第五章电感式传感器.ppt

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1、 利用利用电磁感应原理电磁感应原理将将被测非电量被测非电量（如位移、压力等）转换成线圈（如位移、压力等）转换成线圈自感系数自感系数L L和和互感系数互感系数M M的变化，再由的变化，再由测量电路测量电路转换为转换为电压或电流电压或电流的变化量输出的变化量输出可以用来测量位移、振动、压力、流量、应变等多种物理量；可以用来测量位移、振动、压力、流量、应变等多种物理量；电磁电磁电磁电磁感应感应感应感应 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量自感系数自感系数自感系数自感系数L L互感互感互感互感系系系系数数数数MM测量测量测量测量电路电路电路电路 U U U U、I I I I、f f f f位移、

2、振动、位移、振动、位移、振动、位移、振动、压力、比重等压力、比重等压力、比重等压力、比重等电磁感应原理电磁感应原理 放在放在磁通量磁通量变化变化中中的的导体导体，会产生电动势。此电动势称为，会产生电动势。此电动势称为感应感应电动势电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流感应电流。1闭合电路闭合电路的一部分导体在磁场里做的一部分导体在磁场里做切切割磁感线割磁感线的运动时，导体中就会产生的运动时，导体中就会产生电流电流电磁感应电磁感应自感现象自感现象：当导体中的：当导体中的电流电流发生变化时，导体发生变化时，导体

3、本身本身产生产生感应电动势感应电动势，这个电，这个电动势总是动势总是阻碍阻碍导体中原来电流的变化。像这种由于导体本身的电流发生变化导体中原来电流的变化。像这种由于导体本身的电流发生变化而产生的而产生的电磁感应现象电磁感应现象，称为自感电动势。，称为自感电动势。自感系数自感系数L L：描述线圈：描述线圈产生自感电动势产生自感电动势本领大小的物理量。本领大小的物理量。互感现象互感现象：由于：由于一个电路一个电路中中电流电流变化，而在变化，而在邻邻近另一个电路近另一个电路中引起中引起感生电动势感生电动势的现象。也就的现象。也就是相互感应，是两个电路间磁力的相互作用。是相互感应，是两个电路间磁力的相互

4、作用。互感互感：当两个线圈的电流可以：当两个线圈的电流可以互相提供磁通互相提供磁通时，时，就说它们之间存在互感耦合，简称互感。就说它们之间存在互感耦合，简称互感。互感系数互感系数 M M：表征两线圈之间：表征两线圈之间产生互感能力产生互感能力的强弱的强弱。结构简单、工作可靠、寿命长；结构简单、工作可靠、寿命长；灵敏度高、分辨力大：能测出灵敏度高、分辨力大：能测出0.010.01m m甚至更小甚至更小的机械位移变化，能感受的机械位移变化，能感受0.10.1 m的微小角度的变化。传感器的输出信号强，电压的微小角度的变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度灵敏度一般每一毫米可达数百毫一般每一毫米可达数百

5、毫伏，因此有利于伏，因此有利于信号的传输与放大信号的传输与放大；抗干扰能力强、对抗干扰能力强、对工作环境要求不高工作环境要求不高；线性度线性度优良，输出特性曲线的线性度较好，且比较稳定；优良，输出特性曲线的线性度较好，且比较稳定；精度高，性能稳定，重复性好精度高，性能稳定，重复性好电感式传感器的优点：电感式传感器的优点：频率响应低，不宜用于快速、频率响应低，不宜用于快速、动态测量动态测量；灵敏度、线性度和测量范围相互制约；灵敏度、线性度和测量范围相互制约；电感式传感器的缺点：电感式传感器的缺点：电感式传感器的分类电感式传感器的分类基本原理：基本原理：被测量的变化被测量的变化 磁路的磁阻变化磁路

6、的磁阻变化 线圈电感量的变化线圈电感量的变化根据根据转换原理转换原理不同，可分为不同，可分为自感式传感器自感式传感器（变磁阻式）、（变磁阻式）、互感式传感器互感式传感器（差动变（差动变压式）和压式）和电涡流传感器电涡流传感器三种类型。三种类型。根据根据结构形式结构形式不同，可分为气隙型和螺管型。不同，可分为气隙型和螺管型。电感式传感器的分类电感式传感器的分类根据根据转换原理转换原理不同，可分为不同，可分为自感式传感器自感式传感器（变磁阻式）、（变磁阻式）、互感式传感器互感式传感器（差动变（差动变压式）和压式）和电涡流传感器电涡流传感器三种类型。三种类型。组成：线圈、铁芯、衔铁三部分。组成：线圈

7、、铁芯、衔铁三部分。线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁线线圈圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔衔铁铁移移动动方方向向a)气隙型气隙型b)截面型截面型c)螺管型螺管型5.1 自感式传感器（变磁阻式）自感式传感器（变磁阻式）5.1.1 气隙型电感传感器气隙型电感传感器传传感感器器结结构构：线线圈圈、铁铁芯芯和和衔衔铁铁三三部部分分组组成成。铁铁芯芯和和衔衔铁铁由由导导磁磁材材料料如如硅硅钢钢片片制制成成，在在铁铁芯芯和和衔衔铁铁之之间间有有气气隙隙，气气隙隙厚厚度度为为，传传感感器器的的运运动动部部分分与衔铁相连。与衔铁相连。当衔铁移动时，磁路中当衔铁移动时，磁路中气隙的磁阻气隙的磁阻发生变化，引起线圈发生变化，引起线圈

8、电感变化电感变化，传感器线圈与传感器线圈与测量电路测量电路连接，将电感量变化转化成连接，将电感量变化转化成U、I、f在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当当衔衔铁铁移移动动时时，气气隙隙厚厚度度 发发生生改改变变，引引起起磁磁路路中中磁磁阻阻变变化化，从从而而导导致致电感电感线圈的电感值变化线圈的电感值变化。因此，只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。因此，只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。线圈中电感量由下式确定：线圈中电感量由下式确定：根据磁路欧姆定律：根据磁路欧姆定律：式中，

9、式中，Rm为磁路总磁阻为磁路总磁阻气隙很小，可认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为气隙很小，可认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为根据电感的定义，根据电感的定义，W匝线圈的自感值为：匝线圈的自感值为：W 线圈的匝数线圈的匝数Rm 磁路总磁阻磁路总磁阻气隙很小时，认为气隙磁场分布均匀，总磁阻为：气隙很小时，认为气隙磁场分布均匀，总磁阻为：各段导磁体的长度；各段导磁体的长度；各段导磁体的磁导率；各段导磁体的磁导率；各段导磁体的截面积；各段导磁体的截面积；空气隙的厚度空气隙的厚度 真空磁导率；真空磁导率；空气隙截面积。空气隙截面积。可得电感值的表达式：可得电感

10、值的表达式：变气隙型传感器变气隙型传感器变截面型传感器变截面型传感器线圈中放入圆形衔铁线圈中放入圆形衔铁 可变自感可变自感 螺管型传感器螺管型传感器 通常，气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即通常，气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即则，磁路总磁阻可表示为：则，磁路总磁阻可表示为：联立联立W匝线圈的自感值匝线圈的自感值表达式，可得：表达式，可得：结论：结论：，在，在S 不变时，不变时，L为为 的单值函数，且为非线性反比例函数；的单值函数，且为非线性反比例函数；，在，在 不变时，不变时，L为为S 的单值函数，且为线性正比例函数。的单值函数，且为线性正比例函数。如图所示，分别改变如图所示，分别改变 和

11、和S，可获得，可获得L的改变。的改变。上式表明：当线圈匝数为常数时，电感上式表明：当线圈匝数为常数时，电感 L 仅仅是磁路中磁阻仅仅是磁路中磁阻 Rm 的函数，改变的函数，改变 或或S，均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为，均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度变气隙厚度 的传感的传感器和器和变气隙截面积变气隙截面积 S 的传感器。的传感器。目前使用最广泛的是目前使用最广泛的是变气隙厚度式变气隙厚度式传感器。传感器。电感传感器的基本工作原理演示电感传感器的基本工作原理演示F气隙变小，电感变大，电流变小。气隙变小，电感变大，电流变小。2.输出特性（变气隙型）输出特性（变气

12、隙型）L与与 之间是非线性关系，特性曲线如图所示。之间是非线性关系，特性曲线如图所示。L0+LL0-L变气隙式传感器的输出特性变气隙式传感器的输出特性线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁当衔铁处于初始位置时，初始电感量为当衔铁处于初始位置时，初始电感量为分析：分析：当当衔铁上移衔铁上移 时，传感器气隙减小时，传感器气隙减小 ，即，即 ，则此时输出电感为，则此时输出电感为当当 时（麦克劳林展式展开）：时（麦克劳林展式展开）：可求得电感增量可求得电感增量 和相对增量和相对增量 的表达式，即的表达式，即（5-1）（5-2）同理，当衔铁随被测体的初始位置同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动向下移动 时，有时，有

13、对式（对式（5-2）、（）、（5-4）作线性处理，即忽略高次项后，可得）作线性处理，即忽略高次项后，可得（5-4）（5-3）灵敏度为灵敏度为可见：可见：变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此，因此，变气隙式电感传感器适用于测量微小位移的场合。变气隙式电感传感器适用于测量微小位移的场合。与与K0衔铁上移，衔铁上移，切线斜率变大切线斜率变大衔铁下移衔铁下移，切线斜率变小，切线斜率变小L0+LL0-L变气隙式传感器的输出特性变气隙式传感器的输出特性 与线性度与线性度衔铁上移：衔铁上移：衔铁下移衔铁下移：非线性部分非线性部分非线性部分

14、非线性部分无论上移或下无论上移或下移，非线性都将移，非线性都将增大。增大。1）灵敏度：灵敏度：（L），则），则 K ；2）线性度（非线性误差）：线性度（非线性误差）：结论：结论：显然：显然：，其非线性误差，其非线性误差。3）灵敏度和线性度之间存在矛盾，灵敏度和线性度之间存在矛盾，则，则K，L0+LL0-L变气隙式传感器的输出特性变气隙式传感器的输出特性4）如图所示，当如图所示，当 正反方向变化正反方向变化 时，时，不相等，不相等，不具有对称性不具有对称性。5）为保证一定的灵敏度，气隙传感器只适合测量为保证一定的灵敏度，气隙传感器只适合测量微小位移微小位移场合。在行程较大场合。在行程较大的场合，

15、一般采用螺线管式传感器。的场合，一般采用螺线管式传感器。6）为减小非线性误差，实际中一般采用为减小非线性误差，实际中一般采用差动差动变气隙式传感器。变气隙式传感器。为减小非线性误差，实际测量中广泛采用为减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动式差动式变气隙式电感传感器。变气隙式电感传感器。1-铁芯铁芯 2-线圈线圈 3-衔铁衔铁衔铁上移衔铁上移 时：两个线圈的电感变化量时：两个线圈的电感变化量 、分别由式（分别由式（5-1）和（）和（5-3）表示，差动传感器电感的总变化量）表示，差动传感器电感的总变化量 ，具体表达式为，具体表达式为对上式进行对上式进行线性处理线性处理，即忽略高次项得，即忽略高次

16、项得灵敏度灵敏度K0为为比较单线圈式和差动式：比较单线圈式和差动式：差动式变间隙电感传感器的差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的灵敏度是单线圈式的2倍倍；差动式的非线性项（忽略高次项）：差动式的非线性项（忽略高次项）：单线圈的非线性项（忽略高次项）：单线圈的非线性项（忽略高次项）：由于由于 ，因此，差动式的，因此，差动式的线性度得到明显改善线性度得到明显改善。5.1.2 变面积型自感式电感传感器变面积型自感式电感传感器线线圈圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔衔铁铁移移动动方方向向传感器传感器气隙厚度气隙厚度保持不变，令磁通保持不变，令磁通截面积截面积随被测随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率

17、相非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感同，则此变面积自感传感器自感 L 为为灵敏度灵敏度变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系线性关系，因此可得到较大的因此可得到较大的线性范围线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低灵敏度降低。5.1.3 测量电路测量电路电感式传感器的测量电路由交流电桥式、变压器式交流电桥和紧耦合电感比例电感式传感器的测量电路由交流电桥式、变压器式交流电桥和紧耦合电感比例电桥。电桥。1.交流电桥式测量电路

18、交流电桥式测量电路当衔铁下移时：当衔铁下移时：Z1Z2Z3=RZ4=R2.变压器式交流电桥测量电路变压器式交流电桥测量电路电桥两臂电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压当传感器的衔铁处于当传感器的衔铁处于中间位置中间位置，即，即Z1=Z2=Z，此时有，此时有 ，电桥平衡。，电桥平衡。当传感器的当传感器的衔铁上移：衔铁上移：如如Z1=Z+Z，Z2=ZZ 当传感器的当传感器的衔铁下移：衔铁下移：如如Z1=Z Z，Z2=Z+Z 可知：可

19、知：衔铁上下移动衔铁上下移动相同距离相同距离时，输出电压时，输出电压相位相反相位相反，大小随衔铁的位移而变化。，大小随衔铁的位移而变化。由于由于 是交流电压，是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路相敏检波电路来解决。来解决。3.谐振式测量电路谐振式测量电路分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。调幅电路调幅电路特点：此电路灵敏度很高，特点：此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。但线性差，适用于线性度要求不高的场合。调频电路调频电路：振荡频率：振荡频率 。当当L变变化化时时，振振荡荡频频率

20、率随随之之变变化化，根据根据 f 的大小即可测出被测量的值。具有严重的非线性关系。的大小即可测出被测量的值。具有严重的非线性关系。自感式传感器的特点自感式传感器的特点灵敏度比较好，目前可测灵敏度比较好，目前可测0.1 的直线位移，输出信号比较大、信噪比比较好；的直线位移，输出信号比较大、信噪比比较好；测量范围比较小，适用于测量较小位移；测量范围比较小，适用于测量较小位移；存在非线性；存在非线性；工艺要求不高，加工容易。工艺要求不高，加工容易。变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 变隙电感式压力传感器结构图变隙电感式压力传感器结构图 当当压压力力进进入入膜膜盒盒时时，膜膜盒盒的的顶顶端端在在

21、压压力力P的的作作用用下下产产生生与与压压力力P大大小小成成正正比比的的位位移移，于于是是衔衔铁铁也也发发生生移移动动，从从而而使使气气隙隙发发生生变变化化，流流过过线线圈圈的的电电流流也也发发生生相相应应的的变变化化，电电流流表表A的的指指示示值值就就反反映映了了被测被测压力压力的大小。的大小。5.2 互感式传感器（差动变压器式）互感式传感器（差动变压器式）差差动动式式电电感感传传感感器器实实际际上上是是互互感感式式传传感感器器的的一一种种，利利用用位位移移的的变变化化使使线圈间线圈间互感量互感量M发生变化，从而实现发生变化，从而实现机电转换机电转换。互互感感式式传传感感器器结结构构形形式式

22、较较多多，有有变变隙隙式式、变变面面积积式式和和螺螺线线管管式式等等，但但其工作原理基本相同。差动式电感传感器在医学上使用较广泛。其工作原理基本相同。差动式电感传感器在医学上使用较广泛。变变变变间间间间隙隙隙隙式式式式差差差差动动动动变变变变压压压压器器器器螺螺螺螺线线线线管管管管式式式式差差差差动动动动变变变变压压压压器器器器1、组成、组成1 12 23 34 4初初级级线线圈圈次次级级线线圈圈M1M2基本结构基本结构：衔铁、初级线圈、次级线圈等。次级绕组用：衔铁、初级线圈、次级线圈等。次级绕组用差动形式连接差动形式连接两个初级绕组线圈1和2的同名端顺向串联，为加在初级绕组的激励电压。两个次

23、级线圈3和4的同名端反相串联，其输出电压为 。初次级线圈间的耦合程度与衔铁的位置有关。1 12 23 34 4初初级级线线圈圈次次级级线线圈圈M1M2 差动变压器与一般变压器不同 一般变压器为闭合磁路，初次级的互感为常数，而差动变压器由于存在铁芯气隙，是开磁路，且初次级的互感随衔铁位移而变化，另外，差动变压器的两个次级线圈的同名端反相串联。根据变压器的基本原理制成的，把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量变化的装置。当一次线圈接入激励电源后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。1、组成、组成2、工作原理、工作原理1-活动衔铁；活动衔铁；2-导磁外壳

24、导磁外壳；3-骨架；骨架；4-初级绕组初级绕组w1；5-次级绕组次级绕组w2a；6-次级绕组次级绕组w2 U U1 1L L2121U U2 2L L2222E E2222E E2121R R2222R R2121R R1 1M M1 1M M2 2 激励电压激励电压 输出电压输出电压 感应电势感应电势 感应电势感应电势等效电路图等效电路图2、工作原理、工作原理U U1 1L L2121U U2 2L L2222E E2222E E2121R R2222R R2121R R1 1M M1 1M M2 2当次级开路时，初级线圈激励电流当次级开路时，初级线圈激励电流据电磁感应定律，次级绕组中感应电

25、势的表达式：据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式：次级两绕组反相串联，且次级开路，则次级两绕组反相串联，且次级开路，则输出电压有效值：输出电压有效值：（1）当活动衔铁处于中间位置时当活动衔铁处于中间位置时M1=M2=M 则则 U2=0（2）当活动衔铁向当活动衔铁向W2a方向移动时方向移动时故故（3）当活动衔铁向当活动衔铁向W2b方向移动时方向移动时故故再求出再求出 和和 的表达式，代入即可的表达式，代入即可e21e220 xe2W2bW2a原线圈原线圈 当铁芯偏离中心位置时，输出电压当铁芯偏离中心位置时，输出电压 随偏离增大而增加，但上下偏移时输出随偏离增大而增加，但上下偏移时输出的相位

26、差的相位差180，其有效值的特性曲线如，其有效值的特性曲线如图所示。图所示。差动变压器输出电压特性曲线差动变压器输出电压特性曲线输出电压的幅值取决于衔铁移输出电压的幅值取决于衔铁移动的距离，输出电压的方向取决动的距离，输出电压的方向取决于衔铁移动的方向。于衔铁移动的方向。零点残余电压零点残余电压3、主要特性、主要特性 （1）灵敏度）灵敏度差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以V/mm表示。表示。输出电压为：输出电压为：灵敏度灵敏度K与与一次侧电压一次侧电压 有关，有关，越大，越大，K 越高。（越高。（不能

27、过大，否则引不能过大，否则引起变压器发热）；起变压器发热）；灵敏度灵敏度K与与一次电压一次电压 的角频率的角频率 有关；有关；3、主要特性、主要特性 （1）灵敏度）灵敏度提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。除以上因素会影响差动变压器灵敏度外，提高线圈品质因数除以上因素会影响差动变压器灵敏度外，提高线圈品质因数Q，增大衔铁直，增大衔铁直径，选择导磁性能好，铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁及导磁外径，选择导磁性能好，铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁及导磁外壳等，也可以提高灵敏度。壳等，也可以提高灵敏度。3、主要特性、主要特性 （2

28、）线性度）线性度线性度：线性度：传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围（满传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围（满量程），并用百分数表示。量程），并用百分数表示。影响差动变压器线性度的因素：影响差动变压器线性度的因素：骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，贴骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，贴心的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。心的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。改善差动变压器的线性度：改善差动变压器的线性度：取测量范围为线圈骨架长度的取测量范围为线圈骨架长度的1/101/4，激励频，激励频率采用中频，配用相敏检波式测量电路。率采用中频，配用相敏检波式测量

29、电路。3、主要特性、主要特性 （3）零点残余误差）零点残余误差当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想情况下，输出电压为零。当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想情况下，输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值，称为零点残但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值，称为零点残余电压。余电压。3、主要特性、主要特性 （3）零点残余误差）零点残余误差零点残余电压危害：零点残余电压危害：使传感器的输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制分辨力的提高。使传感器的输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制分辨力的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使

30、放大器饱和，零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。图中图中e e e e1 1 1 1为差动变压器初级的激励电压，为差动变压器初级的激励电压，e e e e20202020包含基波同相成分、基波正交成分，包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。1 1 基波正交分量基波正交分量2 2 基波同相分量基波同相分量 3 3 二次谐波二次谐波 4 4 三次谐波三次谐波 5 5 电磁干扰电磁干扰(a)(a)(a)(a

31、)残余电压的波形残余电压的波形残余电压的波形残余电压的波形 (b)(b)波形分析波形分析 产生零点残余电压的原因：产生零点残余电压的原因：基波分量：基波分量：因为因为2个二次线圈的不对称性（包括初始个二次线圈的不对称性（包括初始M、L和和R值的不等），造值的不等），造成的成的E2a和和E2b不对称，从而产生不对称，从而产生E2不为零。不为零。高次谐波：高次谐波：由于铁芯磁化曲线的非线性造成感应形成非正弦的感应电势，从由于铁芯磁化曲线的非线性造成感应形成非正弦的感应电势，从而产生高次谐波。而产生高次谐波。减小零点残余电压措施：减小零点残余电压措施：在设计和工艺上：在设计和工艺上：力求做到磁路对称

32、，线圈对称。铁芯材料要均匀，要经过力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要均匀，要经过热处理、去除机械应力和改善磁性。热处理、去除机械应力和改善磁性。选用合适的测量电路：选用合适的测量电路：采用相敏检波电路，不仅可鉴别衔铁的移动方向，而采用相敏检波电路，不仅可鉴别衔铁的移动方向，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。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。在电路上进行补偿：在电路上进行补偿：线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。阻或反馈电容等。采用补偿线路采用补偿线路由于两个次级线圈感应

33、电压相位不同，由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容并联电容可改变绕组的相位，也可将电容可改变绕组的相位，也可将电容C改为电阻。改为电阻。并联电阻并联电阻R是为了利用是为了利用R的分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从而的分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图图b中中串联电阻串联电阻R，可以调整次级线圈的电阻分量。，可以调整次级线圈的电阻分量。在次级绕组侧，并联电位器在次级绕组侧，并联电位器W，用于电气调零，改变两个次级线圈输出电压的相，用于电气调零，改变两个次级线圈输出

34、电压的相位。电容位。电容C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。4、测量电路、测量电路能辨别移动方向，消除零点残余电压能辨别移动方向，消除零点残余电压（1）差动整流电路）差动整流电路（2）相敏检波电路）相敏检波电路（1）差动整流电路（全波整流电路）差动整流电路（全波整流电路）铁芯铁芯上上移，移，（1）正半周（次级线圈感应电压的）正半周（次级线圈感应电压的正正半周）半周）电路上半部分电流路径：电路上半部分电流路径：f(+),g,d,c,h,e()此时，此时，UC1=E21，UC2=E22，所以，所以，UC1UC2电路下半部分电流路径：电路下半部分电流路径：无论次级线圈的输出

35、瞬时电压极性如何，整无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压流电路的输出电压流电路的输出电压流电路的输出电压UscUscUscUsc始终为：始终为：始终为：始终为：Usc Usc=UcdUcd+UabUabe1C2C1cabhgfdeUSC所以，所以，Usc=Ucd+Uab =-UC1+UC2 =-E21+E22 UC2电路下半部分电流路径：电路下半部分电流路径：e1C2C1cabhgfdeUSC整流电路的输出电压整流电路的输出电压整流电路的输出电压整流电路的输出电压UscUscUscUsc为：为：为：为

36、：Usc Usc=UcdUcd+UabUab=-UC1+UC2=-E21+E22 0（2）负半周（次级线圈感应电压的）负半周（次级线圈感应电压的负负半周）半周）电路上半部分电流路径：电路上半部分电流路径：e(+),h,d,c,g,f()此时，此时，Usc=Ucd+Uab =-E21+E22 0次次级线级线圈的圈的输输出瞬出瞬时电压时电压始始终为终为正极性正极性e1C2C1cabhgfdeUSCUsc的的正负正负表示衔铁位移表示衔铁位移方向方向;Usc的的大小大小表示衔铁位移表示衔铁位移大小大小。e1C2C1cabhgfdeUSC衔铁在衔铁在零位以零位以下下eabttteabttteabtecd

37、tUSCtecdUSCUSCecd衔铁在衔铁在零位以零位以上上衔铁在衔铁在零位零位（1）差动整流电路（全波整流电路）差动整流电路（全波整流电路）（2）相敏检波电路）相敏检波电路ere铁芯在铁芯在中间位置中间位置时，时，e=0，只有，只有er作用：作用：在在er正正半周期（半周期（A:+，B:-）：）：VD1、VD2导导通，通，R1和和R2上的上的压压降降UCB和和UDB大小相等，方向相大小相等，方向相反，所以反，所以输输出出电压电压UCD=0；在在er负负半周期（半周期（A:-，B:+）：）：VD3、VD4导导通，通，R1和和R2上的上的压压降降UBC和和UBD大小相等，方向相大小相等，方向相

38、反，所以反，所以输输出出电压电压UCD=0；（2）相敏检波电路）相敏检波电路铁芯铁芯上移上移时，时，e 0，e和和er同相同相：在在er正正半周期（半周期（A:+，B:-）：）：VD1、VD2导导通，通，EVD1回路回路=er+e/2 EVD2回路回路=er -e/2则则回路回路电电流：流：i1 i2输输出出电压电压UCD=R0（i1-i2）0ere+-（2）相敏检波电路）相敏检波电路铁芯铁芯上移上移时，时，e 0，e和和er同相同相：在在er负负半周期（半周期（A:-，B:+）：）：VD3、VD4导导通，通，EVD3回路回路=er -e/2 EVD4回路回路=er +e/2则则回路回路电电流

39、：流：i4 i3输输出出电压电压UCD=R0（i4-i3）0ere+-铁芯铁芯下移下移时，时，e 0，e和和er反反相相，同理可得，同理可得，UCD 0。（2）相敏检波电路）相敏检波电路衔铁在衔铁在中间中间位置时，无论参考电压是正半轴还是负半周，在负载位置时，无论参考电压是正半轴还是负半周，在负载R0上的输出上的输出电压始终为电压始终为0。衔铁在零位衔铁在零位以上移动以上移动时，无论参考电压是正半轴还是负半周，在负载时，无论参考电压是正半轴还是负半周，在负载R0上得上得到的输出电压始终为到的输出电压始终为正正。衔铁在零位衔铁在零位以下移动以下移动时，无论参考电压是正半轴还是负半周，在负载时，无

40、论参考电压是正半轴还是负半周，在负载R0上得上得到的输出电压始终为到的输出电压始终为负负。由此可见，该电路能判别由此可见，该电路能判别铁芯移动方向铁芯移动方向。经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，负位移输出负电压。经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，负位移输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图（差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图（a）变成图（）变成图（b），），残余电压自动消失残余电压自动消失。相敏检波前后的输出特性曲线相敏检波前后的输出特性曲线5、应用、应用测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种非电量。测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种非电量。（1

41、）差动变压器式加速度传感器）差动变压器式加速度传感器 用于测定振动物体的用于测定振动物体的频率和振幅时，其激磁频率和振幅时，其激磁频率必须是振动频率的频率必须是振动频率的十倍以上才能得到精确十倍以上才能得到精确的测量结果。可测量的的测量结果。可测量的振幅为振幅为(0.15)mm，振动频率为振动频率为(0150)Hz。（2）微压力变送器）微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。形式的压力传感器。这种变送器可分档测量这种变送器可分档测量(51056105)N/m2压力，

42、输出信号电压为压力，输出信号电压为(050)mV，精度为精度为1.5级。级。（3）螺线管式差动变压器的应用）螺线管式差动变压器的应用（4）液位测量）液位测量 沉沉筒筒式式液液位位计计将将水水位位变变化化转转换换成成位位移移变变化化，再再转转换换为为电电感感的的变变化化，差差动动变变压压器器的的输输出出反映液位高低。反映液位高低。5.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 利用利用电涡流效应电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为，将位移、温度等非电量转换为电感电感的变化。的变化。涡流式传感器可测量位移、厚度、加速度、温度等，其涡流式传感器可测量位移、厚度、加速度、温度等，其本身不与被本身不与被侧对象接

43、触侧对象接触。在一些生理测量工作中，这种传感器具有独特的优点：。在一些生理测量工作中，这种传感器具有独特的优点：优点：优点：（1）被测对象可以脱离电源；）被测对象可以脱离电源；（2）传感器对被测对象不产生附加阻力。）传感器对被测对象不产生附加阻力。电涡流式传感器的电涡流式传感器的敏感元件敏感元件是线圈是线圈对对表面为金属导体表面为金属导体的物体进行多种物理量的的物体进行多种物理量的非接触测量非接触测量1、工作原理、工作原理 金属导体置于金属导体置于变化的磁场变化的磁场中，或者让金属导体中，或者让金属导体在磁场中运动在磁场中运动（即作切（即作切割磁力线运动）时，金属块内将产生割磁力线运动）时，金

44、属块内将产生感应电流感应电流，这种电流在金属块内自成，这种电流在金属块内自成闭合回路闭合回路，很像水的旋涡，这种一圈圈闭合的电流称为，很像水的旋涡，这种一圈圈闭合的电流称为电涡流电涡流，称这种现，称这种现象为象为电涡流效应。电涡流效应。涡流式传感器的涡流式传感器的基本原理基本原理：利用金属导体在交流磁场中的：利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。电涡流效应。形成电涡流必须具备的两个条件：形成电涡流必须具备的两个条件：存在交变磁场存在交变磁场导电体处于交变磁场中导电体处于交变磁场中线圈置于金属导体附近：线圈置于金属导体附近：1、工作原理、工作原理线圈中通以高频信号线圈中通以高频信号正弦交变磁场正

45、弦交变磁场金属导体内产生涡流金属导体内产生涡流涡流产生磁场涡流产生磁场电感变化程度取决于线圈电感变化程度取决于线圈L的外形尺寸，线圈的外形尺寸，线圈L至至金属板之间的距离，金属板材料的电阻率、磁导金属板之间的距离，金属板材料的电阻率、磁导率等。率等。反作用于线圈，改变了电感反作用于线圈，改变了电感基本组成基本组成：一个载流线一个载流线圈和一个金圈和一个金属导体。属导体。电涡流式传感器的基本组成电涡流式传感器的基本组成：一个载流线圈：一个载流线圈和一个金属导体。和一个金属导体。工作原理工作原理：一个通有一个通有正弦交变电流正弦交变电流 的传感器的传感器线圈线圈，由于电流的变化，在线圈周围产生由于

46、电流的变化，在线圈周围产生正弦交变正弦交变磁场磁场 ；当当被测导体被测导体置于该磁场内，则在被测导体置于该磁场内，则在被测导体内产生内产生涡流涡流 ，电涡流，电涡流 也将产生也将产生新的新的交变磁场交变磁场 ；与与 的的方向相反方向相反，由于，由于 的反作的反作用，使用，使线圈电感量线圈电感量发生变化。发生变化。1、工作原理、工作原理电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理高频电流高频电流通过通过励磁线圈励磁线圈，产生，产生交交变磁场变磁场，在铁质锅底会产生无数，在铁质锅底会产生无数的的电涡流电涡流，使锅底发热，烧开锅，使锅底发热，烧开锅 内食物。内食物。2、等效电路、等效电路把被测导体上形成的把被测

47、导体上形成的电涡流电涡流等效成一个等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为短路线圈，其电阻为R2、电感为、电感为L2。这样线圈与被测导体便可等效为两个这样线圈与被测导体便可等效为两个相相互耦合互耦合的线圈。的线圈。线圈与导体间存在一个线圈与导体间存在一个互感互感M，它随线，它随线圈与导体间距圈与导体间距x的减小而增大。的减小而增大。2、等效电路、等效电路根据等效电路，可列出电路方程组为根据等效电路，可列出电路方程组为联立得联立得可得传感器线圈的等效电阻和等效电感为：可得传感器线圈的等效电阻和等效电感为：结论：结论：只要有涡流存在，电阻

48、值就会增大，随着导体与线圈之间距离的减小（只要有涡流存在，电阻值就会增大，随着导体与线圈之间距离的减小（M增增大）而增大；大）而增大；电涡流产生一个与原磁场方向相反的磁场，并由此减小线圈电感，线圈与导电涡流产生一个与原磁场方向相反的磁场，并由此减小线圈电感，线圈与导体间距离越小（体间距离越小（M越大），电感量的减小程度越大。越大），电感量的减小程度越大。涡流产生后，线圈的品质因数下降。涡流产生后，线圈的品质因数下降。3、举例、举例 （1）高频反射式电涡流传感器）高频反射式电涡流传感器电涡流产生的磁场对传感器线圈产生的磁场的电涡流产生的磁场对传感器线圈产生的磁场的“反射作用反射作用”，可理解为传

49、感，可理解为传感器线圈与电涡流之间存在互感器线圈与电涡流之间存在互感M，其大小取决于金属导体和线圈的距离，其大小取决于金属导体和线圈的距离，M随随距离距离x的减小而增大。的减小而增大。高频透射式传感器的阻抗高频透射式传感器的阻抗Z、电感、电感L、品质因数、品质因数Q都是由都是由 、x、f 等参数等参数决定。若只改决定。若只改变变其中一个参数，其余参数不其中一个参数，其余参数不变变，便可，便可测测定定这这个可个可变变参量。参量。3、举例、举例 （2）低频透射式涡流厚度传感器）低频透射式涡流厚度传感器在被在被测测金属板的上方金属板的上方设设有有发发射射传传感器感器线线圈圈L1，下方有接收，下方有接

50、收传传感器感器线线圈圈L2。当在当在L1上加低上加低频电压频电压U1时时，L1上上产产生交生交变变磁通磁通 ，若两，若两线线圈之圈之间间没有金属板，没有金属板，则则交交变变磁通直接耦合至磁通直接耦合至L2中，中，L2产产生感生感应应电压电压U2.如果被如果被测测金属板放入两金属板放入两线线圈圈间间，则则L1产产生的磁生的磁场场，会，会导导致金属板中致金属板中产产生生电涡电涡流，流，并将并将贯贯穿金属板，此穿金属板，此时时磁磁场场能量被削弱，使到达能量被削弱，使到达L2的磁通量减弱，从而使的磁通量减弱，从而使L2产产生生的感的感应电压应电压U2下降。下降。3、举例、举例 （2）低频透射式涡流厚度