現(xiàn)代測量與傳感技術(shù)第四章

1、第4章 電感式傳感器 4.1 變磁阻電感式傳感器變磁阻電感式傳感器 4.2 差動(dòng)變壓器電感式傳感器差動(dòng)變壓器電感式傳感器4.3 電渦流電感式傳感器電渦流電感式傳感器 學(xué)習(xí)導(dǎo)航知識(shí)單元與知識(shí)單元與知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)變磁阻電感式傳感器的工作原理、輸出特性、測量電路及典型應(yīng)用；變磁阻電感式傳感器的工作原理、輸出特性、測量電路及典型應(yīng)用；差動(dòng)變壓器電感式（變隙式、螺線管式）傳感器的工作原理、輸出特性；差動(dòng)變壓器電感式（變隙式、螺線管式）傳感器的工作原理、輸出特性；差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路；差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路；電渦流電感式傳感器的工作原理、等效電路、測量電路與典型應(yīng)用。電渦流電感式傳感器的工作原理、

2、等效電路、測量電路與典型應(yīng)用。能力點(diǎn)能力點(diǎn)深入理解變磁阻、差動(dòng)變壓器電感式傳感器的工作原理、輸出特性；深入理解變磁阻、差動(dòng)變壓器電感式傳感器的工作原理、輸出特性；深入理解電渦流電感式傳感器的工作原理、等效電路；深入理解電渦流電感式傳感器的工作原理、等效電路；理解差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路；理解差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路；會(huì)分析變磁阻電感式傳感器的交流電橋、變壓器式交流電橋和諧振式測量電路；會(huì)分析變磁阻電感式傳感器的交流電橋、變壓器式交流電橋和諧振式測量電路；了解電渦流電感式傳感器的調(diào)頻式、調(diào)幅式測量電路；了解電渦流電感式傳感器的調(diào)頻式、調(diào)幅式測量電路；了解變磁阻、差動(dòng)變壓器和電渦流電感式傳感器

3、的典型應(yīng)用。了解變磁阻、差動(dòng)變壓器和電渦流電感式傳感器的典型應(yīng)用。重難點(diǎn)重難點(diǎn)重點(diǎn)：變磁阻、差動(dòng)變壓器電感式傳感器的工作原理、輸出特性，電渦流電感式傳感器的工作原理、重點(diǎn)：變磁阻、差動(dòng)變壓器電感式傳感器的工作原理、輸出特性，電渦流電感式傳感器的工作原理、等效電路。等效電路。難點(diǎn)：差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。難點(diǎn)：差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求掌握變磁阻電感式傳感器的工作原理、輸出特性和靈敏度；掌握變磁阻電感式傳感器的工作原理、輸出特性和靈敏度；掌握差動(dòng)變壓器電感式傳感器的輸出特性和靈敏度；掌握差動(dòng)變壓器電感式傳感器的輸出特性和靈敏度；會(huì)比較單線圈和差動(dòng)兩種變磁阻（變氣隙）電感式傳

4、感器的特性；會(huì)比較單線圈和差動(dòng)兩種變磁阻（變氣隙）電感式傳感器的特性；了解電感式傳感器的不同測量電路；了解電感式傳感器的不同測量電路；了解電感式傳感器的典型應(yīng)用。了解電感式傳感器的典型應(yīng)用。 電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng) 即利用線圈電感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量測量 分為變磁阻式、變壓器式、渦流式等 特點(diǎn)： 工作可靠、壽命長 靈敏度高，分辨力高 精度高、線性好 性能穩(wěn)定、重復(fù)性好4.1 變磁阻電感式傳感器（自感式）變磁阻電感式傳感器（自感式）4.1.1 工作原理工作原理 變磁阻電感式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成。鐵心和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。 在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵

5、相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變磁阻變化化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。 線圈中電感量可由下式確定： NLII 根據(jù)磁路歐姆定律：mINR式中, Rm為磁路總磁阻。 （4-1）（4-2）氣隙很小，可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。 若忽略磁路磁損， 則磁路總磁阻為 121122002mLLRAAA（4-3） 通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻， 即 222001110022AlAAlA（4-4） 則式（4-3）可寫為 002ARm（4-5） 聯(lián)立式（4-1）、 式（

6、4-2）及式（4-5）， 可得 22002mNANLR（4-6） 上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變或A0均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻電感式傳感器又可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積A0的傳感器。 目前使用最廣泛的是變氣隙厚度電感式傳感器。 22002mNANLRmax196 13165(mH)LLL4.1.2 輸出特性輸出特性L與之間是非線性關(guān)系， 特性曲線如圖5-2所示。22002mNANLR圖4-2 變隙式電壓傳感器的L-特性差動(dòng)變氣隙電感式傳感器sUL1L2RoRooU122131鐵 芯 ；2線 圈 ；3銜 鐵為了減小非線性誤差，實(shí)際測量中廣泛采用差

7、動(dòng)變氣隙電感式傳感器。 4.1.3 測量電路測量電路 電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、 變壓器式交流電橋以及諧振式等。 22112012121222ZZZZZRUUUUZZRRZZZZ 1. 交流電橋式測量電路交流電橋式測量電路11ZZZ22ZZZ0ZRjwL11Zjw L22Zjw L0ZjwL002UU 同樣地，當(dāng)銜鐵下移時(shí)： 002UU當(dāng)銜鐵上移時(shí)： UC2U2UZ1Z2oUABD變壓器式交流電橋2. 變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋 電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的1/2阻抗。 當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)， 橋路輸出電壓 2211212122oZZZ

8、UUUUZZZZ 當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即Z1=Z2=Z，此時(shí)有 ， 電橋平衡。 0oU當(dāng)傳感器銜鐵上移：如Z1=Z+Z，Z2=ZZ， 00242oZ UL UUUZL (4-25) 當(dāng)傳感器銜鐵下移：如Z1=ZZ，Z2=Z+Z， 此時(shí) 00242oZ UL UUUZL (4-26) 可知：銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。由于 是交流電壓， 輸出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。 U 3. 諧振式測量電路諧振式測量電路分為：諧振式調(diào)幅電路和諧振式調(diào)頻電路。調(diào)幅電路特點(diǎn)：此電路靈敏度很高， 但線性差，適用于線性度要求不高的場合。 oUOL0

9、LoUTUCL(a)(b) 調(diào)頻電路：振蕩頻率。當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系。 )2/(1LCfGCLffoL(a)(b)4.1.4 變磁阻電感式傳感器的應(yīng)用變磁阻電感式傳感器的應(yīng)用變氣隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖變氣隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)， 從而使氣隙發(fā)生變化， 流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A的指示值就反映了被測壓力的大小。 當(dāng)被測壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí)， C形彈簧管產(chǎn)生變形， 其自由端發(fā)生位移，帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈1和

10、線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化。即一個(gè)電感量增大，另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系， 所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓， 即可得知被測壓力的大小。 變氣隙差動(dòng)電感式壓力傳感器變氣隙差動(dòng)電感式壓力傳感器 電感測微儀是用于測量微小尺寸變化很普遍的一種工具，常用于測量位移、零件的尺寸等，也用于產(chǎn)品的分選和自動(dòng)檢測。測量桿與銜鐵連接，工作的尺寸變化或微小位移經(jīng)測量桿帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)，使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生差動(dòng)變化，其交流阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，電橋失去平衡，輸出一個(gè)幅值與位移成正比、頻率與振蕩器頻率相同、相位與位移方向?qū)?yīng)的調(diào)制信號(hào)。

11、如果再對該信號(hào)進(jìn)行放大、相敏檢波，將得到一個(gè)與銜鐵位移相對應(yīng)的直流電壓信號(hào)。這種測微儀的動(dòng)態(tài)測量范圍為 mm，分辨率為1 ，精度可達(dá)到3%。4.2 差動(dòng)變壓器電感式傳感器差動(dòng)變壓器電感式傳感器 （互感式）（互感式） 把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接， 故稱差動(dòng)變壓器電感式傳感器。 差動(dòng)變壓器電感式傳感器的結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器， 它可以測量1100mm機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、 結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 4.2.1 螺線管

12、差動(dòng)變壓器電感式傳感器螺線管差動(dòng)變壓器電感式傳感器 1. 工作原理工作原理 兩個(gè)次級(jí)線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下, 其等效電路。 當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓U時(shí), 根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個(gè)次級(jí)繞組N2a和N2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2a和E2b。 如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱,則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí), 必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理, 將有E2a=E2b。由于變壓器兩次級(jí)繞組反相串聯(lián), 因而Uo=E2a-E2b=0, 即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。 Ur1L1aL2aL2baE2bE2r2ar2boURLI1差動(dòng)變壓器的輸出特性差動(dòng)變

13、壓器的輸出特性 當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響，N2a中磁通將大于N2b，使M1M2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因?yàn)閁o=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b 隨著銜鐵位移x變化時(shí)， Uo也必將隨x而變化。 當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)零點(diǎn)殘余電壓殘余電壓，記作Uo，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。 零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的。零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)

14、雜，主要由基波和高次諧波組成?；óa(chǎn)生的主要原因基波產(chǎn)生的主要原因是： 傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對稱， 導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置， 兩線圈中感應(yīng)電勢都不能完全抵消。高次諧波（主要是三次諧波）產(chǎn)生原因高次諧波（主要是三次諧波）產(chǎn)生原因：是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小Ux，否則將會(huì)影響傳感器的測量結(jié)果。零點(diǎn)殘余電壓的消除方法：零點(diǎn)殘余電壓的消除方法：（1）盡可能保證傳感器的幾何尺寸、繞組線圈電氣參數(shù)和磁路的對稱；（2）采用適當(dāng)?shù)臏y量電路，如相敏整流電路等。 2. 基本特性

15、基本特性 根據(jù)差動(dòng)變壓器等效電路。 當(dāng)次級(jí)開路時(shí) 111LjrUI式中：U初級(jí)線圈激勵(lì)電壓； 激勵(lì)電壓U的角頻率； I1初級(jí)線圈激勵(lì)電流； r1、 L1初級(jí)線圈直流電阻和電感。 .Ur1L1aL2aL2baE2bE2r2ar2boURLI1根據(jù)電磁感應(yīng)定律， 次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢的表達(dá)式分別為 122112IMjEIMjEba 由于次級(jí)兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級(jí)開路，則由以上關(guān)系可得 112122)(LjrUMMjEEUbao 上式說明，當(dāng)激磁電壓的幅值U和角頻率、 初級(jí)繞組的直流電阻r1及電感L1為定值時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組之間互感之差的函數(shù)。只要求出互感M1和M

16、2對活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)系式，可得到螺線管式差動(dòng)變壓器的基本特性表達(dá)式。 輸出電壓的有效值為 212121)()(LrUMMUo分析 活動(dòng)銜鐵處于中間位置中間位置時(shí) M1=M2=M 故 Uo=0 活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)向上移動(dòng)時(shí) M1 =M+M， M2 =M-M 故 22112()oMUUrL與E2a同極性。 . 活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)向下移動(dòng)時(shí) M1 =M-M， M2 =M+M 故 2121)(2LrMUUo與E2b同極性。 . 3. 差動(dòng)變壓器式傳感器測量電路差動(dòng)變壓器式傳感器測量電路 問題：（1）差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓交流電壓(用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向);（2）

17、測量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。 (1) 差動(dòng)整流電路 這種電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流， 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。 從圖（c）電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，流經(jīng)電容C1的電流方向總是從2到4，流經(jīng)電容C2的電流方向總是從6到8， 故整流電路的輸出電壓為 o2468UUU 當(dāng)銜鐵在零位時(shí)，因?yàn)閁24=U68，所以Uo=0；當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，因?yàn)閁24 U68 ，則Uo0；而當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)， 則有U24 U68，則Uo0，不論u0與u

18、y是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的電壓始終為正。 當(dāng)x0時(shí)：u0與uy為同頻反相。不論u0與uy是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓表達(dá)式總是為 21(2)fyfffR uuiRn RR 4. 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用可直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 微壓傳感器微壓傳感器 CPC型差壓計(jì)型差壓計(jì)圖4.22 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器原理圖 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器:由懸臂梁和差動(dòng)變壓器構(gòu)成。測量時(shí)，將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動(dòng)體相連， 此時(shí)傳感器作為

19、加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。當(dāng)被測體帶動(dòng)銜鐵以x(t)振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。 4.3 電渦流電感式傳感器（互感式）電渦流電感式傳感器（互感式） 4.3.1 工作原理工作原理 電渦流式傳感器原理圖（a） 傳感器激勵(lì)線圈; （b） 被測金屬導(dǎo)體 1I1H傳感器激勵(lì)線圈(a)(b)2H2I被測金屬導(dǎo)體傳感器激勵(lì)電流 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場H2。根據(jù)愣次定律愣次定律

20、， H2的作用將反抗原磁場H1，由于磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。式中, r為線圈與被測體的尺寸因子。 測量方法： 如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)， 傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對該參數(shù)的測量。 Z=F(,r,f,x) 傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為電渦流式傳感器等效電路圖 1UL1L212R1R2M2I1I1傳感器線圈；2電渦流短路環(huán)根據(jù)基爾霍夫第二定律基爾霍夫第二定律，可列出如下方程： 022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR解得等效阻抗Z的表達(dá)式為eqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ22222222122222222111222222221RLRMRReq222222221LLRMLLe