電感式傳感器綜述

第5章電感式傳感器5.1變磁阻式傳感器5.2差動變壓器式傳感器5.3電渦流式傳感器電感傳感器（Inductancesensor）：利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，進(jìn)而由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量?；靖拍畋粶y量→自感L(互感M)→U（I）可用來測量位移、壓力、流量、振動等非電量信號。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，精度高，可實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中被廣泛采用；缺點(diǎn)：靈敏度、線性度和測量范圍相互制約；傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于高頻快速動態(tài)測量。基本概念各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器電感式浮球傳感器5.1變磁阻式傳感器5.1.1結(jié)構(gòu)與工作原理變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5.1.1所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。圖5.1.1變磁阻式傳感器根據(jù)電感定義,線圈中電感量可由下式確定:5.1變磁阻式傳感器式中:I——通過線圈的電流;W——線圈的匝數(shù);Φ——穿過線圈的磁通。由磁路歐姆定律,得式中：

Rm為磁路總磁阻。兩式聯(lián)立得:(5-1)5.1變磁阻式傳感器對于空氣間隙很小的時候可以認(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(5-2)式中:μ1——鐵芯材料的磁導(dǎo)率;μ2——銜鐵材料的磁導(dǎo)率;μ0——空氣的磁導(dǎo)率;l1——磁通通過鐵芯的長度;l2——磁通通過銜鐵的長度;S0——?dú)庀兜慕孛娣e;S1——鐵芯的截面積;S2——銜鐵的截面積;

δ——?dú)庀兜暮穸取?/p>

5.1變磁阻式傳感器通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻,即則式(5-2)可近似為綜上，則(5-1)變?yōu)?.1變磁阻式傳感器上式表明:當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時,電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù),只要改變δ或S0均可導(dǎo)致電感變化。

因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ和變氣隙面積S0的傳感器。變氣隙厚度5.1變磁阻式傳感器5.1變磁阻式傳感器變氣隙面積式5.1變磁阻式傳感器測量原理：鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成；在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為δ,傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時,氣隙厚度δ發(fā)生改變,引起磁路中磁阻變化,從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化,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。使用最廣泛的是變氣隙厚度δ式電感傳感器。

5.1變磁阻式傳感器5.1.2輸出特性分析由式可知L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖5.1.2所示。圖5.1.2變隙式電壓傳感器的L-δ特性5.1變磁阻式傳感器設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙棣?，初始電感量為L0，銜鐵位移引起的氣隙變化量為Δδ。當(dāng)銜鐵處于初始位置時，初始電感量為：當(dāng)銜鐵上移Δδ時，傳感器氣隙減小Δδ，即δ=δ0-Δδ，則此時輸出電感為L=L0+ΔL，代入上式5.1變磁阻式傳感器整理得當(dāng)Δδ/δ0<<1時，可將上式用Taylor級數(shù)展開成如下的級數(shù)形式：5.1變磁阻式傳感器由上式可求得電感增量ΔL和相對增量ΔL/L0的表達(dá)式，即：(5-3)5.1變磁阻式傳感器同理，當(dāng)銜鐵隨被測體的初始位置向下移動Δδ時，有(5-4)5.1變磁阻式傳感器對式(5-3)、(5-4)作線性處理，即忽略高次項(xiàng)后，得：可得靈敏度為若只考慮二次項(xiàng)誤差，則其線性度為5.1變磁阻式傳感器由此可見,變間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(shí)際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。5.1變磁阻式傳感器圖5.1.3所示為差動變隙式電感傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。圖5.1.3差動變隙式電感傳感器1——鐵芯2——線圈3——銜鐵5.1變磁阻式傳感器由圖可知,差動變隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈L1、L2和磁路組成。測量時,銜鐵通過導(dǎo)桿與被測位移量相連,當(dāng)被測體上下移動時,導(dǎo)桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動,使兩個磁回路中磁阻發(fā)生相反的變化,導(dǎo)致一個線圈的電感量增加,另一個線圈的電感量減小,形成差動形式。5.1變磁阻式傳感器當(dāng)銜鐵移動Δδ時,兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2之和為差動變隙式電感傳感器輸入輸出特性曲線當(dāng)差動使用時,特性曲線表明當(dāng)位移控制在-Δδ和Δδ之間時，輸出輸入近似呈線性關(guān)系。測量范圍大概是氣隙厚度的10%--20%。較大位移的一般用螺線管型電感傳感器。比較單線圈和差動兩種變間隙式電感傳感器的特性,可以得到如下結(jié)論:

5.1變磁阻式傳感器對上式進(jìn)行線性處理，忽略高次項(xiàng)得靈敏度K0為線性度為5.1變磁阻式傳感器①差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。②差動式的非線性項(xiàng)等于單線圈非線性項(xiàng)乘以（Δδ/δ0）因子,因?yàn)椋éう?δ0）<<

1,所以,差動式的線性度得到明顯改善。為了使輸出特性能得到有效改善,構(gòu)成差動的兩個變隙式電感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、材料、電氣參數(shù)等方面均應(yīng)完全一致。5.1變磁阻式傳感器電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。5.1.3信號調(diào)節(jié)電路1.電感式傳感器的等效電路從電路角度看，電感式傳感器的線圈并非是純電感，該電感由有功分量和無功分量兩部分組成。5.1變磁阻式傳感器有功分量包括：線圈線繞電阻、渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻，這些都可折合成為有功電阻R；無功分量包含：線圈自感L,線圈繞組的固有電容及電纜分布電容C。綜上可得其等效電路如圖5.1.4所示。圖5.1.4電感式傳感器的等效電路圖5.1.4中，L為線圈的自感，R為折合有功電阻的總電阻，C為并聯(lián)寄生電容。上圖的等效線圈阻抗為將上式有理化并應(yīng)用品質(zhì)因數(shù)Q=ωL/R，可得

5.1變磁阻式傳感器表示線圈損耗，Q越高，損耗越小，效率越高則

令

從以上分析可以看出，并聯(lián)電容的存在，使有效串聯(lián)損耗電阻及有效電感增加，而有效Q值減小。5.1變磁阻式傳感器當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q較高時，上式可近似為

將L'對L求導(dǎo)，求得dL，即可得具有并聯(lián)電容的傳感器的有效靈敏度為由以上分析知，并聯(lián)電容C的存在，會引起傳感器性能的一系列變化。因此，在實(shí)際測量中，若根據(jù)需要更換了連接電纜線的長度，在高精度測量時應(yīng)對傳感器的靈敏度重新進(jìn)行標(biāo)定。5.1變磁阻式傳感器5.1變磁阻式傳感器2.交流電橋式測量電路

圖5.1.5為交流電橋測量電路，橋臂Z1和Z2是傳感器的兩個線圈，另外兩個相鄰的橋臂用純電阻R代替。圖5.1.5

交流電橋測量電路5.1變磁阻式傳感器設(shè)Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ，Z是銜鐵在中間位置時單個線圈的復(fù)阻抗，ΔZ是銜鐵偏離中心位置時單線圈阻抗的變化量。5.1變磁阻式傳感器對于高Q(品質(zhì)因數(shù))值的差動式電感傳感器，有則電橋輸出電壓為ΔZ

=jωΔL式中:L0——銜鐵在中間位置時單個線圈的電感;ΔL——單線圈電感的變化量。有一只差動電感位移傳感器，已知電源電壓Usr=4V，f=400Hz，傳感器線圈銅電阻與電感量分別為R=40Ω，L=30mH，用兩只匹配電阻設(shè)計(jì)成四臂等阻抗電橋，如圖所示，試求：(1)匹配電阻R3和R4的值；(2)當(dāng)△Z=10Ω時，接成差動電橋后的輸出電壓值；(3)輸出電壓與輸入電壓與之間的相位差。5.1變磁阻式傳感器5.1變磁阻式傳感器3.變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋測量電路如圖5.1.6所示，電橋兩臂Z1、Z2為差動式傳感器線圈阻抗，它的平衡臂為變壓器的兩個二次繞組。當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時（開路），橋路輸出電壓：5.1變磁阻式傳感器圖5.1.6變壓器式交流電橋此時有，電橋平衡。當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即Z1=Z2=Z5.1變磁阻式傳感器當(dāng)傳感器銜鐵下移時,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此時當(dāng)傳感器銜鐵上移時,則Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此時5.1變磁阻式傳感器可知：銜鐵上下移動相同距離時，產(chǎn)生的輸出電壓大小相等，但輸出相位相反。由于U是交流電壓，因此根據(jù)輸出指示無法判斷位移方向（判斷不出正負(fù)），同樣必須配合相敏檢波電路來解決。變壓器電橋與電阻平衡臂電橋相比，具有元件少，輸出阻抗小的優(yōu)點(diǎn)，但易引起來自原邊的靜電感應(yīng)電壓，使高增益放大器不能工作。5.1變磁阻式傳感器

4.諧振式測量電路諧振式測量電路有諧振式調(diào)幅電路(如圖5.1.7所示)和諧振式調(diào)頻電路(如圖5.1.8所示)。①調(diào)幅電路的基本原理在調(diào)幅電路中,傳感器電感L與電容C,變壓器原邊串聯(lián)在一起,接入交流電源,變壓器副邊將有電壓輸出,輸出電壓的頻率與電源頻率相同,5.1變磁阻式傳感器而幅值隨著電感L而變化,圖5.1.7（b）所示為輸出電壓與電感L的關(guān)系曲線,其中L0為諧振點(diǎn)的電感值。如上所述，此電路的輸出電壓隨電感L變化而變化，當(dāng)L變到電路的諧振點(diǎn)時，輸出最大。該電路靈敏度很高，線性差，適用于線性要求不高的場合，且同一對應(yīng)兩個L。5.1變磁阻式傳感器圖5.1.7諧振式調(diào)幅電路5.1變磁阻式傳感器②調(diào)頻電路的基本原理調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L的變化將引起輸出電壓頻率的變化。通常把傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中，其振蕩頻率當(dāng)L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。圖5.1.8（b）表示f與L的關(guān)系曲線，它具有明顯的非線性關(guān)系。5.1變磁阻式傳感器圖5.1.8諧振式調(diào)頻電路5.1變磁阻式傳感器5.1.4應(yīng)用一般用于接觸測量，可用于靜態(tài)和動態(tài)測量。

主要用于位移測量，也可以用于振動、壓力、荷重、流量、液位等參數(shù)的測量。以下是變磁阻式傳感器在壓力測量方面的例子。它由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成,銜鐵與膜盒的上端連在一起。5.1變磁阻式傳感器圖5.1.9變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖1變隙電感式壓力傳感器當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時，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，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。5.1變磁阻式傳感器2變隙式差動電感壓力傳感器它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。當(dāng)被測壓力進(jìn)入C形彈簧管時，C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化。即一個電感量增大，另一個電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。5.1變磁阻式傳感器圖5.1.8變隙式差動電感壓力傳感器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。5、電感式傳感器采用變壓器式交流電橋測量電路時，下列說法不正確的是（

）。A.銜鐵上、下移動時，輸出電壓相位相反B.銜鐵上、下移動時，輸出電壓隨銜鐵的位移而變化C.根據(jù)輸出的指示可以判斷位移的方向D.當(dāng)銜鐵位于中間位置時，電橋處于平衡狀態(tài)1、變磁阻式傳感器由

、

和

三部分組成。2、變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變隙式電感式傳感器適用于測量

的場合。3、比較單線圈式和差動式：差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的

，差動式的

得到明顯改善。4、電感式傳感器的測量電路有

、

等。5.1變磁阻式傳感器變隙型電感傳感器鐵芯截面積s=4*4mm2，氣隙厚度δ=0.8mm，銜鐵最大位移Δδ=±0.08mm，激勵線圈匝數(shù)W=2500匝，導(dǎo)線直徑d=0.06mm，電阻率ρ=1.75*10-6Ω·cm，當(dāng)激勵電源頻率f=4000Hz時，忽略漏磁及鐵損，求：（1）線圈電感值；（2）電感的最大變化量；（3）線圈的直流電阻值（求長度時導(dǎo)線直徑可忽略不計(jì)）；（4）線圈的品質(zhì)因數(shù)（5）當(dāng)線圈存在200pF分布電容與之并聯(lián)后其等效電感值5.2差動變壓器式傳感器互感式傳感器：

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。差動變壓器式傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式有:變隙式、螺線管式和變面積式等，圖5.2.1為差動變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。5.2.1概述圖5.2.1

差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖（a）、（b）變隙式差動變壓器

5.2差動變壓器式傳感器在A、B兩個鐵芯上繞有W1a=W1b=W1的兩個初級繞組和W2a=W2b=W2兩個次級繞組。兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個次級繞組的同名端則反向串聯(lián)。變隙式差動變壓器的結(jié)構(gòu)變隙式差動變壓器工作原理5.2差動變壓器式傳感器當(dāng)沒有位移時，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙有δa0=δb0=δ0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個次級繞組的互感電動勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反相串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。當(dāng)有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb，互感Ma≠M(fèi)b，兩次級繞組的互感電動勢e2a≠e2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b≠0，即差動變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向。圖5.2.1差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖（c）、（d）變面積式差動變壓器

5.2差動變壓器式傳感器圖5.2.1差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖（e）、（f）螺線管式差動變壓器

5.2差動變壓器式傳感器(c)1U&2U&2U&1U&(d)圖(a)(b)兩種結(jié)構(gòu)的差動變壓器，銜鐵均為板形，靈敏度高，范圍則較窄，一般用于測量幾微米到幾百微米的機(jī)械位移。圖(c)(d)兩種結(jié)構(gòu)是測量轉(zhuǎn)角的差動變壓器，通?？蓽y到幾角秒的微小角位移，輸出線性范圍一般在左右。圖(e)(f)兩種結(jié)構(gòu)常采用圓柱形銜鐵的螺管型差動變壓器。1.結(jié)構(gòu)5.2.2螺線管式差動變壓器螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)如圖5.2.2所示,它由活動銜鐵,導(dǎo)磁外殼和骨架等組成。螺線管式差動變壓器可以測量1—100mm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)。

5.2差動變壓器式傳感器圖5.2.2螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)5.2差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器中的兩個次級線圈反相串聯(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,其等效電路如圖5.2.4所示。圖5.2.4差動變壓器等效電路5.2差動變壓器式傳感器2.工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級繞組中感應(yīng)電勢的表達(dá)式分別為式中，M1、M2為初級繞組與兩次級繞組的互感。5.2差動變壓器式傳感器當(dāng)次級開路時式中：U——初級線圈激勵電壓；

ω——激勵電壓U的角頻率；

I1——初級線圈激勵電流；

r1、L1——初級線圈直流電阻和電感。5.2差動變壓器式傳感器由于次級兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級開路，則由以上關(guān)系可得輸出電壓的有效值為5.2差動變壓器式傳感器只要求出互感M1和M2對活動銜鐵位移x的關(guān)系式，再代入上式即可得到螺線管式差動變壓器的基本特性表達(dá)式。①活動銜鐵處于中間位置時M1=M2=M

故Uo=05.2差動變壓器式傳感器②活動銜鐵向上移動時M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

故與E2a同極性。5.2差動變壓器式傳感器③活動銜鐵向下移動時M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故與E2b同極性。5.2差動變壓器式傳感器圖5.2.5差動變壓器輸出電壓的特性曲線5.2差動變壓器式傳感器由圖5.2.5可以看出，當(dāng)銜鐵位于中心位置時，差動變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作ΔUo，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；使線性度變壞，靈敏度不一致，限制分辨率提高，甚至使放大器飽和。5.2差動變壓器式傳感器零點(diǎn)殘余誤差產(chǎn)生的原因：①傳感器的兩個次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幅值不等、相位不同，構(gòu)成了零點(diǎn)殘余電壓的基波；②由于磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯），產(chǎn)生了零點(diǎn)殘余電壓的高次諧波（主要是三次諧波）；③勵磁電壓本身含高次諧波。5.2差動變壓器式傳感器零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實(shí)際使用時，應(yīng)設(shè)法減小Δ

Uo，否則將會影響傳感器的測量結(jié)果。零點(diǎn)殘余電壓包含了許多電磁干擾波。消除零點(diǎn)殘余電壓一般可用以下方法：

(1)從設(shè)計(jì)和工藝上盡量保證結(jié)構(gòu)對稱性。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)選用合適的測量線路。采用相敏檢波電路不僅可以鑒別鐵芯移動方向，而且可以消除零點(diǎn)殘余電壓中的高次諧波成分。5.2差動變壓器式傳感器

(3)采用補(bǔ)償電路。根據(jù)零點(diǎn)殘余誤差的產(chǎn)生原因，主要有以下幾類補(bǔ)償電路(見圖)：加串聯(lián)電阻(0.5~5

)消除基波同相成分；并聯(lián)電容C(100~500pF)，改變某一次級繞組相位，消除高次諧波分量；加并聯(lián)電阻(0.1~1)×102k

消除基波中正交成分；加反饋繞組和反饋電容補(bǔ)償基波及高次諧波分量。5.2差動變壓器式傳感器5.2.3.差動變壓器式傳感器信號調(diào)節(jié)電路差動變壓器輸出的是交流電壓,若用交流電壓表測量,只能反映銜鐵位移的大小,而不能反映移動方向。另外,其測量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動方向及消除零點(diǎn)殘余電壓的目的,實(shí)際測量時,常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。5.2差動變壓器式傳感器1.差動整流電路這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流,然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。圖5.2.6給出了幾種典型電路形式。圖中(a)、(c)適用于交流負(fù)載阻抗,(b)、(d)適用于低負(fù)載阻抗,電阻R0用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓。5.2差動變壓器式傳感器圖5.2.6差動整流電路（a）半波電壓輸出；（b）半波電流輸出；5.2差動變壓器式傳感器圖5.2.6差動整流電路（c）全波電壓輸出圖5.2.6差動整流電路（d）全波電流輸出5.2差動變壓器式傳感器從圖5.2.6（c）電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，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當(dāng)銜鐵在零位時，因?yàn)閁24=U68，所以U2=0；當(dāng)銜鐵在零位以上時，因?yàn)閁24>U68

，則U2>0；而當(dāng)銜鐵在零位以下時，則有U24<U68，則U2<0。U2的正負(fù)表示銜鐵位移的方向。5.2差動變壓器式傳感器2相敏檢波電路

相敏檢波電路如圖5.2.7所示。圖中VD1、VD2、VD3、VD4為四個性能相同的二極管，以同一方向串聯(lián)接成一個閉合回路，形成環(huán)形電橋。輸入信號u2通過變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個對角線上。參考信號us通過變壓器T2加到環(huán)形電橋的另一個對角線上。輸出信號uo從變壓器T1與T2的中心抽頭引出。5.2差動變壓器式傳感器5.2.7相敏檢波電路5.2差動變壓器式傳感器平衡電阻R起限流作用，以避免二極管導(dǎo)通時變壓器T2的次級電流過大。RL為負(fù)載電阻。us的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號u2的幅值，以便有效控制四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，且us和差動變壓器式傳感器的激磁電壓u1由同一振蕩器供電，保證二者同頻同相（或反相）。5.2差動變壓器式傳感器相敏檢波輸出電壓被測位移傳感器激勵電壓傳感器輸出電壓相敏檢波參考電壓圖5.2.8波形圖u2由圖5.2.8(a)、(c)、(d)可知,當(dāng)位移Δx>0時,u2與us同頻同相,當(dāng)位移Δx<0時,u2與us同頻反相。

Δx>0時,u2與us為同頻同相,當(dāng)u2與us均為正半周時,見圖5.2.7(a),環(huán)形電橋中二極管VD1、ＶD4截止,VD2、VD3導(dǎo)通,則可得圖5.2.7(b)的等效電路。5.2差動變壓器式傳感器根據(jù)變壓器的工作原理，考慮到O、M分別為變壓器T1、T2的中心抽頭，則

式中，n1,n2分別為變壓器T1、T2的變壓比。5.2差動變壓器式傳感器Δx>0：

u2與us同頻同相，二者均為正半周時，由圖5.2.7（b），利用電路分析中的疊加定理，可得：

u2與us均為負(fù)半周時，由圖5.2.7（c）可得輸出電壓uo表達(dá)式與正半周相同。結(jié)論：只要位移Δx>0，不論u2與us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的電壓uo始終為正。5.2差動變壓器式傳感器

Δx<0：

u2與us為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當(dāng)Δx<0時，不論u2與us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uo表達(dá)式總是為所以上述相敏檢波電路輸出電壓uo的變化規(guī)律充分反映了被測位移量的變化規(guī)律,即uo的值反映位移Δx的大小,而u0的極性則反映了位移Δx的方向。5.2差動變壓器式傳感器右圖為帶相敏整流的交流電橋的輸出特性，可以看出輸出電壓隨位移方向發(fā)生了變化，同時消除了零點(diǎn)殘余電壓，還提高了線性度。帶相敏整流的交流電橋的輸出特性5.2差動變壓器式傳感器下圖是用于小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理。5.2差動變壓器式傳感器5.2.4.差動變壓器式傳感器的應(yīng)用差動變壓器式傳感器可以直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。5.2差動變壓器式傳感器它可以作為精密測量儀的主要部件，對零件進(jìn)行多種精密測量工作，如內(nèi)徑、外徑、不平行度、粗糙度、不垂直度、振擺、偏心和橢圓度等；作為軸承滾動自動分選機(jī)的主要測量部件，可以分選大、小鋼球、圓柱、圓錐等；用于測量各種零件膨脹、伸長、應(yīng)變等。圖為測量液位的原理圖。當(dāng)某一設(shè)定液位使鐵芯處于中心位置時，差動變壓器輸出信號Uo=0；當(dāng)液位上升或下降時，Uo

0，通過相應(yīng)的測量電路便能確定液位的高低。1．位移測量5.2差動變壓器式傳感器5.2差動變壓器式傳感器2．振動和加速度測量測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連。此時傳感器作為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。1-懸臂梁；2-差動變壓器差動變壓器加速度計(jì)結(jié)構(gòu)5.2差動變壓器式傳感器3．壓力測量差動變壓器和彈性敏感元件組合，可以組成開環(huán)壓力傳感器。由于差動變壓器輸出是標(biāo)準(zhǔn)信號，常稱為變送器。這種微壓力變送器，經(jīng)分檔可測(

4~+6)

104N/m2的壓力，輸出信號電壓為0~50mV，精度1.0級、1.5級。外力作用下，變形使差動變壓器的鐵芯微位移，變壓器次極產(chǎn)生相應(yīng)電信號。5.2差動變壓器式傳感器

4.電感式滾珠直徑分選裝置5.2差動變壓器式傳感器1.差動螺線管式電感傳感器主要由兩個

的螺線管連接，

初始狀態(tài)處于對稱位置組成，因而兩個螺線管的初始電感相等。2.通常用差動螺線管式傳感器測量（）

A、電壓B、磁場強(qiáng)度C、位移D、壓力3.差動螺線管式電感傳感器的配用測量電路有（）

A、直流電橋B、變壓器式交流電橋

C、帶相敏整流的交流電橋D、運(yùn)算放大器電路

4.螺線管式差動變壓器傳感器主要由

、

和

組成。差動連接銜鐵CC活動銜鐵導(dǎo)磁外殼骨架5.把被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈互感變化的互感式傳感器是根據(jù)

的基本原理制成的，其二次繞組都用

形式連接，所以又叫差動變壓器式傳感器。6.螺線管式差動變壓器傳感器在活動銜鐵位于

位置時，輸出電壓應(yīng)該為零，實(shí)際不為零，稱它為

。7.減少螺線管式差動變壓器傳感器零點(diǎn)殘余電壓的有效辦法是盡可能保證

相互對稱，

和

。

變壓器差動中心零點(diǎn)殘余電壓采用適當(dāng)?shù)臏y量電路采用補(bǔ)償線路電氣參數(shù)、幾何尺寸等結(jié)構(gòu)上10、下列說法正確的是（

）。A.差動整流電路可以消除零點(diǎn)殘余電壓，但不能判斷銜鐵的位置。B.差動整流電路可以判斷銜鐵的位置，但不能判斷運(yùn)動的方向。C.相敏檢波電路可以判斷位移的大小，但不能判斷位移的方向。D.相敏檢波電路可以判斷位移的大小，也可以判斷位移的方向。9、相敏檢波電路正常工作，其參考信號us與輸入信號u2需要滿足的兩個條件：

、

。8、差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：

、

和

等。在非電量測量中，應(yīng)用最多的是

，它可以測量1--100mm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)。5.3電渦流式傳感器由法拉第電磁感應(yīng)原理可知：一個塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運(yùn)動時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。

電渦流傳感器能夠?qū)Ρ粶y量進(jìn)行非接觸測量；具有體積小,靈敏度高,頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn),應(yīng)用極其廣泛。可以測量位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)，并且還可以進(jìn)行無損探傷和制作接近開關(guān)。

根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。5.3電渦流式傳感器5.3.1工作原理圖5.3.1為電渦流式傳感器的原理圖,該圖由傳感器線圈和被測導(dǎo)體組成線圈—導(dǎo)體系統(tǒng)。根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時，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)楞次定律，H2的作用將反作用于原磁場H1，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。線圈中通以高頻信號I1正弦交變磁場H1金屬導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生渦流I2渦流產(chǎn)生交變磁場H2反作用于線圈，改變了阻抗、電感5.3電渦流式傳感器5.3電渦流式傳感器圖5.3.1電渦流式傳感器的原理圖5.3電渦流式傳感器實(shí)驗(yàn)證明，電渦流效應(yīng)的影響因子：（1）被測體：電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及幾何形狀；（2）線圈：激磁電流頻率f；（3）線圈與導(dǎo)體間的距離x。因此，傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為：Z=F(ρ,μ,r,f,x)

尺寸因子5.3電渦流式傳感器5.3.2基本特性電渦流傳感器簡化模型如圖5.3.2。圖5.3.2

電渦流式傳感器簡化模型模型中把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)5.3電渦流式傳感器電渦流傳感器簡化模型的等效電路如圖5.3.3所示。圖5.3.3電渦流式傳感器等效電路圖短路環(huán)可以認(rèn)為是短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。這樣線圈與被測導(dǎo)體便可等效為兩個相互耦合的線圈。線圈與導(dǎo)體間存在一個互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距x的減小而增大。圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻,其表達(dá)式為根據(jù)基爾霍夫定律,可列出如下方程：5.3電渦流式傳感器由上述方程組可解得等效阻抗Z的表達(dá)式為Req—線圈受電渦流影響后的等效電阻

Leq—線圈受電渦流影響后的等效電感

5.3電渦流式傳感器線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為：結(jié)論：

凡是能引起R2、L2、M變化的物理量均可以引起傳感器線圈R1、L1的變化。被測體（金屬）的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、尺寸r、線圈與被測體間的距離X，激勵線圈的頻率f等都通過渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗Z發(fā)生關(guān)系，即Z=f(ρ,μ,r,f，x）。ρ,μ,r,f，x的變化使R、L發(fā)生變化，若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個參數(shù)，可使阻抗Z成為這個參數(shù)的單值函數(shù)。經(jīng)分析，Req比原來的R1變大了，Leq比原來的L1是減小了，那么品質(zhì)因數(shù)比原來的Q是減小了。5.3電渦流式傳感器5.3.3電渦流形成范圍電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離x的函數(shù)，又是沿線圈半徑r的函數(shù)，即J=J(x,r)。當(dāng)x一定時，電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線如圖5.3.4所示。圖中J0為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度最大值。Jr為半徑r處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。電渦流的徑向形成范圍5.3電渦流式傳感器圖5.3.4電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線2等效短路環(huán)1電渦流線圈3電渦流密度分布5.3電渦流式傳感器由圖可知：①電渦流徑向形成的范圍大約在傳感器線圈外徑ras的0.5～1.5倍范圍內(nèi),且分布不均勻。②電渦流密度在短路環(huán)半徑r=0處為零。③電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)。④可以用一個平均半徑為ras（ras=（ri+ra）/2）的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。貫穿深度：電渦流密度減小到表面處1/e時的厚度。金屬導(dǎo)體有趨膚效應(yīng)，電磁場不能穿過導(dǎo)體的無限厚度，僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)，且渦流強(qiáng)度隨導(dǎo)體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降。電流密度按指數(shù)衰減的分布規(guī)律可表示如下：5.3電渦流式傳感器2.電渦流的軸向貫穿深度5.3電渦流式傳感器模型中假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi),模型中電渦流的貫穿深度h由以下公式求得其中μ0—真空磁導(dǎo)率，μr—相對磁導(dǎo)率ρ—電阻率，f—線圈激磁電流的頻率圖5.3.6電渦流密度軸向分布曲線5.3電渦流式傳感器由h表達(dá)式知，傳感器線圈激磁電流頻率和電渦流貫穿深度h成反比。因此渦流式傳感器主要有兩種類型：高頻反射式（應(yīng)用廣泛）和低頻透射式。故透射式電渦流傳感器一般都采用低頻激勵，而反射式電渦流傳感器采用高頻激勵。

5.3電渦流式傳感器3.電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系根據(jù)線圈—導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用,可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度為（用等效電流I2表示）與線圈-金屬塊間距x的關(guān)系如下：線圈到金屬導(dǎo)體表面距離線圈激勵電流線圈外徑電渦流強(qiáng)度5.3電渦流式傳感器上式可用歸一化曲線圖5.3.5表示。圖5.3.5電渦流強(qiáng)度與距離歸一化曲線①電渦流強(qiáng)度與距離x呈非線性關(guān)系，且隨著x/ras的增加而迅速減小。②當(dāng)利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/ras<<1(一般取0.05～0.15)的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。5.3電渦流式傳感器5.3.4電渦流傳感器測量電路用于電渦流傳感器的測量電路主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。1.調(diào)頻式電路傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的(阻抗)電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)f=L(x)，該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測量，或者通過F-V變換，用數(shù)字電壓表測量對應(yīng)的電壓。為了避免輸出電纜的分布電容影響5.3電渦流式傳感器圖5.3.7調(diào)頻式測量電路(a)測量電路框圖；(b)振蕩電路5.3電渦流式傳感器

2.調(diào)幅式電路石英晶體振蕩電路如圖5.3.8所示。圖5.3.8調(diào)幅式測量電路示意圖注：這是一個并聯(lián)諧振電路，諧振時呈現(xiàn)的是高阻抗特性。5.3電渦流式傳感器石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率（f0）穩(wěn)定的激勵電流i0，LC回路輸出電壓式中,Z為LC回路的阻抗。

5.3電渦流式傳感器當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或被去掉時，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率f0，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時，由于電渦流效應(yīng)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，因此，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化；輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)過放大、檢波后，由指示儀表直接顯示出x的大小。④利用變換量x、ρ、μ等的綜合影響，可以做成探傷裝置等。其應(yīng)用大致有下列四個方面：①利用位移x作為變化量，可以測被測量位移、厚度、振動、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開關(guān)、計(jì)數(shù)器等；②利用材料電阻率ρ作為變換量，可以做成溫度測量、材質(zhì)判別等傳感器③利用磁導(dǎo)率μ

作為變換量，可以做成測量應(yīng)力、硬度等傳感器；5.3電渦流式傳感器5.3.5渦流式傳感器的應(yīng)用5.3電渦流式傳感器1.低頻透射式渦流厚度傳感器圖5.3.9為透射式渦流厚度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)在L1上加低頻電壓Us時，L1上產(chǎn)生交變磁通Φ1。若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U0。5.3電渦流式傳感器圖5.3.9透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如果將被測金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流，并將貫穿金屬板。此時磁場能量受到損耗，使到達(dá)L2的磁通將減弱為Φ1′，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U0下降。發(fā)射傳感器線圈被測金屬板接收傳感器線圈金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓Uo就越小。因此，可根據(jù)Uo電壓的大小得知被測金屬板的厚度。實(shí)驗(yàn)證明,Uo隨材料厚度h增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減小。透射式渦流厚度傳感器的檢測范圍可達(dá)1～100mm，分辨率為0.1μm，線性度為1%。5.3電渦流式傳感器2.高頻反射式渦流厚度傳感器圖5.3.10高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖5.3電渦流式傳感器原理在帶材的上、下兩側(cè)對稱設(shè)置兩個特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。S1和S2與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。分析S1：高頻信號施加于電感線圈S1上，線圈產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板的上表面。由于趨膚效應(yīng)，高頻電磁場不能透過具有一定厚度的金屬板，而僅作用于上表面的