传感器技术及应用第四章电感式传感器课件.ppt

1、第第4章章 电感式传感器电感式传感器 4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器 4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 4.1.1 变隙式传感器变隙式传感器1.工作原理工作原理变隙式传感器的结构原理如变隙式传感器的结构原理如图图4-1(a)所示，它主要由线圈、铁所示，它主要由线圈、铁心及衔铁等组成。在铁心和衔铁之间有空气隙心及衔铁等组成。在铁心和衔铁之间有空气隙 ，线圈匝数，线圈匝数N，每匝线圈产生的磁通为，每匝线圈产生的磁通为。传感器工作时，衔铁与被测物。传感器工作时，衔铁与被测物体连接，当被测物移动时，气隙厚

2、度体连接，当被测物移动时，气隙厚度 发生变化，气隙的磁发生变化，气隙的磁阻发生相应的变化，从而导致电感的变化，就可以确定被测阻发生相应的变化，从而导致电感的变化，就可以确定被测量的位移大小。量的位移大小。根据电磁感应定律，当线圈中通以电流根据电磁感应定律，当线圈中通以电流i时，产生磁通，其大时，产生磁通，其大小与电流成正比，即小与电流成正比，即 对于变隙式电感传感器，如果空气隙对于变隙式电感传感器，如果空气隙 较小，若忽略磁路铁较小，若忽略磁路铁损，根据磁路的欧姆定律则磁路总磁阻损，根据磁路的欧姆定律则磁路总磁阻Rm为为 Li下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器式中式中 导磁体导

3、磁体(铁心铁心)的长度的长度(m)；铁心导磁率铁心导磁率(H/m)；s 铁心导磁横截面积铁心导磁横截面积(m2)，空气隙长度空气隙长度(m)；空气导磁率，空气导磁率，(H/m)；空气隙横截面积空气隙横截面积(m2)；因为一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算因为一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时可以忽略不计，时可以忽略不计，则则002mlRss0704 10 0s002mRs上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器因此，自感因此，自感L可写为可写为 (4-2)2.变气隙式自感传感器的输出特性变气隙式自感传感器的输出特性当衔铁处于初始位置时，初始电感量

4、当衔铁处于初始位置时，初始电感量L0为为表明自感表明自感L与空气隙与空气隙 成反比，而与空气隙导磁截面积成反比，而与空气隙导磁截面积s0成正成正比。当固定比。当固定s0不变，变化不变，变化 时，时，L与与 呈非线性呈非线性(双曲线双曲线)关系，关系，如图如图4-1(b)所示。所示。当衔铁下移当衔铁下移 时，传感器气隙增大时，传感器气隙增大 ，电感量变化为，电感量变化为L12002NsL200002NsL222000000010000000sss2(1)2()2222NNNLLLL 上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器电感量的相对变化为电感量的相对变化为 当当 时，可将上式

5、展开成泰勒级数形式时，可将上式展开成泰勒级数形式 (4-3)同理，当衔铁上移同理，当衔铁上移 时，电感量变化为时，电感量变化为L2电感量的相对变化为电感量的相对变化为同样展开成泰勒级数形式同样展开成泰勒级数形式100001()()1LL 012210000()()LL 2000LLLL 200001()()1LL 上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 (4-4)忽略式忽略式(4-3)或式或式(4-4)中二次项以上的高次项，可得中二次项以上的高次项，可得传感器的灵敏度为传感器的灵敏度为由上式可见，变隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性由上式可见，变隙式电感传感器的测量范围

6、与灵敏度及线性度相矛盾。线圈电感与气隙长度的关系为非线性关系，非线度相矛盾。线圈电感与气隙长度的关系为非线性关系，非线性度随气隙变化量的增大而增大，只有当性度随气隙变化量的增大而增大，只有当d 占很小时，忽略占很小时，忽略高次项的存在，可得近似的线性关系高次项的存在，可得近似的线性关系这里未考虑漏磁的影这里未考虑漏磁的影响响)。所以，单边变间隙式电感传感器存在线性度要求与测量。所以，单边变间隙式电感传感器存在线性度要求与测量范围要求的矛盾。范围要求的矛盾。2320000()()LL00LL 00LLK上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器电感电感L与气隙长度的关系如与气隙长

7、度的关系如图图4-1(b)所示。它是一条双曲线，所示。它是一条双曲线，所以非线性是较严重的。为了得到一定的线性度，一般所以非线性是较严重的。为了得到一定的线性度，一般取取 。为解决这一矛盾，通常采用差动变隙式电感传感器，差动式为解决这一矛盾，通常采用差动变隙式电感传感器，差动式变间隙电感传感器，要求上、下两铁心和线圈的几何尺寸与变间隙电感传感器，要求上、下两铁心和线圈的几何尺寸与电气参数完全对称，衔铁通过导杆与被测物相连，当被测物电气参数完全对称，衔铁通过导杆与被测物相连，当被测物上下移动时，衔铁也偏离对称位置上下移动，使一边间隙增上下移动时，衔铁也偏离对称位置上下移动，使一边间隙增大，而另一

8、边减小，两个回路的磁阻发生大小相等、方向相大，而另一边减小，两个回路的磁阻发生大小相等、方向相反的变化，一个线圈的电感增加，一个则减少，形成差动形反的变化，一个线圈的电感增加，一个则减少，形成差动形式。两个线圈电感的总变化量为式。两个线圈电感的总变化量为 2.01.03500002()()LL上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器忽略高次项，其电感的变化量为忽略高次项，其电感的变化量为可见，差动式的灵敏度比单边式的增加了近一倍，而且其非可见，差动式的灵敏度比单边式的增加了近一倍，而且其非线性误差比单边的要小得多。所以，实用中经常采用差动式线性误差比单边的要小得多。所以，实用

9、中经常采用差动式结构。差动变隙式电感传感器的线性工作范围一般结构。差动变隙式电感传感器的线性工作范围一般取取 。4.1.2 变面积型电感传感器变面积型电感传感器如果变隙式电感传感器的气隙长度不变，铁心与衔铁之间相如果变隙式电感传感器的气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化而改变，从而导致线圈的电感量对覆盖面积随被测量的变化而改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图如意图如图图4-2所示。所示。4.03.002LL上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器通过分析可知，线

10、圈电感量通过分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积磁通截面积s却是成正比，是一种线性关系。特性曲线如却是成正比，是一种线性关系。特性曲线如图图4-3所示。所示。4.1.3 螺管式电感传感器螺管式电感传感器图图4-4所示为螺管式电感传感器的结构示意图。当活动衔铁随所示为螺管式电感传感器的结构示意图。当活动衔铁随被测物移动时，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电被测物移动时，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。度有关。设线圈长度为设线圈长

11、度为l、线圈的平均半径为、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为、线圈的匝数为N、衔铁、衔铁进入线圈的长度进入线圈的长度la、衔铁的半径为、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为、铁心的有效磁导率为m。试验与理论证明，若忽略次要因素，且满足试验与理论证明，若忽略次要因素，且满足lr，则线圈的电感量则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为的关系可表示为 上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器则线圈的电感量则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为的关系可表示为 (4-6)通过以上三种形式的电感传感器的分析，可以得出以下

12、几点通过以上三种形式的电感传感器的分析，可以得出以下几点结论。结论。变间隙式灵敏度较高，但非线性误差较大，自由行程较小，变间隙式灵敏度较高，但非线性误差较大，自由行程较小，且制作装配比较困难。且制作装配比较困难。变面积式灵敏度较前者小，但线度较好，量程较大，使用比变面积式灵敏度较前者小，但线度较好，量程较大，使用比较广泛。较广泛。螺管式灵敏度较低，测量误差小，但量程大且结构简单易于螺管式灵敏度较低，测量误差小，但量程大且结构简单易于制作和批量生产，是使用越来越广的一种电感式传感器。制作和批量生产，是使用越来越广的一种电感式传感器。4.1.4 差动式电感传感器差动式电感传感器 222224(1)

13、ma aNLlrl rl上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减小测量误差。小测量误差。图图4-5所示是变间隙式、变面积式及螺管式所示是变间隙式、变面积式及螺管式3种类型的差动式种类型的差动式电感传感器。电感传感器。差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。完全相

14、同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。差动式结构除了可以改善线性度、提高灵敏度外，对温度变差动式结构除了可以改善线性度、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响也可以进行补偿，从而减少了外界化、电源频率变化等影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。影响造成的误差。4.1.5 电感式传感器的测量电路电感式传感器的测量电路 上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。交流电桥圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。交

15、流电桥多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图或紧耦合电感线圈。图4-6所示是交流电桥的几种常用形式。所示是交流电桥的几种常用形式。1.电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥如电阻平衡臂电桥如图图4-6(a)所示。所示。Z1、Z2为传感器阻为传感器阻抗抗 ，Z0为负载阻抗。由为负载阻抗。由 ；L1=L2=L；则有；则有Z1=Z2=Z=R+jwL，另有，另有R1=R2=R。由于电桥。由于电桥工作臂是差动

16、形式，则在工作时，工作臂是差动形式，则在工作时，Z1=Z+Z和和Z2=Z-Z，当，当ZL时，电桥的输出电压为时，电桥的输出电压为111ZRL222ZRL12RRR11112o121212Z2()ZZ()2RZRR ZZUZUUUURRZZZ上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器当当LR时，上式可近似为：时，上式可近似为：由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器电感的相对由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器电感的相对变化量是成正比的。变化量是成正比的。2.变压器式电桥变压器式电桥变压器式电桥如变压器式电桥如图图4-6(b)所示，所示，Z1、Z2为传感器阻抗，它的平为传

17、感器阻抗，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，输出电压为衡臂为变压器的两个二次侧绕组，输出电压为 ，当负载，当负载阻抗无穷大时输出电压阻抗无穷大时输出电压 为为 由于是双臂工作形式，当衔铁下移时，由于是双臂工作形式，当衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，则有则有 o2ULULo12UoU212o1212222ZZUUUUUIZZZZZ o2UZUZ上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器同理，当衔铁上移时，则有同理，当衔铁上移时，则有 （4-8）由上式可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于由上式可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，还要经过适当

18、电路处理才能判别衔铁位移的大是交流信号，还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。小及方向。图图4-7所示是一个采用了带相敏整流的交流电桥。差动电感式所示是一个采用了带相敏整流的交流电桥。差动电感式传感器的两个线圈作为交流电桥相邻的两个工作臂，指示仪传感器的两个线圈作为交流电桥相邻的两个工作臂，指示仪表是中心为零刻度的直流电压表或数字电压表。表是中心为零刻度的直流电压表或数字电压表。设差动电感传感器的线圈阻抗分别为设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和和Z2。当衔铁处于中。当衔铁处于中间位置时，间位置时，Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，电桥处于平衡状态，C点电位等于点电位等于D点点地

19、位，电表指示为零。地位，电表指示为零。o2UZUZ 上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+Z，则下部线圈阻，则下部线圈阻抗减小，抗减小，Z2=Z-Z。如果输入交流电压为正半周，则。如果输入交流电压为正半周，则A点电点电位为正，位为正，B点电位为负，二极管点电位为负，二极管VD1、VD4导通，导通，VD2、VD3截止。在截止。在A-E-C-B支路中，支路中，C点电位由于点电位由于Z1增大而比平衡时的增大而比平衡时的C点电位降低；而在点电位降低；而在A-F-D-B支路中，支路中，D点电位由于点电位由于Z2的降

20、低的降低而比平衡时而比平衡时D点的电位增高，所以点的电位增高，所以D点电位高于点电位高于C点电位，直点电位，直流电压表正向偏转。流电压表正向偏转。如果输入交流电压为负半周，如果输入交流电压为负半周，A点电位为负，点电位为负，B点电位为正，点电位为正，二极管二极管VD2、VD3导通，导通，VD1、VD4截止，则在截止，则在A-F-C-B支路支路中，中，C点电位由于点电位由于Z2减小而比平衡时降低减小而比平衡时降低(平衡时，输入电压平衡时，输入电压若为负半周，即若为负半周，即B点电位为正，点电位为正，A点电位为负，点电位为负，C点相对于点相对于B点为负电位，点为负电位，Z2减小时，减小时，C点电位

21、更低点电位更低)；而在；而在A-E-D-B支路支路中，中，D点电位由于点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是然是D点电位高于点电位高于C点电位，电压表正向偏转。点电位，电压表正向偏转。上一页 下一页返回4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。输出为负。可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。小又能反映位移的方向。3.紧耦合电感臂电桥紧耦合电感臂电桥该

22、电桥该电桥4-6(c)以差动电感传感器的两个线圈作为电桥工作臂，以差动电感传感器的两个线圈作为电桥工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定桥臂组成电桥电路。采用这种而紧耦合的两个电感作为固定桥臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器 互感式电感传感器是利用线圈的互感作用被测非电量变化转互感式电感传感器是利用线圈的互感作用被测非电量变化转换为感应电动势的变化。互感

23、电感传感器是根据变压器的原换为感应电动势的变化。互感电感传感器是根据变压器的原理制成的，有初级绕组和次级绕组，初级绕组、次级绕组的理制成的，有初级绕组和次级绕组，初级绕组、次级绕组的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的改变而变化。由于在使用时两个结构尺寸和参数完全相同的改变而变化。由于在使用时两个结构尺寸和参数完全相同的次级绕组采用反向串接，以差动方式输出，所以又把这种传次级绕组采用反向串接，以差动方式输出，所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称为差动变压器。感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称为差动变压器

24、。4.2.1 变隙式差动变压器变隙式差动变压器 1.工作原理工作原理变隙式差动变压器的结构如变隙式差动变压器的结构如图图4-8所示。所示。上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器初级绕组作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而初级绕组作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级绕组相当于变压器的副边。当初级线圈加以适当频率的次级绕组相当于变压器的副边。当初级线圈加以适当频率的电压激励电压激励 时，在两个次级线圈中就会产生感应电动势时，在两个次级线圈中就会产生感应电动势E21和和E22。初始状态时，衔铁处于中间位置，即两边气隙相同，两。初始状态时，衔铁处于中间位置，即两

25、边气隙相同，两次级线圈的互感相等，即次级线圈的互感相等，即M1=M2，由于两个次级线圈做得一，由于两个次级线圈做得一样，磁路对称，所以两个次级线圈产生的感应电动势相同，样，磁路对称，所以两个次级线圈产生的感应电动势相同，即有即有E21=E22，当次级线圈接成反向串联，则传感器的输出为，当次级线圈接成反向串联，则传感器的输出为 。当衔铁偏离中间位置时，两边的气隙不相等，这样两次级线当衔铁偏离中间位置时，两边的气隙不相等，这样两次级线圈的互感圈的互感M1和和M2发生变化，即发生变化，即M1M2，从而产生的感应电动，从而产生的感应电动势也不再相同，即势也不再相同，即 ，。即差动变压器有电压。即差动变

26、压器有电压输出，此电压的大小与极性反映被测物位移的大小与方向。输出，此电压的大小与极性反映被测物位移的大小与方向。2.输出特性输出特性 iU2122o0UEE2121EEo0U上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器设初级、次级线圈的匝数分别为设初级、次级线圈的匝数分别为W1、W2，初级线圈电阻为，初级线圈电阻为R，当有气隙时，传感器的磁回路中的总磁阻近似值为当有气隙时，传感器的磁回路中的总磁阻近似值为Ra，为初级线圈激励电压，在初始状态时，初级线圈电感为初级线圈激励电压，在初始状态时，初级线圈电感为为初始时，初级线圈的阻抗分别为初始时，初级线圈的阻抗分别为此时初级线圈的电流

27、为此时初级线圈的电流为当气隙当气隙 变化时，两个初级线圈的电感值分别为变化时，两个初级线圈的电感值分别为 srU211112aWLLR1111112112jjZRLZRL1112(j)srUIRL2011WsL 上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器次级线圈的输出电压为两个线圈感应电势之差次级线圈的输出电压为两个线圈感应电势之差而感应电势分别为而感应电势分别为式中式中M1及及M2为初级与次级之间的互感系数，其值分别为为初级与次级之间的互感系数，其值分别为2012WsL 2122oUEE21112221jjEM IEM I 12021111202221WWsWMIWWsWMI

28、 上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器式中，式中，、分别为上下两个磁系统中的磁通，分别为上下两个磁系统中的磁通，代入上式得代入上式得 忽略忽略 2整理上式可得整理上式可得将将 代入整理得代入整理得121112112/,/ssI WRI WR11o12120222j()j()UMMII WWs 2102211o112112jjWsWWUIL IWW sr1112(j)UIRLsr2o111112j2(j)WUULWRL 上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器当当WR 时，时，上式表明输出电压与衔铁位移量成正比。负号表示的是，当上式表明输出电压与衔铁位移量

29、成正比。负号表示的是，当衔铁向上移动，衔铁向上移动，为正，输出电压与输入电压反相为正，输出电压与输入电压反相(相位差相位差180)；当衔铁向下移动时，；当衔铁向下移动时，为负，输出与输入同相。为负，输出与输入同相。传感器的灵敏度为传感器的灵敏度为 (4-9)4.2.2 螺管式差动变压器螺管式差动变压器1.工作原理工作原理 螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。三节式的零点电位较小，二节式比四节式和五节式等形式。三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式都是为改善三节式灵敏度

30、高、线性范围大，四节式和五节式都是为改善传感器线性度采用的方法。传感器线性度采用的方法。图图4-9画出了上述差动变压器线圈画出了上述差动变压器线圈各种排列形式。各种排列形式。scsr210WUUSW2oo10WUUW 上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器差动变压器工作在理想情况下差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响布电容等影响)，它的等效电路如，它的等效电路如图图4-10所示。图中为一次绕所示。图中为一次绕组激励电压；组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感，感，L

31、1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别分别为两个二次绕组的电感；为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有分别为两个二次绕组的有效电阻。效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组向二次绕组L21一边，这时互感一边，这时互感M1大，大，M2小，因

32、而二次绕组小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁移动越大，差动出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁移动越大，差动输出电动势就越大。输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁因此通过差动变

33、压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。位移量的大小和方向。2.输出特性输出特性由图由图4-10可以看出一次绕组的电流为可以看出一次绕组的电流为二次绕组的感应电动势为二次绕组的感应电动势为由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为其有效值为其有效值为111jUIRL2111jEM I 2212jEM I 121211j()jUEMMRL 12122211()()MM UERL上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器差动变压器的输出特性曲线如差动变压器的输出特性曲线如图图4-11所示。图中所示。图中E21、E22分别分别为

34、两个二次绕组的输出感应电动势，为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。其中表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2的实线表示理想的输的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。因素所造成的。3.零点残余电压零点残余电压(1)零点残余电压零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其

35、输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值存在，称为零点残余电压。小的电压值存在，称为零点残余电压。(2)零点残余电压产生的原因零点残余电压产生的原因产生零点残余电压的原因主要有以下几种：产生零点残余电压的原因主要有以下几种：差动的两个线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不可能完全差动的两个线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不可能完全对称；对称；上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器线圈的分布电容不对称；线圈的分布电容不对称；电源电压中含有高次谐波；电源电压中含有高次谐波；传感器工作在磁化曲线的非线性段

36、。传感器工作在磁化曲线的非线性段。(3)减小零点残余电压的方法减小零点残余电压的方法零点残余电压的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不零点残余电压的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。好坏的重要指标。为了减小零点残余电压可采取以下方法：为了减小零点残余电压可采取以下方法：尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数在磁路尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数在磁路 的对称。的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性

37、能均匀稳定。稳定。选用合适的测量电路。例如采用相敏整流电路，既可判别衔选用合适的测量电路。例如采用相敏整流电路，既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电压。铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电压。上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器采用补偿线路减小零点残余电压。采用补偿线路减小零点残余电压。图图4-12所示是几种减小零所示是几种减小零点残余电压的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当点残余电压的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电压减小。压减小。

38、4.差动变压器的测量电路差动变压器的测量电路(1)差动整流电路差动整流电路差动变压器的转换电路，如差动变压器的转换电路，如图图4-13所示，传感器的空载输出所示，传感器的空载输出电压等于两个次级线圈感应电动势之差，即电压等于两个次级线圈感应电动势之差，即E2=E21-E22。如图如图4-13所示为差动整流电路，把两个次级电压分别整流后，所示为差动整流电路，把两个次级电压分别整流后，以它们的差为输出端，这样，不必考虑次级电压的相位和零以它们的差为输出端，这样，不必考虑次级电压的相位和零点残余电压。点残余电压。图图4-13(a)、(b)用于连结低阻抗负载的场合，是电流输出型差用于连结低阻抗负载的场

39、合，是电流输出型差动整流电路。动整流电路。图图4-13(c)、(d)用在连结高阻抗负载的场合，是用在连结高阻抗负载的场合，是电压输出型差动整流电路。电压输出型差动整流电路。上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器差动整流后的输出电压的线性度与不经整流的次级输出电压差动整流后的输出电压的线性度与不经整流的次级输出电压的线性度有些不同，当二次线圈阻抗高，负载电阻小，接入的线性度有些不同，当二次线圈阻抗高，负载电阻小，接入电容器进行滤波时，其输出线性的变化度倾向是：当铁心位电容器进行滤波时，其输出线性的变化度倾向是：当铁心位移大时，线性灵敏度增加，利用这一特性就能够使差动变压移大时

40、，线性灵敏度增加，利用这一特性就能够使差动变压器的线性范围扩展。器的线性范围扩展。(2)差动相敏检波电路差动相敏检波电路图图4-14所示是差动相敏检波电路的一种形式。相敏检波电路所示是差动相敏检波电路的一种形式。相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次侧输出电压的频率相同，相要求比较电压与差动变压器二次侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。另外，还要求比较电压的幅值尽可能大，一位相同或相反。另外，还要求比较电压的幅值尽可能大，一般情况下，其幅值应为信号电压的般情况下，其幅值应为信号电压的35倍。倍。5.应用应用差动变压器式传感器的应用非常广泛。常用于测量振动、厚差动变压器式传感器的应用非常广泛

41、。常用于测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。度、应变、压力、加速度等各种物理量。上一页 下一页返回4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器图图4-15所示是差动变压器式加速度传感器结构原理和测量线所示是差动变压器式加速度传感器结构原理和测量线路方块图。用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必路方块图。用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的须是振动频率的10倍以上，这样可以得到精确的测量结果。倍以上，这样可以得到精确的测量结果。可测量的振幅范围为可测量的振幅范围为0.15mm，振动频率一般为，振动频率一般为0150 Hz。将差动变压器和弹性敏感元件将差动变压器和弹

42、性敏感元件(膜片、膜盒和弹簧管等膜片、膜盒和弹簧管等)相结相结合，可以组成各种形式的压力传感器。合，可以组成各种形式的压力传感器。图图4-16所示是微压力所示是微压力变送器的结构示意图，在被测压力为零时，膜盒在初始位置变送器的结构示意图，在被测压力为零时，膜盒在初始位置状态，此时固接在膜盒中心的衔铁位于差动变压器线圈的中状态，此时固接在膜盒中心的衔铁位于差动变压器线圈的中间位置，因而输出电压为零。当被测压力由接头间位置，因而输出电压为零。当被测压力由接头1传入膜盒传入膜盒2时，其自由端产生一正比于被测压力的位移，并且带动衔铁时，其自由端产生一正比于被测压力的位移，并且带动衔铁6在差动变压器线圈

43、在差动变压器线圈5中移动，从而使差动变压器输出电压。经中移动，从而使差动变压器输出电压。经相敏检波、滤波后，其输出电压可反映被测压力的数值。相敏检波、滤波后，其输出电压可反映被测压力的数值。微压力变送器测量线路包括直流稳压电源、振荡器、相敏检微压力变送器测量线路包括直流稳压电源、振荡器、相敏检波和指示等部分，由于差动变压器输出电压比较大，所以线波和指示等部分，由于差动变压器输出电压比较大，所以线路中不需用放大器。路中不需用放大器。上一页 下一页返回4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的。其结构简单、电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的。其结构简单、灵

44、敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广。目前，这种传感器已广泛用来测非接触测量，适用范围广。目前，这种传感器已广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。无损探伤领域。4.3.1 工作原理工作原理如如图图4-17所示，有一通以交变电流的传感器线圈。由于电流所示，有一通以交变电流的传感器线圈。由于电流的存在，线圈周围就产生一个交变磁场的存在，线圈周围就产生一个交变磁场H1。若被测导体置于。若被测导体置于该磁场范围内，导体内便产生

45、电涡流，也将产生一个新磁场该磁场范围内，导体内便产生电涡流，也将产生一个新磁场H2，H2与与H1方向相反，力图削弱原磁场方向相反，力图削弱原磁场H1，从而导致线圈的，从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几电感、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离及线圈到被测导体间的距离x有关。如果控制上述参数中一个有关。如果控制上述参数中一个参数改变，其余皆不变，就能构成测量该参数的传感器。参数改变，其余皆不变，就能构成测量该参数的传感器。上一页

46、 下一页返回4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器为分析方便，将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环为分析方便，将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流。这样，线圈与被测导体便等效为相互耦合的两个中的电流。这样，线圈与被测导体便等效为相互耦合的两个线圈，如线圈，如图图4-18所示。设线圈的电阻为所示。设线圈的电阻为R1，电感为，电感为L1，阻抗，阻抗为为Z1=R1+jL1；短路环的电阻为；短路环的电阻为R2，电感为，电感为L2；线圈与短路；线圈与短路环之间的互感系数为环之间的互感系数为M。M随它们之间的距离随它们之间的距离x减小而增大。减小而增大。加在线圈两端的激励电压为。加在线圈两端

47、的激励电压为。根据基尔霍夫电压定律，可列出电压平衡方程组：根据基尔霍夫电压定律，可列出电压平衡方程组：解之得解之得1 11 12112222jjjj0R IL IMIUMIR IL I112222221122222222j()()UIMMRRLLRLRL上一页 下一页返回4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器由此可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为由此可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为 (4-10)线圈的等效电感为线圈的等效电感为 (4-11)由式由式(4-10)可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质

48、因数虚数部分减小，因此线圈的品质因数Q下降。阻抗由下降。阻抗由Z1变为变为Z，常称其变化部分为常称其变化部分为“反射阻抗反射阻抗”。由式。由式(4-10)可得：可得：212 12 12222222jj()MIML IMR IIRLRL2222121222222222j()()MMZRRLLRLRL22122222()MLLLRL上一页 下一页返回4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器式中式中 无涡流影响时线圈的无涡流影响时线圈的Q值；值；短路环的阻抗。短路环的阻抗。Q值的下降是由涡流损耗所引起的，并与金属材料的导电性值的下降是由涡流损耗所引起的，并与金属材料的导电性和距离和距离x直接有关。当金属

49、导体是磁性材料时，影响直接有关。当金属导体是磁性材料时，影响Q值的还值的还有磁滞损耗与磁性材料对等效电感的作用。在这种情况下，有磁滞损耗与磁性材料对等效电感的作用。在这种情况下，线圈与磁性材料所构成磁路的等效磁导率线圈与磁性材料所构成磁路的等效磁导率e的变化将影响的变化将影响L。当距离当距离x减小时，由于减小时，由于e增大而使式增大而使式(4-11)中的中的L1变大。变大。由式由式(4-10)式式(4-12)可知，线圈可知，线圈-金属导体系统的阻抗、电感金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系数平方的函数。而互感系数又和品质因数都是该系统互感系数平方的函数。而互感系数又是距离是距离x

50、的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，22222202212121/1LMRMQQL ZR Z 011/QLR222222ZRL上一页 下一页返回4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器Z=f1(x)、L=f2(x)、Q=f3(x)都是非线性函数。但在一定范围内，都是非线性函数。但在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性函数来表示，于是在该范围可以将这些函数近似地用一线性函数来表示，于是在该范围内通过测量内通过测量Z、L或或Q的变化就可以线性地获得位移的变化。的变化就可以线性地获得位移的变化。4.3.2 测量电路测量电路根据电涡流式传感器的工