电感传感器PPT讲稿.ppt

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1、电感传感器第1页，共88页，编辑于2022年，星期一电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测的物理量如位移、电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数自感系数L L或或互感系数互感系数M M 的的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。实现由非电量到电量转换的装置。将非电量转换成自感系数变化的传感器通常称为自感式传感将非电量转换成自感系数变化的传感器通常称为自感式传感器，而将非电量转换成互感系数变化的传感器通常称为互感器，而将非电量

2、转换成互感系数变化的传感器通常称为互感式传感器（又称差动变压器式传感器）。式传感器（又称差动变压器式传感器）。第2页，共88页，编辑于2022年，星期一按传感器转换原理按传感器转换原理自感式自感式自感式自感式互感式互感式互感式互感式涡流式涡流式涡流式涡流式压磁式压磁式压磁式压磁式感应同步器感应同步器感应同步器感应同步器按结构形式不同按结构形式不同气隙式气隙式气隙式气隙式螺管式螺管式螺管式螺管式按改变参数不同按改变参数不同变气隙式厚度式变气隙式厚度式变气隙式厚度式变气隙式厚度式变气隙面积式变气隙面积式变气隙面积式变气隙面积式变铁芯导磁率式变铁芯导磁率式变铁芯导磁率式变铁芯导磁率式第3页，共88页

3、，编辑于2022年，星期一优点优点优点优点结构简单，工作可靠，寿命长结构简单，工作可靠，寿命长结构简单，工作可靠，寿命长结构简单，工作可靠，寿命长灵敏度高，分辨率高，测量精度高，线性好灵敏度高，分辨率高，测量精度高，线性好灵敏度高，分辨率高，测量精度高，线性好灵敏度高，分辨率高，测量精度高，线性好性能稳定，重复性好性能稳定，重复性好性能稳定，重复性好性能稳定，重复性好输出阻抗小，输出功率大，抗干扰能力强，适合在恶略环境中工作输出阻抗小，输出功率大，抗干扰能力强，适合在恶略环境中工作输出阻抗小，输出功率大，抗干扰能力强，适合在恶略环境中工作输出阻抗小，输出功率大，抗干扰能力强，适合在恶略环境中工

4、作缺点缺点缺点缺点频率低，动态响应慢，不宜作快速动态测量频率低，动态响应慢，不宜作快速动态测量频率低，动态响应慢，不宜作快速动态测量频率低，动态响应慢，不宜作快速动态测量存在交流零位信号，要求附加电源的频率和幅值的稳定度高存在交流零位信号，要求附加电源的频率和幅值的稳定度高存在交流零位信号，要求附加电源的频率和幅值的稳定度高存在交流零位信号，要求附加电源的频率和幅值的稳定度高灵敏度、线性度和测量范围相互制约，测量范围大，灵敏度低灵敏度、线性度和测量范围相互制约，测量范围大，灵敏度低灵敏度、线性度和测量范围相互制约，测量范围大，灵敏度低灵敏度、线性度和测量范围相互制约，测量范围大，灵敏度低第4页

5、，共88页，编辑于2022年，星期一F F220V实验：实验：4.14.1自感式传感器自感式传感器第5页，共88页，编辑于2022年，星期一气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小F F第6页，共88页，编辑于2022年，星期一4.1.1 4.1.1 自感传感器的工作原理和结构自感传感器的工作原理和结构磁路欧姆定律磁路欧姆定律线圈中的感生电势为线圈中的感生电势为线圈中的电感为线圈中的电感为线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁线圈匝数线圈匝数I I I I 为线圈中所通交流电的有效值。为线圈中所通交流电的有效值。为线圈中所通交流电的有效值。为线圈中所通交流电的有效值。总磁阻总磁阻第7页，共8

6、8页，编辑于2022年，星期一空气导磁率空气导磁率磁导率磁导率导磁率导磁率H/mH/m而而其中其中第8页，共88页，编辑于2022年，星期一如果如果如果如果A A保持不变，则保持不变，则保持不变，则保持不变，则L为为 的单值函数，构成的单值函数，构成的单值函数，构成的单值函数，构成变气隙式变气隙式变气隙式变气隙式自感传自感传感器感器若保持若保持若保持若保持 不变，使不变，使A A随被测量（如位移）变化，则构成随被测量（如位移）变化，则构成随被测量（如位移）变化，则构成随被测量（如位移）变化，则构成变截面变截面变截面变截面式式式式自感传感器，自感传感器，自感系数自感系数L与气隙厚度与气隙厚度 成

7、反比，灵敏系数成反比，灵敏系数K高，但有非线性误高，但有非线性误差，差，自感系数自感系数L与截面积与截面积A成正比，呈线性关系，但灵敏系数成正比，呈线性关系，但灵敏系数K低低利用某些铁磁材料的压磁效应改变磁导率利用某些铁磁材料的压磁效应改变磁导率 ，可构成压磁式传，可构成压磁式传感器感器第9页，共88页，编辑于2022年，星期一当衔铁处于初始位置时，当衔铁处于初始位置时，初始电感量为初始电感量为4.1.2 变气隙厚度式自感传感器变气隙厚度式自感传感器变气隙厚度式传感器的气隙较小变气隙厚度式传感器的气隙较小变气隙厚度式传感器的气隙较小变气隙厚度式传感器的气隙较小气隙中的磁场分布是均匀的气隙中的磁

8、场分布是均匀的气隙中的磁场分布是均匀的气隙中的磁场分布是均匀的上式表明，当传感器的匝数为常数，电感上式表明，当传感器的匝数为常数，电感L L仅是磁阻仅是磁阻RmRm的函的函数，自感式传感器又称为变磁阻式传感器数，自感式传感器又称为变磁阻式传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁第10页，共88页，编辑于2022年，星期一若使得衔铁从初始位置向上移动若使得衔铁从初始位置向上移动 ，得此时电感为，得此时电感为则电感增量为则电感增量为线圈电感的相对变化量为线圈电感的相对变化量为若若 ，则可得，则可得非线性关系非线性关系第11页，共88页，编辑于2022年，星期一对式作线性处理，即忽略高次项后可得对式作线性处理

9、，即忽略高次项后可得只有当只有当 很小时，忽略高次项的存在，可得近似的线性关系。很小时，忽略高次项的存在，可得近似的线性关系。所以，单边变间隙式电感传感器存在线性度要求与测量范围要所以，单边变间隙式电感传感器存在线性度要求与测量范围要求的矛盾。求的矛盾。电感电感L与气隙长度与气隙长度 的关系如图所示。它是一条双曲线，所以的关系如图所示。它是一条双曲线，所以非线性是较严重的。为了得到一定的线性度，一般取非线性是较严重的。为了得到一定的线性度，一般取 第12页，共88页，编辑于2022年，星期一差动变气隙厚度式电感传感器差动变气隙厚度式电感传感器差动式变间隙电感传感器，差动式变间隙电感传感器，要求

10、上、下两铁芯和线圈要求上、下两铁芯和线圈的几何尺寸与电气参数完的几何尺寸与电气参数完全对称，全对称，当衔铁向上移动时，两个线圈当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量的电感变化量L1、L2 衔铁衔铁R1R2L2L1第13页，共88页，编辑于2022年，星期一衔铁下移：衔铁下移：第14页，共88页，编辑于2022年，星期一上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在误差在 工作范围内要比单个自感传感器的小得工作范围内要比单个自感传感器的小得多。多。第15页，共88页，编辑于2022年，星期一对上式进行线性处理，即忽略高次项得对上式进行线性处

11、理，即忽略高次项得 灵敏度灵敏度k kL L为为（1 1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2 2）单线圈是忽略）单线圈是忽略 以上高次项，差动式是忽略以上高次项，差动式是忽略 以上高次项，以上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。第16页，共88页，编辑于2022年，星期一4.1.3 4.1.3 变气隙面积式自感传感器变气隙面积式自感传感器对单边式结构，在起始状态时，对单边式结构，在起始状态时，铁芯与衔铁在气隙处正对着，铁芯与衔铁在气隙处正对着，其截面积为其截面

12、积为S=abS=ab，此时电感：，此时电感：当衔铁随被测量左移动当衔铁随被测量左移动 时，时，则线圈电感则线圈电感L为为第17页，共88页，编辑于2022年，星期一电感值减小为电感值减小为电感相对变化量为电感相对变化量为灵敏度为灵敏度为线圈电感线圈电感L L与面积与面积S S（或（或 ）呈线性关系，其灵敏度）呈线性关系，其灵敏度k k为一常数，为一常数，正确选择线圈匝数、铁芯尺寸，可提高灵敏度，采用差动式结构更好。正确选择线圈匝数、铁芯尺寸，可提高灵敏度，采用差动式结构更好。第18页，共88页，编辑于2022年，星期一差动式气隙面积自感传感器差动式气隙面积自感传感器差动式气隙面积自感传感器差动

13、式气隙面积自感传感器4线圈线圈线圈线圈 铁芯铁芯铁芯铁芯衔铁衔铁衔铁衔铁导杆导杆导杆导杆初始时初始时衔铁上移，则上气隙的电感值变化量衔铁上移，则上气隙的电感值变化量下气隙的电感值变化量下气隙的电感值变化量第19页，共88页，编辑于2022年，星期一两线圈方向相反，故总的电感变化量为两线圈方向相反，故总的电感变化量为电感的相对变化电感的相对变化灵敏度灵敏度差动式结构灵敏度提高一倍，输出信号增加一倍；差动式结构灵敏度提高一倍，输出信号增加一倍；第20页，共88页，编辑于2022年，星期一 螺线管式电感传感器由螺线管式电感传感器由螺线管形线螺线管形线圈圈、沿轴向移动的活动衔铁和外壳、沿轴向移动的活动

14、衔铁和外壳组成。螺管式电感传感器建立在磁组成。螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁长度不同而变化的路磁阻随着衔铁长度不同而变化的基础上。设线圈长度和平均半径分基础上。设线圈长度和平均半径分别为别为l l和和r r，铁芯进入线圈的长度和，铁芯进入线圈的长度和铁芯半径分别为铁芯半径分别为x x和和r rc c，铁芯有效磁，铁芯有效磁导率为导率为r r 。4.1.4 4.1.4 螺管式自感传感器螺管式自感传感器L L与位移与位移x x呈线性关系呈线性关系空心线圈的电感空心线圈的电感第21页，共88页，编辑于2022年，星期一当衔铁插入线圈深度当衔铁插入线圈深度x x，可求得长度为，可求得长度为x

15、x的螺线管在未插入衔铁的电感的螺线管在未插入衔铁的电感此段螺线管全部插入衔铁后此段螺线管全部插入衔铁后电感增量电感增量 相对导磁率，相对导磁率，为衔铁面积，为衔铁面积，衔铁半径，衔铁半径，为活动衔铁覆盖部分的线圈匝数为活动衔铁覆盖部分的线圈匝数第22页，共88页，编辑于2022年，星期一实际上，由于漏磁因素等的影响，管内磁场强度的分布并非完全均匀，故特性具有非实际上，由于漏磁因素等的影响，管内磁场强度的分布并非完全均匀，故特性具有非线性。但是，在铁芯移动范围内，能够寻找一段非线性误差较小的区域或者采用差动线性。但是，在铁芯移动范围内，能够寻找一段非线性误差较小的区域或者采用差动式结构，则可得到

16、较理想的改善式结构，则可得到较理想的改善总的电感值为总的电感值为传感器电感的相对增量为传感器电感的相对增量为单线圈螺管式传感器的灵敏度为单线圈螺管式传感器的灵敏度为第23页，共88页，编辑于2022年，星期一差动螺管式自感传感器差动螺管式自感传感器1-1-螺线管线圈螺线管线圈；2-2-螺线管线圈螺线管线圈；3-3-骨架；骨架；4-4-活动铁芯活动铁芯 L L1010，L L2020分别为线圈分别为线圈、的初始电感值；的初始电感值；第24页，共88页，编辑于2022年，星期一当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小 根据以上

17、两式，可以求得每只线圈的灵敏度为根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。上述式子可简化为上述式子可简化为 第25页，共88页，编辑于2022年，星期一4.1.5 4.1.5 测量电路测量电路（1 1）交流电桥电路）交流电桥电路）交流电桥电路）交流电桥电路它把传感器的两个线圈作为电桥它把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂的两个桥臂Z1和和Z2，另两个相邻的桥臂用纯电阻另两个相邻的桥臂用纯电阻R代代替，替，交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥设初始时设初始时设初始时设初始时 Z Z Z Z1 1 1 1

18、=Z=Z2 2 2 2=Z=R=Z=RS S S S+jL+jL+jL+jL；R R1 1 1 1=R=R2 2 2 2=R =R =R =R；L L L L1 1 1 1=L=L=L=L2 2 2 2=L=L0 0 Z1Z1Z1Z1Z2Z2Z2Z2R1R1R1R1R2R2R2R2L1L2ZL工作时工作时第26页，共88页，编辑于2022年，星期一对差动变气隙式自感传感器：对差动变气隙式自感传感器：对差动变气隙式自感传感器：对差动变气隙式自感传感器：可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与 有关，相位与衔铁移动方向有关。由于有关，相位与衔铁移动方向有关。

19、由于有关，相位与衔铁移动方向有关。由于有关，相位与衔铁移动方向有关。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。别衔铁位移的大小及方向。别衔铁位移的大小及方向。别衔铁位移的大小及方向。第27页，共88页，编辑于2022年，星期一1 1 1 1、2 2 2 2为两线圈的电感特性，为两线圈的电感特性，为两线圈的电感特性，为两线圈的电感特性，3 3 3 3为为为为两线圈差接时的电感特性，图线两线

20、圈差接时的电感特性，图线两线圈差接时的电感特性，图线两线圈差接时的电感特性，图线4 4 4 4为差接后电桥输出电压与位移为差接后电桥输出电压与位移为差接后电桥输出电压与位移为差接后电桥输出电压与位移间的特性曲线。间的特性曲线。间的特性曲线。间的特性曲线。说明：电桥输出电压的大小与衔铁说明：电桥输出电压的大小与衔铁说明：电桥输出电压的大小与衔铁说明：电桥输出电压的大小与衔铁的位移量的位移量的位移量的位移量有关，相位与衔铁的移有关，相位与衔铁的移有关，相位与衔铁的移有关，相位与衔铁的移动方向有关。动方向有关。动方向有关。动方向有关。若设衔铁向上移动若设衔铁向上移动若设衔铁向上移动若设衔铁向上移动为

21、负，则为负，则为负，则为负，则U U U U0 0 0 0为为为为负；向下负；向下负；向下负；向下为正，则为正，则为正，则为正，则U U U U0 0 0 0为正，相为正，相为正，相为正，相位差位差位差位差180180180180。4 4 4 43 3 3 32 2 2 21 1 1 17575505025250 050507575100100L/mH/mm10010025251 12 23 34 4-第28页，共88页，编辑于2022年，星期一Z Z1 1Z Z2 2I IA AB BC CD D(2)变压器电桥电路变压器电桥电路电桥电桥电桥电桥A A A A点的电位为：点的电位为：点的电位

22、为：点的电位为：C C C C点为正点为正点为正点为正 D D D D点为正点为正点为正点为正 B B点电位为点电位为电桥两臂电桥两臂电桥两臂电桥两臂Z Z Z Z1 1 1 1、Z Z Z Z2 2 2 2为传感器线圈阻抗为传感器线圈阻抗为传感器线圈阻抗为传感器线圈阻抗 第29页，共88页，编辑于2022年，星期一初始位置初始位置 衔铁下移衔铁下移 第30页，共88页，编辑于2022年，星期一衔铁上移衔铁上移衔铁上移衔铁上移 若线圈的若线圈的若线圈的若线圈的Q Q Q Q值很高，损耗电阻可忽略，则值很高，损耗电阻可忽略，则值很高，损耗电阻可忽略，则值很高，损耗电阻可忽略，则 由上式可知，当衔

23、铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大小相等，但极性相反。由于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向小相等，但极性相反。由于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向小相等，但极性相反。由于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向小相等，但极性相反。由于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向同样需要经过相敏检波电路的处理。同样需要经过相敏检波电路的处理。同样需要经过相敏检波电路的处理。同样需要经过相敏检波电路

24、的处理。第31页，共88页，编辑于2022年，星期一 4.2 4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器（差动变压器）（差动变压器）4.2.1 4.2.1 结构和工作原理结构和工作原理结构和工作原理结构和工作原理 把被测的非电量变化转换成为把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。为互感式传感器。这种传感器根据变压器的基本原理这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。式连接。差动变压器的结构形式较多，有变隙式、差动变压器的结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等变面积式和螺线管式等,应

25、用最多的是螺应用最多的是螺线管式差动变压器。它可测量线管式差动变压器。它可测量1-100mm范围内的机械位移。范围内的机械位移。次次级级次次级级骨架骨架初初级级衔衔铁铁次次级级次次级级初初级级第32页，共88页，编辑于2022年，星期一差动变压器结构形式差动变压器结构形式第33页，共88页，编辑于2022年，星期一差动变压器与普通变压器的区别差动变压器与普通变压器的区别？相同点相同点结构相同：都有铁芯，骨架和原、副边线圈；结构相同：都有铁芯，骨架和原、副边线圈；工作原理相同：利用电磁感应定律，将线圈互感转换为电压输出工作原理相同：利用电磁感应定律，将线圈互感转换为电压输出不同点不同点磁路不同：

26、普通变压器的磁路在铁芯内形成闭合回路，分别与原磁路不同：普通变压器的磁路在铁芯内形成闭合回路，分别与原、副边形成回路；差动变压器的磁路不在贴心内形成闭合回路，、副边形成回路；差动变压器的磁路不在贴心内形成闭合回路，而是经铁芯、空气隙与原、副边形成闭合回路，分别与原、副边而是经铁芯、空气隙与原、副边形成闭合回路，分别与原、副边线圈耦合；线圈耦合；互感系数互感系数M M不同：普通变压器原、副边线圈的互感系数不同：普通变压器原、副边线圈的互感系数M M是常数，是常数，而差动变压器的原、副边线圈的互感系数而差动变压器的原、副边线圈的互感系数M M是变量，随铁芯位置是变量，随铁芯位置变化而变化变化而变化

27、副边线圈不同：普通变压器的副边线圈有一组或多组，彼此独立，副边线圈不同：普通变压器的副边线圈有一组或多组，彼此独立，而差动变压器的副边线圈只有两组，彼此反接而差动变压器的副边线圈只有两组，彼此反接第34页，共88页，编辑于2022年，星期一 次次级级次次级级骨架骨架初初级级衔衔铁铁次次级级次次级级初初级级初始时，初始时，M M1 1=M=M2 2 工作时，工作时，M M1 1MM2 2 等效电路等效电路M1M2第35页，共88页，编辑于2022年，星期一当次级开路时有当次级开路时有,初级线圈激励电流初级线圈激励电流 根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为根据电磁感应定律，次级绕组中感应

28、电势的表达式为 次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则 输出电压有效值输出电压有效值 第36页，共88页，编辑于2022年，星期一1 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（2 2）当活动衔铁向）当活动衔铁向W W2a2a方向移动时方向移动时 M1=M+M,M2=M-M（2 2）当活动衔铁向）当活动衔铁向W W2b2b方向移动时方向移动时 M1=M-M,M2=M+M第37页，共88页，编辑于2022年，星期一1 1、激励电压幅值与频率的影响、激励电压幅值与频率的影响激激励励电电源源电电压压幅幅值值的的波波动动，会会使使线线

29、圈圈激激励励磁磁场场的的磁磁通通发发生生变变化化，直直接接影影响响输输出出电电势势。而而频频率率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。4.2.2 4.2.2 差动变压器的输出特性差动变压器的输出特性第38页，共88页，编辑于2022年，星期一2 2、温度变化的影响、温度变化的影响周周围围环环境境温温度度的的变变化化，引引起起线线圈圈及及导导磁磁体体磁磁导导率率的的变变化化，从从而而使使线线圈圈磁磁场场发发生生变变化化产产生生温温度度漂漂移移。当当线线圈圈品品质质因因数数较较低低时时，影影响响更更为为严严重重，因因此此，采采用用恒恒流流源源激激励励比比恒

30、恒压压源源激激励励有有利利。适适当当提提高高线线圈圈品品质质因因数数并并采采用用差差动动电电桥桥可可以以减减少少温温度度的影响。的影响。第39页，共88页，编辑于2022年，星期一3 3、零点残余电压、零点残余电压 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)存在，称为零点残余电压。存在，称为零点残余电压。第40页，共88页，编辑于2022年，星期一图中图中图中图中U U

31、 U Ui i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，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，U U U UZ Z包含基波包含基波包含基波包含基波同相分同相分量、基波正交分量量、基波正交分量，二次及三次谐波（，二次及三次谐波（，二次及三次谐波（，二次及三次谐波（高次谐波高次谐波高次谐波高次谐波）和幅值）和幅值）和幅值）和幅值较小的较小的较小的较小的电磁干扰电磁干扰电磁干扰电磁干扰等。等。等。等。1 1 基波正交分量基波正交分量(a)(a)(a)(a)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13245UZtUiUZUt

32、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 电磁干扰电磁干扰第41页，共88页，编辑于2022年，星期一基波分量基波分量基波分量基波分量 由由由由于于于于差差差差动动动动变变变变压压压压器器器器两两两两个个个个次次次次级级级级绕绕绕绕组组组组不不不不可可可可能能能能完完完完全全全全一一一一致致致致，因因因因此此此此它它它它的的的的等等等等效效效效电电电电路路路路参参参参数数数数（互互互互感感感感M M、自自感感L L L L及及及及损损损损耗耗耗耗电电电电阻阻阻阻R R）不不不不可可可可能能能能相相相相同同同同，从从从从而而而而使使使使两两两两个个

33、个个次次次次级级级级绕绕绕绕组组组组的的的的感感感感应应应应电电电电动动动动势势势势数数数数值值值值不不不不等等等等。又又又又因因因因初初初初级级级级线线线线圈圈圈圈中中中中铜铜铜铜损损损损电电电电阻阻阻阻及及及及导导导导磁磁磁磁材材材材料料料料的的的的铁铁铁铁损损损损和和和和材材材材质质质质的的的的不不不不均均均均匀匀匀匀，线线线线圈圈圈圈匝匝匝匝间间间间电电电电容容容容的的的的存存存存在在在在等等等等因因因因素素素素，使使使使激激激激励励励励电电电电流流流流与与与与所产生的磁通相位不同。所产生的磁通相位不同。所产生的磁通相位不同。所产生的磁通相位不同。零点残余电压产生原因：零点残余电压产生

34、原因：第42页，共88页，编辑于2022年，星期一高次谐波高次谐波高次谐波高次谐波 高高高高次次次次谐谐谐谐波波波波分分分分量量量量主主主主要要要要由由由由导导导导磁磁磁磁材材材材料料料料磁磁磁磁化化化化曲曲曲曲线线线线的的的的非非非非线线线线性性性性引引引引起起起起。由由由由于于于于磁磁磁磁滞滞滞滞损损损损耗耗耗耗和和和和铁铁铁铁磁磁磁磁饱饱饱饱和和和和的的的的影影影影响响响响，使使使使得得得得激激激激励励励励电电电电流流流流与与与与磁磁磁磁通通通通波波波波形形形形不不不不一一一一致致致致产产产产生生生生了了了了非非非非正正正正弦弦弦弦(主主主主要要要要是是是是三三三三次次次次谐谐谐谐波波波

35、波)磁磁磁磁通通通通，从从从从而而而而在在在在次次次次级级级级绕绕绕绕组组组组感感感感应应应应出出出出非非非非正正正正弦弦弦弦电电电电势势势势。另另另另外外外外，激激激激励励励励电电电电流流流流波波波波形形形形失失失失真真真真，因因因因其其其其内内内内含含含含高高高高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。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。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。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。第43页，共88页，编辑于2022年，星期一1 1 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从

36、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点应应选选在磁化曲线的线性段。在磁化曲线的线性段。消除零点残余电压方法：消除零点残余电压方法：第44页，共8

37、8页，编辑于2022年，星期一采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁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，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。在中间位置时，因高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性曲线由如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性

38、曲线由1 1 1 1变到变到变到变到2 2 2 2，从而消除了零点残余电压。，从而消除了零点残余电压。，从而消除了零点残余电压。，从而消除了零点残余电压。U U0 0+x+x-x-x2 21 10 0相敏检波后的输出特性相敏检波后的输出特性 2 2选用合适的测量线路选用合适的测量线路 第45页，共88页，编辑于2022年，星期一3 3采用补偿线路采用补偿线路CR(a)在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，当调整

39、这些元件时，可使零点残存电压减小。当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈感应在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈感应在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈感应在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并联电阻联电阻联电阻联电阻R R R R是为了利用是为了利用是为了利用是为了利用R R R R的分流作用，使流入

40、传感的分流作用，使流入传感的分流作用，使流入传感的分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的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。工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。第46页，共88页，编辑于2022年，星期一串联电阻串联电阻R R可以消除基波同相分量。可以消除基波同相分量。(a)CRCR(b)R2WR1C(c)并联电阻并联电阻R R可以消除基波正交分量。可以消除基波正交分量。并联

41、电阻并联电阻R R可以消除高次谐波分量。可以消除高次谐波分量。第47页，共88页，编辑于2022年，星期一4.2.4 4.2.4 差动变压器式传感器测量电路差动变压器式传感器测量电路差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到小，不能反映移动的方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏

42、检波电路。电路和相敏检波电路。差动整流电路差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出，如图所示为全波差动整流电桥。电压或电流的差值作为输出，如图所示为全波差动整流电桥。第48页，共88页，编辑于2022年，星期一全波差动整流电路全波差动整流电路 R2R1abhgcfde+无论次级线圈的输出瞬时电无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输压极性如何，整流电路的输出电压出电压U U0 0始终等于始终等于始终等于始终等于R R1 1、R R R R2 2 2 2两个两个两个两

43、个电阻上的电压差。电阻上的电压差。电阻上的电压差。电阻上的电压差。第49页，共88页，编辑于2022年，星期一铁铁芯芯在在零零位位以以上上铁铁芯芯在在零零位位ttUdcUghtU0UdctttUghU0tUdctUghtU0铁铁铁铁芯芯芯芯在在在在零零零零位位位位以以以以下下下下全波差动整流电路全波差动整流电路电压波形电压波形结论：结论：结论：结论：铁芯在零位以上或铁芯在零位以上或零位以下时，输出零位以下时，输出电压的极性相反，电压的极性相反，零点残存电压自动零点残存电压自动抵消。抵消。第50页，共88页，编辑于2022年，星期一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

44、中中比比较较电电压压和和同同频频，经经过过移移相相器器使使和和保保持持同同相相或或反反相相，且满足且满足 。2 2 二级管相敏检波电路二级管相敏检波电路u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+第51页，共88页，编辑于2022年，星期一当当衔衔铁铁在在中中间间位位置置时时，位位移移x x（t t）=0 0，传传感感器器输输出出电压电压=0,=0,只有只有起作用。起作用。u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+第52页，共88页，编辑于2022年，星期一正半周时正半周时 因为是从中心抽头，所以因为是从中心抽头，所以因为是从中心抽头，所以因为是从中心抽头，所以u u u u1 1=

45、u u ，故，故，故，故i i=i i i i。流经。流经。流经。流经R RL L L L的电的电流为流为i i i i=i i i i i i i i =i4i3第53页，共88页，编辑于2022年，星期一负半周时负半周时 同理可知同理可知同理可知同理可知i i i i=i=i=i=i，所以流经，所以流经R RL L L L的电流为的电流为i i=i=i=i=ii i =第54页，共88页，编辑于2022年，星期一当衔铁在零位以上时，位移当衔铁在零位以上时，位移x x（t t）0 0，与与与与同频同相。同频同相。同频同相。同频同相。正半周时正半周时 故故i ii i，流经，流经R RL L的

46、电流为的电流为i i=i=ii i第55页，共88页，编辑于2022年，星期一负半周时负半周时 故故i ii i，流经流经R RL L的电流为的电流为i i=i=ii iu1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+i2i1e1-+e2-第56页，共88页，编辑于2022年，星期一正半周正半周正半周正半周负半周负半周负半周负半周故故故故i i i i i i i i。流经。流经。流经。流经R R R RL L L L的电流为的电流为的电流为的电流为i i i i=i=i=i=i i i i i 当衔铁在零位以下时，位移当衔铁在零位以下时，位移当衔铁在零位以下时，位移当衔铁在零位以下时，位移x

47、 x x x（t t t t）0 0 0 0，与与与与同频反相。同频反相。同频反相。同频反相。第57页，共88页，编辑于2022年，星期一同理同理同理同理:在在在在负半周负半周负半周负半周正半周时：正半周时：正半周时：正半周时：i i i i i i i i。流经。流经。流经。流经R R R RL L L L的电流为的电流为的电流为的电流为i i i i=i i i i i i i i 表示表示表示表示i i i i0 0 0 0的方向也与规定的正方向的方向也与规定的正方向的方向也与规定的正方向的方向也与规定的正方向相反。相反。相反。相反。第58页，共88页，编辑于2022年，星期一衔衔衔衔铁

48、铁铁铁在在在在中中中中间间间间位位位位置置置置时时时时，无无无无论论论论参参参参考考考考电电电电压压压压是是是是正正正正半半半半周周周周还还还还是是是是负负负负半半半半周周周周，在负载在负载在负载在负载R R R RL L L L上的输出电压始终为上的输出电压始终为上的输出电压始终为上的输出电压始终为0 0 0 0。衔衔衔衔铁铁铁铁在在在在零零零零位位位位以以以以上上上上移移移移动动动动时时时时，无无无无论论论论参参参参考考考考电电电电压压压压是是是是正正正正半半半半周周周周还还还还是是是是负负负负半周，在负载半周，在负载半周，在负载半周，在负载R RL L上得到的输出电压始终为正。上得到的输

49、出电压始终为正。上得到的输出电压始终为正。上得到的输出电压始终为正。衔衔衔衔铁铁铁铁在在在在零零零零位位位位以以以以下下下下移移移移动动动动时时时时，无无无无论论论论参参参参考考考考电电电电压压压压是是是是正正正正半半半半周周周周还还还还是是是是负负负负半周，在负载半周，在负载半周，在负载半周，在负载R R R RL L上得到的输出电压始终为负。上得到的输出电压始终为负。上得到的输出电压始终为负。上得到的输出电压始终为负。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。结论：结论：第59页，

50、共88页，编辑于2022年，星期一二级管相敏检波二级管相敏检波二级管相敏检波二级管相敏检波在在在在U U U U1 1 1 1、U U U U2 2 2 2同相位同相位同相位同相位时的波形时的波形时的波形时的波形t tt tt tU U1 10 0U U2 20 0t ti i1 10 0i i2 20 0t ti i4 40 0t ti i0 00 0t ti i3 30 0第60页，共88页，编辑于2022年，星期一经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，负位移输出负负位移输出负