1傳感器與檢測技術

同濟大學電子與信息工程學院控制科學與工程系主講教師：蘇永清二、差動變壓器（一）結構原理與等效電路分氣隙型和差動變壓器兩種。目前多采用螺管型差動變壓器。1初級線圈;2.3次級線圈;4銜鐵1243123(a)氣隙型(b)螺管型其基本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊，而次級線圈由結構尺寸和參數相同的兩個線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。螺管形差動變壓器根據初、次級排列不同有二節式、三節式、四節式和五節式等形式。321212112(a)(b)(c)(d)12112差動變壓器線圈各種排列形式1初級線圈；2次級線圈；3銜鐵3三節式的零點電位較小，二節式比三節式靈敏度高、線性范圍大，四節式和五節式改善了傳感器線性度。在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動變壓器的等效電路如圖。初級線圈的復數電流值為～～～e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1

e1初級線圈激勵電壓L1,R1初級線圈電感和電阻M1,M1分別為初級與次級線圈1,2間的互感L21,L22兩個次級線圈的電感R21,R22兩個次級線圈的電阻I1ω—激勵電壓的角頻率；

e1—激勵電壓的復數值；由于Il的存在，在次級線圈中產生磁通Rm1及Rm2分別為磁通通過初級線圈及兩個次級線圈的磁阻，N1為初級線圈匝數。N2為次級線圈匝數。因此空載輸出電壓在次級線圈中感應出電壓e21和e22，其值分別為其幅數輸出阻抗或副Ⅰ0e2e2e21e22x副Ⅱ原線圈差動變壓器輸出電勢e2與銜鐵位移x的關系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。

（二）

誤差因素分析1、激勵電壓幅值與頻率的影響激勵電源電壓幅值的波動，會使線圈激勵磁場的磁通發生變化，直接影響輸出電勢。而頻率的波動，只要適當地選擇頻率，其影響不大。2、溫度變化的影響周圍環境溫度的變化，引起線圈及導磁體磁導率的變化，從而使線圈磁場發生變化產生溫度漂移。當線圈品質因數較低時，影響更為嚴重，因此，采用恒流源激勵比恒壓源激勵有利。適當提高線圈品質因數并采用差動電橋可以減少溫度的影響。

3、零點殘余電壓當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，當使用橋式電路時，在零點仍有一個微小的電壓值(從零點幾mV到數十mV)存在，稱為零點殘余電壓。如圖是擴大了的零點殘余電壓的輸出特性。零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區；零點殘余電壓輸入放大器內會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。

0e2x-xe201基波正交分量2基波同相分量3二次諧波4三次諧波5電磁干擾ee1e20e2012345(a)殘余電壓的波形(b)波形分析tt圖中e1為差動變壓器初級的激勵電壓，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。

零點殘余電壓產生原因：①基波分量。由于差動變壓器兩個次級繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個次級繞組的感應電勢數值不等。又因初級線圈中銅損電阻及導磁材料的鐵損和材質的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產生的磁通相位不同。

②高次諧波。高次諧波分量主要由導磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致產生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級繞組感應出非正弦電勢。另外，激勵電流波形失真，因其內含高次諧波分量，這樣也將導致零點殘余電壓中有高次諧波成分。

消除零點殘余電壓方法：1．從設計和工藝上保證結構對稱性為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調節結構。其次，應選高磁導率、低矯頑力、低剩磁感應的導磁材料。并應經過熱處理，消除殘余應力，以提高磁性能的均勻性和穩定性。由高次諧波產生的因素可知，磁路工作點應選在磁化曲線的線性段。

2．選用合適的測量線路

采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到2，從而消除了零點殘余電壓。e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性3．采用補償線路①由于兩個次級線圈感應電壓相位不同，并聯電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發生變化，從而改變磁化曲線的工作點，減小高次諧波所產生的殘余電壓。圖(b)中串聯電阻R可以調整次級線圈的電阻分量。

～e1e2CR～e1e2CR(a)(b)調相位式殘余電壓補償電路②并聯電位器W用于電氣調零，改變兩次級線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02μF)可防止調整電位器時使零點移動。～e1e2CR1R2W電位器調零點殘余電壓補償電路R或L補償電路～e1e2L0W～e1e2R0W(a)(b)③接入R0(幾百kΩ)或補償線圈L0(幾百匝)。繞在差動變壓器的初級線圈上以減小負載電壓，避免負載不是純電阻而引起較大的零點殘余電壓。電路如圖。

（三）測量電路差動變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向，因此常采用差動整流電路和相敏檢波電路進行測量。1、差動整流電路根據半導體二級管單向導通原理進行解調的。如傳感器的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性，在f點為“＋”，e點為“–”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點為“–”，e點為“＋”，則電流路徑是ehdcgf。可見，無論次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，通過電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個次級線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見圖（b），其值為USC=eab＋ecd。

全波整流電路和波形圖～e1RRcabhgfdeUSC銜鐵在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd銜鐵在零位以上銜鐵在零位(b)(a)在f點為“＋”，則電流路徑是fgdche(參看圖a)。反之，如f點為“–”

，則電流路徑是ehdcgf。2、相敏檢波電路調節電位器R可調平衡，圖中電阻R1=R2=R0，電容C1=C2=C0，輸出電壓為UCD。當鐵芯在中間時,e=0,只有er起作用，輸出電壓UCD＝0。若鐵芯上移，e≠0，設e和er同相位，由于er>>e，故er正半周時D1、D2仍導通，但D1回路內總電勢為er＋e，而D2回路內總電勢為er－e，故回路電流i1＞i2輸出電壓UCD=R0（i1–i2）>0。當er負半周時，Ri1～e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4eUCD=R0(i4-i3)>0，因此鐵芯上移時輸出電壓UCD>0。當鐵芯下移時，e和er相位相反。同理可得UCD<0。由此可見，該電路能判別鐵芯移動的方向。

（四）應用測量振動、厚度、應變、壓力、加速度等各種物理量。1.差動變壓器式加速度傳感器用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結果。可測量的振幅為(0.1～5)mm，振動頻率為(0～150)Hz。

穩壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)(a)～220V加速度a方向a輸出1211彈性支承2差動變壓器2.微壓力變送器將差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結合，可以組成各種形式的壓力傳感器。～220VV振蕩器穩壓電源差動變壓器相敏檢波電路這種變送器可分檔測量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號電壓為(0～50)mV，精度為1.5級。

三、電渦流式傳感器當導體置于交變磁場或在磁場中運動時，導體上引起感生電流ie，此電流在導體內閉合，稱為渦流。渦流大小與導體電阻率ρ、磁導率μ以及產生交變磁場的線圈與被測體之間距離x，線圈激勵電流的頻率f有關。顯然磁場變化頻率愈高，渦流的集膚效應愈顯著。即渦流穿透深度愈小，其穿透深度h可表示

ρ—導體電阻率(Ω·cm)；μr—導體相對磁導率；

f—交變磁場頻率(Hz)。可見，渦流穿透深度h和激勵電流頻率f有關，所以渦流傳感器根據激勵頻率：高頻反射式或低頻透射式兩類。目前高頻反射式電渦流傳感器應用廣泛。

第一節電渦流傳感器工作原理電渦流效應演示

當電渦流線圈與金屬板的距離x減小時，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R增大。感抗XL的變化比R的變化大得多，流過電渦流線圈的電流i1增大。（一）

結構和工作原理主要由一個安置在框架上的扁平圓形線圈構成。此線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開一條槽溝，將導線繞在槽內。下圖為CZF1型渦流傳感器的結構原理，它采取將導線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內，形成線圈的結構方式。

1234561線圈2框架3襯套4支架5電纜6插頭iedM～ΦｎΦｉ電渦流傳感器原理圖傳感器線圈由高頻信號激勵，使它產生一個