1、第三章 電感式傳感器）（互感）（自感）、位移、流量、振動(dòng)）IUMLx(品種 定義螺管式變氣隙式互感式電渦流式變截面式螺管式變氣隙式自感式電感式傳感器 優(yōu)點(diǎn)： 電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 工作可靠, 測(cè)量精度高(0.1%), 零點(diǎn)穩(wěn)定, 分辨率高0.1um）,輸出功率較大等。 缺點(diǎn)： 靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約, 傳感器自身頻率響應(yīng)低, 不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。 這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制, 在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用。優(yōu)缺點(diǎn)：第一節(jié) 工作原理 一、自感式傳感器工作原理1線圈自感2/mLNR線圈匝數(shù)磁路總磁阻對(duì)于變隙式傳感器, 因?yàn)闅庀逗苄? 所以可以認(rèn)為氣隙中的

2、磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損, 則磁路總磁阻為02imiiLRSS 式中: 各段導(dǎo)磁體 的長(zhǎng)度; i各段導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率; Si鐵芯材料的截面積; 氣隙的厚度 0空氣的導(dǎo)磁率; S空氣隙的截面積;iL3312111122001112222,imiiii ilLLRsSSSSlSlS總磁阻分別為氣隙的磁導(dǎo)率、氣隙厚度和截面積。分別為鐵心的磁導(dǎo)率、長(zhǎng)度和截面積。分別為銜鐵的磁導(dǎo)率、長(zhǎng)度和截面積。202/iiiLLNSS可得鐵心的結(jié)構(gòu)和材料確定后，上式分母第一項(xiàng)為常數(shù)，此時(shí)，自感是氣隙厚度和氣隙截面積的函數(shù)。（螺管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵插入深度不同而變化的基礎(chǔ)上）LRxnimi1 二、互感

3、式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器工作原理 把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的, 并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接, 故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, 有變隙式、 變面積式和螺線管式等, 但其工作原理基本一樣。非電量測(cè)量中, 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器, 它可以測(cè)量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移, 并具有測(cè)量精度高, 靈敏度高, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 原理原理 傳感器工作時(shí)，被測(cè)量傳感器工作時(shí)，被測(cè)量的變化將使磁心產(chǎn)生位移，的變化將使磁心產(chǎn)生位移，引起磁鏈和互感系數(shù)的變化，引起磁鏈和互感系數(shù)的變化，最終使輸出電

4、壓變化。最終使輸出電壓變化。設(shè)磁芯上繞制線圈N1，N2，線圈N1通入電流I1，在線圈N1中產(chǎn)生磁通 ，部分磁通 通過N2 ，在線圈N2中產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)e1112dtIMddtNddtdE/ )(/112212再設(shè)tjeII11.011/()UEj M U Rj L 輸出電壓：輸出電壓有效值22011/()UMURL那么1IMjEtjeIjdtId11/又因?yàn)?/(111LjRUI第二節(jié) 電感計(jì)算及特性分析（一自感計(jì)算及特性分析1.氣隙式自感傳感器它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片制成, 在鐵芯和銜鐵之間有氣隙, 氣隙厚度為, 傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。可確定測(cè)出xL

5、ZLRxm)(202NSL為折合氣隙2/ )/(0iiiSlS由上式可知L與 的關(guān)系為雙曲線。設(shè)初始值分別為 與L0（1氣隙減小 自感增加001L那么)11()()(22/)(2/0000000020020021LLSNSNSNL由 和 的關(guān)系可知，L與 的關(guān)系是非線性的。展開得L001 LL.)()(1 200001LL忽略高次項(xiàng)得（2氣隙增加 自感減小0L)11()()(22/)(2/0000000020020022LLSNSNSNL按級(jí)數(shù)展開得.)()(1 200002LL同樣忽略高次項(xiàng)得002 LL可見，在不考慮非線性誤差的情況下氣隙增加和減小時(shí)，電感的變化量相同的。令 ，那么 0 x

6、0LLy)1/(xxy（3特性分析即00 LL0001LLK此時(shí)，傳感器的靈敏度為 氣隙型自感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾, 所以變隙式電感式傳感器用于測(cè)量微小位移時(shí)是比較精確的。為了減小非線性誤差, 提高靈敏度，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變氣隙式電感傳感器。 非線性誤差為0)1/(xxy顯然用y = x 替代誤差較大，用代替產(chǎn)生的誤差較小。要求，在最大量程xM處產(chǎn)生的誤差和x1處產(chǎn)生得誤差相等。即xy)1 (Myy10 xxxy)1 (1下面求解x1和 及xM：因?yàn)閯t根據(jù)0| )1 ()1 (112xxxdxyd得1/111x4/21y進(jìn)一步求解得因?yàn)橐驧yy1所以有4/)1 (12

7、MMMMxxxy得 1)1/()2(2MMMxxx上式表明，在確定傳感器測(cè)量量程后，即可確定線性化直線中系數(shù) 。或根據(jù) 的值，則可以確定傳感器的量程。也可以找出x1點(diǎn)的位置。其非線性誤差為)1 ()1 ()1 (/MMMMMMMxxxxxyy)41431 (2223)1/()2(223)1(1)1/()2(211222MMMMMMMMMMMMMMxxxxxxxxxxxxxx即忽略高次項(xiàng)求解得223Mx由上式可知，根據(jù)給定得測(cè)量量程可以確定其非線性誤差，也可以根據(jù)其 給定得非線性誤差大小確定測(cè)量量程得大小。 2 、差動(dòng)自感傳感器差動(dòng)式的與單線圈的相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：線性好；靈敏度提高一倍，即銜鐵位

8、移相同時(shí)輸出信號(hào)大一倍；溫度變化、電源被動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，由于能相互抵消而減小，電磁吸力對(duì)測(cè)力變化的影響也由于能相互抵消而減小。（1構(gòu)造 差動(dòng)氣隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈、和磁路組成, 測(cè)量時(shí), 銜鐵通過導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連, 當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí), 導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng), 使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等, 方向相反的變化, 導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加, 另一個(gè)線圈的電感量減小, 形成差動(dòng)形式。氣隙型差動(dòng)傳感器截面型差動(dòng)傳感器差動(dòng)電感傳感器原理圖 1212121210121212201012121220000LLZZIIILLZZIIILLZZIII 銜鐵處于

9、中間位置銜鐵上移銜鐵下移（2原理 兩個(gè)電感線圈分別接在交流電橋相臨橋臂上，另外兩個(gè)橋臂為變壓器副邊。變壓器原邊加激勵(lì)e1，副邊感應(yīng)電壓為e21、 e22。 此電路輸入輸出為交流電，只能判斷位移大小，無法判斷位移方向，若能辨向需加相敏整流電路。（3差動(dòng)電感傳感器靈敏度差動(dòng)電感傳感器靈敏度.)()()(1 302000101LLLL銜鐵上移42002130200020212.)()()(1 LLLLLLLL差動(dòng)輸出結(jié)論：結(jié)論：差動(dòng)式為簡(jiǎn)單式電感傳感器靈敏度的差動(dòng)式為簡(jiǎn)單式電感傳感器靈敏度的2倍。非倍。非線性誤差也得到了減小。線性誤差也得到了減小。0002LLK002LL忽略高次項(xiàng)得則傳感器靈敏度為

10、非線性誤差為23、差動(dòng)螺管型自感傳感器、差動(dòng)螺管型自感傳感器兩線圈裝在圓筒形鐵心(又稱磁筒)2中，上下兩端各有圓蓋1和4，線圈中置入圓柱形銜鐵(又稱磁芯)3。工作時(shí)磁芯將改變它在線圈中的上下位置，也就改變了線圈的自感量。3000001/(6/)3ZsttLLLLtt三種類型比較：氣隙型自感傳感器靈敏度高，三種類型比較：氣隙型自感傳感器靈敏度高，它的主要缺點(diǎn)是：非線性嚴(yán)重，為了限制線它的主要缺點(diǎn)是：非線性嚴(yán)重，為了限制線性誤差，示值范圍只能較小；它的自由行程性誤差，示值范圍只能較小；它的自由行程小，因?yàn)殂曡F在運(yùn)動(dòng)方向上受鐵心限制，制小，因?yàn)殂曡F在運(yùn)動(dòng)方向上受鐵心限制，制造裝配困難。截面型自感傳感

11、器靈敏度較低，造裝配困難。截面型自感傳感器靈敏度較低，截面型的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的線性，因而示但截面型的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的線性，因而示但范圍可取大些。螺管型自感傳感器的靈敏度范圍可取大些。螺管型自感傳感器的靈敏度比截而型的更低，但示值范圍大，線性也較比截而型的更低，但示值范圍大，線性也較好，得到廣泛應(yīng)用。好，得到廣泛應(yīng)用。（二互感計(jì)算及特性分析（二互感計(jì)算及特性分析差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, 有變隙式、變面積式和螺線管式等, 但其工作原理基本一樣。差動(dòng)變壓器線圈的各種排列形式 一次線圈加交流激勵(lì)，兩個(gè)二次線圈對(duì)稱差動(dòng)連接。被測(cè)量帶動(dòng)銜鐵上下移動(dòng)。它由初級(jí)線圈, 兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等

12、組成。 差動(dòng)變壓器為開磁路，一次與二次線圈之間的互感隨著銜鐵的位移而變化。差動(dòng)變壓器等效電路圖特性分析特性分析 根據(jù)差動(dòng)變壓器等效電路，當(dāng)次級(jí)開路時(shí)一次線根據(jù)差動(dòng)變壓器等效電路，當(dāng)次級(jí)開路時(shí)一次線圈圈 111UIrj L二次線圈由于互感產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)為空載輸出電壓為1220211()abjMMUUEErj L .12aaEj M I .21bbEj M I 輸出電壓的有效值為1202211()()MM UUrL(1) 活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí) M1=M2=M U2=0(2) 活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí) M1=M+M M2=MM00222112,()aMUUU ErL同相。下面分三種情況進(jìn)行分析。(3)

13、活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)M1=M M M2=M+M100222112,()aMUUUErL與反向。第三節(jié) 轉(zhuǎn)換電路和傳感器的靈敏度 傳感器實(shí)現(xiàn)了把被測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)樽愿泻突ジ辛康淖兓绾螌㈦姼兄惦S外作用的變化轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)，這是本節(jié)研究的內(nèi)容。原則上講可將自感的變化轉(zhuǎn)換成電壓電流的幅值、頻率、相位的變化，它們分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。 如何將電感值隨外作用的變化轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)，這是本節(jié)研究的內(nèi)容。 差動(dòng)變壓器的三種轉(zhuǎn)換電路 1. 變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋測(cè)量電路如圖所示, 電橋兩臂Z1、 Z2為傳感器線圈阻抗, 另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的 1/2 阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí),

14、橋路輸出電壓1120121222Z UZZUUUZZZZ 當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置, 即Z1= Z2=Z時(shí)有=0, 電橋平衡。 0U當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí), 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此時(shí)022UZULUZL 當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí), 則Z1=ZZ, Z2=Z+Z 此時(shí)從以上兩式可知, 銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí), 輸出電壓的大小相等, 但方向相反, 由于 是交流電壓, 輸出指示無法判斷位移方向, 必須配合相敏檢波電路來解決。 022UZULUZL 0U實(shí)際應(yīng)用中，電感式傳感器的阻抗變化Z為純損耗電阻變化R及感抗變化L ，那么LjRZ22222222222)()()(221)(221LRLLRR

15、ZLRLLRRLLRLRLRRLLZRRZdZ即幅值為22)( LRZ求其全微分電感線圈品質(zhì)因數(shù)QRL/因而，輸出電壓為)1()/11 (2)()1 (2)()()(222222222220LLRRQQuLLQRRQuLLLRLRRLRRuU假設(shè) 非常小時(shí)，可以忽略，那么RR/LLQuU)/11 (220假如，傳感器設(shè)計(jì)成 ，或Q值較大，那么LLRR/LLuU202. 諧振式測(cè)量電路諧振式測(cè)量電路定頻調(diào)幅電路定頻調(diào)幅電路 在調(diào)幅電路中, 傳感器電感L與電容C, 變壓器原邊串聯(lián)在一起, 接入交流電源, 變壓器副邊將有電壓 輸出, 輸出電壓的頻率與電源頻率相同, 而幅值隨著電感L而變化, 圖 （b

16、所示為輸出電壓 與電感L的關(guān)系曲線, 其中L0為諧振點(diǎn)的電感值,串聯(lián)諧振時(shí)，LC輸出阻抗最小，輸出電壓最大。0U0U此電路靈敏度很高, 但線性差, 適用于線性要求不高的場(chǎng)合。被測(cè)量引起電感變化，LC阻抗增大，變壓器副邊輸出電壓減小。LCf21諧振式調(diào)頻電路諧振式調(diào)頻電路調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率的變化。 一般是把傳感器電感L和電容C接入一個(gè)振蕩回路中, 其振蕩頻率 。 當(dāng)L變化時(shí), 振蕩頻率隨之變化, 根據(jù)f的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。圖b表示f與L的特性, 它具有明顯的非線性關(guān)系。 LCf211/2fLC對(duì) f 求導(dǎo)3()211()()22dfLCCdL114dlL

17、LC2fLL 調(diào)頻電路只有在 f 較大的情況下才能達(dá)到較高的精度。調(diào)相電路的基本原理是傳感器電感變化將引起輸出電壓相位變化調(diào)相電路調(diào)相電路上圖為相位電橋，一臂為傳感器L，另一臂為固定電阻R， 電感線圈與固定電阻上壓降是兩個(gè)相互垂直的向量當(dāng)電感L變化時(shí)，輸出電壓幅值不變，相位角 隨之變化。 與 L 的 關(guān)系為：2arctan(/)L R 為電源角頻率當(dāng)L有了微小變化， 求得輸出電壓相位變化為22(/)1 (/)L RLL RL2220)()(2222LRLjRULjRLjRUUULjRRUdLd 差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓, 只能反映銜鐵位移的大小, 而不能反映移動(dòng)方向。另外, 其測(cè)量值中將包含

18、零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電壓的目的, 實(shí)際測(cè)量時(shí), 常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。相敏檢波電路（1分析電路的辨向過程。（2說明電路的作用。+_xttu調(diào)幅波位移波設(shè)：位移為正弦波txxmsin差動(dòng)變壓器輸出為1212)(IMMjE零位上下，次級(jí)輸出相位有180o變化，因此可以通過判別相位變化來判別位移得極性。yUU0 條件：（1二極管為理想開關(guān)；（2） ，且正位移時(shí)，同頻同相，負(fù)位移時(shí)，同頻反相。具體分析具體分析1銜鐵在零位以上移動(dòng)時(shí)，x(t)0 載波信號(hào)在上半周(0 )yUU與0同頻同相A：U1上正下負(fù)，U2上正下負(fù)；B：U01左正右負(fù)，U02左正右負(fù)。此時(shí)，

19、二極管D1、D4截止，D2、D3導(dǎo)通對(duì)于D2回路有： 對(duì)于D3回路有：+-U01Rfi2RD2-+U2ffRRUUiRi20122從下向上流過+-U02Rfi3RD2-+U2ffRRUUiRi20233從上向下流過通常：U1U2，U01U02因而：i2 i3if i2 i3 0，方向：電流自下向上，設(shè)為正向電壓 為正。yU 載波信號(hào)為下半周(2 )A：U1上負(fù)下正，U2上負(fù)下正；B：U01左負(fù)右正，U02左負(fù)右正。此時(shí)，二極管D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止對(duì)于D1回路有： 對(duì)于D4回路有：+-U01Rfi1RD1-+U1+-U02Rfi4RD4-+U1ffRRUUiRi10111從上向下流過f

20、fRRUUiRi10244從下向上流過因而：i4 i1if i4 i1 0，方向：電流自下向上，為正向電壓 為正。yU 2銜鐵在零位以下移動(dòng)時(shí)，x(t) i2if i3 i2 0，方向：電流自上向下，為反向電壓 為負(fù)。yU 載波信號(hào)為上半周(2 )同理可得：A：U1上正下負(fù)，U2上正下負(fù)；B：U01左負(fù)右正，U02左負(fù)右正。此時(shí)，二極管D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止對(duì)于D1回路有： 對(duì)于D4回路有：ffRRUUiRi10111從上向下流過ffRRUUiRi10244從下向上流過因而：i1 i4if i1 i4 0，方向：電流自上向下，為反向電壓 為負(fù)。yU 結(jié)論：銜鐵在零位以上移動(dòng)時(shí)，不論載波

21、信號(hào)時(shí)正半周還是負(fù)半周，負(fù)載上電壓始終為正。(2) 銜鐵在零位以下移動(dòng)時(shí)，不論載波信號(hào)時(shí)正半周還是負(fù)半周，負(fù)載上電壓始終為負(fù)。（2U0的大小反映位移的大小，U0的極性反映位移的方向。消除零點(diǎn)殘余電壓使x=0時(shí)，U0=0。 差動(dòng)整流電路將兩個(gè)二次線圈輸出電壓分別整流，再差動(dòng)輸出。不論銜鐵位置如何，電流方向總是從a到b，c到d輸出UUaUcUabUdc零位以上時(shí):UabUcdUo零位以下時(shí): 零位時(shí):結(jié)論：當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)：電壓輸出為正當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)：電壓輸出為負(fù)當(dāng)銜鐵在零位時(shí)：電壓輸出為零UabUcdUoUabUcdUo以調(diào)幅電路為例討論自感傳感器的靈敏以調(diào)幅電路為例討論自感傳感器的靈敏度

22、度自感傳感器的靈敏度是指?jìng)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)(測(cè)頭)和轉(zhuǎn)換電路綜合在一起的總靈敏度。傳感器結(jié)構(gòu)的靈敏度 定義為電感值相對(duì)變化與引起這一變化的銜鐵位移之比，tk(/ )/tkL Lx 轉(zhuǎn)換電路的靈敏度 定義為空載輸出電壓 與電感相對(duì)變化之比，即ck0u0/(/ )ckuL L總靈敏度為：0/ztckk kux假定采用了氣隙型傳感器00/LL 那么01/tk采用變壓器電橋轉(zhuǎn)換電路2022()2()uLLuRLL22(1 1/)uLQL可得222()() 2cLukRL總靈敏度為22201()() 2zLukRL 可見傳感器總靈敏度是三項(xiàng)的乘積，第一項(xiàng)決定于傳感器的類型，第二項(xiàng)決定于轉(zhuǎn)換電路的形式，第三項(xiàng)決定

23、于供電電壓的大小。傳感器類型和轉(zhuǎn)換電路不同，靈敏度表達(dá)式也就不同。供電電壓u要求穩(wěn)定，因?yàn)樗鼘⒅苯有雾憘鞲衅鬏敵鲂盘?hào)的穩(wěn)定。差動(dòng)變壓器的轉(zhuǎn)換電路差動(dòng)變壓器的轉(zhuǎn)換電路1.反串電路：反串電路：直接把兩個(gè)次直接把兩個(gè)次級(jí)線圈反向串級(jí)線圈反向串接，空載輸出接，空載輸出電壓為兩個(gè)次電壓為兩個(gè)次級(jí)線圈的電動(dòng)級(jí)線圈的電動(dòng)勢(shì)之差。勢(shì)之差。.022abUEE2.橋路轉(zhuǎn)換電路橋路轉(zhuǎn)換電路12RR和是橋臂電阻，RP為調(diào)零電位器，設(shè)12RR和相等，輸出電壓：.2202abbEEUE212（）RR +R.22()/2abEE優(yōu)點(diǎn)：利用優(yōu)點(diǎn)：利用RP調(diào)零，不需另外配置調(diào)零電路調(diào)零，不需另外配置調(diào)零電路 第四節(jié) 零點(diǎn)殘余電

24、壓 差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓 , 它的存在使傳感器的輸出特性不過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。 零殘電壓的波形及組成：由基波和高次諧波組成零殘電壓的波形及組成：由基波和高次諧波組成造成零殘電壓的原因：造成零殘電壓的原因：兩電感線圈的等效參數(shù)不對(duì)稱兩電感線圈的等效參數(shù)不對(duì)稱零殘電壓零殘電壓012sin()/2zeU減小零殘電壓措施：減小零殘電壓措施：1.在設(shè)計(jì)和制造上采取相應(yīng)措施：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)和制造上采取相應(yīng)措施：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使上、下磁路對(duì)稱；制造時(shí)應(yīng)使上、下磁性使上、下磁路對(duì)稱；制造時(shí)應(yīng)使上、下磁性材料特性一致；匝間電容，其值較小材料特性一致；匝間電容，其值較小2

25、.電路補(bǔ)償：加串連電阻；加并聯(lián)電阻；加電路補(bǔ)償：加串連電阻；加并聯(lián)電阻；加并聯(lián)電容；加反饋繞組或反饋電容并聯(lián)電容；加反饋繞組或反饋電容零殘電壓調(diào)整方法零殘電壓調(diào)整方法補(bǔ)償零殘電壓的電路補(bǔ)償零殘電壓的電路第五節(jié) 應(yīng)用舉例 差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于位移測(cè)量, 也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量, 如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、張力和厚度等。壓力傳感器壓力傳感器 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器由懸臂梁 1 和差動(dòng)變壓器 2 構(gòu)成。測(cè)量時(shí), 將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固定, 而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連。 當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以x(t)振動(dòng)時(shí), 導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。 一、 工作原理)

26、,(bIdFZ 線圈的阻抗變化與渦流效應(yīng)的強(qiáng)弱有關(guān)，即與金屬導(dǎo)體的電阻率，磁導(dǎo)率，線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離，激磁電流和電流角頻率以及線圈的尺寸參數(shù)有關(guān)。 第六節(jié)第六節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 傳感器線圈和被測(cè)導(dǎo)體組成線圈導(dǎo)體系統(tǒng)，工作時(shí)線圈的電感和電阻均發(fā)生變化，進(jìn)而使有效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。渦流存在的條件：渦流存在的條件：存在交變磁場(chǎng)存在交變磁場(chǎng)導(dǎo)電導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中體處于交變磁場(chǎng)中 應(yīng)用：對(duì)位移、厚度、材料損傷等進(jìn)行應(yīng)用：對(duì)位移、厚度、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量。非接觸式連續(xù)測(cè)量。 線圈與導(dǎo)體之間的互感隨著兩者的靠近而增大。線圈兩端加

27、激勵(lì)電壓，根據(jù)KVL定律，分列線圈和導(dǎo)體的回路方程如下。二、等效電路分析二、等效電路分析1112122221RIj L Ij M IUR Ij L Ij M I式中: 線圈激磁電流角頻率; R1、L1線圈電阻和電感; L2短路環(huán)等效電感; R2短路環(huán)等效電阻。112222121222222222()()UIMMRRjLLRLRL22222221222222211)()(LLRMLjRLRMRIUZ22 12 1222222ML Ij MR IIRL由 的表達(dá)式可知線圈受金屬導(dǎo)體影響后的等效阻抗為1IeqeqLjR可見：有導(dǎo)體影響后，線圈阻抗的實(shí)數(shù)部分等效電阻增加；而虛數(shù)部分等效電感減小，這樣使

28、線圈阻抗發(fā)生了改變，這種作用稱為反射阻抗作用。因而，電渦流傳感器的工作原理，實(shí)質(zhì)上是由于受到交變磁場(chǎng)作用的導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流起到調(diào)節(jié)原來阻抗作用的結(jié)果。為了同時(shí)研究阻抗實(shí)、虛兩部分的作用,常用品質(zhì)因數(shù)來表示。根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的定義，線圈受被測(cè)金屬體影響后的 值為:Q22222221222212222122212122222222212211LMMLLL RLRLLQMRRMRRRLR RL222222122122222212211LML RLQRMR RL1Q為無渦流影響時(shí)線圈的Q值為金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流的圓環(huán)部分的阻抗2Z22221222221211/1ZMRRZMLLQ 被測(cè)參數(shù)變化，引起線圈阻

29、抗Z、電感L、和線圈Q值的變化。選用不同轉(zhuǎn)換電路將Z、L、Q轉(zhuǎn)換成電量，達(dá)到測(cè)量目的。傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為 如果保持大部分參數(shù)不變, Z成為X的單值函數(shù)，由Z可知X，因此可以做成渦流式位移傳感器。 ( , ,)Zfx 三、參數(shù)計(jì)算與分析1.渦流損耗功率：金屬導(dǎo)體具有電阻，有渦流損耗功率：金屬導(dǎo)體具有電阻，有渦流流通時(shí)便會(huì)消耗一部分電磁能量。渦流流通時(shí)便會(huì)消耗一部分電磁能量。渦流引起的能量損耗，稱為渦流損耗，渦流引起的能量損耗，稱為渦流損耗，其大小用渦流損耗功率其大小用渦流損耗功率 表示。表示。ePh為渦流貫穿深度；r0、ri為渦流形成范圍的外、內(nèi)半徑。 取一單元，

30、半徑r，厚度dr，周長(zhǎng)l2r2/edPERRE回路單元電阻（ ， l2r ，S=hdr）渦流回路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值感應(yīng)電動(dòng)式 2dr dBedtdt sinmBBt因?yàn)?cosmerBt 代入上式得：此單元渦流損耗功率為Sl2/2mErB02440()16irmeeirB hPdPrr因此渦流回路處感應(yīng)電勢(shì)有效值為 由上式可知，電渦流損耗功率的大小與工作頻率，磁感應(yīng)強(qiáng)度，電阻率和電渦流的形成范圍有關(guān)。工作頻率應(yīng)選大些，這樣雖然渦流損耗功率大，但渦流效應(yīng)強(qiáng)，位移測(cè)量靈敏度高。 drrhBhdrrBrREdPmme322222422/)(/2由2LrRShdr和 E 得2線圈軸上磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈軸上磁

31、感應(yīng)強(qiáng)度圓環(huán)形單匝載流導(dǎo)線在軸上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度201223/22 ()xIrBxr通過截面dxdy的電流為21()INidxdyrr bN線圈匝數(shù)r1, r2, b線圈內(nèi)、外徑半徑和厚度該電流在軸上距線圈端面該電流在軸上距線圈端面x處處(即坐標(biāo)即坐標(biāo)原點(diǎn)原點(diǎn))所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:2022 3/22 ()xiydBxy20223/2212() ()INyrr b xy整個(gè)線圈在此處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為2120223/2212()()rx bxxrxINdxBdBy dyrr bxyxBx特性曲線特性曲線結(jié)論：線圈外徑對(duì)軸上磁場(chǎng)分布范圍和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化梯度的影響較大，其他兩個(gè)

32、參數(shù)的影響較小。外徑越大，線性范圍越大，但靈敏度越低。外徑越小，靈敏度越高，線性范圍越小。須綜合選擇。3渦流分布渦流分布渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)，在徑向也只在一個(gè)有限的范圍內(nèi)存在渦流，所以實(shí)際上存在一個(gè)渦流區(qū)。渦流密度的徑向和軸向分布由于趨膚效應(yīng), 電渦流沿金屬導(dǎo)體縱向的H1分布是不均勻的, 其分布按指數(shù)規(guī)律衰減, 可用下式表示： 式中: z金屬導(dǎo)體中某一點(diǎn)至表面的距離; Jz沿H1軸向d處的電渦流密度; J0金屬導(dǎo)體表面電渦流密度, 即電渦流密度最大值; h電渦流軸向貫穿深度趨膚深度）。z0J =J exp(z/h)/(0fhr由其貫穿深度可知，頻率越低貫穿深度越大，因此在測(cè)量金屬厚

33、度時(shí)采用較低頻率激勵(lì)電源。 當(dāng)位移發(fā)生變化時(shí)，直接檢測(cè)線圈的阻抗值的變化。通常采用電橋法測(cè)量 振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過功率放大器放大后送給交流電橋，當(dāng)位移發(fā)生變化時(shí)，將使線圈阻抗變化，從而破壞電橋平衡，電橋不平衡電壓信號(hào)輸出，經(jīng)過放大、檢波以后，其輸出信號(hào)就反映了被測(cè)量的變化。 電渦流傳感器的測(cè)量電路交流電橋測(cè)量電路交流電橋測(cè)量電路正反饋法正反饋法石英振蕩器檢波放大ZrZsD輸出UUAZ電渦流傳感器的設(shè)計(jì) 探頭的設(shè)計(jì) 1線圈1 2框架 3線圈2 4支架 5電纜 6插頭 低頻透射式渦流厚度傳感器低頻透射式渦流厚度傳感器渦流傳感器應(yīng)用實(shí)例渦流傳感器應(yīng)用實(shí)例高頻反射式渦流厚度傳感器高頻反射式渦流

34、厚度傳感器在帶材的上、下兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)置了兩個(gè)特性完全相同的渦流傳感器S1、S2 。 S1、 S2與被測(cè)帶材表面之間的距離分別為x1和x2。 x1和x2由渦流傳感器測(cè)出，經(jīng)調(diào)理電路變?yōu)閷?duì)應(yīng)的電壓值，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器，變?yōu)閿?shù)字量，送入單片機(jī)。單片機(jī)分別算出x1和x2值，然后由公式d=D(x1+ x2)計(jì)算出板厚。D值由鍵盤設(shè)定。板厚值送顯示器顯示。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽, 在距輸入表面在距輸入表面d0 處設(shè)置電渦流傳感器處設(shè)置電渦流傳感器, 輸入軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連。輸入軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，電渦流傳

35、感器便周期地輸出電信號(hào)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，電渦流傳感器便周期地輸出電信號(hào)，此電壓脈沖信號(hào)經(jīng)放大、整形，用頻率計(jì)測(cè)出頻率，由公式此電壓脈沖信號(hào)經(jīng)放大、整形，用頻率計(jì)測(cè)出頻率，由公式計(jì)算出軸的轉(zhuǎn)速。計(jì)算出軸的轉(zhuǎn)速。min)/(60 rNfn第七節(jié) 壓磁式傳感器一、壓磁效應(yīng) 鐵磁材料在外力的作用下，引起內(nèi)部發(fā)生形變，產(chǎn)生應(yīng)力，使各磁疇之間的界限發(fā)生移動(dòng)，使磁疇磁化強(qiáng)度矢量轉(zhuǎn)動(dòng)，從而也使材料的磁化強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)的變化。這種應(yīng)力使鐵磁材料的磁性質(zhì)變化的現(xiàn)象，稱為壓磁效應(yīng)。鐵磁材料的壓磁效應(yīng)的具體內(nèi)容為：材料受到壓力時(shí)，磁導(dǎo)率發(fā)生變化；作用力取消后，磁導(dǎo)率復(fù)原；鐵磁材料的壓磁效應(yīng)還與外磁場(chǎng)有關(guān)。結(jié)構(gòu)舉例由壓磁

36、元件1、彈性支架2、傳力鋼球3組成二、工作原理 鐵磁材料在受外力時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，引起磁導(dǎo)率變化。當(dāng)鐵磁材料上繞有線圈時(shí)，將引起線圈阻抗變化。當(dāng)鐵磁材料上同時(shí)繞有激勵(lì)繞組和輸出繞組時(shí)，磁導(dǎo)率的變化將導(dǎo)致繞組間耦合系數(shù)變化從而使輸出電勢(shì)變化。這樣就把作用力變換成電量輸出。壓磁式傳感器工作原理三、壓磁元件 壓磁式傳感器的核心部分是壓磁元件，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)力電變換元件。(一)資料 壓磁元件可采用硅鋼片、坡莫合金和一些鐵氧體。(二)沖片形狀 為了減小渦流損耗，壓磁元件的鐵芯大都采用簿片的鐵磁材料疊合而成。(三)激勵(lì)安匝數(shù)的選擇 最佳條件是外加作用力所產(chǎn)生的磁能與外磁場(chǎng)及磁疇磁能之和接近相等，而且工作在

37、磁化曲線(BH曲線)的線性段，這樣可以獲得較好的靈敏度和線性度。通常在額定壓力下，磁導(dǎo)率的變化大約是10一20。四、測(cè)量電路 壓磁式傳感器的輸出繞組輸出電壓值比較大，因此一般不需要放大，只要通過整流、濾波，即可送指示器指示。U為穩(wěn)定的交流電源，T1為供給壓磁元件B的激勵(lì)繞組的激勵(lì)電壓的降壓變壓器。T2為升壓變壓器，其作用是為了把從壓磁元件B輸出的電壓提高到可作為有效的線性整流用的高度。A部分是補(bǔ)償電路用來補(bǔ)償零點(diǎn)電壓。通過濾波器F1，濾去高次諧波，再經(jīng)V整流，然后用濾波器F2。消除紋波。五、壓磁式傳感器的應(yīng)用 壓磁式傳感器的優(yōu)點(diǎn)使它很適合在重工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等部門應(yīng)用。 用來測(cè)量軋鋼的軋制力、鋼

38、帶的張力、紙張的張力，吊車提物的自動(dòng)稱量、配料的稱量、金屬切削過程的切削力以及電梯安全保護(hù)等。第九節(jié)第九節(jié) 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器1定義 感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨相對(duì)位置不同而變化的原理, 將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的。 它是一種測(cè)量位移的平面變壓器式位移 數(shù)字傳感器。2、結(jié)構(gòu)與工作原理線位移感應(yīng)同步器）長(zhǎng)感應(yīng)同步器示意圖定尺滑尺 長(zhǎng)感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，圓感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，在轉(zhuǎn)子和定尺上的是連續(xù)繞組, 在轉(zhuǎn)尺和定子上的則是分段繞組，相當(dāng)于變壓器的一次線圈和二次線圈。分段繞組分為兩組, 在空間相差90o相角, 故又稱為正、余弦繞組。 工作時(shí)滑尺在定尺上滑動(dòng)，在滑

39、尺正、余弦繞組上通以交流激勵(lì)電壓，由于電磁耦合，在定尺繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 該電動(dòng)勢(shì)隨定尺與滑尺或轉(zhuǎn)子與定子的相對(duì)位置不同呈正弦、 余弦函數(shù)變化，再通過對(duì)此信號(hào)的檢測(cè)處理，便可測(cè)量出直線或轉(zhuǎn)角的位移量。感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)具有效高的精度 ，與分辨力 ；抗干擾能力強(qiáng)；使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單；可以作長(zhǎng)距離位移測(cè)量；工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。被廣泛地應(yīng)用于大位移靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)量中。m5 . 1m05. 02 2、工作原理、工作原理通電流的矩形線圈中的磁場(chǎng)分布實(shí)際中，矩形波由基波、三次諧波、五次諧波組成。這里只討論基波分量，磁感應(yīng)強(qiáng)度 為余弦變化，幅值與電流 成正比。 )(BtIimsin)/cos(s