傳感器技術3-變磁阻式傳感器-中英對照

1、第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器Variable Reluctance Sensor 自感式傳感器自感式傳感器Self inductive sensor1.2第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器傳感器線圈的電器參數(shù)分析傳感器線圈的電器參數(shù)分析Analysis on electric parameters3.13.2互感式傳感器互感式傳感器Mutual induction sensor3.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器Eddy current sensor3.4壓感式傳感器壓感式傳感器Pressure sensitive sensor3.53.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的

2、電氣參數(shù)分析課本65頁圖3-1為一種簡單的自感式傳感器，它由線圈(coil)、鐵心(core)和銜鐵(armature)等組成。當銜鐵隨被測量變化而上、下移動時，鐵心氣隙、磁路磁阻(reluctance)隨之變化，引起線圈電感(inductance)量的變化，然后通過測量電路轉換成與位移成比例的電量，實現(xiàn)了非電量到電量的變換?？梢姡@種傳感器實質上是一個具有可變氣隙(variable air gap)的鐵心線圈(iron core coil)。L-線圈電感(inductance)；Rc-線圈銅耗電阻(copper loss resistance)；Re-鐵心渦流損耗電阻(eddy curren

3、t loss resistance)；R-磁滯損耗電阻(magnetic hysteresis loss resistance)；C-線圈的寄生電容(parasitic capacitance of the coil)圖圖3-13-1 變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器圖圖3-23-2 傳感線圈的等效電路傳感線圈的等效電路3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析 類似于上述自感式傳感器，變磁阻式傳感器通常都具有鐵心線圈(iron core coil)或空心線圈(air core coil)(后者可視作前者的特例)。因此，分析鐵心線圈的電氣參數(shù)與它們對線圈特性的影響，對了解與分

4、析變磁阻式傳感器以及選擇傳感器參數(shù)有幫助。為此，我們將傳感器線圈等效成圖3-2所示的等效電路(equivalent circuit) ，并對電路參數(shù)及其影響一一進行討論。 1.線圈電感(coil inductance)L-由磁路基本知識可知，匝數(shù)(turns)為W的線圈電感為mRWL/2(3-1)式中 Rm磁路總磁阻(overall reluctance of magnetic circuit)。3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析當線圈具有閉合磁路(closed magnetic circuit)時式中 RF導磁體總磁阻(overall reluctance of mag

5、netic conductor)。當線圈磁路(magnetic circuit)具有小氣隙(small air gap)時式中 R氣隙總磁阻(overall reluctance of air gap)。FRWL/2(3-2)RWL/2(3-3)3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析為了分析方便，需要將各種形式的線圈的電感L用統(tǒng)一的式子表達。為此，引入等效磁導率(equivalent magnetic conductivity)概念，即將線圈等效成一封閉鐵芯線圈，其磁路等效磁導率為，磁通截面積為S，磁路長度為，于是式(3-1)變?yōu)?式中 0真空磁導率(magnetic con

6、ductivity of vacuum)，0410-7(H/)。lSWRWLem/022(3-4)3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析 2.銅損電阻(copper loss resistance) Rc取決于導線材料及線圈的幾何尺寸 3.渦流損耗電阻(eddy current loss resistance) R由頻率為的交變(alternating)電流激勵產(chǎn)生的交變磁場，會在線圈鐵心中造成渦流及磁滯損耗。根據(jù)經(jīng)典的渦流損耗計算公式知，為降低渦流損耗，疊片式鐵心的片厚應??；高電阻率有利于損耗的下降，而高磁導率卻會使渦流損耗增加。 4.磁滯損耗電阻(magnetic hys

7、teresis loss resistance) Rh鐵磁物質在交變磁化時，磁分子來回翻轉而要克服阻力，類似摩擦生熱的能量損耗。 5.并聯(lián)寄生電容(parallel parasitic capacity) C的影響 并聯(lián)寄生電容主要由線圈繞組(coil winding)的固有電容與電纜分布電容所構成。3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析圖3-4 線圈等效電路的變換形式 為便于分析，先不考慮寄生電容C (parasitic capacitance)，并將圖3-2中的線圈電感與并聯(lián)鐵損電阻(iron loss resistance)等效為串聯(lián)鐵損電阻Re與串聯(lián)電感L的等效電路，

8、如圖3-4所示。這時Re和L的串聯(lián)阻抗(serial impedance)應該與Re和L的并聯(lián)阻抗(parallel impedance)相等，即:3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析2)/(1LRRRjLRjLRjLReeeeee2)/(11LRLLe(3-20)(3-21)3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析式(3-20)表明，鐵損的串聯(lián)等效電阻Re與L有關。因此，當被測非電量的變化引起線圈電感量改變時，其電阻值亦發(fā)生不希望有的變化。要減少這種附加電阻變化的影響，比值Re/L應盡量小，以使Re1時，1/Q2可以忽略，式(3-22)可簡化為ecRRR/

9、RLQ22222222222)/(1/1)/()1 (QCLCLQCLCLLjQLCLRZS(3-23)有效(effective)值Q為QCLRLQSSS)1(/2(3-24)電感的相對變化112LdLCLLdLSS(3-25)3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析由式(3-22)、(3-24)、(3-25)知，并聯(lián)電容C的存在，使有效串聯(lián)損耗電阻與有效電感均增加，有效Q值下降并引起電感的相對變化增加，即靈敏度提高。因此，從原理而言，按規(guī)定電纜校正好的儀器，如更換了電纜，則應重新校正或采用并聯(lián)電容加以調整。實際使用中因大多數(shù)變磁阻式傳感器工作在較低的激勵頻率(excitati

10、on frequency)下(10H)，上述影響?？珊雎裕珜τ诠ぷ髟谳^高激勵頻率下的傳感器(如反射式reflective渦流傳感器)，上述影響必需引起充分重視。3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析一一. .工作原理與輸出特性工作原理與輸出特性 如前所述，自感式傳感器(self inductive sensors)實質上是一個帶氣隙的鐵芯(iron core)線圈(coil)。按磁路幾何參數(shù)(geometric parameter)變化形式的不同，目前常用的自感式傳感器有變氣隙式(variable air gap)、變面積式(variable area)與螺管式(solen

11、oid)三種；按磁路的結構型式(structural style)又有型、E型或罐型等等；按組成方式(composition method)分，有單一式(single)與差動式(differential)兩種。3.2 自感式傳感器自感式傳感器第二節(jié)第二節(jié) 自感式傳感器自感式傳感器1.1.變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器 變氣隙式自感傳感器的結構原理見圖3-1。由于變氣隙式傳感器的氣隙通常較小，可以認為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則圖3-1傳感器的磁路總磁阻為SlSlSlRm0222111(3-11)式中 鐵心和銜鐵的磁路長度()； 鐵心和銜鐵的截面積(2)； 鐵心和銜鐵的磁導率(H/

12、)； 氣隙磁通截面積(2)和氣隙總長()。21, ll21, SS21,lS,3.2 自感式傳感器自感式傳感器21, ll21, SS21,21, SS將式(3-11)代入式(3-1)，可得)/(02221112SlSlSlWL(3-27) 由式(3-12)可知，當鐵心、銜鐵的材料和結構與線圈匝數(shù)確定后，若保持S不變，則L即為 的單值函數(shù)(uniform function)，這就是變氣隙式傳感器的工作原理。為了精確分析傳感器的特性，利用前述等效磁導率 的概念，由式(3-4)可得)/(0SlRem(3-28)el3.2 自感式傳感器自感式傳感器同時，由式(3-11)rrrmllSlllSR) 1

13、(1)(100(3-29)式中 鐵心和銜鐵的相對磁導率，通常 。所以 rrrellll/1/1(3-30)代入式(3-4)可得帶氣隙鐵心線圈的電感為3.2 自感式傳感器自感式傳感器r1r1rrellKlSWL/102(3-31)式中 ，為一常數(shù)。對式(3-16)進行微分可得傳感器的靈敏度為SWK20rllLdldLK/1(3-32)由上式可知，變氣隙式傳感器的輸出特性是非線性的，式中負號表示靈敏度隨氣隙增加而減小，欲增大靈敏度，應減小 ，但受到工藝和結構的限制。為保證一定的測量范圍與線性度，對變氣隙式傳感器，常取)10/15/1 (,5 . 01 . 02/mmll3.2 自感式傳感器自感式傳

14、感器2.變面積式自感傳感器變面積式自感傳感器(variable area self inductive sensor) 若圖3-1所示傳感器的氣隙長度保持不變，令磁通截面積隨被測非電量而變(銜鐵水平方向移動)，即構成變面積式自感傳感器。此時由式(3-31)SKSllWLr/02(3-33)式中 ，為一常數(shù)。對式(3-33)微分得靈敏度為rllWK/02KdSdLKS(3-34)3.2 自感式傳感器自感式傳感器 可見，變面積式傳感器在忽略氣隙磁通(magnetic flux)邊緣效應(edge effect)的條件下，輸出特性呈線性，因此可望得到較大的線性范圍。與變氣隙式相比較，其靈敏度較低。欲

15、提高靈敏度，需減小 ，但同樣受到工藝和結構的限制。 值的選取與變氣隙式相同。3.螺管式自感傳感器螺管式自感傳感器 圖3-5為螺管式自感傳感器結構原理圖。它由平均半徑為r的螺管線圈(solenoid coil)、銜鐵(armature)和磁性套筒(magnetic sleeve)等組成。隨著銜鐵插入深度的不同將引起線圈泄漏路徑中磁阻變化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。3.2 自感式傳感器自感式傳感器ll圖3-5 螺管式自感傳感器原理圖4.差動式自感傳感器差動式自感傳感器(differential self inductive sensors) 絕大多數(shù)自感式傳感器都運用與電阻差動式類似的技術來改善性

16、能：由兩單一式結構對稱組合，構成差動式自感傳感器(課本72頁，圖3-7)。3.2 自感式傳感器自感式傳感器 采用差動式結構(differential structure)，除了可以改善非線性、提高靈敏度外，對電源電壓與頻率的波動(fluctuation)及溫度變化等外界影響也有補償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性(stability) 。圖3-8表示傳感器非線性改善的情況。圖3-8 差動式自感傳感器的輸出特性3.2 自感式傳感器自感式傳感器二二. .測量電路測量電路1.電橋電路電橋電路 自感式傳感器常用的交流電橋有以下幾種。圖3-9 輸出端對稱電橋 ()一般形式；()變壓器電橋3.2 自感式傳感

17、器自感式傳感器(1)輸出端對稱電橋 圖3-9(a)為輸出端對稱電橋的一般形式。圖中Z1、Z2為傳感器兩線圈阻抗， 為外接電阻，通常 。設工作時， ，電源電勢為E，于是210201002010222111,RRLLLrrrjLrZjLrZ、RRR21ZZZ1ZZZ2ELjrLELjrLjrEZZEUo0000222(3-43)輸出電壓幅值和阻抗分別為3.2 自感式傳感器自感式傳感器ELrLELrrLU202020202220)(2)(2(3-44)2/)()(2020LrRZ(3-45)式(3-43)經(jīng)變換和整理后可寫成0022202011112rrLLQQjLLQQrrQEU(3-46) 式中

18、 Q電感線圈的品質因數(shù)， 。 00/LrQ3.2 自感式傳感器自感式傳感器由式(3-46)可見，電橋輸出電壓 包含著與電源 同相和正交的兩個分量；而在實際使用時，希望只存在同相分量。通常由于 ，因此要求線圈有較高的Q值，這時0U00/rrLLLLEU20(3-47)圖(b)是圖(a)的變型，稱為變壓器電橋。它以變壓器兩個次級作為電橋平衡臂。顯然，其輸出特性同(a)。由于變壓器次級的阻抗通常遠小于電感線圈的阻抗，?？珊雎裕谑禽敵鲎杩故?3-22)變?yōu)?.2 自感式傳感器自感式傳感器2/22020LrZ(3-48)圖(b)與圖(a)相比，使用元件少，輸出阻抗小，電橋開路時電路呈線性，因此應用較廣

19、。 圖3-10 電源端對稱電橋 3.2 自感式傳感器自感式傳感器(2)電源端對稱電橋 如圖3-10所示電橋輸出電壓為ZZRZZZREZZZZREU211221011設工作時 ，則有ZZZZZZ21,2002202)(2jLrRLjrREZRZZREU(3-49)輸出電壓幅值和阻抗分別為ELRrLRjLrRLrERU2020202022022(3-50)3.2 自感式傳感器自感式傳感器這種電橋由于變壓器次級接地，可避免靜電感應干擾，但由于開路時電橋本身存在非線性，故只適用于示值范圍較小的測量。當采用交流電橋作測量電路時，輸出電壓的極性反映了傳感器銜鐵運動的方向。(3-51)20202020)()

20、()(2LrRLrRZ3.2 自感式傳感器自感式傳感器2.諧振電路諧振電路(resonant circuit) 諧振電路如圖3-11(a)所示。圖中Z為傳感器線圈，E為激勵電源。設圖(b)中曲線1為圖(a)回路的諧振曲線。若激勵源的頻率為f，則可確定其工作在A點。當傳感器線圈電感量變化時，諧振曲線將左右移動，工作點就在同一頻率的縱坐標直線上移動(例如移至B點)，于是輸出電壓的幅值就發(fā)生相應變化。這種電路靈敏度很高，但非線性嚴重，常與單線圈自感式傳感器配合，用于測量范圍小或線性度要求不高的場合。3.2 自感式傳感器自感式傳感器圖3-11 ()諧振電路 ()諧振曲線3.2 自感式傳感器自感式傳感器

21、 3.恒流源電路恒流源電路(constant current source circuit) 這種電路與大位移(螺管式)自感傳感器配用，見圖3-12。傳感器線圈用恒流源激勵，1是銜鐵在螺管線圈內移動時線圈兩端的電壓，2是與1反相、幅值恒定的電壓，0為電路輸出電壓。于是，01-2。2的作用是抵消電壓的非線性部分，使輸出電壓呈線性。由圖可見，當銜鐵剛進入傳感器線圈時，其電壓靈敏度dU/da較低，線性也較差。當a后，靈敏度提高，線性改善，進入工作區(qū)域。3.2 自感式傳感器自感式傳感器圖3-12 大位移自感式傳感器工作原理 ()電原理圖；()輸出特性3.2 自感式傳感器自感式傳感器4.調頻電路調頻電路

22、(frequency modulation circuit)圖3-14 電感調頻式位移傳感器結構圖 1諧振電容；2調頻振蕩器；3電感線圈；4磁性套筒；5導桿(銜鐵)3.2 自感式傳感器自感式傳感器當傳感器線圈電感L發(fā)生變化時，調頻振蕩器的輸出頻率相應變化。利用階梯形無骨架線圈，可使銜鐵的位移變化與輸出頻差變化呈線性關系。傳感器的結構見圖3-14。由于輸出為頻率信號，這種電路的抗干擾能力很強，電纜長度可達1km，特別適合于野外現(xiàn)場使用。3.2 自感式傳感器自感式傳感器5.相敏檢波電路相敏檢波電路(phase sensitive detection circuit)相敏檢波電路是常用的判別電路。下

23、面以帶二極管式環(huán)形相敏檢波的交流電橋為例介紹該電路的作用。圖3.15 相敏檢波電路 ()帶相敏檢波的交流電橋；()實用電路3.2 自感式傳感器自感式傳感器 如圖3.11(a)所示，Z1、Z2為傳感器兩線圈的阻抗，Z3Z4構成另兩個橋臂，U為供橋電壓，U為輸出。當銜鐵處于中間位置時，Z1Z2Z，電橋平衡，U0。若銜鐵上移，Z1增大，Z2減小。如供橋電壓為正半周，即A點電位高于B點，二極管D1、D4導通，D2、D3截止。在AECB支路中，C點電位由于Z1增大而降低；在AFDB支路中，D點電位由于Z2減小而增高。因此D點電位高于C點，輸出信號為正3.2 自感式傳感器自感式傳感器 如供橋電壓為負半周，

24、B點電位高于A 點，二極管D2、D3導通，D1、D4截止。在BCFA支路中，C點電位由于Z2減小而比平衡時降低；在BDEA支路中，D點電位則因Z1增大而比平衡時增高。因此D點電位仍高于C點，輸出信號仍為正。同理可以證明，銜鐵下移時輸出信號總為負。于是，輸出信號的正負代表了銜鐵位移的方向。 實際采用的電路如圖3.15(b)所示。L1、L2為傳感器的兩個線圈，C1、C2為另兩個橋臂。電橋供橋電壓由變壓器B的次級提供。R1、R2、R3、R4為四個線繞電阻，用于減小溫度誤差。C3為濾波電容，Rw1為調零電位器，Rw2為調倍率電位器，輸出信號由電壓表V指示。3.2 自感式傳感器自感式傳感器三三. .自感

25、式傳感器的誤差自感式傳感器的誤差1.輸出特性的非線性輸出特性的非線性(nonlinearity of output) 各種自感式傳感器，都在原理上或實際上存在非線性誤差(error of nonlinearity)。測量電路也往往存在非線性。為了減小非線性，常用的方法是采用差動結構(differential structure)和限制測量范圍。圖3-18 階梯形線圈(stepped coil)3.2 自感式傳感器自感式傳感器 對于螺管式(solenoid)自感傳感器，增加線圈的長度有利于擴大線性范圍或提高線性度。在工藝上應注意導磁體(magnetizer)和線圈骨架(coil frame)的加

26、工精度、導磁體材料與線圈繞制的均勻性(uniformity)，對于差動式則應保證其對稱性(symmetry)，合理選擇銜鐵長度和線圈匝數(shù)(turns of coil)。另一種有效的方法是采用階梯形線圈(stepped coil)，如圖3-18所示。2.零位誤差零位誤差(zero point error) 差動自感式傳感器當銜鐵位于中間位置時，電橋輸出理論上應為零，但實際上總存在零位不平衡電壓輸出(零位電壓)，造成零位誤差，如圖3-19(a)所示。過大的零位電壓會使放大器提前飽和，若傳感器輸出作為伺服系統(tǒng)的控制信號，零位電壓還會使伺服電機發(fā)熱，甚至產(chǎn)生零位誤動作。3.2 自感式傳感器自感式傳感器

27、零位電壓的組成十分復雜，如圖3.19(b)所示。它包含有基波(fundamental wave)和高次諧波(high order harmonics)圖3-19 零位誤差 ()零位電壓；()相應波形3.2 自感式傳感器自感式傳感器 產(chǎn)生基波分量的主要原因是傳感器兩線圈的電氣參數(shù)(electrical parameters)和幾何尺寸(geometric size)的不對稱(dissymmetry)，以及構成電橋另外兩臂的電氣參數(shù)不一致。由于基波同相分量可以通過調整銜鐵的位置(偏離deviate機械零位)來消除，通常注重的是基波正交分量(orthogonal component)。 造成高次諧波

28、分量的主要原因是磁性材料磁化曲線(magnetization curve)的非線性，同時由于磁滯損耗(magnetic hysteresis loss)和兩線圈磁路(magnetic circuit)的不對稱，造成兩線圈中某些高次諧波成分不一樣，不能對消(cancel) ，于是產(chǎn)生了零位電壓的高次諧波。此外，激勵信號(excitation signal)中包含的高次諧波及外界電磁場的干擾，也會產(chǎn)生高次諧波。應合理選擇磁性材料與激勵電流，使傳感器工作在磁化曲線的線性區(qū)。減少激勵電流的諧波成分與利用外殼進行電磁屏蔽也能有效地減小高次諧波。3.2 自感式傳感器自感式傳感器 一種常用的方法是采用補償電

29、路，其原理為： (1)串聯(lián)電阻(series resistor)消除基波零位電壓； (2)并聯(lián)電阻(parallel resistor)消除高次諧波零位電壓； (3)加并聯(lián)電容(parallel capacitor)消除基波正交分量或高次諧波分量。圖3-20 零位電壓補償電路 ()典型接法；()實際電路3.2 自感式傳感器自感式傳感器 圖3-20()示出了上述原理的典型接法。圖中Ra用來減小基波正交分量，作用是使線圈的有效電阻值趨于相等，大小約為0.10.5，可用康銅(constantan)絲繞制。Rb用來減小二、三次諧波，其作用是對某一線圈(接于A、B間或B、C間)進行分流，以改變磁化曲線的

30、工作點，阻值通常為幾百幾十k。電容C用來補償變壓器次級線圈的不對稱，其值通常為100500F。有時為了制造與調節(jié)方便，可在C、D間加接一電位器R，利用R與Ra的差值對基波正交分量進行補償。圖(b)示出了一種傳感器的實際補償電路。3.2 自感式傳感器自感式傳感器另一種有效的方法是采用外接測量電路來減小零位電壓。如前述的相敏檢波電路，它能有效地消除基波正交分量與偶次諧波分量，減小奇次諧波分量，使傳感器零位電壓減至極小。此外還可采用磁路調節(jié)機構(如可調端蓋)保證磁路的對稱性，來減小零位電壓。3.溫度誤差溫度誤差(temperature error)環(huán)境溫度的變化會引起自感傳感器的零點溫度漂移、靈敏度

31、溫度漂移以及線性度和相位的變化，造成溫度誤差。3.2 自感式傳感器自感式傳感器 環(huán)境溫度對自感傳感器的影響主要通過：(1)材料的線膨脹系數(shù)(coefficient of linear expansion)引起零件尺寸的變化；(2)材料的電阻率(resistivity)溫度系數(shù)(temperature coefficient)引起線圈銅阻的變化；(3)磁性材料磁導率(magnetic conductivity)溫度系數(shù)、繞組(winding)絕緣材料(insulation material)的介質(medium)溫度系數(shù)和線圈幾何尺寸變化引起線圈電感量及寄生電容的改變等造成。 上述因素對單電感傳

32、感器(single inductance sensor)影響較大，特別對小氣隙式與螺管式影響更大，而第(2)項對低頻激勵(low frequency excitation)的傳感器影響較大。3.2 自感式傳感器自感式傳感器對于高精度傳感器，特別是小量程傳感器，如果結構設計不合理，即使是差動式，溫度影響也不容忽視。對于高精度傳感器及其測量裝置，其材料除滿足磁性能要求外，還應注意線膨脹系數(shù)的大小與匹配。為此，有些傳感器采用了陶瓷、聚砜、夾布膠木、弱磁不銹鋼等材料作線圈骨架，或采用脫胎線圈。3.2 自感式傳感器自感式傳感器4.激勵電源激勵電源(excitation source)的影響的影響大多數(shù)自

33、感式傳感器采用交流電橋(AC bridge)作測量電路，電源電壓的波動將直接導致輸出信號的波動。采用差動工作方式，其影響將能得到補償。但需注意，頻率的高低應與鐵心材料相匹配。對于諧振式與恒流源式測量電路，電源頻率與電流的穩(wěn)定度將直接引起測量誤差。對于調頻式測量電路，則應保證直流電源的穩(wěn)定度。3.2 自感式傳感器自感式傳感器互感式傳感器(mutual inductive sensor)是一種線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器。其原理類似于變壓器(transformer)。不同的是：后者為閉合磁路(closed magnetic circuit)，前者為開磁路(open magnetic ci

34、rcuit)；后者初、次級間的互感(mutual induction)為常數(shù)，前者初、次級間的互感隨銜鐵移動而變，且兩個次級繞組按差動方式工作，因此又稱為差動變壓器。它與自感式傳感器統(tǒng)稱為電感式傳感器。本節(jié)在敘述差動變壓器工作原理的基礎上，將著重介紹它與自感式傳感器的不同。3.3 互感式傳感器互感式傳感器第三節(jié)第三節(jié) 互感式傳感器互感式傳感器一一. .工作原理與類型工作原理與類型 在忽略線圈寄生電容(parasitic capacitance)與鐵心損耗(iron core loss)的情況下，差動變壓器的等效電路如圖3-22所示。圖3-22 差動變壓器的等效電路3.3 互感式傳感器互感式傳感

35、器圖中U，I初級線圈激勵電壓與電流(頻率為)； L1，R1初級線圈電感與電阻； M1，M2分別為初級與次級線圈1，2間的互感； L21，L22和R21，R22分別為兩個次級線圈的電感和電阻。根據(jù)變壓器原理，傳感器開路輸出電壓為兩次級線圈感應電勢之差：IMMjEEUo212221(3-53)3.3 互感式傳感器互感式傳感器當銜鐵在中間位置時，若兩次級線圈參數(shù)與磁路尺寸相等，則M1M2M，U00。當銜鐵偏離中間位置時，M1M2，由于差動工作，有M1M+M1，M2M-M2。在一定范圍內，M1M2M，差值(M1-M2)與銜鐵位移成比例。于是，在負載開路情況下，輸出電壓及其有效值分別為MLjRUjIMM

36、jU112102(3-54)MMELRMUUSO2221210(3-55)3.3 互感式傳感器互感式傳感器式中 ESO銜鐵在中間位置時，單個次級線圈的感應電勢2121/LRMUESO輸出阻抗22212221LjLjRRZ(3-56)差動變壓器也有變氣隙式、變面積式與螺管式三種類型.圖3-23(a)所示為變氣隙式，靈敏度較高，但測量范圍小，一般用于測量幾到幾百的位移.3.3 互感式傳感器互感式傳感器由式(3-53)可知，差動變壓器的輸出特性與初級線圈對兩個次級線圈的互感之差有關。結構型式不同，互感的計算方法也不同。型差動變壓器的輸出特性為：圖3-23(a) 變氣隙式3.3 互感式傳感器互感式傳感

37、器式中 為初始氣隙；W1為初級線圈匝數(shù)；W2為次級線圈匝數(shù)；為銜鐵上移量 上式表明，輸出電壓U0與銜鐵位移成比例，輸出特性曲線如圖3-24所示。式中負號表明向上為正時，輸出電壓U0與電源電壓U反相；向下為負時，兩者同相。 0210WWUU(3-64)3.3 互感式傳感器互感式傳感器圖3-24 差動變壓器的特性 ()輸出特性；()相位特性由式(3-64)可得形差動變壓器的靈敏度表達式1200WWUUK(3-65)3.3 互感式傳感器互感式傳感器可見傳感器的靈敏度隨電源電壓U和變壓比W2/W1的增大而提高，隨初始氣隙增大而降低。增加次級匝數(shù)W2與增大激勵電壓U將提高靈敏度。但W2過大，會使傳感器體

38、積變大，且使零位電壓增大；U過大，易造成發(fā)熱而影響穩(wěn)定性，還可能出現(xiàn)磁飽和，因此常取0.58V，并使功率限制在1VA以下。由式(3-54)可知，當激勵頻率過低時，L1R1時，式(3-54)變?yōu)閁LMU102(3-36) 此時，靈敏度與頻率無關，為一常數(shù)。 當繼續(xù)增加超過某一數(shù)值時(該值視鐵心材料而異)，由于導線趨膚效應(skin effect)和鐵損等影響而使靈敏度下降(見圖3-25)。通常應按所用鐵心材料，選取合適的較高激勵頻率，以保持靈敏度不變。這樣，既可放寬對激勵源頻率的穩(wěn)定度要求，又可在一定激勵電壓條件下減少磁通或匝數(shù)，從而減小尺寸。 3.3 互感式傳感器互感式傳感器圖3-25 激勵頻

39、率與靈敏度的關系圖3-23(e) 微動同步器內電路圖3.3 互感式傳感器互感式傳感器下面介紹變面積式（如微動同步器synchronizer）： 差動式變壓器也可做成改變導磁面積的變面積式。 但用于測量直線的極少，常用來測量角位移(angular displacement)，如圖3-23(e)。這樣輸出電壓為：keeeeU)(232124220k微動同步器的靈敏度， 轉子的轉角3.3 互感式傳感器互感式傳感器二二. .測量電路測量電路一般采用反串電路(antiseries circuit)和橋路兩種。 反串電路是直接把兩個二次線圈反向串接（如圖3-22）。這種情況下空載輸出電壓等于二次側線圈感應

40、電動勢之差，即： 22210EEU圖3-22 二次線圈反串電路 圖3-23 差動變壓器使用橋路3.3 互感式傳感器互感式傳感器橋路如圖3-23所示：其中R1，R2是橋臂電阻，Rw是供調零用的電位器。設R1R2，則輸出電壓2)(22212221222210EEERRREEU(3-37)可見橋路的靈敏度為前面的0.5，但其優(yōu)點是利用Rw可進行調零，不再需要另外配置調零電路。3.3 互感式傳感器互感式傳感器三三. .互感式傳感器的誤差互感式傳感器的誤差 自感式傳感器的誤差分析均適用于差動變壓器。所不同的是差動變壓器多了一個初級線圈。當溫度變化時，初級線圈的參數(shù)尤其銅阻的變化影響較大。設溫度變化()，

41、初級線圈銅阻R增加R，銅線電阻溫度系數(shù)為+0.4/，由此引起的次級輸出電壓的相對變化為tRLRLRRUU11111100/1004. 0/1/(3-38) 由上式可知，低頻激勵時線圈的品質因數(shù)(Q/R)低，溫度誤差大。為此應提高初級線圈的品質因數(shù)。3.3 互感式傳感器互感式傳感器為減小溫度誤差，還可采取穩(wěn)定激勵電流的方法，如圖3-39所示。在初級串入一高阻值降壓電阻(voltage dropping resistor)R，或同時串入熱敏電阻(thermal resistor)RT進行補償。適當選擇RT，可使溫度變化時原邊總電阻近似不變，從而使激勵電流保持恒定。圖3-39 溫度補償電路3.3 互

42、感式傳感器互感式傳感器差動變壓器由于采用反串電路，其零位電壓的補償電路形式與自感式傳感器不盡相同，基本原則是：串聯(lián)電阻用以減小零位電壓的基波分量；并聯(lián)電阻、電容用以減小諧波分量；加反饋支路用以減小基波和諧波分量。圖3-30列出了一些典型的補償電路。3.3 互感式傳感器互感式傳感器圖3-30 差動變壓器零位電壓補償電路3.3 互感式傳感器互感式傳感器四四. .電感式傳感器的應用電感式傳感器的應用 電感式傳感器主要用于測量位移與尺寸，也可測量能轉換成位移變化的其他參數(shù)，如力force、張力tension、壓力pressure、壓差pressure difference、振動vibration、應變

43、strain、轉矩torque、流量flow、比重specific gravity等。位移與尺寸測量壓力測量力和力矩測量振動測量3.3 互感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器(Eddy Current Sensor)是利用電渦流效應進行工作的。由于結構簡單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質的影響，并能進行非接觸測量，適用范圍廣，它一問世就受到各國的重視。目前，這種傳感器已廣泛用來測量位移、振動、厚度、轉速、溫度、硬度(degree of hardness)等參數(shù)，以及用于無損探傷(nondestructive flaw detection)領域。第四節(jié)第四節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器3

44、.4 電渦流式傳感器電渦流式傳感器第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器一一. .工作原理工作原理圖3-35 電渦流式傳感器的基本原理第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器如圖3-35所示，有一通以交變電流的傳感器線圈。由于電流的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場H1。若被測導體置于該磁場范圍內，導體內便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個新磁場H2，H2與H1方向相反，力圖削弱原磁場H1,從而導致線圈的電感、阻抗和品質因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導體的幾何形狀、電導率、磁導率、線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測導體間的距離有關。如果控制上述參數(shù)中一個參數(shù)改變，余者皆不變，就能構成測量該參數(shù)的傳感

45、器。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖3-36 等效電路 為分析方便，我們將被測導體上形成的電渦流等效為一個短路環(huán)(short circuit loop)中的電流。這樣，線圈與被測導體便等效為相互耦合(mutual coupling)的兩個線圈，如圖3-36所示。設線圈的電阻為R1，電感為L1，阻抗為Z1=R1+jL1；短路環(huán)的電阻為R2，電感為L2；線圈與短路環(huán)之間的互感系數(shù)(coefficient of mutual inductance)為M。 第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 M隨它們之間的距離x減小而增大。加在線圈兩端的激勵電壓為。根據(jù)基爾霍夫定律(Kirchhoff

46、 law)，可列出電壓平衡方程組022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR解之得2222121222212222222212222222111)()()()(LRIMRjILMLRIMjILLRMLjRLRMRUI第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器由此可求得線圈受金屬導體渦流影響后的等效阻抗(equivalent impedance)為2222222122222221)()(LRMLLjLRMRRZ(3-69)線圈的等效電感為22222221)( LRMLLL(3-70)第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器由式(3-69)可見，由于渦流的影響，線圈阻抗的實數(shù)部分增大，

47、虛數(shù)部分減小，因此線圈的品質因數(shù)Q下降。阻抗由Z1變?yōu)閆，常稱其變化部分為“反射阻抗(reflective resistance)”。由式(3-69)可得22221222221201/1ZMRRZMLLQQ(3-71)式中 無渦流影響時線圈的Q值； 短路環(huán)的阻抗。110/RLQ222222LRZ第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器Q值的下降是由于渦流損耗(eddy current loss)所引起，并與金屬材料的導電性(electric conductivity)和距離x直接有關。當金屬導體是磁性材料時，影響Q值的還有磁滯損耗與磁性材料對等效電感的作用。在這種情況下，線圈與磁性材料所構成磁

48、路的等效磁導率(magnetic conductivity)e的變化將影響L。當距離x減小時，由于e增大而使式(3-70)中之L1變大。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器由式(3-69)(3-71)可知，線圈-金屬導體系統(tǒng)的阻抗、電感和品質因數(shù)都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)。而互感系數(shù)又是距離x的非線性函數(shù)，因此當構成電渦流式位移傳感器時，Z=f1(x)、L=f2(x)、Q=f3(x)都是非線性函數(shù)。但在一定范圍內，可以將這些函數(shù)近似地用一線性函數(shù)來表示，于是在該范圍內通過測量Z、L或Q的變化就可以線性地獲得位移的變化。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器二二. .測量電路測量電路根據(jù)

49、電渦流式傳感器的工作原理，其測量電路有三種：諧振電路(resonant circuit)、電橋電路與Q值測試電路。這里主要介紹諧振電路。目前電渦流式傳感器所用的諧振電路有三種類型：定頻調幅式(amplitude modulation w/ fixed frequency)、變頻調幅式(amplitude modulation w/ variable frequency)與調頻式(frequency modulation)。1.定頻調幅電路定頻調幅電路下頁圖3-43為這種電路的原理框圖。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖中L為傳感器線圈電感，與電容C組成并聯(lián)諧振回路，晶體振蕩器提供高頻激

50、勵信號。在無被測導體時，LC并聯(lián)諧振回路調諧在與晶體振蕩器頻率一致的諧振狀態(tài)，這時回路阻抗最大，回路壓降最大(下頁圖3-44中之U0)。圖3-43 定頻調幅電路框圖第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器當傳感器接近被測導體時，損耗功率增大，回路失諧(detune)，輸出電壓相應變小。這樣，在一定范圍內，輸出電壓幅值與間隙(位移)成近似線性關系。由于輸出電壓的頻率f0始終恒定，因此稱定頻調幅式。圖3-44 定頻調幅諧振曲線第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 LC回路諧振頻率的偏移如圖3-44所示。當被測導體為軟磁材料(magnetic soft material)時，由于L增大而使諧振頻

51、率下降(向左偏移)。當被測導體為非軟磁材料(non magnetic soft material)時則反之(向右偏移)。這種電路采用石英晶體(quartz crystal)振蕩器(oscilator)，旨在獲得高穩(wěn)定度頻率的高頻激勵信號，以保證穩(wěn)定的輸出。因為振蕩頻率若變化1%，一般將引起輸出電壓10%的漂移。 圖3-43中R為耦合電阻，用來減小傳感器對振蕩器的影響，并作為恒流源的內阻。R的大小直接影響靈敏度：R大靈敏度低，R小則靈敏度高；但R過小時，由于對振蕩器起旁路作用，也會使靈敏度降低。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 諧振回路的輸出電壓為高頻載波信號，信號較小，因此設有高頻放大

52、(amplification)、檢波(detection)和濾波(filtering)等環(huán)節(jié)，使輸出信號便于傳輸與測量。圖中源極輸出器是為減小振蕩器的負載而加。2.變頻調幅電路變頻調幅電路 定頻調幅電路雖然有很多優(yōu)點，并獲得廣泛應用，但線路較復雜，裝調較困難，線性范圍也不夠寬。因此，人們又研究了一種變頻調幅電路，這種電路的基本原理基本原理是將傳感器線圈直接接入電容三點式振蕩回路。當導體接近傳感器線圈時，由于渦流效應的作用，振蕩器輸出電壓的幅度和頻率都發(fā)生變化，利用振蕩幅度的變化來檢測線圈與導體間的位移變化，而對頻率變化不予理會。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器變頻調幅電路的諧振曲線(r

53、esonance)如圖3-46所示。圖3-46 變頻調幅諧振曲線第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器無被測導體時，振蕩回路的Q值最高，振蕩電壓幅值最大，振蕩頻率為f0。當有金屬導體接近線圈時，渦流效應使回路Q值降低，諧振曲線變鈍，振蕩幅度降低，振蕩頻率也發(fā)生變化。當被測導體為軟磁材料時，由于磁效應的作用，諧振頻率降低，曲線左移；被測導體為非軟磁材料時，諧振頻率升高，曲線右移。所不同的是，振蕩器輸出電壓不是各諧振曲線與f0的交點，而是各諧振曲線峰點的連線。 第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器這種電路除結構簡單、成本較低外，還具有靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點，因此監(jiān)控等場合常采用它。必須指

54、出，該電路用于被測導體為軟磁材料時，雖由于磁效應的作用使靈敏度有所下降，但磁效應時對渦流效應的作用相當于在振蕩器中加入負反饋，因而能獲得很寬的線性范圍。所以如果配用渦流板進行測量，應選用軟磁材料。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器3.調頻電路調頻電路 調頻電路與變頻調幅電路一樣，將傳感器線圈接入電容三點式振蕩回路，所不同的是，以振蕩頻率的變化作為輸出信號。如欲以電壓作為輸出信號，則應后接鑒頻器(frequency discriminator)。 這種電路的關鍵是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。通?？梢詮沫h(huán)境溫度變化、電纜電容變化及負載影響三方面考慮。 提高諧振回路元件本身的穩(wěn)定性也是提高頻率穩(wěn)定

55、度的一個措施。為此，傳感器線圈L可采用熱繞工藝(hot winding process)繞制在低膨脹系數(shù)材料的骨架上，并配以高穩(wěn)定的云母(mica)電容或具有適當負溫度系數(shù)的電容(進行溫度補償)作為諧振電容C。此外，提高傳感器探頭的靈敏度也能提高儀器的相對穩(wěn)定性。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器三三. .電渦流式傳感器的應用電渦流式傳感器的應用 1.測位移測位移電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測量金屬件的靜態(tài)或動態(tài)位移，最大量程達數(shù)百毫米，分辨率為0.1%。目前電渦流位移傳感器的分辨力最高已做到0.05m(量程015m)。凡是可轉換為位移量的參數(shù)，都可用電渦流式傳感器測量，如機器轉

56、軸的軸向竄動、金屬材料的熱膨脹系數(shù)、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖3-49 液位監(jiān)控系統(tǒng)圖3-49為用電渦流式傳感器構成的液位監(jiān)控系統(tǒng)。如圖所示，通過浮子3與杠桿帶動渦流板1上下位移，由電渦流式傳感器2發(fā)出信號控制電動泵的開啟而使液位保持一定。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器v除前已介紹的低頻透射式(penetrative)電渦流傳感器外，高頻反射式(reflective)電渦流傳感器也可用于厚度測量。后者測板厚時，金屬板材厚度的變化相當于線圈與金屬表面間距離的改變，根據(jù)輸出電壓的變化即可知線圈與金屬表面間距離的變化，即板厚的變化。下頁圖3-

57、50所示為此應用一例。為克服金屬板移動過程中上下波動及帶材不夠平整的影響，常在板材上下兩側對稱放置兩個特性相同的傳感器L1與L2。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器2.測厚度測厚度圖3-50 測金屬板厚度示意圖第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器由圖可知，板厚dD-(x1+x2)。工作時，兩個傳感器分別測得x1和x2。板厚不變時，(x1+x2)為常值；板厚改變時，代表板厚偏差的(x1+x2)所反映的輸出電壓發(fā)生變化。測量不同厚度的板材時，可通過調節(jié)距離D來改變板厚設定值，并使偏差指示為零。這時，被測板厚即板厚設定值與偏差指示值的代數(shù)和。除上述非接觸式(contactless)測板厚(

58、slab thickness)外，利用電渦流式傳感器還可制成金屬鍍層(coating)厚度測量儀、接觸式(contacting)金屬或非金屬板厚測量儀。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 除此以外：(1)利用多個傳感器沿轉軸軸向(axial)排布，可測得各測點轉軸的瞬時振幅值，從而作出轉軸振型圖；(2)利用兩個傳感器沿轉軸徑向(radial)垂直安裝，可測得轉軸軸心軌跡；(3)在被測金屬旋轉體上開槽或作成齒輪狀，利用電渦流傳感器可測出該旋轉體的旋轉頻率或轉速(4)電渦流傳感器還可用作接近開關，金屬零件計數(shù)，尺寸或表面粗糙度檢測，等等。 電渦流傳感器測位移，由于測量范圍寬(wide ran

59、ge)、反應速度快(fast response)、可實現(xiàn)非接觸測量(contactless measurement)，常用于在線檢測(online detection)。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器3.測溫度測溫度在較小的溫度范圍內，導體的電阻率與溫度的關系為 式中 1、0分別為溫度t1與t0時的電阻率； a在給定溫度范圍內的電阻溫度系數(shù)若保持電渦流式傳感器的機、電、磁各參數(shù)不變，使傳感器的輸出只隨被測導體電阻率(electric resistivity)而變，就可測得溫度的變化。上述原理可用來測量液體、氣體介質溫度或金屬材料的表面溫度，適合于低溫到常溫的測量。）（0101t-ta

60、1(3-72)第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖3-51 測溫用渦流式傳感器1-補償線圈(compensation coil)；2-管架(frame tube)；3-測量線圈(measuring coil)；4-隔熱襯墊(insulation cushion)；5-溫度敏感元件(temperature sensitive element) 第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖3-51為一種測量液體或氣體介質溫度的電渦流式傳感器。它的優(yōu)點是：(1)不受金屬表面涂料、油、水等介質的影響；(2)可實現(xiàn)非接觸測量；(3)反應快。 目前已制成熱慣性時間常數(shù)僅1ms的電渦流溫度計。除上述應用