第三章-电感式传感器传感器解析

1、2021/3/142021/3/141 11 1 第三章 电感式传感器 主要内容主要内容: : 掌握自感式传感器结构、原理及其基本特性掌握自感式传感器结构、原理及其基本特性; 掌握自感式传感器的电桥测量电路的输出特性掌握自感式传感器的电桥测量电路的输出特性; 掌握差动变压器组成结构、工作原理、输出特性及其差动整流掌握差动变压器组成结构、工作原理、输出特性及其差动整流 电路和相敏检波电路的工作原理；电路和相敏检波电路的工作原理； 掌握高频反射式电涡流式传感器的结构、工作原理及基本特性；掌握高频反射式电涡流式传感器的结构、工作原理及基本特性； 掌握各类电感式传感器的典型应用（位移型传感器）。掌握各

2、类电感式传感器的典型应用（位移型传感器）。 2021/3/142021/3/141 12 2 U UO O（I IO O） 自感式传感器（变自感自感式传感器（变自感L L） 差动变压器（变互感差动变压器（变互感M M） 电涡流式传感器（变自感电涡流式传感器（变自感L L） 概概 述述 2021/3/142021/3/141 13 3 3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器 3.2 3.2 差动变压器差动变压器 3.3 3.3 电涡流传感器电涡流传感器 2021/3/142021/3/141 14 4 3.1 3.1 自感式自感式( (变磁阻变磁阻) )传感器传感器 变气隙式自感式传感器的结构

3、原理图变气隙式自感式传感器的结构原理图 （a a） 单边式单边式 由由2 2铁芯、铁芯、1 1线圈、线圈、 3 3衔铁及弹簧等组成。当衔铁移动时衔铁及弹簧等组成。当衔铁移动时, ,气气 隙厚度隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的 电感值变化。电感值变化。 一、工作原理一、工作原理: : 式中式中:N -:N -线圈匝数线圈匝数 R RM M - -磁路总磁阻磁路总磁阻 2 MM NN INN L IIRR M R IN （磁路欧姆定律）（磁路欧姆定律） 线圈自感为线圈自感为: : 2021/3/142021/3/141 15 5 000

4、022 2 11 1 22 SSS l S l RM 2 0 2 SN L 若若 很小很小, ,且不考虑磁路铁损，则磁路总磁阻为且不考虑磁路铁损，则磁路总磁阻为: : 铁芯磁导率远大于空气铁芯磁导率远大于空气 的磁导率的磁导率,因此铁芯磁阻因此铁芯磁阻 远较气隙磁阻小远较气隙磁阻小 则则线圈自感线圈自感L L为为: : 分类分类: 变气隙厚度变气隙厚度的电感式传感器的电感式传感器; 变气隙面积变气隙面积S S的电感式传感器的电感式传感器; ; 2021/3/142021/3/141 16 6 自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 1 1线圈线圈coilcoil ;2 ;2铁芯铁

5、芯Magnetic coreMagnetic core ;3 ;3衔铁衔铁Moving coreMoving core 变气隙式变气隙式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 2021/3/142021/3/141 17 7 L=f（S） L=f（） L (S) 当当0时时, ,L为为，考虑导磁体的磁阻，考虑导磁体的磁阻，L L并不等于并不等于，而具有一定的数，而具有一定的数 值，考虑导磁体的磁阻时特性曲线如图中虚线所示。值，考虑导磁体的磁阻时特性曲线如图中虚线所示。 二、输出特性分析二、输出特性分析 2 2 0SN L L L= =f f()()为非线性关系为非线性关系 L Lf f( (S

6、S) )的特性曲线为一直线。的特性曲线为一直线。 2021/3/142021/3/141 18 8 1.1.变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器 初始电感量为初始电感量为: : 0 2 0 0 2 SN L 若衔铁下移若衔铁下移: : = 0+ 22 00 00 000 2()2 SNSN LLLL 自感的相对变化量为自感的相对变化量为: : 0000 1 1 L L 则电感减小则电感减小, ,变化量为变化量为L:L: 2021/3/142021/3/141 19 9 一般一般1 0 ，则上式可由泰勒级数展开成级数形式为则上式可由泰勒级数展开成级数形式为 .1 3 0 2 0000 L L 忽

7、略高次项忽略高次项, ,可得自感变化与气隙变化成可得自感变化与气隙变化成近似线性关系近似线性关系: : 00 L L 变气隙式自感传感器的灵敏度为变气隙式自感传感器的灵敏度为: 0 0 1 LL K 灵敏度灵敏度K K随初始气隙的增大而减小。随初始气隙的增大而减小。 。 2021/3/142021/3/141 11010 非线性误差为非线性误差为: %100 0 0 2 0 可见可见非线性误差随非线性误差随 的增大而增大的增大而增大 存在矛盾存在矛盾: :测量范围（大）、灵敏度（高）、线性度（小）相矛盾测量范围（大）、灵敏度（高）、线性度（小）相矛盾 因此变隙式常用于测量微小位移的场合因此变隙

8、式常用于测量微小位移的场合, ,并且通常采用差动式并且通常采用差动式 1 0 0 大小 0 2021/3/142021/3/141 11111 采用差动变隙式采用差动变隙式, ,可以减小可以减小 非线性，提高灵敏度。非线性，提高灵敏度。 22 00 120 2 0000 1 2 2()2()1() SNSN LLLL 差动变隙式的电感变化量为差动变隙式的电感变化量为: 2.2.差动变气隙式自感传感器差动变气隙式自感传感器 2021/3/142021/3/141 11212 差动式电感传感器的电感差动式电感传感器的电感相对变化量相对变化量为为: 2 0 00 )(1 1 2 L L 当当 1 0

9、 ，上式展开成泰勒级数：，上式展开成泰勒级数： 24 0000 21. L L 忽略忽略高高次项次项,可可得得: 00 2 L L 差动变隙式灵敏度为差动变隙式灵敏度为: 0 0 2 LL K 非线性误差为：非线性误差为： %100 2 0 0 3 0 2021/3/142021/3/141 11313 差动式自感传感器的灵敏度比单差动式自感传感器的灵敏度比单 线圈传感器提高一倍线圈传感器提高一倍 差动式自感传感器非线性失真减差动式自感传感器非线性失真减 小。小。 如当如当/=10/=10时时 , , 单线圈单线圈1010; ; 而差动式的而差动式的 1 1 采用差动式传感器采用差动式传感器,

10、 ,还能抵消温度还能抵消温度 变化、电源波动、电磁吸力等因素变化、电源波动、电磁吸力等因素 对传感器的影响。对传感器的影响。 结论结论: : 线圈 电感 电感 线圈 气隙 2021/3/142021/3/141 11414 单线圈螺管型传感器结构图单线圈螺管型传感器结构图 3.3. 螺管型电感传感器螺管型电感传感器 有有单线圈单线圈和和差动式差动式两种结构形式。两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈一根单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈一根 圆柱形铁芯及磁性套筒。圆柱形铁芯及磁性套筒。传感器工作时传感器工作时, ,因铁芯在线圈中伸因铁芯在线圈中伸 入长度的变化，引起

11、线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使入长度的变化，引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使 线圈自感发生变化。线圈自感发生变化。 r x 螺管线圈螺管线圈 铁芯铁芯 l 2021/3/142021/3/141 11515 0.6 0.4 0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 -0.8 0.80.41.2 -1.2-0.4 2lclc 2l 线圈 线圈 r 0.8 x H（ ） IN l x(l) (a) (b) 差动螺管型传感器结构图差动螺管型传感器结构图 2021/3/142021/3/141 11616 1 1） 变气隙式电感传感器变气隙式电感传感器 具有具有线性度差、示值范围窄、自由行程小、线

12、性度差、示值范围窄、自由行程小、 在小位移在小位移 下灵敏度很高的特点下灵敏度很高的特点。 因此因此, , 常用于直线小位移的测量，常用于直线小位移的测量， 以及结合弹性敏感元件构成压力传感器、加速度传感器等。以及结合弹性敏感元件构成压力传感器、加速度传感器等。 2 2） 变截面式电感传感器变截面式电感传感器 具有具有线性度良好、自由行程大、线性度良好、自由行程大、 示值范围宽、灵敏度示值范围宽、灵敏度 较低的特点较低的特点，通常用来测量比较大的直线位移和角位移。通常用来测量比较大的直线位移和角位移。 3 3）螺管式自感式传感器）螺管式自感式传感器 灵敏度低，但示值范围大，自由行程大，且其主要

13、优点灵敏度低，但示值范围大，自由行程大，且其主要优点 是结构简单，制造装配容易是结构简单，制造装配容易 三种自感传感器比较三种自感传感器比较: : 2021/3/142021/3/141 11717 电感线圈的电感线圈的等效电路等效电路（如图）（如图） 实际传感器中实际传感器中, ,线圈线圈 不可能是纯电感，不可能是纯电感， 它包括线圈的它包括线圈的铜损铜损 电阻电阻R RC C ; ;铁芯的铁芯的涡涡 流损耗电阻流损耗电阻R Re e 等等; ; 由于线圈和测量设由于线圈和测量设 备电缆的接入，存备电缆的接入，存 在线圈在线圈固有电容和固有电容和 电缆的分布电容电缆的分布电容， 用集中参数用

14、集中参数C C表示表示。 图中图中, ,RcRc为铜耗电阻为铜耗电阻; ;ReRe为涡流损耗电阻为涡流损耗电阻; ;RhRh为磁滞损耗为磁滞损耗 电阻；电阻；C C为线圈的匝间电容和分布电容。为线圈的匝间电容和分布电容。 1. 1. 电感式传感器的等效电路电感式传感器的等效电路 2021/3/142021/3/141 11818 电感式传感器等效阻抗电感式传感器等效阻抗: R C L Z 2222 )1 ()1 ( )( LC L j LC R C j LjR C j LjR Z LjRZ 22 22 )1 ( ; )1 ( LC L L LC R R Q=Q=wL/R/R高时高时: : 由以

15、上分析由以上分析, ,并联电容并联电容C C的存在，会引起传感器性能的一系的存在，会引起传感器性能的一系 列变化。因此，在实际测量中，若根据需要列变化。因此，在实际测量中，若根据需要更换了连接电缆线更换了连接电缆线 的长度的长度，在高精度测量时应对传感器的灵敏度，在高精度测量时应对传感器的灵敏度重新进行标定重新进行标定。 2021/3/142021/3/141 11919 U ZZ ZZ U )(2 21 21 0 1Z2Z 图图3-8(b) 交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路 2.2.交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路 图中传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂图中传感器的两个线圈作为电桥的

16、两个桥臂 和和 , ,另外另外 两个相邻的桥臂用纯电阻代替。两个相邻的桥臂用纯电阻代替。 设设Z Z1 1=Z=Z0 0+ +Z Z1 1, Z, Z2 2=Z=Z0 0- -Z Z2 2 Z Z1 1 Z Z2 2= = Z Z 2 2 21 21 21 1 0 i ii U ZZ ZZ U ZZ UZ U电桥输出为 2021/3/142021/3/141 12020 对于高对于高Q Q值值( )( )的差动式电感传感器的差动式电感传感器, ,其输出电压其输出电压 为为: : 000 222 o UZUjLUL U ZRj LL QL R 0 0( )LL 0 0 2 U U 其中其中 L0

17、衔铁在中间位置时衔铁在中间位置时, ,单个线圈的电感为其损耗。单个线圈的电感为其损耗。L 单线圈电感的变化量。单线圈电感的变化量。 将将 代入上式得代入上式得 : : 2021/3/142021/3/141 12121 图中图中B B点的电压为：点的电压为： 2 B E U 2 12 A Z UE ZZ 图中图中A A点的电压为：点的电压为： 3.3.变压器式交流电桥变压器式交流电桥(P87)(P87) 输出电压输出电压: : 讨论讨论: : （1 1）当铁芯处于中间位置时）当铁芯处于中间位置时,Z,Z1 1=Z=Z2 2=Z=Z，这时，这时U U0 0=0,=0,电桥平衡电桥平衡; ; （2

18、 2）当铁芯向下移动时，）当铁芯向下移动时，Z Z2 2=Z+Z=Z+Z，Z Z1 1=Z-Z =Z-Z 得得: : 1 2222 S O S RjLZZZE UEE ZZRj L E ZZ ZZ UUU BA )(2 21 21 0 2021/3/142021/3/141 12222 (3)(3)当铁芯向上移动同样大小的距离时当铁芯向上移动同样大小的距离时,Z,Z2 2=Z-Z, Z=Z-Z, Z1 1=Z+Z=Z+Z，得，得: : 0 1 222 ZZEZ UE ZZ 幅值为幅值为: : 222 22 22 22 S O SS LR L UEE RLRL 输出电压幅值为输出电压幅值为: E

19、 LR L U s O 22 2 两种情况的输出电压大小相等两种情况的输出电压大小相等, ,方向相反，由于方向相反，由于E E是交流电压，是交流电压， 所以输出电压所以输出电压U U0 0在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。 2021/3/142021/3/141 12323 4.4.谐振式测量电路谐振式测量电路 (1)(1)调频电路调频电路 调频电路的基本原理是调频电路的基本原理是 传感器电感变化引起输出电传感器电感变化引起输出电 压频率的变化。压频率的变化。( )( ) (2)(2)调幅电路调幅电路 调幅电路的基本原理是传感调幅电路的基本原理是传感

20、器电感变化引起输出电压幅器电感变化引起输出电压幅 值的变化。值的变化。L L0 0为谐振点的电感值为谐振点的电感值 调幅电路 调频电路 谐振式电路 1 2fLC 2021/3/142021/3/141 12424 0 U 2021/3/142021/3/141 12525 自感式压力传感器自感式压力传感器 P A 五、自感式电感传感器应用五、自感式电感传感器应用 2021/3/142021/3/141 12626 P 2021/3/142021/3/141 12727 用于工件直径等尺寸测量的电感式传感器用于工件直径等尺寸测量的电感式传感器 1 1引线电缆引线电缆 2 2固定磁筒固定磁筒 3

21、3衔铁衔铁 4 4线圈线圈 5 5测力弹簧测力弹簧 6 6防转销防转销 7 7钢球导轨（直线轴承）钢球导轨（直线轴承） 8 8测杆测杆 9 9密封套密封套 1010测端测端 1111被测工件被测工件 1212基准面基准面 2021/3/142021/3/141 12828 电感测微头电感测微头 2021/3/142021/3/141 12929 3.2 3.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 (linear variable differential transformers(LVDTs) 1 1 初级线圈初级线圈;2.3;2.3次级线圈次级线圈;4;4衔铁衔铁 1 2 4 3 1 2

22、3 ( (a a) )气隙型气隙型( (b b) )螺管型螺管型 l 变互感量的传感器。根据变变互感量的传感器。根据变 压器的基本原理制成压器的基本原理制成, ,次级绕次级绕 组都用差动形式连接，故称组都用差动形式连接，故称 为差动变压器为差动变压器. . l 分为分为气隙式气隙式和和螺管式螺管式两种。两种。 l 目前多采用螺管式。目前多采用螺管式。因为变因为变 隙式行程很小隙式行程很小(l0(l00.5 mm)0.5 mm)， 结构也很复杂。结构也很复杂。 l 它可以测量它可以测量1 1100mm100mm范围内范围内 的机械位移，并具有测量精的机械位移，并具有测量精 度高，灵敏度高，结构简

23、单，度高，灵敏度高，结构简单， 性能可靠等优点性能可靠等优点 2021/3/142021/3/141 13030 螺线管式结构如图螺线管式结构如图: : 由由一个初级线圈一个初级线圈, ,两个次级线圈两个次级线圈和和插入线圈中央的圆柱形铁插入线圈中央的圆柱形铁 芯芯等组成。等组成。 - -活动衔铁活动衔铁; ;- -导磁外壳导磁外壳; ;- -骨架；骨架；- -匝数为匝数为 的初级绕组；的初级绕组； - -匝数为匝数为 的次级绕组；的次级绕组；- -匝数为匝数为 的次级绕组的次级绕组 图图3.2 3.2 螺线管式差动变压器结构图螺线管式差动变压器结构图 1W 2aW 2bW 一一 . . 差动

24、变压器的结构与原理差动变压器的结构与原理 2021/3/142021/3/141 13131 螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同, ,可分可分 为二节、三节、四节和五节式等类型，如图所示。三节式的为二节、三节、四节和五节式等类型，如图所示。三节式的 零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四 节式和五节式改善了传感器线性度。节式和五节式改善了传感器线性度。 通常采用的是二节式和三节式两类。通常采用的是二节式和三节式两类。 (b) (c) (d) (e)(b) (c) (d) (e)

25、线圈排列方式图线圈排列方式图 （b b）二节式）二节式 （c c）三节式）三节式; ;（d d）四节式）四节式; ;（e e）五节式）五节式 图图3-3 3-3 线圈排列方式线圈排列方式 2021/3/142021/3/141 13232 差动变压器式传感器中差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联两个次级线圈反向串联, ,并且在忽并且在忽 略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等 效电路如下图所示。效电路如下图所示。 i U r1a r1b L1a L1b L2a L2b b E2 a E2 r2a r2b o U RL Ma Mb

26、 二二. .基本特性分析基本特性分析 差动变压器等效电路差动变压器等效电路 2021/3/142021/3/141 13333 初级线圈初级线圈 次级线圈次级线圈 次级线圈输出电压次级线圈输出电压: 次级线圈输出电压有效值次级线圈输出电压有效值: 11 1 LjR U I 12 IMjE aa 12 IMjE bb 11 1220 )()( LjR U MMjIMMjEEU bababa UMMkU LR MM U ba ba )( )( )( 2 1 2 1 0 i U r1a r1b L1a L1b L2a L2b b E2 a E2 r2a r2b o U RL Ma Mb 2021/3

27、/142021/3/141 13434 （1 1）初始位置）初始位置, ,衔铁处于中间位置衔铁处于中间位置 （2 2）当衔铁上升）当衔铁上升 x x MMM a MMM b (3) (3) 当衔铁下降当衔铁下降 x x U U0 0与与E E2a 2a同相 同相 U U0 0与与E E2b 2b同相 同相 MMM a MMMb ba MM U LR M EEU ba 2 1 2 1 220 )( 2 U LR M U 2 1 2 1 0 )( 2 0)()( 11 1220 LjR U MMjIMMjEEU bababa 看出输出电压大小与极性反映衔铁位移的大小和方向。看出输出电压大小与极性反

28、映衔铁位移的大小和方向。 但由于但由于U U0 0是交流电压是交流电压, ,所以输出电压所以输出电压U U0 0在输入到指示器前必须先在输入到指示器前必须先 进行整流、检波等。进行整流、检波等。 2021/3/142021/3/141 13535 3-21 3-21 差动变压器输出电压特性曲线差动变压器输出电压特性曲线 2021/3/142021/3/141 13636 1. 1. 零点残余电压定义零点残余电压定义:在衔铁处于中间位置时输出电压应为 零,但实际不为零，存在某个输出值 ，这个不为零的电压 称为零点残余电压 0 U 2021/3/142021/3/141 13737 2021/3/

29、142021/3/141 13838 3. 3. 消除零点残余电压的几种方法消除零点残余电压的几种方法 由绕组不对称引起的零点残余电压可以通过调节衔铁初始由绕组不对称引起的零点残余电压可以通过调节衔铁初始 位置进行消除位置进行消除, ,然而因相位误差造成的零点残余电压是无法通过然而因相位误差造成的零点残余电压是无法通过 调节衔铁初始位置进行消除的。因此，消除零点残余电压的方调节衔铁初始位置进行消除的。因此，消除零点残余电压的方 法可以归纳为以下三种法可以归纳为以下三种: : （1 1） 从设计和工艺上尽量保证线圈和磁路对称，选用高从设计和工艺上尽量保证线圈和磁路对称，选用高 性能的导磁材料，导

30、磁体必须经过热处理，消除残余应力，以性能的导磁材料，导磁体必须经过热处理，消除残余应力，以 提高磁性能的均匀性和稳定性。提高磁性能的均匀性和稳定性。 （2 2） 采用采用相敏检波电路相敏检波电路不仅可以鉴别衔铁的移动方向，不仅可以鉴别衔铁的移动方向， 而且有利于消除零点残余电压而且有利于消除零点残余电压.(.(见见P128P128图图3-283-28） (3)。根据零点残余误差的产生原因。根据零点残余误差的产生原因,主要主要 有以下几类补偿电路有以下几类补偿电路(见图见图): 加加串联电阻串联电阻(0.55 )消除基波同相成分消除基波同相成分; 加加并联电容并联电容C(100500pF)，改变

31、某一次级绕组相位，消除，改变某一次级绕组相位，消除 高次谐波分量高次谐波分量; 加加反馈绕组和反馈电容反馈绕组和反馈电容补偿基波及高次谐波分量补偿基波及高次谐波分量; 加加并联电阻并联电阻(0.11)102k 消除基波中正交成分。消除基波中正交成分。 2021/3/142021/3/141 14040 差动变压器输出是一个调幅波差动变压器输出是一个调幅波, ,幅值随衔铁的位移变化幅值随衔铁的位移变化, ,用用 交流电压表测量存在下述问题交流电压表测量存在下述问题: : (1)(1)交流电压表无法判别衔铁移动方向交流电压表无法判别衔铁移动方向; ; (2) (2)总有零位电压输出总有零位电压输出

32、, ,因而零位附近的小位移测量困难。因而零位附近的小位移测量困难。 四、差动变压器的测量电路四、差动变压器的测量电路 解决办法解决办法: :1.1.差动整流电路差动整流电路 2.2.相敏检测电路相敏检测电路 2021/3/142021/3/141 14141 1.1.差动整流电路差动整流电路 把差动变压器两个次级电压分别整流后把差动变压器两个次级电压分别整流后, ,以它们的差作为输以它们的差作为输 出。是最常用的测量电路形式。出。是最常用的测量电路形式。 有有电压输出型电压输出型整流电路整流电路, ,如图如图(a)(a)、图、图(b)(b)用在连接高阻抗负载用在连接高阻抗负载 ( (如数字电压

33、表如数字电压表) )的场合的场合; ; 有有电流输出型电流输出型整流电路，如图整流电路，如图(c)(c)、图、图(d)(d)用在连接低阻抗负载用在连接低阻抗负载 ( (如动圈式电流表如动圈式电流表) )的场合。的场合。 差动变压器灵敏度较高差动变压器灵敏度较高, ,一般满量程输出电压可达几伏，在要一般满量程输出电压可达几伏，在要 求不高时，可直接接入整流电路。常用的差动整流电路如图求不高时，可直接接入整流电路。常用的差动整流电路如图 所示。所示。 2021/3/142021/3/141 14242 (a)(a)半波电压输出半波电压输出;(b);(b)半波电流输出半波电流输出;(c);(c)全波

34、电压输出；全波电压输出；(d)(d)全波电流输出全波电流输出 2021/3/142021/3/141 14343 2相敏检波电路相敏检波电路 这种电路容易做到输出平衡这种电路容易做到输出平衡,而且便于阻抗匹配。而且便于阻抗匹配。 相敏检波电路能判别铁芯移动方向，而且，移动位相敏检波电路能判别铁芯移动方向，而且，移动位 移的大小决定输出电压移的大小决定输出电压UCD的高低。的高低。 电路工作原理电路工作原理: : 当差动变压器铁芯在中间当差动变压器铁芯在中间 位置时位置时, ,e es s=0=0，只有，只有e er r起作用起作用 。故输出电压。故输出电压U UCD CD=0 =0。 当铁芯下

35、移时当铁芯下移时,e,es s和和e er r相位相反。同理可得相位相反。同理可得U UCD CD0 ees s，故，故e er r正半周时正半周时D D1 1、D D2 2仍导仍导 通，通，D D3 3、 、D D4 4截止，但 截止，但D D1 1回路内总电势为回路内总电势为e er r+e+es s/2/2，而，而D D2 2回路为回路为e er re es s/2/2 ，故回路电流，故回路电流i i1 1ii2 2，输出电压，输出电压U UCD CD=R =R0 0(i(i1 1-i-i2 2)0)0。当。当e er r为负半周时，为负半周时， D D3 3、D D4 4导通、导通、D

36、 D1 1、D D2 2截止，此时截止，此时D D3 3同路内总电势为同路内总电势为e er re es s/2/2，D D4 4回路回路 内总电势为内总电势为e er r+e+es s/2/2，所以回路电流，所以回路电流i i4 4ii3 3，故输出电压，故输出电压U UCD CD R R0 0(i(i4 4- - i i3 3)0)0因此，铁芯上移时，输出电压因此，铁芯上移时，输出电压U UCD CD0 0。 2021/3/142021/3/141 14545 五、差动变压器的应用五、差动变压器的应用 1位移测量位移测量 浮子 铁芯 液罐 它可以作为精密测量仪的主要部它可以作为精密测量仪的

37、主要部 件件, ,对零件进行多种精密测量工作，对零件进行多种精密测量工作， 如内径、外径、不平行度、粗糙度、如内径、外径、不平行度、粗糙度、 不垂直度、振摆、偏心和椭圆度等。不垂直度、振摆、偏心和椭圆度等。 图为图为。当某一设定。当某一设定 液位使铁芯处于中心位置时液位使铁芯处于中心位置时, ,差动变差动变 压器输出信号压器输出信号Uo=0;Uo=0;当液位上升或下当液位上升或下 降时，降时，UoUo 0 0，通过相应的测量电路便，通过相应的测量电路便 能确定液位的高低。能确定液位的高低。 差动变压器差动变压器测量的基本量是位移测量的基本量是位移 2021/3/142021/3/141 146

38、46 2振动和加速度测量振动和加速度测量 利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。为了利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。为了 满足测量精度满足测量精度,加速度计的固有频率应比被测频率上限大加速度计的固有频率应比被测频率上限大35倍。倍。 差动变压器加速度计结构及其测量电路框图差动变压器加速度计结构及其测量电路框图 (a)结构结构;(b)测量电路框图测量电路框图 1-弹性支承弹性支承;2-差动变压器差动变压器 输出 被测加 速度方向 振荡器 稳压 电源 检 波 器 滤 波 器 2021/3/142021/3/141 14747 3压力测量压力测量 差动变压器和弹性敏感元件组

39、合差动变压器和弹性敏感元件组合,可以组成开环压力传可以组成开环压力传 感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。 (a)微压变送器微压变送器; (b)测量电路框图测量电路框图 1-接头接头;2-膜盒；膜盒；3-底座；底座；4-线路板；线路板；5-差曲变压器线圈；差曲变压器线圈； 6-衔铁；衔铁；7-罩光；罩光；8-插头；插头；9-通孔通孔 2021/3/142021/3/141 14848 电涡流效应电涡流效应: :成块金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切成块金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切 割磁力线的运动时割磁力线的运动时,

40、,导体内将产生旋涡状的感应电流导体内将产生旋涡状的感应电流, ,这电流称这电流称 电涡流电涡流, ,这现象称这现象称电涡流效应电涡流效应。 电涡流传感器电涡流传感器是基于电涡流效应工作的是基于电涡流效应工作的. . 电涡流传感器的类型电涡流传感器的类型: :高频反射式高频反射式、低频透射式、低频透射式 电涡流传感器的应用：电涡流传感器的应用：测量位移、厚度、表面温度、速度、应测量位移、厚度、表面温度、速度、应 力、材料损伤等力、材料损伤等 电涡流传感器的特点：电涡流传感器的特点：体积小、灵敏度高、频率响应宽体积小、灵敏度高、频率响应宽, ,可实现可实现 非接触非接触连续测量连续测量 3.3 3

41、.3 电涡流式传感器电涡流式传感器( (Eddy current sensors) ) 2021/3/142021/3/141 14949 一一. .高频反射式电涡流传感器结构和工作原理高频反射式电涡流传感器结构和工作原理 1234 56 1- 线圈线圈 2 -框架框架 3- 衬套衬套 4 -支架支架 5 -电缆电缆 6 -插头插头 2021/3/142021/3/141 15050 如图如图: :当线圈通交变电流当线圈通交变电流i1i1 交变磁场交变磁场H1 H1 金属板中将产金属板中将产 生感应电动势生感应电动势 电涡流电涡流i2 i2 磁场磁场H2 H2 H2H2对线圈的反对线圈的反 作

42、用作用( (减弱线圈原磁场减弱线圈原磁场) ) 从而导致线圈的从而导致线圈的电感量电感量L L、阻抗阻抗Z Z或或 品质因数品质因数Q Q发生变化。发生变化。 线圈 金属导体 测量时线圈阻抗随金属导体的测量时线圈阻抗随金属导体的 电阻率电阻率、磁导率、磁导率、线圈激、线圈激 励电流的角频率励电流的角频率以及线圈与以及线圈与 金属导体的距离金属导体的距离x x等参数变化等参数变化, , 即即: : ,.),(rxfZ 若能控制式中其它参数不变若能控制式中其它参数不变, ,只改变其中一个参数，这样只改变其中一个参数，这样阻抗阻抗 就能成为这个参数的单值函数就能成为这个参数的单值函数，从而实现该参数

43、的测量，从而实现该参数的测量。 2021/3/142021/3/141 15151 由线圈由线圈金属导体系统构成的电涡流传感器可以用右图所示金属导体系统构成的电涡流传感器可以用右图所示 的等效电路来分析。的等效电路来分析。 根据基尔霍夫定律根据基尔霍夫定律,可以列出电路方程组为可以列出电路方程组为: 测量时线圈的等效阻抗变为测量时线圈的等效阻抗变为 0 22 2 2 1 21111 ILjIRIMj EIMjILjIR )( )( 2 2 2 2 2 22 1 2 2 2 2 22 1 1 . 2 L LR M LjR LR M R I E Z 线 圈 金 属 导 体 eqeq LjR 电涡流

44、影响的结果使等效阻抗的实部增大电涡流影响的结果使等效阻抗的实部增大,虚虚 部减少，即等效的品质因数值减少了，部减少，即等效的品质因数值减少了， Z0=R1+jwL1 2021/3/142021/3/141 15252 二二. .测量电路测量电路 1 1、调频式电路、调频式电路 cxL f )(2 1 2021/3/142021/3/141 15353 2 2、调幅式电路、调幅式电路 （a a）调幅式电路原理图调幅式电路原理图 （b b）输出特性）输出特性 先使传感器远离被测物先使传感器远离被测物, ,则则L LL L ( (即即x x趋于趋于 时的电感值时的电感值) )，调，调 振荡器的频率到

45、振荡器的频率到 ，得出最大输出电压，得出最大输出电压u u ，然后，然后 保持振荡器的频率保持振荡器的频率fofo和幅值不变，当被测物与传感器线圈接近和幅值不变，当被测物与传感器线圈接近 时，由于电涡流效应，使线圈的电感量时，由于电涡流效应，使线圈的电感量L L变化，并使回路失谐，变化，并使回路失谐， 从而使输出电压从而使输出电压u u降低，由降低，由u u的下降程度判断距离的下降程度判断距离x x的大小。的大小。 CLfo 21 谐振曲线谐振曲线 2021/3/142021/3/141 15454 大致有以下四个方面大致有以下四个方面: : 1.1.位移传感器位移传感器（也可作为接近开关）（也可作为接近开关）; ; 厚度、振幅、振摆、转速等物理量厚度、振幅、振摆、转速等物理量 位移位移 2.2.材料电阻率传感器材料电阻率传感器 温度、材料判别等物理量温度、材料判别等物理量 材料电阻率材料电阻率 3.3.材料磁导率传感器材料磁导率传感器 应力、硬度等物理量应力、硬度等物理量 材料磁导率材料磁导率 4.4.探伤传感器探伤传感器 利用利用 等的综合影响等的综合影响, ,可以做成探伤装置可以做成探伤装置 、x 三、涡流传感器的应用三、涡流传感器的应用 2021/3/142021/3/141 15555 1位移测量位移测量 凡是可变换成位移量的参数凡是可变换成位移量的参数