传感器第3章.

1、普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材传传 感感 器器（第第5版）版）第一节第一节 工作原理工作原理第二节第二节 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度第三节第三节 零点残余电压零点残余电压第四节第四节 应用举例应用举例第五节第五节 电涡流式传感器电涡流式传感器第六节第六节 压磁式传感器压磁式传感器第七节第七节 感应同步器感应同步器第三章第三章 电感式传感器电感式传感器普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材返回主目录返回主目录第三章第三章 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量（自电感

2、式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量（自感或互感）的一种装置。可用来测位移、压力、振动等多种非电量，既可感或互感）的一种装置。可用来测位移、压力、振动等多种非电量，既可用于静态测量，又可用于动态测量。用于静态测量，又可用于动态测量。优点优点：结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对：结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、分辨力较高工作环境要求不高、分辨力较高(如在测量长度时一般可达如在测量长度时一般可达0.1m)、示值误、示值误差一般为示值范围的差一般为示值范围的0.1%0.5%、稳定性好。、稳定性好。缺点缺点：频率响应低，不宜用

3、于快速测量。此外，利用电涡流原理的电：频率响应低，不宜用于快速测量。此外，利用电涡流原理的电涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器，利用平面绕组互感原理的涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器，利用平面绕组互感原理的感应同步器等，亦属此类。感应同步器等，亦属此类。第三章第三章 电感式传感器电感式传感器第一节第一节 工作原理工作原理在图在图3-1a、b中，尽管在铁心中，尽管在铁心与衔铁之间有一个空气隙，但由与衔铁之间有一个空气隙，但由于其值不大，所以磁路于其值不大，所以磁路(图中点划图中点划线表示磁路线表示磁路)是封闭的。根据磁路是封闭的。根据磁路的基本知识，线圈自感可按下式的基本知识，线圈

4、自感可按下式计算计算图图3-1自感式传感器原理图自感式传感器原理图a)气隙型气隙型b)截面型截面型c)螺管型螺管型1线圈线圈2铁心铁心3衔铁衔铁mRNL/2式中式中N线圈匝数；线圈匝数； Rm磁路总磁阻。磁路总磁阻。因为气隙厚度因为气隙厚度较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则由铁心磁阻和空气隙磁阻组成的总磁阻为则由铁心磁阻和空气隙磁阻组成的总磁阻为式中式中 li各段导磁体的长度；各段导磁体的长度； i各段导磁体的磁导率；各段导磁体的磁导率； S i各段导磁体的截面积；各段导磁体的截面积； 空气隙的厚度；空气隙的厚度； 0 真空磁导率

5、，真空磁导率，0 =410-7H/m； S 空气隙截面积（图空气隙截面积（图3-1b中，中，S= ab）。）。将将Rm代入上式可得代入上式可得SSlRiiim02SSlNLiii022第一节第一节 工作原理工作原理 图图3-2 互感原理图互感原理图互感式互感式传感器的工作原理如图传感器的工作原理如图3-2所示。设在磁所示。设在磁芯上绕有两个线圈芯上绕有两个线圈N1、N2，则当匝数为，则当匝数为N1的一次线的一次线圈通入激励电流圈通入激励电流 时它将产生磁通时它将产生磁通 (线圈线圈N1所链磁通所链磁通)，其中将有一部分磁通其中将有一部分磁通 穿过匝数为穿过匝数为N2的二次线圈，从的二次线圈，从

6、而在线圈而在线圈N2中产生互感电动势中产生互感电动势 ，其表达式为，其表达式为 式中式中 穿过穿过N2的磁链，的磁链， M线圈线圈N1对对N2的互感系数，的互感系数， 。tIMtEdddd11212112ddIM第一节第一节 工作原理工作原理设设 ，其中，其中I1M为电流模量，为电流模量，为电源角频率，则为电源角频率，则 ， 因为因为 ，其中，其中 为激励电压，为激励电压，R1为一次线圈的有效电阻，为一次线圈的有效电阻，L1为一次线圈的电感，则二次线圈开路输出电压为一次线圈的电感，则二次线圈开路输出电压 及其有效值为及其有效值为结论：输出电压信号将随互感变化而变化。结论：输出电压信号将随互感变

7、化而变化。tMIIj11etMItIj1ejdd1jIME)j(111LRUIUoU)j(j11oLRUMEU2121o)(LRMUU第一节第一节 工作原理工作原理一、转换电路一、转换电路把传感器的自感把传感器的自感(或互感或互感)接入不同的转换电路后，原则上可将其转换成接入不同的转换电路后，原则上可将其转换成电压电压(电流电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。在自感式传感器中，调幅电路用得较多，调频、调相电路用得较少。路。在自感式传感器中，调幅电路用得较多，调频、调相电路用得较少。（一）调幅电路（交流电桥）（

8、一）调幅电路（交流电桥）图图3-3所示为变压器电桥，所示为变压器电桥，Z1、Z2为传感器为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次线圈两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次线圈的两半，每半的电压为的两半，每半的电压为u/2。输出空载电压为。输出空载电压为第二节第二节 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度2121121o22ZZZZuuZZZuu图图3-3 变压器电桥变压器电桥第三章第三章 电感式传感器电感式传感器在初始平衡状态，在初始平衡状态，Z1=Z2=Z，uo=0。当衔铁偏离中间零点时，。当衔铁偏离中间零点时，Z1=Z+Z、Z2=Z-Z，代入上式得，代入上式得传感器线圈的阻抗变

9、化传感器线圈的阻抗变化Z由损耗电阻变化由损耗电阻变化R及感抗变化及感抗变化L两部两部分组成，即分组成，即 。考虑到电感线圈。考虑到电感线圈的品质因数的品质因数Q=L/R，则代入式，则代入式(3-9)可得可得第二节第二节 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度)/()2/(oZZuu222)(2/ )(LRLLRRZ)(1)/11 (2)()(2222222222oRRQLLQuLLLRLRRLRRuu若忽略若忽略R/R，则，则若能设计成若能设计成L/L=R/R，或使其有较大的，或使其有较大的Q值，则上式为值，则上式为第二节第二节 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度LLQuLLL

10、RLuu)/11 (2)()(22222o)/()2/(oLLuu（二）调频电路（二）调频电路基本原理是传感器自感基本原理是传感器自感L的变化引起的变化引起输出电压频率输出电压频率f的变化。图中的变化。图中G表示振荡表示振荡回路，其振荡频率回路，其振荡频率 ，当，当L变化时，振荡频率随之变化，根据变化时，振荡频率随之变化，根据f的大的大小即可算出被测量。小即可算出被测量。当当L有了微小变化有了微小变化L后，频率变化后，频率变化f为为第二节第二节 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度)2(1LCf )/()2/()4/()(2/3LLfLCLCf图图3-5 调频电路调频电路（三）调相电路

11、（三）调相电路基本原理是传感器电感基本原理是传感器电感L变化会引起变化会引起输出电压相位输出电压相位j变化。变化。j与与L的关系为的关系为式中式中 电源角频率。电源角频率。在这种情况下，当在这种情况下，当L有了微小变化有了微小变化L后，输出电压相位变化后，输出电压相位变化为为第二节第二节 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度图图3-6 调相电路调相电路 )/arctan(2RLLLRLRL2)/(1)/(2二、传感器灵敏度二、传感器灵敏度自感传感器的灵敏度是指传感器结构自感传感器的灵敏度是指传感器结构(测头测头)和转换电路综合在一起的和转换电路综合在一起的总灵敏度。总灵敏度。传感器结构

12、灵敏度传感器结构灵敏度kt定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即移之比，即转换电路的灵敏度转换电路的灵敏度kc定义为空载输出电压定义为空载输出电压uo与自感相对变化之比，即与自感相对变化之比，即总灵敏度为总灵敏度为第二节第二节 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度xLLkt/ )/()/(oLLukcxukkkctZ/o当两线圈的阻抗相等（即当两线圈的阻抗相等（即Z1=Z2）时，电桥平衡，输出电压为零。由）时，电桥平衡，输出电压为零。由于传感器阻抗是一个复数阻抗，有感抗也有阻抗，为了达到电桥平衡，就于传感器阻抗是一个复数阻抗，有感

13、抗也有阻抗，为了达到电桥平衡，就要求两线圈的电阻要求两线圈的电阻R相等，两线圈的电感相等，两线圈的电感L相等。实际上，这种情况是难相等。实际上，这种情况是难以精确达到的，就是说不易达到电桥的绝对平衡。以精确达到的，就是说不易达到电桥的绝对平衡。第三节第三节 零点残余电压零点残余电压 若画出衔铁位移若画出衔铁位移x与电桥输出电压与电桥输出电压Uo有效值的关系曲线，则如图有效值的关系曲线，则如图3-8所示，虚所示，虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压，

14、这个最小的输出电压称为零点残余电压，并用并用e0表示。表示。图图3-8 Uo-x 特性曲线图特性曲线图 第三章第三章 电感式传感器电感式传感器为了尽可能地减少零残电压，主要措施：为了尽可能地减少零残电压，主要措施：设计时应使上、下磁路对称；设计时应使上、下磁路对称；制造时应使上下磁性材料特性一致，磁筒、磁盖、磁芯要配套挑选，制造时应使上下磁性材料特性一致，磁筒、磁盖、磁芯要配套挑选，线圈排列要均匀，松紧要一致，最好每层的匝数都相等。至于匝间电容，线圈排列要均匀，松紧要一致，最好每层的匝数都相等。至于匝间电容，其值较小，在高频时要考虑，在音频范围内关系不大。其值较小，在高频时要考虑，在音频范围内

15、关系不大。第三节第三节 零点残余电压零点残余电压第四节第四节 应应 用用 举举 例例图图3-15 压力传感器压力传感器 3-16 加速度计用传感器加速度计用传感器图图3-14 线位移传感器线位移传感器第三章第三章 电感式传感器电感式传感器一、工作原理一、工作原理金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。为涡流效应。第五节第五节 电涡流式传感器电涡流式传感器图图3-17 涡流作用原

16、理涡流作用原理线圈与金属导体之间可以定义一个线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数互感系数M，它将随着间距，它将随着间距x的减少而的减少而增大。根据基尔霍夫定律，可列出方程增大。根据基尔霍夫定律，可列出方程UIMILIR21111jj0jj12222IMILIR第三章第三章 电感式传感器电感式传感器解之得解之得式中式中R1、L1线圈的电阻和电感；线圈的电阻和电感； R2、L2金属导体的电阻和电感；金属导体的电阻和电感； 线圈激励电压。线圈激励电压。第五节第五节 电涡流式传感器电涡流式传感器122222222)(jILRMRMLIU第五节第五节 电涡流式传感器电涡流式传感器二、转换电路二、转换电

17、路（一）（一） 电桥电路法电桥电路法当传感器线圈的阻抗变化时，当传感器线圈的阻抗变化时，电桥失去平衡。电桥的不平衡输电桥失去平衡。电桥的不平衡输出经线性放大和检波，这种方法出经线性放大和检波，这种方法电路简单，主要用在差动式电涡电路简单，主要用在差动式电涡流传感器中。流传感器中。图图3-18 电桥法原理图电桥法原理图第五节第五节 电涡流式传感器电涡流式传感器（二）谐振电路法（二）谐振电路法谐振电路法是把传感器线圈与固定电容谐振电路法是把传感器线圈与固定电容C并联组成并联组成LC并联谐振并联谐振回路。而并联谐振回路的谐振频率为回路。而并联谐振回路的谐振频率为 1调幅法调幅法LCf210传感器线圈

18、与电容组成传感器线圈与电容组成LC并联谐并联谐振回路。它由石英振荡器输出的高频振回路。它由石英振荡器输出的高频信号激励，它的输出电压为信号激励，它的输出电压为式中式中 i0高频激励电流；高频激励电流； ZLC回路的阻抗。回路的阻抗。)(0ZFiu 图图3-19 调幅法原理图调幅法原理图第五节第五节 电涡流式传感器电涡流式传感器2调频法调频法这种方法与调幅法不同之处是取这种方法与调幅法不同之处是取LC回路的谐振频率作为输出量，回路的谐振频率作为输出量，此频率可以用频率计直接测量。也可以通过频率此频率可以用频率计直接测量。也可以通过频率-电压转换测量电电压转换测量电压值。压值。图图3-20 调频法

19、测量电路原理框图调频法测量电路原理框图第五节第五节 电涡流式传感器电涡流式传感器（三）正反馈法（三）正反馈法放大器的反馈回路是由电涡流传感器的线圈组成。放大器的反馈回路是由电涡流传感器的线圈组成。图图3-21 正反馈电路原理图正反馈电路原理图Zr基准线圈基准线圈 Zs电涡流线圈电涡流线圈 D测量距离测量距离第五节第五节 电涡流式传感器电涡流式传感器三、三、低频透射涡流传感器低频透射涡流传感器若将激励频率减低，涡流的贯穿深度将加厚，可做成低频透射若将激励频率减低，涡流的贯穿深度将加厚，可做成低频透射传感器。传感器。图图3-22 低频透射涡流测厚原低频透射涡流测厚原第五节第五节 电涡流式传感器电涡

20、流式传感器特点特点结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强。结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强。应用应用利用位移利用位移x作为变换量，也可以是被测量位移、厚度、振幅、振作为变换量，也可以是被测量位移、厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；利用材料电阻率利用材料电阻率作为变换量，可以做成测量温度、材质判别等作为变换量，可以做成测量温度、材质判别等传感器；传感器；利用磁导率利用磁导率作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；利用变换量利用变换量x、等的综合影响，可以做成探伤装置等。等的综合影响，可以做成探伤装置等。第五节第五节 电涡流式传感器