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1、1,第3章 电感式传感器,3.1 变磁阻式传感器 3.2 差动变压器式传感器3.7 电涡流式传感器,2,3.2 差动变压器式传感器,把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，图3-11为差动变压器的结构示意图。在非电量测量中， 应用最多的是螺线管式差动变压器， 它可以测量1100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。,3,3.2.1 变隙式差动变压器 1. 工作原理 假设闭磁路变隙式差动变压器的
2、结构如图3-11（a）所示， 在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反相串联。,4,图 3-11 差动变压器式传感器的结构示意图 （a）、 （b） 变隙式差动变压器; （c）、 （d） 螺线管式差动变压器,5,6,.输出特性,图3-12 变隙式差动变压器等效电路,7,如果被测体带动衔铁移动,图3-13 变隙式差动变压器输出特性 理想特性； 实际特性,8,综合以上分析， 可得到如下结论： 首先，供电电源Ui要稳定，以便使传感器具有稳定的输出特性；其次，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值
3、，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。 增加W2/W1的比值和减小0都能使灵敏度K值提高。然而， W2/W1的比值与变压器的体积及零点残余电压有关，不论从灵敏度考虑，还是从忽略边缘磁通考虑，均要求变隙式差动变压器的0愈小愈好。为兼顾测量范围的需要，一般选择传感器的0为0.5 mm 。,9, 以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容等条件下得到的，如果考虑这些影响，将会使传感器性能变差（灵敏度降低，非线性加大等）。但是，在一般工程应用中是可以忽略的。 以上结果是在假定工艺上严格对称的前提下得到的，而实际上很难做到这一点，因此传感器实际输出特性如图3-13中曲线2所示，存在零点残余电压U
4、o。 进行上述推导的另一个条件是变压器副边开路，对由电子线路构成的测量电路来讲，这个要求很容易满足，但如果直接配接低输入阻抗电路， 就必须考虑变压器副边电流对输出特性的影响。,10,-活动衔铁；-导磁外壳；-骨架；-匝数为W1初级绕组；-匝数为W2a的次级绕组；-匝数为W2b的次级绕组,3.2.2 螺线管式差动变压器 1. 工作原理,11,螺线管式差动变压器按线圈绕组排列方式不同可分为一节、 二节、三节、四节和五节式等类型，如图3-15所示。一节式灵敏度高，三节式零点残余电压较小，通常采用的是二节式和三节式两类。,图3-15 线圈排列方式（a） 一节式; （b） 二节式; （c） 三节式; （
5、d） 四节式; （e） 五节式,12,图3-17 差动变压器输出电压的特性曲线,13,零点残余电压：,14,零点残余电压产生原因：基波分量。由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。,高次谐波。高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形
6、失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。,15,消除零点残余电压方法：1从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。 2选用合适的测量线路,采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。,16,3
7、采用补偿线路由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图(a)。由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。,调相位式残余电压补偿电路,17,并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位，如图所示。电容C(0.02F)可防止调整电位器时使零点移动。,e1,e2,C,R1,R2,W,电位器调零点残余电压补偿电路,18,3. 差动变压器式传感器测量电路 差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的
8、方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。 (1) 差动整流电路 根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“”，e点为“”，则电流路径是fgdche（参看图a）。反之，如f点为“”，e点为“”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图（b），其值为USC=eabecd。,19,全波整流电路和波形图,e1,R,R,c,a,b,h,g,f,d,
9、e,USC,衔铁在零位以下,eab,t,t,t,eab,t,t,t,eab,t,ecd,t,USC,t,ecd,USC,USC,ecd,衔铁在零位以上,衔铁在零位,(b),(a),在f点为“” ，则电流路径是fgdche (参看图a)。反之，如f点为“” ，则电流路径是ehdcgf。,20,(2) 相敏检波电路容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中调制电压er和e同频，经过移相器使er和e保持同相或反相，且满足ere。调节电位器R可调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。当铁芯在中间时,e=0,只有er起作用，输出电压UCD0。若铁芯上移，e0，设e和er同相位
10、，由于ere，故er正半周时D1、D2仍导通，但D1回路内总电势为ere，而D2回路内总电势为ere，故回路电流i1i2输出电压UCD=R0（i1i2）0。当er负半周时，,UCD=R0(i4-i3)0，因此铁芯上移时输出电压UCD0。当铁芯下移时，e和er相位相反。同理可得UCD0。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。,21,4. 差动变压器式传感器的应用测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。差动变压器式加速度传感器: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10倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.15)mm，振动频率为(0150)Hz。,稳压电源,振荡器,检波器,滤波器,(b),(a),220V,加速度a方向,a,输出,1,2,1,1 弹性支承 2 差动变压器,
