传感器原理及应用-第4章

1、一、自感式传感器一、自感式传感器二、差动变压器二、差动变压器三、电涡流式传感器三、电涡流式传感器主要内容：主要内容：第四章第四章 电感式传感器电感式传感器本章重点：本章重点：基本要求：基本要求：l 自感式自感式传感器结构、原理传感器结构、原理；l 差动变压器差动变压器组成、原理、特点组成、原理、特点；l 差动整流电路及相敏检波电路的差动整流电路及相敏检波电路的工作原理工作原理；l 电涡流式传感器的电涡流式传感器的特点、工作原理及应用特点、工作原理及应用。 掌握三类传感器的结构、原理、特点、测量掌握三类传感器的结构、原理、特点、测量电路及其应用；学会分析差动整流电路及相敏检电路及其应用；学会分析

2、差动整流电路及相敏检波电路的工作原理，并能应用。波电路的工作原理，并能应用。定义：定义：把被测量转换为线圈把被测量转换为线圈自感自感或或互感互感变化的装变化的装置。置。感测量：感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重位移、振动、压力、应变、流量、比重等。等。种类：种类：根据转换原理，分根据转换原理，分自感式自感式和和互感式互感式两种；两种；电感式传感器电感式传感器自感式自感式可变磁阻式可变磁阻式涡流式涡流式互感式互感式优点：优点：不足：不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。 结构简单、可靠，测量力小结构简单、可靠，测量力小 衔铁重为衔铁重为0.52

3、0010-4N时，磁吸力为时，磁吸力为(110)10-4N。 分辨力高分辨力高 机械位移：机械位移：0.1m，甚至更小；角位移：，甚至更小；角位移：0.1角秒。角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良 在几十在几十m到数百到数百mm的位移范围内，输出特性的线的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。性度较好，且比较稳定。4-1 自感式传感器自感式传感器 可变磁阻式可变磁阻式结构有结构有气隙型气隙型和和螺管型螺管型两种。两种。一、气隙型自感传感器一、气隙型自感传感器（一）工作原理（一）工作原理 1/2l12

4、3x(a)变气隙式变气隙式 (b)变截面式变截面式图图4-1 气隙型电感传感器气隙型电感传感器 组成：组成：线圈线圈1，衔铁衔铁3和和铁芯铁芯2等。等。 图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为l 。N 线圈匝数线圈匝数Rm磁路总磁阻磁路总磁阻mRNL2 SlSlSlRm0222111 由磁路知，线圈自感为由磁路知，线圈自感为 因气隙较小因气隙较小(l为为0.11mm)，故认为气隙磁场是均，故认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为l1、l2铁芯、铁芯、衔铁的磁路长度；衔铁的磁路长度；S、S1、S2气隙、铁

5、芯、气隙、铁芯、衔铁横截面积；衔铁横截面积；1、2铁芯、铁芯、衔铁磁导率；衔铁磁导率；0真空磁导率，真空磁导率，0=410-7Hm；l空气隙总长。空气隙总长。铁芯一般在非饱和状态下，所以铁芯一般在非饱和状态下，所以 可见，可见，Lf (S，l)。若。若S不变，则构成不变，则构成变气隙式变气隙式传感传感器；若器；若l不变，则为不变，则为变截面式变截面式传感器。传感器。 L=f(l)为非线性关系。考为非线性关系。考虑导磁体磁阻，当虑导磁体磁阻，当l0时，时，L并不等于并不等于，在，在l较小时其特较小时其特性如虚线所示。性如虚线所示。 Lf(S)特性为一直线。特性为一直线。 lSNLr020 L=f

6、（S）L=f（l）lLS图图4-2 传感器特性曲线传感器特性曲线 SlSlSlNRNLm022211122 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器202 lSNdldLK lLl 0L0021 lK l 输出特性输出特性非线性非线性；为获得；为获得较高灵敏度，气隙初始值较高灵敏度，气隙初始值l0不宜不宜过大。过大。l 为获得较好线性关系，须限制测量范围，使衔铁位移在较为获得较好线性关系，须限制测量范围，使衔铁位移在较小范围内变化，一般取小范围内变化，一般取 l=(0.10.2)l0。l 变气隙式传感器适用于微小位移测量，测量范围：变气隙式传感器适用于微小位移测量，测量范围：0.0011mm。 变

7、面积式自感传感器变面积式自感传感器常常数数 lNdSdLK02l输出特性为输出特性为线性线性，测量范围大。，测量范围大。l要提高灵敏度，气隙厚度要提高灵敏度，气隙厚度l不能过大。不能过大。（二）变气隙式传感器特性分析（二）变气隙式传感器特性分析 rrrmllSlllSR 11100主要特性：主要特性：灵敏度灵敏度和和线性度线性度。 当铁芯和衔铁采用同一导磁材料，且截面相同时，当铁芯和衔铁采用同一导磁材料，且截面相同时，因为气隙因为气隙l较小，故可认为气隙磁通截面与铁芯截面相较小，故可认为气隙磁通截面与铁芯截面相等。设磁路总长为等。设磁路总长为 l ，则，则 一般一般r1，所以，所以 rrmll

8、SR 01rlllKLL 11当气隙减少当气隙减少l时时rrmllKllSNRNL 1022K 常数，常数，=N20Sr导磁体相对导磁体相对磁导率；磁导率； rrlllllLLL 1 rrllllllllLL 1111111自感的相对变化自感的相对变化同理，当总气隙长度增加同理，当总气隙长度增加l时，自感减小时，自感减小L2，即，即rllllLL 2 21111111rrrllllllllllll 21111111rrrllllllllllll 若忽略高次项，则若忽略高次项，则灵敏度灵敏度为为 rLlllLlLK 11 rllll 11线性度线性度lLL1L2 L0l0自感与气隙变化呈自感与气

9、隙变化呈非线性非线性关系，其非线性程度随气隙关系，其非线性程度随气隙相对变化相对变化l/l增大而增加；增大而增加；气隙减少气隙减少l引起的自感变化引起的自感变化L1与气隙增加同样与气隙增加同样l引引起的自感变化起的自感变化L2并不相等，即并不相等，即L1L2，其差值随，其差值随l/l的增加而增大。的增加而增大。图图4-3 气隙型传感器气隙型传感器L-特性特性 由于转换原理的由于转换原理的非线性非线性和衔铁正、反方向移动时和衔铁正、反方向移动时电感变化量的不对称性，因此变间隙式传感器（包括电感变化量的不对称性，因此变间隙式传感器（包括差动式传感器）为了保证一定的线性精度，只能工作差动式传感器）为

10、了保证一定的线性精度，只能工作在很小的区域，用于在很小的区域，用于微小位移微小位移的测量。的测量。注意注意： 差动差动结构由两个电气参数和磁路完全相同的结构由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成。当衔铁线圈组成。当衔铁3移动时，一线圈自感增加，另移动时，一线圈自感增加，另一线圈自感减少。一线圈自感减少。EUSC1342RR(l-l)/2(l-l)/2 如将这两个差动线圈如将这两个差动线圈分别接入电桥邻臂，则当分别接入电桥邻臂，则当磁路总气隙改变磁路总气隙改变l时，自时，自感相对变化为感相对变化为 221111112rrllllllllLLLLL 图图4-4 差动变气隙型电感传感器差动变气隙型电

11、感传感器l 差动变气隙式自感传感器原理差动变气隙式自感传感器原理rLlllLlLK 1122)(11 rllll 灵敏度比单线圈传感器灵敏度比单线圈传感器提高一倍提高一倍； 差动式传感器差动式传感器非线性失真小非线性失真小。当。当l/l=10时（略时（略去去llr），单线圈），单线圈10；差动式；差动式1。可见：可见： l/mm75502505075100L/mH10025LD43211234-ll 差动气隙式传感器差动气隙式传感器l/l与与l/(lr)的变化受到的变化受到灵灵敏度敏度和和非线性失真非线性失真相互制约，只能适当选取。相互制约，只能适当选取。1线圈线圈的特性；的特性；2线圈线圈的

12、特性；的特性；3线圈线圈与与差接时的自感特性；差接时的自感特性；4差接后电桥电压与位移间的特性曲线差接后电桥电压与位移间的特性曲线。 差动变气隙式自感传感器差动变气隙式自感传感器l/l0.10.2时，非线性误差时，非线性误差在在3左右。其工作行程左右。其工作行程l很很小 ， 若小 ， 若 l= 2 m m ， 则， 则 l为为0.20.4mm。图图4-5 差动式自感传感器的输出特性差动式自感传感器的输出特性图图4-6 单线圈螺管型传感器结构图单线圈螺管型传感器结构图二、二、螺管型自感传感器螺管型自感传感器rx螺旋管螺旋管铁心铁心l有有单线圈单线圈和和差动式差动式两种结构形式。两种结构形式。 单

13、线圈单线圈元件为一元件为一螺管线圈螺管线圈和一圆柱形和一圆柱形铁芯铁芯。传感器。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值改变。圈自感值改变。单线圈螺管式自感传感器单线圈螺管式自感传感器特点：特点：结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移较大位移( (数毫米数毫米) )测量。测量。 工作原理：工作原理：当铁芯在线圈中当铁芯在线圈中运动时，将改变磁路运动时，将改变磁路磁阻磁阻，使线圈自感发生变化。使线圈自感发生变化。 螺管线圈在轴向产生的磁场，根据图螺管线圈在轴向产生的磁场，根据图4-

14、 -7和和毕奥毕奥沙伐沙伐拉普拉斯定律拉普拉斯定律可得：可得：)cos(cos2210 nIBl n线圈单位长度的匝数，线圈单位长度的匝数，n=N/l； l 螺管线圈长度；螺管线圈长度； N线圈总匝数；线圈总匝数；1，2螺线管中心任意点至两端螺线管中心任意点至两端点连线与中心线的夹角。点连线与中心线的夹角。式中：式中：图图4-7 螺管线圈轴向磁场螺管线圈轴向磁场分布计算分布计算图图221cosrxx 222)(cosrxlxl )(222220rxxrxlxlInBl )(222220rxxrxlxllIN )(22222rxxrxlxllINH 则则rxl1.00.80.60.40.20.2

15、 0.4 0.60.81.0H（ ）INlx（l）图图4-8 螺管线圈内磁场分布曲线螺管线圈内磁场分布曲线此式曲线如图此式曲线如图4-8所示。所示。 铁 芯 在 开 始 插 入铁 芯 在 开 始 插 入（x=0）或将离开线圈时）或将离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线的灵敏度，比铁芯插入线圈圈1/2长度时的灵敏度小长度时的灵敏度小得多。这说明在得多。这说明在线圈中段线圈中段才有较高的才有较高的灵敏度灵敏度，和较，和较好的好的线性线性特性。特性。 如果如果l r，可忽略有限长线圈内磁场强度的，可忽略有限长线圈内磁场强度的不均匀性，近似认为在不均匀性，近似认为在xl/2时，磁场强度为时，磁场强度为lI

16、NH 在没有铁芯时，线圈电感在没有铁芯时，线圈电感L为为HlNrL7222104 若加入铁芯，且其插入长度与线圈长度相同，半若加入铁芯，且其插入长度与线圈长度相同，半径为径为rc，则电感增加到，则电感增加到HlrrNlrrNlrNLcrcrc7222272222722210)1(410)(4104 11112rccccrrllllLL 如果铁芯长度如果铁芯长度lc小于线圈长度小于线圈长度l，则线圈电感为，则线圈电感为HlrllrNrNlllllrrNlllLccrcccrcc7222227222222210)1(4104)1(4 当当lc增加增加lc时，则时，则HlrlllrNLLcccr72

17、222210)(1(4 HllrNLcrc7222210)1(4 若被测量与若被测量与l lc c成成正比，则与正比，则与L L也成正也成正比。实际上由于磁场比。实际上由于磁场强度分布不均匀，输强度分布不均匀，输入与输出间的关系是入与输出间的关系是非线性非线性的。的。l 差动螺管式自感传感器差动螺管式自感传感器目的：目的：提高灵敏度与线性度。提高灵敏度与线性度。测量范围：测量范围：(550)mm；非线性误差：非线性误差：0.5左右。左右。 2222222)()(2rxxrxlxlrxlxllINH沿沿轴向轴向磁场强度分布为：磁场强度分布为：2lclc2l线圈线圈r0.80.60.40.20.2

18、0.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（ ）INlx(l)(a)(b)(a)结构示意图结构示意图 (b)磁场分布曲线磁场分布曲线图图4-9 差动螺旋管式自感传感器差动螺旋管式自感传感器 图图(b)中中H=f(x)曲曲线表明：为了得到较线表明：为了得到较好的线性，铁芯长度好的线性，铁芯长度取取0.6l以内。以内。 设铁芯长度设铁芯长度2lc，小于线圈长度，小于线圈长度2l，当铁芯向线，当铁芯向线圈圈移动移动lc，线圈，线圈电感增加电感增加L2，线圈，线圈电感变电感变化化L1，与与L2大小相等，符号相反，差动输出为：大小相等，符号相反，差动输出为： 11112221rcc

19、ccrrllllLLLLL 说明：说明：L/L与铁芯长度相对变化与铁芯长度相对变化lc/lc成正比，比单螺成正比，比单螺管式电感传感器灵敏度管式电感传感器灵敏度高一倍高一倍。 为增大灵敏度，应使线圈与铁芯尺寸比值为增大灵敏度，应使线圈与铁芯尺寸比值l/lc和和r/rc趋于趋于1，且选用铁芯磁导率，且选用铁芯磁导率r大的材料。大的材料。螺管式传感器特点：螺管式传感器特点： 结构简单，制造装配容易；结构简单，制造装配容易； 由于空气间隙大，磁路磁阻高，因此灵敏度低，由于空气间隙大，磁路磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大；但线性范围大； 由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁路大部分为空气，

20、易受外部磁场干扰； 由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；匝数多，因而线圈分布电容大； 要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响线要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响线性和稳定性。性和稳定性。 三、自感线圈的等效电路三、自感线圈的等效电路 除电感外，还包括：线圈的除电感外，还包括：线圈的铜损电阻铜损电阻（Rc）、铁芯、铁芯的的涡流损耗电阻涡流损耗电阻（Re）和线圈的和线圈的寄生电容寄生电容（C）。CLRcRe图图4-10 电感传感器等效电路图电感传感器等效电路图（一）铜损电阻（一）铜损电阻Rc24dNlRcpcc 式

21、中式中 lpc线圈的平均匝长。线圈的平均匝长。（二）涡流损耗电阻（二）涡流损耗电阻Re 铁芯叠片的并联铁芯叠片的并联涡流损耗电阻涡流损耗电阻，在铁芯材料使，在铁芯材料使用频率范围内，不仅与用频率范围内，不仅与频率频率无关，而且与铁芯材料的无关，而且与铁芯材料的导磁率导磁率无关。无关。 2212ltSNRie （三）并联寄生电容（三）并联寄生电容主要由线圈的主要由线圈的固有电容固有电容及及电缆分布电容电缆分布电容组成。组成。 设设RsRc+Re为总等效损耗电阻，在不考虑电容为总等效损耗电阻，在不考虑电容C时，其串联等效阻抗为：时，其串联等效阻抗为：LjRZs 考虑并联电容考虑并联电容C时，等效阻

22、抗为：时，等效阻抗为： CjLjRCjLjRZssP 11 sRLQ 22222222222111QLCLCQLCLCLjQLCLCRs 当当Q1时，可简化为：时，可简化为： PPsPLjRLCLjLCRZ 22211 并联电容并联电容C的存在，使等效电阻和等效电感增大，的存在，使等效电阻和等效电感增大，等效等效Qp值减少为：值减少为：QLCRLQPPP)1(2 其电感的相对变化为：其电感的相对变化为：LdLLCLdLPP211 可见：可见：并联电容后，传感器灵敏度提高。因此在测量并联电容后，传感器灵敏度提高。因此在测量中若需要中若需要改变电缆长度改变电缆长度则应对灵敏度则应对灵敏度重新校准重

23、新校准。四、测量电路四、测量电路电桥平衡条件：电桥平衡条件：图图4-11 交流电桥原理图交流电桥原理图ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE2121RRZZ ZRZZZZEULLSC 2 为为提高灵敏度，改善线性度提高灵敏度，改善线性度，一般接成差动形式。，一般接成差动形式。（一）普通交流电桥（一）普通交流电桥设设 Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=L工作时，工作时，Z1=Z+Z和和Z2=Z-Z输出电压幅值输出电压幅值 LjRLjREZZEUSSSC 22当当ZL时时 ELRLELRRLUSSSSC222222222 2)(22LRRZS

24、 输出阻抗输出阻抗 SSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222为自感线圈品质因数。为自感线圈品质因数。SRLQ 开路输出可整理为：开路输出可整理为： 可见：可见：Usc包含与电源包含与电源E同相同相和和正交正交两个分量。实际只希望两个分量。实际只希望有有同相同相分量，如能使分量，如能使 或或Q值比较大，均能达此值比较大，均能达此目的。但目的。但RS/RS一般很小，所以要求线圈有高的品质一般很小，所以要求线圈有高的品质因数，则因数，则SSRRLL LLEUsc 2其中其中 当当Q值很低时，自感线圈电感远小于电阻，值很低时，自感线圈电感远小于电阻，电感线圈相当于纯电阻电感线圈相当于纯

25、电阻(ZRs)，交流电桥即为电，交流电桥即为电阻电桥，此时输出电压阻电桥，此时输出电压 SSscRREU 2 该电桥结构简单，其电阻该电桥结构简单，其电阻R1、R2可用两个电阻和可用两个电阻和一个电位器组成，调零方便。一个电位器组成，调零方便。 图图4-12 变压器电桥原理图变压器电桥原理图（二）变压器电桥（二）变压器电桥21ZZEI 211221222ZZZZEEEZZZUSC 初始初始Z1=Z2=Z=RS+jL。工作。工作时，设时，设Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，则，则ZZEUSC 2Z1Z2USCE/2E/2EI 平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗为无平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗

26、为无穷大时，流入工作臂的电流为穷大时，流入工作臂的电流为 同理反方向移动时同理反方向移动时ZZEUSC 2可见：可见：衔铁向不同方向移动时，输出电压大小相等、方衔铁向不同方向移动时，输出电压大小相等、方向相反，即相位互差向相反，即相位互差180。但判别交流信号的相位，需。但判别交流信号的相位，需接入专门的接入专门的相敏检波电路相敏检波电路。 u 变压器电桥的输出幅值变压器电桥的输出幅值ELRLUSSC2222 优点：优点：与电阻平衡电桥相比，元件少，输出阻抗小，桥与电阻平衡电桥相比，元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；路开路时电路呈线性；2222LRZS u 输出阻抗输出阻抗（略去变压器

27、副边阻抗，其远小于电感（略去变压器副边阻抗，其远小于电感阻抗）阻抗）缺点：缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应变压器副边不接地，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。电压，使高增益放大器不能工作。 （一）位移测量（一）位移测量 轴向式电感测轴向式电感测微器的外形微器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头五、应用五、应用其他电感测微头其他电感测微头轴向式电感测微器的内部结构轴向式电感测微器的内部结构 1引线电缆引线电缆 2固定磁筒固定磁筒 3衔铁衔铁 4线圈线圈 5测力弹簧测力弹簧 6防转销防转销 7钢球导轨（直线轴承）钢球导轨（直线轴承） 8测杆测杆 9密封套

28、密封套 10测端测端 11被测工件被测工件 12基准面基准面 （二）电感式不圆度计原理（二）电感式不圆度计原理 该圆度计采用旁向式电感测微头该圆度计采用旁向式电感测微头电感式轮廓仪电感式轮廓仪 旁 向 式 电旁 向 式 电感测微感测微头头一、结构原理与等效电路一、结构原理与等效电路基本元件：基本元件：衔铁、初级线圈、衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架。次级线圈和线圈框架。4-2 4-2 差动变压器差动变压器 分分气隙型气隙型和和螺管型螺管型两种，多采用两种，多采用螺管型螺管型变压器。变压器。(a)气隙型气隙型(b)螺管型螺管型1243123图图4-13 差动变压器结构图差动变压器结构图 初级线

29、圈作激励用，相初级线圈作激励用，相当于变压器原边，次级线圈当于变压器原边，次级线圈由结构尺寸和参数相同的两由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。于变压器的副边。1 初级线圈；初级线圈；2 次级线圈；次级线圈；3 衔铁衔铁图图4-14 差动变压器线圈各种排列形式差动变压器线圈各种排列形式321212112(a)(b)(c)(d)1 21123 三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、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，四节式和五节式改善了线性度。线性范围大，四节式和五节式改善了线性度。 螺管形差动变压器根据初、次级排列

30、不同有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。二节式、三节式、四节式和五节式等形式。u 理想情况下差动变压器的等效电路理想情况下差动变压器的等效电路1111LjREI e1初级线圈激励电压；初级线圈激励电压； L1，R1 初级线圈电感和电阻；初级线圈电感和电阻；M1，M1 为初级与次级线圈为初级与次级线圈1，2间的互感；间的互感；L21，L22 两次级线圈的电感；两次级线圈的电感；R21，R22 两次级线圈的电阻；两次级线圈的电阻；e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1i1 由于由于il的存在，在次级的存在，在次级线圈中产生磁通线圈中产

31、生磁通11121mRIN 21122mRIN 初级线圈的复数电流值为初级线圈的复数电流值为图图4-15 差动变压器等效电路差动变压器等效电路 12221121IMjEIMjE 11212121mRNNINM 21212222mRNNINM 1111122212LjREMMjEEE 因此空载输出电压因此空载输出电压在次级线圈中感应出电压在次级线圈中感应出电压e21和和e22，其值分别为，其值分别为 21211212LREMME 22212221LLjRRZ 2222122221LLRRZ 其幅值其幅值输出阻抗输出阻抗或或副0e2e2e21e22x副原线圈其中其中x表示衔表示衔铁偏离中心位铁偏离中

32、心位置的距离。置的距离。 差动变压器输出电势差动变压器输出电势e2与衔铁位移与衔铁位移x的关系见图。的关系见图。 图图4-16 差动变压器的输出特征（差动变压器的输出特征（、为次级线圈）为次级线圈）二、误差因素分析二、误差因素分析u 激励电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生激励电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。变化，直接影响输出电势。u只要适当地选择只要适当地选择较高频率较高频率，频率的波动影响不大。，频率的波动影响不大。（一）激励电压幅值与频率的影响（一）激励电压幅值与频率的影响u环境温度变化，引起线圈及导磁体磁导率变化，从而环境温度变化，引起线圈及导磁

33、体磁导率变化，从而使线圈磁场发生变化，线圈品质因数较低时，影响更大。使线圈磁场发生变化，线圈品质因数较低时，影响更大。u采用采用恒流源恒流源激励比激励比恒压源恒压源激励有利。激励有利。u适当提高线圈适当提高线圈品质因数品质因数并采用差动电桥可以减少温度并采用差动电桥可以减少温度影响。影响。 （二）温度变化的影响（二）温度变化的影响u 当差动变压器衔铁处于中间位置时，理想条件下其当差动变压器衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上仍有一微小电压值输出电压为零。但实际上仍有一微小电压值(从零点几从零点几mV到数十到数十mV)存在，称为存在，称为零点残余电压零点残余电压。u 零点残余电

34、压的存在造成零点附近不灵敏；零点残零点残余电压的存在造成零点附近不灵敏；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作。电路正常工作。 （三）零点残余电压（三）零点残余电压e20 x-xe20图图4-17 差动变压器的零点残余电势差动变压器的零点残余电势1. 基波正交分量基波正交分量2. 基波同相分量基波同相分量3. 二次谐波二次谐波4. 三次谐波三次谐波5. 电磁干扰电磁干扰 图中图中e1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，e20包含包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和基波同相成分、基波正交成分，

35、二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。幅值较小的电磁干扰等。 ee1e20e2012345(a)残余电压的波形残余电压的波形 (b)波形分析波形分析tt图图4-18 零点残余电压及其组成零点残余电压及其组成u 零点残余电压零点残余电压产生原因产生原因基波分量基波分量 由于两次级绕组不完全一致，故由于两次级绕组不完全一致，故等效电路参数等效电路参数（M、L及及R）也不同，从而使两绕组感应电势数值不等。又）也不同，从而使两绕组感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质不均因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产匀，线圈匝间电容

36、的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。生的磁通相位不同。 因相位误差产生的零点因相位误差产生的零点残余电压，无法通过调节衔残余电压，无法通过调节衔铁的位移来消除。铁的位移来消除。图图4-19 两次级绕组相位差不等于两次级绕组相位差不等于180时的差动输出电压时的差动输出电压高次谐波高次谐波 主要由导磁材料磁化曲线的主要由导磁材料磁化曲线的非线性非线性引起。由于引起。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，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。从而在

37、次级绕组感应出非正弦电势。 同样，由于磁化曲线非线同样，由于磁化曲线非线性影响，使正弦磁通产生尖顶性影响，使正弦磁通产生尖顶电流波形（包含三次谐波）。电流波形（包含三次谐波）。 激励电流波形失真，激励电流波形失真，因因其内含高次谐波分量，也将其内含高次谐波分量，也将导致零点残余电压中有高次导致零点残余电压中有高次谐波成分。谐波成分。 图图4-20 磁化曲线非线性磁化曲线非线性引起磁通波形失真引起磁通波形失真u消除消除零点残余电压零点残余电压方法方法1 1从设计和工艺上保证结构对称性从设计和工艺上保证结构对称性 （1）提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调

38、节结构。调节结构。 （2）选用高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导选用高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料，并经热处理，消除残余应力，以提高磁性能的磁材料，并经热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。均匀性和稳定性。 （3）由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应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。选在磁化曲线的线性段。 采用采用相敏检波电路相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，不仅可鉴别衔铁移动方向，而且可以把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的而且可以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。零点残余电压消除掉。2 2选用合适的测量线路选用合适

39、的测量线路e2+x-x210 图图4-21 采用相敏检波后的输出特性采用相敏检波后的输出特性 如图，采用相敏检波后如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由衔铁反行程时的特性曲线由1变到变到2，从而消除了零点残余，从而消除了零点残余电压。电压。3 3采用补偿线路采用补偿线路 由于两次级线圈电压相位不同，并联电容可改由于两次级线圈电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图改为电阻，如图(a)虚线虚线所示。所示。R起分流作用使流入传感器线圈电流发生变化，起分流作用使流入传感器线圈电流发生变化，从而改变磁化曲线工作点，减小高次谐波产生的残余从而改变磁

40、化曲线工作点，减小高次谐波产生的残余电压。图电压。图(b)中串联电阻中串联电阻R可以调整次级线圈电阻分量。可以调整次级线圈电阻分量。 e1e2CRe1e2CR(a)(b) 图图4-22 调相位式残余电压补偿电路调相位式残余电压补偿电路 并联电位器并联电位器W用于电气调零，改变两次级用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位。电容线圈输出电压的相位。电容C可防止调整电位器可防止调整电位器时使零点移动。时使零点移动。e1e2CR1R2W图图4-23 电位器调零点残余电压补偿电路电位器调零点残余电压补偿电路(b)e1e2R0W(a)e1e2L0W 接入接入R0(几百几百k)或补偿线圈或补偿线圈L0(

41、几百匝几百匝)，绕，绕在差动变压器初级线圈上以减小负载电压，避免负在差动变压器初级线圈上以减小负载电压，避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。图图4-24 R或或L补偿电路补偿电路三、测量电路三、测量电路 差动变压器输出为差动变压器输出为交流调幅波交流调幅波，幅值与衔铁，幅值与衔铁位移成正比。用交流电压表测量只能反映衔铁位位移成正比。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，故常采用移的大小，不能反映移动的方向，故常采用差动差动整流电路整流电路和和相敏检波电路相敏检波电路进行测量。进行测量。 根据二级管根据二级管单向导通原理单向导通

42、原理，无论次级线圈的输出，无论次级线圈的输出极性如何，通过电阻极性如何，通过电阻R的电流总是从的电流总是从d到到c。同理可分。同理可分析另一次级线圈的输出。输出的电压波形见图（析另一次级线圈的输出。输出的电压波形见图（b），），其值为其值为USC=eabecd。 （一）差动整流电路（一）差动整流电路1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d )图图4-25 差动整流电路差动整流电路（a）半波电压输出；（）半波电压输出；（b）半波电流输出；）半波电流输出；（c）全波电压输出；（）全波电压输出；（d）全波电流输出

43、；）全波电流输出； 图图4-26 全波整流电路和波形图全波整流电路和波形图(b)(a) 在在f点为点为“+”，则，则电流路径是电流路径是fgdche。反之，如反之，如f点为点为“-”，则电流路径是则电流路径是ehdcgf。he1gRRcabfdeUSC衔铁在衔铁在零位以下零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd衔铁在衔铁在零位以上零位以上衔铁在衔铁在零位零位（二）（二）相敏检波电路相敏检波电路容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。 图中调制电压图中调制电压er和和e同频，经移相器使同频，经移相器使er和和e保持同保持同相或反相，

44、且满足相或反相，且满足ere。调节电位器。调节电位器R可调平衡，图可调平衡，图中电阻中电阻R1=R2=R0，电容，电容C1=C2=C0，输出电压为，输出电压为UCD。Ri1e1R1R2e21e22C2C1er移移相相器器D1D4D3D2CDABi3i2i4e 图图4-27 二级管相敏检波电路图二级管相敏检波电路图 当铁芯在中间时，当铁芯在中间时，e=0，只有，只有er起作用，输出电压起作用，输出电压UCD=0。若铁芯上移，。若铁芯上移，e0，设，设e和和er同相位，由于同相位，由于ere，故，故er正半周时正半周时D1、D2导通，但导通，但D1回路内总电势回路内总电势为为er+e/2，而而D2

45、回路内总电势为回路内总电势为er-e/2，故回路电流，故回路电流i1i2，输出电压，输出电压UCD=R0（i1-i2）0。当。当er为负半周时，为负半周时， UCD=R0(i4-i3)0，因此铁芯上移时输出电压，因此铁芯上移时输出电压UCD0。 铁芯下移时，铁芯下移时，e和和er相位相反。同理可得相位相反。同理可得UCD0。 由此可见，该电路能由此可见，该电路能判别判别铁芯移动的铁芯移动的方向方向。 测量原理：测量原理： 调制与解调过程（调制与解调过程（波形转换波形转换）载波载波调制信号调制信号放大后的调幅波放大后的调幅波滤波后的波形滤波后的波形相敏检波后的波形相敏检波后的波形四、应用四、应用

46、测量测量振动、厚度、应变、压力、加速度振动、厚度、应变、压力、加速度等。等。（一）（一）差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器 用于测定振动体的频率和振幅时，其激磁频率必用于测定振动体的频率和振幅时，其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为可测量的振幅为（0.15）mm，振动频率为，振动频率为（0150）Hz。 稳压电源稳压电源振荡器振荡器检检波波器器滤滤波波器器(b)(a)220V加速度a方向a输出输出1211 弹性支承弹性支承 2 差动变压器差动变压器图图4-28 差动变压器式加速度传感器差动变压器

47、式加速度传感器（二）（二）微压力变送器微压力变送器 这种变送器可分档测量这种变送器可分档测量（51056105）N/m2压压力，输出信号电压为力，输出信号电压为（050）mV，精度为，精度为1.5级。级。 将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式压力传感器。弹簧管等）相结合，可以组成各种形式压力传感器。220V1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳V振荡器稳压电源差动变压器差动变压器相敏检波电路相敏检波电路1234567图图4-29 微压力变送器微压力变送器u差动变压器式传感器差动变压

48、器式传感器特点特点：l 精度高（精度高（0.1 m数量级，最高可达数量级，最高可达0.01 m），高精度型），高精度型非线性误差可达非线性误差可达0.1% ； l 线性范围大（可达线性范围大（可达 100mm）；）； l 稳定性好，结构简单，使用方便稳定性好，结构简单，使用方便 ； l 因包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态因包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态参量。参量。 （三）差动变压器位移传感器（三）差动变压器位移传感器4-3 4-3 电涡流式传感器电涡流式传感器 涡流大小与涡流大小与导体电阻率导体电阻率、磁导率磁导率以及产生交变以及产生交变磁场的线圈与被测体之间磁场的线

49、圈与被测体之间距距离离d、线圈激励电流的、线圈激励电流的频率频率f有关。有关。 置于交变磁场中的导体置于交变磁场中的导体上会产生感生电流，此电流上会产生感生电流，此电流在导体内闭合，称为在导体内闭合，称为涡流涡流。1I1H传感器激励线圈(a)(b)2H2I被测金属导体传感器激励电流图图4-30 电涡流式传感器原理图电涡流式传感器原理图一、涡流效应与测量原理一、涡流效应与测量原理 根据根据法拉第定律法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电，当传感器线圈通以正弦交变电流流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流置于此磁

50、场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新又产生新的交变磁场的交变磁场H2。根据根据愣次定律愣次定律， H2的作用将反抗原磁场的作用将反抗原磁场H1，由于，由于磁场磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。这种物理现象称之为金属线圈的等效阻抗发生变化。这种物理现象称之为金属导体的导体的涡流效应涡流效应。（一）涡流效应（一）涡流效应 传感器线圈受电涡流影响时等效阻抗传感器线圈受电涡流影响时等效阻抗Z的函数的函数关系式为关系式为),(drfZ 式中式中, r为线圈与被测体的尺寸因子。为线圈与被测体的尺寸因子。 如果保持上式中其

51、它参数不变，而只改变其中一如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，的变化量，即可实现对该参数的测量。即可实现对该参数的测量。 （二）测量原理（二）测量原理u 涡流穿透深度涡流穿透深度fhrf 3 .50 可见：可见：涡流穿透深度涡流穿透深度hf和激励频率和激励频率f有关，显然频率愈高，有关，显然频率愈高，涡流涡流集肤效应集肤效应愈显著，涡流穿透深度愈小。愈显著，涡流穿透深度愈小。 根据激励频率分根据激励频率分高频

52、反射式高频反射式和和低频透射式低频透射式两类，两类，高高频反射式频反射式应用广泛。应用广泛。 导体电阻率导体电阻率(cm)；r导体相对磁导率；导体相对磁导率； f 交变磁场频率交变磁场频率(Hz)。 主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。线绕在槽内。二、高频反射式涡流传感器二、高频反射式涡流传感器（一）结构和工作原理（一）结构和工作原理 右图为右图为CZF1型涡型涡流传感器结构原理。流传感器结构原理。它采取将导线绕在聚它采取将导线绕在聚四

53、氟乙烯框架窄槽内，四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。形成线圈的结构方式。 1、结构、结构6123451-线圈线圈 2-框架框架 3-衬套衬套 4-支架支架 5-电缆电缆 6-插头插头图图4-31 CFZ1型涡流式传感器型涡流式传感器iedMe图图4-32 电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图 传感器线圈由高频信号激励，产生高频交变磁场传感器线圈由高频信号激励，产生高频交变磁场i。当被测导体靠近线圈时，在导体表层产生与此磁。当被测导体靠近线圈时，在导体表层产生与此磁场相交链的电涡流场相交链的电涡流ie，而此涡流又会产生一交变磁场，而此涡流又会产生一交变磁场e阻碍外磁场的变化。阻碍外磁场的变

54、化。2、工作原理、工作原理 由 于 存 在 电 涡 流 损 耗由 于 存 在 电 涡 流 损 耗（当频率较高时，忽略（当频率较高时，忽略磁损磁损耗耗），消耗了能量，因此使），消耗了能量，因此使传感器传感器Q值和等效阻抗值和等效阻抗Z、电、电感感L均会发生变化，测出这些均会发生变化，测出这些变化即可获得被测参数。变化即可获得被测参数。（二）等效电路（二）等效电路 把金属导体看做一个把金属导体看做一个短路线圈短路线圈，它与传感器，它与传感器线圈有磁耦合，可以得到图示的等效电路。线圈有磁耦合，可以得到图示的等效电路。 图图4-33 高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器等效电路等效电路L1L2R1

55、R2ME1I2I 02222121111ILjIRIMjEIMjILjIR 根据克希荷夫定律及所设电流正方向，有方程根据克希荷夫定律及所设电流正方向，有方程解出解出 ，得线圈的等效阻抗为：，得线圈的等效阻抗为： 21,II 22222221222222211)()(LLRMLjRLRMRIEZ 受电涡流影响后线圈的等效电感为：受电涡流影响后线圈的等效电感为： 22222221)(LLRMLL 线圈的等效品质因数为线圈的等效品质因数为 ：RLQ 从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可以求得从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可以求得M是两个磁性相联线圈间距离是两个磁性相联线圈间距离d的非线性函数。因

56、此，的非线性函数。因此，Z=Fl(d)、L=F2(d)、Q=F3(d)均是非线性函数。但是，在均是非线性函数。但是，在某一范围内，可以将这些函数关系近似地看成线性。也某一范围内，可以将这些函数关系近似地看成线性。也就是说，涡流式位移传感器不是在电涡流整个波及范围就是说，涡流式位移传感器不是在电涡流整个波及范围内都能呈内都能呈线性变换线性变换的。的。 可见：可见：传感器线圈等效阻抗、电感和品质因数传感器线圈等效阻抗、电感和品质因数都是都是M平方的函数。平方的函数。 L1与与静磁效应静磁效应有关。线圈与导体构成一个磁路，其有关。线圈与导体构成一个磁路，其有效磁导率有效磁导率r取决于此磁路的性质：若

57、导体为磁性材料，取决于此磁路的性质：若导体为磁性材料，r随导体与线圈距离随导体与线圈距离d的减小而增大，的减小而增大，L1随之增大；若导随之增大；若导体为非磁性材料，则体为非磁性材料，则r和和d无关，即无关，即L1不变。不变。 式中第二项为涡流回路的式中第二项为涡流回路的反射电感反射电感。当被测物体为。当被测物体为非非磁性材料磁性材料或或硬磁材料硬磁材料时，传感器线圈的等效电感时，传感器线圈的等效电感L随导体随导体与线圈距离与线圈距离d的减小而减小；被测导体为的减小而减小；被测导体为软磁材料软磁材料时，则时，则由于由于静磁效应静磁效应使传感器线圈的等效电感使传感器线圈的等效电感L反而增大。反而

58、增大。22222221)(LLRMLL 为提高传感器灵敏度，常用一个电容与电涡为提高传感器灵敏度，常用一个电容与电涡流线圈并联，构成流线圈并联，构成并联谐振回路并联谐振回路。 无被测导体时，传感无被测导体时，传感器调谐到某一谐振频率器调谐到某一谐振频率f0。当有被测导体时，回路将当有被测导体时，回路将失谐失谐：被测体为：被测体为非铁磁材非铁磁材料或硬磁材料料或硬磁材料时，因传感时，因传感器线圈等效电感减小，谐器线圈等效电感减小，谐振曲线振曲线右移右移；当被测体为；当被测体为软磁材料软磁材料时，其电感量增时，其电感量增大，谐振曲线大，谐振曲线左移左移，如图，如图所示。所示。 fLfLLCf 21

59、图图4-34 固定频率调幅谐振曲线固定频率调幅谐振曲线 当线圈载流频率一定时，传感器当线圈载流频率一定时，传感器LC回路的阻回路的阻抗变化即反映了电感的变化，又反映了抗变化即反映了电感的变化，又反映了Q值变化。值变化。（三）线圈形状、尺寸对性能的影晌（三）线圈形状、尺寸对性能的影晌1. 线圈仅是传感器的一个组成部分，而另一组成部分是线圈仅是传感器的一个组成部分，而另一组成部分是被测导体。由前述可知，在测量过程中被测导体。由前述可知，在测量过程中静磁效应静磁效应与与电涡电涡流效应流效应对传感器线圈等效电感对传感器线圈等效电感L的改变是相互制约的。的改变是相互制约的。因此若被测体是非磁性材料时，传

60、感器的灵敏度较被测因此若被测体是非磁性材料时，传感器的灵敏度较被测体是磁性材料时为高。体是磁性材料时为高。3. 线圈的厚度变化，仅在靠近线圈处对灵敏度才稍有线圈的厚度变化，仅在靠近线圈处对灵敏度才稍有影响。影响。4. 为使传感器的温度性能优良，并且使为使传感器的温度性能优良，并且使Q值增大，要求值增大，要求线圈框架材料损耗小、热膨胀系数小、电性能好线圈框架材料损耗小、热膨胀系数小、电性能好。2. 一般要求，被测金属的最小尺寸大于传感器线一般要求，被测金属的最小尺寸大于传感器线圈直径的圈直径的2倍；被测物为圆柱体时，其直径要求大倍；被测物为圆柱体时，其直径要求大于线圈直径的于线圈直径的3.5倍。