第3章 電感式傳感器及其應用

1、2022-3-71 本章學習本章學習自感式傳感器、差動自感式傳感器、差動變壓器式傳感器和電渦流式傳感器變壓器式傳感器和電渦流式傳感器的結構、工作原理、測量電路的結構、工作原理、測量電路以及以及它們的應用。它們的應用。第第3 3章章 電感式傳感器及其應用電感式傳感器及其應用 2022-3-72定義定義：利用利用電磁感應原理電磁感應原理，將被測的非電量轉換，將被測的非電量轉換成電磁線圈的成電磁線圈的自感或互感量自感或互感量變化的一種裝置。變化的一種裝置。分類：分類：按照轉換方式分類：按照轉換方式分類： 自感式；自感式； 互感式；互感式； 渦流式。渦流式。按照結構方式分類：按照結構方式分類： 變氣隙

2、式；變氣隙式； 變截面式；變截面式； 螺線管式螺線管式。 2022-3-733.1 3.1 自感式傳感器自感式傳感器 先看一個實驗：先看一個實驗： 將一只接觸器線圈與交流毫安表串聯后，接將一只接觸器線圈與交流毫安表串聯后，接到控制變壓器的到控制變壓器的36V36V交流電壓源上。這時毫安表交流電壓源上。這時毫安表的示值約為幾十毫安。的示值約為幾十毫安。 用手慢慢將接觸器的活動鐵心用手慢慢將接觸器的活動鐵心( (稱為銜鐵稱為銜鐵) )往下往下按，我們會發(fā)現毫安表的讀數按，我們會發(fā)現毫安表的讀數逐漸減小逐漸減小。 當銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，毫安當銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，毫安表的讀

3、數只剩下十幾毫安。表的讀數只剩下十幾毫安。 2022-3-74電感傳感器的基本工作電感傳感器的基本工作原理演示原理演示F F220V接觸器線圈接觸器線圈交流毫安表交流毫安表控制變壓器控制變壓器2022-3-75電感傳感器的基本工作電感傳感器的基本工作原理演示原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小。氣隙變小，電感變大，電流變小。F F2022-3-76 自感式傳感器是利用自感量隨氣隙而改自感式傳感器是利用自感量隨氣隙而改變的原理制成的，用來測量變的原理制成的，用來測量位移位移。 它主要由線圈、鐵心、銜鐵及測桿等組它主要由線圈、鐵心、銜鐵及測桿等組成。成。2022-3-77自感式電感傳感器常見的形式

4、自感式電感傳感器常見的形式 變隙式變隙式 變截面式變截面式 螺線管式螺線管式 2022-3-78一、工作一、工作原理原理 根據磁路的基本知識，線圈自感可按下式計算：根據磁路的基本知識，線圈自感可按下式計算：mRNL2= 當不考慮磁路的鐵損且當氣隙當不考慮磁路的鐵損且當氣隙較小時，則該磁路的較小時，則該磁路的總磁阻：總磁阻：002AAlRm=上式的第一項為常數，且上式的第一項為常數，且氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻：2022-3-79電感量計算公式：電感量計算公式： 請分析電感量請分析電感量L L與氣隙厚度與氣隙厚度 及氣隙的有效截面積及氣隙的有效截面積A A之

5、間之間的關系。的關系。20 2NALN：線圈匝數；：線圈匝數； A：氣隙的有效截面積；：氣隙的有效截面積； 0 ：真空磁導率；：真空磁導率； ：氣隙厚度。氣隙厚度。 f f（ ， A ） A不變不變變氣隙型傳感器變氣隙型傳感器 不變不變變截面型傳感器變截面型傳感器線圈中放入圓形銜鐵線圈中放入圓形銜鐵 可變自感可變自感 螺管型傳感器螺管型傳感器2022-3-710、變隙式電感傳感器、變隙式電感傳感器 傳感器截面積傳感器截面積A A保持不變，令磁路保持不變，令磁路氣隙厚度氣隙厚度 隨被測隨被測非電量而變，從而電感量發(fā)生變化。非電量而變，從而電感量發(fā)生變化。電感量電感量L L與氣隙厚度與氣隙厚度 成

6、反成反比，線性度不好；比，線性度不好； 越小，越小，靈敏度越高。靈敏度越高。變隙式自感式變隙式自感式傳感器適用于測量傳感器適用于測量微小位移微小位移場合。場合。 特性曲線特性曲線20 2NAL2022-3-711、變截面式電感傳感器、變截面式電感傳感器傳感器氣隙厚度保持不變，令磁通傳感器氣隙厚度保持不變，令磁通截面積截面積A A隨被隨被測非電量而變，從而電感量發(fā)生變化。測非電量而變，從而電感量發(fā)生變化。20 2NAL變面積式自感傳感器在變面積式自感傳感器在理想狀態(tài)理想狀態(tài)的條件下，輸入與輸出的條件下，輸入與輸出呈線性關系，但由于有漏感等原因，其特性并非是線性的，呈線性關系，但由于有漏感等原因，

7、其特性并非是線性的，而且它的線性區(qū)較小。電感量而且它的線性區(qū)較小。電感量L L與與A A在一定范圍內具有良好在一定范圍內具有良好的線性關系的線性關系。但是與變氣隙式自感傳感器相比，其但是與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度較低靈敏度較低。2022-3-712、螺線管式電感傳感器、螺線管式電感傳感器工作原理：以線圈磁力線泄露路徑上的磁阻變工作原理：以線圈磁力線泄露路徑上的磁阻變化為基礎測量，化為基礎測量，電感量與電感量與銜鐵插入深度銜鐵插入深度有關有關。鐵心在螺線管中移動，使鐵心在螺線管中移動，使線圈的電感量發(fā)生變化線圈的電感量發(fā)生變化。這種傳感器結構簡單，制作容易，但靈敏度較低，且銜這種傳感器結

8、構簡單，制作容易，但靈敏度較低，且銜鐵在螺線管中間時，才有可能呈線性關系。鐵在螺線管中間時，才有可能呈線性關系。 此傳感器適合于此傳感器適合于位移較大位移較大的場合。的場合。2022-3-713)(fL =)(SfL =2022-3-714、差動電感傳感器、差動電感傳感器 在實際工作中常采用在實際工作中常采用差動式差動式，這樣既可以提高傳感器的，這樣既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測量誤差。靈敏度，又可以減小測量誤差。組成：組成： 由兩個具有由兩個具有公共銜鐵公共銜鐵的完全相同的自感傳感器的完全相同的自感傳感器組成，銜鐵處于中間位置時，組成，銜鐵處于中間位置時，U UO O=0=0。特點：

9、特點： 靈敏度提高一倍，線性好，抗干擾能力強，電磁靈敏度提高一倍，線性好，抗干擾能力強，電磁吸力對測量力的影響相互抵消。吸力對測量力的影響相互抵消。2022-3-715差動電感傳感器差動電感傳感器 請分析：靈敏度、請分析：靈敏度、 線性度有何變化線性度有何變化曲線曲線1、2為為L1、L2 的特性，的特性，3為差動特性為差動特性 在差動電感傳感器中，當在差動電感傳感器中，當銜鐵隨被測量移動而偏離中銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形量一個增加，一個減小，形成成差動形式差動形式。 1-1-差動線圈差動線圈 2-2-鐵心鐵心 3-3-銜鐵銜

10、鐵 4-4-測桿測桿 5-5-工件工件 2022-3-716結論：結論： 從曲線圖可以看出，差動式電感傳感器的從曲線圖可以看出，差動式電感傳感器的線性較線性較好好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器的傳感器的兩倍兩倍。 假設當銜鐵往上移動假設當銜鐵往上移動時，則兩個線圈的總的電感變化量時，則兩個線圈的總的電感變化量為為 從上式知，從上式知，輸出電感的變化約為非差動式的兩倍輸出電感的變化約為非差動式的兩倍。而從結。而從結構圖可以看出，差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變構圖可以看出，差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本

11、上可以互相抵消，從而減小了測化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，從而減小了測量誤差。量誤差。200222ANL2022-3-717二、測量轉換電路二、測量轉換電路 測量轉換電路的作用是將測量轉換電路的作用是將電感量的變化電感量的變化轉換成轉換成電電壓或電流的變化壓或電流的變化，以便用儀表指示出來，或者送入，以便用儀表指示出來，或者送入下級電路進行處理和放大。下級電路進行處理和放大。 測量轉換電路：測量轉換電路： L L的變化的變化I/UI/U 的幅值、頻率、相位的變化的幅值、頻率、相位的變化 轉換電路有調幅、調頻、調相電路。轉換電路有調幅、調頻、調相電路。 基本測量電路通常都采用交流橋路。

12、基本測量電路通常都采用交流橋路。2022-3-718變壓器式電橋電路變壓器式電橋電路 變壓器式交流電橋測量電路如變壓器式交流電橋測量電路如圖所示圖所示, , 電橋兩臂電橋兩臂Z Z1 1、Z Z2 2為傳感為傳感器線圈阻抗器線圈阻抗, , 另外兩橋臂為交流另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的變壓器次級線圈的 1/2 1/2 阻抗。阻抗。假定假定D D為參考電位，則橋路輸出為參考電位，則橋路輸出電壓為：電壓為：1120121222Z UZZUUUZZZZ=1）當傳感器的銜鐵處于中間位置）當傳感器的銜鐵處于中間位置, 即即Z1= Z2=Z時有時有 =0, 電電橋平衡。橋平衡。 0U 1.1.調幅電路調

13、幅電路2022-3-719 2）當傳感器銜鐵上移時）當傳感器銜鐵上移時, 即即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此時此時022UZULUZL= 3）當傳感器銜鐵下移時）當傳感器銜鐵下移時, 則則Z1=Z-Z, Z2=Z+Z 此時此時 從以上兩式可知從以上兩式可知, 銜鐵上下移動相同距離時銜鐵上下移動相同距離時, 輸出電壓的大輸出電壓的大小相等小相等, 但方向相反但方向相反, 由于由于 是是交流電壓交流電壓, 輸出指示無法判斷位輸出指示無法判斷位移方向移方向, 必須配合相敏檢波電路來解決。必須配合相敏檢波電路來解決。 022UZULUZL= = 0U2022-3-720零點殘余誤差零點殘余誤差 概

14、念概念 在在變壓器式電橋電路變壓器式電橋電路中，當銜鐵處于差動電感的中，當銜鐵處于差動電感的中間位置附近時，無論怎樣調節(jié)銜鐵的位置，均中間位置附近時，無論怎樣調節(jié)銜鐵的位置，均無法使測量轉換電路輸出為零，總有一個很小的無法使測量轉換電路輸出為零，總有一個很小的輸出電壓存在，此電壓稱為輸出電壓存在，此電壓稱為零點殘余電壓零點殘余電壓。 產生原因產生原因 消除方法消除方法2022-3-721相敏整流電路相敏整流電路：既反映輸入的大小，又能辯向既反映輸入的大小，又能辯向圖中：圖中：Z Z1 1、Z Z2 2為電感傳感器的兩個線圈，作為交流電橋相鄰的為電感傳感器的兩個線圈，作為交流電橋相鄰的兩個橋臂；

15、兩個橋臂；R R1 1、R R2 2兩個相同的電阻作為電橋的另兩個相鄰橋臂。兩個相同的電阻作為電橋的另兩個相鄰橋臂。 VDVD1 1、VDVD2 2、VDVD3 3、VDVD4 4四只二極管構成了四只二極管構成了相敏整流器相敏整流器。 指示電表指示電表V V則為則為零刻度居中零刻度居中的直流電壓表或數字電壓表。的直流電壓表或數字電壓表。CD請思考請思考：為什么為什么該電路該電路能夠辯能夠辯向？向？AB2022-3-7221 1）銜鐵在中間位置時）銜鐵在中間位置時：Z=ZZ=Z1 1=Z=Z2 2 輸出為零輸出為零2 2）如銜鐵往線圈方向移）如銜鐵往線圈方向移：Z Z1 1=Z+Z Z=Z+Z

16、Z2 2=Z-Z=Z-Z當電源上正下負時，當電源上正下負時，V VC CV VD D 輸出為正輸出為正當電源上負下正時，當電源上負下正時，V VC CV VD D 輸出仍為正輸出仍為正所以：當銜鐵往線圈所以：當銜鐵往線圈1 1方向移動時，輸出為正（直方向移動時，輸出為正（直流電壓表流電壓表正向偏轉正向偏轉），其大小與位移相關；），其大小與位移相關；2022-3-7233 3）同理：如銜鐵往線圈方向移）同理：如銜鐵往線圈方向移：Z Z1 1=Z-Z Z=Z-Z Z2 2=Z+Z=Z+Z 當電源上正下負時，當電源上正下負時，V VC CV VD D 輸出為負輸出為負 當電源上負下正時，當電源上負下

17、正時，V VC CV VD D 輸出仍為負輸出仍為負 所以：當銜鐵往線圈所以：當銜鐵往線圈2 2方向移動時，輸出為負（直方向移動時，輸出為負（直 流電壓表流電壓表反向偏轉反向偏轉），其大小與位移相關。），其大小與位移相關。2022-3-724非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a) (a) 非相敏整流電路；非相敏整流電路； （b b） 相敏整流電路相敏整流電路 使用相敏整流，輸出電壓使用相敏整流，輸出電壓U U0 0不僅能反映銜鐵位移的大小和方不僅能反映銜鐵位移的大小和方向，而且還向，而且還消除零點殘余電壓的影響消除零點殘余電壓的影響。 2022-3-72

18、52.2.調頻電路調頻電路傳感器自感傳感器自感 L變化將引起輸出電壓頻率變化將引起輸出電壓頻率 f f 的變化。的變化。 GCLf靈敏度很高，但線性差，適用于線性要求不高的場合。靈敏度很高，但線性差，適用于線性要求不高的場合。 )/()2/(4/)(2/3LLfLCLCf=Lf0LCf2/1=當有微小變化時，頻率變化當有微小變化時，頻率變化 f f 為：為：振蕩回路振蕩回路2022-3-7263.3.調相電路調相電路 傳感電感變化將引起輸出電壓相位變化。傳感電感變化將引起輸出電壓相位變化。 )/(tg21RL=LLRLRL)/(1)/(22=2022-3-727三、應用三、應用常用來測量位移、

19、尺寸、震動、力、壓力、常用來測量位移、尺寸、震動、力、壓力、流量等非電量。流量等非電量。自感式位移傳感器自感式位移傳感器自感式壓力傳感器自感式壓力傳感器2022-3-728軸向式電感測微器軸向式電感測微器 11引線電纜引線電纜 22固定磁筒固定磁筒 33銜鐵銜鐵 44線圈線圈 55測力彈簧測力彈簧 66防轉銷防轉銷 77鋼球導軌（直線軸承）鋼球導軌（直線軸承） 88測桿測桿 99密封套密封套 1010測端測端 1111被測工件被測工件 1212基準面基準面 2022-3-729電感式滾柱直徑分選裝置電感式滾柱直徑分選裝置 圖圖3-14 3-14 滾柱直徑分選裝置滾柱直徑分選裝置 11氣缸氣缸

20、22活塞活塞 33推桿推桿 44被測滾柱被測滾柱 55落料管落料管 66電感測微器電感測微器 77鎢鋼測頭鎢鋼測頭 88限位擋板限位擋板 99電磁翻板電磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗） 2022-3-730電感式滾柱直徑分選裝置電感式滾柱直徑分選裝置（外形）（外形） 滑道滑道分選倉位分選倉位軸承滾子外形軸承滾子外形（參考中原量儀股份有限公司資料）（參考中原量儀股份有限公司資料）2022-3-7312.2.自感式壓力傳感器自感式壓力傳感器變隙式自感壓力傳感器結構圖變隙式自感壓力傳感器結構圖變隙差動式電感壓力傳感器變隙差動式電感壓力傳感器2022-3-732課堂練習課堂練習1 1、欲測量極

21、微小的位移，應選擇、欲測量極微小的位移，應選擇( )( )自感傳感器；自感傳感器； A. A. 變隙式變隙式 B. B. 變面積式變面積式 C. C. 螺線管式螺線管式2 2、自感傳感器或差動變壓器采用相敏檢波電路最重要的目、自感傳感器或差動變壓器采用相敏檢波電路最重要的目 的是為了的是為了( ) ( ) A. A. 提高靈敏度提高靈敏度 B. B. 將輸出的交流信號轉換成直流信號將輸出的交流信號轉換成直流信號 C. C. 使檢波后的直流電壓能反映檢波前交流信號的相位和使檢波后的直流電壓能反映檢波前交流信號的相位和幅度幅度 2022-3-733休休 息息 一一 下下2022-3-734 3.2

22、 3.2 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 概念概念把被測的非電量變化轉換為把被測的非電量變化轉換為線圈互感量變化線圈互感量變化的傳感器稱為的傳感器稱為互感式傳感器互感式傳感器。這種傳感器是。這種傳感器是根根據變壓器的基本原理據變壓器的基本原理制成的制成的, , 并且并且次級繞組都次級繞組都用差動形式連接用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器，故稱差動變壓器式傳感器，簡稱簡稱差動變壓器差動變壓器。2022-3-735 結構結構差動變壓器結構形式較多差動變壓器結構形式較多, , 有變隙式、有變隙式、 變變面積式和螺線管式等面積式和螺線管式等, , 但其工作原理基本一但其工作原理基本一樣。非電

23、量測量中樣。非電量測量中, , 應用最多的是應用最多的是螺線管式螺線管式差動變壓器。差動變壓器。 特點特點 它可以測量它可以測量1 1100mm100mm范圍內的機械位移范圍內的機械位移, , 并具有測量精度高并具有測量精度高, , 靈敏度高靈敏度高, , 結構簡單結構簡單, , 性能可靠等優(yōu)點。性能可靠等優(yōu)點。 2022-3-736 它主要由它主要由線圈組線圈組合合、活動銜鐵活動銜鐵和和導導磁外殼磁外殼等組成。線等組成。線圈包括一、二次線圈包括一、二次線圈和骨架等部分。圈和骨架等部分。 理想的螺線管式差動理想的螺線管式差動變壓器的原理圖變壓器的原理圖 被測位移量轉換被測位移量轉換為一次線圈與

24、二為一次線圈與二次線圈間的互感次線圈間的互感量量M M的變化。的變化。一、工作原理一、工作原理2022-3-737 理想條件下，當一次線圈加上交流激磁電壓理想條件下，當一次線圈加上交流激磁電壓U Ui i后，將在二次線圈中產生感應電壓后，將在二次線圈中產生感應電壓U UO O。如果將。如果將兩個二次線圈串聯兩個二次線圈串聯起來，總電壓等于兩個二次起來，總電壓等于兩個二次線圈的電壓之和。線圈的電壓之和。 改變銜鐵的位置，則一次線圈與二次線圈之改變銜鐵的位置，則一次線圈與二次線圈之間的互感變化，從而輸出的感應電動勢發(fā)生變間的互感變化，從而輸出的感應電動勢發(fā)生變化?；?。2022-3-738差動變壓器

25、的等效電路原理圖差動變壓器的等效電路原理圖結構特點：結構特點： 兩個二次線圈同名端兩個二次線圈同名端反向串聯反向串聯，組成，組成差動差動輸出形式。輸出形式。 請問：如何請問：如何正確連線？正確連線？指出哪兩個為指出哪兩個為輸出端點。輸出端點。ACBD2022-3-739基本特性分析：基本特性分析： （1 1）當活動銜鐵處于中間位置時）當活動銜鐵處于中間位置時 M M1 1= M= M2 2=M=M 則則 ： U U0 0=0=0（2 2）當活動銜鐵向）當活動銜鐵向N N2121方向（向上）移動時方向（向上）移動時 M M1 1= M+M= M+M，M M2 2= M-M= M-M 故：故： U

26、 UO O=U=U2121U U2222= 2jM= 2jMI I1 1 （3 3）當活動銜鐵向）當活動銜鐵向N N2222方向方向( (向下向下) )移動時移動時 M M1 1= M-M= M-M，M M2 2= M+M= M+M 故故 ： U UO O=U=U2121U U2222= =2jM2jMI I1 1 2022-3-740總結：總結：當銜鐵處于中間位置時：當銜鐵處于中間位置時：U UO O=0=0；當銜鐵偏移中間位置時：當銜鐵偏移中間位置時：U UO O就隨著銜鐵的位移就隨著銜鐵的位移X X的變大而的變大而增加。增加?；ジ惺絺鞲衅骰ジ惺絺鞲衅鲗嵸|上就是一個變壓器實質上就是一個變壓

27、器，其初級線圈接，其初級線圈接入穩(wěn)定的交流激勵電源，次級線圈被感應而產生對應入穩(wěn)定的交流激勵電源，次級線圈被感應而產生對應輸出電壓。輸出電壓。由于次級常采用由于次級常采用兩個線圈接成差動型兩個線圈接成差動型，故這種傳感器，故這種傳感器又稱差動變壓器式傳感器。又稱差動變壓器式傳感器。 實際中應用較多的是實際中應用較多的是螺線管式差動變壓器螺線管式差動變壓器。2022-3-741二、靈敏度與線性度二、靈敏度與線性度1 1、靈敏度、靈敏度差動變壓器在單位電壓激勵下，銜鐵移動一個單位距差動變壓器在單位電壓激勵下，銜鐵移動一個單位距離時的輸出電壓，用離時的輸出電壓，用E E表示。表示。 E EU U2

28、2/X/X單位：單位：V/mmV/mm 影響靈敏度的主要因素有：激勵電源電壓和頻率。影響靈敏度的主要因素有：激勵電源電壓和頻率。KE與與f關系曲線關系曲線2022-3-742提高輸入激勵電壓，將使傳感器靈敏度按線性增加提高輸入激勵電壓，將使傳感器靈敏度按線性增加。 另外，提高線圈品質因數另外，提高線圈品質因數Q Q值，增大銜鐵直徑，選擇導磁值，增大銜鐵直徑，選擇導磁性能好，鐵損小以及渦流損耗小的性能好，鐵損小以及渦流損耗小的導磁材料導磁材料制作銜鐵和導磁制作銜鐵和導磁外殼等可以提高靈敏度。外殼等可以提高靈敏度。2022-3-743 2 2、線性度、線性度線性度線性度傳感器實際特性曲線與理論直線

29、之間的最大傳感器實際特性曲線與理論直線之間的最大偏差除以測量范圍（滿量程），并用百分數來表示。偏差除以測量范圍（滿量程），并用百分數來表示。影響差動變壓器線性度的因素影響差動變壓器線性度的因素: :兩個二次繞組的結構，骨架形狀和尺寸的精確性，鐵兩個二次繞組的結構，骨架形狀和尺寸的精確性，鐵芯的尺寸和材質，激勵頻率和負載狀態(tài)等。芯的尺寸和材質，激勵頻率和負載狀態(tài)等。改善差動變壓器的線性度改善差動變壓器的線性度: : 取測量范圍為線圈骨架長度的取測量范圍為線圈骨架長度的1/10-1/41/10-1/4，激勵頻率采，激勵頻率采用中頻，配用相敏檢波式測量電路用中頻，配用相敏檢波式測量電路 。2022-

30、3-744三、測量轉換電路三、測量轉換電路反串聯電路反串聯電路 直接把兩個二次線圈反向串接直接把兩個二次線圈反向串接 22210=EEU橋路橋路 R R1 1、R R2 2是橋臂電阻，是橋臂電阻，RPRP是供調零用的電位器是供調零用的電位器）（）（22212222122210EE21ERRRE=EU 該電路靈敏度為前一種的該電路靈敏度為前一種的1/21/2，但可以利用但可以利用RPRP進行調零，無需另進行調零，無需另配置調零電路；但零點殘余電壓配置調零電路；但零點殘余電壓無法克服，也無辯向功能。無法克服，也無辯向功能。E E21212022-3-745 電路是以兩電路是以兩個橋路整流后個橋路整

31、流后的直流電壓之的直流電壓之差作為輸出的差作為輸出的，所以稱為差，所以稱為差動整流電路。動整流電路。 U UC3C3=U=Uabab =U =Uaoao-U-Ubobo以差動整流為例以差動整流為例2022-3-746差動整流的特點差動整流的特點 差動整流電路可以差動整流電路可以克服零點殘余電壓克服零點殘余電壓的影響。它不但可以的影響。它不但可以反映位移的大?。妷旱姆担?，還可以反映位移的方向。反映位移的大小（電壓的幅值），還可以反映位移的方向。 上圖中：上圖中： RPRP是用來微調電路平衡的；是用來微調電路平衡的； VDVD1 1VDVD4 4、VDVD5 5 VDVD8 8組成普通組成普通

32、橋式整流電路橋式整流電路；3 3、4 4、3 3、4 4組成組成低通濾波電路低通濾波電路；1 1及及2121、2222、f f、2323組成組成差動減法放大器差動減法放大器，用于克服，用于克服 a a、b b兩點的對地共模電壓。兩點的對地共模電壓。 2022-3-747四、應用四、應用 差動變壓器式傳感器可以直接用于差動變壓器式傳感器可以直接用于位移位移測量測量, , 也可以測量也可以測量與位移有關與位移有關的任何機械量，如振動、的任何機械量，如振動、加速度、應變、比重、張力和厚度等。加速度、應變、比重、張力和厚度等。 1 1、測量振動的應用、測量振動的應用 2 2、壓力測量、壓力測量2022

33、-3-748構成：由懸臂梁構成：由懸臂梁1 1和差和差 動變壓器動變壓器2 2構成。構成。 測量時測量時, , 將懸臂梁底座將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨及差動變壓器的線圈骨架固定架固定, , 而將銜鐵的而將銜鐵的A A端端與被測振動體相連。與被測振動體相連。 當被測體帶動銜鐵以當被測體帶動銜鐵以x(t)x(t)振動時振動時, , 導致差導致差動變壓器的輸出電壓也動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。按相同規(guī)律變化。1 1測量振動的應用測量振動的應用振動測量原理圖振動測量原理圖2022-3-749. . 壓力測量壓力測量 當被測壓力當被測壓力P P輸入輸入到膜盒中，膜盒到膜盒中，膜盒2 2的自

34、由端面便產生的自由端面便產生一個與壓力一個與壓力P P成正成正比的位移。比的位移。 因此，差動壓力因此，差動壓力變壓器有正比于被變壓器有正比于被測壓力的電壓輸出測壓力的電壓輸出。下圖為差動壓力變壓器的結構圖，它適用于各種狀態(tài)的壓力下圖為差動壓力變壓器的結構圖，它適用于各種狀態(tài)的壓力測量。測量。2022-3-750壓力測量用的膜盒壓力測量用的膜盒 膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。所謂波紋膜片是一種壓有膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。所謂波紋膜片是一種壓有同心波紋的圓形薄膜同心波紋的圓形薄膜。當膜片四周固定，兩側面存在壓差時，。當膜片四周固定，兩側面存在壓差時，膜片將彎向壓力低的一側，因此能夠將壓力變換為

35、直線位移。膜片將彎向壓力低的一側，因此能夠將壓力變換為直線位移。2022-3-751休休 息息 一一 下下2022-3-752 電渦流的概念電渦流的概念 渦流渦流成塊的金屬置于變化著的磁場中或者成塊的金屬置于變化著的磁場中或者在磁場中作切割磁力線運動時，金屬體內都要在磁場中作切割磁力線運動時，金屬體內都要產生感應電動勢形成電流，這種電流在金屬體產生感應電動勢形成電流，這種電流在金屬體內是自己閉合的，此電流稱為內是自己閉合的，此電流稱為電渦流電渦流。以上現。以上現象稱為象稱為電渦流效應電渦流效應。 電渦流式傳感器：電渦流式傳感器：根據根據電渦流效應電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式制成的傳感器稱

36、為電渦流式傳感器。傳感器。第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器2022-3-753一、工作原理一、工作原理 當線圈中有交變高頻電流當線圈中有交變高頻電流i i時，會引起一交變磁場時，會引起一交變磁場H H在靠近線圈的金屬表面內部在靠近線圈的金屬表面內部產生一感應電流產生一感應電流i i，該電流，該電流i i即為電渦流。即為電渦流。 根據楞次定律，由該電渦流根據楞次定律，由該電渦流產生的交變磁場產生的交變磁場H H將與線圈產將與線圈產生的磁場生的磁場H H方向相反，亦即方向相反，亦即H H將抵抗將抵抗H H的變化。的變化。由于該由于該渦流磁場渦流磁場的作用，會的作用，會使使線圈的等效阻抗線

37、圈的等效阻抗發(fā)生變化。發(fā)生變化。電渦流式傳感器工電渦流式傳感器工作原理示意圖作原理示意圖2022-3-754電渦流效應演示電渦流效應演示 當電渦流線圈與金屬板的距離當電渦流線圈與金屬板的距離x x 減小時，電流表的減小時，電流表的讀數變大，說明線圈的等效阻抗讀數變大，說明線圈的等效阻抗變小變小。2022-3-75522222122222111LZMLjRZMRIUZ=u當距離當距離x x減小時，互減小時，互感量感量M M增大。增大。u由左式可知，等效由左式可知，等效電感電感L L減小，等效電阻減小，等效電阻R R增大。增大。從理論和實測中都證從理論和實測中都證明，此時流過線圈的明，此時流過線圈

38、的電流電流i i1 1是增大的。是增大的。 線圈與金屬導體之間可以定義一個互感系數線圈與金屬導體之間可以定義一個互感系數M M，它將隨著間它將隨著間距距x x的減小而增大的減小而增大。若把導體形象地看作一個短路線圈若把導體形象地看作一個短路線圈你知道這你知道這是為什么是為什么嗎？嗎？2022-3-756渦流磁場的作用，使線圈的等效阻抗發(fā)生變化渦流磁場的作用，使線圈的等效阻抗發(fā)生變化的程度除了與兩者間的的程度除了與兩者間的距離距離x x有關外，還與金屬有關外，還與金屬導體的導體的電阻率電阻率、磁導率磁導率以及線圈的勵磁電以及線圈的勵磁電流流角頻率角頻率等有關。等有關。 ( , , ,)Zfx =

39、若能保持其中大部分參數不變，只改變其中一個若能保持其中大部分參數不變，只改變其中一個參數，這樣傳感器的線圈阻抗就成為這個參數的參數，這樣傳感器的線圈阻抗就成為這個參數的單值函數，則可實現對該參數的非電量測量。這就單值函數，則可實現對該參數的非電量測量。這就是電渦流式傳感器的基本工作原理。是電渦流式傳感器的基本工作原理。注意注意：這種函數都是非線性函數，但在某一范圍內，可近這種函數都是非線性函數，但在某一范圍內，可近似為線性函數。似為線性函數。2022-3-757二、電渦流傳感器的測量電路二、電渦流傳感器的測量電路 電渦流傳感器測量的基本原理是當傳感器的線電渦流傳感器測量的基本原理是當傳感器的線

40、圈與被測體之間的距離發(fā)生變化時，將引起線圈與被測體之間的距離發(fā)生變化時，將引起線圈的等效阻抗變化，也就是等效阻抗、等效圈的等效阻抗變化，也就是等效阻抗、等效電感、傳感器線圈的品質因數電感、傳感器線圈的品質因數Q Q（Q=Q=L L/ /R R）都是位移的單值函數。都是位移的單值函數。因此，測量電路的任務就是把這些參數轉換因此，測量電路的任務就是把這些參數轉換為有用的為有用的電壓或電流的變化電壓或電流的變化。2022-3-758利用利用Z Z的轉換電路一般用的轉換電路一般用橋路橋路，它屬于調幅電路。，它屬于調幅電路。利用利用L L的轉換電路一般用的轉換電路一般用諧振電路。諧振電路。1 1橋路橋路

41、 Z Z1 1和和Z Z2 2是線圈阻抗，是線圈阻抗，它們與電容它們與電容C C1 1、C C2 2，電，電阻阻R R1 1、R R2 2組成電橋的四組成電橋的四個臂。個臂。 電橋的輸出將反映線電橋的輸出將反映線圈阻抗的變化，把線圈圈阻抗的變化，把線圈阻抗變化轉換成電壓幅阻抗變化轉換成電壓幅值的變化。值的變化。2022-3-7592 2諧振幅值電路諧振幅值電路 在沒有金屬導體的情況下，使電路的在沒有金屬導體的情況下，使電路的LCLC諧振回路的諧振頻諧振回路的諧振頻率率 等于激勵振蕩器的振蕩頻率，這時等于激勵振蕩器的振蕩頻率，這時LCLC回路回路呈現阻抗最大，輸出電壓的幅值也是最大。呈現阻抗最大

42、，輸出電壓的幅值也是最大。 當傳感器線圈接近被測金屬體時，線圈的當傳感器線圈接近被測金屬體時，線圈的等效電感等效電感變化，變化，諧振頻率諧振頻率也跟著發(fā)生變化，從而輸出也跟著發(fā)生變化，從而輸出電壓幅值電壓幅值變化。變化。LCf2102022-3-7603 3調頻電路調頻電路 當電渦流線圈與被測體的距離當電渦流線圈與被測體的距離x x改變時，電渦流線圈的電感改變時，電渦流線圈的電感量量L L也隨之改變，引起也隨之改變，引起LCLC振蕩器輸出頻率改變。振蕩器輸出頻率改變。傳感器線圈接在傳感器線圈接在LCLC振蕩器中作為振蕩器中作為電感使用，以振電感使用，以振蕩器的頻率蕩器的頻率f f 作作為輸出量

43、。為輸出量。2022-3-761 調頻電路和調幅電路的不同：調頻電路和調幅電路的不同： 調幅電路的供電電源頻率是固定的，諧振調幅電路的供電電源頻率是固定的，諧振回路里的振蕩是強迫振蕩，回路里的振蕩是強迫振蕩，輸出的是電壓輸出的是電壓幅值幅值； 調頻電路的振蕩是自由振蕩，頻率隨著被調頻電路的振蕩是自由振蕩，頻率隨著被測參數變化而變化，測參數變化而變化，輸出的是電壓頻率輸出的是電壓頻率。2022-3-762l 特點特點為為非接觸測量非接觸測量；線性度好；線性度好, ,分辨率好分辨率好; ; 大量程大量程, , 體積小體積小, ,重量輕重量輕, ,驅動功率小驅動功率小; ; 靈敏度好靈敏度好,0.1-1V/mm.,0.1-1V/mm.l 利用利用x x：可測位移，派生量為厚度，振幅，轉速；可測位移，派生量為厚度，振幅，轉速；可進行材質判別，溫度測量；可進行材質判別，溫度測量；可測量應力，硬度；可測量應力，硬度； x x綜合影響：可進行金屬的探傷。綜合影響：可進行金屬的探傷。2022-3-763厚度的測量厚度的測量差動法測量厚度差動法測量厚度：h=Hh=H(x(x1 1+x+x2 2) )渦流傳感器可對渦流傳感器可對金屬板厚度或非金屬板的鍍層厚度金屬板厚度或非金屬板的鍍層厚度進進行非接觸測量。行非接觸測量。差動形式差動形式2022-3-764轉速