《电感传感器》PPT课件.ppt

3.3 3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 3.1 3.1 自感传感器自感传感器 第第3 3章章 电感传感器电感传感器 3.2 3.2 差动变压器差动变压器 内容提要和小结 1 电感式传感器电感式传感器 自感式传感器自感式传感器 互感式传感器互感式传感器 电涡流式传感器电涡流式传感器 电磁电磁 感应感应 被测非电量自感系数自感系数L L 互感系数互感系数MM 测量测量 电路电路 U、I、f 差动变压器差动变压器 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量 的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量 、力矩、应变等多种物理量。 电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被 测量转换成线圈自感或互感的变化时,一般要利用磁场作为 媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具 有线圈绕组。 2 3.1 自感式传感器 3.1.1 自感式传感器工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器的误差因素 3.1.7 自感式传感器应用举例 3 F 220V 实验：实验： 36V 4 气隙变气隙变小，电感变大，电流变小小，电感变大，电流变小 F 5 原理结构如图3-1所示，其中B为动铁心（通称衔铁） ，A为固定铁心。这两个部件一般为硅钢片或坡莫合金 叠片。动铁心B用拉簧定位，使A、B间保持一个初始距 离L0，铁心截面积在铁心A上绕有N匝线圈。 图3-l 自感式传感器原理图 3.1.1 自感式传感器工作原理 6 可由电感的定义写出电感值表达式为： 式中 链过线圈的总磁链； 穿过线圈的磁通； I 线圈中流过的电流。 N 线圈匝数 又知：由磁路欧姆定律，得 式中 IN 磁动势； Rm 总磁阻 7 式中: Rm磁路总磁阻。对于变隙式传感器, 因为 气隙很小, 所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若 忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻为： 式中: 1 铁芯材料的导磁率; 2 衔铁材料的导磁率; l1 磁通通过铁芯的长度; l2 磁通通过衔铁的长度; S1 铁芯的截面积; S2 衔铁的截面积; 0 空气的导磁率（04109H/cm ）; S0 气隙的截面积; 气隙的厚度。 8 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 即 则可近似为 又因为 所以可得 该式表明, 当线圈匝数为常 数时, 电感L仅仅是磁路中磁 阻Rm的函数, 只要改变或 0均可导致电感变化, 因此 自感式传感器又可分为变气 隙厚度的传感器和变气隙 面积0的传感器。使用最广 泛的是变气隙厚度式电感 传感器。 9 ， S S L L L L= = f f ( (S S) ) L L= = f f ( ( ) ) 图图3-2 3-2 自感传感器特性自感传感器特性 10 3.1.2 变气隙式自感传感器 变间隙式电感传感器： 图3-3 可变阻式传感器基本原理 1-线圈 2铁芯 3衔铁 11 通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁 的磁阻 L与之间是非线性关系 一、电感计算 图图3-4 3-4 变气隙自感式传感器变气隙自感式传感器 12 当衔铁处于初始位置时，初始电感量为： 则此时输出电感为： 代入上式并整理得： 二、输出特性 当衔铁上移时，则传感器气隙减小 ，即： （42） 图图3-5 3-5 输出特性输出特性 13 当 时，上式用泰勒级数展开成如下的级数形式： 同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，传感器 气隙增加, 即=0+, 则此时输出电感为L = L0- L，有： 可求得电感增量L和相对增量L/ L0的表达式： 14 对上式作线性处理，即忽略高次项后可得： 灵敏度为： 变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线 性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于 测量微小位移场合。 15 与 衔铁上移 切线斜率变大 衔铁下移 切线斜率变小 16 与线性度 衔铁上移： 衔铁下移： 无论上移或下移，非线性都将增大。 为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用 差动变隙式电感传感器。 17 三、差动变隙式电感传感器 1-铁芯； 2-线圈； 3-衔铁 差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈、和磁路组成 , 测量时, 衔铁通过导杆与被测位移量相连, 当被测体上下移动时, 导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动, 使两个磁回路中磁阻发生大 小相等, 方向相反的变化, 导致一个线圈的电感量增加, 另一个线圈 的电感量减小, 形成差动形式。当差动使用时, 两个电感线圈接成交 流电桥的相邻桥臂, 另两个桥臂由电阻组成, 电桥输出电压与L有 关。 图图3-6 3-6 差动变隙式电感器原理图电感器原理图 18 差动变间隙式电感传感器： 可变磁阻式传感器 19 对上式进行线性处理，即忽略高次项得： 灵敏度k0为： 当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、 L2 ，则： 提高一倍提高一倍 20 在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈 共用一个衔铁共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈，构成差动式自感传感器，两个线圈 的的电气参数和几何尺寸电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除要求完全相同。这种结构除 了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电 源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了 外界影响造成的误差。外界影响造成的误差。 21 差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点： 线性好； 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号 大一倍； 温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度 的影响，由于能互相抵消而减小； 电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而 减小。 22 图图3-73-7是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差 动式自感传感器的结构示意图。当衔铁动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3 3移动时，一移动时，一 个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少， 形成差动形式。形成差动形式。 图图3-7 3-7 差动式自感传感器差动式自感传感器 1-1-线圈线圈 2-2-铁芯铁芯 3-3-衔铁衔铁 4-4-导杆导杆 （c c） 螺管型螺管型 4 4 4 4 （a a） 变气隙型变气隙型（b b） 变面积型变面积型 23 3.1.3 变面积式自感传感器 传感器气隙长度保持不变，令磁 通截面积随被测非电量而变，设铁 芯材料和衔铁材料的磁导率相同， 则此变面积自感传感器自感L为： 灵敏度灵敏度 变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输 入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是 与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。 图图3-8 3-8 变面积式自感传感器原理图自感传感器原理图 24 变面积式电感传感器： 25 3.1.4 螺管式自感传感器 由线圈、衔铁和 磁性套筒组成。随着 衔铁插入线圈深度的 不同将引起线圈泄漏 路径中磁阻变化，从 而使线圈的电感发生 变化。 图图3-9 3-9 单线圈单线圈螺管式自感传感器 原理图 一、单螺管式自感传感器 26 对于单线圈螺管式电感传感器， 设线圈长度为l，线圈平均半径 为r，线圈匝数为W，线圈的平 均激励电流为I（见图），则： 空心螺管线圈内轴向磁场H为（考虑r l） 轴向磁感强度 B=0Hn 27 空心螺管线圈内轴向磁感强度 空心螺管线圈的磁通为 空心螺管线圈的自感L0为 28 若螺管线圈中插入一铁芯，长度lc= l，半径rc= r，磁导 率为r0，则铁芯被轴向磁场Hn 磁化，其磁感应强度为 ： Bc=r0Hn=r0WI/l 可等效为长为l，电流为rI，线圈匝数为W的空心螺管线 圈产生的磁场，其等效磁通匝链数c为： 其附加电感Lc为： 由此可得线圈总电感L为： 29 若铁芯长度lc l，则线圈总电感为： 当铁芯长度lc增加lc时，线圈电感增加L， 即： 电感的变化量为： 电感相对变化量为： 其电感灵敏度为： 30 为了提高灵敏度与线性度，常采用差动螺管式电感 传感器，沿轴向的磁场强度分布由下式给出 若采用差动螺管式结构，则其差动输为 可见，L/L与铁芯长度相对变化lc/lc成正比，比单个螺 管式电感传感器灵敏度提高一倍。差动螺管式螺管式电 感传感器的两个差动线圈通常作为交流电桥的两个相邻 桥臂。 31 1-螺线管线圈； 2-螺线管线圈； 3-骨架； 4-活动铁芯 L10，L20分别为线圈、的初始电感值； 图3-10 螺管差动式自感传感器原理图 二、螺管差动式自感传感器 （3-1） 32 当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小 根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为 两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。 式(3-1)和式(3-2)可简化为 （3-2） 33 螺管式自感传感器与前两种传感器相比，有以下 特点： （1）由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较 前两种低，欲提高灵敏度，可提高rar、la/l与 增加匝数，但前者受结构与非线性限制，后者受 稳定性限制。 （2）从磁通分布看，只要满足主磁通不变与线 圈绕组排列均匀的条件，可望得到较大的线性范 围。螺管型自感传感器也可以做成差动型以改善 其性能。 34 三种传感器的比 较 变气隙式：灵敏度高（原始气隙一般取很 小，约为0.10.5mm），因而它对电路放大倍 数要求很低，缺点是非线性严重。为了限制 非线性误差，示值范围只能很小。（一般取 1/5）。自由量程小（衔铁在方 向运动受到限制）。此外，制造装配困难。 变面积式：具有较好的线性，示值范围较大 ，自由行程也较大。 螺旋管式：灵敏度低，但示值范围大，自由 行程大，结构简单，制造装配容易。 35 3.1.5 自感式传感器测量电路 电感式传感器的测量电路 有交流电桥式、 交流变压器式 以及谐振式调幅、谐振式调频 、谐振式调相等几种形式。 36 自感式传感器的等效电路自感式传感器的等效电路 实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线 圈的圈的铜损电阻铜损电阻 R RC C ；铁芯的；铁芯的涡流损耗电阻涡流损耗电阻 R Re e ；由于线；由于线 圈和测量设备电缆的接入，存在线圈圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电固有电容和电 缆的分布电容缆的分布电容，用集中参数，用集中参数 C C 表示。表示。 图图3-11 3-11 等效电路等效电路 ZC L Rc Re 37 一、 交流电桥式测量电路 图图3-12 3-12 交流电桥交流电桥 差动的两个传感器线圈接成电桥的差动的两个传感器线圈接成电桥的 两个工作臂（两个工作臂（ Z Z1 1 、 Z Z2 2 为两个差动传为两个差动传 感器线圈的复阻抗），另两个桥臂感器线圈的复阻抗），另两个桥臂 用平衡电阻用平衡电阻 R R1 1 、 R R2 2 代替。代替。 设初始时设初始时 Z Z1 1= = Z Z 2 2= = Z Z = = R R S S+ + jLjL； R R1 1 = = R R2 2 = = R R ； L L 1 1 = = L L2 2= = L L0 0 。 Z ZL L R R1 1 R R2 2 Z Z2 2 Z Z1 1 38 对差动变气隙式自感传感器：对差动变气隙式自感传感器： 可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与 有关有关 ，相位与衔铁移动方向有关。，相位与衔铁移动方向有关。 由于是交流信号，还要经过适由于是交流信号，还要经过适 当电路（如相敏检波电路）处当电路（如相敏检波电路）处 理才能判别衔铁位移的大小及理才能判别衔铁位移的大小及 方向。方向。 （3 - 33 - 3） 39 4 4 3 3 2 2 1 1 7575 5050 2525 0 0 5050 7575 100100 L/mH /mm 100100 2525 1 1 2 2 3 3 4 4 - 1 1、2 2为两线圈的电感特性，为两线圈的电感特性， 3 3为两线圈差接时的电感特性，为两线圈差接时的电感特性， 4 4为差接后电桥输出电压与位移为差接后电桥输出电压与位移 间的特性曲线。间的特性曲线。 说明：说明：电桥输出电压的大小与衔电桥输出电压的大小与衔 铁的位移量铁的位移量有关，相位与衔有关，相位与衔 铁的移动方向有关。铁的移动方向有关。 若设衔铁向上移动若设衔铁向上移动为负，则为负，则 U U0 0 为负；衔铁向下移动为负；衔铁向下移动为正为正 ，则，则 U U0 0 为正，相位差为正，相位差180180。 40 图3-13 非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位 移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的 影响。 相敏整流后电压 无残余电压 有残余电压 41 二、 变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量电路如图3-14所示, 电桥两臂Z1、 Z2为传感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的 1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷大时, 桥路输出电压： 当传感器的衔铁处于中间 位置, 即Z1= Z2=Z时有=0, 电 桥平衡。 Z Z1 1 Z Z2 2 I I A A B B 图图3-14 3-14 变压器交流电桥变压器交流电桥 42 可知, 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大小相等, 但方向相反, 由于 是交流电压, 输出指示无法判断位 移方向, 必须配合相敏检波电路来解决。 当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此时 当传感器衔铁下移时, 则Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此时 43 变压器电桥与电阻平衡臂电桥相比，具变压器电桥与电阻平衡臂电桥相比，具 有元件少，输出阻抗小，桥路开路时电有元件少，输出阻抗小，桥路开路时电 路呈线性的优点，但因为变压器副边不路呈线性的优点，但因为变压器副边不 接地，易引起来自原边的静电感应电压接地，易引起来自原边的静电感应电压 ，使高增益放大器不能工作。，使高增益放大器不能工作。 44 三、谐振式测量电路 3 图3-15 谐振式调幅电路 调幅电路灵敏度很高, 但线性差, 适用于线 性要求不高的场合。 1.调幅电路 45 2.调频电路 调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压 频率的变化。一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回 路中, 其振荡频率f=1/2（LC）1/2。 当L变化时, 振 荡频率随之变化, 根据f的大小即可测出被测量的值。 传感器自感变化将引起输出电压频率的变化 GC L f L f 0 46 灵敏度很高，它具有明显的非线性关系。适用于线性 要求不高的场合,只有在 f 较大的情况下才能达到较 高精度。 由输出为频率信号，这种电路的抗干扰能力 很强，电缆长度可达1km，特别适合于野外 现场使用。 47 一、零位残余电压 当电感传感器的衔铁位于初始平衡位置时，测量电桥输出 理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出，从而造 成零位误差。我们把这个零位时输出的最小电压称作零位残余 电压，并用e0表示。 3.1.6 自感式传感器的误差因素 0 x e0 48 1 基波正交分量 (a)(a)残余电压的波形残余电压的波形 (b)波形分析 1 3 2 4 5 e0 t Ui e0 U t 图图3-163-16中中 i i 为差动变压器初级的激励电压，为差动变压器初级的激励电压， e e0 0 包含基包含基 波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值 较小的电磁干扰等。较小的电磁干扰等。 2 基波同相分量3 二次谐波4 三次谐波 5 电磁干扰 图图3-16 3-16 残余电压的波形分析残余电压的波形分析 49 产生零位残余电压的原因是： 差动式电感传感器的电气参数及结构尺寸不可能 完全对称； 传感器具有铁损即磁化曲线的非线性； 电源电压中含有高次谐波； 线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁心间有分布 电容。 50 减小零位残余电压的措施是： 1. 衔铁、骨架等零件应保证足够的加工精度，两线 圈绕制要一致，必要时可选配线圈。 2. 减小电源中谐波成分，减小电感传感器的激磁电 流，使之工作在磁化曲线的线性段； 3. 注意利用外壳进行电磁屏蔽； 4. 采用下列电路措施来减小零位电压。 一种常用的方法是采用补偿电路，其原理为： 串联电阻消除基波零位电压； 并联电阻消除高次谐波零位电压； 并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。 51 图3-17 补偿零点残余电压的电路 加串联电阻(c)(0.55)消除基波同相成分；并联电容(b) (c)(100500pF)，改变某一次级绕组相位，消除高次谐波 分量；加并联电阻(0.11)102k消除基波中正交成分； 加反馈绕组和反馈电容补偿基波及高次谐波分量。 52 二、温度误差 环境温度的变化会引起自感传感器的零点温度漂 移、灵敏度温度漂移以及线性度和相位的变化，造成 温度误差。 环境温度对自感传感器的影响主要通过： (1)材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化 (2)材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化 (3)磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的质温度系 数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造 成。 53 三、激励电源的影响 大多数自感式传感器采用交流电桥作测量电路， 电源电压的波动将直接导致输出信号的波动。采用 差动工作方式，其影响将能得到补偿。但需注意， 频率的高低应与铁心材料相匹配。 对于谐振式与恒流源式测量电路，电源频率与 电流的稳定度将直接引起测量误差。对于调频式测 量电路，则应保证直流电源的稳定度。 54 电感式传感器般用于接触测量，可用于静态和动态测 量。测量的基本量是位移，也可以用于振动、压力、荷重、流 量、液位等参数测量。 除螺管式电感传感器外，还包括测量电桥、交流放大 器、相敏检波器、 振荡器、稳压电源 及显示器等，它主 要用于精密微小位 移测量。 3.1.7 自感式传感器应用举例 图3-18 电感测微仪典型框图 55 图3-19 变隙式自感压力传感器结构图 自感式压力传感器 图示是变隙电感式压力传 感器的结构图。 它由膜盒、 铁芯、 衔铁及线圈等组成, 衔 铁与膜盒的上端连在一起。 当压力进入膜盒时, 膜盒 的顶端在压力P的作用下产生与 压力P大小成正比的位移。于是 衔铁也发生移动, 从而使气隙 发生变化, 流过线圈的电流也 发生相应的变化, 电流表指示 值就反映了被测压力的大小。 56 当被测压力进入C形弹簧管 时, C形弹簧管产生变形, 其自 由端发生位移, 带动与自由端 连接成一体的衔铁运动, 使线 圈 1 和线圈 2 中的电感发生 大小相等、 符号相反的变化, 即一个电感量增大, 另一个电 感量减小。 图3-20 变隙差动式电感压力 传感器 电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输 出电压与被测压力之间成比例关系, 所以只要用检测仪表测 量出输出电压, 即可得知被测压力的大小。 57 电感式传感器测液位 58 电感式滚柱直径分选装置 59 3.2 差动变压器 3.2.1 变隙式差动变压器 3.2.2 螺线管式差动变压器 3.2.3 差动变压器应用 60 把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称 为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制 成的，并且次级绕组用差动形式连接， 故称差动变压器式 传感器。 不同的是：变压器为闭合磁路，差动变压器式传感器 为开磁路；变压器初、次级间的互感为常数，差动变压器 式传感器初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级 绕组按差动方式工作。 差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式, 但其工作原理基本一样。 在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器 ， 它可以测量1100mm机械位移，并具有测量精度高、 灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。 61 传感器与自动检测技术 TD-1油动机行程阀位位移传感器 交流差分变压器 式角位移传感器 GA系列差分变压器位移传感器 62 (a)、(b) 变隙式差动变压器； (c)、(d) 螺线管式差动变压器； (e)、(f) 变面积式差动变压器 图3-21 63 当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感 应电压输出互感变化时，输出电压将作相应变化 。 两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反向串联。 图3-22 变隙式差动变压器 3.1 变隙式差动变压器 一、工作原理 64 当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的 变化，使ab，两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压 电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处 理，使最终输出电压的极性能反映位移的方向。 当没有位移时，衔铁C处于初始平衡 位置，它与两个铁芯的间隙为a0 =b0=0。两个次级绕组的互感电 势相等，即e2a=e2b。 由于次级绕组反向串联，因此，差 动变压器输出电压 65 在忽略铁损（即涡流 与磁滞损耗忽略不计）、 漏感以及变压器次级开路 （或负载阻抗足够大）的 条件下，等效电路。 r1a 与L1a , r1b与L1b , r2a与 L2a , r2b与L2b，分别为W1a , W1b , W2a, W2b绕阻的直 流电阻与电感。 图3-23 差动变气隙式变压器的等效电路 二、输出特性 66 当r1aM2，因而E2a增加 ，而E2b减小。反之，E2b增加 ，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b， 所以当E2a、E2b 随着衔铁位 移x变化时， Uo也必将随x而 变化。但无法判别位移方向 。 当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差 动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作Uo，它的 存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完 全一致。 73 传感器与自动检测技术 差分变压器输出电压动画 74 当次级开路时有 ,初级线圈激励电流： 根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为： 次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则 输出电压有效值： 上式说明，当激磁电压的幅值U和角频率、初级绕组的直流电阻r1及电感L1为定值 时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。 只要求出互感M1和M2对活 动衔铁位移x的关系式， 可得到螺线管式差动变压 器的基本特性表达式。 二、基本特性 75 （1）当活动衔铁处于中间位置时 M1= M2=M 则 U0=0 （2）当活动衔铁向W2a方向移动时 M1= M+M, M2= M-M 故 （3）当活动衔铁向W2b方向移动时 M1= M-M，M2= M+M 故 与E2a同极性。 . 与E2b同极性。 . 76 差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一 个单位距离时的输出电压，以V/(mmV ) 表示。一般差动变压器的灵敏度大于5 V/mmV。 理想条件下，差动变压器的灵敏度KE正比于 电源激励频率f 。 图3-27 KE与f关系曲线 1. 灵敏度 三、主要性能 77 提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。 除了激励频率和输入激励电压对差动变压器灵敏度有影响外， 提高线圈品质因数Q值，增大衔铁直径，选择导磁性能好， 铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等 可以提高灵敏度。 0 U1 KE 78 2. 线性 度 线性度线性度: : 传感器实际特性曲线与理论直线 之间的最大偏差除以测量范围（满量程）， 并用百分数来表示。 影响差动变压器线性度的因素: 骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯 的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。 改善差动变压器的线性度: 取测量范围为线圈骨架长度的1/10-1/4，激 励频率采用中频，配用相敏检波式测量电路 。 79 问 题 四、转换电路 （1）差动变压器的输出是交流电压 (用交流电压表测量，只能反映衔铁 位移的大小，不能反映移动的方向 ); （2）测量值中将包含零点残余电压 。 采用电路： （1）差动整流电路 （2）相敏检波电路 80 1、差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输 出电压分别整流, 然后将整流的电压或电流 的差值作为输出。 下面结合图 3 -28, 分析差动整流工作原理 。 81 图图3-28 3-28 全波差动整流电路全波差动整流电路 R2 R1 a b h g c f d e + + + + 82 图图3-28 3-28 全波差动整流电路全波差动整流电路 R2 R1 a b h g c f d e 无论次级线圈的输出瞬无论次级线圈的输出瞬 时电压极性如何，整流时电压极性如何，整流 电路的输出电压电路的输出电压UU 0 0 始终始终 等于等于 R R1 1 、 R R2 2 两个电阻上两个电阻上 的电压差。的电压差。 + + + + 83 铁芯在零位以上铁芯在零位 t t Ucd Uhg t U0 Ucd t t t Uhg U0 t Ucd t Uhg t U0 铁芯在零位以铁芯在零位以 下下 全波差动整流电 路电压波形 结论：结论： 铁芯在零位以铁芯在零位以 上或零位以下上或零位以下 时，输出电压时，输出电压 的极性相反，的极性相反， 零点残存电压零点残存电压 自动抵消自动抵消。 84 差动整流电路具有结构简单, 不 需要考虑相位调整和零点残余电压的影响 , 分布电容影响小和便于远距离传输等优 点, 因而获得广泛应用。 85 容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电 压压 和 和 同频，经过移相器使 同频，经过移相器使 和 和 保持 保持 同相或反相，且满足同相或反相，且满足 。 。 2、相敏检波电路 u1 u2 + R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + RL 86 当衔铁在当衔铁在中间位置中间位置时，位移时，位移 x x （ t t ）= = 0 0，传感器，传感器 输出电压输出电压 =0, =0,只有只有 起作用。 起作用。 u1 u2 + R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + RL 87 正半周时正半周时 因为是从中心抽头，所以因为是从中心抽头，所以u u 1 1 = = u u ，故 ，故i i = = i i 。流 。流 经经R R L L 的电流为的电流为 i i = = i i i i = = u1 u2 - R + RL R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 + - i4i3 88 负半周时负半周时 同理可知 同理可知 i i = = i i ，所以流经 ，所以流经 R RL L 的电流为的电流为 i i = = i i i i = = i1 RL i2 u1 u2 + R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + 89 D2 u1 u2 - R + RL R D3 D1 D4 R R T1 T2 + - e1 e2 - + - + i4 正半周时正半周时 i3 故故i i i i ，流经 ，流经 R RL L 的电流为 的电流为 i i = = i i i i 当衔铁在当衔铁在零位以上零位以上时，位移时，位移x x（t t） 0 0， 与 与 同频同相同频同相。 90 u1 u2 + R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + 负半周时负半周时 故故i i i i， ，流经 流经R R L L 的电流为 的电流为 i i = = i i i i i2i1 e1 - + + e2 - 91 正半周 正半周 负半周 负半周 故故i i i i 。流经 。流经R R L L 的电流为的电流为 i i = = i i i i 当衔铁在当衔铁在零位以下零位以下时，位移时，位移x x（t t） 0 0， 与 与 同频反相同频反相。 e1 e2 + - + - D2 u1 u2 - R + RL R D3 D1 D4 R R T1 T2 + - i4i3 92 同理同理: :在在 负半周 负半周 正半周时： 正半周时： i i i i 。流经 。流经R R L L 的电流为 的电流为 i i = = i i i i 表示表示i i 0 0 的方向也与规定的正方向相反。的方向也与规定的正方向相反。 D2 u1 u2 - R + RL R D3 D1 D4 R R T1 T2 + -+ - + - e1 e2 i2i1 93 t t U U1 1 0 0 U U2 2 t t 0 0 t t i i 1 1 0 0 t t i i 2 2 0 0 t t i i 4 4 0 0 t t i i 0 0 0 0 二级管相敏二级管相敏 检波在检波在 U U1 1 、 U U2 2 同相位时同相位时 的波形的波形 t t i i 3 3 0 0 94 结论：结论： 衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周 还是负半周，在负载还是负半周，在负载 R RL L 上的输出电压始终为上的输出电压始终为0 0。 衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正 半周还是负半周，在负载半周还是负半周，在负载 R RL L 上得到的输出电压始上得到的输出电压始 终为正。终为正。 衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正 半周还是负半周，在负载半周还是负半周，在负载 R RL L 上得到的输出电压始上得到的输出电压始 终为负。终为负。 由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。95 相敏检波电路波形相敏检波电路波形 (a）被测位移变化波形图； (b)差动变压器激励电压波形； (c) 差动变压器输出电压波形； (d)相敏检波解调电压波形； (e)相敏检波输出电压波形 当位移x 0时, u2与u1同频同相, 当位移xR1； (2)线圈的等效电感LS=L1L2 第一项L1与静磁学效应有关，由于线圈与金属 导体构成一个磁路，线圈自身的电感L1要受该磁路“有效磁导率”的影响，若 金属导体为磁性材料时，磁路的有效磁导率随距离的减小而增大，L1也就增 大；若金属导体为非磁性材料，磁路的有效磁导率不会随距离而变，因此L1 不变。第二项与电涡流效应有关，电涡流产生一与原磁场方向相反的磁场并 由此减小线圈电感，线圈与导体间距离越小(M越大)，越大，电感量的减小 程度越大，故从总的结果来看LSL1； (3)线圈原有的品质因数Q0L1R1，当产生电涡流效应后，线圈的品质因 数QLSRS，显然QQ0。 114 二、测量电路 根据电涡流式传感器的工作原理，针对被测 参量可以转换为线圈电感、阻抗或Q值的三种参 数的变化，测量电路也有三种：谐振电路、电桥 电路与Q值测试电路。 谐振电路，主要有调频式、调幅式两种。 115 (1)调频式电路(100kHz1MHz） 图3-32 调频测量电路 利用调频谐振电路的特点，线圈电感量的变化可以直接使 振荡器的振荡频率发生变化，从而实现频率调制。然后通 过鉴频器及附加电路将频率的变化再变成电压输出。 116 传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x 改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频 率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x), 该频率 可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表 测量对应的电压。 振荡器的频率为： 为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传 感器内。 此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3上，因而对振 荡频率f的影响将大大减小。 117 （2） 调幅式电路 调幅式测量电路稳频稳幅正弦波振荡器的输出信号由电阻R加到传感 器上。先使传感器远离被测物，则LL(即x趋于时的电感值)， 调振荡器的频率到 ，得出最大输出电压u，然后 保持振荡器的频率fo和幅值不变，当被测物与传感器线圈接近时， 由于电涡流效应，使线圈的电感量L变化，并使回路失谐，从而使 输出电压u降低，由u的下降程度判断距离x的大小。 (a)电路原理；(b)输出特性 图3-33 调幅式测量原理 谐振曲线 118 表3-1 电涡流式传感器在工业测量中的应用 被测参数变换量特征 位移、厚度、 振动 x (1)非接触,连续测量； (2)受剩磁的影响 表面温度、电解质浓 度、材质判别、速度( 温度) (1)非接触,连续测量； (2)对温度变化进行补偿 应力、硬度 (1)非接触,连续测量； (2)受剩磁和材质影响 探伤 X, 可以定量测定 传感器与自动检测技术 3.3.4 电涡流式传感器的应用 119 1. 位移测量 凡是可变换成位移量的参数，都可以用电涡流式传 感器来测量。 电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器 件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面 ）将产生一个交变磁场。 当金属物体接近此感应面时 ，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振 荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可地 计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感 器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影 响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。 120 电涡流位移计 轴向位移(a)；磨床换向阀、先导阀的位移(b)； 金属试件热膨胀系数(c) 1-被测试件 2-电涡流传感器 121 位移测量仪 位移测量包 含： 偏心、间 隙、位置、倾斜、 弯曲、变形、移动 、圆度、冲击、偏 心率、冲程、宽度 等等。来自不同应 用领域的许多量都 可归结为位移或间 隙变化。 数显位移测量仪及探头 122 420mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司 资料） 123 齐平式电涡