ch3变电抗式传感器原理与应用

1、第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用1第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用3.1 自感式传感器3.2 差动变压器3.3 电涡流式传感器3.4 电容式传感器第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用2变电抗式传感器是变电抗式传感器是利用被测量改变磁路的利用被测量改变磁路的磁阻磁阻，导致线圈电感量的变化，或者利用，导致线圈电感量的变化，或者利用被测量改变传感器的被测量改变传感器的电容量电容量，或者利用被，或者利用被测量改变线圈的测量改变线圈的等效阻抗等效阻抗等，实现对非电等，实现对非电量的检测。量的检测。第三章第三章 变电抗式

2、传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用3电感式传感器电感式传感器的工作是建立在的工作是建立在电磁感应原理电磁感应原理的基础上。它把的基础上。它把将被测的非电量（如位移、压力、应变、振动、流量等）转换将被测的非电量（如位移、压力、应变、振动、流量等）转换换成换成自感或互感自感或互感的变化，并通过检测电路转换成的变化，并通过检测电路转换成电信号电信号输出。输出。电感式传感器电感式传感器按转换原理可以分为按转换原理可以分为自感式自感式和和互感式互感式。互感式常称为互感式常称为差动变压器差动变压器。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用4特点：特点： 结构简单、工作可靠、寿命

3、长；结构简单、工作可靠、寿命长； 灵敏度高、分辨率高；灵敏度高、分辨率高； 精度高、线性好；精度高、线性好； 性能稳定、可重复性好。性能稳定、可重复性好。 频率响应较慢，不宜于快速检测；频率响应较慢，不宜于快速检测； 分辨率与测量范围有关，若测量范围大，则分辨率低。分辨率与测量范围有关，若测量范围大，则分辨率低。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用53.1 自感式传感器自感式传感器（一）结构原理（一）结构原理线圈的自感量取决于线圈的匝数和磁路的总磁阻，当匝数线圈的自感量取决于线圈的匝数和磁路的总磁阻，当匝数一定时，自感随着磁阻的变化而变化。一定时，自感随着磁阻的变化而

4、变化。根据电磁感应原理和磁路欧姆定律，可以得出自感根据电磁感应原理和磁路欧姆定律，可以得出自感L与线与线圈匝数圈匝数N及磁路总磁阻之间的关系：及磁路总磁阻之间的关系：lSi i2 22 2i im mi ii iN NN NL L = = =R R式中，式中，N为线圈匝数；为线圈匝数； Rm为磁路总磁阻；为磁路总磁阻； 为磁导率；为磁导率； S为导磁截面积。为导磁截面积。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用61. 变气隙型变气隙型原理分析原理分析工作时衔铁与被测物体连接，工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于

5、气隙磁的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量阻的变化，导致了线圈电感量的变化。的变化。如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为Sm0l2R =+S（动画动画）第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用720N SL =2一般情况下，有一般情况下，有0l2S S则线圈的总磁阻可表示为：则线圈的总磁阻可表示为： 变隙式电感传感器的变隙式电感传感器的L-特性特性02SmR则线圈的电感则线圈的电感L为：为：第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用820N SL =2上式称为电感传感器的上式称为电感传感器的基本特性公式基本特

6、性公式，它表明：，它表明： 在匝数在匝数N N确定的条件下，确定的条件下，L L与气隙长度与气隙长度成反比，与气隙成反比，与气隙截面积截面积S S成正比。成正比。 因此，电感传感器可分因此，电感传感器可分变气隙长度变气隙长度和和变气隙截面积变气隙截面积两种，两种，前者用于测量位移，后者用于测量角位移。前者用于测量位移，后者用于测量角位移。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用9当衔铁向上移动当衔铁向上移动时，电感的相对变化量为时，电感的相对变化量为0000L1=()L - 1-当当 时，上式可展开成级数：时，上式可展开成级数：012230000000L=1+() +=+

7、() +() +L同理，当衔铁向下移动同理，当衔铁向下移动时，电感的相对变化量为时，电感的相对变化量为230000L=-() +() -L第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用10讨论：讨论： 以上二式均为非线性特性，若不考虑二次项以上的高次项，以上二式均为非线性特性，若不考虑二次项以上的高次项，则有则有 输出特性的灵敏度与测量范围之间是矛盾的，一般取输出特性的灵敏度与测量范围之间是矛盾的，一般取 传感器灵敏度传感器灵敏度 为了得到较高的灵敏度，就应限制测量范围，一般为为了得到较高的灵敏度，就应限制测量范围，一般为0.0011mm。 因此变隙式电感式传感器因此变隙式电感

8、式传感器适用于测量微小位移适用于测量微小位移的场合。的场合。00L=L0= 0.1 0.2200200LN SLK =2第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用11差动式自感传感器差动式自感传感器1-1-铁芯铁芯2-2-线圈线圈3-3-衔铁衔铁差动型自感式传感器的灵敏差动型自感式传感器的灵敏度比单线圈的变气隙型自感度比单线圈的变气隙型自感式传感器提高一倍，而非线式传感器提高一倍，而非线性误差也有所减小。性误差也有所减小。在差动型结构中，由于两线圈对称放置，其工作条件基本在差动型结构中，由于两线圈对称放置，其工作条件基本相同，对衔铁的电磁吸力在很大程度上可以互相抵消，而相同

9、，对衔铁的电磁吸力在很大程度上可以互相抵消，而温度变化、电源波动等外界干扰的影响也可在很大程度上温度变化、电源波动等外界干扰的影响也可在很大程度上相互抵消，因此差动型传感器得到比较广泛的应用。相互抵消，因此差动型传感器得到比较广泛的应用。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用12差动式自感传感器等效电路差动式自感传感器等效电路基本测量电路及工作原理基本测量电路及工作原理当衔铁处于中间位置时，当衔铁处于中间位置时，120则有则有12zz故电桥输出电压故电桥输出电压.0SCU电桥处于平衡状态。电桥处于平衡状态。当衔铁向上或向下移动时，当衔铁向上或向下移动时，122,z1则

10、z电桥失去平衡，输出电桥失去平衡，输出.0SCU表明：表明： 电桥输出电压的幅值与衔铁移动量的大小成正比，输出电压电桥输出电压的幅值与衔铁移动量的大小成正比，输出电压的相位与衔铁移动的方向有关。的相位与衔铁移动的方向有关。Z3=R0Z2Z1USC.UZ4=R0第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用13输出特性及灵敏度输出特性及灵敏度（1）输出特性）输出特性.1 4231234()()SCz zz zUUzzzz衔铁向上移动衔铁向上移动时，输出时，输出.120122 2SCzzUUzzz.1200()4SCjLLUURj L略去略去z1-z2，得，得表明输出与输入表明输出

11、与输入(L1+L2)之间为线性特性。之间为线性特性。差动式自感传感器等效电路差动式自感传感器等效电路Z3=R0Z2Z1USC.UZ4=R0第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用14曲线曲线1、2为为L1、L2 的特性的特性曲线曲线3为差动特性为差动特性输出特性及灵敏度输出特性及灵敏度由前面公式可得由前面公式可得:35120000L +L = 2L +() +() +式中不存在偶次项，进一步说明了差动式中不存在偶次项，进一步说明了差动自感传感器的非线性在自感传感器的非线性在工作范围工作范围内远小于简单自感传感器的非线性。内远小于简单自感传感器的非线性。以上结论从右图可以看

12、出来。以上结论从右图可以看出来。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用15可得可得35120000L +L = 2L +() +() +.12SC00j(L +L )UU=4R + jL忽略三次项以上的高次项，并设忽略三次项以上的高次项，并设 ，则有，则有 12L = L = L1200L +L = 2L = 2L.000SC000000000jL (R - jL )UjU U=(2L) =4 R + jL2 (R + jL )(R - jL )0.0SC2000R1+ jLU U=R2 1+()L有有第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用16代

13、入上式有：代入上式有：定义自感传感器的定义自感传感器的品质因数品质因数： 00LQR0.0SC2000R1+ jLU U=R2 1+()L.SC0211+ jU U=12 1+QQ结论：结论： 尽量提高尽量提高Q； 当当R00时，时，Q ，则输出，则输出 ，灵敏度，灵敏度 ； 电桥输出电压幅值与衔铁的位移量电桥输出电压幅值与衔铁的位移量成正比，其相位与衔铁的移成正比，其相位与衔铁的移动方向有关。动方向有关。.SC0U U=2 .0U 1K2 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用172.变面积型变面积型 通过对式通过对式 的分析可知，线圈电感量的分析可知，线圈电感量L与

14、气隙厚度与气隙厚度是非线性是非线性的，但与磁通截面积的，但与磁通截面积S却是成正比，是一种线性关系。线性范围有限，一却是成正比，是一种线性关系。线性范围有限，一旦旦xa时就不再是线性关系了。时就不再是线性关系了。 特点：测量范围大；若要提高灵敏度，气隙厚度不能过大。特点：测量范围大；若要提高灵敏度，气隙厚度不能过大。20N SL =2第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用183.螺管型螺管型工作原理：工作原理： 当衔铁在线圈中运动时，将改当衔铁在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。变磁阻，使线圈自感发生变化。特点：特点：结构简单、制造容易，但灵敏度低，结构简单

15、、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移适用于较大位移( (数毫米数毫米) )测量。测量。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用193 螺线管式自感传感器1-螺线管线圈；2-螺线管线圈；3-骨架；4-活动铁芯 llrrlWrLLLccr22022010011L10，L20分别为线圈、的初始电感值；第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用20当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小 lxlrrlWrLccr2202111lxlrrlWrLccr2202211根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为222021211lrWdxdLdxdL

16、kkcr两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。 式(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为 222020100llrWLLLccr222021lrWkkcr第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用21 总结总结:1. 变间隙型灵敏度较高，但非线性误差较变间隙型灵敏度较高，但非线性误差较大，且制作装配比较困难。大，且制作装配比较困难。2. 变面积型灵敏度较前者小，但线性较好，变面积型灵敏度较前者小，但线性较好，量程较大，使用比较广泛。量程较大，使用比较广泛。3. 螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单易于制作和批量生产，是使用

17、最广泛单易于制作和批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。的一种电感式传感器。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用22(1)变压器电桥变压器电桥输出空载电压输出空载电压 2121121022ZZZZuuZZZuu衔铁偏离中间零点时衔铁偏离中间零点时 ，、ZZZZZZ21)/()2/(0ZZuu初始平衡状态，初始平衡状态，Z1=Z2=Z, u0=0（二）测量电路（二）测量电路u0z2z1u/2u/2u第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用23由图可以看出，当衔铁处于中间位置（由图可以看出，当衔铁处于中间位置（x=0）时，由于交流电桥）时，由于交

18、流电桥很难达到绝对平衡，所以桥路输出电压并不为零，而有很难达到绝对平衡，所以桥路输出电压并不为零，而有零点残零点残余电压余电压存在。存在。 零点残余电压的产生，主要是由于两个差动电感线圈绕制不均零点残余电压的产生，主要是由于两个差动电感线圈绕制不均匀、上下磁路不完全对称以及磁性材料特性不完全一致等原因匀、上下磁路不完全对称以及磁性材料特性不完全一致等原因造成的。另外，还有激励电压中含有的高次谐波的成分。造成的。另外，还有激励电压中含有的高次谐波的成分。传感器衔铁移动方向相反时传感器衔铁移动方向相反时 12ZZZZZZ、空载输出电压空载输出电压 )/()2/(0ZZuu只能确定只能确定衔铁位移的

19、大小，不能判断位移的方向。衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。为了判断位移的方向，为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相敏整流电路。要在后续电路中配置相敏整流电路。 上图中，虚线表示输出电压与衔铁位移之间的理想特性曲上图中，虚线表示输出电压与衔铁位移之间的理想特性曲线，实线所示为实际特性。线，实线所示为实际特性。 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用24ABCD(2)相敏整流电路相敏整流电路电路作用：电路作用：辨别衔铁位移方向。辨别衔铁位移方向。 U0的大小反映位移的大小，的大小反映位移的大小，U0的极性反映位移的方向。的极性反映位移的方向。消除零点残余电压。消除零

20、点残余电压。使使x=0时，时，U0=0。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用25相敏检波相敏检波输出特性曲线输出特性曲线a）非相敏检波）非相敏检波 b）相敏检波）相敏检波1理想特性曲线理想特性曲线 2实际特性曲线实际特性曲线 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用26实测得到的相敏检波实测得到的相敏检波电路的特性曲线电路的特性曲线 通过调零通过调零电路，可使输电路，可使输出曲线平移到出曲线平移到原点。原点。标定位移时的实验数据及曲线标定位移时的实验数据及曲线第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用27(3) 谐振式调幅电路

21、电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用28(4)调频电路传感器自感变化将引起输出电压频率的变化 GCLf灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合 )/()2/(4/)(2/3LLfLCLCfLf0LCf2/1第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用29(5)调相电路 传感器电感变化将引起输出电压相位变化 )/(tg21RLLLRLRL)/(1)/(22第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用304.自感传感器的灵敏度 传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度 xLLkt/

22、)/()/(0LLukc总灵敏度 xukkkctz/0第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用31第一项决定于传感器的类型第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小第三项决定于供电电压的大小 气隙型、变压器电桥 传感器 2)()(12220uLRLkz传感器灵敏度的单位为 mV/(mV)电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用321. 自感式位移传感器自感式位移传感器1 传感器引线 2 铁心套筒 3 磁芯 4 电 感 线 圈 5 弹 簧 6

23、 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测 杆 9 密封件 10玛瑙测端 自感式传感器应用举例自感式传感器应用举例第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用33变隙式自感压力传感器结构图变隙式自感压力传感器结构图2、自感式压力传感器、自感式压力传感器uiPLij L 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用340( /2) (/)uuZ Z敏感元件：敏感元件：C形弹簧管形弹簧管转换元件：差动变隙自转换元件：差动变隙自 感传感器感传感器转换电路：变压器电桥转换电路：变压器电桥3、变气隙差动式电感压力传感器、变气隙差动式电感压力传感器第三章第三章 变电抗式传感器

24、原理与应用变电抗式传感器原理与应用35 它是根据变压器的基本原理制成的。它是根据变压器的基本原理制成的。次级绕组采用次级绕组采用差动形式连接差动形式连接, 故称故称差动变压器式传感器差动变压器式传感器。 其其工作原理工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测量是利用电磁感应中的互感现象，将被测量转换成线圈互感的变化。转换成线圈互感的变化。结构形式：结构形式：差动变压器结构有变隙式、差动变压器结构有变隙式、 变面积式和螺线变面积式和螺线管式等，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测管式等，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量量1100mm范围内的机械位移。范围内的机械位移。 3.2 差动

25、变压器差动变压器第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用36(e)、(f) 变面积式差动变压器变面积式差动变压器 (a)、(b) 变隙式差动变压器变隙式差动变压器(c)、(d) 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用37-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W1初级绕初级绕组；组；-匝数为匝数为W2a的次级绕组；的次级绕组；-匝数为匝数为W2b的次级绕组的次级绕组（一）结构原理（一）结构原理第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用38工作原理工作原理传感器由

26、初级线圈和两个参数传感器由初级线圈和两个参数完全相同的次级线圈组成。线完全相同的次级线圈组成。线圈中心插入圆柱形铁芯，两个圈中心插入圆柱形铁芯，两个次级线圈次级线圈反极性反极性串联。串联。衔铁处于中间位置衔铁处于中间位置1212outM = Me = eE= 0衔铁上移衔铁上移衔铁下移衔铁下移1222outM Me M eE0e第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用39L21e2r1M1e1M2L22e21e22*r21r22i1.1111UI =r + jL.2111.2212E= -jM IE= -jM I.22122.112E = E -E= -j(M -M )I

27、当衔铁在中间位置时，当衔铁在中间位置时，当衔铁向上移动当衔铁向上移动+x，当衔铁当衔铁向下移动向下移动-x ，12021222M = MMe= ee = 01020.2100.1M = M +MM = M -ME = -j(M +M-M +M)I= -j 2MI1020.2100.1M = M -MM = M +ME = -j(M -M-M -M)I= j 2MI输出特性输出特性第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用40副副0e2e2e21e22x副副原线圈原线圈差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。 差动变压器的输出特性差动变压器

28、的输出特性第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用41变隙式差动变压器 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。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用42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

29、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。0222baeeU0222baeeU1. 工作原理第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用43.输出特性 .112.2UWWUabab第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用44如果被测体带动衔铁移动 01122UWWU01122UWWUK变隙式差动变压器输出特性 理想特性； 实际特性第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用45结论： 供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度高灵敏度K值值

30、; 增加增加W2/W1的比值和减少的比值和减少0都能使灵敏度都能使灵敏度K值提高值提高; 以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得到的条件下得到的; 以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的，以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的，而实际上很难做到这一点而实际上很难做到这一点; 上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用46主要性能：（1）灵敏度差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单

31、位距离时的输出电压，以距离时的输出电压，以V/mm/V表示。表示。理想条件下，差动变压器的灵敏度理想条件下，差动变压器的灵敏度KE正比于电源激正比于电源激励频率励频率f .KE与f关系曲线第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用47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。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用48（2）线性度传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差传感器

32、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。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。材质，激励频率和负载状态等。 改善差动变压器的线性度改善差动变压器的线性度:取测量范围为线圈骨架长度取测量范围为线圈骨架长度的的1/10-1/4，激励频率采用中频，配用相敏检波式测量，激励频率采用中频，配用相敏检波式测量电路电路 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用49零点

33、残余电压及补偿电路零点残余电压及补偿电路1、零点残余电压、零点残余电压 当差动变压器的衔铁处于当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值个微小的电压值(从零点几从零点几mV到数十到数十mV)存在，称为存在，称为零点残零点残余电压余电压。0e2x-xe20如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区，并使测量造成误差。的存在造成零点附近的不灵敏区，并使测量造成误差。

34、第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用502、消除零点残压的方法、消除零点残压的方法 采用采用相敏检波电路相敏检波电路不仅可鉴不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由性曲线由1变到变到2，从而消除了零，从而消除了零点残余电压。点残余电压。1）选用合适的测量线路）选用合适的测量线路 e2+x-x210相敏检波后的输出特性相敏检波后的输出特性第三章第三章 变电抗式传感器原理与应

35、用变电抗式传感器原理与应用512、消除零点残压的方法、消除零点残压的方法 在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电压减小。件，当调整这些元件时，可使零点残余电压减小。 2）采用补偿线路）采用补偿线路 串联电阻补偿基波分量，并联电容补偿高次谐波。串联电阻补偿基波分量，并联电容补偿高次谐波。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用52（二）测量电路（二）测量电路1、差动相敏整流电路、差动相敏整流电路第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用53补充：补充： 相敏检波器相

36、敏检波器 被测量经传感器变换输出的电信号多为被测量经传感器变换输出的电信号多为低频缓变的微低频缓变的微弱信号弱信号，还往往有各种噪声信号。，还往往有各种噪声信号。 在将被测信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，在将被测信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为一过程称为解调解调。 调制调制就是用被测信号（称为调制信号）去控制载波信号，就是用被测信号（称为调制信号）去控制载波信号，让后者的某一特征参数按前者变化。让后者的某一特征参数按前者变化。 为了将测量信号从含有噪声的信号中分

37、离出来，往往为了将测量信号从含有噪声的信号中分离出来，往往给被测信号赋予一定特征给被测信号赋予一定特征调制的主要功用调制的主要功用。1、调制和解调的概念、调制和解调的概念第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用541)目的：目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题，提解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题，提高被测信号抗干扰能力。高被测信号抗干扰能力。2)常用的调制方法常用的调制方法载波信号为高频正弦信号（幅值、频率、相位）载波信号为高频正弦信号（幅值、频率、相位）,即即调调幅、调频和调相幅、调频和调相；载波信号为脉冲信号（宽度等），即载波信号为脉冲信号（宽度等）

38、，即脉冲调宽脉冲调宽。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用55对应于正弦信号的三要素：对应于正弦信号的三要素：幅值幅值、频率频率和和相位相位，调制可分为，调制可分为调幅调幅AM、调频调频FM和和调相调相PM；其波形分别称为调幅波、调；其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。频波和调相波。载波载波调制信号调制信号调幅波调幅波调频波调频波第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用562、 交流电桥的调幅作用交流电桥的调幅作用用交流电源激励的交流电桥输出信号是一个频率和相位与用交流电源激励的交流电桥输出信号是一个频率和相位与激励源相同，幅度受桥臂变化信号调

39、制的双边带调幅波。激励源相同，幅度受桥臂变化信号调制的双边带调幅波。如下图所示，设桥臂变化信号为如下图所示，设桥臂变化信号为R=R（t），）， 激励电源电激励电源电压为压为ui=uimcos(t+)， 则电桥输出电压为则电桥输出电压为 uo=KR（t）uimcos(t+)=uomcos(t+) 式中，式中，K为接法系数。当为接法系数。当R1=R2=R3=R4时，时， 半桥单臂接法半桥单臂接法K=1/（4R0），半桥差动接法），半桥差动接法K=1/（2R0），全桥接法），全桥接法K=1/R0；uom=KuimR（t），为输出电压幅值。），为输出电压幅值。 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变

40、电抗式传感器原理与应用57交流电桥的调幅特性交流电桥的调幅特性 uo=KR（t）uimcos(t+)=uomcos(t+) 式中，式中，K为接法系数。当为接法系数。当R1=R2=R3=R4时，时， 半桥单臂接法半桥单臂接法K=1/（4R0），半桥差动接法），半桥差动接法K=1/（2R0），全桥接法），全桥接法K=1/R0；uom=KuimR（t），为输出电压幅值。），为输出电压幅值。 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用583、 相敏检波电路相敏检波电路 相敏检波电路相敏检波电路(与滤波器配合与滤波器配合)可以将调幅波还原成原信号可以将调幅波还原成原信号波形，起波形，

41、起解调解调作用；并具有作用；并具有鉴别信号相位鉴别信号相位的能力。的能力。 1）二极管相敏检波电路）二极管相敏检波电路下图为二极管相敏检波电路的一般形式。下图为二极管相敏检波电路的一般形式。 它由四个二极管它由四个二极管顺向串联成一个闭合回路，顺向串联成一个闭合回路， 四个端点分别接变压器四个端点分别接变压器T1、T2的二的二次侧。次侧。T1、T2均有中心抽头，输出检波后的信号接至负载。均有中心抽头，输出检波后的信号接至负载。 T1的一次侧输入调幅波的一次侧输入调幅波ui，T2的一次侧输入参考电压的一次侧输入参考电压ur，ur 可直可直接取自载波，它与接取自载波，它与ui频率相同，相位相同或相

42、反，比频率相同，相位相同或相反，比ui幅度大幅度大35倍。变压器的极性标定如图中所示。倍。变压器的极性标定如图中所示。 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用59二极管相敏检波电路的一般形式二极管相敏检波电路的一般形式 *ABCD第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用60二极管相敏检波电路的工作原理分析如下：二极管相敏检波电路的工作原理分析如下：（1）当调制信号为正时，）当调制信号为正时，ui与载波相位相同，故与载波相位相同，故ur与与ui相相位也相同。位也相同。 在在ui的正半周时，的正半周时，ur给二极管给二极管VD3、VD4正向偏置使之导正

43、向偏置使之导通，给通，给VD1、VD2反向偏置使之截止。输入调幅信号反向偏置使之截止。输入调幅信号ui经经T1二次二次侧的下半边输出侧的下半边输出uy/2并经并经VD3、T2二次侧的右半边和电流表构成二次侧的右半边和电流表构成回路，电流方向为上正下负，回路，电流方向为上正下负， 并设其为正方向。并设其为正方向。 在在ui的负半周时，的负半周时，ur使使VD3、VD4截止，截止，VD1、VD2导通。导通。 输入调幅信号输入调幅信号ui经经T1二次侧的上半边输出二次侧的上半边输出uy/2并经并经VD1、T2二次二次侧的左半边和电流表构成回路，电流方向为正。侧的左半边和电流表构成回路，电流方向为正。

44、 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用61（2） 当调制信号为负时，当调制信号为负时，ui与载波相位相反，故与载波相位相反，故ur与与ui相位也相反。相位也相反。 在在ui的正半周时，的正半周时， ur为负，为负， 电流经电流经T1二次侧的上半边、二次侧的上半边、 VD2、 T2二次侧的右半边，二次侧的右半边， 方向为负。方向为负。 在在ui的负半周时，的负半周时，ur为正，电流经为正，电流经T1二次侧的下半边、二次侧的下半边、 VD4、T2二次侧的左半边，二次侧的左半边， 方向为负。方向为负。 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用62第三章

45、第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用632） 运算放大器组成的相敏检波电路运算放大器组成的相敏检波电路第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用642、差动整流电路、差动整流电路全波整流电路和波形图全波整流电路和波形图第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用65（三）差动变压器式传感器特点：（三）差动变压器式传感器特点： 精度高精度高(0.1m 数量级，最高可达数量级，最高可达0.01m )，高精度型非，高精度型非线性误差可达线性误差可达0.1% 线性范围大（可达线性范围大（可达100mm） 稳定性好，结构简单，使用方便稳定性好，结

46、构简单，使用方便 因包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态参因包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态参量。量。 广泛应用于直线位移，或能转换为位移变化的压力、广泛应用于直线位移，或能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量。重量等参数的测量。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用66（四）（四） 差动变压器应用举例差动变压器应用举例 1. 测量位移测量位移总行程： 100mm 线性度：0.15% 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用67下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器 测头测头测杆测

47、杆电感电感线圈线圈磁芯磁芯 1. 测量位移测量位移（四）（四） 差动变压器应用举例差动变压器应用举例第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用68 2. 板厚的测量板厚的测量 （四）（四） 差动变压器应用举例差动变压器应用举例第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用69 3. 测量力或压力测量力或压力（四）（四） 差动变压器应用举例差动变压器应用举例第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用70如图所示是采用了电如图所示是采用了电感式传感器的沉筒式液位感式传感器的沉筒式液位计。计。由于液位的变化，沉由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产

48、生变化，筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变成衔铁的位这一变化转变成衔铁的位移，从而改变了差动变压移，从而改变了差动变压器的输出电压器的输出电压，这个输出，这个输出值反映了液位的变化值。值反映了液位的变化值。沉筒式液位计沉筒式液位计 4.沉筒式液位计沉筒式液位计第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用71 1汽缸；2活塞；3推杆；4被测滚柱；5落料管；6电感测微仪；7钨钢测头；8限位挡板；9电磁翻板；10容器（料斗）图 滚柱直径分选装置 5. 滚轴直径分选装置滚轴直径分选装置第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用72(a)加速度a方向11 6. 测

49、量振动测量振动1 弹性支承弹性支承 2 差动变压器差动变压器（四）（四） 差动变压器应用举例差动变压器应用举例2由悬臂梁和差动变压器构成。由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而变压器的线圈骨架固定，而将将衔铁的下端与被测振动体相连，衔铁的下端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。转变为位移的测量。当被测体当被测体带动衔铁以带动衔铁以x(t)振动时，导致振动时，导致差动变压器的输出

50、电压也按相差动变压器的输出电压也按相同规律变化。同规律变化。 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用73电涡流效应演示电涡流效应演示 3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 涡流效应：涡流效应：将金属导体置于变化将金属导体置于变化着的磁场中，或令其在磁场中做着的磁场中，或令其在磁场中做切割磁力线运动，则金属导体内切割磁力线运动，则金属导体内就会产生感应电流，该电流在金就会产生感应电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈漩涡状，属体内自行闭合，并呈漩涡状，所以称之为所以称之为电涡流电涡流或或涡流涡流。这种。这种现象就称为现象就称为涡流效应涡流效应。一、工作原理一、工作原理 电涡

51、流的产生必然要消耗一部分磁场能量，进而改变激电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，进而改变激励线圈阻抗。励线圈阻抗。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用74 测量方法：测量方法： 如果保持上式中其它参数不变，而只改变其如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现的变化量，即可实现对该参数的测量。对该参数的测量。 Z=F(,r,f,x) 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗传感器线圈

52、受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为的函数关系式为第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用75 由于涡流的由于涡流的集肤效应集肤效应，涡流传感器在金属体上产生的涡，涡流传感器在金属体上产生的涡流的渗透深度流的渗透深度h与传感器的激磁电流的频率与传感器的激磁电流的频率f有关，它们的关有关，它们的关系如下：系如下： h= 50.3f 因为涡流的大小及渗透深度均与激磁电流频率密切相关，因为涡流的大小及渗透深度均与激磁电流频率密切相关，所以可根据激磁电流的频率将涡流传感器分为所以可根据激磁电流的频率将涡流传感器分为高频反射式高频反射式和和低频透射式低频透射式两类。两类。第三章

53、第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用76（一）高频反射涡流传感器（一）高频反射涡流传感器 1. 工作原理工作原理 a)电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图 b)电涡流传感器等效电路图电涡流传感器等效电路图二、类型二、类型第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用77解之得解之得根据基尔霍夫定律，可列出电压平衡方程组根据基尔霍夫定律，可列出电压平衡方程组11112222210R IjL IjM IER IjL IjM I122222211222222222121212222222()()()()EIMMRRjLLRLRLM IML IjMR IIjRLRL

54、第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用78 可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为2222222122222221)()(LRMLLjLRMRRZ 线圈的等效电感为线圈的等效电感为22222221)( LRMLLL 线圈的等效电阻为线圈的等效电阻为22122222()MRRRRL第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用79 由前式可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，由前式可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数虚数部分减小，因此线圈的品质因数Q Q下降。下

55、降。 由前面的公式可知，线圈由前面的公式可知，线圈- -金属导体系统的阻抗、电感和品金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统质因数都是该系统互感系数平方互感系数平方的函数。的函数。而互感系数又是距而互感系数又是距离离x x的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，Z=fZ=f1 1(x)(x)、L=fL=f2 2(x)(x)、Q=fQ=f3 3(x)(x)都是非线性函数都是非线性函数。 但在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性函数但在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性函数来表示，于是在该范围内通过测量来表示，于是在该范围内通过测量

56、Z Z、L L或或Q Q的变化就可以线的变化就可以线性地获得位移的变化。性地获得位移的变化。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用80 主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。下图为内。下图为CZF1CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。 1234561 线圈线圈 2 框架框架

57、 3 衬套衬套4 支架支架 5 电缆电缆 6 插头插头 2. 结构形式结构形式第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用81CZF-1型传感器性能一览表型传感器性能一览表 第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用82（二）（二） 低频透射涡流传感器低频透射涡流传感器 这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。合于测量金属材料的厚度。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用83OEhf1f2f3 同一材料、不同频率下的同一材料、不同频率下的E=E=f f(

58、 (h h) )关系曲线如下图所示。关系曲线如下图所示。f1 f2 f3 线圈线圈L2的感应电压与被测厚度的的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，增大按负幂指数的规律减小， 为了为了较好地进行厚度测量，激励频率应较好地进行厚度测量，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利进行厚度测量，于被测厚度，不利进行厚度测量，通常选通常选1kHz左右。左右。 一般地，测薄金属板时，频率应略高些，测厚金属板时，一般地，测薄金属板时，频率应略高些，测厚金属板时，频率应低些。从而保证在测量不同材料时能得到较好的线频率应低些。从而保证在测量不同材料时能得到较

59、好的线性和灵敏度。性和灵敏度。第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用841）电桥法）电桥法图中图中A、B为传感器线圈，它为传感器线圈，它们与电容们与电容C1、C2，电阻电阻R1、R2组成电桥的四个臂。当组成电桥的四个臂。当传感器线圈的阻抗变化时，传感器线圈的阻抗变化时，电桥失去平衡。电桥的不平电桥失去平衡。电桥的不平衡输出经线性放大和检波，衡输出经线性放大和检波，这种方法电路简单，主要用这种方法电路简单，主要用在差动式电涡流传感器中。在差动式电涡流传感器中。三、测量电路三、测量电路第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用852）谐振法）谐振法传感器

60、线圈传感器线圈L与电容与电容C 共同组成并联谐振回路，谐振频率为：共同组成并联谐振回路，谐振频率为：1f =2 LC 线圈等效电感改变，必然导致回路阻抗或谐振频率变线圈等效电感改变，必然导致回路阻抗或谐振频率变化，从而可间接测量被测参数，对应测量电路：化，从而可间接测量被测参数，对应测量电路： 调幅电路调幅电路 调频电路调频电路第三章第三章 变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器原理与应用86 调幅电路调幅电路传感器由振荡器提供高频电源，当传感器谐振频率与电源传感器由振荡器提供高频电源，当传感器谐振频率与电源频率相同时，输出电压频率相同时，输出电压u最大。最大。第三章第三章 变电抗式传感器原理