《傳感器原理PPT電子課件教案第6章 變磁阻式傳感器》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《傳感器原理PPT電子課件教案第6章 變磁阻式傳感器（116頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、6.1 電感式傳感器電感式傳感器6.2 差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器6.3 電渦流傳感器電渦流傳感器6.4 電感傳感器和差動(dòng)變壓器工程設(shè)計(jì)電感傳感器和差動(dòng)變壓器工程設(shè)計(jì)上一頁下一頁返 回第六章第六章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器2022-1-2021 1、何為電磁感應(yīng)、何為電磁感應(yīng)線圈自身電流發(fā)生變化時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。線圈自身電流發(fā)生變化時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。產(chǎn)生感應(yīng)電壓或感應(yīng)電流的現(xiàn)象。放在變化磁通量中的產(chǎn)生感應(yīng)電壓或感應(yīng)電流的現(xiàn)象。放在變化磁通量中的導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)。若將此導(dǎo)體閉合成一。若將此導(dǎo)體閉合成一回路回路，則該，則該電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)使電

2、子流動(dòng)，形成電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)使電子流動(dòng)，形成感應(yīng)電流感應(yīng)電流 線圈自身電流發(fā)生變化時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)線圈自身電流發(fā)生變化時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。象。當(dāng)線圈通過電流后，在線圈中形成當(dāng)線圈通過電流后，在線圈中形成磁場(chǎng)磁場(chǎng)感應(yīng)，感應(yīng)磁感應(yīng)，感應(yīng)磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流來抵制通過線圈中的電流。我們場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流來抵制通過線圈中的電流。我們把這種電流與線圈的相互作用關(guān)系稱其為電的感抗把這種電流與線圈的相互作用關(guān)系稱其為電的感抗 2022-1-203n 變磁阻式傳感器的基本工作原理：電磁感應(yīng)原理變磁阻式傳感器的基本工作原理：電磁感應(yīng)原理 利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、利用電磁

3、感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、 振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L L或互感量或互感量MM的變化的變化, , 再由測(cè)量再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出, , 這種裝置稱為變這種裝置稱為變磁阻式傳感器。磁阻式傳感器。2022-1-204F220V380V當(dāng)線圈通電時(shí),靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力,將動(dòng)鐵芯吸合,由于觸頭系統(tǒng)是與動(dòng)鐵芯聯(lián)動(dòng)的,因此動(dòng)鐵芯帶動(dòng)三條動(dòng)觸片同時(shí)運(yùn)行,觸點(diǎn)閉合,從而接通電源。當(dāng)線圈斷電時(shí),吸力消失, 動(dòng)鐵芯聯(lián)動(dòng)部分依靠彈簧的反作用力而分離,使主觸頭斷開,切斷電源。 2022-1-2052022-1-2062022-1-20

4、72022-1-2086.1 6.1 電感式傳感器電感式傳感器n 工作原理工作原理 把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成自感把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成自感L L的變化，并通過一定的的變化，并通過一定的轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。n 組成組成 主要由主要由線圈、鐵芯和銜鐵線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。三部分組成。 鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。 銜鐵和鐵芯之間有空氣隙。銜鐵和鐵芯之間有空氣隙。 傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。n 分類分類 按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，目前常用的電感式按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，目前常用的電感式傳感

5、器有變氣隙式、變截面積式和螺線管式三種。傳感器有變氣隙式、變截面積式和螺線管式三種。 2022-1-209自感式傳感器的原理圖自感式傳感器的原理圖2022-1-20106.1.1 簡(jiǎn)單電感傳感器簡(jiǎn)單電感傳感器p 電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律(1831(1831年年) ) 當(dāng)一個(gè)線圈中電流當(dāng)一個(gè)線圈中電流i變化時(shí)，該電變化時(shí)，該電流產(chǎn)生的磁通流產(chǎn)生的磁通也隨之變化，因而也隨之變化，因而線圈本身會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)線圈本身會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E，這種，這種現(xiàn)象稱為自感。產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)稱現(xiàn)象稱為自感。產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)稱為自感電勢(shì)。為自感電勢(shì)。i稱稱L L為為自感系數(shù)自感系數(shù), ,簡(jiǎn)稱自感或電感簡(jiǎn)稱自感或電感Li物理意

6、義：物理意義：一個(gè)線圈中通有單位電流時(shí)，通過線圈自身的一個(gè)線圈中通有單位電流時(shí)，通過線圈自身的磁通鏈數(shù)，等于該線圈的自感系數(shù)。磁通鏈數(shù)，等于該線圈的自感系數(shù)。磁通鏈與回路的電流成正比：磁通鏈與回路的電流成正比：W2022-1-2011S1l1L1W23l21線圈；2鐵芯(定鐵芯)；3銜鐵(動(dòng)鐵芯)S2n基本原理基本原理當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度 發(fā)生改變，引起磁路中發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化磁阻變化，從而導(dǎo)致從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電，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。感量的變化，就能確定銜鐵位移量的

7、大小和方向。 銜鐵移動(dòng)銜鐵移動(dòng)改變改變磁阻變化磁阻變化電感值變化電感值變化電感式傳感器電感式傳感器的原理圖的原理圖2022-1-2012假設(shè)線圈的匝數(shù)為假設(shè)線圈的匝數(shù)為W，根據(jù)電感的定義，線圈中電感量為：，根據(jù)電感的定義，線圈中電感量為： IWL式中：式中： I通過線圈的電流；通過線圈的電流； W線圈的匝數(shù)；線圈的匝數(shù)； 穿過線圈的磁通。穿過線圈的磁通。 RRIWRIWF式中式中, , R R為磁路總磁阻，為磁路總磁阻， 為鐵磁阻，為鐵磁阻， 為空氣隙磁阻為空氣隙磁阻 由磁路歐姆定律，由磁路歐姆定律， 得：得： FRR2022-1-2013對(duì)于變氣隙式傳感器，對(duì)于變氣隙式傳感器， 因?yàn)闅庀逗苄?/p>

8、，所以可以認(rèn)為氣隙因?yàn)闅庀逗苄?，所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。中的磁場(chǎng)是均勻的。 若忽略磁路磁損，若忽略磁路磁損， 則磁路總磁阻為：則磁路總磁阻為： 002221112)(SSlSlRRRF式中式中: :0 0空氣的導(dǎo)磁率空氣的導(dǎo)磁率，4 410-7(H/m)； 1 1鐵芯材料的導(dǎo)磁率；鐵芯材料的導(dǎo)磁率； 2 2銜鐵材料的導(dǎo)磁率；銜鐵材料的導(dǎo)磁率； 氣隙的厚度；氣隙的厚度； l1 1磁通通過鐵芯的長度；磁通通過鐵芯的長度； l2 2磁通通過銜鐵的長度；磁通通過銜鐵的長度； S0 0氣隙的截面積；氣隙的截面積； S1 1鐵芯的截面積；鐵芯的截面積；S2 2銜鐵的截面積。銜鐵的截面積。 )/(

9、1047mHHBB:磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度H:磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度2022-1-2014由于電感傳感器的導(dǎo)磁性材料一般都工作在非飽和的狀由于電感傳感器的導(dǎo)磁性材料一般都工作在非飽和的狀態(tài)下，其導(dǎo)磁率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)磁率，因此氣隙磁阻態(tài)下，其導(dǎo)磁率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)磁率，因此氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即 22200111002,2SlSSlS所以所以磁路總磁阻為磁路總磁阻為： 002SRR2022-1-2015由此可以得到：由此可以得到：20022SWRWRIWIWIWL電感傳感器的電感傳感器的基本特征公式基本特征公式上式表明，當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感上式表明，當(dāng)線圈匝數(shù)

10、為常數(shù)時(shí)，電感L L僅僅是磁路中磁僅僅是磁路中磁阻阻R R的函數(shù)，改變的函數(shù)，改變 或或S S0 0均可導(dǎo)致電感變化，因此電感式均可導(dǎo)致電感變化，因此電感式傳感器又可分為變氣隙厚度傳感器又可分為變氣隙厚度 的傳感器和變氣隙面積的傳感器和變氣隙面積S S0 0的的傳感器。傳感器。目前使用最廣泛的是目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。變氣隙厚度式電感傳感器。 2022-1-2016n 輸出特性輸出特性L00oL0L0LL0L由上式可知由上式可知: :對(duì)于變間隙式電感傳感器，對(duì)于變間隙式電感傳感器，L L與與 之間是非線之間是非線性關(guān)系性關(guān)系, , 特性曲線如圖所示特性曲線如圖所示2002SW

11、L 2022-1-2017設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙樵O(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙?，初始電感量為，初始電感量為L0，銜鐵位，銜鐵位移引起的氣隙變化量為移引起的氣隙變化量為， 當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為：始電感量為： 020002WSL 當(dāng)銜鐵上移當(dāng)銜鐵上移 時(shí)，傳感器氣隙減小時(shí)，傳感器氣隙減小，即，即=0-，則此，則此時(shí)輸出電感為時(shí)輸出電感為L=L0+L， 代入上式并整理，得代入上式并整理，得 00000201)(2LSWLLL2022-1-2018由上式可求得電感增量由上式可求得電感增量 L L和相對(duì)增量和相對(duì)增量 L L/ /L L0 0的表達(dá)式，即的表達(dá)式，即 當(dāng)當(dāng)

12、 / / 0 011時(shí)，可將上式展開成如下的級(jí)數(shù)形式：時(shí)，可將上式展開成如下的級(jí)數(shù)形式： 000LLLL)11(0000LL)(1 20000LL2022-1-2019同理同理, ,當(dāng)銜鐵隨被測(cè)體的初始位置向下移動(dòng)當(dāng)銜鐵隨被測(cè)體的初始位置向下移動(dòng) 時(shí)時(shí), ,有有 3020000302000011LLLL如果忽略高次項(xiàng)后，可得如果忽略高次項(xiàng)后，可得 00LL2022-1-2020靈敏度為：靈敏度為： 0001LLK由此可見，變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏由此可見，變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變隙式電感式傳感器適用度及線性度相矛盾，因此變隙式電感式傳感器適用于測(cè)量微

13、小位移的場(chǎng)合。為了減小非線性誤差，實(shí)于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合。為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。 2022-1-2021sUL1L2RoRooU122131鐵 芯 ；2線 圈 ；3銜 鐵特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.上下兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾上下兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾何尺寸完全相同何尺寸完全相同,材料相同材料相同2.上下兩只線圈的電氣參數(shù)上下兩只線圈的電氣參數(shù)(線線圈銅電阻圈銅電阻, 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù))完全一致完全一致差動(dòng)變隙式電感傳感器2022-1-2022差動(dòng)式電感傳感器的差動(dòng)式電感傳感器的接線圖接線圖 Z1Z2Z3RZ4RoUU把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩

14、個(gè)相鄰橋臂把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)相鄰橋臂Z1和和Z2，另，另外兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻外兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻R代替。設(shè)代替。設(shè)Z1=Z+Z1, Z2=Z-Z2，Z是銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的復(fù)阻抗，是銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的復(fù)阻抗， Z1, Z2分別是銜鐵偏離中心位置時(shí)兩線圈阻抗的變化量。對(duì)于高分別是銜鐵偏離中心位置時(shí)兩線圈阻抗的變化量。對(duì)于高Q ( 品 質(zhì) 因 數(shù)品 質(zhì) 因 數(shù) ) 值 的 差 動(dòng) 式 電 感 傳 感 器 ， 有值 的 差 動(dòng) 式 電 感 傳 感 器 ， 有Z1+Z2j(L1+L2)2022-1-2023電橋平衡條件：電橋平衡條件：Z1Z4 = Z2Z3 平衡狀態(tài)

15、下：平衡狀態(tài)下：U00假設(shè)起始位置時(shí)：假設(shè)起始位置時(shí)： 輸入為交流電源，輸出為交流電輸入為交流電源，輸出為交流電壓。在起始位置時(shí)，銜鐵處于中間壓。在起始位置時(shí)，銜鐵處于中間位置，兩邊的氣隙相等，兩個(gè)電感位置，兩邊的氣隙相等，兩個(gè)電感線圈的電感量在理論上相等，輸出線圈的電感量在理論上相等，輸出為為0 0，電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)銜鐵，電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)銜鐵偏離中間位置向上或者向下移動(dòng)時(shí)，偏離中間位置向上或者向下移動(dòng)時(shí)，兩邊的氣隙不相等，兩個(gè)電感線圈兩邊的氣隙不相等，兩個(gè)電感線圈的電感量在理論上不相等，電橋不的電感量在理論上不相等，電橋不平衡。平衡。00020210212 SWLLL2022-1-2

16、024其中：其中：Rc-中單個(gè)線圈銅電阻，中單個(gè)線圈銅電阻，Z0-單個(gè)線圈的交流阻抗，單個(gè)線圈的交流阻抗，w-電源電壓角頻率。電源電壓角頻率。則此時(shí)輸出電壓為：則此時(shí)輸出電壓為：043002010,RRRjwLRZZZc 當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，設(shè)向上偏離當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，設(shè)向上偏離，則磁路上，則磁路上半部氣隙磁導(dǎo)增加，下半部氣隙磁導(dǎo)減少，由于上下兩半部氣隙磁導(dǎo)增加，下半部氣隙磁導(dǎo)減少，由于上下兩邊氣隙不相等，阻抗也發(fā)生了變化，假設(shè)上邊增加邊氣隙不相等，阻抗也發(fā)生了變化，假設(shè)上邊增加Z1 ,下邊減少下邊減少Z2 ，于是電橋?qū)禽敵龆擞须妷狠敵?。假設(shè)，于是電橋?qū)禽敵龆擞须妷狠敵觥＜僭O(shè)電橋輸出

17、端的負(fù)載阻抗為無窮大，則此時(shí)有：電橋輸出端的負(fù)載阻抗為無窮大，則此時(shí)有：0)(432010320410331010inUZZZZZZZZZIZIU2022-1-20252020210101LjwZZZZLjwZZZZ)()()(4)(4)2()(2)()()(210021210210020100200100LLjwLRjwUZZZUZZZZZUURRZZZZRZZRZZUcinininin差動(dòng)電橋中，差動(dòng)電橋中，Z1 Z2趨于趨于02022-1-2026銜鐵上移銜鐵上移 ：兩個(gè)線圈的電感變化量：兩個(gè)線圈的電感變化量 L L1 1、 L L2 2分別為：分別為： 4020002112LLLL差動(dòng)

18、傳感器電感的總變化量差動(dòng)傳感器電感的總變化量 L L=L L1 1+L L2 2, , 具體表達(dá)式為具體表達(dá)式為: : )(1 200002LL)(1 200001LL2022-1-2027對(duì)上式進(jìn)行對(duì)上式進(jìn)行線性處理線性處理, , 即忽略高次項(xiàng)得即忽略高次項(xiàng)得 002LL靈敏度靈敏度K K0 0為為 ：0002LLK2022-1-2028202000000000002100)1(1)11 (2)(1)1 (2)()(2)()(2)()()(4QQjUwLRwLRjUjwLRjwLRjwLRjwLULjwLRjwULLjwLRjwUUinccincccincincin分子分分子分母同時(shí)母同時(shí)除

19、以除以w2L02Q表示電感傳表示電感傳感器的品質(zhì)因感器的品質(zhì)因數(shù)數(shù)與電源電壓同與電源電壓同相位的分量相位的分量與電源電壓同相位差與電源電壓同相位差90的正交分量的正交分量2022-1-2029KUQQjUUinin02002)1(1)11 (2輸出電壓的正交分量與輸出電壓的正交分量與Q Q值有關(guān)，值有關(guān)，Q Q值增大，正交分量值增大，正交分量減小，對(duì)于高減小，對(duì)于高Q Q的電感傳感器：的電感傳感器： K K稱為差動(dòng)電感傳感器連成四臂電橋的靈敏度。稱為差動(dòng)電感傳感器連成四臂電橋的靈敏度。 物理意義：?jiǎn)挝晃灰屏靠赡芤鸬碾姌虻妮敵鲭妷?。物理意義：?jiǎn)挝晃灰屏靠赡芤鸬碾姌虻妮敵鲭妷骸?K K值與電橋

20、的電源電壓和起始?xì)庀队嘘P(guān)，提高電源電值與電橋的電源電壓和起始?xì)庀队嘘P(guān)，提高電源電壓，減小起始?xì)庀叮梢蕴岣哽`敏度。壓，減小起始?xì)庀叮梢蕴岣哽`敏度。 2022-1-2030n 輸出特性輸出特性由上式可知由上式可知: :電橋的輸出電壓與銜鐵位移成正比，其相位電橋的輸出電壓與銜鐵位移成正比，其相位與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān)。與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān)。當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓為正，則當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓為正，則當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，輸出電壓為負(fù)，相位相差時(shí)，輸出電壓為負(fù)，相位相差180180度。度。輸出特性曲線如下：輸出特性曲線如下：KUUin0022022-1-2031作業(yè)：作業(yè)：1、123頁

21、 5-22、124頁 5-113、什么是寄生電容？消除和減小寄生電容的措施有哪些？2022-1-2032 零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓: :當(dāng)銜鐵位于中間位置時(shí)當(dāng)銜鐵位于中間位置時(shí), ,差動(dòng)自感式傳感差動(dòng)自感式傳感器電橋輸出理論上應(yīng)為零器電橋輸出理論上應(yīng)為零, ,但實(shí)際上總存在零位不平衡但實(shí)際上總存在零位不平衡電壓輸出。主要是由于電橋的輸出零位信號(hào)中有高次諧電壓輸出。主要是由于電橋的輸出零位信號(hào)中有高次諧波電壓的存在。波電壓的存在。零殘電壓過大帶來的影響：零殘電壓過大帶來的影響：靈敏度下降、非線性誤差增大靈敏度下降、非線性誤差增大測(cè)量有用的信號(hào)被淹沒，不再反映被測(cè)量變化，造成放測(cè)量有用的信號(hào)被淹沒

22、，不再反映被測(cè)量變化，造成放大電路后級(jí)飽和大電路后級(jí)飽和產(chǎn)生的原因：產(chǎn)生的原因： 兩電感線圈的等效參數(shù)（電感、電阻）不對(duì)稱；兩電感線圈的等效參數(shù)（電感、電阻）不對(duì)稱； 鐵芯的鐵芯的B-HB-H特性的非線性，產(chǎn)生的高次諧波不同，不特性的非線性，產(chǎn)生的高次諧波不同，不能互相抵消。能互相抵消。2022-1-2033 為了正確判別銜鐵位移為了正確判別銜鐵位移的大小和方向，可采用帶的大小和方向，可采用帶相敏整流相敏整流的交流電橋，這的交流電橋，這樣子得到的輸出信號(hào)即能樣子得到的輸出信號(hào)即能反映位移的大小，也能反反映位移的大小，也能反映位移的方向。映位移的方向。減小的措施：減小的措施：設(shè)計(jì)上：設(shè)計(jì)上：使上

23、、下磁路對(duì)稱，盡量減小銅損電阻使上、下磁路對(duì)稱，盡量減小銅損電阻R Rc c，增，增大鐵心的渦流損大鐵心的渦流損R Re e及磁滯損及磁滯損R Rh h以提高線圈的品質(zhì)因數(shù)；以提高線圈的品質(zhì)因數(shù)；制造上：制造上：使上、下磁性材料一致。零部件配套挑選，線使上、下磁性材料一致。零部件配套挑選，線圈排列均勻、一致。圈排列均勻、一致。調(diào)整方法：調(diào)整方法：串（并）接電阻、并聯(lián)電容方法。串（并）接電阻、并聯(lián)電容方法。電路上：電路上：利用相敏檢波可以減小零殘。利用相敏檢波可以減小零殘。2022-1-2034比較單線圈式和差動(dòng)式：比較單線圈式和差動(dòng)式： 差動(dòng)式變間隙電感傳感器的差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是

24、單線圈式的兩倍靈敏度是單線圈式的兩倍。 差動(dòng)式的非線性項(xiàng)差動(dòng)式的非線性項(xiàng)( (忽略高次項(xiàng)忽略高次項(xiàng)) )： 單線圈的非線性項(xiàng)（忽略高次項(xiàng)單線圈的非線性項(xiàng)（忽略高次項(xiàng)) )： 由于由于 / / 0 011，因此，因此差動(dòng)式的線性度得到明顯改善差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。 3002/ LL200/ LL2022-1-2035p變面積式自感傳感器變面積式自感傳感器 若傳感器的氣隙長度保持不變，令磁通截面積隨被測(cè)非電若傳感器的氣隙長度保持不變，令磁通截面積隨被測(cè)非電量而變量而變( (銜鐵水平方向移動(dòng)銜鐵水平方向移動(dòng)) )，即構(gòu)成變面積式自感傳感器。，即構(gòu)成變面積式自感傳感器。對(duì)上式微分得靈敏度為：對(duì)上

25、式微分得靈敏度為：SWL0200202002WdSdLK 可見，變面積式傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件可見，變面積式傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，輸出特性呈線性，因此可得到較大的線性范圍。與下，輸出特性呈線性，因此可得到較大的線性范圍。與變氣隙式相比較，其靈敏度較低。欲提高靈敏度，需減變氣隙式相比較，其靈敏度較低。欲提高靈敏度，需減小小氣隙氣隙，但同樣受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制。，但同樣受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制。2022-1-2036n 測(cè)量電路測(cè)量電路最簡(jiǎn)單的測(cè)量線路：最簡(jiǎn)單的測(cè)量線路：將電感傳感器線圈與交流電流表相串聯(lián)，用頻率和大小將電感傳感器線圈與交流電流表相串聯(lián)，用頻率和大小一定的交

26、流電壓作電源，當(dāng)銜鐵位移時(shí)，傳感器的電感一定的交流電壓作電源，當(dāng)銜鐵位移時(shí)，傳感器的電感變化，引起電路中電流變化，從電流表指示值可以判斷變化，引起電路中電流變化，從電流表指示值可以判斷銜鐵位移的大小。銜鐵位移的大小。忽略鐵心磁阻、電感線圈電阻、電感線圈的寄生電容和忽略鐵心磁阻、電感線圈電阻、電感線圈的寄生電容和鐵損電阻，則輸出量電流與銜鐵位移輸入量的關(guān)系為：鐵損電阻，則輸出量電流與銜鐵位移輸入量的關(guān)系為：SWwUwLUI022電流與氣隙電流與氣隙大小成正比大小成正比2022-1-2037注意注意 電感傳感器的實(shí)際特性曲線是一條不過零點(diǎn)的曲線電感傳感器的實(shí)際特性曲線是一條不過零點(diǎn)的曲線 當(dāng)空氣隙

27、為當(dāng)空氣隙為0 0時(shí)，氣隙電阻為時(shí)，氣隙電阻為0 0，此時(shí)鐵芯磁阻不可忽，此時(shí)鐵芯磁阻不可忽 略，因此有一定的起始電流略，因此有一定的起始電流 當(dāng)氣隙很大時(shí)，線圈的銅電阻和線圈的感抗相比不可忽當(dāng)氣隙很大時(shí)，線圈的銅電阻和線圈的感抗相比不可忽 略，最大電流將趨近于一個(gè)穩(wěn)定值略，最大電流將趨近于一個(gè)穩(wěn)定值 測(cè)量電路存在非線性特性，并且容易受到外界干擾的影測(cè)量電路存在非線性特性，并且容易受到外界干擾的影 響，比如電源電壓和頻率的波動(dòng)等響，比如電源電壓和頻率的波動(dòng)等 一般不用于較精密的測(cè)量儀表和系統(tǒng)，只用在一些繼電一般不用于較精密的測(cè)量儀表和系統(tǒng)，只用在一些繼電 信號(hào)裝置中信號(hào)裝置中2022-1-20

28、386.1.3 螺管式電感傳感器螺管式電感傳感器1-1-螺線管線圈螺線管線圈；2-2-螺線管線圈螺線管線圈；3-3-骨架；骨架；4-4-活動(dòng)鐵芯活動(dòng)鐵芯 2022-1-2039p 工作原理工作原理 主要是建立在線圈泄露路徑中的磁阻變化的原理主要是建立在線圈泄露路徑中的磁阻變化的原理上，線圈的電感與鐵心插入線圈的深度有關(guān)。上，線圈的電感與鐵心插入線圈的深度有關(guān)。 根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布曲線可知：鐵心剛插入或者根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布曲線可知：鐵心剛插入或者接近離開線圈時(shí)的靈敏度要比鐵心插入線圈一半左接近離開線圈時(shí)的靈敏度要比鐵心插入線圈一半左右時(shí)的靈敏度小很多。右時(shí)的靈敏度小很多。p 特點(diǎn)特點(diǎn) 較高的激磁

29、頻率下較高的激磁頻率下, ,容易產(chǎn)生諧振容易產(chǎn)生諧振, ,溫度穩(wěn)定性差溫度穩(wěn)定性差靈敏度較低，但線性好，電感大；靈敏度較低，但線性好，電感大；鐵心的損耗大，線圈的鐵心的損耗大，線圈的Q Q值較低；值較低；為了要使線圈內(nèi)的磁場(chǎng)均勻變化，對(duì)于線圈、鐵心為了要使線圈內(nèi)的磁場(chǎng)均勻變化，對(duì)于線圈、鐵心和外殼的加工要求比較高。和外殼的加工要求比較高。2022-1-20406.1.5 電感傳感器主要誤差分析電感傳感器主要誤差分析 在電感傳感器的實(shí)際特性和理想特性之間存在在電感傳感器的實(shí)際特性和理想特性之間存在偏差，因此在設(shè)計(jì)、制造、使用時(shí)必須設(shè)法消除偏差，因此在設(shè)計(jì)、制造、使用時(shí)必須設(shè)法消除它或者盡可能減少

30、它。它或者盡可能減少它。 造成誤差的因素主要有：造成誤差的因素主要有： (1) 外界工作環(huán)境條件，如溫度變化、電源電外界工作環(huán)境條件，如溫度變化、電源電壓和頻率的波動(dòng)等。壓和頻率的波動(dòng)等。 (2) 電感傳感器本身特性所固有的，如線圈電電感傳感器本身特性所固有的，如線圈電感和銜鐵位移之間的非線性、零位誤差等。感和銜鐵位移之間的非線性、零位誤差等。2022-1-20411.輸出特性的非線性輸出特性的非線性 各種自感式傳感器，都在原理上或?qū)嶋H上存在非線性誤各種自感式傳感器，都在原理上或?qū)嶋H上存在非線性誤差。測(cè)量電路也往往存在非線性。為了減小非線性，常差。測(cè)量電路也往往存在非線性。為了減小非線性，常用

31、的方法是采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)和限制測(cè)量范圍用的方法是采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)和限制測(cè)量范圍。對(duì)于螺管式自感傳感器，增加線圈的長度有利于擴(kuò)大線對(duì)于螺管式自感傳感器，增加線圈的長度有利于擴(kuò)大線性范圍或提高線性度。在工藝上應(yīng)注意導(dǎo)磁體和線圈骨性范圍或提高線性度。在工藝上應(yīng)注意導(dǎo)磁體和線圈骨架的加工精度、導(dǎo)磁體材料與線圈繞制的均勻性，對(duì)于架的加工精度、導(dǎo)磁體材料與線圈繞制的均勻性，對(duì)于差動(dòng)式則應(yīng)保證其對(duì)稱性，合理選擇銜鐵長度和線圈匝差動(dòng)式則應(yīng)保證其對(duì)稱性，合理選擇銜鐵長度和線圈匝數(shù)。另一種有效的方法是采用階梯形線圈，如圖所示。數(shù)。另一種有效的方法是采用階梯形線圈，如圖所示。2022-1-20422.零位誤差零位誤差差動(dòng)自

32、感式傳感器當(dāng)銜鐵位于中間位置時(shí)，電差動(dòng)自感式傳感器當(dāng)銜鐵位于中間位置時(shí)，電橋輸出理論上應(yīng)為零，但實(shí)際上總存在零位不橋輸出理論上應(yīng)為零，但實(shí)際上總存在零位不平衡電壓輸出平衡電壓輸出(零位電壓零位電壓)，造成零位誤差。過大，造成零位誤差。過大的零位電壓會(huì)使放大器提前飽和，若傳感器輸?shù)牧阄浑妷簳?huì)使放大器提前飽和，若傳感器輸出作為伺服系統(tǒng)的控制信號(hào)，零位電壓還會(huì)使出作為伺服系統(tǒng)的控制信號(hào)，零位電壓還會(huì)使伺服電機(jī)發(fā)熱，甚至產(chǎn)生零位誤動(dòng)作。伺服電機(jī)發(fā)熱，甚至產(chǎn)生零位誤動(dòng)作。2022-1-2043產(chǎn)生基波分量的主要原因：產(chǎn)生基波分量的主要原因：是傳感器兩線圈的電氣參是傳感器兩線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸的不對(duì)稱

33、，以及構(gòu)成電橋另外兩臂的電數(shù)和幾何尺寸的不對(duì)稱，以及構(gòu)成電橋另外兩臂的電氣參數(shù)不一致。由于基波同相分量可以通過調(diào)整銜鐵氣參數(shù)不一致。由于基波同相分量可以通過調(diào)整銜鐵的位置的位置(偏離機(jī)械零位偏離機(jī)械零位)來消除，通常注重的是基波正來消除，通常注重的是基波正交分量。交分量。造成高次諧波分量的主要原因：造成高次諧波分量的主要原因：是磁性材料磁化曲線是磁性材料磁化曲線的非線性，同時(shí)由于磁滯損耗和兩線圈磁路的不對(duì)稱，的非線性，同時(shí)由于磁滯損耗和兩線圈磁路的不對(duì)稱，造成兩線圈中某些高次諧波成分不一樣，不能對(duì)消，造成兩線圈中某些高次諧波成分不一樣，不能對(duì)消，于是產(chǎn)生了零位電壓的高次諧波。此外，激勵(lì)信號(hào)中于

34、是產(chǎn)生了零位電壓的高次諧波。此外，激勵(lì)信號(hào)中包含的高次諧波及外界電磁場(chǎng)的干擾，也會(huì)產(chǎn)生高次包含的高次諧波及外界電磁場(chǎng)的干擾，也會(huì)產(chǎn)生高次諧波。應(yīng)合理選擇磁性材料與激勵(lì)電流，使傳感器工諧波。應(yīng)合理選擇磁性材料與激勵(lì)電流，使傳感器工作在磁化曲線的線性區(qū)。減少激勵(lì)電流的諧波成分與作在磁化曲線的線性區(qū)。減少激勵(lì)電流的諧波成分與利用外殼進(jìn)行電磁屏蔽也能有效地減小高次諧波。利用外殼進(jìn)行電磁屏蔽也能有效地減小高次諧波。2022-1-2044一種常用的方法是采用補(bǔ)償電路，其原理為：一種常用的方法是采用補(bǔ)償電路，其原理為： (1)串聯(lián)電阻消除基波零位電壓；串聯(lián)電阻消除基波零位電壓； (2)并聯(lián)電阻消除高次諧波零

35、位電壓；并聯(lián)電阻消除高次諧波零位電壓； (3)加并聯(lián)電容消除基波正交分量或高次諧波分量。加并聯(lián)電容消除基波正交分量或高次諧波分量。2022-1-2045另一種有效的方法是采用外接測(cè)量電路來減小零另一種有效的方法是采用外接測(cè)量電路來減小零位電壓。位電壓。如前述的相敏檢波電路，它能有效地消如前述的相敏檢波電路，它能有效地消除基波正交分量與偶次諧波分量，減小奇次諧波除基波正交分量與偶次諧波分量，減小奇次諧波分量，使傳感器零位電壓減至極小。分量，使傳感器零位電壓減至極小。此外還可采用磁路調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)此外還可采用磁路調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(如可調(diào)端蓋如可調(diào)端蓋)保證磁保證磁路的對(duì)稱性，來減小零位電壓。路的對(duì)稱性，來減小零

36、位電壓。3.溫度誤差溫度誤差環(huán)境溫度的變化會(huì)引起自感傳感器的零點(diǎn)溫度漂環(huán)境溫度的變化會(huì)引起自感傳感器的零點(diǎn)溫度漂移、靈敏度溫度漂移以及線性度和相位的變化，移、靈敏度溫度漂移以及線性度和相位的變化，造成溫度誤差。造成溫度誤差。2022-1-2046環(huán)境溫度對(duì)自感傳感器的影響主要通過：環(huán)境溫度對(duì)自感傳感器的影響主要通過： (1) 材料的線膨脹系數(shù)引起零件尺寸的變化；材料的線膨脹系數(shù)引起零件尺寸的變化； (2) 材料的電阻率溫度系數(shù)引起線圈銅阻的變化；材料的電阻率溫度系數(shù)引起線圈銅阻的變化； (3) 磁性材料磁導(dǎo)率溫度系數(shù)、繞組絕緣材料的介質(zhì)磁性材料磁導(dǎo)率溫度系數(shù)、繞組絕緣材料的介質(zhì)溫度系數(shù)和線圈幾

37、何尺寸變化引起線圈電感量及寄溫度系數(shù)和線圈幾何尺寸變化引起線圈電感量及寄生電容的改變等造成。生電容的改變等造成。 上述因素對(duì)單電感傳感器影響較大，特別對(duì)小氣上述因素對(duì)單電感傳感器影響較大，特別對(duì)小氣隙式與螺管式影響更大，而第隙式與螺管式影響更大，而第(2)項(xiàng)對(duì)低頻激勵(lì)的傳項(xiàng)對(duì)低頻激勵(lì)的傳感器影響較大。感器影響較大。2022-1-20474.激勵(lì)電源的影響激勵(lì)電源的影響大多數(shù)自感式傳感器采用交流電橋作測(cè)量電路，大多數(shù)自感式傳感器采用交流電橋作測(cè)量電路，電源電壓的波動(dòng)將直接導(dǎo)致輸出信號(hào)的波動(dòng)。電源電壓的波動(dòng)將直接導(dǎo)致輸出信號(hào)的波動(dòng)。采用差動(dòng)工作方式，其影響將能得到補(bǔ)償。但采用差動(dòng)工作方式，其影響將

38、能得到補(bǔ)償。但需注意，頻率的高低應(yīng)與鐵心材料相匹配需注意，頻率的高低應(yīng)與鐵心材料相匹配對(duì)于諧振式與恒流源式測(cè)量電路，電源頻率與對(duì)于諧振式與恒流源式測(cè)量電路，電源頻率與電流的穩(wěn)定度將直接引起測(cè)量誤差。對(duì)于調(diào)頻電流的穩(wěn)定度將直接引起測(cè)量誤差。對(duì)于調(diào)頻式測(cè)量電路，則應(yīng)保證直流電源的穩(wěn)定度。式測(cè)量電路，則應(yīng)保證直流電源的穩(wěn)定度。2022-1-20486.2 6.2 差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器n 工作原理工作原理 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互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的

39、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)變壓器式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。n 組成組成 由由線圈、鐵芯和銜鐵線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。三部分組成。 上下兩只鐵芯均有一個(gè)初級(jí)線圈上下兩只鐵芯均有一個(gè)初級(jí)線圈( (激勵(lì)線圈激勵(lì)線圈) )和一個(gè)次級(jí)線和一個(gè)次級(jí)線圈圈( (輸出線圈輸出線圈) ) 銜鐵置于兩鐵芯的中間銜鐵置于兩鐵芯的中間 初級(jí)線圈串聯(lián)后接交流激磁電壓，次級(jí)線圈按電勢(shì)反相初級(jí)線圈串聯(lián)后接交流激磁電壓，次級(jí)線圈按電勢(shì)反相串接串接 2022-1-2049n 分類分類 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積

40、式和螺差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等。線管式等。 在非電量測(cè)量中，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，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器， 它可以測(cè)量它可以測(cè)量1 1100mm 100mm 的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、高、靈敏度高、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)變間隙變間隙式式2022-1-2050(c)1U2U2U1U(d )2U1U01U2U(e)( f )螺管式螺管式變面積變面積式式2022-1-20516.

41、2.1 6.2.1 變隙式差動(dòng)變壓器變隙式差動(dòng)變壓器 p工作原理工作原理 假設(shè)閉磁路變隙式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)如圖所示，假設(shè)閉磁路變隙式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)如圖所示， 在在A A、B B兩兩個(gè)鐵芯上繞有個(gè)鐵芯上繞有WW1a1a=W=W1b1b=W=W1 1的兩個(gè)初級(jí)繞組和的兩個(gè)初級(jí)繞組和WW2a2a=W=W2b2b=W=W2 2兩兩個(gè)次級(jí)繞組。兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)，個(gè)次級(jí)繞組。兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)， 而兩個(gè)次級(jí)繞而兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端則反相串聯(lián)。組的同名端則反相串聯(lián)。 2022-1-2052 當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵C C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵芯的間隙處于初始平衡位置

42、，它與兩個(gè)鐵芯的間隙有有a0=b0=0，則繞組則繞組W1a和和W2a間的互感間的互感Ma與繞組與繞組W1b和和W2b的互感的互感Mb相等，致使兩個(gè)次級(jí)繞組的互感電勢(shì)相等，即相等，致使兩個(gè)次級(jí)繞組的互感電勢(shì)相等，即e2a=e2b。由于次級(jí)繞組由于次級(jí)繞組反相串聯(lián)，因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓反相串聯(lián)，因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。 當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，與被測(cè)體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，與被測(cè)體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使化，使ab，互感，互感MaMb，兩次級(jí)繞組的互感電勢(shì)兩次級(jí)繞組的互感電勢(shì)e2ae2b，輸出電壓輸出電壓Uo=e2a-e2b0，即差動(dòng)變

43、壓器有電壓輸出，即差動(dòng)變壓器有電壓輸出， 此電壓的大小與極性反映此電壓的大小與極性反映被測(cè)體位移的大小和方向。被測(cè)體位移的大小和方向。 .2022-1-2053p 輸出特性輸出特性 在忽略鐵損在忽略鐵損( (即渦流與磁滯損耗即渦流與磁滯損耗) )、漏感以及變壓器次級(jí)開、漏感以及變壓器次級(jí)開路路( (或負(fù)載阻抗足夠大或負(fù)載阻抗足夠大) )的條件下，變隙式差動(dòng)變壓器的等效的條件下，變隙式差動(dòng)變壓器的等效電路如下圖所示。電路如下圖所示。 圖中圖中r1a與與L1a , r1b與與L1b , r2a與與L2a , r2b與與L2b，分別為分別為W1a , W1b , W2a, W2b繞阻的直流電阻與電感

44、。繞阻的直流電阻與電感。 iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb2022-1-2054iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb 根據(jù)電磁感應(yīng)定律和磁路歐姆定律，當(dāng)根據(jù)電磁感應(yīng)定律和磁路歐姆定律，當(dāng)r1aL1a，r1bM2，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。上圖給出了差動(dòng)變壓器輸出電壓Uo與活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)系曲線。圖中實(shí)線為理論特性曲線，虛線曲線為實(shí)際特性曲線。由圖可以看出，當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，

45、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Uo，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W2 bW1W2 a0 xuou2 bou2 au2u2 au2 bx理 論 特 性曲 線實(shí) 際 特 性 曲 線oU2022-1-2072 產(chǎn)生原因：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。 波形波形: : 波形十分復(fù)雜，主要由基波和高次諧波組成。 基波產(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

46、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。 高次諧波中起主要作用的是三次諧波，其產(chǎn)生的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，否則將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果。 .2022-1-2073p 測(cè)量線路測(cè)量線路 差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓，若用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向。另外，其測(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) (1) 差動(dòng)整流電路差動(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

47、流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出，下圖給出了幾種典型電路形式, 其中圖（a）、（c）適用于高阻抗負(fù)載，圖（b）、（d）適用于低阻抗負(fù)載，電阻R0用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓。 2022-1-20742022-1-2075 從上圖（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 68240UUU 當(dāng)銜鐵在零位時(shí)， 因?yàn)閁24=U68, 所以U0=0；當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，因?yàn)閁24 U68 ，則U0 0；而當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)， 則有U24 U68，則U0 0，不論u2與us是正半周還是負(fù)半周

48、，負(fù)載電阻RL兩端得到的電壓uo始終為正。 當(dāng)x0時(shí)，u2與us為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當(dāng)x0時(shí)，不論u2與us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uo表達(dá)式總是為 2022-1-2080(a) 被測(cè)位移變化波形圖; (b) 差動(dòng)變壓器激磁電壓波形; (c) 差動(dòng)變壓器輸出電壓波形;(d) 相敏檢波解調(diào)電壓波形；(e) 相敏檢波輸出電壓波形。 xoou1ttu2oK1u1xusouoottt(a)(b)(c)(d )(e)2022-1-2081p 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于位移測(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、

49、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 2022-1-208211B2Ax(t )1懸 臂 梁 ；2差 動(dòng) 變 壓 器 圖為差動(dòng)變壓器式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)示意圖。它由懸臂梁和差動(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x(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。 2022-1-20836.3 6.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 p 電渦流的產(chǎn)生：根據(jù)電磁場(chǎng)理論，在受到時(shí)變電磁場(chǎng)作用的任何導(dǎo)體中，都會(huì)產(chǎn)生電渦流。 渦流的強(qiáng)度

50、與導(dǎo)體的電阻率、導(dǎo)磁率、導(dǎo)體的厚度以及線圈與導(dǎo)體之間的距離、線圈的激勵(lì)頻率等參數(shù)有關(guān)。固定其中若干個(gè)參數(shù)不變，就能按渦流大小測(cè)量另外某一個(gè)參數(shù)。p 特點(diǎn)：特點(diǎn)：最大特點(diǎn)是進(jìn)行非接觸測(cè)量，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受油污等介質(zhì)的影響。p 應(yīng)用：應(yīng)用：在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，常用于測(cè)量位移、振拂、尺寸、厚度、工件表面粗糙度、導(dǎo)體的溫度、金屬表面裂紋等。2022-1-20846.3.1 6.3.1 工作原理工作原理 電渦流式傳感器原理圖電渦流式傳感器原理圖 （a a） 傳感器激勵(lì)線圈傳感器激勵(lì)線圈; ; （b b） 被測(cè)金屬導(dǎo)體被測(cè)金屬導(dǎo)體 1I1H傳 感 器 激 勵(lì) 線 圈(a)(b)2

51、H2I被 測(cè) 金 屬 導(dǎo) 體傳 感 器 激 勵(lì) 電 流p渦流效應(yīng)：渦流效應(yīng)： 金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中旋渦一樣在導(dǎo)體轉(zhuǎn)圈,這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。2022-1-20852022-1-2086 根據(jù)法拉第定律，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，使通電線圈中電流大小和相位都發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器線圈的有效阻抗發(fā)生變化。 因此可以用線圈阻抗的變化來反映金屬導(dǎo)體的電渦流

52、效應(yīng)。 .1I1H傳 感 器 激 勵(lì) 線 圈(a )(b )2H2I被 測(cè) 金 屬 導(dǎo) 體傳 感 器 激 勵(lì) 電 流2022-1-2087 由上可知， 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)。電渦流效應(yīng)既與被測(cè)體的電阻率、磁導(dǎo)率以及幾何形狀r有關(guān)， 還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率w有關(guān)，同時(shí)還與線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。因此，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： Z=F(,r, w, x) 測(cè)量方法：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)

53、該參數(shù)的測(cè)量。 2022-1-2088 渦流式傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測(cè)量，靈敏度較高，適用性強(qiáng)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。它的變換量可以是位移，也可以是被測(cè)材料的性質(zhì)。其應(yīng)用大致有下列四個(gè)方向：利用位移作為變換量，被測(cè)量也可以是位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開關(guān)、計(jì)數(shù)器等；利用材料電阻率作為變換量，可以做成測(cè)量溫度、材質(zhì)判別等傳感器；利用導(dǎo)磁率作為變換量，可以做成測(cè)量應(yīng)力、硬度等傳感器；利用變換量、等的綜合影響，可以做成探傷裝置等。2022-1-2089 電渦流探頭外形交變磁場(chǎng)交變磁場(chǎng)2022-1-2090l電渦流在我們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用電渦流在我們?nèi)粘Ｉ钪?/p>

54、應(yīng)用電磁爐電磁爐 l 電流通過勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，電流通過勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。 2022-1-2091p 基本特性ras1xhrari(r)231 傳 感 器 線 圈 ；2 短 路 環(huán) ；3 被 測(cè) 金 屬 導(dǎo) 體 模型中，傳感器的金屬導(dǎo)體可看作一個(gè)短路線圈，即在金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)，即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)， 模型中h（電渦流的貫穿深度）可由下式求得： 為線圈激磁電流的頻率ffhr,02022-1-2092 根據(jù)簡(jiǎn)化模型，可畫出如圖所示的等

55、效電路圖。圖中R1和L1為通電線圈銅電阻和電感， R2和L2為電渦流短路環(huán)的等效電阻和電感1UL1L212R1R2M2I1I1傳 感 器 線 圈 ； 2電 渦 流 短 路 環(huán)2022-1-2093 根據(jù)簡(jiǎn)化模型，圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻，其表達(dá)式為 iarrnhR122根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程： 022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR式中： 線圈激磁電流角頻率； R1、L1線圈電阻和電感； L2短路環(huán)等效電感； R2短路環(huán)等效電阻； M互感系數(shù)。 2022-1-2094解得等效阻抗Z的表達(dá)式為 eqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ2222222212

56、2222222111解得：22222222122222222111LLRMLjRLRMRUI22222121222212LRIMRjILMLjRIMjI2022-1-2095式中：Req線圈受電渦流影響后的等效電阻 222222221RLRMRReqLeq線圈受電渦流影響后的等效電感 222222221LLRMLLeq線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為 2221222212011ZMwRRZMwLLQRLQeqeq綜上所述，根據(jù)電渦流式傳感器的簡(jiǎn)化模型和等效電路,運(yùn)用電路分析的基本方法得到的線圈受到金屬導(dǎo)體影響后的等效阻抗和品質(zhì)因數(shù)公式為電渦流傳感器基本特性表示式。 渦流環(huán)部分的阻抗質(zhì)因數(shù)無渦流影響時(shí)的

57、線圈品,jwZ2220LRQ2022-1-2096p6.3.3 6.3.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 電渦流的徑向形成范圍1.00.80.60.40.2Jr /J0r/ras32101233r/ras2hxriraras11電渦流線圈；2等效短路環(huán)；3電渦流密度分布 線圈導(dǎo)體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向r的函數(shù)。當(dāng)x一定時(shí)，電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線如圖所示（圖中J0為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值。Jr為半徑r處的金屬 導(dǎo) 體 表 面 電 渦 流 密度）。由圖可知： 2022-1-2097由圖可知： 電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑ras

58、的1.82.5倍范圍內(nèi)，且分布不均勻。 電渦流密度在ri=0處為零。 電渦流的最大值在r=ras附近的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)。 可以用一個(gè)平均半徑為 的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。 2aiasasrrrr2022-1-2098 電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系 理論分析和實(shí)驗(yàn)都已證明，當(dāng)x改變時(shí)，電渦流密度也發(fā)生變化，即電渦流強(qiáng)度隨距離x的變化而變化。根據(jù)線圈導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用， 可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度為 212212111asasasrxrxIrxxII式中： I1線圈激勵(lì)電流； I2金屬導(dǎo)體中等效電流； x線圈到金屬導(dǎo)體表面距離； ras線圈外徑。 2022

59、-1-20991.00.80.60.40.20123456I2 / I1x / ras電渦流強(qiáng)度與距離歸一化曲線根據(jù)的歸一化曲線可以看出： 電渦流強(qiáng)度與距離x呈非線性關(guān)系，且隨著x/ras的增加而迅速減小。 當(dāng)利用電渦流式傳感器測(cè)量位移時(shí),只有在x/ras1(一般取0.050.15)的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。 2022-1-20100 電渦流的軸向貫穿深度 所謂貫穿深度是指把電渦流強(qiáng)度減小到表面強(qiáng)度的1/e處的表面厚度。 由于金屬導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)，電磁場(chǎng)不能穿過導(dǎo)體的無限厚度，僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)，并且導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流強(qiáng)度是隨導(dǎo)體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降的。其按指

60、數(shù)衰減分布規(guī)律可用下式表示： hddeJJ/0式中：d金屬導(dǎo)體中某一點(diǎn)與表面的距離； Jd沿H1軸向d處的電渦流密度； J0金屬導(dǎo)體表面電渦流密度， 即電渦流密度最大值； h電渦流軸向貫穿的深度（趨膚深度）。2022-1-20101 下圖所示為電渦流密度軸向分布曲線。由圖可見，電渦流密度主要分布在表面附近。 由前面分析可知，被測(cè)體電阻率愈大， 相對(duì)導(dǎo)磁率愈小，以及傳感器線圈的激磁電流頻率愈低，則電渦流貫穿深度h愈大。故透射式電渦流傳感器一般都采用低頻激勵(lì)。 JdJ0 / eohdJ02022-1-201026.3.4 6.3.4 電渦流傳感器測(cè)量電路電渦流傳感器測(cè)量電路 用于電渦流傳感器的測(cè)量

61、電路主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。 1. 1. 調(diào)頻式電路調(diào)頻式電路 調(diào)頻式測(cè)量電路 (a) 測(cè)量電路框圖； (b) 振蕩電路 頻 率 計(jì)f-V電 壓 表振蕩器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f2022-1-20103 傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x), 該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過f-V變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。 振蕩器電路如圖(b)所示。它由電容三點(diǎn)式振蕩器(C2、C3、L、C和1)以及射

62、極輸出電路兩部分組成。振蕩器的頻率為 CxLf)(21 為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將L、C裝在傳感器內(nèi)。 此時(shí)電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對(duì)振蕩頻率f 的影響將大大減小。 2022-1-201042. 2. 調(diào)幅式電路調(diào)幅式電路 由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路如圖所示。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率（f0）穩(wěn)定的激勵(lì)電流io，LC回路輸出電壓 )(ZfiUoo式中, Z為LC回路的阻抗。 放 大檢 波指 示RioLCUo2022-1-20105 當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo，回路呈

63、現(xiàn)的阻抗最大， 諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)放大、 檢波后， 由指示儀表直接顯示出x的大小。 除此之外， 交流電橋也是常用的測(cè)量電路。 2022-1-20106 在被測(cè)金屬板的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈L1，在被測(cè)金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈L2。當(dāng)在L1上加低頻電壓U1時(shí)，L1上產(chǎn)生交變磁通1，若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2。如果將被測(cè)金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流,

64、 并將貫穿金屬板，此時(shí)磁場(chǎng)能量受到損耗，使到達(dá)L2的磁通將減弱為1，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。金屬板越厚， 渦流損失就越大，電壓U2就越小。因此，可根據(jù)U2電壓的大小得知被測(cè)金屬板的厚度。透射式渦流厚度傳感器的檢測(cè)范圍可達(dá)1100 mm， 分辨率為0.1 m，線性度為1% 。 .p 渦流式傳感器的應(yīng)用渦流式傳感器的應(yīng)用 1. 低頻透射式 渦流厚度傳感器被 測(cè) 金 屬 板L1L2111U2U2022-1-201072. 高頻反射式渦流厚度傳感器 厚度給定系統(tǒng)S1檢波比較電壓檢波S2加法器指示儀表帶材xx1x2 為了克服帶材不夠平整或運(yùn)行過程中上下波動(dòng)的影響,在帶材的上、下兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)置了

65、兩個(gè)特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。S1和S2與被測(cè)帶材表面之間的距離分別為x1和x2。若帶材厚度不變,則被測(cè)帶材上,下表面之間的距離總有x1+x2=常數(shù)的關(guān)系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo,數(shù)值不變。如果被測(cè)帶材厚度改變量為,則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個(gè),兩傳感器輸出電壓此時(shí)為2UoU。U經(jīng)放大器放大后,通過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。 帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測(cè)帶材的厚度。 2022-1-201083. 3. 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 下圖所示為電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖。在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d0處設(shè)置電渦

66、流傳感器， 輸入軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連。 振蕩器高頻放大器檢波器整形電路d輸 入 軸d0傳 感 器fn2022-1-20109 當(dāng)被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電渦流傳感器與輸出軸的距離變?yōu)閐0+d。由于電渦流效應(yīng)，使傳感器線圈阻抗隨d的變化而變化，這種變化將導(dǎo)致振蕩諧振回路的品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化，它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。因此，隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號(hào)中包含有與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率信號(hào)。 該信號(hào)由檢波器檢出電壓幅值的變化量，然后經(jīng)整形電路輸出頻率為fn的脈沖信號(hào)。 該信號(hào)經(jīng)電路處理便可得到被測(cè)轉(zhuǎn)速。 這種轉(zhuǎn)速傳感器可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，抗污染能力很強(qiáng)， 可安裝在旋轉(zhuǎn)軸近旁長期對(duì)被測(cè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)視。最高測(cè)量轉(zhuǎn)速可達(dá)600 000r/min 。 振蕩器高頻放大器檢波器整形電路d輸 入 軸d0傳 感 器fn2022-1-201104 4、感、感 應(yīng)應(yīng) 同同 步步 器器 感應(yīng)同步器是感應(yīng)同步器是19601960年代末發(fā)展起來的一種高精度位年代末發(fā)展起來的一種高精度位移（直線位移、角位移）傳感器。感應(yīng)同步器是應(yīng)用電移（直線位移、角位移）傳感器。感應(yīng)同步器是應(yīng)用電磁感應(yīng)定律把位移量轉(zhuǎn)換成電量