傳感器技術(shù)教學(xué)課件：第3章 電感式傳感器

1、第3章 電感式傳感器概述感測(cè)量：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。電感式傳感器電磁感應(yīng) 被測(cè)非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測(cè)量電路 U、I、f自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型和螺管型。概述優(yōu)點(diǎn)：不足：存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。 重復(fù)性好，線性度優(yōu)良在幾十m到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量力小 銜鐵為(0.5200)10-4N時(shí)，磁吸力為(110)10-4N。分辨力高機(jī)械位移：0.1m，甚至更??；角位移：0.1角秒。輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm 。電感式傳感

2、器3.1 自感式傳感器3.2 差動(dòng)式變壓器3.3 電渦流式傳感器 應(yīng)用實(shí)例第3章 電感式傳感器 電感式傳感器是建立在電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用線圈自感或互感的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量的檢測(cè)。 電感式傳感器的種類很多，本章主要介紹利用自感原理的自感式傳感器(通常稱為電感式傳感器)，利用互感原理的互感式傳感器(通常稱為差動(dòng)變壓器式傳感器)，利用渦流原理的電渦流式傳感器。 3.1 自感式傳感器 3.1.1 工作原理 自感式傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化，通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。 按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，目前常用的自感式傳感器有變氣隙式、變截面積式和螺線管式三種。 第3章 電感式傳

3、感器 圖所示是自感式傳感器的原理圖。第3章 電感式傳感器氣隙型電感傳感器線圈電感：N - 線圈匝數(shù)Rm- 磁路總磁阻線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器氣隙型電感傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器Rm- 磁路總磁阻：氣隙型電感傳感器Rm- 磁路總磁阻：氣隙型電感傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器線圈電感：N - 線圈匝數(shù)氣隙型電感傳感器線圈鐵芯銜鐵線圈電感：N - 線圈匝數(shù)如果S保持不變，則L為l的單值函數(shù)，構(gòu)成變氣隙式自感傳感器.若保持l不變，使S隨被測(cè)量（如位移）變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器， 如果空氣隙較小，且不考慮磁路的鐵損，則線圈的自感可按下式計(jì)算： 因?yàn)閷?dǎo)磁體的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，即

4、氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，所以線圈的自感為 第3章 電感式傳感器 由式可以看出，當(dāng)線圈匝數(shù)一定時(shí)，電感量與空氣隙厚度成反比，與空氣隙相對(duì)截面積成正比。若不變S，變化 ，則L為的單值函數(shù)，可構(gòu)成變氣隙式傳感器，如圖(a)所示。若不變 ，變化S，則可構(gòu)成變截面積式傳感器，如圖 (b)所示。若線圈中放入圓柱形銜鐵，則是一個(gè)可變自感，當(dāng)銜鐵上、下移動(dòng)時(shí)，自感量將相應(yīng)發(fā)生變化，這就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器，如圖(c)所示。 第3章 電感式傳感器 上述自感傳感器，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，但也有缺點(diǎn)，如自線圈流往負(fù)載的電流不可能等于0，銜鐵永遠(yuǎn)受有吸力，線圈電阻受溫度影響，有溫度誤差，不能反映被測(cè)量的

5、變化方向等，因此在實(shí)際中應(yīng)用較少，而常采用差動(dòng)自感傳感器。差動(dòng)自感傳感器對(duì)干擾、電磁吸力有一定補(bǔ)償?shù)淖饔?，還能改善特性曲線的非線性。第3章 電感式傳感器差動(dòng)變隙式電感傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖 第3章 電感式傳感器 差動(dòng)變隙式自感傳感器的工作原理如下: 初態(tài)時(shí)：若結(jié)構(gòu)對(duì)稱，且動(dòng)鐵居中，則 動(dòng)鐵上移時(shí)：則第3章 電感式傳感器 動(dòng)鐵下移時(shí)：同理可得 由以上分析可得，動(dòng)鐵位移時(shí)，輸出電壓的大小和極性將跟隨位移的變化而變化。輸出電壓不但能反映位移量的大小，而且能反映位移的方向。由前面的推導(dǎo)可知，輸出電壓正比于，因而靈敏度較高，非線性減小第3章 電感式傳感器3.1.2 電感計(jì)算及輸出特性分析 根據(jù)上式，自感式傳

6、感器特性曲線如圖所示，可以看出不是線性的，是一雙曲線，當(dāng)L為時(shí)，如果考慮到導(dǎo)磁體的磁阻，即L不等于，而有一定的數(shù)值當(dāng)時(shí)，其曲線在較小時(shí)，如圖中虛線所示。如上、下移動(dòng)銜鐵使面積S改變，從而改變L值時(shí)，則特性為一條直線。 第3章 電感式傳感器 第3章 電感式傳感器 設(shè)電感式傳感器初始?xì)庀稙?，初始電感量為，銜鐵位移引起的氣隙變化量為 ，從式中可知，L與之間是非線性關(guān)系。初始電感量為為了保證一定的測(cè)量范圍和線性度，一般取第3章 電感式傳感器 電感的變化量為電感的相對(duì)變化量為 第3章 電感式傳感器 當(dāng) 時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)級(jí)數(shù)形式，即 忽略高次項(xiàng)，可得 式中，負(fù)號(hào)表示若氣隙增大，則電感減?。蝗魵庀稖p小，

7、則電感增大。 由式可知，氣隙型電感傳感器的靈敏度為 第3章 電感式傳感器 非線性誤差與 的大小有關(guān)，其表達(dá)式為 實(shí)際上，高次項(xiàng)是造成非線性的主要原因。當(dāng)越小時(shí)，則高次項(xiàng)迅速減小，非線性得到改善。 由此可見(jiàn)，變氣隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，所以變氣隙式電感傳感器用于測(cè)量微小位移時(shí)是比較精確的。為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)式電感傳感器。第3章 電感式傳感器 從圖可知，若銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，差動(dòng)式電感傳感器的電感變化量為 電感的相對(duì)變化量為 第3章 電感式傳感器 當(dāng) 時(shí)，上式用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)成級(jí)數(shù)形式為 忽略高次項(xiàng)，可得其靈敏度為 非線性誤差為 第3章 電感式傳感器 可見(jiàn)

8、，靈敏度提高了1倍，非線性誤差減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。 比較單線圈和差動(dòng)兩種變隙式電感傳感器的特性，可以得到如下結(jié)論： 差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高1倍。 差動(dòng)式的非線性項(xiàng)等于單線圈非線性項(xiàng)乘以( )因子，因?yàn)?，所以差?dòng)式的線性度得到明顯改善。第3章 電感式傳感器3.1.3 測(cè)量電路 自感式傳感器實(shí)現(xiàn)了把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樽愿械淖兓瑸榱藴y(cè)出自感的變化，同時(shí)也為了送入下級(jí)電路進(jìn)行放大和處理，就要用轉(zhuǎn)換電路把自感轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。一般，可將自感變化轉(zhuǎn)換為電壓(電流)的幅值、頻率、相位的變化，它們分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。 在自感式傳感器中一般采用調(diào)幅電路，調(diào)幅電路的主要形式有變壓器電橋和交流電

9、橋，而調(diào)頻和調(diào)相電路用得較少。第3章 電感式傳感器 1. 變壓器電橋第3章 電感式傳感器電橋兩臂Z1和Z2為傳感器兩線圈的等效阻抗，另外兩臂為交流變壓器的兩個(gè)副邊，副邊電壓均為U/2，供橋電源由帶中心抽頭的變壓器次級(jí)線圈供給，在圖示狀態(tài)下，由電路分析可得第3章 電感式傳感器 初態(tài)時(shí)：由于動(dòng)鐵居中即 ， 說(shuō)明電橋處于平衡狀態(tài)。 動(dòng)鐵芯上移時(shí)：則代入式得 動(dòng)鐵芯下移時(shí)：同理可得第3章 電感式傳感器 由以上分析可知，輸出電壓的大小反映動(dòng)鐵位移的大小，輸出電壓的極性反映動(dòng)鐵位移的方向。當(dāng)銜鐵上、下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓大小相等，但方向相反。 變壓器電橋的輸出電壓幅值與輸出阻抗均與交流電橋的相同。這種電橋與電

10、阻平衡臂電橋相比，元件少，輸出阻抗小，橋路開(kāi)路時(shí)電路呈線性；缺點(diǎn)是變壓器副邊不接地，容易引起來(lái)自原邊的靜電感應(yīng)電壓，使高增益放大器不能工作。第3章 電感式傳感器2. 帶相敏整流的交流電橋 差動(dòng)自感傳感器采用如上圖所示的變壓器電橋，可根據(jù)上式判別銜鐵位移的大小，然而輸出端的交流電壓表不能直接指示電橋輸出電壓的極性，因此無(wú)法確定動(dòng)鐵位移的方向，在使用交流電壓表時(shí)，其實(shí)際輸出特性曲線如圖所示。第3章 電感式傳感器基本測(cè)量電橋輸出特性曲線 由于電路結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱，初態(tài)時(shí)電橋不完全平衡，因而產(chǎn)生靜態(tài)零偏壓，稱之為零點(diǎn)殘余電壓，如圖中實(shí)線所示，圖中虛線為理想對(duì)稱狀態(tài)下的輸出特性。第3章 電感式傳感器帶相敏

11、整流的交流電橋 為了既能判別銜鐵位移的大小，又能判斷出銜鐵位移的方向，通常在交流測(cè)量電橋中引入相敏整流電路，把測(cè)量橋的交流輸出轉(zhuǎn)換為直流輸出，而后用零值居中的直流電壓表測(cè)量電橋的輸出電壓，原理電路如圖所示。第3章 電感式傳感器 Z1、Z2和兩個(gè)R構(gòu)成了交流電橋，差動(dòng)自感傳感器的兩個(gè)線圈Z1、Z2作為兩個(gè)相鄰的橋臂，平衡電阻為另外兩個(gè)橋臂；VD1VD4只二極管組成相敏整流電路。 為供橋交流電壓，U0為測(cè)量電路的輸出電壓，由零值居中的直流電壓表指示輸出電壓的大小和極性。第3章 電感式傳感器 當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，即Z1=Z2=Z，由于橋路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，此時(shí)UB=UC，即U0=UB-UC=0。當(dāng)銜鐵上移

12、時(shí)，Z1增大，Z2減小，即Z1=Z+Z，Z2=Z-Z 。 如果輸入交流電壓為正半周，即Ui上正下負(fù)時(shí)(A點(diǎn)電位為正，D點(diǎn)電位為負(fù))，則電路中二極管VD1、VD4導(dǎo)通，VD2、VD3截止，電流通路為Az1VD1BRD，AZ2VD4DRC，電流方向I1和I2，如圖所示。 因?yàn)閆1Z2，所以I1I2，此時(shí) 第3章 電感式傳感器如果輸入交流電壓為負(fù)半周，即Ui上負(fù)下正時(shí)(D點(diǎn)電位為正，A點(diǎn)電位為負(fù))，則電路中二極管VD2、VD3導(dǎo)通， VD1、VD4截止，電流通路為DR VD3Z1A，DRB VD2Z2A，電流方向I1和I2如圖中所示。同理可分析出U00。 這說(shuō)明無(wú)論電源正半周或負(fù)半周，測(cè)量橋的輸出狀

13、態(tài)不變，輸出均為U00，此時(shí)直流電壓表反向偏轉(zhuǎn)，讀數(shù)為負(fù)，表明銜鐵上移。第3章 電感式傳感器 當(dāng)銜鐵下移時(shí)，Z1減小，Z2增大， 即Z1=Z-Z，Z2=Z+Z 當(dāng)輸入交流電壓為正半周時(shí)，因?yàn)閆2Z1，所以I1I2，此時(shí) 當(dāng)輸入交流電壓為負(fù)半周時(shí)，同理可分析出U00。 這說(shuō)明無(wú)論電源正半周或負(fù)半周，測(cè)量橋的輸出狀態(tài) 不變，輸出均為U0 0，此時(shí)直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)，讀數(shù)為正，表明銜鐵下移。第3章 電感式傳感器 可見(jiàn)采用帶相敏整流的交流電橋，得到的輸出信號(hào)既 能反映位移大小，也能反映位移的方向，其輸出特性如圖所示。由圖可知，測(cè)量電橋引入相敏整流后，輸出特性曲線通過(guò)零點(diǎn)，輸出電壓的極性隨位移方向而發(fā)生

14、變化，同時(shí)消除了零點(diǎn)殘余電壓，還增加了線性度。第3章 電感式傳感器3.2 差動(dòng)變壓器式傳感器 將被測(cè)量的非電量轉(zhuǎn)換為互感變化量的傳感器稱為互感式傳感器。這種互感傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。在這種傳感器中，一般將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為變壓器的互感變化，變壓器初級(jí)線圈輸入交流電壓，次級(jí)線圈則互感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式。第3章 電感式傳感器3.2.1 工作原理及特性 1.工作原理 差動(dòng)變壓器主要由一個(gè)絕緣線框、三個(gè)線圈(一個(gè)初級(jí)線圈N1、兩個(gè)次級(jí)線圈N21、N22)和插入線圈中央的圓

15、柱形鐵芯組成。在線框上繞有一組一次線圈作為輸入線圈，在同一框架上另繞兩組二次線圈作為輸出線圈，并在線框中央圓柱孔中放入鐵芯，如圖 (a)所示。第3章 電感式傳感器 1初級(jí)線圓； 21，22次級(jí)兩差動(dòng)初線圓； 3線圓絕緣框架； 4活動(dòng)銜鐵第3章 電感式傳感器 在圖 (a)中，1表示變壓器初級(jí)線圈，21和22表示變壓器次級(jí)兩差動(dòng)線圈，為反向串聯(lián)。3為線圈絕緣框架，4表示活動(dòng)銜鐵，變量X表示活動(dòng)銜鐵的位移變化量。 在忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗的理想情況下，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖 (b)所示，R1、L1為初級(jí)線圈1的損耗電阻和自感，R21和R22表示兩次級(jí)線圈的電阻，L21和L22表示兩次級(jí)線圈的自

16、感，M1、M2為初級(jí)線圈N1與次級(jí)線圈N21、N22間的互感系數(shù)，e21和e22表示在初級(jí)電壓u1作用下在兩次級(jí)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)動(dòng)勢(shì)，圖中兩次級(jí)線圈反向串聯(lián)，形成差動(dòng)輸出電壓u2。第3章 電感式傳感器 當(dāng)一次線圈加以適當(dāng)頻率的電壓激勵(lì)時(shí)，根據(jù)變壓器的作用原理，在兩個(gè)二次線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，必然會(huì)使兩次級(jí)線圈的互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將有E21=E22，則U2=E21-E22=0，即差動(dòng)變壓器輸出電壓為0。 當(dāng)鐵芯向右移動(dòng)時(shí)，在右邊二次線圈內(nèi)穿過(guò)的磁通比左邊二次線圈多些，所以互感也大些，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E21增加；另

17、一個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E22隨鐵芯向右偏離中心位置而逐漸減小；反之，鐵芯向左移動(dòng)時(shí)，E21減小，E22增加。兩個(gè)二次線圈的輸出電壓分別為U21和U22(空載時(shí)即為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E21，E22)，如果將二次線圈反向串聯(lián)，則傳感器的輸出電壓U2=U21-U22。第3章 電感式傳感器 當(dāng)鐵芯移動(dòng)時(shí)，U2就隨著鐵芯位移x成線形增加，其特性如圖所示，形成V形特性。如果以適當(dāng)方法測(cè)量U2，就可以得到與x成正比的線性讀數(shù)。第3章 電感式傳感器 從圖中可看出，當(dāng)鐵芯位于中心位置，輸出電壓U2并不是零電位，這個(gè)電壓就是零點(diǎn)殘余電壓Ux，它的存在使傳感器的輸出特性曲線不經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，造成實(shí)際特性和理論特性不完全一致。 產(chǎn)生

18、零點(diǎn)殘余電壓的原因有很多，不外乎是變壓器的制作工藝和導(dǎo)磁體安裝等問(wèn)題，主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等引起的，一般UX在幾十毫伏。在實(shí)際使用時(shí)，必須設(shè)法減小，否則將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果。第3章 電感式傳感器2. 等效電路分析 差動(dòng)變壓器是利用磁感應(yīng)原理制作的。在制作時(shí)，理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際制作后的參數(shù)相差很大，往往還要借助于實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)修正。如果考慮差動(dòng)變壓器的渦流損耗、鐵損和寄生(耦合)電容等，其等效電路是很復(fù)雜的。在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖 (b)所示。 第3章 電感式傳感器 當(dāng)次級(jí)開(kāi)路時(shí)，初級(jí)線圈的

19、交流電流為次級(jí)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為差動(dòng)變壓器的空載輸出電壓為其有效值為 第3章 電感式傳感器 輸出阻抗為 其復(fù)阻抗的模為 由以上分析可得： 當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)M1=M2，故此時(shí)輸出電壓U2=0。 當(dāng)活動(dòng)銜鐵上移時(shí)，M1M2，此時(shí)輸出電壓 U20。 第3章 電感式傳感器 當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)，互感M1=M2，U2=0。 當(dāng)活動(dòng)銜鐵上移時(shí)，M1M2，此時(shí)輸出電壓U20。 當(dāng)活動(dòng)銜鐵下移時(shí)，M10。 輸出電壓還可以寫成第3章 電感式傳感器3.2.2 測(cè)量電路 由于差動(dòng)變壓器的輸出電壓為交流，用交流電壓表測(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向。另外，其測(cè)量值必定含有零點(diǎn)殘余電壓

20、。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(cè)量時(shí)，常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。 第3章 電感式傳感器1. 差動(dòng)整流電路 差動(dòng)變壓器最常用的測(cè)量電路是差動(dòng)整流電路，如圖所示，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。圖(a)和圖(b)為電壓輸出型，用于連接高阻抗負(fù)載電路，圖中的電位器用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓。圖 (c)和圖(d)為電流輸出型，用于連接低阻抗負(fù)載電路。采用差動(dòng)整流電路后，不但可以用0值居中的直流電表指示輸出電壓或電流的大小和極性，還可以有效地消除殘余電壓，同時(shí)可使線性工作范圍得到一定的擴(kuò)展。第3章 電感式傳感器第3章 電感式傳感器

21、下面結(jié)合圖 (b)全波電壓輸出電路，分析差動(dòng)整流電路的工作原理。 全波整流電路，是根據(jù)半導(dǎo)體二極管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。 設(shè)某瞬間載波為正半周，此時(shí)差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)線圈的相位關(guān)系為A正B負(fù)，C正D負(fù)； 在上線圈中，電流自A點(diǎn)出發(fā)，路徑為A1291143B，流過(guò)電容的電流是由2到4，電容C1上的電壓為U24。 在下線圈中，電流自C點(diǎn)出發(fā)，路徑為C56101187D，流過(guò)電容C2的電流是由6到8，電容兩端的電壓為U68。 差動(dòng)變壓器的輸出電壓為上述兩電壓的代數(shù)和，即U2=U24 - U68 。 第3章 電感式傳感器 同理，當(dāng)某瞬間載波為負(fù)半周時(shí)，即兩次級(jí)線圈的相位關(guān)系為A負(fù)B 正、C負(fù)D正，按

22、上述分析可知，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)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，可得差動(dòng)變壓器輸出電壓U2的表達(dá)式仍為U2=U24-U68 當(dāng)鐵芯在中間位置時(shí)，U24=U68 ，所以U2=0 ； 當(dāng)鐵芯在零位以上時(shí)，因?yàn)閁24U68 ，則U20； 當(dāng)鐵芯在零位以下時(shí)，因?yàn)閁24U68 ，則U20。 第3章 電感式傳感器 鐵芯在零位以上或以下時(shí)，輸出電壓的極性相反，于是零點(diǎn)殘余電壓會(huì)自動(dòng)抵消。由此可見(jiàn)，差動(dòng)整流電路可以不考慮相位調(diào)整和零點(diǎn)殘余電壓的影響。此外，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分布電容影響小和便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，獲得廣泛的應(yīng)用。在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，將此電路的

23、整流部分放在差動(dòng)變壓器的一端，整流后的輸出線延長(zhǎng)，就可避免感應(yīng)和引出線分布電容的影響。第3章 電感式傳感器2. 相敏檢波電路 相敏檢波電路的形式很多，過(guò)去通常采用分立元件構(gòu)成的電路，它可以利用半導(dǎo)體二極管或三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種性能的集成電路相繼出現(xiàn)，例如單片集成電路LZX1，就是一種集成化的全波相敏整流放大器，它以開(kāi)關(guān)元件的全波相敏解調(diào)器，能完成把輸入交流信號(hào)經(jīng)全波整流后變?yōu)橹绷餍盘?hào)，以及鑒別輸入信號(hào)相位等功能。該器件具有重量輕、體積小、可靠性高、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。第3章 電感式傳感器 差動(dòng)變壓器和LZX1的連接電路如圖所示。u2為信號(hào)輸入電壓，us為參考輸入電壓，R為調(diào)零電位

24、器，C為消振電容，若無(wú)C則會(huì)產(chǎn)生正反饋，發(fā)生振蕩。移相器使參考電壓和差動(dòng)變壓器次級(jí)輸出電壓同頻率，相位相同或相反。第3章 電感式傳感器 對(duì)于測(cè)量小位移的差動(dòng)變壓器，由于輸出信號(hào)小，還需在差動(dòng)變壓器的輸出端接入放大器，把放大的信號(hào)輸入到LZX1的信號(hào)輸入端。 一般經(jīng)過(guò)相敏檢波和差動(dòng)整流輸出的信號(hào)，還需通過(guò)低通濾波器，把調(diào)制時(shí)引入的高頻信號(hào)衰減掉，只讓鐵芯運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的有用信號(hào)通過(guò)。第3章 電感式傳感器3.2.3 零點(diǎn)殘余電壓及消除方法 與自感傳感器相似，差動(dòng)變壓器也存在零點(diǎn)殘余電壓?jiǎn)栴}。它的存在使得傳感器的特性曲線不通過(guò)原點(diǎn)，并使實(shí)際特性不同于理想特性。 零點(diǎn)殘余電壓的存在使傳感器的輸出特性在零點(diǎn)

25、附近的范圍內(nèi)不靈敏，限制分辨率的提高。零點(diǎn)殘余電壓太大，將使線性度變壞，靈敏度下降，甚至?xí)狗糯笃黠柡停枞杏眯盘?hào)的通過(guò)，致使儀器不再反映被測(cè)量的變化。因此，零點(diǎn)殘余電壓是評(píng)定傳感器性能的主要指標(biāo)之一，必須設(shè)法減小和消除。消除零點(diǎn)殘余電壓的方法主要有以下幾種：第3章 電感式傳感器誤差因素分析激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢(shì)。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，滿足 時(shí)，其影響不大。L1R22L21M1M2L22R21R11、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響L1R22L21M1M2L22R21R12、溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，

26、從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因子并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。 3、零點(diǎn)殘余電壓 當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。x-x0e2e201 基波正交分量(a)殘余電壓的波形 (b)波形分析13245e20te1e20et圖中e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。 2 基波同相分量3 二次諧波4 三次

27、諧波 5 電磁干擾零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因 基波分量 由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。 零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因 高次諧波 高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì)。另外，激勵(lì)電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成

28、分。1從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性 為保證線圈和磁路的對(duì)稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對(duì)，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過(guò)熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。 消除零點(diǎn)殘余電壓方法：采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。U0+x-x210相敏檢波后的輸出特性 2選用合適的測(cè)量線路 3采用補(bǔ)償線路CR(a)在差動(dòng)變壓器次級(jí)繞組

29、側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻、電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)，可使零點(diǎn)殘存電壓減小。在次級(jí)繞組側(cè)并聯(lián)電容。由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變繞組的相位，并聯(lián)電阻R是為了利用R的分流作用，使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。 （1） 設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性（2） 選用合適的測(cè)量線路（3）采用補(bǔ)償線路第3章 電感式傳感器3.3 電渦流式傳感器 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀流動(dòng)的感應(yīng)電流，稱之為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。渦流的大小與金屬體的電阻率、磁導(dǎo)率、金

30、屬板的厚度以及產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈與金屬導(dǎo)體的距離x、線圈的勵(lì)磁電流頻率f等參數(shù)有關(guān)。若固定其中若干參數(shù)，就能按渦流大小測(cè)量出另外的參數(shù)。 第3章 電感式傳感器3.3.1 工作原理 1. 高頻反射式電渦流傳感器 高頻反射式電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要是一個(gè)安置在框架上的線圈，線圈可以繞成一個(gè)扁平圓形粘貼于框架上，也可以在框架上開(kāi)一條槽，導(dǎo)線繞制在槽內(nèi)而形成一個(gè)線圈。線圈的導(dǎo)線一般采用高強(qiáng)度漆包線，如要求高一些，可用銀或銀合金線，在較高的溫度條件下，須用高溫漆包線。第3章 電感式傳感器 傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖1線圈； 2框架； 3框架襯套； 4支架； 5電纜； 6插頭第3章 電感式傳感器高頻反射式

31、電渦流傳感器第3章 電感式傳感器 如圖 (a)所示，傳感線圈由高頻電流I1激磁，產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)H1，當(dāng)被測(cè)金屬置于該磁場(chǎng)范圍內(nèi)，金屬導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生渦流I2，I2將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng)H2，H2和H1方向相反，因而抵消部分原磁場(chǎng)H1，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。 可見(jiàn)，線圈與金屬導(dǎo)體之間存在磁性聯(lián)系。若將導(dǎo)體形象地看作一個(gè)短路線圈，臨近高頻線圈L一側(cè)的金屬板表面感應(yīng)的渦流對(duì)L的反射作用，可以用圖 (b)所示的等效電路說(shuō)明。電渦流第3章 電感式傳感器 傳感器類似于次級(jí)短路的空心變壓器，可把傳感器空心線圈看作變壓器初級(jí)，線圈電阻為R1，電感為L(zhǎng)1，金屬導(dǎo)體中的渦流回路看作變壓器次級(jí)，回路

32、電流即I2，回路電阻為R2，電感為L(zhǎng)2，電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)傳感器線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的“反射作用”，可理解為傳感器線圈與此環(huán)狀電渦流之間存在著互感M，其大小取決于金屬導(dǎo)體和線圈的靠近程度，M隨著線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離x減小而增大。第3章 電感式傳感器 根據(jù)圖(b)所示的等效電路，按KVL可列出電路方程組為解此方程組可得電渦流傳感器的等效阻抗為電渦流傳感器的等效阻抗可表示為 等效電阻 等效電感 第3章 電感式傳感器 線圈的品質(zhì)因數(shù)由無(wú)渦流時(shí)的下降為 可見(jiàn)，由于渦流的影響，線圈復(fù)阻抗的實(shí)數(shù)部分增大，虛數(shù)部分減小，因此線圈的品質(zhì)因數(shù)Q下降。 第3章 電感式傳感器2. 低頻透射式電渦流傳感器第3章 電感式

33、傳感器 圖所示為低頻透射式渦流傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。在被測(cè)金屬的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈L1，在被測(cè)金屬板的下方設(shè)有接受傳感器線圈L2。當(dāng)在L1上加低頻電壓u1時(shí)，則在L1上產(chǎn)生交變磁通1，若兩線圈之間無(wú)金屬板，則交變磁場(chǎng)直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓u2。如果將被測(cè)金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁通將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流i0，此時(shí)磁場(chǎng)能量受到損耗，到達(dá)L2的磁通將減弱為2，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓u2下降。顯然，金屬板厚度尺寸d越大，穿過(guò)金屬板L2到達(dá)的磁通2就越小，感應(yīng)電壓u2也相應(yīng)減小。因此，可根據(jù)u2的大小得知被測(cè)金屬板的厚度。第3章 電感式傳感器 由圖可知，頻率越低，f1f

34、2f3，磁通穿透能力越強(qiáng)，在接受線圈上感應(yīng)的電壓u2也越高；頻率較低時(shí)，線性較好，因此要求線性好時(shí)應(yīng)選擇較低的激勵(lì)頻率(通常為1kHz左右)；d較小時(shí)，f3曲線的斜率較大，因此測(cè)薄板時(shí)應(yīng)選較高的激磁頻率，測(cè)厚板時(shí)應(yīng)選較低的激磁頻率。 低頻透射式渦流傳感器的檢測(cè)范圍可達(dá)1mm100mm，分辨率為0.1。第3章 電感式傳感器3.3.2 測(cè)量電路 根據(jù)電渦流測(cè)量的基本原理和等效電路，傳感器線圈與被測(cè)金屬導(dǎo)體間距離的變化可以轉(zhuǎn)化為傳感器線圈的品質(zhì)因數(shù)Q、等效阻抗Z和等效電感L的變化。測(cè)量電路的任務(wù)是把這些參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，可以用三種類型的電路：電橋電路；諧振電路；正反饋電路。 利用Z的測(cè)

35、量電路一般用橋路，屬于調(diào)幅電路。利用L的測(cè)量電路一般用諧振電路，根據(jù)輸出是電壓幅值還是電壓頻率，諧振電路又分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種。第3章 電感式傳感器1. 電橋電路 這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要用于差動(dòng)式電渦流傳感器。圖中L1和L2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)線圈，分別與選頻電容C1和C2并聯(lián)組成相鄰的兩個(gè)橋臂，電阻R1和R2組成另外兩個(gè)橋臂，電源由振蕩器供給，振蕩頻率根據(jù)渦流式傳感器的需求選擇。電橋?qū)⒎磻?yīng)線圈阻抗的變化，線圈阻抗的變化將轉(zhuǎn)換成電壓幅值的變化。第3章 電感式傳感器 當(dāng)靜態(tài)時(shí)，電橋平衡，輸出電壓uAB=0。 當(dāng)傳感器接近被測(cè)金屬導(dǎo)體時(shí)，傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，電橋失去平衡，即uAB0 ，經(jīng)過(guò)線性

36、放大和檢波器檢波后輸出直流電壓U，顯然此輸出電壓U與被測(cè)距離成正比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的測(cè)量。第3章 電感式傳感器2. 諧振電路 這種方法是把傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振電路。并聯(lián)諧振電路的諧振頻率為 諧振時(shí)LC并聯(lián)諧振回路的等效阻抗最大，等于 式中，R為諧振回路的等效電阻；L為傳感器線圈的自感。第3章 電感式傳感器 當(dāng)傳感器接近被測(cè)金屬導(dǎo)體時(shí)，線圈電感L發(fā)生變化，回路的等效阻抗和諧振頻率將隨著L的變化而變化，因此可以利用測(cè)量回路阻抗的方法或測(cè)量回路諧振頻率的方法間接反映出傳感器的被測(cè)量，相對(duì)應(yīng)的就是調(diào)幅法和調(diào)頻法。 1) 調(diào)幅法 電路由傳感器線圈的等效電感和一個(gè)固定電容組成并聯(lián) 諧振回

37、路，由頻率穩(wěn)定的振蕩器(如石英晶體振蕩器)提供高頻激勵(lì)信號(hào)，如圖所示。圖中R為耦合電阻，可用來(lái)降低傳感器對(duì)振蕩器工作的影響，其數(shù)值大小將影響測(cè)量電路的靈敏度，耦合電阻的選擇應(yīng)考慮振蕩器的輸出阻抗和傳感器線圈的品質(zhì)因數(shù)。第3章 電感式傳感器 調(diào)幅法測(cè)量電路 諧振調(diào)幅電路特性第3章 電感式傳感器 電路的輸出電壓為式中，i0為高頻激磁電流；Z為L(zhǎng)C回路的阻抗。 在初態(tài)時(shí)，傳感器遠(yuǎn)離被測(cè)體，調(diào)整LC回路的并聯(lián)諧振頻率 等于石英晶體振蕩器頻率，此時(shí)LC回路的阻抗最大，即 ，輸出電壓的幅值也是最大。 工作時(shí)，當(dāng)傳感器線圈接近被測(cè)金屬導(dǎo)體時(shí)，線圈與被測(cè)體之間的距離x變化，導(dǎo)致線圈的等效電感L發(fā)生變化，諧振回

38、路的諧振頻率和等效阻抗也跟著發(fā)生變化，致使回路失諧而偏離激勵(lì)頻率，諧振峰將向左或右移動(dòng)，如圖所示。第3章 電感式傳感器 從圖可見(jiàn)，若被測(cè)金屬導(dǎo)體為非磁性材料，由于磁導(dǎo)率減小，傳感器線圈的等效電感L減小，LC回路的諧振頻率提高，諧振曲線右移，對(duì)應(yīng)的諧振頻率為f1、f2，回路等效阻抗減小，輸出電壓u0減小到u1、u2。若被測(cè)材料為磁性材料時(shí)，由于磁導(dǎo)率增加，諧振回路的等效電感L增大，LC回路的諧振頻率降低，諧振曲線左移，對(duì)應(yīng)的諧振頻率為f3、f4，回路等效阻抗減小，輸出電壓u0減小到u3、u4 。因此，可以由輸出電壓的變化來(lái)表示傳感器與被測(cè)導(dǎo)體間距離x的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的測(cè)量，故稱調(diào)幅法 第3章 電感式傳感器2) 調(diào)頻法 傳感器線圈作為組成LC振蕩器的電感元件，當(dāng)傳感器的等效電感L發(fā)生變化時(shí)，引起振蕩器的振蕩頻率變化，該頻率可直接由數(shù)字頻率計(jì)測(cè)得，或通過(guò)頻率/電壓轉(zhuǎn)換后用數(shù)字電壓表測(cè)量出對(duì)應(yīng)的電壓。調(diào)頻電路原理圖第3章 電感式傳感器 這種方法穩(wěn)定性較差，因?yàn)長(zhǎng)C振蕩器的頻率穩(wěn)定性最高只有10-5數(shù)量級(jí)，雖然可以通過(guò)擴(kuò)大調(diào)頻范圍來(lái)提高穩(wěn)定性，但調(diào)頻的范圍不能無(wú)限制擴(kuò)大。 采用這種測(cè)量電路時(shí)，不能忽略傳感器與振蕩器之間連接電纜的分布電容，幾皮法的變化將使頻率變化幾千赫，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)