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1、山东理工大学机械学院第三章电感式传感器传感器机械工程学院仪器系李云雷Tel:2786982办公室：12#527山东理工大学机械学院第三章电感式传感器第三章电感式传感器定义：定义：是一种利用线圈自感或互感的变化实现非电量电测的是一种利用线圈自感或互感的变化实现非电量电测的装置。装置。被测量被测量：位移、加速度、压力、应变等。：位移、加速度、压力、应变等。分类分类：根据转换原理，分自感式和互感式两种；：根据转换原理，分自感式和互感式两种；根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。此外，利用电涡流原理的此外，利用电涡流原理的电涡流式传感器电涡流式传感器，利用压磁
2、原理，利用压磁原理的的压磁式传感器压磁式传感器，利用平面绕组互感原理的，利用平面绕组互感原理的感应同步器感应同步器等，等，亦属此类亦属此类。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器优点优点：结构简单可靠，输出功率大、输出阻抗小；结构简单可靠，输出功率大、输出阻抗小；分辨力高分辨力高 机械位移：，甚至更小；角位移：角秒。机械位移：，甚至更小；角位移：角秒。重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良在几十在几十mm到数百到数百mmmm的位移范围内，输出特性的线性度较好，的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。且比较稳定。缺点缺点：频率响应低，不宜于高频动态测量。：频率响应低，不宜于高频动态测量
3、。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器第一节第一节 工作原理工作原理一、一、自感式传感器自感式传感器组成：线圈组成：线圈1 1，铁芯，铁芯2 2和衔铁和衔铁3 3等。等。图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为2,2,可以认为可以认为磁路封闭。磁路封闭。线圈自感计算公式：线圈自感计算公式：N N：线圈匝数；：线圈匝数；R Rm m：磁路总磁阻：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式
4、传感器图示自感传感器，因为气隙较小图示自感传感器，因为气隙较小(为为1mm)1mm)，所以，认为气，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为l li i：各段导磁体的长度；各段导磁体的长度；i i：各段导磁体的磁导率；：各段导磁体的磁导率；S Si i：各段导磁体的截面积；各段导磁体的截面积；0 0：真空磁导率，：真空磁导率，0 0=4=41010-7-7H Hm m；S S：空气隙截面积（图空气隙截面积（图3 31b1b，S=abS=ab）山东理工大学机械学院第三章电感式传感器代入代入L L，得，得结论：结论：自感自感L L是气
5、隙截面积和长度的函数，即是气隙截面积和长度的函数，即L Lf f(,(,S S)；若若S S保持不变，则保持不变，则L L为为的单值函数，构成的单值函数，构成变气隙型传感器变气隙型传感器；若保持若保持不变，使不变，使S S随位移变化，则构成随位移变化，则构成变截面型传感器变截面型传感器；线圈中放入圆形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位移，线圈中放入圆形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位移，自感量将相应变化，这就可构成自感量将相应变化，这就可构成螺管型传感器螺管型传感器。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器差动式自感传感器，如图。差动式自感传感器，如图。山东理工大学机械学院第三章电感式传感
6、器图中有两个电感线圈，当衔铁由原始平衡位置变动图中有两个电感线圈，当衔铁由原始平衡位置变动 时，一个线圈电感量增加，一个线圈电感量减少，电感总变时，一个线圈电感量增加，一个线圈电感量减少，电感总变化量为化量为 差动式的与单线圈的相比，有下列优点：差动式的与单线圈的相比，有下列优点：1 1、线性好；、线性好；2 2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同，输出信号大一倍；、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同，输出信号大一倍；山东理工大学机械学院第三章电感式传感器相对增量为相对增量为 上式结论上式结论：非线性误差小很多。：非线性误差小很多。了解内容：气隙型、截面型和螺管型的比较。了解内容：气隙型、截面型和螺管
7、型的比较。l线性度；线性度；l灵敏度；灵敏度；l示值范围；示值范围；l生产中的互换性等。生产中的互换性等。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器截面型自感传感器：截面型自感传感器：山东理工大学机械学院第三章电感式传感器差动式螺管型自感传感器：差动式螺管型自感传感器：山东理工大学机械学院第三章电感式传感器二、二、互感式传感器互感式传感器 组成组成：基本元件有磁心、初级线圈、次级线圈和线圈框架。基本元件有磁心、初级线圈、次级线圈和线圈框架。一般形式一般形式：这种传感器的二次侧线圈有两个，接线方式又：这种传感器的二次侧线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为是差动的，故常称之为差动变压器式传感器差
8、动变压器式传感器。基本原理基本原理：一次侧线圈通入激励电流：一次侧线圈通入激励电流 时它将产生磁通时它将产生磁通 （线圈（线圈N N1 1所链磁通），其中将有一部分磁通所链磁通），其中将有一部分磁通 将穿过将穿过匝数为匝数为N N2 2的二次侧线圈，从而在线圈的二次侧线圈，从而在线圈N N2 2中产生互感电动势中产生互感电动势 ，其表达式为，其表达式为 山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器因为因为 ，其中其中 为激励电压，为激励电压，为一次侧线圈的有效电阻，为一次侧线圈的有效电阻，为一次侧线圈的电感，则二次侧线圈开路
9、输出电压为一次侧线圈的电感，则二次侧线圈开路输出电压 及其有效值为及其有效值为 结论：结论：l输出电压信号将随互感变化而变化输出电压信号将随互感变化而变化;l传传感感器器工工作作时时，被被测测量量的的变变化化将将使使磁磁芯芯位位移移，后后者者引引 起磁链起磁链1212和互感和互感M M变化，最终使输出电压变化变化，最终使输出电压变化。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器实例：实例：螺管型差动变压器式传感器螺管型差动变压器式传感器螺管型差动变压器类型：螺管型差动变压器类型：根据一次侧、二次侧线圈排列形式不同有二节式、根据一次侧、二次侧线圈排列形式不同有二节式、三节式、四节式和五节式，如图三节式
10、、四节式和五节式，如图3-103-10所示。所示。三节式的组成：三节式的组成：磁芯磁芯1 1、磁筒、磁筒2 2、骨架、骨架3 3、一次侧线圈、一次侧线圈N N1 1、二次侧、二次侧线圈线圈N N2a2a和和 N N2b2b。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器310山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器三节式的工作原理：三节式的工作原理：l在理想情况下，忽略铁心损耗及线圈寄生电容等因素的影在理想情况下，忽略铁心损耗及线圈寄生电容等因素的影响，其等效电路可以画成如图响，其等效电路可以画成如图3-11b3-11b所示的形式。所示的形式。l图中图中e e2a2
11、a和和e e2b2b是单个是单个二次侧线圈的感应电动势二次侧线圈的感应电动势，当磁芯位于，当磁芯位于一次侧线圈和某个二个侧线圈的中间位置时，该二次侧线一次侧线圈和某个二个侧线圈的中间位置时，该二次侧线圈绕组的感应电动势达到最大值圈绕组的感应电动势达到最大值E Emaxmax。当磁芯远离，接近。当磁芯远离，接近空心状态时，其感应电动势呈现最小值空心状态时，其感应电动势呈现最小值E Eminmin。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器l当两个二次侧线圈反向串接时，空载输出电压当两个二次侧线圈反向串接时，空载输出电压u u0 0=e=e2a2a-e-e2b2b呈呈V V形特性，如图形特性，如图3-
12、11c3-11c所示。图中所示。图中x x表示磁芯偏离中心位置表示磁芯偏离中心位置的距离。的距离。l二次侧线圈感应电动势二次侧线圈感应电动势e e2a2a和和e e2b2b分别为分别为山东理工大学机械学院第三章电感式传感器第三节第三节 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度被测量被测量自感（互感）自感（互感）转换电路转换电路后级电路后级电路转换电路的作用转换电路的作用：把自感变化转换为电压（或电流）的：把自感变化转换为电压（或电流）的变化；变化；转换电路的形式转换电路的形式：调幅电路、调频电路和调相电路，其：调幅电路、调频电路和调相电路，其中调幅电路应用较多。中调幅电路应用较多。山东理工
13、大学机械学院第三章电感式传感器一、调幅电路一、调幅电路1、变压器电桥、变压器电桥l基本结构：基本结构：Z Z1 1、Z Z2 2为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次侧线圈的两半，每半的电压为源变压器二次侧线圈的两半，每半的电压为u/2u/2。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器l输出空载电压：输出空载电压：l初始平衡，初始平衡，Z Z1 1=Z=Z2 2=Z=Z，u u0 0=0=0。磁芯偏离中间零点，。磁芯偏离中间零点，Z Z1 1=Z=ZZ Z，Z Z2 2=Z=ZZ Z，输出电压变为，输出电压变为l输出阻
14、抗值较小，为输出阻抗值较小，为 ，因而应用较广。，因而应用较广。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器l磁芯移动方向相反时，磁芯移动方向相反时，Z Z1 1=Z=ZZ Z，Z Z2 2=Z=ZZ Z，输出电，输出电压变为压变为结论：结论：两种情况的输出电压相等，方向相反，相位差两种情况的输出电压相等，方向相反，相位差180180。若用示波器显示，两交流电压波形相同，为判断磁芯移动若用示波器显示，两交流电压波形相同，为判断磁芯移动方向，可在后续电路配置相敏检波器。方向，可在后续电路配置相敏检波器。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器Ri1e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D
15、2CDABi3i2i4e相敏检波电路相敏检波电路山东理工大学机械学院第三章电感式传感器l线圈的阻抗变化线圈的阻抗变化 ，线圈，线圈的品质因数为的品质因数为Q=Q=L/RL/R，则输出电压表达式可变为：，则输出电压表达式可变为：l若若R/RR/R可以忽略，有可以忽略，有 山东理工大学机械学院第三章电感式传感器l若设计成若设计成L/LL/LR/RR/R，或要求线圈具有较高，或要求线圈具有较高Q Q值，此时值，此时山东理工大学机械学院第三章电感式传感器2 2、谐振式调幅电路、谐振式调幅电路 基本组成：基本组成：传感器自感传感器自感L L、固定电容、固定电容C C、变压器、变压器T T。工作原理：工作
16、原理：接入外接电源接入外接电源u u后，变压器的二次侧将有电压后，变压器的二次侧将有电压 u u0 0输出，输出，输出电压频率与电源频率相同，幅度随输出电压频率与电源频率相同，幅度随L L变化变化。图图3-16b3-16b所示为输出电压所示为输出电压u u0 0与自感与自感L L的关系曲线，其中的关系曲线，其中L L0 0为为谐振点的自感值。实际应用时可以使用特性曲线一侧接近谐振点的自感值。实际应用时可以使用特性曲线一侧接近线性的一段。线性的一段。优缺点：优缺点：这种电路的灵敏度很高，但线性差，适用于线这种电路的灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。性要求不高的场合。山东理工大学机械
17、学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器二、调频电路二、调频电路 基本原理基本原理:传感器自感传感器自感L L变化将引起输出电压频率变化将引起输出电压频率f f的变化。的变化。振荡回路的振荡频率为振荡回路的振荡频率为 当当L L发生微小变化发生微小变化LL，频率变化，频率变化ff为为 特点：特点：非线性比较严重，用于动态范围很小的情况或要非线性比较严重，用于动态范围很小的情况或要求后续电路作适当的处理。求后续电路作适当的处理。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器三、调相电路三、调相电路 基本原理：基本原理：传感器电感传感器电感L的变化
18、引起输出电压相位的变化引起输出电压相位的的变化。变化。结构如图：结构如图：相位电桥一臂为相位电桥一臂为L,一臂为一臂为R。电感线圈与固。电感线圈与固定电阻上的压降互相垂直。电感变化，输出电压幅值不变，定电阻上的压降互相垂直。电感变化，输出电压幅值不变，相位变化。相位变化。电感电感L变化变化L，相位变化，相位变化山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器四、自感传感器的灵敏度四、自感传感器的灵敏度 定义：定义：自感传感器的灵敏度是指传感器结构和转换电自感传感器的灵敏度是指传感器结构和转换电路综合在一起的总灵敏度。路综合在一起的总灵敏度。传感器结构的灵敏度传感器结
19、构的灵敏度kt：自感值的相对变化与引起这自感值的相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，公式如下一变化的衔铁位移之比，公式如下 转换电路的灵敏度转换电路的灵敏度kc：空载输出电压与自感相对变化：空载输出电压与自感相对变化之比，公式如下之比，公式如下 山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器自感传感器的灵敏度自感传感器的灵敏度kz:实例分析：实例分析：差动差动气隙型自感传感器的灵敏度计算气隙型自感传感器的灵敏度计算山东理工大学机械学院第三章电感式传感器结论：结论：l传感器类型和转换电路不同，灵敏度表达式不同。供电电传感器类型和转换电路不同，灵敏度表达式不同。供电
20、电源的电压源的电压u u要稳定，它直接影响传感器的灵敏度。要稳定，它直接影响传感器的灵敏度。l传感器灵敏度的单位为传感器灵敏度的单位为mv/(mv/(mV)，意思是当电源电压，意思是当电源电压为为1V1V，衔铁偏移，衔铁偏移1 1m时，输出电压为若干毫伏。时，输出电压为若干毫伏。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器五、差动变压器的转换电路五、差动变压器的转换电路1、反串电路、反串电路u0R2be2ae2buR1MaMbL2aL2bL1i1R2a空载输出电压：空载输出电压：山东理工大学机械学院第三章电感式传感器2、桥路、桥路其中其中 是桥臂电阻，是桥臂电阻，是供调零用的电是供调零用的电位器。暂
21、不考虑电位器位器。暂不考虑电位器 ，并设，并设 ，则输出电压为则输出电压为 山东理工大学机械学院第三章电感式传感器19山东理工大学机械学院第三章电感式传感器第三节第三节 零点残余电压零点残余电压一、差动式自感型传感器的零残电压一、差动式自感型传感器的零残电压1 1、零残电压的产生、零残电压的产生l若桥路中两线圈的阻抗相等，包括电阻相等和电感相等，若桥路中两线圈的阻抗相等，包括电阻相等和电感相等，则电桥平衡输出电压为零，但桥路的绝对平衡难以实现。则电桥平衡输出电压为零，但桥路的绝对平衡难以实现。l画出画出衔铁位移衔铁位移x x与电桥与电桥输出电压输出电压U U0 0有效值有效值的关系曲线，则的关
22、系曲线，则如图如图3-203-20所示，虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲所示，虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为输出电压称为零点残余电压零点残余电压，并用，并用e e0 0表示。表示。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器2 2、零残电压的形式及其对测量的影响、零残电压的形式及其对测量的影响l示波器上观察到的波形见图示示波器上观察到的波形见图示。其中。其中u u代表电源电压，代表电源电压，e e0 0代表零点残余电压的波形。代表零点残余电压
23、的波形。l零残电压包含基波和高次谐波两个部分零残电压包含基波和高次谐波两个部分。基波一般为与电。基波一般为与电源电压相正交的正交分量，还包括基波同相成分。高次谐源电压相正交的正交分量，还包括基波同相成分。高次谐波中有二次、三次谐波和幅值较小的外界电磁干扰波。波中有二次、三次谐波和幅值较小的外界电磁干扰波。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器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 二次谐波二次谐波 4 三次谐波三次谐波 5 电磁干扰波电磁干扰波uue0e012345(a)零残电压的波形零残电压的波形(b)波形分析波形分析tt山东理工大学机械学院第三章电感式传感器l零残电
24、压的影响：零残电压的影响：零点残余电压过大，会使灵敏度下降，零点残余电压过大，会使灵敏度下降，非线性误差增大，不同档位的放大倍数有显著差别，甚至非线性误差增大，不同档位的放大倍数有显著差别，甚至造成放大器末级趋于饱和，致使仪器电路不能正常工作，造成放大器末级趋于饱和，致使仪器电路不能正常工作，甚至不再反映被测量的变化。甚至不再反映被测量的变化。l零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要标志之一。零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要标志之一。在制造传感器时，要规定其零点残余电压不得超过某一定在制造传感器时，要规定其零点残余电压不得超过某一定值。例如某自感测微仪的传感器，经值。例如某自感测微仪
25、的传感器，经200200倍放大后，在放倍放大后，在放大器末级测量，零点残余电压不得超过大器末级测量，零点残余电压不得超过80mV80mV。仪器在使用。仪器在使用过程中，若有迹象表明传感器的零点残余电压太大，就要过程中，若有迹象表明传感器的零点残余电压太大，就要进行调整。进行调整。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器3 3、零残电压产生的电路分析、零残电压产生的电路分析l造成零残电压的原因，总的来说，是造成零残电压的原因，总的来说，是两电感线圈的等效参两电感线圈的等效参数不对称数不对称。l自感线圈的等效电路如图自感线圈的等效电路如图a a。其中与其中与L L串联的串联的R Rc c是铜损电阻，
26、是铜损电阻，与其并联的与其并联的R Re e和和R Rh h则分别代表铁心的涡流损失及磁滞损失；则分别代表铁心的涡流损失及磁滞损失；与与L L及及R Rc c并联的电容并联的电容C C则反映了线圈的自身电容，这在高频则反映了线圈的自身电容，这在高频时必须给以特别考虑，一般可以忽略。时必须给以特别考虑，一般可以忽略。l各处电压、电流的矢量图如图各处电压、电流的矢量图如图b b所示。所示。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器流入线圈的总电流；流入线圈的总电流；流入自感的电流；流入自感的电流；铜损电阻上的电位降；铜损电阻上的电位降；电感上的电位降；电感上的电位
27、降；整个线圈上的电位降，且整个线圈上的电位降，且 ；损耗角，损耗角，；l各参数的含义：各参数的含义：山东理工大学机械学院第三章电感式传感器luz有效值及其相位角有效值及其相位角的计算的计算：山东理工大学机械学院第三章电感式传感器（1 1）理想情况：两线圈的各参数完全相等，则）理想情况：两线圈的各参数完全相等，则u uz1z1和和u uz2z2大小大小相等，相位一致。图相等，相位一致。图3 323b23b。（2 2）实际情况，铜损电阻不等，损耗角不等。此时，可调）实际情况，铜损电阻不等，损耗角不等。此时，可调整两线圈电感，使整两线圈电感，使u uz1z1和和u uz2z2大小相等，但相位不一致，
28、图大小相等，但相位不一致，图3 323c23c。（3 3）此时，零残电压计算式）此时，零残电压计算式讨论：讨论：山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器4 4、抑制零残电压的方法、抑制零残电压的方法（1 1）后接相敏整流电路）后接相敏整流电路采用相敏检波电路不仅采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲衔铁反行程时的特性曲线由线由1 1变到变到2 2，从而消除，从
29、而消除了零点残余电压。了零点残余电压。U0+x-x210相敏检波后的输出特性相敏检波后的输出特性山东理工大学机械学院第三章电感式传感器（2 2）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l设计时应使上、下磁路对称，尽量减小设计时应使上、下磁路对称，尽量减小R Rc c增大增大R Reheh和增加和增加L L 以提高线圈的品质因数；以提高线圈的品质因数；l制造时应使上下磁性材料特性一致，磁筒、磁盖、磁芯要制造时应使上下磁性材料特性一致，磁筒、磁盖、磁芯要配套挑选，线圈排列要均匀，松紧要一致，最好每层的匝配套挑选，线圈排列要均匀，松紧要一致，最好每层的匝数都相等。数都相等。山东理工
30、大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器（3 3）线路调整措施）线路调整措施l消除基波的调整线路：消除基波的调整线路：在其中一臂串入一个电阻在其中一臂串入一个电阻R R1 1，串入，串入哪一臂应视零残电压是否有所减少而定。调整时用示波器哪一臂应视零残电压是否有所减少而定。调整时用示波器观察放大器末级输出，观察放大器末级输出，一面调一面调R R1 1的大小，一面移动磁芯的的大小，一面移动磁芯的位置位置，直至示波器上没有基波（与振荡电源频率相同的波），直至示波器上没有基波（与振荡电源频率相同的波）信号为止。信号为止。l消除高次谐波的调整线路：消除高次谐波的调整线路：二次
31、谐波或三次谐波，是由于二次谐波或三次谐波，是由于传感器传感器磁芯的磁化曲线非线性磁芯的磁化曲线非线性所致。虽然外加电源是正弦所致。虽然外加电源是正弦的，而通过线圈的电流却发生了畸变，包含了高次谐波，的，而通过线圈的电流却发生了畸变，包含了高次谐波，又因两线圈的非线性不一致，高次谐波不能够完全抵消，又因两线圈的非线性不一致，高次谐波不能够完全抵消，就在输出电压中显了出来。就在输出电压中显了出来。为此在某一臂并联一电阻为此在某一臂并联一电阻R R2 2（数十至数百千欧），使该线圈分流，改变磁化曲线上的（数十至数百千欧），使该线圈分流，改变磁化曲线上的工作点，从而改变其谐波分量工作点，从而改变其谐波
32、分量。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器l消除因变压器二次侧电压相位不严格相同产生的零残电压：消除因变压器二次侧电压相位不严格相同产生的零残电压：这时可把传感器拔去，用两个阻值相同的电阻接入桥路，这时可把传感器拔去，用两个阻值相同的电阻接入桥路，用试探法在某个一次侧线圈上并一电容用试探法在某个一次侧线圈上并一电容C C（100100500pF500pF），），调整调整C C的大小，直到零残电压达到最小为止。的大小，直到零残电压达到最小为止。说明：说明：上述三种方法，可综合使用，也可单独使用。如图上述三种方法，可综合使用，也可单独使用。如图3 324b2
33、4b、c c所示。所示。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器二、差动变压器的零残电压二、差动变压器的零残电压l产生原因：产生原因：二次侧线圈的等效参数不对称。二次侧线圈的等效参数不对称。l电路补偿方法电路补偿方法（见图（见图3 32525）图图a a：输出端接电位器，用于抑制基波正交分量，但对：输出端接电位器，用于抑制基波正交分量，但对高次谐波无补偿作用。如果并联一只电容高次谐波无补偿作用。如果并联一只电容 ，就可有效，就可有效地补偿高次谐波分量地补偿高次谐波分量;图图b b：并联一只电容：并联一只电容C C，可有效地补偿高次谐波分量，可有效地补偿高次谐波分量;r;r图图c:c:串联电阻串联
34、电阻R R调整二次侧线圈的电阻值不平衡，并联调整二次侧线圈的电阻值不平衡，并联电容电容C C改变某一输出电势的相位，也能达到良好的零残改变某一输出电势的相位，也能达到良好的零残电压实偿作用。电压实偿作用。图图d:d:接入接入R(R(几百千欧）减轻了两二次侧线圈的负载，几百千欧）减轻了两二次侧线圈的负载，可以避免外接负载不是纯电阻而引起较大的零残电压。可以避免外接负载不是纯电阻而引起较大的零残电压。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器第四节第四节 应用举例应用举例1、尺寸测量用轴向自感式传感器、尺寸测量用轴向自感式传感器基本结构：基本结构：玛瑙测端玛瑙测端
35、10；防尘密封件防尘密封件9；测杆测杆8；滚珠导轨滚珠导轨7：四排，每排：四排，每排8粒；粒；磁芯磁芯3：固定于测杆上端；：固定于测杆上端；线圈线圈4：匝数：匝数2 2800800，线径，线径；铁心套筒铁心套筒2：材料铁氧体；：材料铁氧体；弹簧弹簧5：产生测力；：产生测力；防转件防转件6；外壳夹持部分：便于安装于仪器上。外壳夹持部分：便于安装于仪器上。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器瑞士TESA电感测微仪（TT20）山东理工大学机械学院第三章电感式传感器瑞士瑞士TESATESA电感测微仪由数显电箱和电感测头两部分组成，经过设计和电感测微仪由数显电箱和
36、电感测头两部分组成，经过设计和安装配上相应的测量装置及测量软件，能快速准确测量微小尺寸变量，安装配上相应的测量装置及测量软件，能快速准确测量微小尺寸变量，适用于自动化测量或实验室内高精度对比测量，能够完成各种精密测适用于自动化测量或实验室内高精度对比测量，能够完成各种精密测量。例如，量。例如，检查工件的厚度、内径、外径、椭圆度、平行度、直线度、检查工件的厚度、内径、外径、椭圆度、平行度、直线度、径向跳动径向跳动等多种参数，它被广泛应用于于精密机械制造业、以及国防、等多种参数，它被广泛应用于于精密机械制造业、以及国防、科研、计量部门。科研、计量部门。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工
37、大学机械学院第三章电感式传感器2、气体压力传感器、气体压力传感器结构原理：结构原理：弹簧管弹簧管1：自由端在压力作用下移动，带动衔铁：自由端在压力作用下移动，带动衔铁5移动；移动；传感器线圈传感器线圈4、6：电感值一增、一减；：电感值一增、一减；铁芯铁芯3、7：套装线圈，初始位置可由螺钉：套装线圈，初始位置可由螺钉2调整；调整；传感器整体装于圆形金属盒，并由螺纹连接被测对象。传感器整体装于圆形金属盒，并由螺纹连接被测对象。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器3、加速度计用差动变压器式传感器、加速度计用差动变压器式传感器工作原理：工作原理：质量块由片簧支承；质量块由片簧支承；质量块位移与被测加
38、速度成正比；质量块位移与被测加速度成正比；质量块既是惯性元件，又是磁性元件。质量块既是惯性元件，又是磁性元件。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器第五节第五节 电涡流式传感器电涡流式传感器一、工作原理一、工作原理涡流效应：涡流效应：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。这种现象就称为涡流效应。涡流形成的条件：涡流形成的条件：存在交变磁场；存在交变磁场；导电体处于交变磁场之中。导电体处于
39、交变磁场之中。涡流作用原理：涡流作用原理：线圈产生的交变磁场在金属导体中激励出涡流，涡流产线圈产生的交变磁场在金属导体中激励出涡流，涡流产生交变磁场，两磁场方向相反。因涡流磁场的作用，涡流消耗部分能生交变磁场，两磁场方向相反。因涡流磁场的作用，涡流消耗部分能量，引起线圈阻抗变化。如下图。量，引起线圈阻抗变化。如下图。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器等效电路分析：等效电路分析：线圈与金属导体之间存在着磁性联系。若把线圈与金属导体之间存在着磁性联系。若把导体形象地看作一个短路线圈，其间的关系可用图导体形象地看作一个短路线圈，其间的关系可用图3-33b3-
40、33b所示的电路来表示。线圈与金属导体之间可以定义一个互所示的电路来表示。线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数感系数M M，它将随着间距，它将随着间距x x的减少而增大。根据基尔霍夫定的减少而增大。根据基尔霍夫定律，可列出方程律，可列出方程山东理工大学机械学院第三章电感式传感器解方程得：解方程得：山东理工大学机械学院第三章电感式传感器线圈受到金属导体作用后的等效阻抗如下：线圈受到金属导体作用后的等效阻抗如下：山东理工大学机械学院第三章电感式传感器讨论：讨论：1 1、在等效电感中，第一项、在等效电感中，第一项L L1 1与与磁效应磁效应有关。若金属导体为非有关。若金属导体为非磁性材料，磁性材料
41、，L L1 1就是空心线圈的电感。当金属导体是磁性材就是空心线圈的电感。当金属导体是磁性材料时，料时，L L1 1将增大，而且随着将增大，而且随着x x的变化而变化。第二项与的变化而变化。第二项与涡涡流效应流效应有关，涡流引起的反磁场有关，涡流引起的反磁场H H2 2将使电感减小，将使电感减小，x x越小，越小，电感减小的程度就越大。电感减小的程度就越大。2 2、等效电阻、等效电阻R R总是比原有的电阻总是比原有的电阻R R1 1大，这是因为大，这是因为涡流损耗、涡流损耗、磁滞损耗磁滞损耗都将使阻抗的实数部分增加。显然，金属导体材都将使阻抗的实数部分增加。显然，金属导体材料的导电性能和线圈离导
42、体的距离将直接影响这实数部分料的导电性能和线圈离导体的距离将直接影响这实数部分的大小。的大小。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器3 3、金属导体的电阻率、金属导体的电阻率、磁导率、磁导率、线圈与金属导体的距、线圈与金属导体的距离离x x以及线圈激励电流的角频率以及线圈激励电流的角频率 等参数，都将通过涡流等参数，都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。或者说，线圈阻抗效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。或者说，线圈阻抗Z Z是这些参数的函数，可写成是这些参数的函数，可写成 若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成
43、为这个参数的单值函数。这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器二、转换电路二、转换电路（一）电桥电路法（一）电桥电路法l如图如图3-18，A、B为传感器线圈，与为传感器线圈，与C1、C2并联，电阻并联，电阻R1、R2共同共同组成电桥四臂。组成电桥四臂。l线圈阻抗变化，电桥输出电压。线圈阻抗变化，电桥输出电压。l主要应用：差动式电涡流传感器。主要应用：差动式电涡流传感器。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器（二）谐振电路法（二）谐振电路法l谐振回路组成：传感器线圈谐振回路组成：传感器线圈+固定电容固定电容C。l回路谐振频率
44、：回路谐振频率：l传感器线圈接近金属导体，电感传感器线圈接近金属导体，电感L变化，回路的变化，回路的等效阻抗等效阻抗和和谐振频率谐振频率变化。可测量回路阻抗或谐振频率间接反映被测量。变化。可测量回路阻抗或谐振频率间接反映被测量。l测量电路形式：调幅电路和调频电路。测量电路形式：调幅电路和调频电路。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器1、调幅法、调幅法l调幅测量电路原理图：调幅测量电路原理图：lLC回路输出电压：回路输出电压：u=i0F(Z)山东理工大学机械学院第三章电感式传感器l测量开始，传感器远离被测导体，测量开始，传感器远离被测导体，调整调整LC回路使其谐振频率等于激振回路使其谐振频率等
45、于激振频率频率；l传感器接近导体，线圈等效电感变化，回路失谐，传感器接近导体，线圈等效电感变化，回路失谐，回路的谐振峰向左回路的谐振峰向左右移动；右移动；l导体为非磁性材料：等效电感减小，回路谐振频率升高，谐振峰右移，导体为非磁性材料：等效电感减小，回路谐振频率升高，谐振峰右移，阻抗减小到阻抗减小到 ，输出电压降为，输出电压降为l导体为软磁材料：等效电感增加，回路谐振频率降低，谐振峰左移，导体为软磁材料：等效电感增加，回路谐振频率降低，谐振峰左移，阻抗变为阻抗变为Z1，输出电压降为，输出电压降为u1。l根据输出电压的变化表示传感器与被测导体间的距离。根据输出电压的变化表示传感器与被测导体间的距
46、离。l电阻电阻R的作用：降低传感器对振荡器工作状态的影响。的作用：降低传感器对振荡器工作状态的影响。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器2、调频法、调频法l调频测量电路原理图：调频测量电路原理图：l输出量：输出量：LC回路的谐振频率，可直接用频率计测量。回路的谐振频率，可直接用频率计测量。l鉴频器：实现频率鉴频器：实现频率-电压转换，再测量电压值。电压转换，再测量电压值。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器（二）正反馈法（二）正反馈法l谐振回路组成：传感器线圈谐振回路组成：传感器线圈+固定电容固定电容C。l特点：放
47、大器的反馈电路由电涡流传感器线圈组成。特点：放大器的反馈电路由电涡流传感器线圈组成。l工作原理：线圈阻抗变化，放大倍数变化，输出电压变化。工作原理：线圈阻抗变化，放大倍数变化，输出电压变化。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器三、低频透射涡流传感器三、低频透射涡流传感器l前述电涡流传感器，反磁场要前述电涡流传感器，反磁场要“反射反射”回去，改变激励线圈阻抗。回去，改变激励线圈阻抗。Z、L又称反射阻抗、反射电感。要保证反射效果好，要求激励频率高，又称反射阻抗、反射电感。要保证反射效果好，要求激励频率高，贯穿深度小。贯穿深度小。l低频透射涡流传感器工作条件：激励频率低，涡流的贯穿深度加厚。低频透
48、射涡流传感器工作条件：激励频率低，涡流的贯穿深度加厚。l实例：实例：低频透射涡流测厚仪低频透射涡流测厚仪。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器l测厚仪工作原理：测厚仪工作原理：1.1.发射线圈发射线圈 L L1 1和接收线圈和接收线圈 L L2 2分别位于被测物体的上下方。若在分别位于被测物体的上下方。若在 L1L1上加低频电压上加低频电压 u u1 1，线圈中流过一个相同频率的交变电流，并，线圈中流过一个相同频率的交变电流，并在其周围产生交变磁场。在其周围产生交变磁场。2.2.若两线圈之间无被测物体若两线圈之间无被测物体 M M，则，则 L L1 1的磁场就能直接贯穿的磁场就能直接贯穿 L
49、 L2 2，于是于是 L L2 2的两端就会感生交变电势的两端就会感生交变电势 e e，e e的大小与的大小与 u u1 1的幅值和频的幅值和频率、率、L L1 1及及 L L2 2的匝数和结构以及两线圈的相对位置有关。的匝数和结构以及两线圈的相对位置有关。3.3.若在若在 L L1 1及及 L L2 2之间放置金属板之间放置金属板 M M 后，后，L L1 1产生的磁力线必然透过产生的磁力线必然透过 M M 并在其中产生涡流，涡流损耗了部分磁场能量，达到并在其中产生涡流，涡流损耗了部分磁场能量，达到 L L2 2上的上的磁力线减少，使磁力线减少，使 u u2 2下降。下降。M M 的厚度越大
50、，涡流产生的损耗就越的厚度越大，涡流产生的损耗就越大，大，e e就就越小。由此可知就就越小。由此可知 e e的大小间接反映了的大小间接反映了 M M 的厚度。的厚度。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器穿透式测厚山东理工大学机械学院第三章电感式传感器四、涡流传感器应用四、涡流传感器应用（一）涡流式传感器的应用：（一）涡流式传感器的应用：利用位移利用位移x x作为变换量，可以做成测量位移、振幅、振摆、作为变换量，可以做成测量位移、振幅、振摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；利用材料电阻率利用材料电阻率作为变换量，可以做成测量温度、材质作为变换