3差动变压器式传感器课件

1概述2自感式传感器3差动变压器式传感器4电涡流式传感器2022/11/211第3章阻抗型传感器1概述2022/11/211第3章阻抗型传感器

1概述1.1电感式传感器的定义利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路

U、I、f2022/11/212第3章阻抗型传感器1概述1.1电感式传感器的定义电磁感应被测非电量自感系1.2电感式传感器的分类电感式传感器可分为自感式传感器、互感式传感器（差动变压式传感器）和电涡流传感器三种类型。2022/11/213第3章阻抗型传感器1.2电感式传感器的分类2022/11/213第3章阻抗型2022/11/214第3章阻抗型传感器2022/11/214第3章阻抗型传感器2022/11/215第3章阻抗型传感器2022/11/215第3章阻抗型传感器2022/11/216第3章阻抗型传感器2022/11/216第3章阻抗型传感器2022/11/217第3章阻抗型传感器2022/11/217第3章阻抗型传感器2自感式传感器（变磁阻式）2.1工作原理

结构:铁芯、线圈、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ0;

传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时δ发生变化引起磁路的磁阻Rm变化，使电感线圈的电感值L变化；由于磁路的气隙磁阻远大于铁心磁阻和衔铁磁阻,可近似为Rm

：磁路总磁组；

Rσ：气隙磁阻;δ:气隙厚度；μ0:导磁率（真空）；A:气隙的截面积.2022/11/218第3章阻抗型传感器2自感式传感器（变磁阻式）结构:铁芯、线圈、衔铁三部2.1工作原理线圈电感量可按下式计算：式中：N

线圈匝数；变磁阻式传感器又分为：

变气隙厚度型（δ）(上下运动)

变气隙截面积型（A）(前后左右运动)

可见只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变磁路的气隙磁阻。2022/11/219第3章阻抗型传感器2.1工作原理线圈电感量可按下式计算：式中：N线圈匝数根据结构形式不同，可变磁阻式传感器又分为：气隙厚度变化型气隙面积变化型螺管型三种类型目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器2022/11/2110第3章阻抗型传感器根据结构形式不同，可变磁阻式传感器又分为：目前使用最广泛的是2变磁阻式传感器2.2输出特性（变气隙式）

衔铁位移Δδ引起的电感变化为气隙厚度变化时，L与δ为反比关系δ0LδL0L0+ΔLL0-ΔL电感初始气隙δ0处,初始电感量为特性曲线非线性Δδ/δ<<1时，用泰勒级数展开。δ0–Δ

δ2022/11/2111第3章阻抗型传感器2变磁阻式传感器衔铁位移Δδ引起的电感变化为气隙厚度变化2变磁阻式传感器2.2输出特性

Δδ/δ<<1时，可将前式用泰勒级数展开,求出电感增量衔铁下移时电感的相对增量增大衔铁上移时电感的相对增量减小2022/11/2112第3章阻抗型传感器2变磁阻式传感器Δδ/δ<<1时，可将前式用泰勒级数展

Δδ/δ

<<1时，忽略高次项（非线性项），电感相对变化量与气隙变化成正比关系

定义变磁阻式传感器的灵敏度为

衔铁气隙变化引起电感的相对变化量2变磁阻式传感器2.2输出特性

2022/11/2113第3章阻抗型传感器Δδ/δ<<1时，忽略高次项（非线性项），定义变差动式原理差动变隙式由两个相同的线圈L1、L2和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁（左右）位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。

当衔铁移动时，两个电感一个增加另一个减小变化时

电感量的相对变化为2变磁阻式传感器2.2输出特性

2022/11/2114第3章阻抗型传感器差动式原理当衔铁移动时，两个电感一个增加另一个减小变化时

对上式进行线性处理，忽略高次项得：差动变隙式总的电感变化为：

差动形式的灵敏度为

2变磁阻式传感器2.2输出特性

2022/11/2115第3章阻抗型传感器对上式进行线性处理，忽略高次项得：差动变隙式总的电感变化为1.比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；

2.差动式非线性项与单线圈相比，多乘了(Δδ/δ)因子；不存在偶次项使Δδ/δ0进一步减小，线性度得到改善。

3.差动式的两个电感结构可抵消部分温度、噪声干扰。差动形式与单线圈比较结论：2变磁阻式传感器2.2输出特性

2022/11/2116第3章阻抗型传感器1.比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；差动形式与2变磁阻式传感器2.3测量电路（转换电路）

两个桥臂由相同线圈组成差动形式，另外两个为平衡电阻

交流电桥结构示意图等效电路交流电桥式检测电路2022/11/2117第3章阻抗型传感器2变磁阻式传感器两个桥臂由相同线圈组成差动形式，另外两个

电桥输出电压U0与气隙变量Δδ有正比关系，与输入桥压有关，桥压UAC升高输出电压U0增加；桥路输出电压与初始气隙δ0有关，δ0

越小输出越大。

交流电桥电压输出：2变磁阻式传感器2.3测量电路（转换电路）

2022/11/2118第3章阻抗型传感器电桥输出电压U0与气隙变量Δδ有正比关系，交流电桥

带相敏整流的交流电桥图3-3-4带相敏整流的交流电桥2022/11/2119第3章阻抗型传感器带相敏整流的交流电桥图3-3-4带相敏整流的交流电桥2变磁阻式传感器2.4变磁阻式传感器的应用被测压力经过位移、电压两次转换输出压力测量

变隙式原始气隙δ0可取得很小,δ0

=0.1～0.5mm,

当Δδ=1μm时，ΔL/L0可达1/100～1/500。变隙式传感器灵敏度高，缺点是非线性严重,自由行程小，工艺制作难。2022/11/2120第3章阻抗型传感器2变磁阻式传感器被测压力压变隙式原始气隙δ0可取得很小,3差动变压器式传感器（互感式）3.1工作原理1.结构塑料骨架上绕制线圈,中间初级，两边次级,铁芯在骨架中间可上下移动;这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。差动变压器的结构形式较多,应用最多的是螺线管式差动变压器(介绍三节式),可测量1—100mm范围内机械位移。次级次级骨架初级衔铁次级次级初级

把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。2022/11/2121第3章阻抗型传感器3差动变压器式传感器（互感式）1.结构次次初衔次次初把被2.等效电路

初级L1，次级线圈L2a、L2b须反相连接，保证差动形式如果线圈完全对称，并且衔铁处于中间位置时两线圈互感系数相等差动输出电压为零：并且有两线圈电动势相等线圈同名端连接3差动变压器式传感器（互感式）3.1工作原理2022/11/2122第3章阻抗型传感器2.等效电路差动输出电压为零：并且有两线圈电动势相等线圈同名差动变压器的输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。当衔铁上下移动时，输出电压大小、极性随衔铁位移变化

若衔铁上移

若衔铁下移

输出电压与输入同相输出电压与输入反相3差动变压器式传感器（互感式）3.1工作原理2022/11/2123第3章阻抗型传感器差动变压器的输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。当3差动变压器式传感器3.2基本特性由此得到输出电压有效值为：

差动变压器输出电压与互感的差值成正比。根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为输出电压次级开路时，初级电流代入上式2022/11/2124第3章阻抗型传感器3差动变压器式传感器由此得到输出电压有效值为：差动变压

铁芯在中间位置时铁芯向上移（右移）输出与E2a同极性；

差动变压器输出交流电压，存在相位问题，负-表示反相。

铁芯向下移（左移）输出与E2b同极性；3差动变压器式传感器3.2基本特性2022/11/2125第3章阻抗型传感器铁芯在中间位置时差动变压器输出交流电压，铁芯向零点残余电压理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零，而实际输出U0≠0，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。零点残余电压危害：使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。2022/11/2126第3章阻抗型传感器零点残余电压理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零，产生零点残余电压的原因（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。（2）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。2022/11/2127第3章阻抗型传感器产生零点残余电压的原因（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不减小零点残余电压措施：

（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈窗口要一致，两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀。（2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。其思路是，由于两个二次侧线圈的等效参数不相等，用拆圈的方法，使两者等效参数相等。（3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。2022/11/2128第3章阻抗型传感器减小零点残余电压措施：（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对差动变压器式传感器测量电路能辨别移动方向消除零点残余电压

（1）差动整流电路

（2）相敏检波电路

2022/11/2129第3章阻抗型传感器差动变压器式传感器测量电路能辨别移动方向2022/1输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转由①→②，工作曲线为过零点的直线。

相敏检波前后输出特性2022/11/2130第3章阻抗型传感器输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转相敏检波前后输出3差动变压器式传感器3.3差动变压器式传感器应用

差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。1.压差计

当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。2.液位测量

沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。2022/11/2131第3章阻抗型传感器3差动变压器式传感器差动变压器式传感器可直接用于位移测量电感位移测量仪电感式游标卡尺、千分尺、深度尺、高度尺3差动变压器式传感器3.3差动变压器式传感器应用2022/11/2132第3章阻抗型传感器电感位移测量仪电感式游标卡尺、千分尺、深度尺、高度尺3差动加速度传感器1－悬臂梁（弹性体）；2－差动变压器F=maF=kDxDx=ma/k移动的距离与加速度成正比。因此,在变压器一次绕组加励磁Ui,在二次绕阻有U0输出。对U0放大,相敏检波、低通滤波,可得与加速度大小、方向对应的直流电压信号。2022/11/2133第3章阻抗型传感器加速度传感器1－悬臂梁（弹性体）；F=maF=kD2022/11/2134第3章阻抗型传感器2022/11/2134第3章阻抗型传感器差动变压器传感器的应用2022/11/2135第3章阻抗型传感器差动变压器传感器的应用2022/11/2135第3章阻抗型4

电涡流式传感器

电涡流传感器是一种非接触式的线性化计量工具，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流式传感器最大的特点：能够对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等被测量进行非接触式测量。电涡流传感器目前主要应用于位移、振动、转速、厚度等机械量测量,另外可测材料、测温度和电涡流探伤。

测振动

测轴心轨迹

测厚

测转速2022/11/2136第3章阻抗型传感器4电涡流式传感器电涡流传感器是一种非接触式的线性化计量4

电涡流式传感器4.1电涡流效应由法拉第电磁感应原理可知,一个块状金属导体置于变化的磁场中时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应,根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器。H2I2形成电涡流必须具备的两个条件：

①存在交变磁场②金属导体处于交变磁场中

金属导体UAC2022/11/2137第3章阻抗型传感器4电涡流式传感器由法拉第电磁感应原理可知,一个块状金属导体4

电涡流式传感器4.2等效电路分析

把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流

I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，按照楞次定律，这个涡流总是企图抵消原磁场的变化,产生反抗H1的交变磁场H2。

涡流线圈结构非常简单，但要定量分析是很困难的，可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路参数。2022/11/2138第3章阻抗型传感器4电涡流式传感器把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈

根据涡流的分布，把涡流所在范围近似看成一个单匝短路的次级线圈。线圈远离被测体时，相当次级开路，原线圈阻抗为当线圈靠近金属导体时，初次级线圈通过互感相互作用回路方程：次级初级

4

电涡流式传感器4.2等效电路分析2022/11/2139第3章阻抗型传感器根据涡流的分布，把涡流所在范围近似看成一个单匝短路的次级线等效电感解方程得到金属靠近后传感器（初级线圈）的等效阻抗等效电阻4

电涡流式传感器4.2等效电路分析2022/11/2140第3章阻抗型传感器等效电感解方程得到金属靠近后传感器（初级线圈）的等效阻抗等效

凡是引起次级线圈R2、L2、M变化的物理量均可以引起传感器线圈等效R1、L1的变化。ML2R2R1

L1

讨论：

显然,被测体的电阻率ρ、导磁率μ、线圈与被测体间的距离X，激励线圈的角频率ω,都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z

发生关系。4

电涡流式传感器4.2等效电路分析2022/11/2141第3章阻抗型传感器凡是引起次级线圈R2、L2、M变化的物理量均可以引起传

结论：涡流线圈的等效阻抗与被测金属中各种参数有函数关系。金属材料的μ、ρ、d、x的变化都可以使初级线圈中的

R1、L1发生变化。

若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使初级阻抗Z1成为这个参数的单值函数。利用金属中的磁导率、电阻率测材料,探伤；利用线圈与金属导体的距离测位移、测厚。4

电涡流式传感器4.2等效电路分析2022/11/2142第3章阻抗型传感器结论：若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使初级阻4

电涡流式传感器4.3涡流的强度和分布

因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，涡流区内各处的涡流密度不同,存在径向分布和轴向分布。金属扁平线圈涡流区r/ros1hrosj

径向分布

2ros线圈外径确定后，涡流范围也就确定了。

r=ros线圈外径处，金属涡流密度最大；

r=0线圈中心处，涡流密度为零(j=0)；

r<0.4ros

处（以内）基本没有涡流；

r=1.8ros

线圈外径处，涡流密度衰减到最大值的5%。

涡流范围与电涡流线圈的外径有一固定比例关系，涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内1.涡流的分布2022/11/2143第3章阻抗型传感器4电涡流式传感器因为金属存在趋肤效应，电涡流只存

轴向分布

由于趋肤效应涡流只在表面薄层存在，沿磁场H方向（轴向）也是分布不均匀的。距离金属表面Z处,涡流按指数规律衰减j0

——

Z=0

处金属表面涡流密度(最大）jz

——

金属表面距离Z处的涡流h——

趋肤深度hz金属扁平线圈j1.涡流的分布4

电涡流式传感器4.3涡流的强度和分布2022/11/2144第3章阻抗型传感器轴向分布j0——Z=0处金属表面涡流密度(最大）2.强度

当线圈与被测体距离改变时，电涡流密度发生变化，强度也要变化。根据线圈-导体系统，金属表面电涡流强度I2与距离x是非线性关系，随x/ros上升而下降。

I1为线圈激励电流，I2为金属导体中的等效电流（涡流）

x=0处，I2=I1；x/ros=1，I2=0.3I1,

I2只有在x/ros<<1才能有较好的线性和灵敏度(测微位移)

当x>ros时电涡流很弱了，所以测大位移时线圈直径要大。

要增加测量范围需加大线圈直径，传感器体积增大,这是电涡流传感器应用的局限性。x/rosI2/I11.012344

电涡流式传感器4.3涡流的强度和分布2022/11/2145第3章阻抗型传感器2.强度当线圈与被测体距离改变时，电涡流密度发生变化，强4电涡流式传感器4.4测量电路1.调幅式L为电涡流线圈2.调频式电涡流线圈2022/11/2146第3章阻抗型传感器4电涡流式传感器1.调幅式L为电涡流线圈2.调频式电4

电涡流式传感器4.5电涡流传感器的应用

电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。

电涡流传感器的应用主要是通过位移变化测量其他各种物理量（1）测厚：低频透射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器（2）测转速；（3）测位移、测振动；（4）电涡流探伤；（5）金属零件计数、尺寸检测、光洁度检测。2022/11/2147第3章阻抗型传感器4电涡流式传感器电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量1.测厚（低频透射式涡流厚度传感器）

在金属板的上下方分别设有发射传感器线圈L1和接收传感器线圈L2，L1加低频电压U1时，L1上产生交变磁通。无金属板时，磁通直接耦合至L2，L2产生感应电压；如果金属板放置两线圈之间，线圈L1在金属板中产生电涡流，磁场能量受到损耗，使达到L2的磁通减弱，最终使L2上感应电动势减弱。金属板越厚，涡流磁能损失越多，下线圈L2上感应电动势输出U2越小。通过测量U2检测金属板的厚度。透射式涡流传感器可检测1～100mm范围。4

电涡流式传感器4.5电涡流传感器的应用

2022/11/2148第3章阻抗型传感器1.测厚（低频透射式涡流厚度传感器）在金属板的上下方分别设2.电涡流探伤由于趋肤效应，导体表面电涡流密度最大，表面信息量最大，可采用电涡流传感器测量金属表面缺陷，当导体表面存在缺陷时会引起金属的电阻率ρ、磁导率μ的变化；可用于金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处质量探伤。探伤时传感器与被测金属保持距离不变，如果有裂纹导体电阻率会发生变化，涡流损耗的改变引起涡流强度变化使电路输出电压变化。4

电涡流式传感器4.5电涡流传感器的应用

2022/11/2149第3章阻抗型传感器2.电涡流探伤4电涡流式传感器2022/11/2149第3.涡流振动测量4

电涡流式传感器4.5电涡流传感器的应用

2022/11/2150第3章阻抗型传感器3.涡流振动测量4电涡流式传感器2022/11/2150电磁炉的工作原理高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。2022/11/2151第3章阻抗型传感器电磁炉的工作原理高频电流通过励磁线圈大直径电涡流探雷器2022/11/2152第3章阻抗型传感器大直径电涡流探雷器2022/11/2152第3章阻抗型传1概述2自感式传感器3差动变压器式传感器4电涡流式传感器2022/11/2153第3章阻抗型传感器1概述2022/11/211第3章阻抗型传感器

1概述1.1电感式传感器的定义利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路

U、I、f2022/11/2154第3章阻抗型传感器1概述1.1电感式传感器的定义电磁感应被测非电量自感系1.2电感式传感器的分类电感式传感器可分为自感式传感器、互感式传感器（差动变压式传感器）和电涡流传感器三种类型。2022/11/2155第3章阻抗型传感器1.2电感式传感器的分类2022/11/213第3章阻抗型2022/11/2156第3章阻抗型传感器2022/11/214第3章阻抗型传感器2022/11/2157第3章阻抗型传感器2022/11/215第3章阻抗型传感器2022/11/2158第3章阻抗型传感器2022/11/216第3章阻抗型传感器2022/11/2159第3章阻抗型传感器2022/11/217第3章阻抗型传感器2自感式传感器（变磁阻式）2.1工作原理

结构:铁芯、线圈、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ0;

传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时δ发生变化引起磁路的磁阻Rm变化，使电感线圈的电感值L变化；由于磁路的气隙磁阻远大于铁心磁阻和衔铁磁阻,可近似为Rm

：磁路总磁组；

Rσ：气隙磁阻;δ:气隙厚度；μ0:导磁率（真空）；A:气隙的截面积.2022/11/2160第3章阻抗型传感器2自感式传感器（变磁阻式）结构:铁芯、线圈、衔铁三部2.1工作原理线圈电感量可按下式计算：式中：N

线圈匝数；变磁阻式传感器又分为：

变气隙厚度型（δ）(上下运动)

变气隙截面积型（A）(前后左右运动)

可见只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变磁路的气隙磁阻。2022/11/2161第3章阻抗型传感器2.1工作原理线圈电感量可按下式计算：式中：N线圈匝数根据结构形式不同，可变磁阻式传感器又分为：气隙厚度变化型气隙面积变化型螺管型三种类型目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器2022/11/2162第3章阻抗型传感器根据结构形式不同，可变磁阻式传感器又分为：目前使用最广泛的是2变磁阻式传感器2.2输出特性（变气隙式）

衔铁位移Δδ引起的电感变化为气隙厚度变化时，L与δ为反比关系δ0LδL0L0+ΔLL0-ΔL电感初始气隙δ0处,初始电感量为特性曲线非线性Δδ/δ<<1时，用泰勒级数展开。δ0–Δ

δ2022/11/2163第3章阻抗型传感器2变磁阻式传感器衔铁位移Δδ引起的电感变化为气隙厚度变化2变磁阻式传感器2.2输出特性

Δδ/δ<<1时，可将前式用泰勒级数展开,求出电感增量衔铁下移时电感的相对增量增大衔铁上移时电感的相对增量减小2022/11/2164第3章阻抗型传感器2变磁阻式传感器Δδ/δ<<1时，可将前式用泰勒级数展

Δδ/δ

<<1时，忽略高次项（非线性项），电感相对变化量与气隙变化成正比关系

定义变磁阻式传感器的灵敏度为

衔铁气隙变化引起电感的相对变化量2变磁阻式传感器2.2输出特性

2022/11/2165第3章阻抗型传感器Δδ/δ<<1时，忽略高次项（非线性项），定义变差动式原理差动变隙式由两个相同的线圈L1、L2和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁（左右）位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。

当衔铁移动时，两个电感一个增加另一个减小变化时

电感量的相对变化为2变磁阻式传感器2.2输出特性

2022/11/2166第3章阻抗型传感器差动式原理当衔铁移动时，两个电感一个增加另一个减小变化时

对上式进行线性处理，忽略高次项得：差动变隙式总的电感变化为：

差动形式的灵敏度为

2变磁阻式传感器2.2输出特性

2022/11/2167第3章阻抗型传感器对上式进行线性处理，忽略高次项得：差动变隙式总的电感变化为1.比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；

2.差动式非线性项与单线圈相比，多乘了(Δδ/δ)因子；不存在偶次项使Δδ/δ0进一步减小，线性度得到改善。

3.差动式的两个电感结构可抵消部分温度、噪声干扰。差动形式与单线圈比较结论：2变磁阻式传感器2.2输出特性

2022/11/2168第3章阻抗型传感器1.比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；差动形式与2变磁阻式传感器2.3测量电路（转换电路）

两个桥臂由相同线圈组成差动形式，另外两个为平衡电阻

交流电桥结构示意图等效电路交流电桥式检测电路2022/11/2169第3章阻抗型传感器2变磁阻式传感器两个桥臂由相同线圈组成差动形式，另外两个

电桥输出电压U0与气隙变量Δδ有正比关系，与输入桥压有关，桥压UAC升高输出电压U0增加；桥路输出电压与初始气隙δ0有关，δ0

越小输出越大。

交流电桥电压输出：2变磁阻式传感器2.3测量电路（转换电路）

2022/11/2170第3章阻抗型传感器电桥输出电压U0与气隙变量Δδ有正比关系，交流电桥

带相敏整流的交流电桥图3-3-4带相敏整流的交流电桥2022/11/2171第3章阻抗型传感器带相敏整流的交流电桥图3-3-4带相敏整流的交流电桥2变磁阻式传感器2.4变磁阻式传感器的应用被测压力经过位移、电压两次转换输出压力测量

变隙式原始气隙δ0可取得很小,δ0

=0.1～0.5mm,

当Δδ=1μm时，ΔL/L0可达1/100～1/500。变隙式传感器灵敏度高，缺点是非线性严重,自由行程小，工艺制作难。2022/11/2172第3章阻抗型传感器2变磁阻式传感器被测压力压变隙式原始气隙δ0可取得很小,3差动变压器式传感器（互感式）3.1工作原理1.结构塑料骨架上绕制线圈,中间初级，两边次级,铁芯在骨架中间可上下移动;这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。差动变压器的结构形式较多,应用最多的是螺线管式差动变压器(介绍三节式),可测量1—100mm范围内机械位移。次级次级骨架初级衔铁次级次级初级

把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。2022/11/2173第3章阻抗型传感器3差动变压器式传感器（互感式）1.结构次次初衔次次初把被2.等效电路

初级L1，次级线圈L2a、L2b须反相连接，保证差动形式如果线圈完全对称，并且衔铁处于中间位置时两线圈互感系数相等差动输出电压为零：并且有两线圈电动势相等线圈同名端连接3差动变压器式传感器（互感式）3.1工作原理2022/11/2174第3章阻抗型传感器2.等效电路差动输出电压为零：并且有两线圈电动势相等线圈同名差动变压器的输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。当衔铁上下移动时，输出电压大小、极性随衔铁位移变化

若衔铁上移

若衔铁下移

输出电压与输入同相输出电压与输入反相3差动变压器式传感器（互感式）3.1工作原理2022/11/2175第3章阻抗型传感器差动变压器的输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。当3差动变压器式传感器3.2基本特性由此得到输出电压有效值为：

差动变压器输出电压与互感的差值成正比。根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为输出电压次级开路时，初级电流代入上式2022/11/2176第3章阻抗型传感器3差动变压器式传感器由此得到输出电压有效值为：差动变压

铁芯在中间位置时铁芯向上移（右移）输出与E2a同极性；

差动变压器输出交流电压，存在相位问题，负-表示反相。

铁芯向下移（左移）输出与E2b同极性；3差动变压器式传感器3.2基本特性2022/11/2177第3章阻抗型传感器铁芯在中间位置时差动变压器输出交流电压，铁芯向零点残余电压理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零，而实际输出U0≠0，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。零点残余电压危害：使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。2022/11/2178第3章阻抗型传感器零点残余电压理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零，产生零点残余电压的原因（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。（2）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。2022/11/2179第3章阻抗型传感器产生零点残余电压的原因（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不减小零点残余电压措施：

（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈窗口要一致，两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀。（2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。其思路是，由于两个二次侧线圈的等效参数不相等，用拆圈的方法，使两者等效参数相等。（3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。2022/11/2180第3章阻抗型传感器减小零点残余电压措施：（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对差动变压器式传感器测量电路能辨别移动方向消除零点残余电压

（1）差动整流电路

（2）相敏检波电路

2022/11/2181第3章阻抗型传感器差动变压器式传感器测量电路能辨别移动方向2022/1输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转由①→②，工作曲线为过零点的直线。

相敏检波前后输出特性2022/11/2182第3章阻抗型传感器输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转相敏检波前后输出3差动变压器式传感器3.3差动变压器式传感器应用

差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。1.压差计

当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。2.液位测量

沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。2022/11/2183第3章阻抗型传感器3差动变压器式传感器差动变压器式传感器可直接用于位移测量电感位移测量仪电感式游标卡尺、千分尺、深度尺、高度尺3差动变压器式传感器3.3差动变压器式传感器应用2022/11/2184第3章阻抗型传感器电感位移测量仪电感式游标卡尺、千分尺、深度尺、高度尺3差动加速度传感器1－悬臂梁（弹性体）；2－差动变压器F=maF=kDxDx=ma/k移动的距离与加速度成正比。因此,在变压器一次绕组加励磁Ui,在二次绕阻有U0输出。对U0放大,相敏检波、低通滤波,可得与加速度大小、方向对应的直流电压信号。2022/11/2185第3章阻抗型传感器加速度传感器1－悬臂梁（弹性体）；F=maF=kD2022/11/2186第3章阻抗型传感器2022/11/2134第3章阻抗型传感器差动变压器传感器的应用2022/11/2187第3章阻抗型传感器差动变压器传感器的应用2022/11/2135第3章阻抗型4

电涡流式传感器

电涡流传感器是一种非接触式的线性化计量工具，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。电涡流式传感器最大的特点：能够对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等被测量进行非接触式测量。电涡流传感器目前主要应用于位移、振动、转速、厚度等机械量测量,另外可测材料、测温度和电涡流探伤。

测振动

测轴心轨迹

测厚

测转速2022/11/2188第3章阻抗型传感器4电涡流式传感器电涡流传感器是一种非接触式的线性化计量4

电涡流式传感器4.1电涡流效应由法拉第电磁感应原理可知,一个块状金属导体置于变化的磁场中时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应,根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器。H2I2形成电涡流必须具备的两个条件：

①存在交变磁场②金属导体处于交变磁场中

金属导体UAC2022/11/2189第3章阻抗型传感器4电涡流式传感器由法拉第电磁感应原理可知,一个块状金属导体4

电涡流式传感器4.2等效电路分析

把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流

I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，按照楞次定律，这个涡流总是企图抵消原磁场的变化,产生反抗H1的交变磁场H2。

涡流线圈结构非常简单，但要定量分析是很困难的，可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路参数。2022/11/2190第3章阻抗型传感器4电涡流式传感器把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈

根据涡流的分布，把涡流所在范围近似看成一个单匝短路的次级线圈。线圈远离被测体时，相当次级开路，原线圈阻抗为当线圈靠近金属导体时，初次级线圈通过互感相互作用回路方程：次级初级

4

电涡流式传感器4.2等效电路分析2022/11/2191第3章阻抗型传感器根据涡流的分布，把涡流所在范围近似看成一个单匝短路的次级线等效电感解方程得到金属靠近后传感器（初级线圈）的等效阻抗等效电阻4

电涡流式传感器4.2等效电路分析2022/11/2192第3章阻抗型传感器等效电感解方程得到金属靠近后传感器（初级线圈）的等效阻抗等效

凡是引起次级线圈R2、L2、M变化的物理量均可以引起传感器线圈等效R1、L1的变化。ML2R2R1

L1

讨论：

显然,被测体的电阻率ρ、导磁率μ、线圈与被测体间的距离X，激励线圈的角频率ω,都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z

发生关系。4

电涡流式传感器4.2等效电路分析2022/11/2193第3章阻抗型传感器凡是引起次级线圈R2、L2、M变化的物理量均可以引起传

结论：涡流线圈的等效阻抗与被测金属中各种参数有函数关系。金属材料的μ、ρ、d、x的变化都可以使初级线圈中的

R1、L1发生变化。

若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使初级阻抗Z1成为这个参数的单值函数。利用金属中的磁导率、电阻率测材料,探伤；利用线圈与金属导体的距离测位移、测厚。4

电涡流式传感器4.2等效电路分析2022/11/2194第3章阻抗型传感器结论：若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使初级阻4

电涡流式传感器4.3涡流的强度和分布

因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，涡流区内各处的涡流密度不同,存在径向分布和轴向分布。金属扁平线圈涡流区r/ros1hrosj

径向分布

2ros线圈外径确定后，涡流范围也就确定了。

r=ros线圈外径处，金属涡流密度最大；

r=0线圈中心处，涡流密度为零(j=0)；

r<0.4ros

处（以内）基本没有涡流；

r=1.8ros

线圈外径处，涡流密度衰减到最大值的5%。

涡流范围与电涡流线圈的外径有一固定比例关系，涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内1.涡流的分布2022/11/2195第3章阻抗型传感器4电涡流式传感器因为金属存在趋肤效应，电涡流只存

轴向分布

由于趋肤效应涡流只在表面薄层存在，沿磁场H方向（轴向）也是分布不均匀的。距离金属表面Z处,涡流按指数规律衰减j0

——

Z=0

处金属表面涡流密度(最