第3章 電感式傳感器及其應(yīng)用

1、2021-7-11 本章學(xué)習(xí)本章學(xué)習(xí)自感式傳感器、差動(dòng)自感式傳感器、差動(dòng) 變壓器式傳感器和電渦流式傳感器變壓器式傳感器和電渦流式傳感器 的結(jié)構(gòu)、工作原理、測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、測(cè)量電路以及以及 它們的應(yīng)用。它們的應(yīng)用。 第第3 3章章 電感式傳感器及其應(yīng)用電感式傳感器及其應(yīng)用 2021-7-12 定義定義：利用利用電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換，將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換 成電磁線圈的成電磁線圈的自感或互感量自感或互感量變化的一種裝置。變化的一種裝置。 分類：分類： 按照轉(zhuǎn)換方式分類：按照轉(zhuǎn)換方式分類： 自感式；自感式； 互感式；互感式； 渦流式。渦流式。 按照結(jié)構(gòu)方式分類：按照結(jié)構(gòu)

2、方式分類： 變氣隙式；變氣隙式； 變截面式；變截面式； 螺線管式螺線管式。 2021-7-13 3.1 3.1 自感式傳感器自感式傳感器 先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)： 將一只接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接將一只接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接 到控制變壓器的到控制變壓器的36V36V交流電壓源上。這時(shí)毫安表交流電壓源上。這時(shí)毫安表 的示值約為幾十毫安。的示值約為幾十毫安。 用手慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心用手慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心( (稱為銜鐵稱為銜鐵) )往下往下 按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小逐漸減小。 當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí)，毫安當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間

3、的氣隙等于零時(shí)，毫安 表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。 2021-7-14 電感傳感器的基本工作電感傳感器的基本工作原理演示原理演示 F F 220V 接觸器線圈接觸器線圈 交流毫安表交流毫安表 控制變壓器控制變壓器 2021-7-15 電感傳感器的基本工作電感傳感器的基本工作原理演示原理演示 氣隙變小，電感變大，電流變小。氣隙變小，電感變大，電流變小。 F F 2021-7-16 自感式傳感器是利用自感量隨氣隙而改自感式傳感器是利用自感量隨氣隙而改 變的原理制成的，用來(lái)測(cè)量變的原理制成的，用來(lái)測(cè)量位移位移。 它主要由線圈、鐵心、銜鐵及測(cè)桿等組它主要由線圈、鐵心、銜鐵及測(cè)桿等組

4、 成。成。 2021-7-17 自感式電感傳感器常見的形式自感式電感傳感器常見的形式 變隙式變隙式 變截面式變截面式 螺線管式螺線管式 2021-7-18 一、工作一、工作原理原理 根據(jù)磁路的基本知識(shí)，線圈自感可按下式計(jì)算：根據(jù)磁路的基本知識(shí)，線圈自感可按下式計(jì)算： mR N L 2 = 當(dāng)不考慮磁路的鐵損且當(dāng)氣隙當(dāng)不考慮磁路的鐵損且當(dāng)氣隙較小時(shí)，則該磁路的較小時(shí)，則該磁路的 總磁阻：總磁阻： 00 2 AA l Rm = 上式的第一項(xiàng)為常數(shù)，且上式的第一項(xiàng)為常數(shù)，且氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻： 2021-7-19 電感量計(jì)算公式：電感量計(jì)算公式： 請(qǐng)分析

5、電感量請(qǐng)分析電感量L L與氣隙厚度與氣隙厚度 及氣隙的有效截面積及氣隙的有效截面積A A之間之間 的關(guān)系。的關(guān)系。 2 0 2 NA L N：線圈匝數(shù)；：線圈匝數(shù)； A：氣隙的有效截面積；：氣隙的有效截面積； 0 ：真空磁導(dǎo)率；：真空磁導(dǎo)率； ：氣隙厚度。氣隙厚度。 f f（ ， A ） A不變不變變氣隙型傳感器變氣隙型傳感器 不變不變變截面型傳感器變截面型傳感器 線圈中放入圓形銜鐵線圈中放入圓形銜鐵 可變自感可變自感 螺管型傳感器螺管型傳感器 2021-7-110 、變隙式電感傳感器、變隙式電感傳感器 傳感器截面積傳感器截面積A A保持不變，令磁路保持不變，令磁路氣隙厚度氣隙厚度 隨被測(cè)隨被

6、測(cè) 非電量而變，從而電感量發(fā)生變化。非電量而變，從而電感量發(fā)生變化。 電感量電感量L L與氣隙厚度與氣隙厚度 成反成反 比，線性度不好；比，線性度不好； 越小，越小， 靈敏度越高。靈敏度越高。變隙式自感式變隙式自感式 傳感器適用于測(cè)量傳感器適用于測(cè)量微小位移微小位移 場(chǎng)合。場(chǎng)合。 特性曲線特性曲線 2 0 2 NA L 2021-7-111 、變截面式電感傳感器、變截面式電感傳感器 傳感器氣隙厚度保持不變，令磁通傳感器氣隙厚度保持不變，令磁通截面積截面積A A隨被隨被 測(cè)非電量而變，從而電感量發(fā)生變化。測(cè)非電量而變，從而電感量發(fā)生變化。 2 0 2 NA L 變面積式自感傳感器在變面積式自感傳

7、感器在理想狀態(tài)理想狀態(tài)的條件下，輸入與輸出的條件下，輸入與輸出 呈線性關(guān)系，但由于有漏感等原因，其特性并非是線性的，呈線性關(guān)系，但由于有漏感等原因，其特性并非是線性的， 而且它的線性區(qū)較小。電感量而且它的線性區(qū)較小。電感量L L與與A A在一定范圍內(nèi)具有良好在一定范圍內(nèi)具有良好 的線性關(guān)系的線性關(guān)系。 但是與變氣隙式自感傳感器相比，其但是與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度較低靈敏度較低。 2021-7-112 、螺線管式電感傳感器、螺線管式電感傳感器 工作原理：以線圈磁力線泄露路徑上的磁阻變工作原理：以線圈磁力線泄露路徑上的磁阻變 化為基礎(chǔ)測(cè)量，化為基礎(chǔ)測(cè)量，電感量與電感量與銜鐵插入深度銜鐵插

8、入深度有關(guān)有關(guān)。 鐵心在螺線管中移動(dòng)，使鐵心在螺線管中移動(dòng)，使線圈的電感量發(fā)生變化線圈的電感量發(fā)生變化。 這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，但靈敏度較低，且銜這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，但靈敏度較低，且銜 鐵在螺線管中間時(shí)，才有可能呈線性關(guān)系。鐵在螺線管中間時(shí)，才有可能呈線性關(guān)系。 此傳感器適合于此傳感器適合于位移較大位移較大的場(chǎng)合。的場(chǎng)合。 2021-7-113 )(fL = )(SfL = 2021-7-114 、差動(dòng)電感傳感器、差動(dòng)電感傳感器 在實(shí)際工作中常采用在實(shí)際工作中常采用差動(dòng)式差動(dòng)式，這樣既可以提高傳感器的，這樣既可以提高傳感器的 靈敏度，又可以減小測(cè)量誤差。靈敏度，又可以減小測(cè)量

9、誤差。 組成：組成： 由兩個(gè)具有由兩個(gè)具有公共銜鐵公共銜鐵的完全相同的自感傳感器的完全相同的自感傳感器 組成，銜鐵處于中間位置時(shí)，組成，銜鐵處于中間位置時(shí)，U UO O=0=0。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 靈敏度提高一倍，線性好，抗干擾能力強(qiáng)，電磁靈敏度提高一倍，線性好，抗干擾能力強(qiáng)，電磁 吸力對(duì)測(cè)量力的影響相互抵消。吸力對(duì)測(cè)量力的影響相互抵消。 2021-7-115 差動(dòng)電感傳感器差動(dòng)電感傳感器 請(qǐng)分析：靈敏度、請(qǐng)分析：靈敏度、 線性度有何變化線性度有何變化 曲線曲線1、2為為L(zhǎng)1、L2 的特性，的特性， 3為差動(dòng)特性為差動(dòng)特性 在差動(dòng)電感傳感器中，當(dāng)在差動(dòng)電感傳感器中，當(dāng) 銜鐵隨被測(cè)量移動(dòng)而偏離中銜鐵

10、隨被測(cè)量移動(dòng)而偏離中 間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感 量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形 成成差動(dòng)形式差動(dòng)形式。 1-1-差動(dòng)線圈差動(dòng)線圈 2-2-鐵心鐵心 3-3-銜鐵銜鐵 4-4-測(cè)桿測(cè)桿 5-5-工件工件 2021-7-116 結(jié)論：結(jié)論： 從曲線圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的從曲線圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的線性較線性較 好好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式電感，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式電感 傳感器的傳感器的兩倍兩倍。 假設(shè)當(dāng)銜鐵往上移動(dòng)假設(shè)當(dāng)銜鐵往上移動(dòng)時(shí)，則兩個(gè)線圈的總的電感變化量時(shí)，則兩個(gè)線圈的總的電感變化量 為為 從上式知，從上式

11、知，輸出電感的變化約為非差動(dòng)式的兩倍輸出電感的變化約為非差動(dòng)式的兩倍。而從結(jié)。而從結(jié) 構(gòu)圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器對(duì)外界影響，如溫度的變構(gòu)圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器對(duì)外界影響，如溫度的變 化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，從而減小了測(cè)化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，從而減小了測(cè) 量誤差。量誤差。 2 0 0 2 2 2 AN L 2021-7-117 二、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路二、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的作用是將測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化電感量的變化轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電電 壓或電流的變化壓或電流的變化，以便用儀表指示出來(lái)，或者送入，以便用儀表指示出來(lái)，或者送入 下級(jí)電路進(jìn)行處理和

12、放大。下級(jí)電路進(jìn)行處理和放大。 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路：測(cè)量轉(zhuǎn)換電路： L L的變化的變化I/UI/U 的幅值、頻率、相位的變化的幅值、頻率、相位的變化 轉(zhuǎn)換電路有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。轉(zhuǎn)換電路有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。 基本測(cè)量電路通常都采用交流橋路。基本測(cè)量電路通常都采用交流橋路。 2021-7-118 變壓器式電橋電路變壓器式電橋電路 變壓器式交流電橋測(cè)量電路如變壓器式交流電橋測(cè)量電路如 圖所示圖所示, , 電橋兩臂電橋兩臂Z Z1 1、Z Z2 2為傳感為傳感 器線圈阻抗器線圈阻抗, , 另外兩橋臂為交流另外兩橋臂為交流 變壓器次級(jí)線圈的變壓器次級(jí)線圈的 1/2 1/2 阻抗。阻抗。 假定假定D

13、D為參考電位，則橋路輸出為參考電位，則橋路輸出 電壓為：電壓為： 112 0 1212 22 Z UZZUU U ZZZZ = 1）當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置）當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置, 即即Z1= Z2=Z時(shí)有時(shí)有 =0, 電電 橋平衡。橋平衡。 0 U 1.1.調(diào)幅電路調(diào)幅電路 2021-7-119 2）當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí)）當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí), 即即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此時(shí)此時(shí) 0 22 UZUL U ZL = 3）當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí)）當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí), 則則Z1=Z-Z, Z2=Z+Z 此時(shí)此時(shí) 從以上兩式可知從以上兩式可知, 銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)

14、, 輸出電壓的大輸出電壓的大 小相等小相等, 但方向相反但方向相反, 由于由于 是是交流電壓交流電壓, 輸出指示無(wú)法判斷位輸出指示無(wú)法判斷位 移方向移方向, 必須配合相敏檢波電路來(lái)解決。必須配合相敏檢波電路來(lái)解決。 0 22 UZUL U ZL = = 0 U 2021-7-120 零點(diǎn)殘余誤差零點(diǎn)殘余誤差 概念概念 在在變壓器式電橋電路變壓器式電橋電路中，當(dāng)銜鐵處于差動(dòng)電感的中，當(dāng)銜鐵處于差動(dòng)電感的 中間位置附近時(shí)，無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)銜鐵的位置，均中間位置附近時(shí)，無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)銜鐵的位置，均 無(wú)法使測(cè)量轉(zhuǎn)換電路輸出為零，總有一個(gè)很小的無(wú)法使測(cè)量轉(zhuǎn)換電路輸出為零，總有一個(gè)很小的 輸出電壓存在，此電壓稱

15、為輸出電壓存在，此電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓。 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 消除方法消除方法 2021-7-121 相敏整流電路相敏整流電路：既反映輸入的大小，又能辯向既反映輸入的大小，又能辯向 圖中：圖中：Z Z1 1、Z Z2 2為電感傳感器的兩個(gè)線圈，作為交流電橋相鄰的為電感傳感器的兩個(gè)線圈，作為交流電橋相鄰的 兩個(gè)橋臂；兩個(gè)橋臂；R R1 1、R R2 2兩個(gè)相同的電阻作為電橋的另兩個(gè)相鄰橋臂。兩個(gè)相同的電阻作為電橋的另兩個(gè)相鄰橋臂。 VDVD1 1、VDVD2 2、VDVD3 3、VDVD4 4四只二極管構(gòu)成了四只二極管構(gòu)成了相敏整流器相敏整流器。 指示電表指示電表V V則為則為零刻度居

16、中零刻度居中的直流電壓表或數(shù)字電壓表。的直流電壓表或數(shù)字電壓表。 C D 請(qǐng)思考請(qǐng)思考 ： 為什么為什么 該電路該電路 能夠辯能夠辯 向？向？ A B 2021-7-122 1 1）銜鐵在中間位置時(shí)）銜鐵在中間位置時(shí)： Z=ZZ=Z1 1=Z=Z2 2 輸出為零輸出為零 2 2）如銜鐵往線圈方向移）如銜鐵往線圈方向移： Z Z1 1=Z+Z Z=Z+Z Z2 2=Z-Z=Z-Z 當(dāng)電源上正下負(fù)時(shí)，當(dāng)電源上正下負(fù)時(shí)，V VC CV VD D 輸出為正輸出為正 當(dāng)電源上負(fù)下正時(shí)，當(dāng)電源上負(fù)下正時(shí)，V VC CV VD D 輸出仍為正輸出仍為正 所以：當(dāng)銜鐵往線圈所以：當(dāng)銜鐵往線圈1 1方向移動(dòng)時(shí)，

17、輸出為正（直方向移動(dòng)時(shí)，輸出為正（直 流電壓表流電壓表正向偏轉(zhuǎn)正向偏轉(zhuǎn)），其大小與位移相關(guān)；），其大小與位移相關(guān)； 2021-7-123 3 3）同理：如銜鐵往線圈方向移）同理：如銜鐵往線圈方向移： Z Z1 1=Z-Z Z=Z-Z Z2 2=Z+Z=Z+Z 當(dāng)電源上正下負(fù)時(shí)，當(dāng)電源上正下負(fù)時(shí)，V VC CV VD D 輸出為負(fù)輸出為負(fù) 當(dāng)電源上負(fù)下正時(shí)，當(dāng)電源上負(fù)下正時(shí)，V VC CV VD D 輸出仍為負(fù)輸出仍為負(fù) 所以：當(dāng)銜鐵往線圈所以：當(dāng)銜鐵往線圈2 2方向移動(dòng)時(shí)，輸出為負(fù)（直方向移動(dòng)時(shí)，輸出為負(fù)（直 流電壓表流電壓表反向偏轉(zhuǎn)反向偏轉(zhuǎn)），其大小與位移相關(guān)。），其大小與位移相關(guān)。 202

18、1-7-124 非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較 (a) (a) 非相敏整流電路；非相敏整流電路； （b b） 相敏整流電路相敏整流電路 使用相敏整流，輸出電壓使用相敏整流，輸出電壓U U0 0不僅能反映銜鐵位移的大小和方不僅能反映銜鐵位移的大小和方 向，而且還向，而且還消除零點(diǎn)殘余電壓的影響消除零點(diǎn)殘余電壓的影響。 2021-7-125 2.2.調(diào)頻電路調(diào)頻電路 傳感器自感傳感器自感 L變化將引起輸出電壓頻率變化將引起輸出電壓頻率 f f 的變化。的變化。 G C L f 靈敏度很高，但線性差，適用于線性要求不高的場(chǎng)合。靈敏度很高，但線性差，適用于線性

19、要求不高的場(chǎng)合。 )/()2/(4/)( 2/3 LLfLCLCf= L f 0 LCf2/1= 當(dāng)有微小變化時(shí)，頻率變化當(dāng)有微小變化時(shí)，頻率變化 f f 為：為： 振蕩回路振蕩回路 2021-7-126 3.3.調(diào)相電路調(diào)相電路 傳感電感變化將引起輸出電壓相位變化。傳感電感變化將引起輸出電壓相位變化。 )/(tg2 1 RL = L L RL RL )/(1 )/(2 2 = 2021-7-127 三、應(yīng)用三、應(yīng)用 常用來(lái)測(cè)量位移、尺寸、震動(dòng)、力、壓力、常用來(lái)測(cè)量位移、尺寸、震動(dòng)、力、壓力、 流量等非電量。流量等非電量。 自感式位移傳感器自感式位移傳感器 自感式壓力傳感器自感式壓力傳感器 2

20、021-7-128 軸向式電感測(cè)微器軸向式電感測(cè)微器 11引線電纜引線電纜 22固定磁筒固定磁筒 33銜鐵銜鐵 44線圈線圈 55測(cè)力彈簧測(cè)力彈簧 66防轉(zhuǎn)銷防轉(zhuǎn)銷 77鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承）鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承） 88測(cè)桿測(cè)桿 99密封套密封套 1010測(cè)端測(cè)端 1111被測(cè)工件被測(cè)工件 1212基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面 2021-7-129 電感式滾柱直徑分選裝置電感式滾柱直徑分選裝置 圖圖3-14 3-14 滾柱直徑分選裝置滾柱直徑分選裝置 11氣缸氣缸 22活塞活塞 33推桿推桿 44被測(cè)滾柱被測(cè)滾柱 55落料管落料管 66電感測(cè)微器電感測(cè)微器 77鎢鋼測(cè)頭鎢鋼測(cè)頭 88限位擋板限位擋板 99電磁翻板

21、電磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗） 2021-7-130 電感式滾柱直徑分選裝置電感式滾柱直徑分選裝置（外形）（外形） 滑道滑道 分選倉(cāng)位分選倉(cāng)位 軸承滾子外形軸承滾子外形 （參考中原量?jī)x股份有限公司資料）（參考中原量?jī)x股份有限公司資料） 2021-7-131 2.2.自感式壓力傳感器自感式壓力傳感器 變隙式自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖變隙式自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖變隙差動(dòng)式電感壓力傳感器變隙差動(dòng)式電感壓力傳感器 2021-7-132 課堂練習(xí)課堂練習(xí) 1 1、欲測(cè)量極微小的位移，應(yīng)選擇、欲測(cè)量極微小的位移，應(yīng)選擇( )( )自感傳感器；自感傳感器； A. A. 變隙式變隙式 B. B. 變面積式

22、變面積式 C. C. 螺線管式螺線管式 2 2、自感傳感器或差動(dòng)變壓器采用相敏檢波電路最重要的目、自感傳感器或差動(dòng)變壓器采用相敏檢波電路最重要的目 的是為了的是為了( ) ( ) A. A. 提高靈敏度提高靈敏度 B. B. 將輸出的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)將輸出的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào) C. C. 使檢波后的直流電壓能反映檢波前交流信號(hào)的相位和使檢波后的直流電壓能反映檢波前交流信號(hào)的相位和 幅度幅度 2021-7-133 休休 息息 一一 下下 2021-7-134 3.2 3.2 差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器 概念概念 把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化線

23、圈互感量變化 的傳感器稱為的傳感器稱為互感式傳感器互感式傳感器。這種傳感器是。這種傳感器是根根 據(jù)變壓器的基本原理?yè)?jù)變壓器的基本原理制成的制成的, , 并且并且次級(jí)繞組都次級(jí)繞組都 用差動(dòng)形式連接用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器式傳感器，故稱差動(dòng)變壓器式傳感器， 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器。 2021-7-135 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, , 有變隙式、有變隙式、 變變 面積式和螺線管式等面積式和螺線管式等, , 但其工作原理基本一但其工作原理基本一 樣。非電量測(cè)量中樣。非電量測(cè)量中, , 應(yīng)用最多的是應(yīng)用最多的是螺線管式螺線管式 差動(dòng)變壓器。差動(dòng)變壓器。 特點(diǎn)

24、特點(diǎn) 它可以測(cè)量它可以測(cè)量1 1100mm100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移范圍內(nèi)的機(jī)械位移, , 并具有測(cè)量精度高并具有測(cè)量精度高, , 靈敏度高靈敏度高, , 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, , 性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 2021-7-136 它主要由它主要由線圈組線圈組 合合、活動(dòng)銜鐵活動(dòng)銜鐵和和導(dǎo)導(dǎo) 磁外殼磁外殼等組成。線等組成。線 圈包括一、二次線圈包括一、二次線 圈和骨架等部分。圈和骨架等部分。 理想的螺線管式差動(dòng)理想的螺線管式差動(dòng) 變壓器的原理圖變壓器的原理圖 被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換 為一次線圈與二為一次線圈與二 次線圈間的互感次線圈間的互感 量量M M的變化。的變化。 一、工作原理一

25、、工作原理 2021-7-137 理想條件下，當(dāng)一次線圈加上交流激磁電壓理想條件下，當(dāng)一次線圈加上交流激磁電壓 U Ui i后，將在二次線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓后，將在二次線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓U UO O。如果將。如果將 兩個(gè)二次線圈串聯(lián)兩個(gè)二次線圈串聯(lián)起來(lái)，總電壓等于兩個(gè)二次起來(lái)，總電壓等于兩個(gè)二次 線圈的電壓之和。線圈的電壓之和。 改變銜鐵的位置，則一次線圈與二次線圈之改變銜鐵的位置，則一次線圈與二次線圈之 間的互感變化，從而輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變間的互感變化，從而輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變 化?；?。 2021-7-138 差動(dòng)變壓器的等效電路原理圖差動(dòng)變壓器的等效電路原理圖 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 兩

26、個(gè)二次線圈同名端兩個(gè)二次線圈同名端反向串聯(lián)反向串聯(lián)，組成，組成差動(dòng)差動(dòng)輸出形式。輸出形式。 請(qǐng)問(wèn)：如何請(qǐng)問(wèn)：如何 正確連線？正確連線？ 指出哪兩個(gè)為指出哪兩個(gè)為 輸出端點(diǎn)。輸出端點(diǎn)。 A C B D 2021-7-139 基本特性分析：基本特性分析： （1 1）當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)）當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí) M M1 1= M= M2 2=M=M 則則 ： U U0 0=0=0 （2 2）當(dāng)活動(dòng)銜鐵向）當(dāng)活動(dòng)銜鐵向N N21 21方向（向上）移動(dòng)時(shí) 方向（向上）移動(dòng)時(shí) M M1 1= M+M= M+M，M M2 2= M-M= M-M 故：故： U UO O=U=U21 21 U U22

27、22= 2jM = 2jMI I1 1 （3 3）當(dāng)活動(dòng)銜鐵向）當(dāng)活動(dòng)銜鐵向N N22 22方向 方向( (向下向下) )移動(dòng)時(shí)移動(dòng)時(shí) M M1 1= M-M= M-M，M M2 2= M+M= M+M 故故 ： U UO O=U=U21 21 U U22 22= = 2jM2jMI I1 1 2021-7-140 總結(jié)：總結(jié)： 當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)：當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)：U UO O=0=0； 當(dāng)銜鐵偏移中間位置時(shí)：當(dāng)銜鐵偏移中間位置時(shí)：U UO O就隨著銜鐵的位移就隨著銜鐵的位移X X的變大而的變大而 增加。增加。 互感式傳感器互感式傳感器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)變壓器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)變壓器，其初級(jí)線

28、圈接，其初級(jí)線圈接 入穩(wěn)定的交流激勵(lì)電源，次級(jí)線圈被感應(yīng)而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)入穩(wěn)定的交流激勵(lì)電源，次級(jí)線圈被感應(yīng)而產(chǎn)生對(duì)應(yīng) 輸出電壓。輸出電壓。 由于次級(jí)常采用由于次級(jí)常采用兩個(gè)線圈接成差動(dòng)型兩個(gè)線圈接成差動(dòng)型，故這種傳感器，故這種傳感器 又稱差動(dòng)變壓器式傳感器。又稱差動(dòng)變壓器式傳感器。 實(shí)際中應(yīng)用較多的是實(shí)際中應(yīng)用較多的是螺線管式差動(dòng)變壓器螺線管式差動(dòng)變壓器。 2021-7-141 二、靈敏度與線性度二、靈敏度與線性度 1 1、靈敏度、靈敏度 差動(dòng)變壓器在單位電壓激勵(lì)下，銜鐵移動(dòng)一個(gè)單位距差動(dòng)變壓器在單位電壓激勵(lì)下，銜鐵移動(dòng)一個(gè)單位距 離時(shí)的輸出電壓，用離時(shí)的輸出電壓，用E E表示。表示。 E EU

29、U2 2/X/X單位：?jiǎn)挝唬篤/mmV/mm 影響靈敏度的主要因素有：激勵(lì)電源電壓和頻率。影響靈敏度的主要因素有：激勵(lì)電源電壓和頻率。 KE與與f關(guān)系曲線關(guān)系曲線 2021-7-142 提高輸入激勵(lì)電壓，將使傳感器靈敏度按線性增加提高輸入激勵(lì)電壓，將使傳感器靈敏度按線性增加。 另外，提高線圈品質(zhì)因數(shù)另外，提高線圈品質(zhì)因數(shù)Q Q值，增大銜鐵直徑，選擇導(dǎo)磁值，增大銜鐵直徑，選擇導(dǎo)磁 性能好，鐵損小以及渦流損耗小的性能好，鐵損小以及渦流損耗小的導(dǎo)磁材料導(dǎo)磁材料制作銜鐵和導(dǎo)磁制作銜鐵和導(dǎo)磁 外殼等可以提高靈敏度。外殼等可以提高靈敏度。 2021-7-143 2 2、線性度、線性度 線性度線性度傳感器實(shí)

30、際特性曲線與理論直線之間的最大傳感器實(shí)際特性曲線與理論直線之間的最大 偏差除以測(cè)量范圍（滿量程），并用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。偏差除以測(cè)量范圍（滿量程），并用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。 影響差動(dòng)變壓器線性度的因素影響差動(dòng)變壓器線性度的因素: : 兩個(gè)二次繞組的結(jié)構(gòu)，骨架形狀和尺寸的精確性，鐵兩個(gè)二次繞組的結(jié)構(gòu)，骨架形狀和尺寸的精確性，鐵 芯的尺寸和材質(zhì)，激勵(lì)頻率和負(fù)載狀態(tài)等。芯的尺寸和材質(zhì)，激勵(lì)頻率和負(fù)載狀態(tài)等。 改善差動(dòng)變壓器的線性度改善差動(dòng)變壓器的線性度: : 取測(cè)量范圍為線圈骨架長(zhǎng)度的取測(cè)量范圍為線圈骨架長(zhǎng)度的1/10-1/41/10-1/4，激勵(lì)頻率采，激勵(lì)頻率采 用中頻，配用相敏檢波式測(cè)量電路用中頻，配用

31、相敏檢波式測(cè)量電路 。 2021-7-144 三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 反串聯(lián)電路反串聯(lián)電路 直接把兩個(gè)二次線圈反向串接直接把兩個(gè)二次線圈反向串接 22210 =EEU 橋路橋路 R R1 1、R R2 2是橋臂電阻，是橋臂電阻，RPRP是供調(diào)零用的電位器是供調(diào)零用的電位器 ）（ ）（ 222122 2 21 2221 0 EE 2 1 ER RR E = E U 該電路靈敏度為前一種的該電路靈敏度為前一種的1/21/2， 但可以利用但可以利用RPRP進(jìn)行調(diào)零，無(wú)需另進(jìn)行調(diào)零，無(wú)需另 配置調(diào)零電路；但零點(diǎn)殘余電壓配置調(diào)零電路；但零點(diǎn)殘余電壓 無(wú)法克服，也無(wú)辯向功能。無(wú)法克服，也無(wú)辯向功

32、能。 E E21 21 2021-7-145 電路是以兩電路是以兩 個(gè)橋路整流后個(gè)橋路整流后 的直流電壓之的直流電壓之 差作為輸出的差作為輸出的 ，所以稱為差，所以稱為差 動(dòng)整流電路。動(dòng)整流電路。 U UC3 C3=U =Uab ab =U =Uao ao-U -Ubo bo 以差動(dòng)整流為例以差動(dòng)整流為例 2021-7-146 差動(dòng)整流的特點(diǎn)差動(dòng)整流的特點(diǎn) 差動(dòng)整流電路可以差動(dòng)整流電路可以克服零點(diǎn)殘余電壓克服零點(diǎn)殘余電壓的影響。它不但可以的影響。它不但可以 反映位移的大?。妷旱姆担?，還可以反映位移的方向。反映位移的大?。妷旱姆担€可以反映位移的方向。 上圖中：上圖中： RPRP是用來(lái)

33、微調(diào)電路平衡的；是用來(lái)微調(diào)電路平衡的； VDVD1 1VDVD4 4、VDVD5 5 VD VD8 8組成普通組成普通橋式整流電路橋式整流電路； 3 3、4 4、3 3、4 4組成組成低通濾波電路低通濾波電路； 1 1及及21 21、 、22 22、 、f f、23 23組成 組成差動(dòng)減法放大器差動(dòng)減法放大器，用于克服，用于克服 a a、b b兩點(diǎn)的對(duì)地共模電壓。兩點(diǎn)的對(duì)地共模電壓。 2021-7-147 四、應(yīng)用四、應(yīng)用 差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于位移位移測(cè)量測(cè)量, , 也可以測(cè)量也可以測(cè)量與位移有關(guān)與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、 加

34、速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 1 1、測(cè)量振動(dòng)的應(yīng)用、測(cè)量振動(dòng)的應(yīng)用 2 2、壓力測(cè)量、壓力測(cè)量 2021-7-148 構(gòu)成：由懸臂梁構(gòu)成：由懸臂梁1 1和差和差 動(dòng)變壓器動(dòng)變壓器2 2構(gòu)成。構(gòu)成。 測(cè)量時(shí)測(cè)量時(shí), , 將懸臂梁底座將懸臂梁底座 及差動(dòng)變壓器的線圈骨及差動(dòng)變壓器的線圈骨 架固定架固定, , 而將銜鐵的而將銜鐵的A A端端 與被測(cè)振動(dòng)體相連。與被測(cè)振動(dòng)體相連。 當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以 x(t)x(t)振動(dòng)時(shí)振動(dòng)時(shí), , 導(dǎo)致差導(dǎo)致差 動(dòng)變壓器的輸出電壓也動(dòng)變壓器的輸出電壓也 按相同規(guī)律變化。按相同規(guī)律變化。 1 1測(cè)量振動(dòng)的應(yīng)用

35、測(cè)量振動(dòng)的應(yīng)用 振動(dòng)測(cè)量原理圖振動(dòng)測(cè)量原理圖 2021-7-149 . . 壓力測(cè)量壓力測(cè)量 當(dāng)被測(cè)壓力當(dāng)被測(cè)壓力P P輸入輸入 到膜盒中，膜盒到膜盒中，膜盒2 2 的自由端面便產(chǎn)生的自由端面便產(chǎn)生 一個(gè)與壓力一個(gè)與壓力P P成正成正 比的位移。比的位移。 因此，差動(dòng)壓力因此，差動(dòng)壓力 變壓器有正比于被變壓器有正比于被 測(cè)壓力的電壓輸出測(cè)壓力的電壓輸出 。 下圖為差動(dòng)壓力變壓器的結(jié)構(gòu)圖，它適用于各種狀態(tài)的壓力下圖為差動(dòng)壓力變壓器的結(jié)構(gòu)圖，它適用于各種狀態(tài)的壓力 測(cè)量。測(cè)量。 2021-7-150 壓力測(cè)量用的膜盒壓力測(cè)量用的膜盒 膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。所謂波紋膜片是一種壓有膜盒由兩片波紋

36、膜片焊接而成。所謂波紋膜片是一種壓有 同心波紋的圓形薄膜同心波紋的圓形薄膜。當(dāng)膜片四周固定，兩側(cè)面存在壓差時(shí)，。當(dāng)膜片四周固定，兩側(cè)面存在壓差時(shí)， 膜片將彎向壓力低的一側(cè)，因此能夠?qū)毫ψ儞Q為直線位移。膜片將彎向壓力低的一側(cè)，因此能夠?qū)毫ψ儞Q為直線位移。 2021-7-151 休休 息息 一一 下下 2021-7-152 電渦流的概念電渦流的概念 渦流渦流成塊的金屬置于變化著的磁場(chǎng)中或者成塊的金屬置于變化著的磁場(chǎng)中或者 在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬體內(nèi)都要在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬體內(nèi)都要 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)形成電流，這種電流在金屬體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)形成電流，這種電流在金屬體 內(nèi)是自己閉

37、合的，此電流稱為內(nèi)是自己閉合的，此電流稱為電渦流電渦流。以上現(xiàn)。以上現(xiàn) 象稱為象稱為電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)。 電渦流式傳感器：電渦流式傳感器： 根據(jù)根據(jù)電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式制成的傳感器稱為電渦流式 傳感器。傳感器。 第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 2021-7-153 一、工作原理一、工作原理 當(dāng)線圈中有交變高頻電流當(dāng)線圈中有交變高頻電流i i 時(shí)，會(huì)引起一交變磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)引起一交變磁場(chǎng)H H 在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部 產(chǎn)生一感應(yīng)電流產(chǎn)生一感應(yīng)電流i i，該電流，該電流i i 即為電渦流。即為電渦流。 根據(jù)楞次定律，由該電渦流根據(jù)楞次定律

38、，由該電渦流 產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)H H將與線圈產(chǎn)將與線圈產(chǎn) 生的磁場(chǎng)生的磁場(chǎng)H H方向相反，亦即方向相反，亦即H H 將抵抗將抵抗H H的變化。的變化。 由于該由于該渦流磁場(chǎng)渦流磁場(chǎng)的作用，會(huì)的作用，會(huì) 使使線圈的等效阻抗線圈的等效阻抗發(fā)生變化。發(fā)生變化。電渦流式傳感器工電渦流式傳感器工 作原理示意圖作原理示意圖 2021-7-154 電渦流效應(yīng)演示電渦流效應(yīng)演示 當(dāng)電渦流線圈與金屬板的距離當(dāng)電渦流線圈與金屬板的距離x x 減小時(shí)，電流表的減小時(shí)，電流表的 讀數(shù)變大，說(shuō)明線圈的等效阻抗讀數(shù)變大，說(shuō)明線圈的等效阻抗變小變小。 2021-7-155 2 2 2 22 12 2 2 22

39、1 1 1 L Z M LjR Z M R I U Z = u當(dāng)距離當(dāng)距離x x減小時(shí)，互減小時(shí)，互 感量感量M M增大。增大。 u由左式可知，等效由左式可知，等效 電感電感L L減小，等效電阻減小，等效電阻 R R增大。增大。 從理論和實(shí)測(cè)中都證從理論和實(shí)測(cè)中都證 明，此時(shí)流過(guò)線圈的明，此時(shí)流過(guò)線圈的 電流電流i i1 1是增大的。是增大的。 線圈與金屬導(dǎo)體之間可以定義一個(gè)互感系數(shù)線圈與金屬導(dǎo)體之間可以定義一個(gè)互感系數(shù)M M，它將隨著間它將隨著間 距距x x的減小而增大的減小而增大。 若把導(dǎo)體形象地看作一個(gè)短路線圈若把導(dǎo)體形象地看作一個(gè)短路線圈 你知道這你知道這 是為什么是為什么 嗎？嗎？

40、2021-7-156 渦流磁場(chǎng)的作用，使線圈的等效阻抗發(fā)生變化渦流磁場(chǎng)的作用，使線圈的等效阻抗發(fā)生變化 的程度除了與兩者間的的程度除了與兩者間的距離距離x x有關(guān)外，還與金屬有關(guān)外，還與金屬 導(dǎo)體的導(dǎo)體的電阻率電阻率、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率以及線圈的勵(lì)磁電以及線圈的勵(lì)磁電 流流角頻率角頻率等有關(guān)。等有關(guān)。 ( , , ,)Zfx = 若能保持其中大部分參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)若能保持其中大部分參數(shù)不變，只改變其中一個(gè) 參數(shù)，這樣傳感器的線圈阻抗就成為這個(gè)參數(shù)的參數(shù)，這樣傳感器的線圈阻抗就成為這個(gè)參數(shù)的 單值函數(shù)，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的非電量測(cè)量。這就單值函數(shù)，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的非電量測(cè)量。這就 是電渦流式傳

41、感器的基本工作原理。是電渦流式傳感器的基本工作原理。 注意注意：這種函數(shù)都是非線性函數(shù)，但在某一范圍內(nèi)，可近這種函數(shù)都是非線性函數(shù)，但在某一范圍內(nèi)，可近 似為線性函數(shù)。似為線性函數(shù)。 2021-7-157 二、電渦流傳感器的測(cè)量電路二、電渦流傳感器的測(cè)量電路 電渦流傳感器測(cè)量的基本原理是當(dāng)傳感器的線電渦流傳感器測(cè)量的基本原理是當(dāng)傳感器的線 圈與被測(cè)體之間的距離發(fā)生變化時(shí)，將引起線圈與被測(cè)體之間的距離發(fā)生變化時(shí)，將引起線 圈的等效阻抗變化，也就是等效阻抗、等效圈的等效阻抗變化，也就是等效阻抗、等效 電感、傳感器線圈的品質(zhì)因數(shù)電感、傳感器線圈的品質(zhì)因數(shù)Q Q（Q=Q=L L/ /R R） 都是位移

42、的單值函數(shù)。都是位移的單值函數(shù)。 因此，測(cè)量電路的任務(wù)就是把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換因此，測(cè)量電路的任務(wù)就是把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換 為有用的為有用的電壓或電流的變化電壓或電流的變化。 2021-7-158 利用利用Z Z的轉(zhuǎn)換電路一般用的轉(zhuǎn)換電路一般用橋路橋路，它屬于調(diào)幅電路。，它屬于調(diào)幅電路。 利用利用L L的轉(zhuǎn)換電路一般用的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路。諧振電路。 1 1橋路橋路 Z Z1 1和和Z Z2 2是線圈阻抗，是線圈阻抗， 它們與電容它們與電容C C1 1、C C2 2，電，電 阻阻R R1 1、R R2 2組成電橋的四組成電橋的四 個(gè)臂。個(gè)臂。 電橋的輸出將反映線電橋的輸出將反映線 圈阻抗的變化，把線圈

43、圈阻抗的變化，把線圈 阻抗變化轉(zhuǎn)換成電壓幅阻抗變化轉(zhuǎn)換成電壓幅 值的變化。值的變化。 2021-7-159 2 2諧振幅值電路諧振幅值電路 在沒(méi)有金屬導(dǎo)體的情況下，使電路的在沒(méi)有金屬導(dǎo)體的情況下，使電路的LCLC諧振回路的諧振頻諧振回路的諧振頻 率率 等于激勵(lì)振蕩器的振蕩頻率，這時(shí)等于激勵(lì)振蕩器的振蕩頻率，這時(shí)LCLC回路回路 呈現(xiàn)阻抗最大，輸出電壓的幅值也是最大。呈現(xiàn)阻抗最大，輸出電壓的幅值也是最大。 當(dāng)傳感器線圈接近被測(cè)金屬體時(shí)，線圈的當(dāng)傳感器線圈接近被測(cè)金屬體時(shí)，線圈的等效電感等效電感變化，變化， 諧振頻率諧振頻率也跟著發(fā)生變化，從而輸出也跟著發(fā)生變化，從而輸出電壓幅值電壓幅值變化。變化

44、。 LCf21 0 2021-7-160 3 3調(diào)頻電路調(diào)頻電路 當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x x改變時(shí)，電渦流線圈的電感改變時(shí)，電渦流線圈的電感 量量L L也隨之改變，引起也隨之改變，引起LCLC振蕩器輸出頻率改變。振蕩器輸出頻率改變。 傳感器線圈接在傳感器線圈接在 LCLC振蕩器中作為振蕩器中作為 電感使用，以振電感使用，以振 蕩器的頻率蕩器的頻率f f 作作 為輸出量。為輸出量。 2021-7-161 調(diào)頻電路和調(diào)幅電路的不同：調(diào)頻電路和調(diào)幅電路的不同： 調(diào)幅電路的供電電源頻率是固定的，諧振調(diào)幅電路的供電電源頻率是固定的，諧振 回路里的振蕩是強(qiáng)迫振蕩，回路里的振

45、蕩是強(qiáng)迫振蕩，輸出的是電壓輸出的是電壓 幅值幅值； 調(diào)頻電路的振蕩是自由振蕩，頻率隨著被調(diào)頻電路的振蕩是自由振蕩，頻率隨著被 測(cè)參數(shù)變化而變化，測(cè)參數(shù)變化而變化，輸出的是電壓頻率輸出的是電壓頻率。 2021-7-162 l 特點(diǎn)特點(diǎn) 為為非接觸測(cè)量非接觸測(cè)量；線性度好；線性度好, ,分辨率好分辨率好; ; 大量程大量程, , 體積小體積小, ,重量輕重量輕, ,驅(qū)動(dòng)功率小驅(qū)動(dòng)功率小; ; 靈敏度好靈敏度好,0.1-1V/mm.,0.1-1V/mm. l 利用利用 x x：可測(cè)位移，派生量為厚度，振幅，轉(zhuǎn)速；可測(cè)位移，派生量為厚度，振幅，轉(zhuǎn)速； 可進(jìn)行材質(zhì)判別，溫度測(cè)量；可進(jìn)行材質(zhì)判別，溫度測(cè)量； 可測(cè)量應(yīng)力，硬度；可測(cè)量應(yīng)力，硬度； x x綜合影響：可進(jìn)行金屬的探傷。綜合影響：可進(jìn)行金屬的探傷。 2021-7-163 厚度的測(cè)量厚度的測(cè)量 差動(dòng)法測(cè)量厚度差動(dòng)法測(cè)量厚度：h=Hh=H(x(x1 1+x+x2 2) ) 渦流傳感器可對(duì)渦流傳感器可對(duì)金屬板厚度或非金屬板的鍍層厚度金屬板厚度或非金屬板的鍍層厚度進(jìn)進(jìn) 行非接觸測(cè)量。行非接觸測(cè)量。 差動(dòng)形式差動(dòng)形式 2021-7-164 轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量