变磁阻式传感器

《变磁阻式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变磁阻式传感器（90页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第 3 章 变 磁 阻 式 传 感 器 特 点 ： 工 作 可 靠 、 寿 命 长 灵 敏 度 高 ， 分 辨 力 高 精 度 高 、 线 性 好 性 能 稳 定 、 重 复 性 好 按 磁 路 几 何 参 数 变 化 形 式 的 不 同按 磁 路 的 结 构 型 式按 组 成 方 式 分 变 气 隙 式变 面 积 式螺 管 式单 一 式差 动 式型E型分 类 传 感 器 线 圈 的 电 器 参 数 分 析3.1 自 感 式 传 感 器3.2 互 感 式 传 感 器3.3 电 涡 流 式 传 感 器3.4 点 击 进 入压 感 式 传 感 器3.5 简 单 的 自 感 式 传 感 器组 成 图

2、 3.1变 气 隙 式 自 感 传 感 器上 、 下 移 动 铁 心 气 隙 、 磁 路 磁 阻 变 化线 圈 电 感 量测 量 电 路 转电 量 第 一 节 传 感 器 线 圈 的 电 器 参 数 分 析原 理 L-线 圈 电 感 ；Rc-线 圈 铜 耗 电 阻 ;Re-铁 心 涡 流 损 耗 电 阻 ;Rh-磁 滞 损 耗 电 阻 ；C-线 圈 的 寄 生 电 容简 单 的 自 感 式 传 感 器图 3.1 变 气 隙 式 自 感 传 感 器 图 3.2传 感 器 线 圈 的 等 效 电 路分 析 铁 心 线 圈 的 电 气 参 数 与它 们 对 线 圈 特 性 的 影 响 ， 对了 解

3、与 分 析 变 磁 阻 式 传 感 器以 及 选 择 传 感 器 参 数 有 帮 助 。 mRWL /2 (3-1)式 中 Rm 磁 路 总 磁 阻 。1.线 圈 电 感 L 由 磁 路 基 本 知 识 可 知 ， 匝 数 为 W的 线 圈 电 感 为FRWL /2 RWL /2当 线 圈 具 有 闭 合 磁 路 时 式 中 RF导 磁 体 总 磁 阻 。当 线 圈 磁 路 具 有 小 气 隙 时 式 中 R气 隙 总 磁 阻 。(3-2)(3-3) 引 入 等 效 磁 导 率 概 念 将 线 圈 等 效 成 一 封 闭 铁 心 线 圈 ， 其 磁 路 等 效 磁导 率 为 ， 磁 通 截 面

4、 积 为 S， 磁 路 长 度 为 ， 于是 式 (3-1) 式 中 真 空 磁 导 率 ， 4 10-7(H/ )。 (3-4)mRWL /2 (3-1)变 为 lSWRWL em / 022 mRWL /2 mRWL /2 2.铜 损 电 阻 Rc 取 决 于 导 线 材 料 及 线 圈 的 几 何 尺 寸 3.涡 流 损 耗 电 阻 R 由 频 率 为 的 交 变 电 流 激 励 产 生的 交 变 磁 场 ， 会 在 线 圈 铁 心 中 造 成 涡 流 及 磁 滞 损 耗 。根 据 经 典 的 涡 流 损 耗 计 算 公 式 知 ， 为 降 低 涡 流 损 耗 ，叠 片 式 铁 心 的

5、片 厚 应 薄 ； 高 电 阻 率 有 利 于 损 耗 的 下 降 ，而 高 磁 导 率 却 会 使 涡 流 损 耗 增 加 。4.磁 滞 损 耗 电 阻 Rh 铁 磁 物 质 在 交 变 磁 化 时 ， 磁 分 子来 回 翻 转 而 要 克 服 阻 力 ， 类 似 摩 擦 生 热 的 能 量 损 耗 。5.并 联 寄 生 电 容 C的 影 响 并 联 寄 生 电 容 主 要 由 线 圈绕 组 的 固 有 电 容 与 电 缆 分 布 电 容 所 构 成 。 变 换这 时 Re和 L的 串 联 阻 抗 应 该 与 Re和 L的 并 联 阻 抗 相 等先 不 考 虑 寄 生 电 容 C 2 )/(

6、1 LR RR jLR jLRjLR e ee e ee 2)/( 11 LR LL e (3-5)(3-6)2 )/(1 LRRR jLR jLRjLR e ee e ee Re与 L有 关比 值 Re/L应 尽 量 小 ， 以使 Re1时 ， 1/Q2可 以 忽 略 ， 式 (3-7)可 简 化 为有 效 值 Q为式 中 总 的 损 耗 电 阻 ec RRR / RLQ 由 式 (3-8)、 (3-9)、 (3-10)知 ， 并 联 电 容 C的 存 在 ，使 有 效 串 联 损 耗 电 阻 与 有 效 电 感 均 增 加 ， 有 效 Q值下 降 并 引 起 电 感 的 相 对 变 化 增

7、 加 ， 即 灵 敏 度 提 高 。因 此 ， 从 原 理 而 言 ， 按 规 定 电 缆 校 正 好 的 仪 器 ，如 更 换 了 电 缆 ， 则 应 重 新 校 正 或 采 用 并 联 电 容 加以 调 整 。 实 际 使 用 中 因 大 多 数 变 磁 阻 式 传 感 器 工作 在 较 低 的 激 励 频 率 下 ( 10 H )， 上 述 影 响常 可 忽 略 ， 但 对 于 工 作 在 较 高 激 励 频 率 下 的 传 感器 (如 反 射 式 涡 流 传 感 器 )， 上 述 影 响 必 需 引 起 充分 重 视 。 第 二 节 自 感 式 传 感 器一 .工 作 原 理 与 输

8、出 特 性-带 气 隙 的 铁 心 线 圈按 磁 路 几 何 参 数 变 化 形 式 的 不 同按 磁 路 的 结 构 型 式按 组 成 方 式 分 变 气 隙 式变 面 积 式螺 管 式单 一 式差 动 式型E型罐 型 SlSlSlRm 0222111 (3-11)式 中 1, 2 铁 心 和 衔 铁 的 磁 路 长 度 ( )； S1， S2 铁 心 和 衔 铁 的 截 面 积 ( 2)； 1、 2 铁 心 和 衔 铁 的 磁 导 率 (H/ )； S、 气 隙 磁 通 截 面 积 ( 2)和 气 隙 总 长 ( )。1.变 气 隙 式 自 感 传 感 器 磁 路 总 磁 阻 为 忽 略

9、磁 路 铁 损认 为 气 隙 磁 场 是 均 匀 的 , )/( 02221112 SlSlSlWL (3-12) 由 式 (3-12)可 知 ， 当 铁 心 、 衔 铁 的 材 料 和 结 构 与线 圈 匝 数 确 定 后 ， 若 保 持 S不 变 ， 则 L即 为 的 单 值函 数 ， 这 就 是 变 气 隙 式 传 感 器 的 工 作 原 理 。 为 了 精 确 分 析 传 感 器 的 特 性 ， 利 用 前 述 等 效 磁 导率 e的 概 念 ， 由 式 (3-4) )/( 0 SlR em (3-13)lSWRWL em / 022 可 得 将 式 (3-11) 代 入 式 (3-1

10、) ， 可 得 :mRWL /2SlSlSlRm 0222111 r rrm llSlllSR )1(1)(1 00 (3-14) rrre llll /1/1 (3-15)代 入 式 (3-4)同 时 ， 由 式 (3-11)所 以 re llKl SWL /102 (3-16)SWK 20式 中 为 一 常 数 SlSlSlRm 0222111 式 中 铁 心 和 衔 铁 的 相 对 磁 导 率 ， 通 常 r1。lSWRWL em / 022 得 带 气 隙 铁 心 线 圈 的 电 感 为 rllLdldLK /1 (3-17)由 上 式 可 知 ， 变 气 隙 式 传 感 器 的 输

11、出 特 性 是 非 线 性 的 ，式 中 负 号 表 示 灵 敏 度 随 气 隙 增 加 而 减 小 ， 欲 增 大 灵敏 度 ， 应 减 小 ， 但 受 到 工 艺 和 结 构 的 限 制 。 为保 证 一 定 的 测 量 范 围 与 线 性 度 ， 对 变 气 隙 式 传 感 器 ，常 取 /2 0.1 0.5 ， (1/51/10) 。得 灵 敏 度 为对 式 (3-16) re llKl SWL /102 微 分 SKSll WL r / 02 (3-18)式 中 rll WK / 02 KdSdLKS (3-19) 若 图 3.1所 示 传 感 器 的 气 隙 长 度 保 持 不 变

12、 ， 令 磁 通截 面 积 随 被 测 非 电 量 而 变 (衔 铁 水 平 方 向 移 动 )， 即 构成 变 面 积 式 自 感 传 感 器 。 此 时 由 式 (3-16)2.变 面 积 式 自 感 传 感 器 灵 敏 度 较 低 。 欲 提 高 灵 敏 度 ， 需 减 小 ， 但 同 样 受 到 工 艺和 结 构 的 限 制 。 忽 略 气 隙 磁 通边 缘 效 应 的 条件 下 ， 输 出 特性 呈 线 性 值 的 选 取 与 变 气 隙 式 相 同 。对 式 (3-18)微 分 得 灵 敏 度 为 为 一 常 数 。 3.螺 管 式 自 感 传 感 器 图 3.4 螺 管 式 自

13、感 传 感 器 原 理 图平 均 半 径 为 r的 螺 管 线 圈 、 衔 铁 和 磁 性 套 筒 等 。随 着 衔 铁 插 入 深 度 的 不 同 将 引 起 线 圈 泄 漏 路径 中 磁 阻 变 化 ， 从 而 使 线 圈 的 电 感 发 生 变 化 。组 成原 理 4.差 动 式 自 感 传 感 器 绝 大 多 数 自 感 式 传 感 器 都 运 用 与 电 阻 差 动 式 类 似 的 技 术 来 改善 性 能 ： 由 两 单 一 式 结 构 对 称 组 合 ， 构 成 差 动 式 自 感 传 感 器 。图 3.5 差 动 式 自 感 传 感 器 的 输 出 特 性 曲 线 1、 2为

14、L1、 L2 的 特 性 ， 3为 差 动 特 性 在 变 隙 式 差 动 电 感传 感 器 中 ， 当 衔 铁 随 被测 量 移 动 而 偏 离 中 间 位置 时 ， 两 个 线 圈 的 电 感量 一 个 增 加 ， 一 个 减 小 ，形 成 差 动 形 式 。 1-差 动 线 圈 2-铁 心 3-衔 铁 4-测 杆 5-工 件 ( )一 般 形 式 ； ( )变 压 器 电 桥二 .测 量 电 路1.电 桥 电 路 图 3.6输 出 端 对 称 电 桥电 感 式 传 感 器 的 测 量 电 路 有 交 流 电 桥 式 、 变 压 器 式 交 流电 桥 以 及 谐 振 式 等 。 RRR 2

15、1ZZZ 1 ZZZ 2ELjr LELjr LjrEZZEU o 0000 222 (3-20) (1)输 出 端 对 称 电 桥 图 中 Z1、 Z2为 传 感 器 两 线 圈 阻 抗 ， R1、 R2为 外 接 电 阻 ， 通 常设 工 作 时电 源 电 势 为 E，于 是 输 出 电 压 幅 值 和 阻 抗 分 别 为 ELr LELr rLU 20202020 2220 )(2)(2 (3-21)2/)()( 2020 LrRZ (3-22)式 (3-20)经 变 换 和 整 理 后 可 写 成 00222020 111 12 rrLLQQjLLQQrrQEU (3-23) 式 中

16、Q 电 感 线 圈 的 品 质 因 数 ， 。 00 /L rQ 0U 包 含 着 与 电 源 同 相 和 正 交 的 两 个 分 量 ；实 际 使 用 时 ， 希 望 只 存 在 同 相 分 量 。00 / rrLL LLEU 20通 常 由 于因 此 要 求 线 圈 有 较 高 的 Q值 (3-24) 以 变 压 器 两 个 次 级 作 为 电 桥 平 衡 臂 。 显然 ， 其 输 出 特 性 同 (a)。 由 于 变 压 器 次级 的 阻 抗 通 常 远 小 于 电 感 线 圈 的 阻 抗 ，常 可 忽 略 ， 于 是 输 出 阻 抗 式 (3-22)变 为变 压 器 电 桥 图 (b)

17、 2/22020 LrZ (3-25)图 (b)与 图 (a)相 比 ， 使 用 元 件 少 ， 输 出 阻 抗 小 ， 电桥 开 路 时 电 路 呈 线 性 ， 因 此 应 用 较 广 。 设 工 作 时 ZZZZZZ 21 , 200220 2)( 2 jLrR LjrREZRZ ZREU (3-26)输 出 电 压 幅 值 和 阻 抗 分 别 为 (3-27)(2)电 源 端 对 称 电 桥 电 桥 输 出 电 压 为则 有 (3-28) ELRr LRjLrR LrERU 20202020 220 22 ELr LELr rLU 20202020 2220 )(2)(2 2020 20

18、200 2 jLrR LrRU 2/)()( 2020 LrRZ ZZRZ ZZREZZZZREU 21 12210 11 ZZRZ ZZREZZZZREU 21 12210 11 ZZRZ ZZREZZZZREU 21 12210 11 ZRZ ZREZZREU 21 12210 11 2.谐 振 电 路图 中 Z为 传 感 器 线 圈 ， E为 激 励 电 源 。 设 图 (b)中 曲 线 1为 图 (a)回路 的 谐 振 曲 线 。 若 激 励 源 的 频 率 为 f， 则 可 确 定 其 工 作 在 A点 。当 传 感 器 线 圈 电 感 量 变 化 时 ， 谐 振 曲 线 将 左 右

19、 移 动 ， 工 作 点 就在 同 一 频 率 的 纵 坐 标 直 线 上 移 动 (例 如 移 至 B点 )， 于 是 输 出 电 压的 幅 值 就 发 生 相 应 变 化 。 这 种 电 路 灵 敏 度 很 高 ， 但 非 线 性 严 重 ，常 与 单 线 圈 自 感 式 传 感 器 配 合 ， 用 于 测 量 范 围 小 或 线 性 度 要 求不 高 的 场 合 。 图 3.8( )谐 振 电 路 ( )谐 振 曲 线 图 3.9 大 位 移 自 感 式 传 感 器 工 作 原 理 ( )电 原 理 图 ； ( )输 出 特 性传 感 器 线 圈 用 恒 流 源 激 励 ， 1是 衔 铁

20、 在 螺 管 线 圈 内 移 动 时 线圈 两 端 的 电 压 ， 2是 与 1反 相 、 幅 值 恒 定 的 电 压 ， 0为 电路 输 出 电 压 。 于 是 ， 0 1- 2。 2的 作 用 是 抵 消 电 压 的 非线 性 部 分 ， 使 输 出 电 压 呈 线 性 。 由 图 可 见 ， 当 衔 铁 刚 进 入 传感 器 线 圈 时 ， 其 电 压 灵 敏 度 dU/d a较 低 ， 线 性 也 较 差 。 当 a 后 ， 灵 敏 度 提 高 ， 线 性 改 善 ， 进 入 工 作 区 域 。3.恒 流 源 电 路 4.调 频 电 路 1谐 振 电 容 ；2调 频 振 荡 器 ；3电

21、 感 线 圈 ；4磁 性 套 筒 ；5导 杆 (衔 铁 )当 传 感 器 线 圈 电 感 L发 生 变 化 时 ， 调 频 振 荡 器 的 输 出 频 率相 应 变 化 。 利 用 阶 梯 形 无 骨 架 线 圈 ， 可 使 衔 铁 的 位 移 变化 与 输 出 频 差 变 化 呈 线 性 关 系 。 传 感 器 的 结 构 见 图 3.10。由 于 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 1km， 特 别 适 合 于 野 外 现 场 使 用 。 图 3.10电 感 调 频 式 位 移 传 感 器 结 构 图 5.相 敏 检 波

22、 电 路 -常 用 的 判 别 电 路( )带相敏检波的交流电桥 Z1、 Z2为 传 感 器 两 线 圈 的 阻 抗 ，Z3 Z4构 成 另 两 个 桥 臂 ，U为 供 桥 电 压 ，U0为 输 出 。当 衔 铁 处 于 中 间 位 置 时 ， Z1 Z2 Z， 电 桥 平 衡 ， U 0 5.相 敏 检 波 电 路 -常 用 的 判 别 电 路( )带相敏检波的交流电桥 如 供 桥 电 压 为 正 半 周 ， 即 A点 电 位高 于 B点 ， 二 极 管 D1、 D4导 通 ，D2、 D3截 止 。 在 AECB支路 中 ， C点 电 位 由 于 Z1增 大 而 降 低 ；在 AFDB支 路

23、 中 ， D点 电 位由 于 Z2减 小 而 增 高 。 因 此 D点 电 位高 于 C点 ， 输 出 信 号 为 正供 桥 电 压 为 负 半 周 ， B点 电 位 高 于 A 点 ， 二 极 管 D2、 D3导 通 ， D1、 D4截 止 。 在 BCFA支 路 中 ， C点 电 位 由于 Z2减 小 而 比 平 衡 时 降 低 ； 在 BDEA支 路 中 ， D点电 位 则 因 Z1增 大 而 比 平 衡 时 增 高 。 因 此 D点 电 位 仍 高 于 C点 ， 输 出 信 号 仍 为 正 。 同 理 可 以 证 明 ， 衔 铁 下 移 时 输 出 信号 总 为 负 。于 是 ， 输

24、出 信 号 的 正 负 代 表 了 衔 铁 位 移 的 方 向 。若 衔 铁 上 移 ， Z1增 大 ， Z2减 小 ( )实 用 电 路L1、 L2为 传 感 器 的 两 个 线 圈 ，C1、 C2为 另 两 个 桥 臂 。电 桥 供 桥 电 压 由 变 压 器 B的 次 级 提 供 。R1、 R2、 R3、 R4为 四 个 线 绕 电 阻 ， 用 于 减 小 温 度 误 差 。C3为 滤 波 电 容 ，Rw1为 调 零 电 位 器 ，Rw2为 调 倍 率 电 位 器 ， 输 出 信 号 由 电 压 表 V指 示 。 图 3.12 阶 梯 形 线 圈 三 .自 感 式 传 感 器 的 误 差

25、1.输 出 特 性 的 非 线 性各 种 自 感 式 传 感 器 ， 都 在 原 理 上 或 实 际 上 存 在 非 线 性 误 差 。 测 量 电 路也 往 往 存 在 非 线 性 。 为 了 减 小 非 线 性 ， 常 用 的 方 法 是 采 用 差 动 结 构 和限 制 测 量 范 围 。 对 于 螺 管 式 自 感 传 感 器 ， 增 加 线 圈的 长 度 有 利 于 扩 大 线 性 范 围 或 提 高 线性 度 。 在 工 艺 上 应 注 意 导 磁 体 和 线 圈骨 架 的 加 工 精 度 、 导 磁 体 材 料 与 线 圈绕 制 的 均 匀 性 ， 对 于 差 动 式 则 应 保

26、 证其 对 称 性 ， 合 理 选 择 衔 铁 长 度 和 线 圈匝 数 。 另 一 种 有 效 的 方 法 是 采 用 阶 梯形 线 圈 ， 如 图 3.12所 示 。 2.零 位 误 差差 动 自 感 式 传 感 器 当 衔 铁 位 于 中 间 位 置 时 ， 电 桥 输 出 理 论 上应 为 零 ， 但 实 际 上 总 存 在 零 位 不 平 衡 电 压 输 出 (零 位 电 压 )，造 成 零 位 误 差 ， 如 图 3.13(a)所 示 。图 3.13 零 位 误 差 ( )零 位 电 压 ； ( )相 应 波 形 1、 使 传 感 器 输 出 特 性 在 零 点 附 近 的 范 围

27、 内 不 灵 敏 (灵 敏 度 下降 )， 限 制 着 分 辨 力 的 提 高 。 3、 若 传 感 器 输 出 作 为 伺 服 系 统 的 控 制 信 号 ， 零 位 电 压 还会 使 伺 服 电 机 发 热 ， 甚 至 产 生 零 位 误 动 作 。 2、 过 大 的 零 位 电 压 会 使 放 大 器 提 前 饱 和 ， 堵 塞 有 用 信 号 通过 ， 致 使 仪 器 不 再 反 映 被 测 量 的 变 化 。 零 点 残 余 电 压 危 害 ： （ 1） 由 于 两 个 二 次 测 量 线 圈 的 等 效 参 数 不对 称 ， 使 其 输 出 的 基 波 感 应 电 动 势 的 幅

28、值和 相 位 不 同 ， 调 整 磁 芯 位 置 时 ， 也 不 能 达到 幅 值 和 相 位 同 时 相 同 。 （ 2） 由 于 铁 芯 的 B-H特 性 的 非 线 性 ， 产 生高 次 谐 波 不 同 ， 不 能 互 相 抵 消 。 （ 3） 励 磁 电 压 波 形 中 含 有 高 次 谐 波 。 产 生 零 点 残 余 电 压 的 原 因 一 种 常 用 的 方 法 是 采 用 补 偿 电 路 ， 其 原 理 为 ：(1)串 联 电 阻 消 除 基 波 零 位 电 压 ；(2)并 联 电 阻 消 除 高 次 谐 波 零 位 电 压 ；(3)加 并 联 电 容 消 除 基 波 正 交

29、分 量 或 高 次 谐 波 分 量 。 图 3.14零 位 电 压 补 偿 电 路 ( )典 型 接 法 ； ( )实 际 电 路 3.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 移 、 灵 敏 度 、线 性 度 和 相 位 的 变 化 ， 造 成 温 度 误 差 。环 境 温 度 对 自 感 传 感 器 的 影 响 主 要 通 过 ：(1)材 料 的 线 膨 胀 系 数 引 起 零 件 尺 寸 的 变 化 ；(2)材 料 的 电 阻 率 温 度 系 数 引 起 线 圈 铜 阻 的 变 化 ；(3)磁 性 材 料 磁 导 率 温 度 系

30、数 、 绕 组 绝 缘 材 料 的 介 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 成 。 变 磁 阻 式 传 感 器 的 应 用 变 隙 电 感 式 压 力 传 感 器 结 构 图 当 压 力 进 入 膜 盒 时 ， 膜 盒 的 顶 端 在 压 力 P的 作 用 下 产 生 与 压 力 P大 小 成 正 比 的 位 移 ， 于是 衔 铁 也 发 生 移 动 ， 从 而 使 气 隙 发 生 变 化 ， 流 过 线 圈 的 电 流 也 发 生 相 应 的 变 化 ， 电 流 表A的 指 示 值 就 反 映 了 被 测 压

31、 力 的 大 小 。 当 被 测 压 力 进 入 C形 弹 簧 管 时 ， C形 弹 簧 管产 生 变 形 ， 其 自 由 端 发 生 位 移 ， 带 动 与 自 由 端 连接 成 一 体 的 衔 铁 运 动 ， 使 线 圈 1和 线 圈 2中 的 电 感发 生 大 小 相 等 、 符 号 相 反 的 变 化 。 即 一 个 电 感 量增 大 ， 另 一 个 电 感 量 减 小 。 电 感 的 这 种 变 化 通 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 ， 所 以 只 要 用 检 测 仪 表 测 量出 输 出 电

32、压 ， 即 可 得 知 被 测 压 力 的 大 小 。 变 隙 式 差 动 电 感 压 力 传 感 器 第 三 节 互 感 式 传 感 器互 感 式 传 感 器 是 一 种 线 圈 互 感 随 衔 铁 位 移 变 化 的 变 磁 阻 式 传 感 器 。传 感 器 是 根 据 变 压 器 的 基 本 原 理 制 成 的 ， 与 自 感 式 传 感 器 统 称 为 电 感 式 传 感 器 。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 1 100mm机 械 位 移 ， 并 具 有 测 量 精 度 高 、灵 敏 度 高 、 结 构

33、 简 单 、 性 能 可 靠 等 优 点 。 闭 合 磁 路开 磁 路 初 、 次 级 间 的 互 感 为 常 数初 、 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 作又 称 为 差 动 变 压 器互 感 式 传 感 器 变 压 器 两 个 初 级 绕 组 的 同 名 端 顺 向 串 联 ， 两 个 次 级 绕 组的 同 名 端 则 反 相 串 联 。 一 .工 作 原 理 与 类 型在 忽 略 线 圈 寄 生 电 容 与 铁 心 损 耗 的 情 况 下 ， 差 动 变 压 器 的 等 效 电 路 如 图 3-15所 示 。U， I初

34、级 线 圈 激 励 电 压 与 电 流 (频 率 为 )； L1， R1初 级 线 圈 电 感 与 电 阻 ； M1， M2初 级 与 次 级 线 圈 1， 2间 的 互 感 ； L21， L22和 R21， R22分 别 为 两 个 次 级 线 圈 的电 感 和 电 阻 。根 据 变 压 器 原 理 ， 传 感 器 开 路 输 出 电 压 为 两 次 级 线 圈 感 应 电 势 之 差 ： IMMjEEU o 212221 (3-29) MLjR UjIMMjU 11210 2 衔 铁 在 中 间 位 置 时 若 两 次 级 线 圈 参 数 与 磁 路 尺 寸 相 等 ，则 M1 M2 M，

35、 U0 0。衔 铁 偏 离 中 间 位 置 时 M1M2由 于 差 动 工 作 ， 有 M1 M+M1， M2 M-M2。在 一 定 范 围 内 ， M1 M2 M，差 值 (M1-M2)与 衔 铁 位 移 成 比 例 。于 是 ， 在 负 载 开 路 情 况 下 ， 输 出 电 压 及 其 有 效 值 分 别 为 (3-30) 22212221 LjLjRRZ (2-32) MMELR MUU SO 22 21210 (3-31) 2121/ LRMUESO 式 中 ESO衔 铁 在 中 间 位 置 时 ， 单 个 次 级 线 圈 的 感 应 电 势 图 3.16 变 气 隙 式差 动 变

36、压 器 变 气 隙 式变 面 积 式螺 管 IMMjEEU o 212221 由 式 (3-29)可 知 ， 差 动 变 压 器 的 输 出 特 性 与 初 级 线 圈 对 两 个 次 级 线 圈 的 互 感 之 差 有 关 0210 WWUU (3-33)结 构 型 式 不 同 ， 互 感 的 计 算 方 法 也 不 同 。 型 差 动 变 压 器 的 输 出 特 性 为式 中 为 初 始 气 隙 ； W1为 初 级 线 圈 匝 数 ； W2为 次 级 线 圈 匝数 ； 为 衔 铁 上 移 量上 式 表 明 ， 输 出 电 压 U0与 衔 铁 位 移 成 比 例 ，负 号 表 明 向 上 为

37、 正 时 ， 输 出 电 压 U0与 电 源 电 压 U反 相 ； 向 下 为 负 时 ， 两 者 同 相 。输 出 特 性 曲 线 如 图 3.17所 示 。推 导 过 程 略 图 3.17 差 动 变 压 器 的 特 性 ( )输 出 特 性 ； ( )相 位 特 性 由 式 (3-33) 1200 WWUUK (3-34) 灵 敏 度 随 电 源 电 压 U和 变 压 比 W2： W1的 增 大 而 提 高 ， 随初 始 气 隙 增 大 而 降 低 。 传 感 器 的 增 加 次 级 匝 数 W2与 增 大 激 励 电 压 U将 提 高 灵 敏 度 。但 W 2过 大 ， 会 使 传 感

38、 器 体 积 变 大 ， 且 使 零 位 电 压 增 大 ；U过 大 ， 易 造 成 发 热 而 影 响 稳 定 性 ， 还 可 能 出 现 磁 饱 和 ，因 此 常 取 0.5 8V， 并 使 功 率 限 制 在 1VA以 下 。分 析 结 论 ： 0210 WWUU可 得 形 差 动 变 压 器 的 灵 敏 度 表 达 式 UR MjU 10 2 (3-35)当 激 励 频 率 过 低 时 ， L1R1时 ， 式 (3-30)变 为 UL MU 10 2 (3-36)此 时 ， 灵 敏 度 与 频 率 无 关 ， 为 一 常 数 。继 续 增 加 超 过 某 一 数 值 时 (该 值 视

39、铁 心 材 料 而 异 )， 由 于 导线 趋 肤 效 应 和 铁 损 等 影 响 而 使 灵 敏 度 下 降 (见 图 3.18)。变 成 通 常 应 按 所 用 铁 心 材 料 ， 选 取 合 适 的 较 高 激 励 频 率 ，以 保 持 灵 敏 度 不 变 。 这 样 ， 既 可 放 宽 对 激 励 源 频 率 的稳 定 度 要 求 ， 又 可 在 一 定 激 励 电 压 条 件 下 减 少 磁 通 或匝 数 ， 从 而 减 小 尺 寸 。 问 题 ： （ 1） 差 动 变 压 器 的 输 出 是 交 流 电 压 (用 交 流 电 压 表测 量 ， 只 能 反 映 衔 铁 位 移 的 大

40、 小 ， 不 能 反 映 移 动 的 方 向 );（ 2） 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 这 种 电 路 是 把 差 动 变 压 器 的 两 个 次 级 输 出 电 压 分 别 整 流 ， 然 后 将 整 流 的 电 压 或 电 流 的 差 值 作 为 输 出 。二 .测 量 电 路 (2) 相 敏 检 波 电 路 输 入 信 号 u2(差 动 变

41、压 器 式 传 感 器 输 出 的 调 幅 波 电 压 )通过 变 压 器 T1加 到 环 形 电 桥 的 一 个 对 角 线 上 。 参 考 信 号 us通 过变 压 器 T2加 到 环 形 电 桥 的 另 一 个 对 角 线 上 。 输 出 信 号 uo从 变压 器 T1与 T2的 中 心 抽 头 引 出 。 平 衡 电 阻 R起 限 流 作 用 ， 以 避 免 二 极 管 导 通 时 变 压 器 T2的 次 级 电 流 过 大 。 RL为 负 载 电 阻 。 us的 幅 值 要 远 大 于 输 入 信号 u 2的 幅 值 ， 以 便 有 效 控 制 四 个 二 极 管 的 导 通 状 态

42、 ， 且 us和差 动 变 压 器 式 传 感 器 激 磁 电 压 u1由 同 一 振 荡 器 供 电 ， 保 证 二者 同 频 同 相 （ 或 反 相 ） 。 根 据 变 压 器 的 工 作 原 理 ， 考 虑 到 O、 M分 别 为 变 压 器 T1、 T2的 中 心 抽 头 ， 则 采 用 电 路 分 析 的 基 本 方 法 200201 2nuuu 1 2 12 yuu u n 22f fui R R 21( 2 )fy f f fR uu i R n R R 当 u0与 uy均 为 负 半 周 时 ： 二 极 管 VD2、 VD3截 止 ， VD1、VD4导 通 。 输 出 电 压

43、uo表 达 式 相 同 。 说 明 只 要 位 移 x0， 不论 u0与 uy是 正 半 周 还 是 负 半 周 ， 负 载 电 阻 RL两 端 得 到 的 电压 始 终 为 正 。 当 x0时 ： u0与 uy为 同 频 反 相 。不 论 u0与 uy是 正 半 周 还 是 负 半 周 ， 负 载 电 阻 RL两 端 得 到 的输 出 电 压 表 达 式 总 是 为 21( 2 )fy f f fR uu i R n R R 22210 EEU 图 3.21 二 次 线 圈 反 串 电 路 一 般 采 用 反 串 电 路 和 桥 路 两 种反 串 电 路 是 直 接 把 两 个 二 次 线

44、圈 反 向 串 接 （ 如 图 3.21） 。这 种 情 况 下 空 载 输 出 电 压 等 于 二 次 侧 线 圈 感 应 电 动 势 之 差 ，即 ： 2 )( 2221 2221 222210 EE ERR REEU (3-37) 可 见 桥 路 的 灵 敏 度 为 前 面 的 0.5，但 其 优 点 是 利 用 Rw可 进 行 调 零 ，不 再 需 要 另 外 配 置 调 零 电 路 。 图 3.22 差 动 变 压 器 使 用 桥 路桥 路 如 图 3.22： 其 中 R1， R2是 桥 臂 电 阻 ， Rw是 调 零 电 位 器 。设 R1 R2， 则 输 出 电 压 tRLRL

45、RRUU 1111 1100 /1 004.0/1 / (3-38) 由 上 式 可 知 ， 低 频 激 励 时 线 圈 的 品 质 因 数 (Q L/R)低 ， 温度 误 差 大 。 为 此 应 提 高 初 级 线 圈 的 品 质 因 数 。三 .互 感 式 传 感 器 的 误 差不 同 ： 差 动 变 压 器 多 了 一 个 初 级 线 圈 。 当 温 度 变 化 时 ， 初 级 线 圈的 参 数 尤 其 铜 阻 的 变 化 影 响 较 大 。 设 温 度 变 化 ( )， 初 级 线 圈铜 阻 R增 加 R， 铜 线 电 阻 温 度 系 数 为 +0.4 / ， 由 此 引 起 的 次

46、级输 出 电 压 的 相 对 变 化 为自 感 式 传 感 器 的 误 差 分 析 均 适 用 于 差 动 变 压 器 。 在 初 级 串 入 一 高 阻 值 降 压 电 阻 R， 或 同 时 串 入 热 敏 电 阻 RT进 行 补 偿 。 适 当 选 择 RT， 可 使 温 度 变 化 时 原 边 总 电 阻 近 似不 变 ， 从 而 使 激 励 电 流 保 持 恒 定 。图 3.23 温 度 补 偿 电 路为 减 小 温 度 误 差 ， 可采 取 稳 定 激 励 电 流 的方 法 ， 如 图 3.23 电 感 式 传 感 器 主 要 用 于 测 量 位 移 与 尺 寸 ， 也 可 测 量能

47、 转 换 成 位 移 变 化 的 其 他 参 数 ， 如 力 、 张 力 、 压力 、 压 差 、 振 动 、 应 变 、 转 矩 、 流 量 、 比 重 等 。 位 移 与 尺 寸 测 量 压 力 测 量 力 和 力 矩 测 量 振 动 测 量四 .电 感 式 传 感 器 的 应 用 微 压 力 传 感 器 图 4.22 差 动 变 压 器 式 加 速 度 传 感 器 原 理 图 11 B 2A x(t) 1悬臂梁；2差动变压器 差 动 变 压 器 式 加 速 度 传 感 器 :由 悬 臂 梁 和 差 动 变 压 器 构 成 。 测 量 时 ， 将悬 臂 梁 底 座 及 差 动 变 压 器

48、的 线 圈 骨 架 固 定 ， 而 将 衔 铁 的 A端 与 被 测 振 动体 相 连 ， 此 时 传 感 器 作 为 加 速 度 测 量 中 的 惯 性 元 件 ， 它 的 位 移 与 被 测 加速 度 成 正 比 ， 使 加 速 度 测 量 转 变 为 位 移 的 测 量 。 当 被 测 体 带 动 衔 铁 以x(t)振 动 时 ， 导 致 差 动 变 压 器 的 输 出 电 压 也 按 相 同 规 律 变 化 。 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 。第 四 节 电 涡 流 式 传 感 器电 涡 流 式

49、 传 感 器 是 利 用 电 涡 流 效 应 进 行 工 作 的 。特 点 ： 结 构 简 单 、 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 ， 它 一 问世 就 受 到 各 国 的 重 视 。测 量 参 数 ： 当 高 频 （ 500kHz左 右 ） 信 号 源 产 生 的 高 频 电 压 施 加 到 一 个 靠 近 金 属 导体 附 近 的 电 感 线 圈 L1时 ， 将 产 生 高 频 磁 场 H1。 如 被 测 导 体 置 于 该 交 变 磁场 范 围 之 内 时 ， 被 测 导 体

50、 就 产 生 电 涡 流 i2。 i2在 金 属 导 体 的 纵 深 方 向 并 不是 均 匀 分 布 的 ， 而 只 集 中 在 金 属 导 体 的 表 面 ， 这 称 为 集 肤 效 应 （ 也 称 趋肤 效 应 ） 。 集 肤 效 应 与 激 励 源 频 率 f、 工 件 的 电 导 率 s、 磁 导 率 等 有 关 。 频率 f越 高 ， 电 涡 流 的 渗 透 的 深 度 就 越 浅 ， 集 肤 效 应 越 严 重 。 由 于 存 在 集 肤 效 应 ， 电 涡 流 只 能检 测 导 体 表 面 的 各 种 物 理 参 数 ，如 线 圈 与 导 体 表 面 的 距 离 。 导 体表

51、面 的 裂 纹 、 或 者 用 来 检 测 与 材料 磁 导 率 有 关 的 材 料 型 号 、 表 面硬 度 等 参 数 。 图 3.25 电 涡 流 式 传 感 器 的 基 本 原 理一 .工 作 原 理 如 图 3.25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H1。 若 被 测 导 体 置 于 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 H1方 向 相反 ， 力 图 削 弱 原 磁 场 H1,从 而 导

52、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 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 有 关 。如 果 控 制 上 述 参 数 中 一 个 参 数 改 变 ， 余 者 皆 不 变 ，就 能 构 成 测 量 该 参 数 的 传 感 器 。 图 3.26 等 效 电 路 为 分 析 方 便 ， 我 们 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

53、 被 测 导 体 便 等 效为 相 互 耦 合 的 两 个 线 圈 ， 如 图 3.26所 示 。 设 线 圈 的 电阻 为 R1， 电 感 为 L1， 阻 抗 为 Z1=R1+j L1； 短 路 环 的 电阻 为 R2， 电 感 为 L2； 线 圈 与 短 路 环 之 间 的 互 感 系 数 为 M。 M随 它 们 之 间 的 距 离 x减 小 而 增 大 。 加 在 线 圈 两 端 的激 励 电 压 为 :根 据 基 尔 霍 夫 定 律 ， 可 列 出 电 压 平 衡方 程 组 022221 121111 ILjIRIMj UIMjILjIR 解 之 得 2222 1212222 12 2

54、2222 22122222 221 11 )()( )()( LR IMRjILMLR IMjI LLR MLjRLR MR UI 由 此 可 求 得 线 圈 受 金 属 导 体 涡 流 影 响 后 的 等 效 阻抗 为 2222 22212222 2221 )()( LR MLLjLR MRRZ (3-39)线 圈 的 等 效 电 感 为 2222 2221 )( LR MLLL (3-40) 由 式 (3-39) (3-41)可 知 ， 线 圈 -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

55、又 是 距 离 x的 非 线 性 函 数 ， 因此 当 构 成 电 涡 流 式 位 移 传 感 器 时 ， Z=f1(x)、L=f2(x)、 Q=f3(x)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 内 通 过 测 量 Z、 L或 Q的 变 化 就 可 以 线性 地 获 得 位 移 的 变 化 。 4.3.3 电 涡 流 传 感 器 测 量 电 路 主 要 有 调 频 式 、 调 幅 式 电 路 两 种 。 1. 调 频 式 电 路 传 感 器 线 圈 接 入 LC振 荡 回

56、 路 ， 当 传 感 器 与 被 测 导 体 距 离 x改变 时 ， 在 涡 流 影 响 下 ， 传 感 器 的 电 感 变 化 ， 将 导 致 振 荡 频 率 的变 化 ， 该 变 化 的 频 率 是 距 离 x的 函 数 ， 即 f=L(x), 该 频 率 可 由 数 字频 率 计 直 接 测 量 ， 或 者 通 过 f-V变 换 ， 用 数 字 电 压 表 测 量 对 应 的电 压 。 振 荡 器 的 频 率 为 CxLf )(2 1为 了 避 免 输 出 电 缆 的 分 布 电 容 的 影 响 ， 通 常 将 L、 C装 在 传 感 器内 。 此 时 电 缆 分 布 电 容 并 联 在

57、 大 电 容 C 2、 C3上 ， 因 而 对 振 荡 频率 f的 影 响 将 大 大 减 小 。 2. 调 幅 式 电 路 由 传 感 器 线 圈 L、 电 容 器 C和 石 英 晶 体 组 成 。 石 英 晶体 振 荡 器 起 恒 流 源 的 作 用 ， 给 谐 振 回 路 提 供 一 个 频 率 （ f0）稳 定 的 激 励 电 流 io， LC回 路 输 出 电 压 式 中 , Z为 LC回 路 的 阻 抗 。 21| 1 jwLZ jwL jwC w LC 0 21o o jwLU i Z i w LC 当 金 属 导 体 远 离 或 去 掉 时 ， LC并 联 谐 振 回 路 谐

58、振 频 率 即 为 石 英振 荡 频 率 fo， 回 路 呈 现 的 阻 抗 最 大 ， 谐 振 回 路 上 的 输 出 电 压 也 最 大 ；当 金 属 导 体 靠 近 传 感 器 线 圈 时 ， 线 圈 的 等 效 电 感 L发 生 变 化 ， 导 致 回路 失 谐 ， 从 而 使 输 出 电 压 降 低 ， L的 数 值 随 距 离 x的 变 化 而 变 化 。 因此 ， 输 出 电 压 也 随 x而 变 化 。 输 出 电 压 经 放 大 、 检 波 后 ， 由 指 示 仪表 直 接 显 示 出 x的 大 小 。 除 此 之 外 ， 交 流 电 桥 也 是 常 用 的 测 量 电 路

59、。 三 .电 涡 流 式 传 感 器 的 应 用 1.测 位 移 电 涡 流 式 传 感 器 的 主 要 用 途 之 一 是 可 用 来 测 量 金属 件 的 静 态 或 动 态 位 移 ， 最 大 量 程 达 数 百 毫 米 ，分 辨 率 为 0.1%。 目 前 电 涡 流 位 移 传 感 器 的 分 辨 力最 高 已 做 到 0.05 m(量 程 0 15 m)。 凡 是 可 转 换为 位 移 量 的 参 数 ， 都 可 用 电 涡 流 式 传 感 器 测 量 ，如 机 器 转 轴 的 轴 向 窜 动 、 金 属 材 料 的 热 膨 胀 系 数 、钢 水 液 位 、 纱 线 张 力 、 流

60、 体 压 力 等 。 测 量电 路 功 率放 大 报 警 器继电器 电动泵用 电 涡 流 式 传 感 器 构 成 的 液 位 监 控 系 统案 例浮子 涡 流 板电 涡 流 式传 感 器 图 3.30 液 位 监 控 系 统图 3.30为 用 电 涡 流 式 传 感 器 构 成 的 液 位 监 控 系 统 。 如图 所 示 ， 通 过 浮 子 3与 杠 杆 带 动 涡 流 板 1上 下 位 移 ， 由电 涡 流 式 传 感 器 2发 出 信 号 控 制 电 动 泵 的 开 启 而 使 液位 保 持 一 定 。 2.测 厚 度 图 3.31 测 金 属 板 厚 度 示 意 图 除 前 已 介 绍

61、 的 低 频 透 射 式 电 涡 流 传 感 器 外 ， 高 频反 射 式 电 涡 流 传 感 器 也 可 用 于 厚 度 测 量 。 后 者 测板 厚 时 ， 金 属 板 材 厚 度 的 变 化 相 当 于 线 圈 与 金 属表 面 间 距 离 的 改 变 ， 根 据 输 出 电 压 的 变 化 即 可 知线 圈 与 金 属 表 面 间 距 离 的 变 化 ， 即 板 厚 的 变 化 。图 3.31所 示 为 此 应 用 一 例 。 为 克 服 金 属 板 移 动 过程 中 上 下 波 动 及 带 材 不 够 平 整 的 影 响 ， 常 在 板 材上 下 两 侧 对 称 放 置 两 个 特

62、性 相 同 的 传 感 器 L1与 L2。 由 图 可 知 ， 板 厚 d D （ x+x2） 。 工 作 时 ， 两 个传 感 器 分 别 测 得 x和 x2。 板 厚 不 变 时 ， (x+x2)为 常值 ； 板 厚 改 变 时 ， 代 表 板 厚 偏 差 的 (x+x2)所 反 映的 输 出 电 压 发 生 变 化 。 测 量 不 同 厚 度 的 板 材 时 ，可 通 过 调 节 距 离 D来 改 变 板 厚 设 定 值 ， 并 使 偏 差 指示 为 零 。 这 时 ， 被 测 板 厚 即 板 厚 设 定 值 与 偏 差 指示 值 的 代 数 和 。除 上 述 非 接 触 式 测 板 厚

63、 外 ， 利 用 电 涡 流 式 传 感 器还 可 制 成 金 属 镀 层 厚 度 测 量 仪 、 接 触 式 金 属 或 非金 属 板 厚 测 量 仪 。 3、 无 损 探 伤 原 理裂 纹 检 测 ， 缺 陷 造 成 涡 流 变化 。火 车 轮 检 测 油 管 检 测 产 品 ： 案 例 ： 无 损 探 伤 原 理裂 纹 检 测 ， 缺 陷 造 成 涡 流 变 化 。火 车 轮 检 测 油 管 检 测 差 动 变 压 器 测 量 电 路 差 动 变 压 器 位 移 传 感 器 该 位 移 传 感 器 是 一 种 属 于 金 属 感 应 的线 性 器 件 ， 接 通 电 源 后 ， 在 开

64、关 的 感应 面 将 产 生 一 个 交 变 磁 场 ， 当 金 属 物体 接 近 此 感 应 面 时 ， 金 属 中 则 产 生 涡 流而 吸 取 了 振 荡 器 的 能 量 ， 使 振 荡 器 输出 幅 度 线 性 衰 减 ， 然 后 根 据 衰 减 量 的变 化 来 完 成 无 接 触 检 测 物 体 的 目 的 。该 位 移 传 感 器 具 有 无 滑 动 触 点 ， 工 作时 不 受 灰 尘 等 非 金 属 因 素 的 影 响 ， 并且 低 功 耗 ， 长 寿 命 ， 可 使 用 在 各 种 恶劣 条 件 下 。 位 移 传 感 器 主 要 应 用 在 自 动化 装 备 生 产 线 对 模 拟 量 的 智 能 控 制 。