傳感器與檢測技術(shù)第三章

下頁返回第3章電感式傳感器3.1自感式傳感器3.2變壓器式傳感器3.3渦流式傳感器3.4電感式傳感器的應(yīng)用

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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(通常稱為差動變壓器式傳感器)，利用渦流原理的電渦流式傳感器。

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實現(xiàn)非電量的檢測。下頁上頁返回

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量的變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化，通過一定的轉(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。

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自感式傳感器的原理圖下頁上頁返回

如果空氣隙δ較小，且不考慮磁路的鐵損，則線圈的自感可按下式計算：因為導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，即氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，所以線圈的自感為：

差動變隙式電感傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖下頁上頁返回下頁上頁返回

①初態(tài)時：若結(jié)構(gòu)對稱，且動鐵居中，則差動變隙式自感傳感器的工作原理如下:②動鐵上移時：則︱下頁上頁返回

動鐵位移時，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。輸出電壓正比于2△I，因而靈敏度較高，非線性減小。③動鐵下移時：同理可得下頁上頁返回3.1.2電感計算及輸出特性分析下頁上頁返回

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，則初始電感量為為了保證一定的測量范圍和線性度，一般?。合马撋享摲祷?/p>

電感的變化量為電感的相對變化量為

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忽略高次項，可得

式中，負(fù)號表示若氣隙增大，則電感減?。蝗魵庀稖p小，則電感增大。

氣隙型電感傳感器的靈敏度為

當(dāng)時，用泰勒級數(shù)展開級數(shù)形式，即下頁上頁返回

由此可見，變氣隙式電感傳感器的測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量微小位移時是比較精確的。為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動式電感傳感器。高次項是造成非線性的主要原因,因此非線性誤差與的大小有關(guān)，其值越小，則高次項迅速減小，非線性得到改善。下頁上頁返回

電感的相對變化量為

差動式電感傳感器的電感變化量為下頁上頁返回

忽略高次項，可得其靈敏度為當(dāng)時，上式用泰勒級數(shù)展開成級數(shù)形式為下頁上頁返回

差動式比單線圈式的靈敏度高1倍。差動式的非線性得到明顯改善。比較單線圈和差動兩種變隙式電感傳感器的特性，可以得到如下結(jié)論：下頁上頁返回3.1.3測量電路

自感式傳感器實現(xiàn)了把被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樽愿械淖兓?，為了測出自感的變化，同時也為了送入下級電路進(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橋。下頁上頁返回

1.變壓器電橋下頁上頁返回①初態(tài)時：由于動鐵居中即，，說明電橋處于平衡狀態(tài)。②動鐵芯上移時：則代入式得③動鐵芯下移時：同理可得輸出電壓的大小反映動鐵位移的大小，輸出電壓的極性反映動鐵位移的方向。下頁上頁返回基本測量電橋輸出特性曲線

接成差動形式的電橋，當(dāng)鐵心處于平衡位置時，輸出電壓不為零，而是一個很小的數(shù)值ΔU0，這個值稱為零點殘余電壓。2.帶相敏整流的交流電橋下頁上頁返回零點殘余電壓形成的原因：兩線圈等效參數(shù)（R、L）不對稱；工作電壓中含有高次諧波；磁路本身存在非線性（鐵心材料磁化曲線彎曲部分）；存在寄生參數(shù)；工頻干擾危害：靈敏度↓非線性誤差↑放大器飽和下頁上頁返回零點殘余電壓的消除：提高線圈及其骨架的對稱性；減少電源中的諧波成分；選擇理想的磁性材料，適當(dāng)降低線圈的激勵電流，使銜鐵盡可能工作在磁化曲線的線性區(qū)；采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路（Rp、RC等)；下頁上頁返回零點殘余電壓補(bǔ)償電路下頁上頁返回

帶相敏整流的交流電橋

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，通常在交流測量電橋中引入相敏整流電路，把測量橋的交流輸出轉(zhuǎn)換為直流輸出，而后用零值居中的直流電壓表測量電橋的輸出電壓。下頁上頁返回

②當(dāng)銜鐵上移時，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，電路中二極管VD1、VD4導(dǎo)通，VD2、VD3截止，電流方向I1和I2，因Z1＞Z2，所以I1＜I2，此時①當(dāng)銜鐵處于中間位置時，即Z1=Z2=Z，由于橋路結(jié)構(gòu)對稱，此時UB=UC，即Uo=UB－UC=0。

同理，如果輸入交流電壓為負(fù)半周，U0＜0可見無論電源正半周或負(fù)半周，測量橋的輸出狀態(tài)不變，輸出均為U0＜0，此時直流電壓表反向偏轉(zhuǎn)，讀數(shù)為負(fù)，表明銜鐵上移。下頁上頁返回③當(dāng)銜鐵下移時，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，因為Z2＞Z1，所以I1＞I2，此時當(dāng)輸入交流電壓為負(fù)半周時，同理可分析出U0＞0。這說明無論電源正半周或負(fù)半周，測量橋的輸出狀態(tài)不變，輸出均為U0

＞0，此時直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)，讀數(shù)為正，表明銜鐵下移。下頁上頁返回

可見采用帶相敏整流的交流電橋，得到的輸出信號既能反映位移大小，也能反映位移的方向，其輸出特性如圖所示。由圖可知，測量電橋引入相敏整流后，輸出特性曲線通過零點，輸出電壓的極性隨位移方向而發(fā)生變化，同時消除了零點殘余電壓，還增加了線性度。下頁上頁返回3.2差動變壓器

將被測量的非電量轉(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，并且次級繞組都用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。在這種傳感器中，一般將被測量的變化轉(zhuǎn)換為變壓器的互感變化，變壓器初級線圈輸入交流電壓，次級線圈則互感應(yīng)出電動勢。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式。下頁上頁返回

1—初級線圓；21，22—次級兩差動初線圓；

3—線圓絕緣框架；4—活動銜鐵3.2.1工作原理及特性下頁上頁返回

當(dāng)一次線圈加以適當(dāng)頻率的電壓激勵時，在兩個二次線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如果變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱，則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時，兩次級線圈的互感系數(shù)M1=M2，將有E21=E22，則U2=E21-E22=0，即差動變壓器輸出電壓為0。下頁上頁返回

當(dāng)鐵芯向右移動時，在右邊二次線圈內(nèi)穿過的磁通比左邊二次線圈多些，所以互感也大些，感應(yīng)電動勢E21增加；另一個線圈的感應(yīng)電動勢E22逐漸減??；反之，鐵芯向左移動時，E21減小，E22增加。設(shè)兩個二次線圈的輸出電壓分別為U21和U22，如果將二次線圈反向串聯(lián)，則傳感器的輸出電壓U2=U21-U22。下頁上頁返回

當(dāng)鐵芯移動時，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)方法測量U2，就可以得到與x成正比的線性讀數(shù)。下頁上頁返回

當(dāng)次級開路時，初級線圈的交流電流為次級線圈的感應(yīng)電動勢為差動變壓器的空載輸出電壓為其有效值為2.等效電路分析

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由以上分析可得：①當(dāng)活動銜鐵處于中間位置時M1=M2，故此時輸出電壓U2=0。②當(dāng)活動銜鐵上移時，M1＞M2，此時輸出電壓

U2＜0。輸出阻抗為其復(fù)阻抗的模為下頁上頁返回

③

當(dāng)活動銜鐵下移時，M1＜M2，此時輸出電壓U2＞0。

輸出電壓還可以寫成下頁上頁返回1.差動整流電路3.2.2測量電路下頁上頁返回

差動變壓器的輸出電壓為上述兩電壓的代數(shù)和，即

U2=U24-U68

對于圖（b）全波電壓輸出電路：當(dāng)鐵芯在中間位置時，U24=U68

，所以U2=0；當(dāng)鐵芯在零位以上時，因為U24>U68

，則U2＞0；當(dāng)鐵芯在零位以下時，因為U24<U68

，則U2＜0。可見鐵芯在零位以上或以下時，輸出電壓的極性相反，于是零點殘余電壓會自動抵消。此外，該電路還具有結(jié)構(gòu)簡單、分布電容影響小和便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點，獲得廣泛的應(yīng)用。下頁上頁返回

差動變壓器和LZX1（相敏整流放大器）的連接電路如圖所示。u2為信號輸入電壓，us為參考輸入電壓，R為調(diào)零電位器，C為消振電容，移相器使參考電壓和差動變壓器次級輸出電壓同頻率，相位相同或相反。2.相敏檢波電路下頁上頁返回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)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀流動的感應(yīng)電流，稱之為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。下頁上頁返回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下頁上頁返回

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根據(jù)等效電路，可列出電路方程組為下頁上頁返回由此可見，被測量數(shù)變化可以轉(zhuǎn)換成傳感器線圈的等效阻抗Z、等效電感L及品質(zhì)因素Q等的變化。通過轉(zhuǎn)換電路可把這些種參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。

線圈的品質(zhì)因數(shù)由無渦流時的下降為

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下頁上頁返回2.低頻透射式電渦流傳感器根據(jù)接受線圈感應(yīng)電壓u2的大小得到被測金屬板得厚度。下頁上頁返回頻率越低（f1＜f2＜f3）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，且頻率較低時，線性較好，因此要求線性好時應(yīng)選擇較低的激勵頻率(通常為1kHz左右)d較小時，f3曲線的斜率較大，因此測薄板時應(yīng)選較高的激磁頻率，測厚板時應(yīng)選較低的激磁頻率。低頻透射式渦流傳感器的檢測范圍可達(dá)1mm～100mm，分辨率為0.1。下頁上頁返回3.3.2測量電路

根據(jù)電渦流測量的基本原理和等效電路，傳感器線圈與被測金屬導(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：

電橋電路諧振電路調(diào)幅調(diào)頻正反饋電路下頁上頁返回1.電橋電路

電橋?qū)⒕€圈阻抗的變化轉(zhuǎn)換成電壓幅值的變化。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，主要用于差動式電渦流傳感器。下頁上頁返回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。下頁上頁返回

當(dāng)傳感器接近被測金屬導(dǎo)體時，線圈電感L發(fā)生變化，回路的等效阻抗Z和諧振頻率將隨著L的變化而變化，相應(yīng)的就是調(diào)幅法和調(diào)頻法。1.調(diào)幅法調(diào)幅法測量電路諧振調(diào)幅電路特性下頁上頁返回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，引起振蕩器的振蕩頻率變化，該頻率可直接由數(shù)字頻率計測得，或通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換后用數(shù)字電壓表測量出對應(yīng)的電壓。調(diào)頻電路原理圖下頁上頁返回3.正反饋電路放大器的反饋電路是由ZL組成，當(dāng)線圈與被測體之間的距離發(fā)生變化時，ZL變化，反饋放大電路的放大倍數(shù)發(fā)生變化，從而引起運算放大器輸出電壓變化，經(jīng)檢波和放大后使測量電路的輸出電壓變化。因此，可以通過輸出電壓的變化來檢測傳感器和被測體之間距離的變化。反饋法測量電路原理圖下頁上頁返回3.4電感式傳感器的應(yīng)用

電感式傳感器是被廣泛采用的一種電磁機(jī)械式傳感器，它除可直接用于測量直線位移、角位移的靜態(tài)和動態(tài)量外，還可以它為基礎(chǔ)，做成多種用途的傳感器，用以測量力、壓力、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。下頁上頁返回3.4.1自感式傳感器的應(yīng)用

自感式傳感器具有靈敏度比較好(可測0.1的直線位移)、輸出信號較大、信噪比較好、工藝要求不高、加工容易的特點，但是存在非線性，消耗功率較大，測量范圍比較小的缺點。自感式傳感器一般用于接觸測量，可用于靜態(tài)和動態(tài)測量，它主要用于位移測量，也可用于振動、壓力、荷重、流量、液位等參數(shù)測量。

下頁上頁返回1.自感式壓力傳感器

變間隙式差動電感壓力傳感器下頁上頁返回2.自感式位移傳感器螺管式差動自感傳感器3.直徑分選裝置下頁上頁返回3.4.2差動變壓器的應(yīng)用

差動變壓器式傳感器具有精度高(達(dá)0.l量級)，線圈變化范圍大(可擴(kuò)大到±l00mm，視結(jié)構(gòu)而定)，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于位移、加速度、壓力、壓差、液位、應(yīng)變、比重、張力和厚度等參數(shù)的測量。下頁上頁返回1.加速度傳感器差動變壓器式加速度傳感器下頁上頁返回2.力平衡式差壓計