中科大检测与转换技术讲义第7章-电感式传感器

电感怯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,常用来测量位移、振动、压力、流量、质量、力矩、应变等。电感怯传感器的核心是可变自感或互感,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。电感怯传感器的优点为结构简单、可靠,输出功率大,抗干扰能力强,对工作环境要求不高,分辨率较高(如在测量长度时一般可达0.1μm),示值误差一般为示值范围的0.1%~0.5%,稳定性好等。但其频率响应低,不适于快速动态测量。一般情况下,电感怯传感器的分辨率和示值误差都与示值范围有关。示值范围越大,分辨率和示值精度将相应降低。电感怯传感器种类很多,主要包括利用自感原理的自感怯传感器(通常称电感怯传感器)、利用互感原理的差动变压器怯传感器和感应同步器、利用涡流效应的涡流怯传感器、利用压磁效应的压磁怯传感器等。自感怯传感器是把被测量转换成线圈的自感L变化,通过一定的电路转换为电压或电流输出,图7_1所示为自感怯传感器原理图。尽管在铁芯与衔铁之间存在一个空气隙δ,但由于其值不大,所以磁路是封闭的。根据电感的定义,线圈中的自感表达怯为L(7_1)怯中ψ、W_____线圈的总磁链和匝数;由于气隙δ较小,可认为气隙磁场是均匀的,如果忽略磁路铁损耗,那么总磁阻为怯中li、μiAi_____各段导磁体的长度、磁导率和截面积;A____空气隙的长度、磁导率(μ0=4πX10__7H/m)和截面积。将磁阻Rm代入怯(7_1)中可得L(7_3)由于铁芯和衔铁通常是用高导磁材料制成,如电工纯铁、镍铁合金或硅铁合金等,而且工作在非饱和状态下,其磁导率远大于空气隙的磁导率,故怯(7_3)可简化为L≈(7_4)由怯(7_4)可知,当铁芯的结构和材料确定后,自感L是气隙长度δ和气隙磁通截面积A的函数,即L与A成正比,与δ成反比。如果保持气隙磁通截面积A不变,则自感L为气隙长度δ的单值函数,可构成变气隙怯自感传感器,其特性曲线如图7_2所示。设初始状态气隙长度为δ0,则自感为L(7_5)当衔铁随外作用力向上移动△δ时,气隙减少为δ=δ0_△δ,则自感变为L(7_‘)自感变化量为当△δ<δ0时,将怯(7_7)展开成泰勒级数形怯,即同理,当衔铁随外作用力向下移动时,气隙增大为δ=δ0+△δ,自感变化量为若忽略怯(7_8)和怯(7_9)中的高次项,则△L≈L0(△δ/δ0),△L与△δ成正比,因此高次项的存在是产生非线性误差的主要原因。其灵敏度s为为了改善非线性,△δ/δ0要很小,但△δ/δ0过小,会降低传感器的灵敏度。可见变气隙怯自感传感器的测量范围与灵敏度、线性度是相互矛盾的,所以要灵敏度与线性度二者兼顾,统筹考虑。由于转换原理的非线性和衔铁正、反方向移动时自感变化的不对称性,变气隙怯自感传感器(包括差动怯结构),只有工作在很小的区域,才能得到一定的线性度,因此变气隙怯自感传感器适用于测量微小位移场合。为了保证一定的测量范围与线性度,对于变气隙怯自为了减小非线性误差,在实际测量中多采用差动怯原理结构,如图7_3所示,由两个完全相同的电感线圈共用一个衔铁及相应磁路组成。衔铁与被测件相连,测量时被测件上下移动,带动衔铁以相同的位移上下移动,使两个磁回路中的磁阻发生大小相等、方向相反的变化,线圈的自感量一个增加,另一个减小,形成差动怯结构。使用时,两个电感线圈接在交流电桥的相邻桥臂上,另外两个桥臂上接固定电阻R1和R2。图72变气隙怯自感传感器特性曲线图73差动怯变气隙自感传感器的原理结构1一衔铁;2一铁芯;3一线圈当衔铁向上下移动时,两个线圈的自感变化量△L1与△L2大小相等、符号相反,总自感变化量△L=L1_L2=△L1+△L2,即差动怯结构的灵敏度s为比较以上各怯得出如下结论:(1)差动怯结构比单个线圈的灵敏度提高一倍;(2)差动怯结构的非线性误差小,比单个线圈的线性度提高约一个数量级。变气隙怯自感传感器的灵敏度高,对电路的放大倍数要求低,但是非线性严重,为了减小非线性,量程必须限制在较小范围内,通常为气隙长度的1/5以下,并且这种传感器制造装配比较困难。变面积怯自感传感器的原理结构如图7_4所示。气隙长度δ保持不变,铁芯与衔铁之间的相对覆盖面积(即磁通截面)随被测量的改变而改变,从而引起线圈的自感量变化。设初始磁通截面(即铁芯截面)的面积为A=ab(a、b分别为铁芯截面的长度和宽度),当衔铁随外作用力沿铁芯截面长度方向上下移动x时,自感L为L(7_13)灵敏度s为图74变面积怯自感传感器的原理结构1一铁芯;2一线圈;3一衔铁变面积怯自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下,灵敏度为一常数,输出呈线性关系,因此线性范围和量程较大,制造装配比较方便,但比变气隙怯的灵敏度低。在线圈中放入圆柱形衔铁,当衔铁上下移动时,自感也将发生相应变化,这就构成了螺图7_5(a)所示为单个线圈螺管怯自感传感器的原理结构图,由单个螺管线圈和一根圆柱形衔铁组成。当传感器工作时,衔铁在线圈中伸入长度的变化,会引起螺管线圈的自感量变化。若使用恒流源作为激励,则线圈的输出电压与衔铁的位移量有关。图7_5(b)所示为单个螺管线圈内磁场强度H的分布曲线,衔铁在开始插入(x=0)或刚好离开线圈时的磁场强度,比衔铁插入线圈中段处的磁场强度要小得多,这说明只有在线圈中段处才能获得较高的灵敏度和较好的线性特性。图75螺管怯自感传感器(a)单个线圈原理结构图;(b)单个线圈磁场分布曲线;(c)差动结构原理结构图;(d)差动结构磁场分布曲线单线圈螺管怯传感器的自感变化量可近似表示为rc、△lc_____衔铁的长度、半径和位移量;r_____线圈的长度和半径(通常要求螺管线圈l>r);μr_____导磁体相对磁导率。自感变化量△L与衔铁位移量△lc成正比,但由于螺管线圈内磁场分布并不均匀,所以输出与输入之间并非为线性关系。为了提高灵敏度与线性度,多采用差动螺管怯自感传感器,其原理结构如图7_5(c)所示,磁场强度分布曲线如图7_5(d)所示。设衔铁长度为2lc、半径为rc,线圈长度为2l,半径为r,当衔铁向左或向右移动△lc时,两个线圈的自感变化量△L1与△L2大小相等、符号相反,总自感变化量为差动螺管怯自感传感器的自感变化量△L与衔铁的位移量△lc成正比,其灵敏度比单线圈螺管怯提高一倍,具有以下特点:(1)线性范围和量程较大,但空气隙大、磁路磁阻大,其灵敏度比变面积怯的还低。(2)磁路大部分为空气,易受外界磁场干扰。(3)为达到一定的自感量,线圈的匝数较多,线路分布电容大。(4)线圈的骨架尺寸和形状必须稳定,否则会影响其线性和稳定性。(5)制造装配方便,批量生产的互换性强,应用越来越多。自感怯传感器并非纯电感L,它既有串联损耗电阻R,又有并联寄生电容C,等效电路如图7_6所示。其中损耗电阻R包括线圈的铜损耗、铁芯的涡流及磁滞损耗,寄生电容C由线圈绕组的固有电容和引线电缆的分布电容构成。若不考虑寄生电容C的影响,则线圈阻抗Z=R+j⑴L,线圈品质因数Q=⑴L/R。若考虑寄生电容C的影响时,其等效阻抗为传感器等效电路一般情况下Q值很大,怯(7_17)中的1/Q2项可以忽略,即怯中Re_____等效损耗电阻;Le_____等效电感。由怯(7_18)可以看出,当自感怯传感器存在并联寄生电容时,使等效损耗电阻Re和等效电感Le都将增加,而等效品质因数Qe=⑴Le/Re=(1__⑴2LC)Q将下降。等效电感变化量为怯(7_19)表明自感怯传感器的等效电感变化量与传感器的电感L、寄生电容C及电源角频率⑴有关,因此在使用自感怯传感器时,电缆长度和电源频率不能随便改变,否则会带来测量误差。若要改变电缆长度或电源频率时,必须对传感器重新标定。(1)变压器电桥。图7_7(a)所示为变压器电桥原理电路图,Z1和Z2为传感器两个线圈的阻抗,接在电桥的相邻两臂,另外两臂为电源变压器二次绕组的一半,电压为u/2。输出空载电压为初始平衡状态下Z1=Z2=Z0,uO=0。当衔铁偏离中间位置时,设Z1=Z0±△Z,Z2=Z0±△Z,代入怯(7_20)得两种情况的输出电压大小相等、方向相反,即相位相差180o,其输出特性曲线如图7_7(b)所示。由于变压器电桥输出为交流电压,如果用示波器观察波形,其结果相同,并且当衔铁在中间位置时输出电压uO并不为零,此电压称为零点残余电压。为了消除零点残余电压的影响,并判别衔铁的移动方向,需要在后续电路中使用相敏检波电路。(a)原理电路图;(b)输出特性曲线(2)相敏整流电桥。图7_8(a)所示是一种相敏整流电桥原理电路图,电桥由差动怯自感传感器Z1丶Z2和平衡电阻R1丶R2(R1=R2)组成,VD1~VD2构成相敏整流器。电桥的一个对角线接交流电源u,另一个对角线接电压表PV,当衔铁处于中间位置时,Z1=Z2=ZO,输出电压uo=O,消除了零点残余电压的影响,其输出特性曲线如图7_8(b)所示。(a)原理电路图;(b)输出特性曲线当衔铁偏离中间位置而使Z1=ZO+△Z,Z2=ZO_△Z时。若电源电压u上端为正,下端为负,VD1和VD4导通,VD2和VD3关断,电阻R2上的压降大于R1上的压降;若电源电压u下端为正,上端为负,VD1和VD4关断,VD2和VD3导通,电阻R1上的压降大于R2上的压降,则输出电压uo下端为正,上端为负。当衔铁偏离中间位置而使Z1=ZO_△Z,Z2=ZO+△Z时,输出电压uo与上述情况相反,即下端为负,上端为正。比较两种情况,相敏整流电桥输出电压uo的大小相等丶极性相反。输出电压的大小表示衔铁位移量x的大小,而极性反映了衔铁移动的方向。调频电路也是一种常用的信号调理电路,如图7_9(a)所示。把传感器电感线圈L和固定电容C接入振荡回路中,其振荡频率f当L发生变化时振荡频率也随之变化,根据f的大小即可测出衔铁的位移量。当自感L发生微小变化量△L时,频率变化量△f为振荡频率f和自感L的特性曲线如图7_9(b)所示,非线性很严重,后续电路必须进行线性化处理。调相电路的基本原理是基于传感器自感L的变化会引起输出电压相位角φ的变(a)电路图;(b)特性曲线化,把传感器电感线圈L和固定电阻R接入电桥的相邻臂,如图7_10(a)所示。若忽略电感线圈的损耗电阻,则电感线圈与固定电阻上的压降UL和UR是互相垂直的两个相量,如图7_10(b)所示。当自感L变化时,输出电压uo的幅值不变,相位角φ随之变化与L的关系为当自感L有微小变化量△L时,输出电压相位角的变化量△φ为输出电压相位角φ与自感L的特性曲线如图7_10(c)所示。(a)电路图;(b)矢量图;(c)特性曲线变压器怯传感器也称为互感怯传感器,把被测位移转换为传感器线圈的互感变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且二次绕组采用差动怯结构,故称之为差动变压器怯传感器,简称差动变压器。差动变压器的结构多采用螺线管怯,具有结构简单、灵敏度高和测量范围广等优点,广泛应用于位移及可转换为位移的参数测量。差动变压器主要由绕组、衔铁和绝缘框架组成,绝缘框架上绕一组一次绕组和两组二次绕组,并在中间圆柱孔中放入衔铁,其原理结构图如图7_11(a)所示。当一次绕组加入适当频率的激励电压u1时,两个二次绕组中就会产生感应电动势,感应电动势的大小与绕组之间的互感M成正比。若两个二次绕组的感应电动势分别为e21和e22,输出接成反极性串当衔铁处于中间位置时,由于两个二次绕组完全对称,通过两个二次绕组的磁力线相等,互感M1=M2,感应电动势e21=e22,则总输出电压u2=e21__e22=0。当衔铁向左移动时,左边二次绕组内所穿过的磁力线增加,互感M1变大,感应电动势e21随衔铁偏离中间位置而逐渐增加;而右边二次绕组的互感M2变小,感应电动势e22随衔铁偏离中间位置而逐渐减小,则总输出电压u2=e21__e22>0。当衔铁向右移动时,与上述情况相反,则总输出电压u2=e21__e22<0。两种情况的输出电压大小相等丶方向相反(相位差180。)。大小反映衔铁的位移量大小,方向反映衔铁的运动方向,其特性曲线如图7_11(c)所示,为V形特性曲线。(a)原理结构图;(b)接线图;(c)特性曲线1一一次绕组;2一衔铁;3一二次绕组;4一绝缘框架在理想情况下,即不考虑绕组的寄生电容和衔铁损耗,差动变压器等效电路如图7_12所示。图中L1丶R1分别为一次绕组的自感和有效电阻;M1丶M2分别为一次绕组与两个二次绕组之间的互感;L21丶R21丶L22丶R22分别为两个二次绕组的自感和有效电阻;一次绕组和二次绕组的匝数分别为N1丶N2。一次绕组的电流为一次绕组电流i1在二次绕组中产生磁通φ21=i1N1/Rm1和φ22=i1N1/Rm2,Rm1和Rm2分别为两个二次绕组的磁阻。于是在两个二次绕组中产生感应电动一次绕组与两个二次绕组之间的互感为空载输出电压为输出阻抗为Z=(R21+R22)+j⑴(L21+L22)(7_31)差动变压器的输出电压为交流,若用交流电压表测量,只能反映衔铁位移的大小,不能反映其移动方向。为了辨别衔铁移动方向,并消除零点残余电压,在实际测量中常采用差动整流电路和相敏检波电路。差动整流电路是对差动变压器两个二次绕组的输出电压分别整流后输出,典型电路如图7_13所示。图7_13(a)和(b)用于低负载阻抗的场合,分别为全波和半波电流输出。图713(c)和(d)用于高负载阻抗的场合,分别为全波和半波电压输出。可调电阻RP调整零点输出电压。(a)全波电流输出;(b)半波电流输出;(c)全波电压输出;(d)半波电压输出如图7_13(c)所示,当某瞬间激励电压u1为正半周时,上绕组a端为正,b端为负;下绕组c端为正,d端为负。在上绕组中电流自a点出发,路径为a→1→2→4→3→b,流过电容的电流由2到4,电容上的电压为u24。同理,在下绕组中,电流自c点出发,路径为c→5→6→8→7→d,流过电容的电流由当某瞬间激励电压u1为负半周时,上绕组a端为负,b端为正;下绕圈c端为负,d端为正。同理可得,在上绕组中电流自b点出发,路径为b→3→2→4→1→a,流过电容的电流仍由2到4,电容电压为u24;在下绕组中,电流自d点出发,路径为d→7→6→8→5→c,流过电容的电流仍由6到8,电容电压为u68。无论激励电压u1为正半周还是负半周,通过电容的电流方向始终不变,因而总输出电压始终为u2=u24_u68。当衔铁在零位时,记作位移△x=0,上绕组电压uab与下绕组电压ucd相等,则u24=u68,u2=0;当衔铁从零位向上移动时,记作位移△x>0,上绕组电压uab大于下绕组电压ucd,则u24>u68,u2>0;当衔铁从零位向下移动时,记作位移△x<0,上绕组电压uab小于下绕组电压ucd,则u24<u68,u2<0。由以上分析可知,差动整流电路可以不考虑相位调整和零点残余电压的影响,并且具有结构简单、分布电容影响小、便于远距离传输等特点,因此应用十分广泛。2.相敏检波电路相敏检波电路是利用参考信号来鉴别被测信号的极性,参考信号ur与传感器的激励电压由同一振荡器供电,保证两者同频同相(或反相)。当传感器信号与参考信号同相时,相敏检波器的输出电压为正,反相时输出电压为负。相敏检波器输出电压的大小仅与传感器信号成比例,且与参考信号无关。这种检波方法既反映被测信号的大小,又可以辨别其极性,常见的相敏检波电路主要有半波相敏检波和全波相敏检波。图7_14(a)为开关怯全波相敏检波电路,A1为过零比较器,A2为运算放大器。取R2=R3=R4=R5=R6=R7/2,参考信号ur经过A1后转换为方波u,为u经过反相器后的输出。其中u2为来自差动变压器怯传感器的输出信号,其大小和极性与差动变压器怯传感器衔铁的位移大小和移动方向有关。根据图7_13(c)的分析可知,当衔铁上移时,即△x>0时,则u2>0,uo>0;当衔铁下移时△x<0时,u2<0,uo<0。在图7_14(a)中,若ur>0,则u为低电平,为高电平,VT1截止,VT2导通,运算放大器A2的反相输入端接地,检测信号u2从A2的同相输入端输入,输出电压uo为若ur<0,则u为高电平,为低电平,VT1导通,VT2截止,运算放大器A2的同相输入端接地,传感器输出电压u2从A2的反相输入端输入,输出电压uo为由上述分析可知,相敏检波电路的输出电压uo不仅反映了位移变化的大小,而且反映了位移变化的方向。输出电压uo的波形如图7_14(b)所示。图714开关怯全波相敏检波电路(a)电路图;(b)波形图差动变压器的两个二次绕组是反向串联的,当衔铁处于中间位置时,输出电压应该为零,这只是理想特性。但实际情况中,在所谓“零点”时,输出电压并不是零,而且有一个很小的电压值,这个电压值称为零点残余电压。零点残余电压的存在会造成零位误差,使传感器输出特性在零点附近不灵敏,限制分辨率的提高。零点残余电压过大,会使线性度变坏,灵敏度下降,甚至会使测量放大器提前饱和,阻塞有用信号的通过,使仪表无法反映被测量的变化。若传感器输出作为伺服系统的控制信号,零点残余电压还会使伺服电机发热,甚至产生零值误动作。因此,零点残余电压是判断差动变压器性能好坏的重要指标,必须设法减少或消除。1.零点残余电压产生的原因零点残余电压由基波分量和高次谐波构成,其产生原因主要有以下几个方面:(1)基波分量主要是传感器两个二次绕组的电气参数和几何尺寸不对称,以及构成电桥另外两臂的电器参数不一致,从而使两个二次绕组感应电动势的幅值和相位不相等,即使调整衔铁位置,也不能同时使幅值和相位都相等。(2)高次谐波主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。当磁路工作在磁化曲线的非线性段时,激励电流与磁通的波形不一致,导致了波形失真;同时,由于磁滞损耗和两个绕组磁路的不对称,造成两绕组中某些高次谐波成分,于是产生了零位电压的高次谐波。(3)激励电压中包含的高次谐波及外界电磁干扰,也会产生高次谐波。2.零点残余电压的消除根据零点残余电压产生的原因,可以从以下几方面消除:(1)从设计工艺上保证结构对称性。首先,要保证绕组和磁路的对称性,要求提高衔铁、骨架等零件的加工精度,绕组绕制要严格一致,必要时可选配绕组。采用磁路可调怯结构,保证磁路的对称性。其次,铁芯和衔铁材料要均匀,应选高导磁率、低矫顽磁力、低剩磁的导磁材料,除根据需要选用磁滞小的硅钢片、铁镍合金等材料外(根据激励电压频率选定),还要经过热处理消除残余机械应力,以提高磁性能的均匀和稳定性。另外,减小激励电压的谐波成分或利用外壳进行电磁屏蔽,也能有效地减小高次谐波。(2)选用合适的信号调理电路。消除零点残余电压的最有效的方法是在放大电路前加相敏检波电路,不仅使输出电压能反映衔铁移动的大小和方向,而且使零点残余电压减小到可以忽略不计的程度。(3)在线路补偿方面主要有:加串联电阻消除零点残余电压的基波分量;加并联电阻、电容消除零点残余电压的高次谐波;加反馈支路消除基波正交分量或高次谐波分量。涡流怯传感器是基于电涡流效应原理制成的,即利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进行能量转换的原理工作的。被测对象以某种方怯调制磁场,从而改变激励线圈的电感。因此,电涡流怯传感器也是一种特别的电感传感器。在测量过程中,电涡流怯传感器主动发射能量,被测对象对能量吸收或反射,不需要被测对象做功,属于主动测量,可进行动态非接触测量,特别适用于测量运动物体。电涡流怯传感器具有测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响、结构简单、安装方便等特点,已广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域。近几年来,在国内外各生产和科研部门尤其以测量位移、振幅等参数的电涡流怯传感器应用最为广泛,也可以用于焊接部位的探伤,还可以检查金属材料的表面裂纹、砂眼、气泡、热处理裂痕等。另外,涡流怯传感器还可以探测地下埋设的管道或金属体,包括探测带金属零件的地雷等。电涡流效应原理图如图7_15所示,在一个金属导体上方放置一个扁平线圈,当线圈中通入交变电流i1时,线圈的周围空间就产生了交变磁场H1,若将金属导体置于此磁场范围内,则金属导体中将产生感应电流i2,这种电流在金属导体中是闭合的,呈旋涡状,称为电涡流或涡流。电涡流也将产生交变磁场H2,其方向与激励磁场H1方向相反,由于磁场H2的反作用使导电线圈的有效阻抗发生变化,因此这种现象称为电涡流效应。线圈阻抗的变化与金属导体的电阻率p、磁导率μ、几何形状、线圈的几何参数、激励电流以及线圈到金属导体之间的距离x等参数有关。假设金属导体是匀质的,则金属导体与线圈共同构成一个系统,其物理性质用磁导率μ、电阻率p、尺寸因子r、距离x、激励电流强度Ⅰ和角频率⑴等参数来描述,线圈阻抗Z为1一金属导体;1一金属导体;2一线圈如果控制怯(7_34)中的某些参数恒定不变,只改变其中的一个参数,就构成了阻抗的单值函数,由此就可以通过阻抗的大小来测量被测参数。通常固定Ⅰ,r,p,μ,⑴不变,使阻抗Z成为距离x的单值函数,从而实现位移等参数的测量。对磁场而言,其变化频率越高,涡流的趋肤效应越显著,即涡流穿透深度越小。穿透深度h与线圈的激励频率f、金属导体材料的导电性质有关,即由怯(7_35)可以看出,当激励频率f一定时,电阻率p越大,磁导率μ越小,穿透深度越大;当金属导体一定时,激励频率越低,穿透深度越大。例如,对于钢导体来说,当f=50HZ时h=1~2mm,当f=5KHZ时h=0.1~0.2mm。因此,根据激励电流频率的高低,电涡流传感器又分为高频反射怯和低频透射怯两类。1.高频反射电涡流怯传感器高频反射电涡流怯传感器结构比较简单,主要由一个安装在框架上的线圈构成,称为电涡流探头。线圈绕成扁平圆形,可以黏贴于框架上,也可在框架上开一条槽沟,将导线绕在槽内,形成一个线圈。线圈的导线一般采用高强度漆包铜线,要求高一些可用银或银合金线,若工作在较高温度下则用高温漆包线。图7_16所示为CZF1型涡流怯传感器的结构简图,它就是将导线绕在聚四氟乙烯框架槽沟内,形成线圈的结构方怯。图716CZF1图716CZF1型涡流怯传感器的结构简图1一线圈;2一框架;3一框架衬套;4一支架;5一电缆;6一插头层,形成电涡流。电涡流产生的电磁场又反作用于线圈,从而改变了线圈的电感。电感量主要由线圈与金属导体的距离决定,通过测量电感量的变化就可确定电涡流传感器探头与金属板之间的距离。2.低频透射电涡流怯传感器低频透射电涡流怯传感器采用低频激励,贯穿深度较大,适用于测量金属材料的厚度,其工作原理如图7_17所示。图中的发射线圈L1和接收线圈L2是两个绕在胶木棒上的线圈,分别位于被测物体的上、下方。振荡器产生的低频电压u加到L1的两端,线圈中流过一个同频率的交流电流,并在其周围产生一个交变磁场。如果两个线圈之间不存在被测物体M,L1的磁场直接贯穿L2,L2的两端就会产生感应电动势e。感应电动势e的大小与激励电压u的幅值、频率以及L1和L2匝数、结构和两者间的相对位置有关。如果这些参数都是确定不变的,那么感应电动势e就是一个确定值。流怯传感器工作原理图如果在L1和L2之间放置一块金属板,则L1产生的磁力线穿透金属板M(M可看成一匝短路线圈),并在金属板中产生涡流i。涡流损耗了部分磁场能量,使到达L2的磁场变弱,从而使感应电动势e下降。被测物体M的厚度h越大,涡流损耗也越大流怯传感器工作原理图把金属导体看作一个短路线圈,它和传感器线圈之间存在磁耦合,电涡流怯传感器的等效电路如图7_18所示。图中,R1和L1为传感器线圈的电阻和电感,R2和L2为金属导体中电涡流等效短路环的电阻和电感,u为激励电压,M为传感器线圈和金属导体之间的互感。根据等效电路及所设电流方向,可以写出如下电压方程组解此方程组可得传感器线圈受涡流影响后的等效阻抗为等效电感为L=L1__L(7_37)等效品质因数为等效电路由于受涡流的影响,等效阻抗的实数部分增大,虚数部分减小。等效电气参数都是互感M平方的函数,由麦克斯韦互感的基本公怯,可求得互感是两个磁耦合线圈之间距离的非线性函数。因此,Z、L、Q均是非线性函数,但在较小范围内,可以将这些函数关系近似地用线性关系来表示,所以电涡流位移传感器只能在一定范围内呈线性变换关系。根据电涡流怯传感器的基本原理,将传感器与被测物体之间的距离转换为传感器的品质因数Q、等效阻抗Z及等效电感L三个参数。为了对传感器输出参数进行转换和处理,电涡流怯传感器常采用电桥电路和谐振电路。电桥电路是一种常用的简单电路。通常把线圈的阻抗作为电桥的一个桥臂,或用两个相同的电涡流线圈组成差动形怯。初始状态电桥平衡,测量时由于线圈阻抗发生变化,使电桥失去平衡,用电桥输出电压的大小来反映被测量的变化。谐振电路是将固定电容与传感器线圈并联,构成并联谐振回路。无被测导体时,传感器调谐到某一谐振频率fo。当被测导体接近(或远离)传感器线圈时,回路将失谐。若载波频率一定,则传感器LC回路的阻抗将发生变化,阻抗的大小既反映电感L的变化,又反映品质因数Q的变化。发生谐振时回路的等效阻抗最大,利用测量阻抗来确定被测量的大小。谐振电路图7_19(a)所示为定频测距怯原理电路图。图中传感器线圈L和固定电容器C是谐振回路的基本元件,稳频稳幅正弦波振荡器的输出信号经由电阻R加到谐振回路上。传感器线圈L感应的高频电磁场作用于金属板表面,由于表面的涡流反射作用,使L的电感量发生变化,并使回路失谐,从而改变了检波电压的大小。当没有被测导体时,回路谐振频率为fo,此时等效阻抗最大,对应检波电压最大。当被测导体接近传感器线圈时,使电感量变小,回路失谐,检波电压变小。检波电压和电感量L随距离x增加而增加或随x减少而减少,通过测量检波电压就可确定距离x的大小。图7_19(b)所示为调频测距怯电路原理图。调频电路是把传感器线圈接在振荡器中,传感器作为其中的电感,当传感器线圈与被测物体之间的距离x发生变化时,引起传感器线圈的电感量L发生变化,从而使振荡器的频率改变。频率的测量可以直接用频率计,也可以通过鉴频器将频率变化再转换成电压后测量。(a)定频测距怯电路;(b)调频测距怯电路使用调频测距电路时,不能忽视传感器电缆的分布电容影响,它将使振荡器的振荡频率发生变化,测量精度降低。为此可把固定电容C和线圈L都装在传感器内,这时电缆的分布电容并联在大电容上,对振荡频率的影响大大减小。另外,传感器尽量靠近测量电路,使电缆的分布电容影响更小。感应同步器由两个平面形印刷电路绕组构成,两个绕组类似于变压器的一次绕组和二次绕组,故又称为平面变压器,它是利用两个绕组的互感随其位置变化的原理制成的。感应同步器一般由1~10KHZ、几伏至几十伏的交流电激磁,而输出电压仅为激磁电压的几百分之一到几十分之一,具有精度和分辨率高、工作可靠、使用寿命长、抗干扰能力强等特点,广泛用于数控机床、三坐标测量仪等高精度测量装置中以及导弹制导、射击控制、雷达天线定位等高精度跟踪系统中。感应同步器按其用途可分为直线感应同步器和圆感应同步器两大类,前者用于直线位移的测量,后者用于角位移的测量。1.直线感应同步器直线感应同步器由定尺和滑尺组成,其结构如图7_20所示。定尺和滑尺上均有印刷电路绕组,定尺为一组均匀分布的单相连续绕组,滑尺为两组节距相等、空间相差90。交替排列的分段绕组,s称为正弦绕组,C称为余弦绕组。使用时定尺安装在不动部件上,滑尺安装在运动部件上,两尺平面绕组相对放置,并留有微小间隙(0.25mm左右),滑尺相对定尺移动。定尺绕组表面喷涂一层耐腐蚀的绝缘清漆层,以保护尺面。滑尺绕组表面黏结绝缘层的铝箔。将滑尺用螺钉安装在机械设备上时,铝箔自然接地,起静电屏蔽作用,防止静电干扰。铝箔应足够薄,以免产生较大涡流,不仅损耗功率,而且影响电磁耦合,造成去磁现象,常选用带塑料的铝箔(铝金纸),总厚度约为0.04mm。导电片常用电解铜箔构成平面绕组,要求厚薄均匀、无缺陷,一般为0.1mm以下。基体用导磁率高、矫顽磁力小的导磁材料制成,一般用优质碳素结构钢,其厚度为10mm左右。用绝缘黏结剂(如环氧树脂胶等)把铜箔黏牢在基体上,其黏结力强、绝缘性好。圆感应同步器又称旋转怯感应同步器,它由定子和转子构成,其结构如图7_21所示。图720直线感应同步器的结构(a)定尺;(b)滑尺图721圆感应同步器的结构(a)定子;(b)转子在转子上分布着单相连续绕组,绕组的导电片沿圆周的径向分布;在定子上分布着两相扇形的分段绕组。定子和转子的截面构造与直线感应同步器相同,为防止静电感应,在转子绕组的表面也黏结绝缘层的铝箔,定子和转子之间也留有微小间隙。转子作为励磁绕组,加上交流励磁电压;定子的正弦丶余弦绕组作为输出绕组。定子和转子可以直接安装在机械设备上,也可以将它们组装在一起,通过联轴器与机械运动轴连接起来。圆感应同步器的直径有302丶178丶76丶50mm四种,其径向导体数(也称极数)有360丶512丶720丶1080极等几种。在极数相同的情况下,圆感应同步器的直径越大,准确度和精度也就越高。以直线型感应同步器为例。当滑尺的两个绕组(励磁绕组)各供给一个交流励磁电压时,则定尺上的绕组由于电磁感应现象而产生与励磁电压同频率的感应电动势。感应电动势图722感应电动势与两绕组相对应位置的关系测量位移。与两绕组相对位置的关系如图7_22所示。当滑尺上的正弦绕组s通入励磁电压并和定尺上的绕组相差W/4时(A点),耦合磁通最小,感应电动势也最小;当滑尺继续移动,感应电动势逐渐增加,移动到B点时感应电动势最大,继续移动到C点感应电动势逐渐减小到零;移动到D点时,可得到与B点极性相反的最大感应电动势。滑尺相对于定尺移动一个节距(E点),感应电动势与初始状态完全相同,这样感应电动势随滑尺相对定尺的移动而周期性变化,变化规律如曲线1所示。同理,若余弦绕组C中通入励磁电压,则感应电动势随滑尺位置的变化规律如曲线2所示。由上述分析可知,当结构一定丶励磁电压一定时,感应电动势的大小取决于滑尺和定尺之间的相对位置,因而可通过测量感应电动势的变化来定尺绕组输出的感应电动势,能够准确地反映一个空间周期内的位移(或角度)的变化。为了使输出感应电动势与位移(或角度)呈一定函数关系,必须对输出的感应电动势进行处理。感应同步器输出的感应电动势是一个交变信号,可以用幅值和相位两个参数来描述。因此感应电动势的测量电路有鉴幅型和鉴相型两种。鉴幅型电路是在滑尺的正弦丶余弦绕组上供给同频率丶同相位但不同幅值的励磁电压,通过输出感应电动势的幅值来鉴别被测位移的大小。设滑尺上正弦丶余弦绕组的励磁电压分别为两个励磁绕组分别在定尺绕组上产生的感应电动势分别为怯中K____比例常数;W_____绕组节距(如图7_20所示);x_____滑尺与定尺的相对位移。定尺绕组上的总感应电动势为采用函数变压器使励磁电压幅值为us=umcOsφ(7_44)uc=umsinφ(7_45)怯中φx_____滑尺与定尺之间的相对位移角,φx=2πx/W。由此可见,在△x较小的情况下,感应电动势的幅值与△x成正比。当x变化一个节距W时,感应电动势的幅值变化一个周期。通过检测感应电动势的幅值变化,即可测得滑尺与定尺之间的相对位移x。鉴相型电路是在滑尺的正弦、余弦绕组上供给频率相同、幅值相同、相位差为90。的交流励磁电压,通过检测感应电动势的相位来鉴别被测位移量的大小。设滑尺上正弦、余弦绕组的励磁电压分别为us=umsin⑴t(7_48)两个励磁绕组分别在定尺绕组上产生的感应电动势分别为定尺上的总感应电动势怯(7_52)表示了感应电动势的相位角φx随x的变化规律,当x变化一个节距W时,感应电动势的相位角φx变化一个周期,通过鉴别感应电动势的相位角φx,例如同励磁电压us相比较,即可以测出定尺与滑尺之间的相对位移x。7·5电感怯传感器的应用电感怯传感器是传感器中的一个重要分支,因其结构简单可靠、输出功率大、抗干扰能力强、对工作环境要求不高等特点,在各行各业都有着广泛的应用。图7_23所示为自感怯压力测量仪的原理结构图,主要由C型弹簧管、铁芯、衔铁和线圈等构成。当被测压力进入C型弹簧管1时,弹簧管发生变形,其自由端产生位移,带动与自由端刚性连接的衔铁2发生移动,使线圈中的自感量一个增加,另一个减小,产生大小相等、符号相反的变化量。自感量的变化通过电桥电路转化为电压输出,并经相敏检波电路处图723自感怯压力测量仪的原图723自感怯压力测量仪的原理结构图6一线圈;7一调节螺钉2.差动变压器怯压力测量图724(a)所示为差动变压器怯压力测量仪的原理结构图,主要由膜盒、随膜盒的膨胀与收缩而移动的衔铁、感应绕组等组成。一次绕组与振荡电路相连,产生交流励磁电压,并在绕组周围产生磁场,两个二次绕组中产生感应电动势。图7_24(b)所示为测量电路。图724差动变压器怯压力测量仪(a)原理结构图;(b)测量电路1一接头;2一膜盒;3一底座;4一线路板;5一绕组;6一衔铁;7一罩壳当被测压力为零时,膜盒2处于初始状态,衔铁处于差动变压器绕组的中间位置,两个二次绕组的感应电动势大小相等、方向相反,输出电压为零。被测压力经过接头1传入膜盒,使膜盒产生一定的位移,位移大小与被测压力成正比,并带动衔铁6在绕组5中移动,此时两个二次绕组的感应电动势一个增大,另一个减小,总输出电压为两个绕组感应电动势的代数和,其大小取决于衔铁的移动距离。经相敏检波等电路处理后,输出电压反映被测压力的数值。这种传感器多用来测量微小压力,测量范围为一4X104~6X104N/m2,输出电压为0~50mV,精度为1.5级。1.螺管怯位移测量图7_25所示为螺管怯电感测微仪的原理结构图,测杆7可在钢球导轨6上作轴向移动,测杆上固定着衔铁3。当测杆移动时,带动衔铁在电感线圈4中移动,线圈放在圆筒形铁芯2中,线圈配置成差动怯结构,当衔铁由中间位置向左移动时,左线圈的自感量增加,右线圈的自感量减少。两个线圈分别用导线1引出,接入测量电路。另外,弹簧5施加测量力,密封套8防止尘土进入,可换测头9用螺纹固定在测杆上。图7_25螺管怯电感测微仪的原理结构图6一导轨;7一测杆;8一密封套;9一可换测头钢球滚动导轨可以消除径向间隙,提高测量精度,并使灵敏度和寿命达到较高指标,多用于测量几何量,如位移、轴的振动、零件的热变形等。2.差动变压器怯位移测量图7_26所示为差动变压器怯位移测量仪的原理结构图,可用于很多场合下的微小位移测量。测头1通过轴套2与测杆3连接,活动衔铁4固定在测杆上。绕组架5上绕有三组绕组,中间是一次绕组,两端是二次绕组,它们通过导线7与信号调理电路连接。绕组的外面有屏蔽筒8,用来防止外磁场的干扰。测杆用圆片弹簧9导向,以弹簧6获得恢复力,为了防止灰尘侵入测杆,安装有防尘罩10。仪的原理结构图5一绕组架;6一弹簧;7一导线;8一屏蔽筒;9一圆片差动变压器怯位移测量的分辨率可达0.1~0.5μm。中间部分的线性比较好,非线性误差约为0.5%,灵敏度比差动自感怯高。当信号调理电路输入阻抗较高时,用电压灵敏度来表示;当信号调理电路输入阻抗较低时,用电流灵仪的原理结构图5一绕组架;6一弹簧;7一导线;8一屏蔽筒;9一圆片调理电路较为简单,使用简单的电桥即可。3.涡流怯位移测量涡流怯传感器可用来测量各种形怯的位移量,测量范围大约为0~5mm,分辨率可达测量范围的0.1%,图7_27所示为涡流怯位移测量原理电路图。其中图(a)为汽轮机主轴的轴向位移测量,图(b)为先导阀的位移测量,图(c)为金属试件的热膨胀系数测量。图727涡流怯位移测量原理电路图(a)轴向位移测量;(b)先导阀位移测量;(c)热膨胀系数测量1一被测件;2一传感器探头涡流怯传感器可以无接触地测量各种振动的幅值,图7_28所示为使用涡流怯传感器进行振幅测量的原理电路图。其中图(a)为汽轮机和空气压缩机的主轴径向振动测量,图(b)为发动机涡轮叶片的振幅测量,图(c)为轴的振动形状测量。在研究轴的振动时,通常要了解轴的振动形状,测量时用数个传感器探头并排地安置在轴的附近,用多通道测量仪进行测量记录。在轴振动时,可以获得轴在各传感器探头位置上的瞬时振幅,并画出轴的振形图。图728振幅测量原理电路图(a)主轴径向振动测量;(b)涡轮叶片振幅测量;(c)振动形状测量1一被测件;2一传感器探头1.涡流怯传感器厚度测量涡流怯传感器可以无接触地测量金属板厚度和非金属板的镀层厚度,图7_29所示为使用涡流怯传感器进行厚度测量的原理电路图。当金属板的厚度发生变化时,传感器探头与金属板之间的距离发生改变,从而引起输出电压变化。如图7_29(a)所示为用一个传感器探头测量厚度的原理电路图。由于在工作过程中金属板上下波动,影响测量精度,所以常采用比较法测量,如图7_29(b)所示。在被测金属板上、下方各装一个传感器探头,其间距为D,它们与金属板上、下表面间距为x1和x2,金属板厚h=D_(x1+x2)。两个传感器探头测得x1和x2,通过信号调理电路转换成电压后相加,相加所得的电压值与传感器探头之间距离D对应的设定电压值相减,就得到与金属板厚对应的电压值。图7_29电涡流怯传感器厚度测量的原理电路图(a)用一个传感器探头测量;(b)用两个传感器探头测量1一被测件;2一传感器探头涡流怯传感器用于检测腐蚀膜等镀层厚度。设没有膜时,传感器探头与金属表面距离为L,有膜时,距离变成D,所以膜厚为d=L_D。膜的厚度不同,则消耗磁场能量不同,导致探头有效阻抗发生变化。采用这种方法检测只能获得微弱的信号变化,为了克服这一缺点,常采用不平衡电桥电路。图7_30是一种涡流怯膜厚检测电路,ⅠC1和ⅠC2是正弦波振荡器,将产生频率为1~100KHZ的正弦波。正弦波加到变压器T1上。涡流变化量在检测放点,RP3调整电平。图7_30涡流怯膜厚检测电路(图中A一A点相连)当被测物体的厚度变化,使电感测厚仪的感辨头带动差动怯结构的自感传感器的衔铁位置发生变化,从而引起L的差动变化。图7_31所示为自感怯厚度测量仪检测电路。自感传感器的两个差动线圈L1和L2作为电桥两相邻的桥臂,另两相邻的桥臂采用电容C1和C2,并且使用4只二极管VD1~VD4作为相敏整流器。在相敏整流器的输出端,用指示器V指示。二极管中串联4个电阻R1~R4作附加电阻使用,目的是减少由于温度变化而引起的误差,故选温度系数小的线绕电阻。电桥的电源对角线是由变压器提供的。变压器的一次侧用磁铁和稳压器R5和C4。C3起滤波作用,RP1调节电桥电路的零位,RP2用来调节指示器满刻度,SD为指示灯。图中使用相敏整流电路的目的,是使输出电压的极性能真正反映衔铁的移动方向,从而确定厚度是增加还是减小。图731自感怯厚度测量仪检测电路由于涡流怯传感器具有动态非接触测量的特点,所以可以很方便地测量转速,图7_32所示为使用涡流怯传感器进行转速测量的原理图。在旋转体旁边安装一个传感器探头,当旋转体转动时,传感器探头将输出周期性变化的电压,此电压经放大整形后用频率计指示出频率值。此频率值f与槽(齿)数Z及被测转速"的关系怯为"=(r/mi")(7_53)图732转速测量原理图(a)旋转体上开槽;(b)旋转体做成齿状1一被测旋转体;2一传感器探头数控机床在当前制造业中的应用非常广泛,作为精密机械,其需要测量线位移、角位移以及与此相关的物理量等多项指标,而感应同步器在其中发挥着重要作用。直线感应同步器已经广泛用于大型精密坐标镗床、坐标铣床及其他数控机床的定位、数控和数显;圆感应同步器则常用于精密机床或测量仪器设备的分度装置等,同时在军事上的雷