傳感器原理及應(yīng)用-第4章

1、一、自感式傳感器一、自感式傳感器二、差動變壓器二、差動變壓器三、電渦流式傳感器三、電渦流式傳感器主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：第四章第四章 電感式傳感器電感式傳感器本章重點：本章重點：基本要求：基本要求：l 自感式自感式傳感器結(jié)構(gòu)、原理傳感器結(jié)構(gòu)、原理；l 差動變壓器差動變壓器組成、原理、特點組成、原理、特點；l 差動整流電路及相敏檢波電路的差動整流電路及相敏檢波電路的工作原理工作原理；l 電渦流式傳感器的電渦流式傳感器的特點、工作原理及應(yīng)用特點、工作原理及應(yīng)用。 掌握三類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、特點、測量掌握三類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、特點、測量電路及其應(yīng)用；學(xué)會分析差動整流電路及相敏檢電路及其應(yīng)用；學(xué)會分析

2、差動整流電路及相敏檢波電路的工作原理，并能應(yīng)用。波電路的工作原理，并能應(yīng)用。定義：定義：把被測量轉(zhuǎn)換為線圈把被測量轉(zhuǎn)換為線圈自感自感或或互感互感變化的裝變化的裝置。置。感測量：感測量：位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。等。種類：種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式自感式和和互感式互感式兩種；兩種；電感式傳感器電感式傳感器自感式自感式可變磁阻式可變磁阻式渦流式渦流式互感式互感式優(yōu)點：優(yōu)點：不足：不足：存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)測量。存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)測量。 結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量力小結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量力小 銜鐵重為銜鐵重為0.52

3、0010-4N時，磁吸力為時，磁吸力為(110)10-4N。 分辨力高分辨力高 機械位移：機械位移：0.1m，甚至更小；角位移：，甚至更??；角位移：0.1角秒。角秒。 輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm 。 重復(fù)性好，線性度優(yōu)良重復(fù)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)，輸出特性的線的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。性度較好，且比較穩(wěn)定。4-1 自感式傳感器自感式傳感器 可變磁阻式可變磁阻式結(jié)構(gòu)有結(jié)構(gòu)有氣隙型氣隙型和和螺管型螺管型兩種。兩種。一、氣隙型自感傳感器一、氣隙型自感傳感器（一）工作原理（一）工作原理 1/2l12

4、3x(a)變氣隙式變氣隙式 (b)變截面式變截面式圖圖4-1 氣隙型電感傳感器氣隙型電感傳感器 組成：組成：線圈線圈1，銜鐵銜鐵3和和鐵芯鐵芯2等。等。 圖中點劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長度為圖中點劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長度為l 。N 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)Rm磁路總磁阻磁路總磁阻mRNL2 SlSlSlRm0222111 由磁路知，線圈自感為由磁路知，線圈自感為 因氣隙較小因氣隙較小(l為為0.11mm)，故認(rèn)為氣隙磁場是均，故認(rèn)為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為l1、l2鐵芯、鐵芯、銜鐵的磁路長度；銜鐵的磁路長度；S、S1、S2氣隙、鐵

5、芯、氣隙、鐵芯、銜鐵橫截面積；銜鐵橫截面積；1、2鐵芯、鐵芯、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?？諝庀犊傞L。鐵芯一般在非飽和狀態(tài)下，所以鐵芯一般在非飽和狀態(tài)下，所以 可見，可見，Lf (S，l)。若。若S不變，則構(gòu)成不變，則構(gòu)成變氣隙式變氣隙式傳感傳感器；若器；若l不變，則為不變，則為變截面式變截面式傳感器。傳感器。 L=f(l)為非線性關(guān)系?？紴榉蔷€性關(guān)系?？紤]導(dǎo)磁體磁阻，當(dāng)慮導(dǎo)磁體磁阻，當(dāng)l0時，時，L并不等于并不等于，在，在l較小時其特較小時其特性如虛線所示。性如虛線所示。 Lf(S)特性為一直線。特性為一直線。 lSNLr020 L=f

6、（S）L=f（l）lLS圖圖4-2 傳感器特性曲線傳感器特性曲線 SlSlSlNRNLm022211122 變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器202 lSNdldLK lLl 0L0021 lK l 輸出特性輸出特性非線性非線性；為獲得；為獲得較高靈敏度，氣隙初始值較高靈敏度，氣隙初始值l0不宜不宜過大。過大。l 為獲得較好線性關(guān)系，須限制測量范圍，使銜鐵位移在較為獲得較好線性關(guān)系，須限制測量范圍，使銜鐵位移在較小范圍內(nèi)變化，一般取小范圍內(nèi)變化，一般取 l=(0.10.2)l0。l 變氣隙式傳感器適用于微小位移測量，測量范圍：變氣隙式傳感器適用于微小位移測量，測量范圍：0.0011mm。 變

7、面積式自感傳感器變面積式自感傳感器常常數(shù)數(shù) lNdSdLK02l輸出特性為輸出特性為線性線性，測量范圍大。，測量范圍大。l要提高靈敏度，氣隙厚度要提高靈敏度，氣隙厚度l不能過大。不能過大。（二）變氣隙式傳感器特性分析（二）變氣隙式傳感器特性分析 rrrmllSlllSR 11100主要特性：主要特性：靈敏度靈敏度和和線性度線性度。 當(dāng)鐵芯和銜鐵采用同一導(dǎo)磁材料，且截面相同時，當(dāng)鐵芯和銜鐵采用同一導(dǎo)磁材料，且截面相同時，因為氣隙因為氣隙l較小，故可認(rèn)為氣隙磁通截面與鐵芯截面相較小，故可認(rèn)為氣隙磁通截面與鐵芯截面相等。設(shè)磁路總長為等。設(shè)磁路總長為 l ，則，則 一般一般r1，所以，所以 rrmll

8、SR 01rlllKLL 11當(dāng)氣隙減少當(dāng)氣隙減少l時時rrmllKllSNRNL 1022K 常數(shù)，常數(shù)，=N20Sr導(dǎo)磁體相對導(dǎo)磁體相對磁導(dǎo)率；磁導(dǎo)率； rrlllllLLL 1 rrllllllllLL 1111111自感的相對變化自感的相對變化同理，當(dāng)總氣隙長度增加同理，當(dāng)總氣隙長度增加l時，自感減小時，自感減小L2，即，即rllllLL 2 21111111rrrllllllllllll 21111111rrrllllllllllll 若忽略高次項，則若忽略高次項，則靈敏度靈敏度為為 rLlllLlLK 11 rllll 11線性度線性度lLL1L2 L0l0自感與氣隙變化呈自感與氣

9、隙變化呈非線性非線性關(guān)系，其非線性程度隨氣隙關(guān)系，其非線性程度隨氣隙相對變化相對變化l/l增大而增加；增大而增加；氣隙減少氣隙減少l引起的自感變化引起的自感變化L1與氣隙增加同樣與氣隙增加同樣l引引起的自感變化起的自感變化L2并不相等，即并不相等，即L1L2，其差值隨，其差值隨l/l的增加而增大。的增加而增大。圖圖4-3 氣隙型傳感器氣隙型傳感器L-特性特性 由于轉(zhuǎn)換原理的由于轉(zhuǎn)換原理的非線性非線性和銜鐵正、反方向移動時和銜鐵正、反方向移動時電感變化量的不對稱性，因此變間隙式傳感器（包括電感變化量的不對稱性，因此變間隙式傳感器（包括差動式傳感器）為了保證一定的線性精度，只能工作差動式傳感器）為

10、了保證一定的線性精度，只能工作在很小的區(qū)域，用于在很小的區(qū)域，用于微小位移微小位移的測量。的測量。注意：注意： 差動差動結(jié)構(gòu)由兩個電氣參數(shù)和磁路完全相同的結(jié)構(gòu)由兩個電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成。當(dāng)銜鐵線圈組成。當(dāng)銜鐵3移動時，一線圈自感增加，另移動時，一線圈自感增加，另一線圈自感減少。一線圈自感減少。EUSC1342RR(l-l)/2(l-l)/2 如將這兩個差動線圈如將這兩個差動線圈分別接入電橋鄰臂，則當(dāng)分別接入電橋鄰臂，則當(dāng)磁路總氣隙改變磁路總氣隙改變l時，自時，自感相對變化為感相對變化為 221111112rrllllllllLLLLL 圖圖4-4 差動變氣隙型電感傳感器差動變氣隙型

11、電感傳感器l 差動變氣隙式自感傳感器原理差動變氣隙式自感傳感器原理rLlllLlLK 1122)(11 rllll 靈敏度比單線圈傳感器靈敏度比單線圈傳感器提高一倍提高一倍； 差動式傳感器差動式傳感器非線性失真小非線性失真小。當(dāng)。當(dāng)l/l=10時（略時（略去去llr），單線圈），單線圈10；差動式；差動式1。可見：可見： l/mm75502505075100L/mH10025LD43211234-ll 差動氣隙式傳感器差動氣隙式傳感器l/l與與l/(lr)的變化受到的變化受到靈靈敏度敏度和和非線性失真非線性失真相互制約，只能適當(dāng)選取。相互制約，只能適當(dāng)選取。1線圈線圈的特性；的特性；2線圈線圈

12、的特性；的特性；3線圈線圈與與差接時的自感特性；差接時的自感特性；4差接后電橋電壓與位移間的特性曲線差接后電橋電壓與位移間的特性曲線。 差動變氣隙式自感傳感器差動變氣隙式自感傳感器l/l0.10.2時，非線性誤差時，非線性誤差在在3左右。其工作行程左右。其工作行程l很很小 ， 若小 ， 若 l= 2 m m ， 則， 則 l為為0.20.4mm。圖圖4-5 差動式自感傳感器的輸出特性差動式自感傳感器的輸出特性圖圖4-6 單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖二、二、螺管型自感傳感器螺管型自感傳感器rx螺旋管螺旋管鐵心鐵心l有有單線圈單線圈和和差動式差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。兩種結(jié)構(gòu)形式。

13、單線圈單線圈元件為一元件為一螺管線圈螺管線圈和一圓柱形和一圓柱形鐵芯鐵芯。傳感器。傳感器工作時，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起螺管線工作時，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起螺管線圈自感值改變。圈自感值改變。單線圈螺管式自感傳感器單線圈螺管式自感傳感器特點：特點：結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但靈敏度低，適用于結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移較大位移( (數(shù)毫米數(shù)毫米) )測量。測量。 工作原理：工作原理：當(dāng)鐵芯在線圈中當(dāng)鐵芯在線圈中運動時，將改變磁路運動時，將改變磁路磁阻磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。使線圈自感發(fā)生變化。 螺管線圈在軸向產(chǎn)生的磁場，根據(jù)圖螺管線圈在軸向產(chǎn)生的磁場，根據(jù)圖4

14、- -7和和畢奧畢奧沙伐沙伐拉普拉斯定律拉普拉斯定律可得：可得：)cos(cos2210 nIBl n線圈單位長度的匝數(shù)，線圈單位長度的匝數(shù)，n=N/l； l 螺管線圈長度；螺管線圈長度； N線圈總匝數(shù)；線圈總匝數(shù)；1，2螺線管中心任意點至兩端螺線管中心任意點至兩端點連線與中心線的夾角。點連線與中心線的夾角。式中：式中：圖圖4-7 螺管線圈軸向磁場螺管線圈軸向磁場分布計算分布計算圖圖221cosrxx 222)(cosrxlxl )(222220rxxrxlxlInBl )(222220rxxrxlxllIN )(22222rxxrxlxllINH 則則rxl1.00.80.60.40.20.

15、2 0.4 0.60.81.0H（ ）INlx（l）圖圖4-8 螺管線圈內(nèi)磁場分布曲線螺管線圈內(nèi)磁場分布曲線此式曲線如圖此式曲線如圖4-8所示。所示。 鐵 芯 在 開 始 插 入鐵 芯 在 開 始 插 入（x=0）或?qū)㈦x開線圈時）或?qū)㈦x開線圈時的靈敏度，比鐵芯插入線的靈敏度，比鐵芯插入線圈圈1/2長度時的靈敏度小長度時的靈敏度小得多。這說明在得多。這說明在線圈中段線圈中段才有較高的才有較高的靈敏度靈敏度，和較，和較好的好的線性線性特性。特性。 如果如果l r，可忽略有限長線圈內(nèi)磁場強度的，可忽略有限長線圈內(nèi)磁場強度的不均勻性，近似認(rèn)為在不均勻性，近似認(rèn)為在xl/2時，磁場強度為時，磁場強度為l

16、INH 在沒有鐵芯時，線圈電感在沒有鐵芯時，線圈電感L為為HlNrL7222104 若加入鐵芯，且其插入長度與線圈長度相同，半若加入鐵芯，且其插入長度與線圈長度相同，半徑為徑為rc，則電感增加到，則電感增加到HlrrNlrrNlrNLcrcrc7222272222722210)1(410)(4104 11112rccccrrllllLL 如果鐵芯長度如果鐵芯長度lc小于線圈長度小于線圈長度l，則線圈電感為，則線圈電感為HlrllrNrNlllllrrNlllLccrcccrcc7222227222222210)1(4104)1(4 當(dāng)當(dāng)lc增加增加lc時，則時，則HlrlllrNLLcccr7

17、2222210)(1(4 HllrNLcrc7222210)1(4 若被測量與若被測量與l lc c成成正比，則與正比，則與L L也成正也成正比。實際上由于磁場比。實際上由于磁場強度分布不均勻，輸強度分布不均勻，輸入與輸出間的關(guān)系是入與輸出間的關(guān)系是非線性非線性的。的。l 差動螺管式自感傳感器差動螺管式自感傳感器目的：目的：提高靈敏度與線性度。提高靈敏度與線性度。測量范圍：測量范圍：(550)mm；非線性誤差：非線性誤差：0.5左右。左右。 2222222)()(2rxxrxlxlrxlxllINH沿沿軸向軸向磁場強度分布為：磁場強度分布為：2lclc2l線圈線圈r0.80.60.40.20.

18、20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（ ）INlx(l)(a)(b)(a)結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 (b)磁場分布曲線磁場分布曲線圖圖4-9 差動螺旋管式自感傳感器差動螺旋管式自感傳感器 圖圖(b)中中H=f(x)曲曲線表明：為了得到較線表明：為了得到較好的線性，鐵芯長度好的線性，鐵芯長度取取0.6l以內(nèi)。以內(nèi)。 設(shè)鐵芯長度設(shè)鐵芯長度2lc，小于線圈長度，小于線圈長度2l，當(dāng)鐵芯向線，當(dāng)鐵芯向線圈圈移動移動lc，線圈，線圈電感增加電感增加L2，線圈，線圈電感變電感變化化L1，與與L2大小相等，符號相反，差動輸出為：大小相等，符號相反，差動輸出為： 11112221rc

19、cccrrllllLLLLL 說明：說明：L/L與鐵芯長度相對變化與鐵芯長度相對變化lc/lc成正比，比單螺成正比，比單螺管式電感傳感器靈敏度管式電感傳感器靈敏度高一倍高一倍。 為增大靈敏度，應(yīng)使線圈與鐵芯尺寸比值為增大靈敏度，應(yīng)使線圈與鐵芯尺寸比值l/lc和和r/rc趨于趨于1，且選用鐵芯磁導(dǎo)率，且選用鐵芯磁導(dǎo)率r大的材料。大的材料。螺管式傳感器特點：螺管式傳感器特點： 結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易；結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易； 由于空氣間隙大，磁路磁阻高，因此靈敏度低，由于空氣間隙大，磁路磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大；但線性范圍大； 由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾；由于磁路大部分為空氣

20、，易受外部磁場干擾； 由于磁阻高，為了達到某一自感量，需要的線圈由于磁阻高，為了達到某一自感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大；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，否則影響線要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響線性和穩(wěn)定性。性和穩(wěn)定性。 三、自感線圈的等效電路三、自感線圈的等效電路 除電感外，還包括：線圈的除電感外，還包括：線圈的銅損電阻銅損電阻（Rc）、鐵芯、鐵芯的的渦流損耗電阻渦流損耗電阻（Re）和線圈的和線圈的寄生電容寄生電容（C）。CLRcRe圖圖4-10 電感傳感器等效電路圖電感傳感器等效電路圖（一）銅損電阻（一）銅損電阻Rc24dNlRcpcc

21、式中式中 lpc線圈的平均匝長。線圈的平均匝長。（二）渦流損耗電阻（二）渦流損耗電阻Re 鐵芯疊片的并聯(lián)鐵芯疊片的并聯(lián)渦流損耗電阻渦流損耗電阻，在鐵芯材料使，在鐵芯材料使用頻率范圍內(nèi)，不僅與用頻率范圍內(nèi)，不僅與頻率頻率無關(guān)，而且與鐵芯材料的無關(guān)，而且與鐵芯材料的導(dǎo)磁率導(dǎo)磁率無關(guān)。無關(guān)。 2212ltSNRie （三）并聯(lián)寄生電容（三）并聯(lián)寄生電容主要由線圈的主要由線圈的固有電容固有電容及及電纜分布電容電纜分布電容組成。組成。 設(shè)設(shè)RsRc+Re為總等效損耗電阻，在不考慮電容為總等效損耗電阻，在不考慮電容C時，其串聯(lián)等效阻抗為：時，其串聯(lián)等效阻抗為：LjRZs 考慮并聯(lián)電容考慮并聯(lián)電容C時，等效

22、阻抗為：時，等效阻抗為： CjLjRCjLjRZssP 11 sRLQ 22222222222111QLCLCQLCLCLjQLCLCRs 當(dāng)當(dāng)Q1時，可簡化為：時，可簡化為： PPsPLjRLCLjLCRZ 22211 并聯(lián)電容并聯(lián)電容C的存在，使等效電阻和等效電感增大，的存在，使等效電阻和等效電感增大，等效等效Qp值減少為：值減少為：QLCRLQPPP)1(2 其電感的相對變化為：其電感的相對變化為：LdLLCLdLPP211 可見：可見：并聯(lián)電容后，傳感器靈敏度提高。因此在測量并聯(lián)電容后，傳感器靈敏度提高。因此在測量中若需要中若需要改變電纜長度改變電纜長度則應(yīng)對靈敏度則應(yīng)對靈敏度重新校準(zhǔn)

23、重新校準(zhǔn)。四、測量電路四、測量電路電橋平衡條件：電橋平衡條件：圖圖4-11 交流電橋原理圖交流電橋原理圖ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE2121RRZZ ZRZZZZEULLSC 2 為為提高靈敏度，改善線性度提高靈敏度，改善線性度，一般接成差動形式。，一般接成差動形式。（一）普通交流電橋（一）普通交流電橋設(shè)設(shè) Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=L工作時，工作時，Z1=Z+Z和和Z2=Z-Z輸出電壓幅值輸出電壓幅值 LjRLjREZZEUSSSC 22當(dāng)當(dāng)ZL時時 ELRLELRRLUSSSSC222222222 2)(22LRRZ

24、S 輸出阻抗輸出阻抗 SSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222為自感線圈品質(zhì)因數(shù)。為自感線圈品質(zhì)因數(shù)。SRLQ 開路輸出可整理為：開路輸出可整理為： 可見：可見：Usc包含與電源包含與電源E同相同相和和正交正交兩個分量。實際只希望兩個分量。實際只希望有有同相同相分量，如能使分量，如能使 或或Q值比較大，均能達此值比較大，均能達此目的。但目的。但RS/RS一般很小，所以要求線圈有高的品質(zhì)一般很小，所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù)，則因數(shù)，則SSRRLL LLEUsc 2其中其中 當(dāng)當(dāng)Q值很低時，自感線圈電感遠小于電阻，值很低時，自感線圈電感遠小于電阻，電感線圈相當(dāng)于純電阻電感線圈相當(dāng)于

25、純電阻(ZRs)，交流電橋即為電，交流電橋即為電阻電橋，此時輸出電壓阻電橋，此時輸出電壓 SSscRREU 2 該電橋結(jié)構(gòu)簡單，其電阻該電橋結(jié)構(gòu)簡單，其電阻R1、R2可用兩個電阻和可用兩個電阻和一個電位器組成，調(diào)零方便。一個電位器組成，調(diào)零方便。 圖圖4-12 變壓器電橋原理圖變壓器電橋原理圖（二）變壓器電橋（二）變壓器電橋21ZZEI 211221222ZZZZEEEZZZUSC 初始初始Z1=Z2=Z=RS+jL。工作。工作時，設(shè)時，設(shè)Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，則，則ZZEUSC 2Z1Z2USCE/2E/2EI 平衡臂為變壓器的兩個副邊，當(dāng)負(fù)載阻抗為無平衡臂為變壓器的兩個副邊，當(dāng)負(fù)載阻

26、抗為無窮大時，流入工作臂的電流為窮大時，流入工作臂的電流為 同理反方向移動時同理反方向移動時ZZEUSC 2可見：可見：銜鐵向不同方向移動時，輸出電壓大小相等、方銜鐵向不同方向移動時，輸出電壓大小相等、方向相反，即相位互差向相反，即相位互差180。但判別交流信號的相位，需。但判別交流信號的相位，需接入專門的接入專門的相敏檢波電路相敏檢波電路。 u 變壓器電橋的輸出幅值變壓器電橋的輸出幅值ELRLUSSC2222 優(yōu)點：優(yōu)點：與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出阻抗小，橋與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出阻抗小，橋路開路時電路呈線性；路開路時電路呈線性；2222LRZS u 輸出阻抗輸出阻抗（略去變壓

27、器副邊阻抗，其遠小于電感（略去變壓器副邊阻抗，其遠小于電感阻抗）阻抗）缺點：缺點：變壓器副邊不接地，易引起來自原邊的靜電感應(yīng)變壓器副邊不接地，易引起來自原邊的靜電感應(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。 （一）位移測量（一）位移測量 軸向式電感測軸向式電感測微器的外形微器的外形 航空插頭航空插頭紅寶石測頭紅寶石測頭五、應(yīng)用五、應(yīng)用其他電感測微頭其他電感測微頭軸向式電感測微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)軸向式電感測微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1引線電纜引線電纜 2固定磁筒固定磁筒 3銜鐵銜鐵 4線圈線圈 5測力彈簧測力彈簧 6防轉(zhuǎn)銷防轉(zhuǎn)銷 7鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承）鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承） 8測桿測桿 9密封

28、套密封套 10測端測端 11被測工件被測工件 12基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面 （二）電感式不圓度計原理（二）電感式不圓度計原理 該圓度計采用旁向式電感測微頭該圓度計采用旁向式電感測微頭電感式輪廓儀電感式輪廓儀 旁 向 式 電旁 向 式 電感測微頭感測微頭一、結(jié)構(gòu)原理與等效電路一、結(jié)構(gòu)原理與等效電路基本元件：基本元件：銜鐵、初級線圈、銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架。次級線圈和線圈框架。4-2 4-2 差動變壓器差動變壓器 分分氣隙型氣隙型和和螺管型螺管型兩種，多采用兩種，多采用螺管型螺管型變壓器。變壓器。(a)氣隙型氣隙型(b)螺管型螺管型1243123圖圖4-13 差動變壓器結(jié)構(gòu)圖差動變壓器結(jié)構(gòu)圖 初級

29、線圈作激勵用，相初級線圈作激勵用，相當(dāng)于變壓器原邊，次級線圈當(dāng)于變壓器原邊，次級線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串接而成，相當(dāng)個線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。于變壓器的副邊。1 初級線圈；初級線圈；2 次級線圈；次級線圈；3 銜鐵銜鐵圖圖4-14 差動變壓器線圈各種排列形式差動變壓器線圈各種排列形式321212112(a)(b)(c)(d)1 21123 三節(jié)式的零點電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、三節(jié)式的零點電位較小，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)式改善了線性度。線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了線性度。 螺管形差動變壓器根據(jù)初、次級排

30、列不同有螺管形差動變壓器根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。u 理想情況下差動變壓器的等效電路理想情況下差動變壓器的等效電路1111LjREI e1初級線圈激勵電壓；初級線圈激勵電壓； L1，R1 初級線圈電感和電阻；初級線圈電感和電阻；M1，M1 為初級與次級線圈為初級與次級線圈1，2間的互感；間的互感；L21，L22 兩次級線圈的電感；兩次級線圈的電感；R21，R22 兩次級線圈的電阻；兩次級線圈的電阻；e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1i1 由于由于il的存在，在次級的存在，在次級線圈中產(chǎn)生磁通線圈中

31、產(chǎn)生磁通11121mRIN 21122mRIN 初級線圈的復(fù)數(shù)電流值為初級線圈的復(fù)數(shù)電流值為圖圖4-15 差動變壓器等效電路差動變壓器等效電路 12221121IMjEIMjE 11212121mRNNINM 21212222mRNNINM 1111122212LjREMMjEEE 因此空載輸出電壓因此空載輸出電壓在次級線圈中感應(yīng)出電壓在次級線圈中感應(yīng)出電壓e21和和e22，其值分別為，其值分別為 21211212LREMME 22212221LLjRRZ 2222122221LLRRZ 其幅值其幅值輸出阻抗輸出阻抗或或副0e2e2e21e22x副原線圈其中其中x表示銜表示銜鐵偏離中心位鐵偏離

32、中心位置的距離。置的距離。 差動變壓器輸出電勢差動變壓器輸出電勢e2與銜鐵位移與銜鐵位移x的關(guān)系見圖。的關(guān)系見圖。 圖圖4-16 差動變壓器的輸出特征（差動變壓器的輸出特征（、為次級線圈）為次級線圈）二、誤差因素分析二、誤差因素分析u 激勵電壓幅值的波動，會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生激勵電壓幅值的波動，會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。變化，直接影響輸出電勢。u只要適當(dāng)?shù)剡x擇只要適當(dāng)?shù)剡x擇較高頻率較高頻率，頻率的波動影響不大。，頻率的波動影響不大。（一）激勵電壓幅值與頻率的影響（一）激勵電壓幅值與頻率的影響u環(huán)境溫度變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率變化，從而環(huán)境溫度變化，引起線圈及導(dǎo)

33、磁體磁導(dǎo)率變化，從而使線圈磁場發(fā)生變化，線圈品質(zhì)因數(shù)較低時，影響更大。使線圈磁場發(fā)生變化，線圈品質(zhì)因數(shù)較低時，影響更大。u采用采用恒流源恒流源激勵比激勵比恒壓源恒壓源激勵有利。激勵有利。u適當(dāng)提高線圈適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)并采用差動電橋可以減少溫度并采用差動電橋可以減少溫度影響。影響。 （二）溫度變化的影響（二）溫度變化的影響u 當(dāng)差動變壓器銜鐵處于中間位置時，理想條件下其當(dāng)差動變壓器銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上仍有一微小電壓值輸出電壓為零。但實際上仍有一微小電壓值(從零點幾從零點幾mV到數(shù)十到數(shù)十mV)存在，稱為存在，稱為零點殘余電壓零點殘余電壓。u 零點殘余

34、電壓的存在造成零點附近不靈敏；零點殘零點殘余電壓的存在造成零點附近不靈敏；零點殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和，影響余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作。電路正常工作。 （三）零點殘余電壓（三）零點殘余電壓e20 x-xe20圖圖4-17 差動變壓器的零點殘余電勢差動變壓器的零點殘余電勢1. 基波正交分量基波正交分量2. 基波同相分量基波同相分量3. 二次諧波二次諧波4. 三次諧波三次諧波5. 電磁干擾電磁干擾 圖中圖中e1為差動變壓器初級的激勵電壓，為差動變壓器初級的激勵電壓，e20包含包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和基波同相成分、基波正交成分

35、，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。幅值較小的電磁干擾等。 ee1e20e2012345(a)殘余電壓的波形殘余電壓的波形 (b)波形分析波形分析tt圖圖4-18 零點殘余電壓及其組成零點殘余電壓及其組成u 零點殘余電壓零點殘余電壓產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因基波分量基波分量 由于兩次級繞組不完全一致，故由于兩次級繞組不完全一致，故等效電路參數(shù)等效電路參數(shù)（M、L及及R）也不同，從而使兩繞組感應(yīng)電勢數(shù)值不等。又）也不同，從而使兩繞組感應(yīng)電勢數(shù)值不等。又因初級線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)不均因初級線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產(chǎn)勻，線圈匝間電

36、容的存在等因素，使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。生的磁通相位不同。 因相位誤差產(chǎn)生的零點因相位誤差產(chǎn)生的零點殘余電壓，無法通過調(diào)節(jié)銜殘余電壓，無法通過調(diào)節(jié)銜鐵的位移來消除。鐵的位移來消除。圖圖4-19 兩次級繞組相位差不等于兩次級繞組相位差不等于180時的差動輸出電壓時的差動輸出電壓高次諧波高次諧波 主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性非線性引起。由于引起。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(chǎn)生了非正弦（主要是三次諧波）磁通，波形不一致產(chǎn)生了非正弦（主要是三次諧波）磁通，從而在次級繞組感應(yīng)出非正弦電勢。從而

37、在次級繞組感應(yīng)出非正弦電勢。 同樣，由于磁化曲線非線同樣，由于磁化曲線非線性影響，使正弦磁通產(chǎn)生尖頂性影響，使正弦磁通產(chǎn)生尖頂電流波形（包含三次諧波）。電流波形（包含三次諧波）。 激勵電流波形失真，激勵電流波形失真，因因其內(nèi)含高次諧波分量，也將其內(nèi)含高次諧波分量，也將導(dǎo)致零點殘余電壓中有高次導(dǎo)致零點殘余電壓中有高次諧波成分。諧波成分。 圖圖4-20 磁化曲線非線性磁化曲線非線性引起磁通波形失真引起磁通波形失真u消除消除零點殘余電壓零點殘余電壓方法方法1 1從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性 （1）提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可

38、調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。 （2）選用高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)選用高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料，并經(jīng)熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的磁材料，并經(jīng)熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。均勻性和穩(wěn)定性。 （3）由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點應(yīng)由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點應(yīng)選在磁化曲線的線性段。選在磁化曲線的線性段。 采用采用相敏檢波電路相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且可以把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的而且可以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。零點殘余電壓消除掉。2 2選用合適的測量線路選用合

39、適的測量線路e2+x-x210 圖圖4-21 采用相敏檢波后的輸出特性采用相敏檢波后的輸出特性 如圖，采用相敏檢波后如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由銜鐵反行程時的特性曲線由1變到變到2，從而消除了零點殘余，從而消除了零點殘余電壓。電壓。3 3采用補償線路采用補償線路 由于兩次級線圈電壓相位不同，并聯(lián)電容可改由于兩次級線圈電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖改為電阻，如圖(a)虛線虛線所示。所示。R起分流作用使流入傳感器線圈電流發(fā)生變化，起分流作用使流入傳感器線圈電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線工作點，減小高次諧波產(chǎn)生的殘余從而改變

40、磁化曲線工作點，減小高次諧波產(chǎn)生的殘余電壓。圖電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級線圈電阻分量?？梢哉{(diào)整次級線圈電阻分量。 e1e2CRe1e2CR(a)(b) 圖圖4-22 調(diào)相位式殘余電壓補償電路調(diào)相位式殘余電壓補償電路 并聯(lián)電位器并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級用于電氣調(diào)零，改變兩次級線圈輸出電壓的相位。電容線圈輸出電壓的相位。電容C可防止調(diào)整電位器可防止調(diào)整電位器時使零點移動。時使零點移動。e1e2CR1R2W圖圖4-23 電位器調(diào)零點殘余電壓補償電路電位器調(diào)零點殘余電壓補償電路(b)e1e2R0W(a)e1e2L0W 接入接入R0(幾百幾百k)或補償線圈或補償線圈L0

41、(幾百匝幾百匝)，繞，繞在差動變壓器初級線圈上以減小負(fù)載電壓，避免負(fù)在差動變壓器初級線圈上以減小負(fù)載電壓，避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點殘余電壓。載不是純電阻而引起較大的零點殘余電壓。圖圖4-24 R或或L補償電路補償電路三、測量電路三、測量電路 差動變壓器輸出為差動變壓器輸出為交流調(diào)幅波交流調(diào)幅波，幅值與銜鐵，幅值與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測量只能反映銜鐵位位移成正比。用交流電壓表測量只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向，故常采用移的大小，不能反映移動的方向，故常采用差動差動整流電路整流電路和和相敏檢波電路相敏檢波電路進行測量。進行測量。 根據(jù)二級管根據(jù)二級管單向?qū)ㄔ韱蜗驅(qū)?/p>

42、通原理，無論次級線圈的輸出，無論次級線圈的輸出極性如何，通過電阻極性如何，通過電阻R的電流總是從的電流總是從d到到c。同理可分。同理可分析另一次級線圈的輸出。輸出的電壓波形見圖（析另一次級線圈的輸出。輸出的電壓波形見圖（b），），其值為其值為USC=eabecd。 （一）差動整流電路（一）差動整流電路1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21Uxc)T1Ux2UR0(d )圖圖4-25 差動整流電路差動整流電路（a）半波電壓輸出；（）半波電壓輸出；（b）半波電流輸出；）半波電流輸出；（c）全波電壓輸出；（）全波電壓輸出；（d）全波電流輸

43、出；）全波電流輸出； 圖圖4-26 全波整流電路和波形圖全波整流電路和波形圖(b)(a) 在在f點為點為“+”，則，則電流路徑是電流路徑是fgdche。反之，如反之，如f點為點為“-”，則電流路徑是則電流路徑是ehdcgf。he1gRRcabfdeUSC銜鐵在銜鐵在零位以下零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd銜鐵在銜鐵在零位以上零位以上銜鐵在銜鐵在零位零位（二）相敏檢波電路（二）相敏檢波電路容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。 圖中調(diào)制電壓圖中調(diào)制電壓er和和e同頻，經(jīng)移相器使同頻，經(jīng)移相器使er和和e保持同保持同相或反相

44、，且滿足相或反相，且滿足ere。調(diào)節(jié)電位器。調(diào)節(jié)電位器R可調(diào)平衡，圖可調(diào)平衡，圖中電阻中電阻R1=R2=R0，電容，電容C1=C2=C0，輸出電壓為，輸出電壓為UCD。Ri1e1R1R2e21e22C2C1er移移相相器器D1D4D3D2CDABi3i2i4e 圖圖4-27 二級管相敏檢波電路圖二級管相敏檢波電路圖 當(dāng)鐵芯在中間時，當(dāng)鐵芯在中間時，e=0，只有，只有er起作用，輸出電壓起作用，輸出電壓UCD=0。若鐵芯上移，。若鐵芯上移，e0，設(shè)，設(shè)e和和er同相位，由于同相位，由于ere，故，故er正半周時正半周時D1、D2導(dǎo)通，但導(dǎo)通，但D1回路內(nèi)總電勢回路內(nèi)總電勢為為er+e/2，而，而

45、D2回路內(nèi)總電勢為回路內(nèi)總電勢為er-e/2，故回路電流，故回路電流i1i2，輸出電壓，輸出電壓UCD=R0（i1-i2）0。當(dāng)。當(dāng)er為負(fù)半周時，為負(fù)半周時， UCD=R0(i4-i3)0，因此鐵芯上移時輸出電壓，因此鐵芯上移時輸出電壓UCD0。 鐵芯下移時，鐵芯下移時，e和和er相位相反。同理可得相位相反。同理可得UCD0。 由此可見，該電路能由此可見，該電路能判別判別鐵芯移動的鐵芯移動的方向方向。 測量原理：測量原理： 調(diào)制與解調(diào)過程（調(diào)制與解調(diào)過程（波形轉(zhuǎn)換波形轉(zhuǎn)換）載波載波調(diào)制信號調(diào)制信號放大后的調(diào)幅波放大后的調(diào)幅波濾波后的波形濾波后的波形相敏檢波后的波形相敏檢波后的波形四、應(yīng)用四、

46、應(yīng)用測量測量振動、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度振動、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等。等。（一）差動變壓器式加速度傳感器（一）差動變壓器式加速度傳感器 用于測定振動體的頻率和振幅時，其激磁頻率必用于測定振動體的頻率和振幅時，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(jié)果。須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié)果。可測量的振幅為可測量的振幅為（0.15）mm，振動頻率為，振動頻率為（0150）Hz。 穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源振蕩器振蕩器檢檢波波器器濾濾波波器器(b)(a)220V加速度a方向a輸出輸出1211 彈性支承彈性支承 2 差動變壓器差動變壓器圖圖4-28 差動變壓器式加速度傳感器差動變

47、壓器式加速度傳感器（二）微壓力變送器（二）微壓力變送器 這種變送器可分檔測量這種變送器可分檔測量（51056105）N/m2壓壓力，輸出信號電壓為力，輸出信號電壓為（050）mV，精度為，精度為1.5級。級。 將差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和將差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式壓力傳感器。彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式壓力傳感器。220V1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動變壓器 6 銜鐵 7 罩殼V振蕩器穩(wěn)壓電源差動變壓器差動變壓器相敏檢波電路相敏檢波電路1234567圖圖4-29 微壓力變送器微壓力變送器u差動變壓器式傳感器差動

48、變壓器式傳感器特點特點：l 精度高（精度高（0.1 m數(shù)量級，最高可達數(shù)量級，最高可達0.01 m），高精度型），高精度型非線性誤差可達非線性誤差可達0.1% ； l 線性范圍大（可達線性范圍大（可達 100mm）；）； l 穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便 ； l 因包含機械結(jié)構(gòu)，頻率響應(yīng)較低，不宜測量高頻動態(tài)因包含機械結(jié)構(gòu)，頻率響應(yīng)較低，不宜測量高頻動態(tài)參量。參量。 （三）差動變壓器位移傳感器（三）差動變壓器位移傳感器4-3 4-3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 渦流大小與渦流大小與導(dǎo)體電阻率導(dǎo)體電阻率、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率以及產(chǎn)生交變以及產(chǎn)生交變磁場的線圈與被測體之間磁場

49、的線圈與被測體之間距距離離d、線圈激勵電流的、線圈激勵電流的頻率頻率f有關(guān)。有關(guān)。 置于交變磁場中的導(dǎo)體置于交變磁場中的導(dǎo)體上會產(chǎn)生感生電流，此電流上會產(chǎn)生感生電流，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合，稱為在導(dǎo)體內(nèi)閉合，稱為渦流渦流。1I1H傳感器激勵線圈(a)(b)2H2I被測金屬導(dǎo)體傳感器激勵電流圖圖4-30 電渦流式傳感器原理圖電渦流式傳感器原理圖一、渦流效應(yīng)與測量原理一、渦流效應(yīng)與測量原理 根據(jù)根據(jù)法拉第定律法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流流I1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1，使，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流置于

50、此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新又產(chǎn)生新的交變磁場的交變磁場H2。根據(jù)根據(jù)愣次定律愣次定律， H2的作用將反抗原磁場的作用將反抗原磁場H1，由于，由于磁場磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。這種物理現(xiàn)象稱之為金屬線圈的等效阻抗發(fā)生變化。這種物理現(xiàn)象稱之為金屬導(dǎo)體的導(dǎo)體的渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)。（一）渦流效應(yīng)（一）渦流效應(yīng) 傳感器線圈受電渦流影響時等效阻抗傳感器線圈受電渦流影響時等效阻抗Z的函數(shù)的函數(shù)關(guān)系式為關(guān)系式為),(drfZ 式中式中, r為線圈與被測體的尺寸因子。為線圈與被測體的尺寸因子。 如果保持上式

51、中其它參數(shù)不變，而只改變其中一如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗個參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。 （二）測量原理（二）測量原理u 渦流穿透深度渦流穿透深度fhrf 3 .50 可見：可見：渦流穿透深度渦流穿透深度hf和激勵頻率和激勵頻率f有關(guān)，顯然頻率愈高，有關(guān)，顯然頻率愈高，渦流渦流集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)愈顯著，渦流穿透深度愈小。愈顯著，渦流穿透深度愈小。 根據(jù)激勵頻率分根據(jù)激勵頻率分

52、高頻反射式高頻反射式和和低頻透射式低頻透射式兩類，兩類，高高頻反射式頻反射式應(yīng)用廣泛。應(yīng)用廣泛。 導(dǎo)體電阻率導(dǎo)體電阻率(cm)；r導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率；導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率； f 交變磁場頻率交變磁場頻率(Hz)。 主要由一個安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此主要由一個安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開一條槽溝，將導(dǎo)線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開一條槽溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。線繞在槽內(nèi)。二、高頻反射式渦流傳感器二、高頻反射式渦流傳感器（一）結(jié)構(gòu)和工作原理（一）結(jié)構(gòu)和工作原理 右圖為右圖為CZF1型渦型渦流傳感器結(jié)構(gòu)原理。流傳感器結(jié)構(gòu)原理。它采取將導(dǎo)線繞在聚它采取將導(dǎo)線繞在

53、聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)6123451-線圈線圈 2-框架框架 3-襯套襯套 4-支架支架 5-電纜電纜 6-插頭插頭圖圖4-31 CFZ1型渦流式傳感器型渦流式傳感器iedMe圖圖4-32 電渦流傳感器原理圖電渦流傳感器原理圖 傳感器線圈由高頻信號激勵，產(chǎn)生高頻交變磁場傳感器線圈由高頻信號激勵，產(chǎn)生高頻交變磁場i。當(dāng)被測導(dǎo)體靠近線圈時，在導(dǎo)體表層產(chǎn)生與此磁。當(dāng)被測導(dǎo)體靠近線圈時，在導(dǎo)體表層產(chǎn)生與此磁場相交鏈的電渦流場相交鏈的電渦流ie，而此渦流又會產(chǎn)生一交變磁場，而此渦流又會產(chǎn)生一交變磁場e阻礙外磁場的變化。阻礙外磁場

54、的變化。2、工作原理、工作原理 由 于 存 在 電 渦 流 損 耗由 于 存 在 電 渦 流 損 耗（當(dāng)頻率較高時，忽略（當(dāng)頻率較高時，忽略磁損磁損耗耗），消耗了能量，因此使），消耗了能量，因此使傳感器傳感器Q值和等效阻抗值和等效阻抗Z、電、電感感L均會發(fā)生變化，測出這些均會發(fā)生變化，測出這些變化即可獲得被測參數(shù)。變化即可獲得被測參數(shù)。（二）等效電路（二）等效電路 把金屬導(dǎo)體看做一個把金屬導(dǎo)體看做一個短路線圈短路線圈，它與傳感器，它與傳感器線圈有磁耦合，可以得到圖示的等效電路。線圈有磁耦合，可以得到圖示的等效電路。 圖圖4-33 高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器等效電路等效電路L1L2

55、R1R2ME1I2I 02222121111ILjIRIMjEIMjILjIR 根據(jù)克希荷夫定律及所設(shè)電流正方向，有方程根據(jù)克希荷夫定律及所設(shè)電流正方向，有方程解出解出 ，得線圈的等效阻抗為：，得線圈的等效阻抗為： 21,II 22222221222222211)()(LLRMLjRLRMRIEZ 受電渦流影響后線圈的等效電感為：受電渦流影響后線圈的等效電感為： 22222221)(LLRMLL 線圈的等效品質(zhì)因數(shù)為線圈的等效品質(zhì)因數(shù)為 ：RLQ 從麥克斯韋互感系數(shù)的基本公式出發(fā)，可以求得從麥克斯韋互感系數(shù)的基本公式出發(fā)，可以求得M是兩個磁性相聯(lián)線圈間距離是兩個磁性相聯(lián)線圈間距離d的非線性函數(shù)

56、。因此，的非線性函數(shù)。因此，Z=Fl(d)、L=F2(d)、Q=F3(d)均是非線性函數(shù)。但是，在均是非線性函數(shù)。但是，在某一范圍內(nèi)，可以將這些函數(shù)關(guān)系近似地看成線性。也某一范圍內(nèi)，可以將這些函數(shù)關(guān)系近似地看成線性。也就是說，渦流式位移傳感器不是在電渦流整個波及范圍就是說，渦流式位移傳感器不是在電渦流整個波及范圍內(nèi)都能呈內(nèi)都能呈線性變換線性變換的。的。 可見：可見：傳感器線圈等效阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)傳感器線圈等效阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)都是都是M平方的函數(shù)。平方的函數(shù)。 L1與與靜磁效應(yīng)靜磁效應(yīng)有關(guān)。線圈與導(dǎo)體構(gòu)成一個磁路，其有關(guān)。線圈與導(dǎo)體構(gòu)成一個磁路，其有效磁導(dǎo)率有效磁導(dǎo)率r取決于此磁路的性質(zhì)

57、：若導(dǎo)體為磁性材料，取決于此磁路的性質(zhì)：若導(dǎo)體為磁性材料，r隨導(dǎo)體與線圈距離隨導(dǎo)體與線圈距離d的減小而增大，的減小而增大，L1隨之增大；若導(dǎo)隨之增大；若導(dǎo)體為非磁性材料，則體為非磁性材料，則r和和d無關(guān)，即無關(guān)，即L1不變。不變。 式中第二項為渦流回路的式中第二項為渦流回路的反射電感反射電感。當(dāng)被測物體為。當(dāng)被測物體為非非磁性材料磁性材料或或硬磁材料硬磁材料時，傳感器線圈的等效電感時，傳感器線圈的等效電感L隨導(dǎo)體隨導(dǎo)體與線圈距離與線圈距離d的減小而減?。槐粶y導(dǎo)體為的減小而減?。槐粶y導(dǎo)體為軟磁材料軟磁材料時，則時，則由于由于靜磁效應(yīng)靜磁效應(yīng)使傳感器線圈的等效電感使傳感器線圈的等效電感L反而增大。

58、反而增大。22222221)(LLRMLL 為提高傳感器靈敏度，常用一個電容與電渦為提高傳感器靈敏度，常用一個電容與電渦流線圈并聯(lián)，構(gòu)成流線圈并聯(lián)，構(gòu)成并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路。 無被測導(dǎo)體時，傳感無被測導(dǎo)體時，傳感器調(diào)諧到某一諧振頻率器調(diào)諧到某一諧振頻率f0。當(dāng)有被測導(dǎo)體時，回路將當(dāng)有被測導(dǎo)體時，回路將失諧失諧：被測體為：被測體為非鐵磁材非鐵磁材料或硬磁材料料或硬磁材料時，因傳感時，因傳感器線圈等效電感減小，諧器線圈等效電感減小，諧振曲線振曲線右移右移；當(dāng)被測體為；當(dāng)被測體為軟磁材料軟磁材料時，其電感量增時，其電感量增大，諧振曲線大，諧振曲線左移左移，如圖，如圖所示。所示。 fLfLLCf

59、21圖圖4-34 固定頻率調(diào)幅諧振曲線固定頻率調(diào)幅諧振曲線 當(dāng)線圈載流頻率一定時，傳感器當(dāng)線圈載流頻率一定時，傳感器LC回路的阻回路的阻抗變化即反映了電感的變化，又反映了抗變化即反映了電感的變化，又反映了Q值變化。值變化。（三）線圈形狀、尺寸對性能的影晌（三）線圈形狀、尺寸對性能的影晌1. 線圈僅是傳感器的一個組成部分，而另一組成部分是線圈僅是傳感器的一個組成部分，而另一組成部分是被測導(dǎo)體。由前述可知，在測量過程中被測導(dǎo)體。由前述可知，在測量過程中靜磁效應(yīng)靜磁效應(yīng)與與電渦電渦流效應(yīng)流效應(yīng)對傳感器線圈等效電感對傳感器線圈等效電感L的改變是相互制約的。的改變是相互制約的。因此若被測體是非磁性材料時

60、，傳感器的靈敏度較被測因此若被測體是非磁性材料時，傳感器的靈敏度較被測體是磁性材料時為高。體是磁性材料時為高。3. 線圈的厚度變化，僅在靠近線圈處對靈敏度才稍有線圈的厚度變化，僅在靠近線圈處對靈敏度才稍有影響。影響。4. 為使傳感器的溫度性能優(yōu)良，并且使為使傳感器的溫度性能優(yōu)良，并且使Q值增大，要求值增大，要求線圈框架材料損耗小、熱膨脹系數(shù)小、電性能好線圈框架材料損耗小、熱膨脹系數(shù)小、電性能好。2. 一般要求，被測金屬的最小尺寸大于傳感器線一般要求，被測金屬的最小尺寸大于傳感器線圈直徑的圈直徑的2倍；被測物為圓柱體時，其直徑要求大倍；被測物為圓柱體時，其直徑要求大于線圈直徑的于線圈直徑的3.5