电感式传感器线位移及尺寸测量PPT讲稿.ppt

电感式传感器线位移及尺寸测量第1页，共74页，编辑于2022年，星期一 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器 4.2 4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 4.3 4.3 涡流传感器涡流传感器 4.4 4.4 感应同步器感应同步器 4.5 4.5 线位移及尺寸测量基本知识线位移及尺寸测量基本知识 4.6 4.6 电感式位移传感器电感式位移传感器 4.7 4.7 其它线位移及尺寸测量传感器其它线位移及尺寸测量传感器第第4 4章章 电感式传感器电感式传感器.线位移及尺寸测量线位移及尺寸测量 本章内容本章内容第2页，共74页，编辑于2022年，星期一绪绪 论论 电感式传感器是利用线圈电感式传感器是利用线圈自感自感（self-inductance of coils ）或或互感互感（mutual inductance of coils）的改变来实现测量的一种装置。可以测量的改变来实现测量的一种装置。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。位移、振动、压力、流量、比重等参数。电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将被测量转换成线圈电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有电感绕组。这类传感器的主要特征是具有电感绕组。习惯上讲的电感式传感器通常指习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器自感式传感器（变磁阻式变磁阻式reluctance variation sensors），而互感式传感器由于它利用变压器原理，又往往做成，而互感式传感器由于它利用变压器原理，又往往做成差动式，故称作差动式，故称作差动变压器差动变压器（linear variable differential transformers(LVDTs)）此外，利用涡流原理的电涡流式传感器（此外，利用涡流原理的电涡流式传感器（Eddy current sensors ）、利用材料压磁效应（）、利用材料压磁效应（Piezo-magnetic effect）的压磁式）的压磁式传感器、利用平面绕组互感原理的感应同步器传感器、利用平面绕组互感原理的感应同步器(I Inductosyn)等，亦属电感等，亦属电感式传感器式传感器Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第3页，共74页，编辑于2022年，星期一 特特 点点（1 1）工作可靠、寿命长；）工作可靠、寿命长；（2 2）灵敏度高、分辨率高）灵敏度高、分辨率高;位移位移:0.01m;:0.01m;角度角度0.10.1”;输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm mV/mm。（3 3）精度高、线性好）精度高、线性好;在几十在几十mm到数百到数百mmmm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。非线性误差：较稳定。非线性误差：0.05%0.1%；（4 4）性能稳定、重复性好。）性能稳定、重复性好。不足不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器 第4页，共74页，编辑于2022年，星期一4.14.1自感式自感式(变磁阻变磁阻)传感器传感器4.1.1工作原理工作原理1线圈线圈coil；2铁芯铁芯Magnetic core；3衔铁衔铁Moving coreself-inductance of coil is:式中：式中：N-number of turnsRM-reluctancex RM LPart A Part A 电感式传感器电感式传感器第5页，共74页，编辑于2022年，星期一因为气隙较小因为气隙较小(0.1(0.11mm)1mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为:铁芯磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小线圈自感线圈自感L为：为：分类：分类：变气隙厚度变气隙厚度的电感式传感器；的电感式传感器；变气隙面积变气隙面积S S的电感式传感器；的电感式传感器；变铁芯磁导率变铁芯磁导率的电感式传感器；的电感式传感器；Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第6页，共74页，编辑于2022年，星期一自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 1线圈线圈coil；2铁芯铁芯Magnetic core；3衔铁衔铁Moving core变气隙式变气隙式变截面式变截面式螺线管式螺线管式Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第7页，共74页，编辑于2022年，星期一L=f（S）L=f（）LSL=f()为非线性关系。当为非线性关系。当0时，时，L为为，考虑导磁体的磁阻，当，考虑导磁体的磁阻，当0时，并不等于时，并不等于，而具有一定的数值，而具有一定的数值，在在较小时其特性曲线如图中虚线较小时其特性曲线如图中虚线所示。如移动衔铁使面积所示。如移动衔铁使面积S改变，改变，从而改变从而改变L值时值时,则则Lf(S)的特性曲的特性曲线为一直线。线为一直线。4.1.24.1.2电感计算与输出特性分析电感计算与输出特性分析Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第8页，共74页，编辑于2022年，星期一1.1.变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器如图，传感器初始电感量为：如图，传感器初始电感量为：传感器工作时，若衔铁移动使气隙增加传感器工作时，若衔铁移动使气隙增加，则电感减小，变化量为，则电感减小，变化量为LL：自感的相对变化量为：自感的相对变化量为：Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第9页，共74页，编辑于2022年，星期一一般，一般，则上式可由泰勒级数展开成级数形式为，则上式可由泰勒级数展开成级数形式为将上式作线性处理，忽略高次项，可得自感变化与气隙变化成近似将上式作线性处理，忽略高次项，可得自感变化与气隙变化成近似线性关系：线性关系：变气隙式自感传感器的灵敏度为变气隙式自感传感器的灵敏度为可见，灵敏度可见，灵敏度K K随初始气隙的增大而减小随初始气隙的增大而减小。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第10页，共74页，编辑于2022年，星期一非线性误差为非线性误差为:非线性误差随非线性误差随 的增大而增大的增大而增大 采用图示差动变隙式电感传感采用图示差动变隙式电感传感器，可以减小非线性，提高灵器，可以减小非线性，提高灵敏度。敏度。差动变隙式自感传感器差动变隙式自感传感器的电感变化量为：的电感变化量为：Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第11页，共74页，编辑于2022年，星期一差动式电感传感器的电感相对变化量为：差动式电感传感器的电感相对变化量为：当当，上式展开成泰勒级数：，上式展开成泰勒级数：忽略高次项，可得忽略高次项，可得:差动变隙式自感传感器的灵敏度为差动变隙式自感传感器的灵敏度为非线性误差为非线性误差为Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第12页，共74页，编辑于2022年，星期一差差动动式式自自感感传传感感器器的的灵灵敏敏度度比比单线圈传感器提高一倍单线圈传感器提高一倍差差动动式式自自感感传传感感器器非非线线性性失失真真小小,如如当当/=10/=10时时 ,单单线线圈圈1010；而而差差动动式式的的 1 1采采用用差差动动式式传传感感器器，还还能能抵抵消消温温度度变变化化、电电源源波波动动、外外界界干干扰扰、电电磁磁吸吸力力等等因因素素对对传传感感器的影响器的影响 75502505075100L/mH/mm10025LD432112341线圈线圈自感特性曲线；自感特性曲线；2线圈线圈自感特性曲线；自感特性曲线；3线圈线圈与与差动自感特性曲线；差动自感特性曲线；4差动电桥输出电压位移特性曲线差动电桥输出电压位移特性曲线Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第13页，共74页，编辑于2022年，星期一LL1L2 L00 注意！注意！当当气气隙隙发发生生变变化化时时，自自感感的的变变化化与与气气隙隙变变化化均均呈呈非非线线性性关关系系，其其非非线线性性程程度度随随气气隙隙相相对变化对变化/的增大而增加；的增大而增加；气隙减少气隙减少所引起的自感所引起的自感变化变化L L1 1与气隙增加同样与气隙增加同样所所引起的自感变化引起的自感变化L L2 2并不相等，并不相等，即即L L1 1L L2 2，其差值随，其差值随/的的增加而增大。增加而增大。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第14页，共74页，编辑于2022年，星期一rx螺管线圈螺管线圈铁芯铁芯单线圈螺管型传感器结构图单线圈螺管型传感器结构图l 2.2.螺线管型电感传感器螺线管型电感传感器 有单线圈和差动式两种结构形式。有单线圈和差动式两种结构形式。单单线线圈圈螺螺管管型型传传感感器器的的主主要要元元件件为为一一只只螺螺管管线线圈圈一一根根圆圆柱柱形形铁铁芯芯及及磁磁性性套套筒筒。传传感感器器工工作作时时，因因铁铁芯芯在在线线圈圈中中伸伸入入长长度度的的变变化化，引引起起线线圈圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈自感发生变化。泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈自感发生变化。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第15页，共74页，编辑于2022年，星期一螺管线圈螺管线圈1铁芯铁芯差动螺管型传感器结构图差动螺管型传感器结构图螺管线圈螺管线圈2磁性套筒磁性套筒主磁通主磁通漏磁通漏磁通Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第16页，共74页，编辑于2022年，星期一x螺管线圈内磁场分布曲线螺管线圈内磁场分布曲线rl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H（）INlx/l螺管式自感传感器根据其磁路结构，螺管式自感传感器根据其磁路结构，磁通主要由两部分组成：磁通沿轴向磁通主要由两部分组成：磁通沿轴向贯穿整个线圈后闭合的为贯穿整个线圈后闭合的为 主磁通主磁通；另外经铁芯侧面气隙闭合的侧磁另外经铁芯侧面气隙闭合的侧磁通称为通称为漏磁通漏磁通。铁芯在开始插入。铁芯在开始插入（x x=0=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的比铁芯插入线圈的1/21/2长度时的灵敏长度时的灵敏度小得多。这说明度小得多。这说明只有在线圈中段才只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。好的线性特性。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第17页，共74页，编辑于2022年，星期一xlr设螺管线圈全长为设螺管线圈全长为l,内径为内径为r,匝数匝数为为N,通电电流强度为通电电流强度为I。沿轴线任意沿轴线任意一点一点P的磁场强度的磁场强度H为：为：为简化分析，设螺管线圈的长径为简化分析，设螺管线圈的长径比比圈内磁场强度分布均匀，线圈圈内磁场强度分布均匀，线圈中心处的磁场强度为：中心处的磁场强度为：，则可认为螺管线，则可认为螺管线则空心螺管线圈的电感为：则空心螺管线圈的电感为：Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第18页，共74页，编辑于2022年，星期一当当线线圈圈插插有有铁铁芯芯时时，由由于于铁铁芯芯是是铁铁磁磁性性材材料料，使使插插入入部部分分的的磁磁阻下降，故磁感强度阻下降，故磁感强度B B增大，电感值增加。增大，电感值增加。设设铁铁芯芯长长度度与与线线圈圈长长度度相相同同，铁铁芯芯半半径径为为 ，线线圈圈所所包包围围横横截截面面上上的的磁磁通通量量由由两两部部分分组组成成：铁铁芯芯所所占占截截面面的的磁磁通通量量和和气气隙隙的磁通量，总磁通量为的磁通量，总磁通量为:线圈电感增大为：线圈电感增大为：如果铁芯长度如果铁芯长度小于线圈长度小于线圈长度l，则线圈电感为，则线圈电感为Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第19页，共74页，编辑于2022年，星期一 当当 增加增加 时，线圈电感增大时，线圈电感增大L L，则，则电感变化量为电感变化量为电感的相对变化量为电感的相对变化量为可可以以看看出出，若若被被测测量量与与 成成正正比比，则则L L与与被被测测量量也也成成正正比比。实实际际中中，由由于于线线圈圈长长度度有有限限，线线圈圈磁磁场场强强度度分分布布并并不不均均匀匀，输输入入量量与输出量之间的关系是非线性的。与输出量之间的关系是非线性的。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第20页，共74页，编辑于2022年，星期一为为了了提提高高灵灵敏敏度度与与线线性性度度,常常采采用用差差动动螺螺管管式式自自感感传传感感器器。图图(b)(b)中中H=f(x)曲曲线线表表明明：为为了了得得到到较较好好的的线线性性,铁铁芯芯长长度度取取0.6l时时,则则铁铁芯芯工工作作在在H H曲曲线线的的拐拐弯弯处处,此此时时H H变变化化小小。这这种种差差动动螺螺管管式式自自感感传传感感器器的的测测量量范范围围为为(550)mm,非线性误差在非线性误差在0.5左右。左右。2lclc2l线圈线圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（）INlx/l(a)(b)Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第21页，共74页，编辑于2022年，星期一4.1.3 4.1.3 电感传感器等效电路电感传感器等效电路（1 1）铜损电阻）铜损电阻R Rc c （2 2）涡流损耗电阻）涡流损耗电阻R R（3 3）磁滞损耗电阻）磁滞损耗电阻R Rh h（4 4）并联寄生电容）并联寄生电容C C Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第22页，共74页，编辑于2022年，星期一4.1.4 4.1.4 自感式传感器的信号调节电路自感式传感器的信号调节电路图中图中B B点的电压为：点的电压为：图中图中A A点的电压为：点的电压为：1.1.变压器电桥变压器电桥输出电压：输出电压：讨论：讨论：（1 1）当铁芯处于中间位置时，）当铁芯处于中间位置时，Z Z1 1=Z=Z2 2=Z=Z，这时，这时U U0 0=0,=0,电桥平衡；电桥平衡；（2 2）当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加，）当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加，Z Z2 2=Z+Z=Z+Z，上面线圈的，上面线圈的阻抗减小，阻抗减小，Z Z1 1=Z-Z=Z-Z得：得：Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第23页，共74页，编辑于2022年，星期一反之，当铁芯向上移动同样大小的距离时，反之，当铁芯向上移动同样大小的距离时，Z Z2 2=Z-Z,Z=Z-Z,Z1 1=Z+Z=Z+Z，得：，得：幅值为：幅值为：输出电压幅值为输出电压幅值为:两两种种情情况况的的输输出出电电压压大大小小相相等等，方方向向相相反反，由由于于E E是是交交流流电电压压，所所以以输出电压输出电压U U0 0在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第24页，共74页，编辑于2022年，星期一2.2.带相敏整流的交流电桥带相敏整流的交流电桥由由于于电电路路结结构构不不完完全全对对称称,当当输输入入电电压压中中包包含含有有谐谐波波时时，输输出出端端在在铁铁芯芯位位移移为为零零时时将将出现残余电压，称之为零点残余电压。出现残余电压，称之为零点残余电压。采采用用相相敏敏整整流流电电路路可可以以消消除除零零点点残残余余电电压压、判别衔铁位移的方向判别衔铁位移的方向 、改善线性度、改善线性度 。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第25页，共74页，编辑于2022年，星期一4.1.5 4.1.5 影响传感器精度的因素分析影响传感器精度的因素分析1.1.非线性特性的影响非线性特性的影响2.2.零位误差的影响零位误差的影响3.3.温度变化的影响温度变化的影响4.4.电源电压和频率波动的影响电源电压和频率波动的影响Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第26页，共74页，编辑于2022年，星期一Part A Part A 电感式传感器电感式传感器4.2 4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器(LVDTs)第27页，共74页，编辑于2022年，星期一1初级线圈初级线圈;2.3次级线圈次级线圈;4衔铁衔铁4123基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。圈反相串接而成，相当于变压器的副边。螺管形差动变压器根据初、次级排列不螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。等形式。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器4.2.1 4.2.1 螺管形差动变压器螺管形差动变压器第28页，共74页，编辑于2022年，星期一321212112(a)(b)(c)(d)121121 1 初级线圈；初级线圈；2 2 次级线圈；次级线圈；3 3 衔铁衔铁3三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。节式和五节式改善了传感器线性度。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第29页，共74页，编辑于2022年，星期一副0EsEs1Es2x副原线圈差动变压器输出电势与衔铁位移的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。EsRs1Rs2Es1Es2EpRpM1M2Ls1Ls2LpIpPart A Part A 电感式传感器电感式传感器第30页，共74页，编辑于2022年，星期一EsRs1Rs2Es1Es2EpRpM1M2Ls1Ls2LpIp设初级线圈的复数电流值为设初级线圈的复数电流值为:输出电压：输出电压：将电流将电流 写成复指数形式：写成复指数形式：则则 Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第31页，共74页，编辑于2022年，星期一则输出电压为：则输出电压为：讨论讨论:（1 1）磁芯处于中间平衡位置时，互感）磁芯处于中间平衡位置时，互感M M1 1=M M2 2=M=M，则，则E Es s=0=0；（2 2）磁芯上升时，）磁芯上升时，M M1 1=M+MM+M，M M2 2=M-MM-M，则，则 (3)(3)磁芯下降时，磁芯下降时，M M1 1=M-MM-M，M M2 2=M+MM+M，则，则Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第32页，共74页，编辑于2022年，星期一（1 1）灵敏度）灵敏度定义定义：差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动单位距离时的输出：差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动单位距离时的输出电压；单位：电压；单位：V/mm/VV/mm/V；如何提高灵敏度？如何提高灵敏度？（2 2）频率特性）频率特性Part A Part A 电感式传感器电感式传感器4.2.3 4.2.3 差动变压器特性分析差动变压器特性分析应应用用时时激激磁磁频频率率一一般般在在400Hz400Hz到到10kHz10kHz的范围内选择的范围内选择。(3)(3)线性范围线性范围一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的1/101/4。第33页，共74页，编辑于2022年，星期一(5)(5)零位残余电压及其补偿零位残余电压及其补偿当当差差动动变变压压器器的的衔衔铁铁处处于于中中间间位位置置时时，理理想想条条件件下下其其输输出出电电压压为为零零。但但实实际际上上，当当使使用用桥桥式式电电路路时时，在在零零点点仍仍有有一一个个微微小小的的电电压压值值(从从零零点点几几mVmV到到数数十十mV)mV)存存在在，称称为为零零点点残残余余电电压压。如如图图是是扩扩大大了了的的零零点点残残余余电电压压的的输输出出特特性性。零零点点残残余余电电压压的的存存在在造造成成零零点点附附近近的的不不灵灵敏敏区区；零零点点残残余余电电压压输输入入放放大大器器内内会会使使放放大大器器末末级级趋趋向向饱饱和和，影影响响电电路路正正常工作等。常工作等。0u0 x-xu00(4)(4)温度特性温度特性差动变压器的使用温度通常为差动变压器的使用温度通常为8080Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第34页，共74页，编辑于2022年，星期一零点残余电压产生原因：零点残余电压产生原因：基基波波分分量量。由由于于差差动动变变压压器器两两个个次次级级绕绕组组不不可可能能完完全全一一致致，因因此此它它的的等等效效电电路路参参数数（互互感感M M、自自感感L L及及损损耗耗电电阻阻R R）不不可可能能相相同同，从从而而使使两两个个次次级级绕绕组组的的感感应应电电势势数数值值不不等等。又又因因初初级级线线圈圈中中铜铜损损电电阻阻及及导导磁磁材材料料的的铁铁损损和和材材质质的的不不均均匀匀，线线圈圈匝匝间间电电容容的的存存在在等等因因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。高高次次谐谐波波。高高次次谐谐波波分分量量主主要要由由导导磁磁材材料料磁磁化化曲曲线线的的非非线线性性引引起起。由由于于磁磁滞滞损损耗耗和和铁铁磁磁饱饱和和的的影影响响，使使得得激激励励电电流流与与磁磁通通波波形形不不一一致致产产生生了了非非正正弦弦(主主要要是是三三次次谐谐波波)磁磁通通，从从而而在在次次级级绕绕组组感感应应出出非非正正弦弦电电势势。另另外外，激激励励电电流流波波形形失失真真，因因其其内内含含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第35页，共74页，编辑于2022年，星期一消除零点残余电压方法：消除零点残余电压方法：（1 1）从设计和工艺上保证结构对称性）从设计和工艺上保证结构对称性 为为保保证证线线圈圈和和磁磁路路的的对对称称性性，首首先先，要要求求提提高高加加工工精精度度，线线圈圈选选配配成成对对，采采用用磁磁路路可可调调节节结结构构。其其次次，应应选选高高磁磁导导率率、低低矫矫顽顽力力、低低剩剩磁磁感感应应的的导导磁磁材材料料。并并应应经经过过热热处处理理，消消除除残残余余应应力力，以以提提高高磁磁性性能能的的均均匀匀性性和和稳稳定定性性。由由高高次次谐谐波波产产生生的的因因素素可可知知，磁磁路路工工作作点应选在磁化曲线的线性段。点应选在磁化曲线的线性段。（2 2）选用合适的测量线路）选用合适的测量线路采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由性曲线由1 1变到变到2 2，从而消除了零点残余，从而消除了零点残余电压。电压。u0+x-x210相敏检波后的输出特性相敏检波后的输出特性Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第36页，共74页，编辑于2022年，星期一（3 3）采用补偿线路）采用补偿线路由由于于两两个个次次级级线线圈圈感感应应电电压压相相位位不不同同，并并联联电电容容可可改改变变其其一一的的相相位位，也也可可将将电电容容C C改改为为电电阻阻，如如图图(a a)。由由于于R R的的分分流流作作用用将将使使流流入入传传感感器器线线圈圈的的电电流流发发生生变变化化，从从而而改改变变磁磁化化曲曲线线的的工工作作点点，减减小小高高次次谐谐波波所所产产生生的的残残余余电电压压。图图(b b)中中串串联联电电阻阻R R可可以以调调整整次次级级线线圈圈的的电阻分量。电阻分量。uiu0CRuiu0CR(a)(b)调相位式残余电压补偿电路调相位式残余电压补偿电路Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第37页，共74页，编辑于2022年，星期一并并联联电电位位器器W W用用于于电电气气调调零零，改改变变两两次次级级线线圈圈输输出出电电压压的的相相位位，如如图图所示。电容所示。电容C C(0.02F)(0.02F)可防止调整电位器时使零点移动。可防止调整电位器时使零点移动。uiu0CR1R2W电位器调零点残余电压补偿电路电位器调零点残余电压补偿电路Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第38页，共74页，编辑于2022年，星期一R或或L补偿电路补偿电路uiu0L0Wuiu0R0W(a)(b)接接入入R R0 0(几几百百k)k)或或补补偿偿线线圈圈L L0 0(几几百百匝匝)。绕绕在在差差动动变变压压器器的的初初级级线线圈圈上上以以减减小小负负载载电电压压，避避免免负负载载不不是是纯纯电电阻阻而而引引起起较较大大的的零零点点残残余余电电压。电路如图。压。电路如图。第39页，共74页，编辑于2022年，星期一4.2.44.2.4差动变压器的测量电路差动变压器的测量电路1.1.差动整流电路差动整流电路根根据据半半导导体体二二级级管管单单向向导导通通原原理理进进行行解解调调的的。如如传传感感器器的的一一个个次次级级线线圈圈的的输输出出瞬瞬时时电电压压极极性性，在在f点点为为“”，e点点为为“”，则则电电流流路路径径是是fgdche（参参看看图图a）。反反之之，如如f点点为为“”，e e点点为为“”，则则电电流流路路径径是是ehdcgf。可可见见，无无论论次次级级线线圈圈的的输输出出瞬瞬时时电电压压极极性性如如何何，通通过过电电阻阻R R的的电电流流总总是是从从d到到c。同同理理可可分分析析另另一一个个次次级级线线圈圈的的输输出出情情况。输出的电压波形见图（况。输出的电压波形见图（b），其值为），其值为USC=eabecd。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第40页，共74页，编辑于2022年，星期一全波整流电路和波形图e1RRcabhgfdeUSC衔铁在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位(b)(a)在f点为“”，则电流路径是fgdche(参看图a)。反之，如f点为“”，则电流路径是ehdcgf。第41页，共74页，编辑于2022年，星期一2 2、相敏检波电路、相敏检波电路容容易易做做到到输输出出平平衡衡，便便于于阻阻抗抗匹匹配配。图图中中调调制制电电压压er和和e同同频频，经经过过移移相相器器使使er和和e保保持持同同相相或或反反相相，且且满满足足ere。调调节节电电位位器器R可可调平衡，图中电阻调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容，电容C1=C2=C0，输出电压为，输出电压为UCD。当当铁铁芯芯在在中中间间时时,e=0,只只有有er起起作作用用，输输出出电电压压UCD0。若若铁铁芯芯上上移移，e0，设设e和和er同同相相位位，由由于于ere，故故er正正半半周周时时D1、D2仍仍导导通通，但但D1回回路路内内总总电电势势为为ere，而而D2回回路路内内总总电电势势为为ere，故故回回路路电电流流i1i2输出电压输出电压UCD=R0（i1i2）0。当。当er负半周时，负半周时，Ri1e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4eUCD=R0(i4-i3)0，因因此此铁铁芯芯上上移移时时 输输 出出 电电 压压UCD0。当当 铁铁 芯芯下下移移时时，e和和er相相位位相相反反。同同理理可可得得UCD0。由由此此可可见见，该该电电路路能能判判别别铁铁芯芯移移动的方向。动的方向。第42页，共74页，编辑于2022年，星期一【差动变压器的应用示例】【差动变压器的应用示例】微压力变送器微压力变送器第43页，共74页，编辑于2022年，星期一4.3 4.3 涡流传感器涡流传感器(Eddy current sensors)根根据据法法拉拉第第电电磁磁感感应应定定律律，金金属属导导体体置置于于变变化化的的磁磁场场中中或或在在磁磁场场中中作作切切割割磁磁力力线线运运动动时时，导导体体内内将将产产生生呈呈漩漩涡涡状状流流动动的的感感应应电电流流，称称之之为为电电涡涡流流，这种现象称为，这种现象称为电涡流效应电涡流效应。涡涡流流的的大大小小与与金金属属的的电电阻阻率率、磁磁导导率率、几几何何尺尺寸寸、产产生生磁磁场场的的线线圈圈与与金金属属的的距距离离x x，线线圈圈的的激激磁磁电电流流及及其其频频率率等等参参数数有有关关。若若固固定定其其中中的若干参数，就能按涡流的大小测量出另外某一参数。的若干参数，就能按涡流的大小测量出另外某一参数。电电涡涡流流式式传传感感器器是是一一种种建建立立在在电电涡涡流流效效应应原原理理上上的的传传感感器器，它它具具有有结结构构简简单单、频频率率响响应应宽宽、灵灵敏敏度度高高、测测量量线线性性范范围围大大、抗抗干干扰扰能能力力强强以以及及体体积积较较小小等等一一系系列列优优点点。电电涡涡流流式式传传感感器器可可以以实实现现振振动动、位位移移、尺尺寸寸、转转速速、温温度度、硬硬度度等等参参数数的的非非接接触触测测量量，并并且且还可以进行无损探伤。还可以进行无损探伤。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第44页，共74页，编辑于2022年，星期一4.3.14.3.1高频反射式电涡流传感器结构和工作原理高频反射式电涡流传感器结构和工作原理1234561-线圈线圈2-框架框架3-衬套衬套4-支架支架5-电缆电缆6-插头插头Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第45页，共74页，编辑于2022年，星期一测量时线圈的等效阻抗为：测量时线圈的等效阻抗为：测测量量时时线线圈圈阻阻抗抗随随金金属属导导体体的的电电阻阻率率、磁磁导导率率、线线圈圈激激励励电电流流的的角角频频率率以以及及线线圈圈与与金金属属导导体的距离体的距离x x等参数变化，即：等参数变化，即：若若能能控控制制式式中中其其它它参参数数不不变变，只只改改变变其其中中一一个个参参数数，这这样样阻阻抗抗就就能能成成为为这这个个参参数数的的单单值值函函数数，从从而而实实现现该参数的测量该参数的测量。Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第46页，共74页，编辑于2022年，星期一2.2.测量电路测量电路 （1 1）调频电路）调频电路Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第47页，共74页，编辑于2022年，星期一（2 2）调幅电路）调幅电路Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第48页，共74页，编辑于2022年，星期一4.3.2 4.3.2 低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器第49页，共74页，编辑于2022年，星期一Part A Part A 电感式传感器电感式传感器4.4 4.4 感应同步器感应同步器感感应应同同步步器器是是利利用用两两个个平平面面形形绕绕组组的的互互感感随随位位置置不不同同而而变变化化的的原原理理制制成成的的用用来来测测直直线线或或转转角角位位移移的的传传感感器器。测测量量直直线线位位移移的的称称为为长长感感应应同同步步器器，测测量量转转角角位位移移的的称称为为圆圆感感应应同同步步器器。感感应应同同步步器器具有如下优点：具有如下优点：（1 1）具具有有较较高高的的测测量量精精度度和和分分辨辨力力。目目前前直直线线式式感感应应同同步步器器的的精精度度可可达达1.5m1.5m，分分辨辨力力达达0.05m0.05m；直直径径300mm300mm的的圆圆感感应应同同步步器器精精度度达达11，分辨力达，分辨力达0.050.05。（2 2）感感应应同同步步器器基基于于电电磁磁感感应应原原理理，感感应应电电势势仅仅取取决决于于磁磁通通量量的的变变化化率率，几乎不受环境因素如温度、油污、尘埃等的影响。几乎不受环境因素如温度、油污、尘埃等的影响。（3 3）工工作作时时无无接接触触摩摩擦擦、磨磨损损，使使用用寿寿命命长长，工工作作可可靠靠，抗抗干干扰扰能能力力强，非常适合于恶劣的工作环境，便于维护。强，非常适合于恶劣的工作环境，便于维护。（4 4）直直线线式式感感应应同同步步器器的的测测量量范范围围，可可以以根根据据需需要要将将若若干干个个定定尺尺接接长长使使用用，长度可达长度可达20m20m。（5 5）工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。）工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。第50页，共74页，编辑于2022年，星期一Part A Part A 电感式传感器电感式传感器4.4.1 4.4.1 感应同步器的结构和工作原理感应同步器的结构和工作原理 第51页，共74页，编辑于2022年，星期一Part A Part A 电感式传感器电感式传感器第52页，共74页，编辑于2022年，星期一Part A Part A 电感式传感器电感式传感器正正、余余弦弦绕绕组组在在定定尺尺中中的的感应电动势分别为：感应电动势分别为：式中式中第53页，共74页，编辑于2022年，星期一Part A Part A 电感式传感器电感式传感器4.4.2 4.4.2 感应同步器的信号处理与测量电路感应同步器的信号处理与测量电路1.1.鉴相法信号处理鉴相法信号处理应应用用时时，在在滑滑尺尺的的正正、余余弦弦绕绕组组上上供供给给频频率率相相同同、相相位位差差/2的的交交流流激激励励电压：电压：定尺绕组中感应电动势为滑尺的正、余弦绕组共同产生的，为：定尺绕组中感应电动势为滑尺的正、余弦绕组共同产生的，为：式中式中,第54页，共74页，编辑于2022年，星期一Part A Part A 电感式传感器电感式传感器2.2.鉴幅法信号处理鉴幅法信号处理如果滑尺绕组的激励电压分别为如果滑尺绕组的激励电压分别为正弦绕组：正弦绕组：余弦绕组：余弦绕组：式中，式中，为激励电压的电相角。为激励电压的电相角。在定子绕组中产生的感应电动势的总和为在定子绕组中产生的感应电动势的总和为 调调整整激激励励电电压压的的值值，使使输输出出感感应应电电动动势势e0的的幅幅值值为为零零，为为此此，激激励励电电压的压的值就反映了感应同步器的相对位置值就反映了感应同步器的相对位置。第55页，共74页，编辑于2022年，星期一Part B Part B 线位移及尺寸测量传感器线位移及尺寸测量传感器4.5 4.5 线位移线位移/尺寸测量基本知识尺寸测量基本知识 在在机机械械加加工工等等生生产产领领域域，线线位位移移/尺尺寸寸测测量量是是最最为为常常见见的的被被测测量量。尺尺寸寸测测量量大大多多定定义义为为两两点点、两两线线或或两两面面之之间间的的距距离离，如如轴轴径径、孔孔径径、工工件件的的长长宽宽高高等等。根根据据尺尺寸寸的的测测量量范范围围又又可可划划分分为为常常规规尺尺寸寸测测量量（1mm1m1mm1m）,大大尺尺寸寸测测量量（大大于于1m1m）和和微微小小尺尺寸寸测测量量（小小于于1mm1mm）。随随着着技技术术的的快快速速发发展展以以及及数数控控机机床床的的需需要要，被被加加工工尺尺寸寸的的在在线线监监测测也也日日趋趋成成熟熟。加加工工中中测测量量仪仪用用在在进进给给式式工工序序的的加加工工机机床床上上，如如外外圆圆磨磨床床、内内圆圆磨磨床床、珩珩磨磨机机等等，每每道道工工序序刀刀具具的的进进给给量量均均由由测测得得的的被被加工尺寸的实际大小确定。加工尺寸的实际大小确定。线线位位移移测测量量从从物物理理学学定定义义就就