《傳感器原理及應(yīng)用》程德福 第二章力傳感器2

1、1第二節(jié)第二節(jié) 電感式傳感器（變磁阻）電感式傳感器（變磁阻）l自感式傳感器自感式傳感器u氣隙型自感傳感器氣隙型自感傳感器u螺管型自感傳感器螺管型自感傳感器u自感線圈的等效電路自感線圈的等效電路u測(cè)量電路測(cè)量電路u自感式傳感器應(yīng)用自感式傳感器應(yīng)用l差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器u結(jié)構(gòu)原理與等效電路結(jié)構(gòu)原理與等效電路u誤差因素分析誤差因素分析u測(cè)量電路測(cè)量電路u應(yīng)用應(yīng)用l電渦流式傳感器電渦流式傳感器Inductive Transducer/sensor2定義：定義：是一種利用線圈自感或互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電是一種利用線圈自感或互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置，是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。測(cè)的裝置，是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。

2、感測(cè)量感測(cè)量：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。種類種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式和互感式兩種；：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式和互感式兩種； 根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型、面積型和螺管型。根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型、面積型和螺管型。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量力小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量力小銜鐵為銜鐵為(0.5200)10-4N時(shí)，磁吸力為時(shí)，磁吸力為(110)10-4N。分辨力高分辨力高機(jī)械位移：機(jī)械位移：0.1m，甚至更小；角位移：，甚至更?。唤俏灰疲?.1角秒。角秒。輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm 。重復(fù)性好，線性度優(yōu)良重復(fù)

3、性好，線性度優(yōu)良在幾十在幾十m到數(shù)百到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。較好，且比較穩(wěn)定。不足不足：存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。 3一、一、 自感式傳感器自感式傳感器 有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu)。有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu)。（一）氣隙型自感傳感器（一）氣隙型自感傳感器組成：線圈組成：線圈1，銜鐵，銜鐵3和鐵芯和鐵芯2等。等。圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長(zhǎng)度為圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長(zhǎng)度為l傳感器運(yùn)動(dòng)部分與銜傳感器運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，銜鐵移動(dòng)時(shí)鐵相連，銜鐵移動(dòng)時(shí)l l發(fā)生變化，引起磁發(fā)

4、生變化，引起磁路的磁阻路的磁阻R Rm m變化，使變化，使電芯線圈的電感值電芯線圈的電感值L L變化；只要改變氣隙變化；只要改變氣隙厚度或氣隙截面積就厚度或氣隙截面積就可以改變電感?？梢愿淖冸姼?。0.5l123x(a)氣隙式 (b)變截面式4電感傳感器的基本工作原理演示電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小氣隙變小，電感變大，電流變小F F5N：線圈匝數(shù)；：線圈匝數(shù)；Rm：磁路總磁阻：磁路總磁阻(鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻)氣隙式自感傳感器，因?yàn)闅庀遁^小氣隙式自感傳感器，因?yàn)闅庀遁^小(l為為0.11mm)，所，所以，認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，若忽略磁路鐵

5、損，則磁以，認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為路總磁阻為 l1：鐵芯磁路總長(zhǎng)；：鐵芯磁路總長(zhǎng)；l2：銜鐵的磁路長(zhǎng)；：銜鐵的磁路長(zhǎng)；S：隙磁通截面積；：隙磁通截面積； S1：鐵芯橫截面積；：鐵芯橫截面積；S2：銜鐵橫截面積；：銜鐵橫截面積；1：鐵芯磁導(dǎo)率；：鐵芯磁導(dǎo)率；2：銜鐵磁導(dǎo)率；：銜鐵磁導(dǎo)率；0：真空磁導(dǎo)率，：真空磁導(dǎo)率，0=410-7Hm； l：空氣隙總長(zhǎng)。：空氣隙總長(zhǎng)。mRNL2SlSlSlRm0222111由磁路基本知識(shí)知，線圈自感為由磁路基本知識(shí)知，線圈自感為SlSlSlNRNLm0222111226由于自感傳感器的鐵芯一般在非飽和狀態(tài)下，其磁導(dǎo)由于自感傳感器的鐵

6、芯一般在非飽和狀態(tài)下，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，所以上式可簡(jiǎn)化為小，所以上式可簡(jiǎn)化為 lSNL02可見(jiàn)，自感可見(jiàn)，自感L是氣隙截面積和長(zhǎng)度的函數(shù)，即是氣隙截面積和長(zhǎng)度的函數(shù)，即Lf(S,l)如果如果S保持不變，則保持不變，則L為為l的單值函數(shù)，構(gòu)成的單值函數(shù)，構(gòu)成變隙式自感變隙式自感傳感器傳感器；若保持；若保持l不變，使不變，使S隨位移變化，則構(gòu)成隨位移變化，則構(gòu)成變截變截面式自感傳感器面式自感傳感器。其特性曲線如圖。其特性曲線如圖。L=f（S）L=f（l）lLSL=f(l)為非線性關(guān)系。當(dāng)為非線性關(guān)系。當(dāng)l0時(shí)，時(shí)，

7、L為為，考慮導(dǎo)磁體的磁阻，當(dāng)，考慮導(dǎo)磁體的磁阻，當(dāng)l0時(shí)，并不等于時(shí)，并不等于，而具有一定的數(shù)，而具有一定的數(shù)值，在值，在l較小時(shí)其特性曲線如圖中虛較小時(shí)其特性曲線如圖中虛線所示。如上下移動(dòng)銜鐵使面積線所示。如上下移動(dòng)銜鐵使面積S改改變，從而改變變，從而改變L值時(shí)值時(shí),則則Lf(S)的特的特性曲線為一直線。性曲線為一直線。 7rx螺旋管鐵心單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖l（二）（二） 螺管型自感傳感器螺管型自感傳感器工作原理是基于線圈磁力線泄漏路徑上的磁阻的變化。工作原理是基于線圈磁力線泄漏路徑上的磁阻的變化。屬于大氣隙傳感器，分單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。屬于大氣隙傳感器，分單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)

8、形式。組成：螺管線圈和圓柱形鐵芯。組成：螺管線圈和圓柱形鐵芯。傳感器工作時(shí)，通過(guò)改變磁芯在線圈中的相對(duì)位置，引傳感器工作時(shí)，通過(guò)改變磁芯在線圈中的相對(duì)位置，引起螺管線圈自感量的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，假定線起螺管線圈自感量的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，假定線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，且磁芯插入線圈的長(zhǎng)度小于線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，且磁芯插入線圈的長(zhǎng)度小于線圈本身的長(zhǎng)度，則此時(shí)線圈的輸出的自感量為圈本身的長(zhǎng)度，則此時(shí)線圈的輸出的自感量為8L線圈的自感量；線圈的自感量；N線圈的匝數(shù)；線圈的匝數(shù)； rc磁芯半徑；磁芯半徑；r線圈的平均半徑；線圈的平均半徑；l螺管線圈長(zhǎng)度；螺管線圈長(zhǎng)度；lc磁芯插入線圈的長(zhǎng)度

9、；磁芯插入線圈的長(zhǎng)度；r鐵心相對(duì)磁導(dǎo)率。鐵心相對(duì)磁導(dǎo)率。根據(jù)傳感器靈敏度的定義，可得單線圈螺管型自感傳感根據(jù)傳感器靈敏度的定義，可得單線圈螺管型自感傳感器靈敏度器靈敏度7222221014ccrrllrlNL722221014crcrlNlLS)1/(1 )/)(/(12rccccrrlllllLL或或可見(jiàn)，在線圈和磁芯長(zhǎng)度一定時(shí)，自感相對(duì)變化量與磁芯插入可見(jiàn)，在線圈和磁芯長(zhǎng)度一定時(shí)，自感相對(duì)變化量與磁芯插入長(zhǎng)度的相對(duì)變化量成正比，但由于線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻性，長(zhǎng)度的相對(duì)變化量成正比，但由于線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻性，實(shí)際單線圈螺管型自感傳感器的輸出特性并非線性。而差動(dòng)螺實(shí)際單線圈螺管型自感傳

10、感器的輸出特性并非線性。而差動(dòng)螺管型自感傳感器較單線圈螺管型的非線性有所改善。管型自感傳感器較單線圈螺管型的非線性有所改善。 9為了提高靈敏度與線性為了提高靈敏度與線性度度,常采用由兩個(gè)線圈組常采用由兩個(gè)線圈組成的差動(dòng)螺管式自感傳成的差動(dòng)螺管式自感傳感器。圖感器。圖(b)中中H=f(x)曲曲線表明：為了得到較好線表明：為了得到較好的線性的線性,鐵芯長(zhǎng)度取鐵芯長(zhǎng)度取0.6l時(shí)時(shí),則鐵芯工作在則鐵芯工作在H曲線曲線的拐彎處的拐彎處,此時(shí)此時(shí)H變化小。變化小。這種差動(dòng)螺管式自感傳這種差動(dòng)螺管式自感傳感器的測(cè)量范圍為感器的測(cè)量范圍為(550)mm,非線性誤差在非線性誤差在0.5左右。左右。 2lclc

11、2l線圈線圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（ ）INl差動(dòng)螺旋管式自感傳感器(a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)磁場(chǎng)分布曲線x(l)(a)(b)10 綜上所述，螺管式自感傳感器的特點(diǎn)：綜上所述，螺管式自感傳感器的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易； 由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度 低，但線性范圍大；低，但線性范圍大； 由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾；由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾； 由于磁阻高，為了達(dá)到某一自感量，需要的線由于磁阻高，為了達(dá)到某一自感量，需

12、要的線 圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大；圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大； 要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響 其線性和穩(wěn)定性。其線性和穩(wěn)定性。 11（三）自感線圈的等效電路（三）自感線圈的等效電路 實(shí)際傳感器中包括：實(shí)際傳感器中包括：銅損電阻銅損電阻（Rc）N為線圈匝數(shù)，為線圈匝數(shù)，lcp為平均每匝長(zhǎng)度為平均每匝長(zhǎng)度d為線徑、為線徑、 c為導(dǎo)線電阻率為導(dǎo)線電阻率CLRcRe24dNlRcpcc渦流損耗電阻渦流損耗電阻（Re）并聯(lián)分布電容并聯(lián)分布電容（C）由線圈繞組的分布電容及電纜引線電容組成。并聯(lián)電由線圈繞組的分布電容及電纜引線電容組成。并聯(lián)電容后，傳

13、感器的靈敏度提高了。因此在測(cè)量中若需要容后，傳感器的靈敏度提高了。因此在測(cè)量中若需要改變電纜長(zhǎng)度時(shí)，則應(yīng)對(duì)傳感器的靈敏度重新校準(zhǔn)。改變電纜長(zhǎng)度時(shí)，則應(yīng)對(duì)傳感器的靈敏度重新校準(zhǔn)。222126ltSNLhtRie12（四）測(cè)量電路（四）測(cè)量電路1 1、交流電橋、交流電橋?qū)嶋H應(yīng)用中，交流電橋常和差動(dòng)式自感傳感器配合使用實(shí)際應(yīng)用中，交流電橋常和差動(dòng)式自感傳感器配合使用,這樣既提高了靈敏度，又改善了線性度這樣既提高了靈敏度，又改善了線性度，如圖。，如圖。Z1、Z2為工作臂，即線圈阻抗，為工作臂，即線圈阻抗，R1、R2為電橋的平衡臂為電橋的平衡臂 電橋平衡條件：電橋平衡條件：設(shè)設(shè)Z1=Z2=Z=RS+jL

14、；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=LE為橋路電源，為橋路電源，ZL是負(fù)載阻抗。是負(fù)載阻抗。工作時(shí)，工作時(shí)，Z1=Z+Z和和Z2=Z-ZZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流電橋原理圖USCE2121RRZZZRZZZZEULLSC213其輸出電壓幅值其輸出電壓幅值 LjRLjREZZEUSSSC22當(dāng)當(dāng)ZL時(shí)時(shí)ELRLELRRLUSSSSC222222222222LRRZS輸出阻抗輸出阻抗 SSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222SRLQ為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。教材中有誤14橋路輸出電壓橋路輸出電壓Usc包含與電源包含與電源E同相和

15、正交兩個(gè)分量。同相和正交兩個(gè)分量。在實(shí)際測(cè)量中，只希望有同相分量，如能使在實(shí)際測(cè)量中，只希望有同相分量，如能使 或或Q值比較大，均能達(dá)到此目的。但在實(shí)際工作時(shí)，值比較大，均能達(dá)到此目的。但在實(shí)際工作時(shí)，RS/ /RS一般很小，所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù)。一般很小，所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù)。當(dāng)當(dāng)Q值值 很高時(shí)，很高時(shí)，Usc ； SSRRLLLLE 2當(dāng)當(dāng)Q值很低時(shí)，自感線圈的電感遠(yuǎn)小于電阻，電感線值很低時(shí)，自感線圈的電感遠(yuǎn)小于電阻，電感線圈相當(dāng)于純電阻圈相當(dāng)于純電阻(ZRs)，交流電橋即為電阻電橋。，交流電橋即為電阻電橋。例如，應(yīng)變測(cè)量?jī)x，此時(shí)輸出電壓例如，應(yīng)變測(cè)量?jī)x，此時(shí)輸出電壓Usc=

16、。 該電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其電阻該電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其電阻R1、R2可用兩個(gè)電阻和一可用兩個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成，調(diào)零方便。個(gè)電位器組成，調(diào)零方便。 SSRRE 2SRLQ15Z1Z2USCE/2E/2E變壓器電橋原理圖I2 2、變壓器電橋、變壓器電橋平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊，當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊，當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，流入工作臂的電流為流入工作臂的電流為 21ZZEI212122122ZZZZEEZZZEUSC初始初始Z1=Z2=Z=RS+jL，故平，故平衡時(shí)，衡時(shí)，USC=0。雙臂工作時(shí)，。雙臂工作時(shí)，設(shè)設(shè)Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相當(dāng)，相當(dāng)于差動(dòng)式自感傳感器的銜鐵向于差動(dòng)

17、式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動(dòng)，則一側(cè)移動(dòng)，則ZZEUSC2同理反方向移動(dòng)時(shí)同理反方向移動(dòng)時(shí)ZZEUSC216可見(jiàn)，銜鐵向不同方向移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓可見(jiàn)，銜鐵向不同方向移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓Usc大大小相等、方向相反，即相位互差小相等、方向相反，即相位互差180 ，可反映銜鐵移動(dòng)，可反映銜鐵移動(dòng)的方向。但是，為了判別交流信號(hào)的相位，需接入專門(mén)的方向。但是，為了判別交流信號(hào)的相位，需接入專門(mén)的相敏檢波電路。的相敏檢波電路。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：變壓器變壓器電橋與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出電橋與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出阻抗小，橋路開(kāi)路時(shí)電路呈線性；阻抗小，橋路開(kāi)路時(shí)電路呈線性；缺點(diǎn)缺點(diǎn)：變壓器副

18、邊不接地，易引起來(lái)自原邊的靜電感應(yīng)：變壓器副邊不接地，易引起來(lái)自原邊的靜電感應(yīng)電壓，使高增益放大器不能工作。電壓，使高增益放大器不能工作。 ELRLUSSC22222222LRZS變壓器電橋的輸出電壓幅值變壓器電橋的輸出電壓幅值輸出阻抗為輸出阻抗為(略去變壓器副邊的阻杭，它遠(yuǎn)小于電感的略去變壓器副邊的阻杭，它遠(yuǎn)小于電感的阻抗阻抗)17（五）自感式傳感器的應(yīng)用（五）自感式傳感器的應(yīng)用 主要應(yīng)用于測(cè)量位移和尺寸，也可以測(cè)量能夠轉(zhuǎn)換為主要應(yīng)用于測(cè)量位移和尺寸，也可以測(cè)量能夠轉(zhuǎn)換為位移量的其他參數(shù)，如力、壓力、壓差、張力、加速位移量的其他參數(shù)，如力、壓力、壓差、張力、加速度、扭矩、應(yīng)變等。度、扭矩、應(yīng)

19、變等。軸向自感式傳感器 壓力傳感器18二、差動(dòng)變壓器二、差動(dòng)變壓器( (Differential Transformer Sensor) )（一）結(jié)構(gòu)原理與等效電路（一）結(jié)構(gòu)原理與等效電路分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器，可測(cè)量變壓器，可測(cè)量1 1100mm100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移。范圍內(nèi)的機(jī)械位移。 其基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、其基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和

20、參數(shù)相同的線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。五節(jié)式等形式。次次級(jí)級(jí)次次級(jí)級(jí)骨架骨架初初級(jí)級(jí)銜銜鐵鐵次次級(jí)級(jí)次次級(jí)級(jí)初初級(jí)級(jí)19321212112(a)(b)(c)(d)12112差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式1 初級(jí)線圈；2 次級(jí)線圈；3 銜鐵3三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。性范

21、圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。20在理想情況下在理想情況下(忽略線圈寄生忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗電容及銜鐵損耗)，差動(dòng)變壓，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖。器的等效電路如圖。初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為1111LjReIe2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1 e1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓初級(jí)線圈激勵(lì)電壓L1,R1初級(jí)線圈電感和電阻初級(jí)線圈電感和電阻M1,M1分別為初級(jí)與次級(jí)線圈分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1,2間的互感間的互感L21,L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感兩個(gè)次級(jí)線圈的電感R21,R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻I1激勵(lì)電壓的角頻率；激勵(lì)電壓的角頻率；

22、e1激勵(lì)電壓的復(fù)數(shù)值；激勵(lì)電壓的復(fù)數(shù)值；由于由于I Il的存在，在次級(jí)線圈的存在，在次級(jí)線圈中產(chǎn)生磁通中產(chǎn)生磁通11121mRIN21122mRINRm1及及Rm2分別為磁通通過(guò)初級(jí)線圈及兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻，分別為磁通通過(guò)初級(jí)線圈及兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻，N1為初級(jí)線圈匝數(shù)。為初級(jí)線圈匝數(shù)。2112221121IMjeIMje11212121mRNNINM21212222mRNNINM1111122212LjReMMjeeeN2為次級(jí)線圈匝數(shù)。為次級(jí)線圈匝數(shù)。因此空載輸出電壓因此空載輸出電壓在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和和e22，其值分別為，其值分別為21211212LReM

23、Me22212221LLjRRZ2222122221LLRRZ其幅數(shù)其幅數(shù)輸出阻抗輸出阻抗或或22副0e2e2e21e22x副原線圈 鐵芯向右移，鐵芯向右移， 輸出與輸出與e22 同極性；同極性； 鐵芯向左移，鐵芯向左移， 輸出與輸出與e21同極性；同極性；u輸出電壓的幅值取決于線圈互感即銜鐵在線圈中移輸出電壓的幅值取決于線圈互感即銜鐵在線圈中移動(dòng)的距離動(dòng)的距離X X。e2與與e1的相位由銜鐵的移動(dòng)方向決定。的相位由銜鐵的移動(dòng)方向決定。 23（二）（二） 誤差因素分析誤差因素分析1 1、激勵(lì)電源電壓幅值與頻率的影響、激勵(lì)電源電壓幅值與頻率的影響激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)激

24、勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢(shì)。差動(dòng)變壓器激勵(lì)頻率的選生變化，直接影響輸出電勢(shì)。差動(dòng)變壓器激勵(lì)頻率的選擇至少要大于銜鐵運(yùn)動(dòng)頻率的擇至少要大于銜鐵運(yùn)動(dòng)頻率的10倍，即可測(cè)信號(hào)頻率取倍，即可測(cè)信號(hào)頻率取決于激勵(lì)頻率，一般在決于激勵(lì)頻率，一般在2kHz以內(nèi)，另外還受到測(cè)量系以內(nèi)，另外還受到測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械負(fù)載效應(yīng)的限制。統(tǒng)機(jī)械負(fù)載效應(yīng)的限制。2 2、溫度變化的影響、溫度變化的影響在周圍環(huán)境溫度變化時(shí)，會(huì)引起差動(dòng)變壓器線圈電阻及在周圍環(huán)境溫度變化時(shí)，會(huì)引起差動(dòng)變壓器線圈電阻及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而導(dǎo)致輸出電壓、靈敏度、線導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而導(dǎo)致輸出電壓、靈敏度

25、、線性度和相位的變化。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，這種影響性度和相位的變化。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，這種影響更為嚴(yán)重。在這方面采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。更為嚴(yán)重。在這方面采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。影響。243 3、零點(diǎn)殘余電壓、零點(diǎn)殘余電壓當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，由于對(duì)稱的兩個(gè)當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，由于對(duì)稱的兩個(gè)次級(jí)線圈反向串接，理論上其輸出電壓為零。但實(shí)際上，次級(jí)線圈反向串接，理論上其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，差動(dòng)輸出電壓并不為零，總會(huì)有零當(dāng)使用橋式

26、電路時(shí)，差動(dòng)輸出電壓并不為零，總會(huì)有零點(diǎn)幾點(diǎn)幾mV到數(shù)十到數(shù)十mV的微小的電壓值存在，不論怎樣調(diào)整的微小的電壓值存在，不論怎樣調(diào)整也難以消除，我們把零位移時(shí)差動(dòng)變壓器輸出的電壓稱也難以消除，我們把零位移時(shí)差動(dòng)變壓器輸出的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓使得傳感器輸出特性不為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓使得傳感器輸出特性不過(guò)零點(diǎn)。過(guò)零點(diǎn)。0e2x-xe20如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和，影響使放大

27、器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作等。電路正常工作等。251 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圖中圖中e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓，為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓，e20包含基波同相包含基波同相成分、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。磁干擾等。 26零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：基波分量基波分量。由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全。由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致，因此它的一致，因此它的等效電路參數(shù)等效

28、電路參數(shù)（互感（互感M、自感、自感L及損耗及損耗電阻電阻R）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)數(shù)值不等。又因一次線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損數(shù)值不等。又因一次線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。 因此，因此，使得兩個(gè)次級(jí)線圈中的感應(yīng)電勢(shì)不僅數(shù)值不等使得兩個(gè)次級(jí)線圈中的感應(yīng)電勢(shì)不僅數(shù)值不等,相位也存在誤差。因相位誤差所產(chǎn)生的零點(diǎn)殘余電壓，相位也存在誤差。因相位誤差所產(chǎn)生的零點(diǎn)殘余電壓，無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)銜鐵的

29、位移來(lái)消除?？梢?jiàn)，無(wú)論銜鐵如何無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)銜鐵的位移來(lái)消除。可見(jiàn)，無(wú)論銜鐵如何移動(dòng)都不可能使合成電勢(shì)為零。移動(dòng)都不可能使合成電勢(shì)為零。 27零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：高次諧波高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的線的非線性非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦( (主主要是三次諧波要是三次諧波) )磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì)。弦電勢(shì)。另外，激勵(lì)電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量

30、，另外，激勵(lì)電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。 28消除零點(diǎn)殘余電壓方法：消除零點(diǎn)殘余電壓方法：1 1從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性要求提高銜鐵等重要零件的加工精度，兩次級(jí)線圈繞要求提高銜鐵等重要零件的加工精度，兩次級(jí)線圈繞法要完全一致，必要時(shí)對(duì)兩次級(jí)線圈進(jìn)行選配，把電感法要完全一致，必要時(shí)對(duì)兩次級(jí)線圈進(jìn)行選配，把電感和電阻值十分接近的兩線圈配對(duì)使用。和電阻值十分接近的兩線圈配對(duì)使用。磁性材料必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理，以消除內(nèi)部殘余應(yīng)力，磁性材料必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理，以消除內(nèi)部殘余應(yīng)力，并使其磁

31、性能的均勻性及穩(wěn)定性較好。并使其磁性能的均勻性及穩(wěn)定性較好。結(jié)構(gòu)上可采用磁路調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，以提高磁路的對(duì)稱結(jié)構(gòu)上可采用磁路調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，以提高磁路的對(duì)稱性。性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。曲線的線性段。 29消除零點(diǎn)殘余電壓方法：消除零點(diǎn)殘余電壓方法：2 2選用合適的測(cè)量線路選用合適的測(cè)量線路 選用合適的測(cè)量線路可減小零選用合適的測(cè)量線路可減小零點(diǎn)殘余電壓輸出。如采用相敏點(diǎn)殘余電壓輸出。如采用相敏檢波電路，可使經(jīng)相敏檢波后檢波電路，可使經(jīng)相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1 1變到變到2 2，

32、如圖。這樣的測(cè)量電，如圖。這樣的測(cè)量電路不僅可以鑒別銜鐵移動(dòng)方向，路不僅可以鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且可以把銜鐵在中間位置時(shí)，而且可以把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。壓消除掉。e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性303 3采用補(bǔ)償線路采用補(bǔ)償線路由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖改為電阻，如圖( (a) )。由于由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作

33、點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。圖殘余電壓。圖( (b) )中串聯(lián)電阻中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。阻分量。 e1e2CRe1e2CR(a)(b)調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路31并聯(lián)電位器并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級(jí)線圈輸出用于電氣調(diào)零，改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02F)可防止調(diào)整可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。e1e2CR1R2W電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路32R或L補(bǔ)償電路e1e2L0We1e2R0W(a)(b)接入接入R0( (幾百幾百k

34、) )或補(bǔ)償線圈或補(bǔ)償線圈L0( (幾百幾百匝匝) )。繞在差動(dòng)變壓。繞在差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈上以器的初級(jí)線圈上以減小負(fù)載電壓，避減小負(fù)載電壓，避免負(fù)載不是純電阻免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)而引起較大的零點(diǎn)殘余電壓。電路如殘余電壓。電路如圖。圖。 33（三）測(cè)量電路（三）測(cè)量電路 差動(dòng)變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成差動(dòng)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(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位正比。用交流電壓表測(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向，因此常采用差動(dòng)移的大小，不能反映移動(dòng)的方向，因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量。整流電路和相敏檢波電路

35、進(jìn)行測(cè)量。1 1、差動(dòng)整流電路、差動(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二極管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。根據(jù)半導(dǎo)體二極管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。34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)在在f點(diǎn)為點(diǎn)為“” ” ，則電流路徑是，則電流路徑是fgdche ( (參看參看圖圖a) )。反之，如。反之，如f點(diǎn)為點(diǎn)為“” ” ，則電流路徑是，則電流路徑是ehdcgf。352 2、相敏檢波電路、相敏檢波電路圖為二極管相敏檢波電路。圖中圖為二極管相敏檢波電路。圖中UR為參考電壓，其頻率與為參考電壓，其頻率與U0相同，相同，相位與相位與U0同相或反相，并且同相或反相，并且UR U0，即二極管的導(dǎo)通與否取決于，即二極管的導(dǎo)通與否取決于UR，工作原理：，工作原理： (1)銜鐵在中間位置時(shí)，銜鐵在中間位置時(shí)，U0= 0，