(dòng)變壓器的輸出電壓產(chǎn)生和彈性元件受力大小成比例地變化。第四十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日

（a）(b)圖3-15利用差動(dòng)變壓器測量力第四十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-16是另外一種利用差動(dòng)變壓器測量力的方案示意圖。在該測量方案中采用了反饋原理，反饋是利用力平衡電路實(shí)現(xiàn)的。差動(dòng)變壓器在力平衡電路中作為零位檢測元件使用。當(dāng)杠桿受到檢測力作用時(shí)就繞支點(diǎn)偏轉(zhuǎn)，使差動(dòng)變壓器鐵芯相對(duì)線圈產(chǎn)生位移，于是差動(dòng)變壓器輸出電壓信號(hào)；此電壓經(jīng)放大器放大后，再經(jīng)整流便產(chǎn)生一相應(yīng)的直流電流。該電流流過力平衡線圈，變換成電磁力作用于杠桿；此力作為反饋力與被測力共同作用于杠桿，使杠桿處于力矩平衡狀態(tài)，這時(shí)流過力平衡線圈的電流則與被測力成比例。在力平衡系統(tǒng)中，杠桿永遠(yuǎn)處于力平衡狀態(tài)。在被測力發(fā)生變化時(shí)，差動(dòng)變壓器的鐵芯相對(duì)線圈的位移量非常小，因此作為零位檢測元件使用的差動(dòng)變壓器則要求其靈敏度高、分辨力高，而其位移測量范圍則很窄，所以此時(shí)多采用變氣隙式差動(dòng)變壓器。

第四十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-16利用差動(dòng)變壓器的零位法力測量第四十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日3.3電渦流傳感器3.3.1反射式電渦流傳感器與自感傳感器、差動(dòng)變壓器相比，電渦流測量原理的特點(diǎn)有二，其一是對(duì)導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率等物性參數(shù)敏感，其二是能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測量。金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱之為電渦流。這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器正是基于這種渦流效應(yīng)而工作的。第四十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-17電渦流效應(yīng)第四十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日線圈與導(dǎo)體之間存在磁的聯(lián)系，若把導(dǎo)電材料看成一個(gè)具有內(nèi)阻的線圈，則圖3-17可用圖3-18所示的等效電路表示。R1、R2分別為線圈和導(dǎo)電材料的等效電阻，L1、L2分別為線圈和導(dǎo)電材料的等效電感。M為互感參數(shù)，表征線圈與導(dǎo)電材料之間磁聯(lián)系強(qiáng)弱。圖3-18電渦流效應(yīng)的等效電路第四十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日由圖3-18可列出下列方程

解上式，可得線圈的等效阻抗前兩項(xiàng)為等效電阻，第三項(xiàng)為等效電抗，第三項(xiàng)中括號(hào)內(nèi)為等效電感。第四十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日品質(zhì)因數(shù)為

金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離d以及線圈激勵(lì)電流的角頻率ω等參數(shù)，都將通過電渦流效應(yīng)與線圈等效阻抗發(fā)生聯(lián)系。線圈等效阻抗是這些參數(shù)的函數(shù)

若能保持上述四個(gè)參數(shù)中的任意三個(gè)參數(shù)恒定，則等效阻抗將與第四個(gè)參數(shù)之間建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，構(gòu)成了從第四個(gè)參數(shù)到等效阻抗之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。第五十頁，共九十一頁，2022年，8月28日利用位移d作為變換量，可以非接觸的測量位移、厚度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等，也可做成接近開關(guān)等。圖3-19為電渦流位移傳感器的幾種具體應(yīng)用。圖3-19電渦流位移傳感器的幾種具體應(yīng)用第五十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-20為利用電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速的電路框圖。在被測對(duì)象上開一個(gè)凹槽，靠近軸表面安裝電渦流探頭。每當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到如圖示位置，電渦流探頭感受到軸表面的位置變化，傳感器激勵(lì)線圈的電感隨之改變，軸轉(zhuǎn)一圈，變化一次，振蕩器的頻率變化一次。通道檢波器轉(zhuǎn)換成電壓的變化，從而得到與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)。來自傳感器的脈沖信號(hào)經(jīng)整形后，由頻率計(jì)得到頻率值，再轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速。第五十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-20利用電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速第五十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-21是電渦流式傳感器用于檢測金屬鍍膜厚度的原理圖。設(shè)沒有膜時(shí)，傳感器探頭與金屬表面距離為，有膜時(shí)距離變成，所以膜厚為。膜的厚度不同，消耗磁場能量不同，導(dǎo)致探頭的等效阻抗變化，從而引起轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓變化，根據(jù)輸出電壓的變化可知金屬鍍膜厚度的變化。第五十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-21利用電渦流傳感器測量金屬鍍膜厚度第五十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日接近開關(guān)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用，量大面廣。圖3-22是電渦流式接近開關(guān)的電路框圖。將絕緣勵(lì)磁線圈作為振蕩電路的一部分，若振蕩器有效阻抗產(chǎn)生變化，振蕩器的振蕩頻率也要發(fā)生變化。經(jīng)過檢波器轉(zhuǎn)換成的電壓與比較器提供的電壓相比較：如果不相等，就會(huì)產(chǎn)生1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。第五十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-22電渦流式接近開關(guān)第五十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日利用ρ作為變換量，可以非接觸的測量溫度、判別材質(zhì)。例如可以用來構(gòu)成金屬探測器，探測地下金屬管線的有無和走向；利用μ作變換量，可以非接觸的測量應(yīng)力、硬度等；利用變換量d、ρ、μ等綜合影響可以制成探傷裝置等。例如可以用來探測鋼絲繩內(nèi)部有無斷絲、在什么位置斷絲、斷絲程度如何等。這種利用傳感器激勵(lì)線圈產(chǎn)生的交變磁場H1在金屬導(dǎo)體表面形成渦流環(huán)，渦流環(huán)所產(chǎn)生的磁場H2反過來抵消激勵(lì)磁場H1，從而引起傳感器線圈等效阻抗改變的傳感器稱為反射式電渦流傳感器。第五十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日由于趨表效應(yīng)的緣故，電渦流只能在金屬導(dǎo)體靠近激勵(lì)線圈一側(cè)的表面薄層內(nèi)形成，電渦流軸向滲透(貫穿)深度為

上式說明，激勵(lì)頻率越高，渦流軸向滲透深度越小，反射效應(yīng)相對(duì)越強(qiáng)。因此反射式電渦流傳感器多用較高頻率的激勵(lì)源。由于線圈產(chǎn)生的磁場在金屬導(dǎo)體內(nèi)不可能波及無限大的區(qū)域，因此電渦流形成區(qū)有一定范圍，基本上在內(nèi)徑為2r，外徑為2R，厚度為h的矩形截面圓環(huán)內(nèi)。電渦流區(qū)大小與激勵(lì)線圈外徑D的關(guān)系近似為

因此被測金屬導(dǎo)體的表面不應(yīng)少于激勵(lì)線圈外徑的兩倍，否則將不能全部利用所能產(chǎn)生的電渦流效應(yīng)，致使靈敏度降低。第五十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日3.3.2透射式電渦流傳感器透射式電渦流傳感器由發(fā)射線圈L1、接收線路L2和位于兩線圈中間的被測金屬板組成，如圖3-23所示。圖3-23透射式電渦流傳感器第六十頁，共九十一頁，2022年，8月28日幅值可表示為

與金屬板厚度的關(guān)系如圖3-24所示?？衫脕矸从辰饘侔宓暮穸?。由圖可見，激勵(lì)頻率較低時(shí)，線性度較好，因此應(yīng)選擇較低的激勵(lì)頻率(通常為1kHz左右)?？梢姡穸容^小時(shí)，高頻激勵(lì)特性曲線斜率較大，靈敏度較高，因此測薄板時(shí)應(yīng)選相對(duì)厚板較高的激勵(lì)頻率。第六十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-24不同激勵(lì)頻率下

與金屬板厚度的關(guān)系第六十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日3.4壓磁式傳感器某些鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械力的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，從而引起磁導(dǎo)率的改變，這種現(xiàn)象稱為壓磁效應(yīng)。相反，某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場的作用下會(huì)產(chǎn)生變形，有些伸長，有些則壓縮，這種現(xiàn)象稱為“磁致伸縮”。當(dāng)某些材料受拉時(shí)，在受力方向上磁導(dǎo)率增高，而在與作用力相垂直的方向上磁導(dǎo)率降低，這種現(xiàn)象稱為正磁致伸縮；與此相反的稱為負(fù)磁致伸縮。第六十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)證明，只有在一定條件下(如磁場強(qiáng)度恒定)壓磁效應(yīng)才有單一特性，但不是線性關(guān)系。就同一種鐵磁材料而言，在外界機(jī)械力的作用下，磁導(dǎo)率的改變與磁場強(qiáng)度有著密切的關(guān)系。當(dāng)磁場較強(qiáng)時(shí)，磁導(dǎo)率隨外界力的增加而減小，而當(dāng)磁場較弱時(shí)則與相反的結(jié)果。鐵磁材料的壓磁應(yīng)變靈敏度S為第六十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日利用上述關(guān)系可以制成壓磁傳感器，常用來測量壓力、拉力、扭轉(zhuǎn)力(或力矩)。這種傳感器的輸出電參量為電阻抗或是二次繞組的感生電動(dòng)勢，變換鏈為機(jī)械力→應(yīng)力→磁導(dǎo)率→磁阻→電阻抗或感應(yīng)電勢。圖3-25為一種壓磁式力傳感器示意圖。存在如下關(guān)系第六十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-25壓磁式力傳感器結(jié)構(gòu)形式之一第六十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日在外力作用下導(dǎo)磁體多數(shù)表現(xiàn)為各向異性特性。利用此特性也可以制成另一種形式的壓磁式力傳感器，如圖3-26所示。圖3-26壓磁式壓力傳感器結(jié)構(gòu)形式之二第六十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日3.5電感式傳感器的信號(hào)調(diào)理3.5.1交流電橋普通的交流電橋包括平衡電橋和不平衡電橋，被用來測量阻抗參數(shù)，理所當(dāng)然的可以將電感傳感器的感抗參數(shù)變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。關(guān)于交流電橋，已經(jīng)在電阻傳感器的信號(hào)調(diào)理中予以介紹，此處不再重復(fù)。第六十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-27是另一種形式的交流電橋——變壓器式電橋。圖3-27變壓器式電橋第六十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日假定O點(diǎn)為零電位，且傳感器線圈為高Q值，即線圈電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其感抗，即，則可以推導(dǎo)其輸出特性公式為

在初始位置，即銜鐵位于差動(dòng)電感傳感器中間時(shí)，由于兩線圈完全對(duì)稱，因此。此時(shí)橋路平衡，即。第七十頁，共九十一頁，2022年，8月28日當(dāng)銜鐵下移時(shí)，下線圈阻抗增加，即，而上線圈阻抗減少，為，此時(shí)輸出電壓為

因?yàn)樵赒值很高時(shí)，線圈內(nèi)阻可以忽略，所以第七十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日同理銜鐵下移時(shí)，可推導(dǎo)出綜合前面兩式得

由上式可見，銜鐵上移和下移時(shí)，輸出電壓相位相反，且隨的變化輸出電壓也相應(yīng)地改變。據(jù)此，經(jīng)適當(dāng)電路處理可判別位移的大小及方向。第七十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日3.5.2調(diào)幅、調(diào)頻與調(diào)相電路圖3-28為將感抗變化轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)幅值的電路，稱為調(diào)幅電路。圖3-28調(diào)幅電路第七十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-29為將感抗變化轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)頻率的電路，稱為調(diào)頻電路。圖3-29調(diào)頻電路第七十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日把傳感器電感L和一個(gè)固定電容C接入一個(gè)振蕩回路中，其振蕩頻率

當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)頻率大小即可測出被測量值。圖3-30為將感抗變化轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)相位的電路，稱為調(diào)相電路。

第七十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日（a）（b）（c）圖3-30調(diào)頻電路第七十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日調(diào)相電路實(shí)際上是一個(gè)相位電橋，一臂為傳感器L，另一臂為固定電阻R。將電感線圈設(shè)計(jì)成具有高品質(zhì)因數(shù)。與L的關(guān)系為

當(dāng)L有微小變化時(shí)，所引起的輸出電壓相位變化為

第七十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日3.5.3相敏整流電路自感傳感器接入交流電橋等信號(hào)調(diào)理電路后，輸出一個(gè)交流電壓，其幅值取決銜鐵運(yùn)動(dòng)的幅度，其相位取決于銜鐵運(yùn)動(dòng)的方向。對(duì)差動(dòng)變壓器、電渦流傳感器也有類似情況。此交流電壓信號(hào)往往輸入一個(gè)被稱之為“相敏整流電路”的環(huán)節(jié)。相敏整流電路的功能是將交流電壓的幅值轉(zhuǎn)換為直流電壓的幅值，而將交流電壓的相位轉(zhuǎn)換為直流電壓的極性，即該整流電路對(duì)被整流交流電壓的相位“敏感”。圖3-31為相敏整流電路原理圖。第七十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-31相敏整流電路圖中，四個(gè)性能相同的二極管以同一方向串聯(lián)成一個(gè)閉合回路，形成環(huán)形電橋。第七十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日（1）當(dāng)正位移時(shí)1)載波信號(hào)為上半周（0～π）2）載波信號(hào)為下半周（π～2π）結(jié)論：當(dāng)銜鐵在零點(diǎn)以上移動(dòng)、與同頻同相時(shí)，不論載波是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載電阻上得到的電壓始終為正。第八十頁，共九十一頁，2022年，8月28日（2）當(dāng)負(fù)位移時(shí)1）載波信號(hào)為上半周（0～π）2）載波信號(hào)為下半周（π～2π）結(jié)論：當(dāng)銜鐵在零點(diǎn)以下移動(dòng)、與同頻反相時(shí)，不論載波是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載電阻上得到的電壓始終為負(fù)。綜上所述，經(jīng)過相敏檢波電路，正位移輸出正電壓，負(fù)位移輸出負(fù)電壓，電壓值的大小表明位移的大小，電壓的正負(fù)表明位移的方向。輸出特性曲線為過零點(diǎn)的一條直線，見圖3-32。圖3-32電感傳感器經(jīng)相敏檢波后的輸出特性第八十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日3.5.4單片差動(dòng)變壓器信號(hào)調(diào)節(jié)電路AD5981AD598信號(hào)調(diào)節(jié)器的基本特點(diǎn)及主要技術(shù)指標(biāo)AD598是一種完整的單片式線位移差動(dòng)變壓器(LVDT)信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。AD598與LVDT配合，能夠?qū)VDT的機(jī)械位置轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓。AD598將所有的電路功能都集中在一塊芯片上，只要增加幾個(gè)外接無源元件，就能確定激磁頻率和輸出電壓的幅值。在芯片內(nèi)部，AD598將LVDT處理的次級(jí)輸出信號(hào)按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。AD598內(nèi)部主要由初級(jí)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生部分和次級(jí)傳感信號(hào)調(diào)理部分組成，前者包括用來產(chǎn)生LVDT初級(jí)激磁信號(hào)的低失真正弦波振蕩器及其輸出放大器，后者包括接收LVDT次級(jí)輸出的二個(gè)正弦信號(hào)的輸入級(jí)、除法器、濾波器及其輸出放大器，其中除法器的功能是將來自LVDT次級(jí)的這二個(gè)信號(hào)之差除以這二個(gè)信號(hào)之和。第八十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-33AD598功能框圖第八十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日AD598信號(hào)調(diào)節(jié)器的基本特點(diǎn)如下：①AD598提供了一個(gè)用單片器件解決LVDT信號(hào)調(diào)節(jié)問題的方案，它只要求外接幾個(gè)無源元件。②AD598能夠適用于多個(gè)不同類型的LVDT，因?yàn)锳D598的輸入電壓、輸出電壓、頻率適應(yīng)范圍都很寬。AD598的輸出電壓達(dá)24Vrms，它能夠直接驅(qū)動(dòng)LVDT的初級(jí)激磁線圈；接受的LVDT的次級(jí)輸出電壓可以低于100mVrms。③LVDT的激磁信號(hào)頻率20Hz～20kHz，它決定于AD598的外接電容C1。AD598所接受的LVDT次級(jí)輸出信號(hào)不需要與初級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步，這意味著可以采用外部激磁信號(hào)。④AD598采用比率譯碼方案，避免了次級(jí)對(duì)初級(jí)的相移、變壓器中點(diǎn)電壓對(duì)性能的影響。第八十四頁，共九十一頁，