《电感传感器》PPT课件

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1、3.3 3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器3.1 3.1 自感传感器自感传感器第第3 3章章 电感传感器电感传感器3.2 3.2 差动变压器差动变压器内容提要和小结内容提要和小结1电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器互感式传感器互感式传感器互感式传感器互感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电磁电磁电磁电磁感应感应感应感应 被测非电量被测非电量自感系数自感系数自感系数自感系数L L L L互感系数互感系数互感系数互感系数M M M M测量测量测量测量电路电路电路电路 U U、I I、f f差动变压器差动变

2、压器差动变压器差动变压器 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。力矩、应变等多种物理量。 电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时测量转换成线圈自感或互感的变化时, ,一般要利用磁场作为一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。有

3、线圈绕组。23.1 3.1 自感式传感器自感式传感器 3.1.1 自感式传感器工作原理自感式传感器工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器变面积式自感传感器3.1.4 螺管式自感传感器螺管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器的误差因素自感式传感器的误差因素3.1.7 自感式传感器应用举例自感式传感器应用举例3F F220V实验：实验：36V4气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小F F5原理结构如图原理结构如图3-13-1所示，其中所示，其中B B为动铁心（通称衔铁），为动铁心（

4、通称衔铁），A A为固定铁心。这两个部件一般为硅钢片或坡莫合金叠为固定铁心。这两个部件一般为硅钢片或坡莫合金叠片。动铁心片。动铁心B B用拉簧定位，使用拉簧定位，使A A、B B间保持一个初始距离间保持一个初始距离L0L0，铁心截面积在铁心，铁心截面积在铁心A A上绕有上绕有N N匝线圈。匝线圈。 图图3-l 3-l 自感式传感器原理图自感式传感器原理图3.1.1 3.1.1 自感式传感器自感式传感器工作原理工作原理 6可由电感的定义写出电感值表达式为：可由电感的定义写出电感值表达式为：式中式中 链过线圈的总磁链；链过线圈的总磁链； 穿过线圈的磁通；穿过线圈的磁通； I I 线圈中流过的电流。

5、线圈中流过的电流。 N N 线圈匝数线圈匝数又知：由磁路欧姆定律，得又知：由磁路欧姆定律，得式中式中 ININ 磁动势；磁动势； RmRm 总磁阻总磁阻 7式式中中: : R Rm m磁磁路路总总磁磁阻阻。对对于于变变隙隙式式传传感感器器, , 因因为为气气隙隙很很小小, , 所所以以可可以以认认为为气气隙隙中中的的磁磁场场是是均均匀匀的的。若若忽略磁路磁损忽略磁路磁损, , 则磁路总磁阻为：则磁路总磁阻为： 式中式中: : 1 1 铁芯材料的导磁率铁芯材料的导磁率; ; 2 2 衔铁材料的导磁率衔铁材料的导磁率; ; l l1 1 磁通通过铁芯的长度磁通通过铁芯的长度; l; l2 2 磁通

6、通过衔铁的长度磁通通过衔铁的长度; ; S S1 1 铁芯的截面积铁芯的截面积; S; S2 2 衔铁的截面积衔铁的截面积; ; 0 0 空气的导磁率（空气的导磁率（0 04 410109 9H/cmH/cm ）; ; S S0 0 气隙的截面积气隙的截面积; ; 气隙的厚度。气隙的厚度。8通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, , 即即 则可近似为则可近似为又因为又因为 所以可得所以可得该式表明该式表明, , 当线圈匝数为常当线圈匝数为常数时数时, , 电感电感L L仅仅是磁路中磁仅仅是磁路中磁阻阻RmRm的函数的函数, , 只要改变只要改变或或0 0均可导致

7、电感变化均可导致电感变化, , 因此因此自感式传感器又可分为变气自感式传感器又可分为变气隙厚度隙厚度的传感器和变气隙的传感器和变气隙面积面积0 0的传感器。使用最广的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度泛的是变气隙厚度式电感式电感传感器。传感器。 9，S S S SL LL L= = f f ( (S S) )L L= = f f ( ( ) )图图3-2 3-2 自感传感器特性自感传感器特性103.1.2 3.1.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器 变间隙式电感传感器：变间隙式电感传感器： 图图3-3 3-3 可变阻式传感器基本原理可变阻式传感器基本原理1-1-线圈线圈 2 2铁芯铁芯 3

8、 3衔铁衔铁11通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻的磁阻 L L与与之间是非线性关系之间是非线性关系 一、电感计算一、电感计算图图图图3-4 3-4 3-4 3-4 变气隙自感式传感器变气隙自感式传感器变气隙自感式传感器变气隙自感式传感器12当衔铁处于初始位置时，初始电感量为：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为：则此时输出电感为：则此时输出电感为：代入上式并整理得：代入上式并整理得：二、输出特性二、输出特性当衔铁上移当衔铁上移时，则传感器气隙减小时，则传感器气隙减小 ，即：，即：（4 42 2）图图图图3-5 3-5 3-5 3-5 输出特性输出特性输出特性输出

9、特性13当当 时，上式用泰勒级数展开成如下的级数形式：时，上式用泰勒级数展开成如下的级数形式： 同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，传感器同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，传感器气隙增加气隙增加, , 即即=0 0+, +, 则此时输出电感为则此时输出电感为L = LL = L0 0- -LL，有：，有：可求得电感增量可求得电感增量LL和相对增量和相对增量L/ LL/ L0 0的表达式：的表达式：14对上式作线性处理，即忽略高次项后可得：对上式作线性处理，即忽略高次项后可得：灵敏度为：灵敏度为： 变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线

10、性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。测量微小位移场合。15与 衔铁上移衔铁上移 切线斜率变大切线斜率变大衔铁下移衔铁下移切线斜率变小切线斜率变小 16与线性度与线性度衔铁上移：衔铁上移：衔铁下移：衔铁下移：无论上移或下移，非线性都将增大。无论上移或下移，非线性都将增大。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器。 17三、差动变隙式电感传感器三、差动变隙式电感传感器 1-1-铁芯；铁芯；2-2-线圈；线圈；3-3-衔铁衔铁 差动变隙式电感传感器由两个相

11、同的电感线圈差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈、和磁路组成和磁路组成, , 测量时测量时, , 衔铁通过导杆与被测位移量相连衔铁通过导杆与被测位移量相连, , 当被测体上下移动时当被测体上下移动时, , 导导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动杆带动衔铁也以相同的位移上下移动, , 使两个磁回路中磁阻发生大小使两个磁回路中磁阻发生大小相等相等, , 方向相反的变化方向相反的变化, , 导致一个线圈的电感量增加导致一个线圈的电感量增加, , 另一个线圈的另一个线圈的电感量减小电感量减小, , 形成差动形式。当差动使用时形成差动形式。当差动使用时, , 两个电感线圈接成交流两个电感线圈接成交流电

12、桥的相邻桥臂电桥的相邻桥臂, , 另两个桥臂由电阻组成另两个桥臂由电阻组成, , 电桥输出电压与电桥输出电压与LL有关。有关。图图图图3-6 3-6 3-6 3-6 差动变隙式差动变隙式电感器原理图电感器原理图电感器原理图电感器原理图18差动变间隙式电感传感器：差动变间隙式电感传感器： 可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器19对上式进行线性处理，即忽略高次项得：对上式进行线性处理，即忽略高次项得： 灵敏度灵敏度k k0 0为：为：当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量LL1 1、LL2 2 ，则：，则：提高一倍提高一倍 20 在实际使用中，常采用两个相同的传感

13、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铁共用一个衔铁共用一个衔铁共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈，构成差动式自感传感器，两个线圈，构成差动式自感传感器，两个线圈，构成差动式自感传感器，两个线圈的的的的电气参数和几何尺寸电气参数和几何尺寸电气参数和几何尺寸电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除要求完全相同。这种结构除要求完全相同。这种结构除要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、

14、电了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了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。外界影响造成的误差。外界影响造成的误差。外界影响造成的误差。21差动式差动式与与单线圈单线圈电感式传感器相比，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； 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； 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

15、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； 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。 22图图图图3-73-73-73-7是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差是变气隙型、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。当衔铁动式自感传感器的结构示意图。当衔铁动式自感传感器的结构示意图。当衔铁动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3 3 3 3移动时，一移动时，一移动时，一移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，个线圈

16、的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，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。形成差动形式。形成差动形式。形成差动形式。图图图图3-7 3-7 3-7 3-7 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1-1-1-1-线圈线圈线圈线圈 2- 2- 2- 2-铁芯铁芯铁芯铁芯 3- 3- 3- 3-衔铁衔铁衔铁衔铁 4- 4- 4- 4-导杆导杆导杆导杆（c c c c） 螺管型螺管型螺管型螺管型4 44 4（a a a a） 变气隙型变气隙型变气隙型变气隙型（b b b b） 变面积型变面积型变面积型变面积型

17、233.1.3 3.1.3 变面积式自感传感器变面积式自感传感器传感器气隙长度保持不变，令磁传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感同，则此变面积自感传感器自感L L为：为： 灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。与变气隙式自感传感器相比

18、，其灵敏度降低。图图图图3-8 3-8 3-8 3-8 变面积式变面积式自感传感器原理图自感传感器原理图自感传感器原理图自感传感器原理图24变面积式电感传感器：变面积式电感传感器： 253.1.4 3.1.4 螺管式自感传感器螺管式自感传感器 由线圈、衔铁和由线圈、衔铁和磁性套筒组成。随着磁性套筒组成。随着衔铁插入线圈深度的衔铁插入线圈深度的不同将引起线圈泄漏不同将引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生而使线圈的电感发生变化。变化。 图图图图3-9 3-9 3-9 3-9 单线圈单线圈单线圈单线圈螺管式自螺管式自感传感器感传感器原理图原理图一、单螺管式自感传感器一、

19、单螺管式自感传感器26对于单线圈螺管式电感传感器，对于单线圈螺管式电感传感器，设线圈长度为设线圈长度为l，线圈平均半径，线圈平均半径为为r，线圈匝数为，线圈匝数为W，线圈的平，线圈的平均激励电流为均激励电流为I（见图），则：（见图），则： 空心螺管线圈内轴向磁场空心螺管线圈内轴向磁场H为（考虑为（考虑r l）轴向磁感强度轴向磁感强度 B= 0Hn27空心螺管线圈内轴向磁感强度空心螺管线圈内轴向磁感强度空心螺管线圈的磁通空心螺管线圈的磁通 为为空心螺管线圈的自感空心螺管线圈的自感L0为为28若螺管线圈中若螺管线圈中插入一铁芯插入一铁芯，长度，长度lc= l，半径，半径rc= r，磁导率，磁导率为

20、为 r 0，则铁芯被轴向磁场，则铁芯被轴向磁场Hn 磁化，其磁感应强度为：磁化，其磁感应强度为： Bc= r 0Hn= r 0WI/l 可等效为长为可等效为长为l，电流为，电流为 rI，线圈匝数为，线圈匝数为W的空心螺管线的空心螺管线圈产生的磁场，其等效磁通匝链数圈产生的磁场，其等效磁通匝链数 c为：为： 其附加电感其附加电感Lc为：为：由此可得线圈总电感由此可得线圈总电感L为：为：29 若铁芯长度若铁芯长度lc l，则线圈总电感为：，则线圈总电感为： 当铁芯长度当铁芯长度lc增加增加 lc时，线圈电感增加时，线圈电感增加 L， 即：即：电感的变化量为：电感的变化量为：电感相对变化量为：电感相

21、对变化量为：其电感灵敏度为：其电感灵敏度为： 30 为了提高灵敏度与线性度，常采用差动螺管式电感传为了提高灵敏度与线性度，常采用差动螺管式电感传感器，沿轴向的磁场强度分布由下式给出感器，沿轴向的磁场强度分布由下式给出 若采用差动螺管式结构，则其差动输为若采用差动螺管式结构，则其差动输为 可可见见， L/L与与铁铁芯芯长长度度相相对对变变化化 lc/lc成成正正比比，比比单单个个螺螺管管式式电电感感传传感感器器灵灵敏敏度度提提高高一一倍倍。差差动动螺螺管管式式螺螺管管式式电电感感传感器的两个差动线圈通常作为交流电桥的两个相邻桥臂。传感器的两个差动线圈通常作为交流电桥的两个相邻桥臂。311-1-螺

22、线管线圈螺线管线圈；2-2-螺线管线圈螺线管线圈；3-3-骨架；骨架；4-4-活动铁芯活动铁芯 L10，L20分别为线圈分别为线圈、的初始电感值；的初始电感值；图图3-10 螺管差动式自螺管差动式自感传感器原理图感传感器原理图二、螺管差动式自二、螺管差动式自感传感器感传感器（3-1）32当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小 根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。 式式(3-1)和

23、式和式(3-2)可简化为可简化为 （3-2）33螺螺管管式式自自感感传传感感器器与与前前两两种种传传感感器器相相比比，有有以以下下特点：特点： （1 1）由由于于空空气气隙隙大大，磁磁路路磁磁阻阻大大，故故灵灵敏敏度度较较前前两两种种低低，欲欲提提高高灵灵敏敏度度，可可提提高高r ra ar r、l la a/ /l l与与增增加加匝匝数数，但但前前者者受受结结构构与与非非线线性性限限制制，后后者者受受稳定性限制。稳定性限制。 （2 2）从从磁磁通通分分布布看看，只只要要满满足足主主磁磁通通不不变变与与线线圈圈绕绕组组排排列列均均匀匀的的条条件件，可可望望得得到到较较大大的的线线性性范范围围。

24、螺螺管管型型自自感感传传感感器器也也可可以以做做成成差差动动型型以以改改善善其性能。其性能。 34三种传感器的比较三种传感器的比较 变气隙式：灵敏度高（原始气隙一般取很小，变气隙式：灵敏度高（原始气隙一般取很小，约为），因而它对电路放大倍数要求很低，缺点约为），因而它对电路放大倍数要求很低，缺点是非线性严重。为了限制非线性误差，示值范围是非线性严重。为了限制非线性误差，示值范围只能很小。（一般取只能很小。（一般取1/51/5）。自由量程）。自由量程小（衔铁在小（衔铁在方向运动受到限制）。此外，制方向运动受到限制）。此外，制造装配困难。造装配困难。 变面积式：具有较好的线性，示值范围较大，变面积

25、式：具有较好的线性，示值范围较大，自由行程也较大。自由行程也较大。 螺旋管式：灵敏度低，但示值范围大，自由行螺旋管式：灵敏度低，但示值范围大，自由行程大，结构简单，制造装配容易。程大，结构简单，制造装配容易。353.1.5 3.1.5 自感式传感器测量电路自感式传感器测量电路 电感式传感器的测量电路有电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流电桥式、 交流变压器式以及交流变压器式以及谐振式调幅、谐振式调频、谐振式谐振式调幅、谐振式调频、谐振式调相等几种形式。调相等几种形式。36自感式传感器的等效电路自感式传感器的等效电路自感式传感器的等效电路自感式传感器的等效电路 实际传感器中，线圈不可能是纯电

26、感，它包括线实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线圈的圈的圈的圈的铜损电阻铜损电阻铜损电阻铜损电阻R R R RC C C C ；铁芯的；铁芯的；铁芯的；铁芯的涡流损耗电阻涡流损耗电阻涡流损耗电阻涡流损耗电阻R R R Re e e e ；由于线；由于线；由于线；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈圈和测量设备电缆的接入，存在线圈圈和测量设备电缆的接入，存在线圈圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电固有电容和电固有电容和电固有电容和电缆的分布电容缆的分布电容缆的分布电容缆的分布电容，用集中参数，用集

27、中参数，用集中参数，用集中参数C C C C表示。表示。表示。表示。 图图图图3-11 3-11 3-11 3-11 等效电路等效电路等效电路等效电路Z ZC CL LR Rc cR Re e37一、一、 交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路图图图图3-12 3-12 3-12 3-12 交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥差动的两个传感器线圈接成电桥的差动的两个传感器线圈接成电桥的差动的两个传感器线圈接成电桥的差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作臂（两个工作臂（两个工作臂（两个工作臂（Z Z Z Z1 1 1 1、Z Z Z Z2 2 2 2为两个差动传为两个差动传为两个差动传为两个差动传感器

28、线圈的复阻抗），另两个桥臂感器线圈的复阻抗），另两个桥臂感器线圈的复阻抗），另两个桥臂感器线圈的复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻用平衡电阻用平衡电阻用平衡电阻R R R R1 1 1 1、R R R R2 2 2 2代替。代替。代替。代替。设初始时设初始时设初始时设初始时 Z Z Z Z1 1 1 1= = = = Z Z Z Z2 2 2 2= = = = Z Z Z Z = = = = R R R RS S S S+ + + +jLjLjLjL； R R R R1 1 1 1 = = = = R R R R2 2 2 2 = = = = R R R R ； L L L L1 1 1 1= =

29、 = = L L L L2 2 2 2= = = = L L L L0 0 0 0 。 Z Z Z ZL L L LR R R R1 1 1 1R R R R2 2 2 2Z Z Z Z2 2 2 2Z Z Z Z1 1 1 138对差动变气隙式自感传感器：对差动变气隙式自感传感器：对差动变气隙式自感传感器：对差动变气隙式自感传感器：可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与 有关，有关，有关，有关，相位与衔铁移动方向有关。相位与衔铁移动方向有关。相位与衔铁移动方向有关。相位与衔铁移动方向有关。由由由由于是交流信号，还要经过适当于是交流信号，还要经过适当于

30、是交流信号，还要经过适当于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理电路（如相敏检波电路）处理电路（如相敏检波电路）处理电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方才能判别衔铁位移的大小及方才能判别衔铁位移的大小及方才能判别衔铁位移的大小及方向。向。向。向。（3 - 33 - 3）394 4 4 43 3 3 32 2 2 21 1 1 17575505025250 050507575100100L/mH/mm10010025251 12 23 34 4- 1 1 1 1、2 2 2 2为两线圈的电感特性，为两线圈的电感特性，为两线圈的电感特性，为两线圈的电感特性，3 3 3

31、3为两线圈差接时的电感特性，为两线圈差接时的电感特性，为两线圈差接时的电感特性，为两线圈差接时的电感特性，4 4 4 4为差接后电桥输出电压与位移为差接后电桥输出电压与位移为差接后电桥输出电压与位移为差接后电桥输出电压与位移间的特性曲线。间的特性曲线。间的特性曲线。间的特性曲线。说明：说明：说明：说明：电桥输出电压的大小与衔电桥输出电压的大小与衔电桥输出电压的大小与衔电桥输出电压的大小与衔铁的位移量铁的位移量铁的位移量铁的位移量有关，相位与衔有关，相位与衔有关，相位与衔有关，相位与衔铁的移动方向有关。铁的移动方向有关。铁的移动方向有关。铁的移动方向有关。若设衔铁向上移动若设衔铁向上移动若设衔铁

32、向上移动若设衔铁向上移动为负，则为负，则为负，则为负，则U U U U0 0 0 0为负；衔铁向下移动为负；衔铁向下移动为负；衔铁向下移动为负；衔铁向下移动为正，为正，为正，为正，则则则则U U U U0 0 0 0为正，相位差为正，相位差为正，相位差为正，相位差180180180180。40图图3-13 3-13 非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较使用相敏整流，输出电压使用相敏整流，输出电压U U0 0不仅能反映衔铁位不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响。影响。 相敏整流后电压相敏整流后电压

33、无残余电压无残余电压有残余电压有残余电压41二、二、 变压器式交流电桥变压器式交流电桥 变变压压器器式式交交流流电电桥桥测测量量电电路路如如图图3-143-14所所示示, , 电电桥桥两两臂臂Z1Z1、 Z2Z2为为传传感感器器线线圈圈阻阻抗抗, , 另另外外两两桥桥臂臂为为交交流流变变压压器器次次级级线线圈圈的的 1/2 1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷大时阻抗。当负截阻抗为无穷大时, , 桥路输出电压：桥路输出电压： 当传感器的衔铁处于中间当传感器的衔铁处于中间位置位置, , 即即Z Z1 1= Z= Z2 2=Z=Z时有时有=0, =0, 电桥平衡。电桥平衡。 Z Z1 1Z Z2 2I

34、IA AB B图图图图3-14 3-14 3-14 3-14 变压器交流电桥变压器交流电桥变压器交流电桥变压器交流电桥42可可知知, , 衔衔铁铁上上下下移移动动相相同同距距离离时时, , 输输出出电电压压的的大大小小相相等等, , 但但方方向向相相反反, , 由由于于 是是交交流流电电压压, , 输输出出指指示示无无法法判判断断位位移方向移方向, , 必须配合相敏检波电路来解决。必须配合相敏检波电路来解决。 当传感器衔铁上移时当传感器衔铁上移时, , 即即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此时此时当传感器衔铁下移时当传感器衔铁下移时, , 则则Z1=Z-Z, Z

35、2=Z+Z, Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此时此时43变压器电桥与电阻平衡臂电桥相比，具变压器电桥与电阻平衡臂电桥相比，具有元件少，输出阻抗小，桥路开路时电有元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性的优点，但因为变压器副边不路呈线性的优点，但因为变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。使高增益放大器不能工作。44三、谐振式测量电路三、谐振式测量电路3 3图图3-15 3-15 谐振式调幅电路谐振式调幅电路调幅电路灵敏度很高调幅电路灵敏度很高, , 但线性差但线性差, , 适用于线适用于线性要求不高的场合。性要求不高的场合。

36、1.1.调幅电路调幅电路452.2.调频电路调频电路 调调频频电电路路的的基基本本原原理理是是传传感感器器电电感感L L变变化化将将引引起起输输出出电电压压频频率率的的变变化化。一一般般是是把把传传感感器器电电感感L L和和电电容容C C接接入入一一个个振振荡荡回回路路中中, , 其其振振荡荡频频率率f=1/f=1/22（LCLC）1/21/2。 当当L L变变化化时时, , 振振荡频率随之变化荡频率随之变化, , 根据根据f f的大小即可测出被测量的值。的大小即可测出被测量的值。 传感器自感变化将引起输出电压频率的变化传感器自感变化将引起输出电压频率的变化 G GC CL Lf fL Lf

37、f0 046灵灵敏敏度度很很高高，它它具具有有明明显显的的非非线线性性关关系系。适适用用于于线线性性要要求求不不高高的的场场合合, ,只只有有在在 f f 较较大大的的情情况况下下才才能能达达到到较较高精度。高精度。 由输出为频率信号，这种电路的抗干扰能力由输出为频率信号，这种电路的抗干扰能力很强，电缆长度可达很强，电缆长度可达1km1km，特别适合于野外，特别适合于野外现场使用。现场使用。47一、零位残余电压一、零位残余电压 当当电电感感传传感感器器的的衔衔铁铁位位于于初初始始平平衡衡位位置置时时，测测量量电电桥桥输输出出理理论论上上应应为为零零，但但实实际际上上总总存存在在零零位位不不平平

38、衡衡电电压压输输出出，从从而而造造成成零零位位误误差差。我我们们把把这这个个零零位位时时输输出出的的最最小小电电压压称称作作零零位位残残余余电压，并用电压，并用e e0 0表示。表示。3.1.6 3.1.6 自感式传感器的误差因素自感式传感器的误差因素0xe0481 1 基波正交分量基波正交分量(a)(a)(a)(a)残余电压的波形残余电压的波形残余电压的波形残余电压的波形 (b)(b)波形分析波形分析1 13 32 24 45 5e e0 0t tU Ui ie e0 0U Ut t图图图图3-163-163-163-16中中中中i i i i为差动变压器初级的激励电压，为差动变压器初级的激

39、励电压，为差动变压器初级的激励电压，为差动变压器初级的激励电压，e e e e0 0 0 0包含基包含基包含基包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。较小的电磁干扰等。较小的电磁干扰等。较小的电磁干扰等。 2 2 基波同相分量基波同相分量3 3 二次谐波二次谐波4 4 三次谐波三次谐波 5 5 电磁干扰电磁干扰图图图图3-16 3-16 3-16 3-16 残余电压的波形分析残余电压的波形分析残余电压的波形分析残余电压的波形分析

40、49产生零位残余电压的原因是：产生零位残余电压的原因是：差动式电感传感器的电气参数及结构尺寸不可能差动式电感传感器的电气参数及结构尺寸不可能完全对称；完全对称；传感器具有铁损即磁化曲线的非线性；传感器具有铁损即磁化曲线的非线性；电源电压中含有高次谐波；电源电压中含有高次谐波；线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁心间有分布线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁心间有分布电容。电容。 50 减小零位残余电压的措施是：减小零位残余电压的措施是：1. 1. 衔铁、骨架等零件应保证足够的加工精度，两线衔铁、骨架等零件应保证足够的加工精度，两线 圈绕制要一致，必要时可选配线圈。圈绕制要一致，必要时可选配线圈。2.

41、2. 减小电源中谐波成分，减小电感传感器的激磁电减小电源中谐波成分，减小电感传感器的激磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段；流，使之工作在磁化曲线的线性段；3. 3. 注意利用外壳进行电磁屏蔽；注意利用外壳进行电磁屏蔽；4. 4. 采用下列电路措施来减小零位电压。采用下列电路措施来减小零位电压。 一种常用的方法是采用补偿电路，其原理为：一种常用的方法是采用补偿电路，其原理为： 串联电阻消除基波零位电压；串联电阻消除基波零位电压； 并联电阻消除高次谐波零位电压；并联电阻消除高次谐波零位电压； 并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。 51图图3-17 3-1

42、7 补偿零点残余电压的电路补偿零点残余电压的电路 加加串联电阻串联电阻(c)(0.55 )消除基波同相成分；消除基波同相成分；并联电容并联电容(b) (c)(100500pF)，改变某一次级绕组相位，消除高次，改变某一次级绕组相位，消除高次谐波分量；加谐波分量；加并联电阻并联电阻(0.11)102k 消除基波中正交消除基波中正交成分；加成分；加反馈绕组和反馈电容反馈绕组和反馈电容补偿基波及高次谐波分量。补偿基波及高次谐波分量。52二、温度误差二、温度误差 环境温度的变化会引起自感传感器的零点温度漂环境温度的变化会引起自感传感器的零点温度漂移、灵敏度温度漂移以及线性度和相位的变化，造成移、灵敏度

43、温度漂移以及线性度和相位的变化，造成温度误差。温度误差。环境温度对自感传感器的影响主要通过：环境温度对自感传感器的影响主要通过： (1)(1)材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化 (2) (2)材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化 (3) (3)磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的质温度系磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的质温度系数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成。成。53三、激励电源的影响三、激励电源的影响 大多数自感式传感器采用交流电桥作

44、测量电路，大多数自感式传感器采用交流电桥作测量电路，电源电压的波动将直接导致输出信号的波动。采用电源电压的波动将直接导致输出信号的波动。采用差动工作方式，其影响将能得到补偿。但需注意，差动工作方式，其影响将能得到补偿。但需注意，频率的高低应与铁心材料相匹配。频率的高低应与铁心材料相匹配。 对于谐振式与恒流源式测量电路，电源频率与对于谐振式与恒流源式测量电路，电源频率与电流的稳定度将直接引起测量误差。对于调频式测电流的稳定度将直接引起测量误差。对于调频式测量电路，则应保证直流电源的稳定度。量电路，则应保证直流电源的稳定度。54 电感式传感器电感式传感器般用于接触测量，可用于静态和动态测般用于接触

45、测量，可用于静态和动态测量。测量的量。测量的基本量基本量是是位移位移，也可以用于振动、压力、荷重、，也可以用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数测量。流量、液位等参数测量。 除螺管式电感传感器外，还包括测量电桥、交流放大除螺管式电感传感器外，还包括测量电桥、交流放大器、相敏检波器、器、相敏检波器、振荡器、稳压电源振荡器、稳压电源及显示器等，它主及显示器等，它主要用于精密微小位要用于精密微小位移测量。移测量。3.1.7 3.1.7 自感式传感器应用举例自感式传感器应用举例图图3-18 3-18 电感测微仪典型框图电感测微仪典型框图55图图3-19 3-19 变隙式自感压力传感器结构图变隙式自感压

46、力传感器结构图自感式压力传感器自感式压力传感器 图示是变隙电感式压力传图示是变隙电感式压力传感器的结构图。感器的结构图。 它由膜盒、它由膜盒、 铁芯、铁芯、 衔铁及线圈等组成衔铁及线圈等组成, , 衔衔铁与膜盒的上端连在一起。铁与膜盒的上端连在一起。 当压力进入膜盒时当压力进入膜盒时, , 膜盒膜盒的顶端在压力的顶端在压力P P的作用下产生与的作用下产生与压力压力P P大小成正比的位移。于是大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动衔铁也发生移动, , 从而使气隙从而使气隙发生变化发生变化, , 流过线圈的电流也流过线圈的电流也发生相应的变化发生相应的变化, , 电流表指示电流表指示值就反映了被测压

47、力的大小。值就反映了被测压力的大小。56 当当被被测测压压力力进进入入C C形形弹弹簧簧管管时时, , C C形形弹弹簧簧管管产产生生变变形形, , 其其自自由由端端发发生生位位移移, , 带带动动与与自自由由端端连连接接成成一一体体的的衔衔铁铁运运动动, , 使使线线圈圈 1 1 和和线线圈圈 2 2 中中的的电电感感发发生生大大小小相相等等、 符符号号相相反反的的变变化化, , 即即一一个个电电感感量量增增大大, , 另另一一个个电电感量减小。感量减小。图图3-20 3-20 变隙差动式电感压力变隙差动式电感压力传感器传感器 电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输电感的这种变化通

48、过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系出电压与被测压力之间成比例关系, , 所以只要用检测仪表测所以只要用检测仪表测量出输出电压量出输出电压, , 即可得知被测压力的大小。即可得知被测压力的大小。 57 电感式传感器测液位电感式传感器测液位58 电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置593.2 3.2 差动变压器差动变压器3.2.1 变隙式差动变压器变隙式差动变压器3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2.3 差动变压器应用差动变压器应用60 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

49、级绕组用差动形式连接， 故称差动变压器式传感器。 不同的是：变压器为闭合磁路，差动变压器式传感器为开磁路；变压器初、次级间的互感为常数，差动变压器式传感器初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作。 差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式,但其工作原理基本一样。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。 61传感器与自动检测技术 TD-1油动机行程阀位位移传感器油动机行程阀位位移传感器交流差分变压器交流差分变压器式角位移传感器式角位移传感器 GA系列差分变压器位移传感器系列

50、差分变压器位移传感器62(a)、(b) 变隙式差动变压器；(c)、(d) 螺线管式差动变压器；(e)、(f) 变面积式差动变压器 图图3-2163当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出互感变化时，输出电压将作相应变化应电压输出互感变化时，输出电压将作相应变化 。 两个初级绕组的同名端顺向串联，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向串联。而两个次级绕组的同名端则反向串联。图图3-22 变隙式差动变压器变隙式差动变压器3.3.1 .1 变隙式差动变压器变隙式差动变压器一、工作原理一、工作原理64当被测体有位移时，与

51、被测体相连的衔铁的位置将发生相应的当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使变化，使a ab b，两次级绕组的互感电势两次级绕组的互感电势e e2a2aee2b2b，输出电压，输出电压 电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理，使最终输出电压的极性能反映位移的方向。理，使最终输出电压的极性能反映位移的方向。当没有位移时，衔铁当没有位移时，衔铁C C处于初始平衡处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙为位置，它与两个铁芯的间隙为a0a0 =b0b0=0 0。两个次级绕组的互感电。两个次级绕组的互感电势相等，即势

52、相等，即e e2a2a=e=e2b2b。由于次级绕组反向串联，因此，差由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压动变压器输出电压65 在忽略铁损（即涡流在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的（或负载阻抗足够大）的条件下，等效电路。条件下，等效电路。 r r1 1a a与与L L1a1a , , r r1b1b与与L L1b1b , , r r2a2a与与L L2a 2a , , r r2b2b与与L L2b2b，分别为，分别为W W1a1a , , W W1b1b , , W W2a2a, , W W

53、2b2b绕阻的直绕阻的直流电阻与电感。流电阻与电感。 图图3-23 差动变气隙式变压器的等效电路差动变气隙式变压器的等效电路二、输出特性二、输出特性66当当r r1 1a aLL1 1a a，r r1 1b bL M M2 2，因因而而E E2a2a增增加加，而而E E2b2b减减小小。反反之之，E E2b2b增增加加，E E2a2a减减小小。因因为为U Uo o= =E E2a2a- -E E2b2b，所所以以当当E E2a2a、E E2b2b 随随着着衔衔铁铁位位移移x x变变化化时时， U Uo o也也必必将将随随x x而而变变化。但无法判别位移方向。化。但无法判别位移方向。当衔铁位于中

54、心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作UoUo，它的，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。全一致。 73传感器与自动检测技术 差分变压器输出电压动画差分变压器输出电压动画74当次级开路时有当次级开路时有 , ,初级线圈激励电流：初级线圈激励电流： 根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为：根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的

55、表达式为： 次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则 输出电压有效值：输出电压有效值： 上式说明，当激磁电压的幅值上式说明，当激磁电压的幅值U U和角频率和角频率、初级绕组的直流电阻、初级绕组的直流电阻r r1 1及电感及电感L L1 1为定值为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。只要求出互感只要求出互感M M1 1和和M M2 2对活对活动衔铁位移动衔铁位移x x的关系式，的关系式，可得到螺线管式差动变压可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。

56、器的基本特性表达式。二、基本特性二、基本特性75（1 1）当活动衔铁处于中间位置时）当活动衔铁处于中间位置时 M M1 1= M= M2 2=M=M 则则 U U0 0=0=0（2 2）当活动衔铁向）当活动衔铁向W W2a2a方向移动时方向移动时 M M1 1= M+M, M= M+M, M2 2= M-M= M-M 故故 （3 3）当活动衔铁向）当活动衔铁向W W2b2b方向移动时方向移动时 M M1 1= M-M= M-M，M M2 2= M+M= M+M 故故 与与E E2 2a a同极性。同极性。 . .与与E E2 2b b同极性。同极性。 . .76 差差动动变变压压器器在在单单位

57、位电电压压激激励励下下，铁铁芯芯移移动动一一个个单单位位距距离离时时的的输输出出电电压压，以以V/(mm V ) 表表示示 。 一一 般般 差差 动动 变变 压压 器器 的的 灵灵 敏敏 度度 大大 于于 5V/mm V。 理想条件下，差动变压器的灵敏度理想条件下，差动变压器的灵敏度KE正比于电正比于电源激励频率源激励频率f 。图图3-27 K3-27 KE E与与f f关系曲线关系曲线1. 1. 灵敏度灵敏度三、主要性能三、主要性能77提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。 除了激励频率和输入激励电压对差动变压器灵敏度有影响外，除了激励频

58、率和输入激励电压对差动变压器灵敏度有影响外，提高线圈品质因数提高线圈品质因数Q Q值，增大衔铁直径，选择导磁性能好，值，增大衔铁直径，选择导磁性能好，铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等可以提高灵敏度。可以提高灵敏度。0U1KE782. 2. 线性度线性度 线线线线性性性性度度度度: : : : 传传感感器器实实际际特特性性曲曲线线与与理理论论直直线线之之间间的的最最大大偏偏差差除除以以测测量量范范围围（满满量量程程），并并用用百分数来表示。百分数来表示。 影响差动变压器线性度的因素影响差动变压器线性度的因素: :骨骨架架形形状状

59、和和尺尺寸寸的的精精确确性性，线线圈圈的的排排列列，铁铁芯芯的的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。尺寸和材质，激励频率和负载状态等。 改善差动变压器的线性度改善差动变压器的线性度: : 取取测测量量范范围围为为线线圈圈骨骨架架长长度度的的1/10-1/41/10-1/4，激激励励频率采用中频，配用相敏检波式测量电路频率采用中频，配用相敏检波式测量电路 。79问题问题四、转换电路四、转换电路（1 1）差动变压器的输出是）差动变压器的输出是交流电压交流电压( (用交流电压表测量，只能反映衔铁位用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向移的大小，不能反映移动的方向););（2 2）

60、测量值中将包含）测量值中将包含零点残余电压零点残余电压。 采用电路：采用电路：（1 1）差动整流电路）差动整流电路（2 2）相敏检波电路）相敏检波电路 801 1、差动整流电路、差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流出电压分别整流, 然后将整流的电压或电流然后将整流的电压或电流的差值作为输出。的差值作为输出。 下面结合图下面结合图 3 -28, 分析差动整流工作原理。分析差动整流工作原理。 81图图图图3-28 3-28 全波差动整流电路全波差动整流电路全波差动整流电路全波差动整流电路R2R1abhgcfde+ + +82图图图图3-2

61、8 3-28 全波差动整流电路全波差动整流电路全波差动整流电路全波差动整流电路R2R1abh gcfde无论次级线圈的输出瞬无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流时电压极性如何，整流电路的输出电压电路的输出电压U U0 0始终始终等于等于R R1 1、R R2 2两个电阻上两个电阻上的电压差。的电压差。 + + + 83铁铁芯芯在在零零位位以以上上铁铁芯芯在在零零位位ttUcdUhgtU0UcdtttUhgU0tUcdtUhgtU0铁铁铁铁芯芯芯芯在在在在零零零零位位位位以以以以下下下下全波差动整流电全波差动整流电路电压波形路电压波形结论：结论：铁芯在零位以铁芯在零位以上或零位以下上或零位以

62、下时，输出电压时，输出电压的极性相反，的极性相反，零点残存电压零点残存电压自动抵消自动抵消。84 差动整流电路具有结构简单差动整流电路具有结构简单, , 不不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响需要考虑相位调整和零点残余电压的影响, , 分布电容影响小和便于远距离传输等优点分布电容影响小和便于远距离传输等优点, , 因而获得广泛应用。因而获得广泛应用。85容容易易做做到到输输出出平平衡衡，便便于于阻阻抗抗匹匹配配。图图中中比比较较电电压压和和同同频频，经经过过移移相相器器使使和和保保持持同相或反相，且满足同相或反相，且满足 。2 2、相敏检波电路、相敏检波电路u1u2+R-RD3D2D1D4R

63、RT1T2-+R RL L86当当衔衔铁铁在在中中间间位位置置时时，位位移移x x（t t）= = 0 0，传传感感器器输出电压输出电压=0,=0,只有只有起作用。起作用。u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+R RL L87正半周时正半周时 因为是从中心抽头，所以因为是从中心抽头，所以u1= u ，故，故i= i。流。流经经RL的电流为的电流为i= i i =u1u2-R+RLRD3D2D1D4RRT1T2+-i4i388负半周时负半周时 同理可知同理可知i= i，所以流经，所以流经R RL L的电流为的电流为i= i i =i1RLi2u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2

64、-+89D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-e1e2-+-+i4正半周时正半周时 i3故故i i，流经，流经R RL L的电流为的电流为i= i i 当衔铁在当衔铁在零位以上零位以上时，位移时，位移x（t） 0，与与同频同相同频同相。 90u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+负半周时负半周时 故故i i，流经流经RL的电流为的电流为i= i i i2i1e1-+e2-91正半周正半周负半周负半周故故i i。流经。流经RL的电流为的电流为i= i i 当衔铁在当衔铁在零位以下零位以下时，位移时，位移x（t） 0，与与同频反相同频反相。 e1e2+-+-D2u1u2-R

65、+RLRD3D1D4RRT1T2+-i4i392同理同理:在在负半周负半周正半周时：正半周时：i i。流经。流经RL的电流为的电流为i= i i 表示表示i0的方向也与规定的正方向相反。的方向也与规定的正方向相反。D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-+-+-e1e2i2i193t tU U1 10 0U U2 2t t0 0t ti i1 10 0t ti i2 20 0t ti i4 40 0t ti i0 00 0二级管相敏二级管相敏检波在检波在U U1 1、U U2 2同相位时同相位时的波形的波形t ti i3 30 094结论：结论：衔衔铁铁在在中中间间位位置置时时，无

66、无论论参参考考电电压压是是正正半半周周还是负半周，在负载还是负半周，在负载R RL L上的输出电压始终为上的输出电压始终为0 0。衔衔铁铁在在零零位位以以上上移移动动时时，无无论论参参考考电电压压是是正正半半周周还还是是负负半半周周，在在负负载载R RL L上上得得到到的的输输出出电电压压始始终为正。终为正。 衔衔铁铁在在零零位位以以下下移移动动时时，无无论论参参考考电电压压是是正正半半周周还还是是负负半半周周，在在负负载载R RL L上上得得到到的的输输出出电电压压始始终为负。终为负。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。95相相相相敏敏敏敏检检检检波波

67、波波电电电电路路路路波波波波形形形形 (a(a）被测位移变化波形图；）被测位移变化波形图；(b)(b)差动变压器激励电压波形；差动变压器激励电压波形；(c) (c) 差动变压器输出电压波形；差动变压器输出电压波形；(d)(d)相敏检波解调电压波形；相敏检波解调电压波形；(e)(e)相敏检波输出电压波形相敏检波输出电压波形当位移当位移x 0时时, u2与与u1同频同相同频同相, 当位移当位移xR1；(2)线圈的线圈的等效电感等效电感LS=L1 L 2 第一项第一项L1与静磁学效应有关，由于线圈与金属与静磁学效应有关，由于线圈与金属导体构成一个磁路，线圈自身的电感导体构成一个磁路，线圈自身的电感L

68、1要受该磁路要受该磁路“有效磁导率有效磁导率”的影响，的影响，若金属导体为磁性材料时，磁路的有效磁导率随距离的减小而增大，若金属导体为磁性材料时，磁路的有效磁导率随距离的减小而增大，L1也就也就增大；若金属导体为非磁性材料，磁路的有效磁导率不会随距离而变，因此增大；若金属导体为非磁性材料，磁路的有效磁导率不会随距离而变，因此L1不变。第二项与电涡流效应有关，电涡流产生一与原磁场方向相反的磁场不变。第二项与电涡流效应有关，电涡流产生一与原磁场方向相反的磁场并由此减小线圈电感，线圈与导体间距离越小并由此减小线圈电感，线圈与导体间距离越小(M越大越大)，越大，电感量的减，越大，电感量的减小程度越大，

69、故从总的结果来看小程度越大，故从总的结果来看LSL1；(3)线圈原有的品质因数线圈原有的品质因数Q0 L1 R1，当产生电涡流效应后，线圈的，当产生电涡流效应后，线圈的品质因品质因数数Q LS RS，显然，显然QQ0。114二、测量电路二、测量电路 根据电涡流式传感器的工作原理，针对被测根据电涡流式传感器的工作原理，针对被测参量可以转换为线圈电感、阻抗或参量可以转换为线圈电感、阻抗或Q Q值的三种参值的三种参数的变化，测量电路也有三种：谐振电路、电桥数的变化，测量电路也有三种：谐振电路、电桥电路与电路与Q Q值测试电路。值测试电路。 谐振电路，主要有调频式、调幅式两种。谐振电路，主要有调频式、

70、调幅式两种。 115(1)(1)调频式电路调频式电路(100kHz1MHz(100kHz1MHz） 图图3-32 3-32 调频测量电路调频测量电路利用调频谐振电路的特点，线圈电感量的变化可以直接使利用调频谐振电路的特点，线圈电感量的变化可以直接使振荡器的振荡频率发生变化，从而实现频率调制。然后通振荡器的振荡频率发生变化，从而实现频率调制。然后通过鉴频器及附加电路将频率的变化再变成电压输出。过鉴频器及附加电路将频率的变化再变成电压输出。116 传传感感器器线线圈圈接接入入LCLC振振荡荡回回路路，当当传传感感器器与与被被测测导导体体距距离离x x改改变变时时，在在涡涡流流影影响响下下，传传感感

71、器器的的电电感感变变化化，将将导导致致振振荡荡频频率率的的变变化化，该该变变化化的的频频率率是是距距离离x x的的函函数数，即即f f= =L L( (x x), ), 该该频频率率可可由由数数字字频频率率计计直直接接测测量量，或或者者通通过过f-Vf-V变变换换，用用数数字字电电压压表表测量对应的电压。测量对应的电压。 振荡器的频率为：振荡器的频率为： 为为了了避避免免输输出出电电缆缆的的分分布布电电容容的的影影响响，通通常常将将L L、C C装装在在传传感感器器内内。 此此时时电电缆缆分分布布电电容容并并联联在在大大电电容容C C2 2、C C3 3上上，因因而而对对振振荡频率荡频率f f

72、的影响将大大减小。的影响将大大减小。 117（2 2） 调幅式电路调幅式电路 调调幅幅式式测测量量电电路路稳稳频频稳稳幅幅正正弦弦波波振振荡荡器器的的输输出出信信号号由由电电阻阻R R加加到到传传感感器器上上。先先使使传传感感器器远远离离被被测测物物，则则L LL L ( (即即x x趋趋于于 时时的的电电感感值值) )，调调振振荡荡器器的的频频率率到到 ，得得出出最最大大输输出出电电压压u u ，然然后后保保持持振振荡荡器器的的频频率率f fo o和和幅幅值值不不变变，当当被被测测物物与与传传感感器器线线圈圈接接近近时时，由由于于电电涡涡流流效效应应，使使线线圈圈的的电电感感量量L L变变化

73、化，并并使使回回路路失失谐谐，从从而而使使输输出出电电压压u u降降低，由低，由u u的下降程度判断距离的下降程度判断距离x x的大小。的大小。 (a)(a)电路原理；电路原理；(b)(b)输出特性输出特性图图3-33 3-33 调幅式测量原理调幅式测量原理 谐振曲线谐振曲线118表表3-1 3-1 电涡流式传感器在工业测量中的应用电涡流式传感器在工业测量中的应用被测参数被测参数变换量变换量特征特征位移、厚度、位移、厚度、振动振动x x(1)(1)非接触非接触, ,连续测量；连续测量；(2)(2)受剩磁的影响受剩磁的影响表面温度、电解质浓表面温度、电解质浓度、材质判别、速度度、材质判别、速度(

74、 (温度温度) )(1)(1)非接触非接触, ,连续测量；连续测量；(2)(2)对温度变化进行补偿对温度变化进行补偿应力、硬度应力、硬度(1)(1)非接触非接触, ,连续测量；连续测量； (2)(2)受剩磁和材质影响受剩磁和材质影响探伤探伤X,X,可以定量测定可以定量测定传感器与自动检测技术传感器与自动检测技术 3.3.4 3.3.4 电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用119 1. 1. 位移测量位移测量 凡是可变换成位移量的参数，都可以用电涡流式传凡是可变换成位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量。感器来测量。 电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器电涡流位移传感器是一种输出

75、为模拟电压的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。将产生一个交变磁场。 当金属物体接近此感应面时，当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可地计器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，

76、寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。120电涡流位移计电涡流位移计轴向位移轴向位移(a)；磨床换向阀、先导阀的位移；磨床换向阀、先导阀的位移(b)；金属试件热膨胀系数金属试件热膨胀系数(c) 1-被测试件被测试件 2-电涡流传感器电涡流传感器121位移测量仪位移测量仪 位移测量包含：位移测量包含： 偏心、间隙、偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同宽度等等。来自不同应用领域的许多量都应用领域的许多量都可归结为位移或间隙可归结为位移或间隙变化。变化。数显位移测量

77、仪及探头数显位移测量仪及探头122420mA420mA电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）123齐平式电涡流位移齐平式电涡流位移传感器外形传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。124V V系列电涡流位移传感器外形系列电涡流位移传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料）（参考浙江洞头开关厂资料）齐平式齐平式125传感器与自动检测技术 1262. 2. 振幅测量振幅测量 用电涡用电涡流探头、流探头、调幅法测调幅法测量简谐振量简谐振

78、动时，探动时，探头的输出头的输出波形。波形。127电涡流振幅测量电涡流振幅测量(a)(a)监控径向振动；监控径向振动；(b)(b)测量涡轮叶片振幅测量涡轮叶片振幅 ；(c)(c)多个传感器并排在轴附近多个传感器并排在轴附近 1-1-被测试件；被测试件；2-2-电涡流传感器电涡流传感器128振动测量振动测量 汽轮机叶片测试汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的测量悬臂梁的振幅及频率振幅及频率129传感器与自动检测技术 130电涡流转速计电涡流转速计工作原理：在转轴工作原理：在转轴( (或飞轮或飞轮) )上开一键槽，靠近轴表面安装上开一键槽，靠近轴表面安装电涡流传感器，轴转动时便能检出传感器与轴表面的间隙变

79、电涡流传感器，轴转动时便能检出传感器与轴表面的间隙变化，从而得到相对于键槽的脉冲信号，经放大、整形后，获化，从而得到相对于键槽的脉冲信号，经放大、整形后，获得相对于键槽的脉冲方波信号，然后可由频率计计数并指示得相对于键槽的脉冲方波信号，然后可由频率计计数并指示频率值即转速频率值即转速( (其脉冲信号频率与轴的转速成正比其脉冲信号频率与轴的转速成正比) )。 电涡流式转速计电涡流式转速计 电涡流式零件计数器电涡流式零件计数器3. 3. 转速测量转速测量131转速测量转速测量 若转轴上开若转轴上开z z 个槽个槽( (或齿或齿) )，频率计的读数为，频率计的读数为f f（单位为（单位为HzHz），

80、则转轴的转速），则转轴的转速n n（单位为（单位为r/minr/min）的）的计算公式为计算公式为 132各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置133齿轮转速测量齿轮转速测量 例：例： 下图中，设齿数下图中，设齿数z z =48=48，测得频率，测得频率 f f=120Hz=120Hz，求该齿轮的转速，求该齿轮的转速n n 。134电动机电动机转速测量转速测量1354.4.涡流探伤涡流探伤 电涡流传感器可以用来检查电涡流传感器可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。及用于焊接部位的探伤等。 传传感感器

81、器与与被被测测物物体体距距离离保保持持不不变变，如如有有裂裂纹纹出出现现，将将引引起起金金属属的的电电阻阻率率、磁磁导导率率的的变变化化。在在裂裂纹纹处处也也可可以以说说有有位位移移值值的的变变化化。这这些些综综合合参参数数（x x、）的的变变化化将将引引起起传传感感器器参参数数的的变变化化，通通过过测测量量传传感感器器参参数数的的变变化化即即可可达达到探伤的目的。到探伤的目的。裂缝信号(b)干扰信号(a) 未通过幅值甄别电路的信号未通过幅值甄别电路的信号(b) 通过幅值甄别电路的信号通过幅值甄别电路的信号136传感器与自动检测技术 137手持式裂纹测量仪手持式裂纹测量仪油管探伤油管探伤138

82、滚子涡流探伤机滚子涡流探伤机 滚子涡流探伤机是滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探出的专用设备，可探出深深 30m 30m的表面微小的表面微小裂纹。裂纹。（参考无锡市通达滚子参考无锡市通达滚子有限公司资料有限公司资料）139手提式探伤仪外形手提式探伤仪外形（参考厦门爱德华检测设备有限公司资料参考厦门爱德华检测设备有限公司资料）140掌上型掌上型电涡流电涡流探伤仪探伤仪141用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹142143 144145 146东方仿真东方仿真147 148第第3章章 内容提要和小结内

83、容提要和小结|自感式传感器自感式传感器自感式传感器的工作原理自感式传感器的工作原理灵敏度与非线性灵敏度与非线性 差动式传感器其灵敏度差动式传感器其灵敏度等效电路等效电路转换电路转换电路零点残余电压的补偿零点残余电压的补偿 补偿零点残余电压的电路补偿零点残余电压的电路149|变压器式传感器变压器式传感器工作原理工作原理等效电路及其特性等效电路及其特性差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路 一、相敏检测电路一、相敏检测电路; ; 二、差动整流电路二、差动整流电路零点残余电压的补偿零点残余电压的补偿 补偿零点残余电压的电路补偿零点残余电压的电路第第3章章 内容提要和小结内容提要和小

84、结150|涡流式传感器涡流式传感器工作原理工作原理转换电路转换电路 一、桥路一、桥路 二、谐振调幅电路二、谐振调幅电路 三、谐振调频电路三、谐振调频电路第第3章章 内容提要和小结内容提要和小结151作作 业业|3.1 3.1 电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理是什么电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理是什么？|3.2 3.2 推导差动自感式传感器的灵敏度，并与单极式相比推导差动自感式传感器的灵敏度，并与单极式相比较。较。|3.3 3.3 分析差动变压器相敏检测电路的工作原理。分析差动变压器相敏检测电路的工作原理。152实 验第第5 5周周一（上）实验：周周一（上）实验： 实验实验1 金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较 （综合性）实验要求：实验要求： 1.写预习报告； 2.报告内容：实验名称、实验目的、实验设备、实验原理、实验步骤、实验数据处理、小结第第6 6周周四（上）实验周周四（上）实验（调至）（调至） 实验实验2 电感传感器特性实验电感传感器特性实验 （验证性）实验要求：实验要求： 1.写预习报告； 2.报告内容：实验名称、实验目的、实验设备、实验原理、实验步骤、实验数据处理、小结153