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1、仪用放大器仪用放大器测量放大器由两级组成，两个对称的同相放大器构成测量放大器由两级组成，两个对称的同相放大器构成第一级，第二级为差动放大器第一级，第二级为差动放大器减法器减法器 -+A3-+A1-+A2R1R1R2R2R3R3RGV1V2V4V5V3V6V0IG若R1=R2 第三章 电感式传感器 电感式传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为器可以分为自感式自感
2、式和和互感式互感式两大类。两大类。 电感传感器的电感传感器的主要特征主要特征是是具有电感绕组具有电感绕组。 3.1工作原理工作原理1.变间隙型变间隙型结构示意图如右图所示结构示意图如右图所示原理分析原理分析工作时衔铁与被测物体连接，被工作时衔铁与被测物体连接，被测测 物体的位移将引起空气隙的长物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。化，导致了线圈电感量的变化。3.1.1 自感式传感器自感式传感器变间隙型电感传感器线圈的电感可用下式表示：线圈的电感可用下式表示：式中，式中，N为线圈匝数；为线圈匝数； Rm为磁路总磁阻。为磁路总
3、磁阻。 对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为式中，式中，l1为铁心磁路长；为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；为衔铁磁路长；A为截面积；为截面积；1为铁心磁导率；为铁心磁导率；2为衔铁磁导率；为衔铁磁导率；0为空气磁导率；为空气磁导率；为空气隙厚度。为空气隙厚度。 因此有：因此有： 一一般般情情况况下下，导导磁磁体体的的磁磁阻阻与与空空气气隙隙磁磁阻阻相相比比是是很很小小的的，因因此此线线圈圈的的电电感感值值可近似地表示为可近似地表示为 衔铁下移衔铁下移 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衔铁衔铁忽略
4、高次项：忽略高次项： 衔铁上移衔铁上移 忽略高次项：忽略高次项： 差动式自感传感器差动式自感传感器差动式自感传感器差动式自感传感器在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔共用一个衔共用一个衔共用一个衔铁铁铁铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的，构成差动式自感传感器，两个线圈的，构成差动式自感传感器，两个线圈的，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几电气参数和几电气参数和几电气参数和几何尺寸何尺寸何尺寸何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提要求完全相同。这种结
5、构除了可以改善线性、提要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。差动气隙式电感传感器由两个差动气隙式电感传感器由两个差动气隙式电感传感器由两个差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈相同的电感线圈相
6、同的电感线圈相同的电感线圈、和和和和磁路磁路磁路磁路组成组成组成组成, , , , 测量时测量时测量时测量时, , , , 衔铁通过导杆与被测位移衔铁通过导杆与被测位移衔铁通过导杆与被测位移衔铁通过导杆与被测位移量相连量相连量相连量相连, , , , 当被测体上下移动时当被测体上下移动时当被测体上下移动时当被测体上下移动时, , , , 导杆带动衔铁也以导杆带动衔铁也以导杆带动衔铁也以导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动相同的位移上下移动相同的位移上下移动相同的位移上下移动, , , , 使两个磁回路中使两个磁回路中使两个磁回路中使两个磁回路中磁阻磁阻磁阻磁阻发生大发生大发生大发生大小相等小相等
7、小相等小相等, , , , 方向相反的变化方向相反的变化方向相反的变化方向相反的变化, , , , 导致一个线圈的电感量导致一个线圈的电感量导致一个线圈的电感量导致一个线圈的电感量增加增加增加增加, , , , 另一个线圈的电感量减小另一个线圈的电感量减小另一个线圈的电感量减小另一个线圈的电感量减小, , , , 形成差动形式。形成差动形式。形成差动形式。形成差动形式。图图图图2 2 2 2是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。
8、当衔铁感传感器的结构示意图。当衔铁感传感器的结构示意图。当衔铁感传感器的结构示意图。当衔铁3 3 3 3移动时，一个线圈的电移动时，一个线圈的电移动时，一个线圈的电移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。图图2 2 差动式自感传感器差动式自感传感器1-1-线圈线圈 2-2-铁芯铁芯 3-3-衔铁衔铁 4-4-导杆导杆（a a） 变气隙型变气隙型432131412344（b b） 变面积型变面积型 （c c） 螺管型螺管型变气
9、隙型差动式自感传感器变气隙型差动式自感传感器衔铁下移：衔铁下移： 忽略高次项：忽略高次项：忽略高次项：忽略高次项： 提高一倍提高一倍提高一倍提高一倍 上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在误差在误差在误差在工作范围内要比单个自感传感器的小得多。工作范围内要比单个自感传感器的小得多。工作范围内要比单个自感传感器的小得多。工作范围内要比单个自感传感器的小得多。 差动式差动式差动式差动式与与与与单线圈单线圈单线圈单线圈电感式传感器相比，具有下
10、列优点：电感式传感器相比，具有下列优点：电感式传感器相比，具有下列优点：电感式传感器相比，具有下列优点： 线性好；线性好；线性好；线性好； 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；大一倍；大一倍；大一倍； 温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；的影响，由于能互相抵消而减小；的影响，由于能互相抵消而减小；
11、的影响，由于能互相抵消而减小； 电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。减小。减小。减小。 2.2.变面积型变面积型气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为为变面积型电感传感器变面积型电感传感器，其结构示意图见下图。，其结构示意图见下图。通过对式通过对式 的分析可知，线圈电感量的分析可知
12、，线圈电感量L L与气隙厚度是非与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积线性的，但与磁通截面积A A却是成正比，是一种线性关系。特却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见上图性曲线参见上图。 3螺管型电感式传感器螺管型电感式传感器下图为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，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度有关。设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为m，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为三种类型比较三种类型比较1.1.变
13、间隙型灵敏度较高变间隙型灵敏度较高, ,但非线性误差较大但非线性误差较大, ,且且制作装配比较困难。制作装配比较困难。2. 2. 变面积型灵敏度较前者小变面积型灵敏度较前者小, ,但线性较好但线性较好, ,量程量程较大较大, ,使用比较广泛。使用比较广泛。3.3.螺管型灵敏度较低螺管型灵敏度较低, ,但量程大且结构简单易于但量程大且结构简单易于制作和批量生产制作和批量生产, ,是使用最广泛的一种电感式是使用最广泛的一种电感式传感器。传感器。3.1.2 互感式传感器互感式传感器互感式传感器本身是其互感系数互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次线圈接入可变的变压器，当一次线圈接入激励电压
14、后，二次线圈将产生感激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。一般，这种电压将作相应变化。一般，这种传感器的二次线圈有两个，接线传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。动变压器式传感器。 这种传感器的工作原理如右图所这种传感器的工作原理如右图所示。示。 互感型传感器互感型传感器 差动变压器差动变压器（一）结构原理与等效电路（一）结构原理与等效电路分气隙型和差动变压器两种。目前多采用螺管型差动变压器。1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁4123其基本元件有衔铁、初级线圈、次级
15、线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。 e1初级线圈激励电压L1,R1初级线圈电感和电阻M1,M2分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻激励电压的角频率；e1激励电压的复数值；由于Il的存在，在次级线圈中产生磁通Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级线圈匝数。
16、初级线圈的复数电流值为：N2为次级线圈匝数。因此空载输出电压在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为其幅数输出阻抗或差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。3.3 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度被测量被测量 x L( M)转换电路及转换电路及信号调节信号调节电量电量传感器转换电路调幅电路调频电路调相电路输出空载电压：输出空载电压：设初始平衡状态（理想情况磁芯在中间位置），设初始平衡状态（理想情况磁芯在中间位置），Z1=Z2=Z，u0=0，当磁芯偏离中间位置时，当磁芯偏离中间位置时， Z1=Z+ Z， Z2=Z- Z ，有：，有：1、变压
17、器电桥、变压器电桥：（：（右图所示）右图所示）调幅式转换电路形式：调幅式转换电路形式：当磁芯反向偏离时，当磁芯反向偏离时， Z1=Z- Z， Z2=Z+ Z ，有：，有：阻抗阻抗 Z的变化取决于损耗电阻变化的变化取决于损耗电阻变化 R及感抗变化及感抗变化 L两部分。两部分。此时，输出电压可写成下式，此时，输出电压可写成下式，Q为品质因数为品质因数当品质因数当品质因数 很大，很大， R/RR/R可以忽略时：可以忽略时： 调频电路的基本原理是传调频电路的基本原理是传感器自感感器自感L L的变化引起输出电压的变化引起输出电压频率频率f f的变化。一般是把传感器的变化。一般是把传感器自感自感L L和一
18、个固定电容和一个固定电容C C接入一接入一个振荡回路中，如右图个振荡回路中，如右图a a所示。所示。图中图中G G表示振荡回路，其振荡频表示振荡回路，其振荡频率，当率，当L L变化时，振荡频率随之变化时，振荡频率随之变化，根据变化，根据f f的大小即可算出被的大小即可算出被测量。图测量。图b b给出了给出了f f与与L L的特性曲的特性曲线，它存在严重的非线性。线，它存在严重的非线性。 调频式转换电路形式：调频式转换电路形式： 调相电路的基本原理是传感器电感调相电路的基本原理是传感器电感L L变化会引起输出电变化会引起输出电压相位变化，下图压相位变化，下图a a所示是一个相位电桥，一臂为传感器
19、所示是一个相位电桥，一臂为传感器L L，一臂为固定电阻一臂为固定电阻R R。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降二个向量是互略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降二个向量是互相垂直的，如下图相垂直的，如下图b b所示。当电感所示。当电感L L变化时，输出电压的幅值变化时，输出电压的幅值不变，相位角随之变化不变，相位角随之变化。 调相式转换电路形式：调相式转换电路形式： 自感传感器的自感传感器的灵敏度灵敏度是指传感器结构是指传感器结构(测头测头)和转换电路综合和转换电路综合在一起的总灵敏度。在一起的总灵敏度。传感器的灵敏
20、度传感器的灵敏度(单位：单位：mV/（ m V）) 传感器结构灵敏度传感器结构灵敏度kt定义为自感值相对变化与引起这一变定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即化的衔铁位移之比，即 (1式式) 转换电路的灵敏度转换电路的灵敏度 kc定义为空载输出电压定义为空载输出电压uo与自感相对变与自感相对变化之比，即化之比，即 (2式式)由式由式(1式式)和式和式(2式式)可得可得总灵敏度总灵敏度为为 3.3 零点残余电压零点残余电压 衔铁位移衔铁位移x与电桥输出电压与电桥输出电压Uo有效有效值的关系曲线，如右图所示。值的关系曲线，如右图所示。 虚线为理想特性曲线，实线为实际虚线为理想特性曲线
21、，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压出电压。一般把这个最小的输出电压称为称为零点残余电压零点残余电压，并用，并用e0表示。表示。零残电压过大带来的影响：零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。饱和，仪器不能正常工作。产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称减小零点残余电压方法：减小零点残余电压方法：1.1.尽可能保证传
22、感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。2.2.选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方选用合适的测量电路，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，减小零点残余电动势。向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。 3. 3. 采用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小零点残余电动采用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容
23、元件，势的补偿电路。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，可使零点残余电动势减小。当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理v当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；v当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z2。当衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，C点电位等于D点地位，电表指示为零。 v当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+Z，则下部线圈阻抗减少，Z2=Z-Z。
24、如果输入交流电压为正半周，则A点电位为正，B点电位为负，二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。v如果输入交流电压为负半周，A点电位为负，B点电位为正，二极管V2、V3导通，V1、V4截止，则在A-F-C-B支中中，C点电位由于Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即B点电位为正，A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Z2减少时，C点电位更负）；而在A-E-D-B支路中，D点电位由于Z1的增加而
25、比平衡时的电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位，电压表正向偏转。v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。v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。 3.4 应用举例应用举例下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器 测头测头测杆测杆电感电感线圈线圈磁芯磁芯下图是气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图下图是气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图 气体压力传感器气体压力传感器 加速度计用传感器加速度计用传感器旁向式旁向式差动电感式传感器差动电感式传感器总行程：1.5mm测量力：0.4
26、0.7N示值变动性：0.2m轴向式差动电感式传感器轴向式差动电感式传感器总行程：3mm测量力：0.450.65N示值变动性：0.03m总行程：1.5mm测量力：0.120.18N示值变动性：0.05m特点：特点：不仅可以测量微米级直径，而且通过其在孔内旋转和平移可以测量其椭圆度和圆柱度被测孔内径范围:25:25120mm 120mm 测量力：1.31.30.3N0.3N示值变动性：1 1m m特点：特点：不仅可以测量微米级直径，还可以测量轴的椭圆度和圆柱度被测轴直径范围:25:25120mm 120mm 测量力：4 41.5N1.5N示值变动性：1 1m m电子卡规、塞规电子卡规、塞规电子卡规、塞规电子卡规、塞规轴向式差动变压器式传感器轴向式差动变压器式传感器总行程：100mm线性度：0.15%总行程：27mm测量力：0.91.2N示值变动性：0.5m人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
