傳感器技術(shù)3-變磁阻式傳感器-中英對(duì)照

1、第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器Variable Reluctance Sensor 自感式傳感器自感式傳感器Self inductive sensor1.2第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器傳感器線圈的電器參數(shù)分析傳感器線圈的電器參數(shù)分析Analysis on electric parameters3.13.2互感式傳感器互感式傳感器Mutual induction sensor3.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器Eddy current sensor3.4壓感式傳感器壓感式傳感器Pressure sensitive sensor3.53.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的

2、電氣參數(shù)分析課本65頁圖3-1為一種簡單的自感式傳感器，它由線圈(coil)、鐵心(core)和銜鐵(armature)等組成。當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量變化而上、下移動(dòng)時(shí)，鐵心氣隙、磁路磁阻(reluctance)隨之變化，引起線圈電感(inductance)量的變化，然后通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與位移成比例的電量，實(shí)現(xiàn)了非電量到電量的變換。可見，這種傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變氣隙(variable air gap)的鐵心線圈(iron core coil)。L-線圈電感(inductance)；Rc-線圈銅耗電阻(copper loss resistance)；Re-鐵心渦流損耗電阻(eddy curren

3、t loss resistance)；R-磁滯損耗電阻(magnetic hysteresis loss resistance)；C-線圈的寄生電容(parasitic capacitance of the coil)圖圖3-13-1 變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器圖圖3-23-2 傳感線圈的等效電路傳感線圈的等效電路3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析 類似于上述自感式傳感器，變磁阻式傳感器通常都具有鐵心線圈(iron core coil)或空心線圈(air core coil)(后者可視作前者的特例)。因此，分析鐵心線圈的電氣參數(shù)與它們對(duì)線圈特性的影響，對(duì)了解與分

4、析變磁阻式傳感器以及選擇傳感器參數(shù)有幫助。為此，我們將傳感器線圈等效成圖3-2所示的等效電路(equivalent circuit) ，并對(duì)電路參數(shù)及其影響一一進(jìn)行討論。 1.線圈電感(coil inductance)L-由磁路基本知識(shí)可知，匝數(shù)(turns)為W的線圈電感為mRWL/2(3-1)式中 Rm磁路總磁阻(overall reluctance of magnetic circuit)。3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析當(dāng)線圈具有閉合磁路(closed magnetic circuit)時(shí)式中 RF導(dǎo)磁體總磁阻(overall reluctance of mag

5、netic conductor)。當(dāng)線圈磁路(magnetic circuit)具有小氣隙(small air gap)時(shí)式中 R氣隙總磁阻(overall reluctance of air gap)。FRWL/2(3-2)RWL/2(3-3)3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析為了分析方便，需要將各種形式的線圈的電感L用統(tǒng)一的式子表達(dá)。為此，引入等效磁導(dǎo)率(equivalent magnetic conductivity)概念，即將線圈等效成一封閉鐵芯線圈，其磁路等效磁導(dǎo)率為，磁通截面積為S，磁路長度為，于是式(3-1)變?yōu)?式中 0真空磁導(dǎo)率(magnetic con

6、ductivity of vacuum)，0410-7(H/)。lSWRWLem/022(3-4)3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析 2.銅損電阻(copper loss resistance) Rc取決于導(dǎo)線材料及線圈的幾何尺寸 3.渦流損耗電阻(eddy current loss resistance) R由頻率為的交變(alternating)電流激勵(lì)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，會(huì)在線圈鐵心中造成渦流及磁滯損耗。根據(jù)經(jīng)典的渦流損耗計(jì)算公式知，為降低渦流損耗，疊片式鐵心的片厚應(yīng)薄；高電阻率有利于損耗的下降，而高磁導(dǎo)率卻會(huì)使渦流損耗增加。 4.磁滯損耗電阻(magnetic hys

7、teresis loss resistance) Rh鐵磁物質(zhì)在交變磁化時(shí)，磁分子來回翻轉(zhuǎn)而要克服阻力，類似摩擦生熱的能量損耗。 5.并聯(lián)寄生電容(parallel parasitic capacity) C的影響 并聯(lián)寄生電容主要由線圈繞組(coil winding)的固有電容與電纜分布電容所構(gòu)成。3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析圖3-4 線圈等效電路的變換形式 為便于分析，先不考慮寄生電容C (parasitic capacitance)，并將圖3-2中的線圈電感與并聯(lián)鐵損電阻(iron loss resistance)等效為串聯(lián)鐵損電阻Re與串聯(lián)電感L的等效電路，

8、如圖3-4所示。這時(shí)Re和L的串聯(lián)阻抗(serial impedance)應(yīng)該與Re和L的并聯(lián)阻抗(parallel impedance)相等，即:3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析2)/(1LRRRjLRjLRjLReeeeee2)/(11LRLLe(3-20)(3-21)3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析式(3-20)表明，鐵損的串聯(lián)等效電阻Re與L有關(guān)。因此，當(dāng)被測(cè)非電量的變化引起線圈電感量改變時(shí)，其電阻值亦發(fā)生不希望有的變化。要減少這種附加電阻變化的影響，比值Re/L應(yīng)盡量小，以使Re1時(shí)，1/Q2可以忽略，式(3-22)可簡化為ecRRR/

9、RLQ22222222222)/(1/1)/()1 (QCLCLQCLCLLjQLCLRZS(3-23)有效(effective)值Q為QCLRLQSSS)1(/2(3-24)電感的相對(duì)變化112LdLCLLdLSS(3-25)3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析由式(3-22)、(3-24)、(3-25)知，并聯(lián)電容C的存在，使有效串聯(lián)損耗電阻與有效電感均增加，有效Q值下降并引起電感的相對(duì)變化增加，即靈敏度提高。因此，從原理而言，按規(guī)定電纜校正好的儀器，如更換了電纜，則應(yīng)重新校正或采用并聯(lián)電容加以調(diào)整。實(shí)際使用中因大多數(shù)變磁阻式傳感器工作在較低的激勵(lì)頻率(excitati

10、on frequency)下(10H)，上述影響?？珊雎?，但對(duì)于工作在較高激勵(lì)頻率下的傳感器(如反射式reflective渦流傳感器)，上述影響必需引起充分重視。3.1 傳感器線圈的電氣參數(shù)分析傳感器線圈的電氣參數(shù)分析一一. .工作原理與輸出特性工作原理與輸出特性 如前所述，自感式傳感器(self inductive sensors)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)帶氣隙的鐵芯(iron core)線圈(coil)。按磁路幾何參數(shù)(geometric parameter)變化形式的不同，目前常用的自感式傳感器有變氣隙式(variable air gap)、變面積式(variable area)與螺管式(solen

11、oid)三種；按磁路的結(jié)構(gòu)型式(structural style)又有型、E型或罐型等等；按組成方式(composition method)分，有單一式(single)與差動(dòng)式(differential)兩種。3.2 自感式傳感器自感式傳感器第二節(jié)第二節(jié) 自感式傳感器自感式傳感器1.1.變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器 變氣隙式自感傳感器的結(jié)構(gòu)原理見圖3-1。由于變氣隙式傳感器的氣隙通常較小，可以認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，若忽略磁路鐵損，則圖3-1傳感器的磁路總磁阻為SlSlSlRm0222111(3-11)式中 鐵心和銜鐵的磁路長度()； 鐵心和銜鐵的截面積(2)； 鐵心和銜鐵的磁導(dǎo)率(H/

12、)； 氣隙磁通截面積(2)和氣隙總長()。21, ll21, SS21,lS,3.2 自感式傳感器自感式傳感器21, ll21, SS21,21, SS將式(3-11)代入式(3-1)，可得)/(02221112SlSlSlWL(3-27) 由式(3-12)可知，當(dāng)鐵心、銜鐵的材料和結(jié)構(gòu)與線圈匝數(shù)確定后，若保持S不變，則L即為 的單值函數(shù)(uniform function)，這就是變氣隙式傳感器的工作原理。為了精確分析傳感器的特性，利用前述等效磁導(dǎo)率 的概念，由式(3-4)可得)/(0SlRem(3-28)el3.2 自感式傳感器自感式傳感器同時(shí)，由式(3-11)rrrmllSlllSR) 1

13、(1)(100(3-29)式中 鐵心和銜鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率，通常 。所以 rrrellll/1/1(3-30)代入式(3-4)可得帶氣隙鐵心線圈的電感為3.2 自感式傳感器自感式傳感器r1r1rrellKlSWL/102(3-31)式中 ，為一常數(shù)。對(duì)式(3-16)進(jìn)行微分可得傳感器的靈敏度為SWK20rllLdldLK/1(3-32)由上式可知，變氣隙式傳感器的輸出特性是非線性的，式中負(fù)號(hào)表示靈敏度隨氣隙增加而減小，欲增大靈敏度，應(yīng)減小 ，但受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制。為保證一定的測(cè)量范圍與線性度，對(duì)變氣隙式傳感器，常取)10/15/1 (,5 . 01 . 02/mmll3.2 自感式傳感器自感式傳

14、感器2.變面積式自感傳感器變面積式自感傳感器(variable area self inductive sensor) 若圖3-1所示傳感器的氣隙長度保持不變，令磁通截面積隨被測(cè)非電量而變(銜鐵水平方向移動(dòng))，即構(gòu)成變面積式自感傳感器。此時(shí)由式(3-31)SKSllWLr/02(3-33)式中 ，為一常數(shù)。對(duì)式(3-33)微分得靈敏度為rllWK/02KdSdLKS(3-34)3.2 自感式傳感器自感式傳感器 可見，變面積式傳感器在忽略氣隙磁通(magnetic flux)邊緣效應(yīng)(edge effect)的條件下，輸出特性呈線性，因此可望得到較大的線性范圍。與變氣隙式相比較，其靈敏度較低。欲

15、提高靈敏度，需減小 ，但同樣受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制。 值的選取與變氣隙式相同。3.螺管式自感傳感器螺管式自感傳感器 圖3-5為螺管式自感傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。它由平均半徑為r的螺管線圈(solenoid coil)、銜鐵(armature)和磁性套筒(magnetic sleeve)等組成。隨著銜鐵插入深度的不同將引起線圈泄漏路徑中磁阻變化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。3.2 自感式傳感器自感式傳感器ll圖3-5 螺管式自感傳感器原理圖4.差動(dòng)式自感傳感器差動(dòng)式自感傳感器(differential self inductive sensors) 絕大多數(shù)自感式傳感器都運(yùn)用與電阻差動(dòng)式類似的技術(shù)來改善性

16、能：由兩單一式結(jié)構(gòu)對(duì)稱組合，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器(課本72頁，圖3-7)。3.2 自感式傳感器自感式傳感器 采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)(differential structure)，除了可以改善非線性、提高靈敏度外，對(duì)電源電壓與頻率的波動(dòng)(fluctuation)及溫度變化等外界影響也有補(bǔ)償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性(stability) 。圖3-8表示傳感器非線性改善的情況。圖3-8 差動(dòng)式自感傳感器的輸出特性3.2 自感式傳感器自感式傳感器二二. .測(cè)量電路測(cè)量電路1.電橋電路電橋電路 自感式傳感器常用的交流電橋有以下幾種。圖3-9 輸出端對(duì)稱電橋 ()一般形式；()變壓器電橋3.2 自感式傳感

17、器自感式傳感器(1)輸出端對(duì)稱電橋 圖3-9(a)為輸出端對(duì)稱電橋的一般形式。圖中Z1、Z2為傳感器兩線圈阻抗， 為外接電阻，通常 。設(shè)工作時(shí)， ，電源電勢(shì)為E，于是210201002010222111,RRLLLrrrjLrZjLrZ、RRR21ZZZ1ZZZ2ELjrLELjrLjrEZZEUo0000222(3-43)輸出電壓幅值和阻抗分別為3.2 自感式傳感器自感式傳感器ELrLELrrLU202020202220)(2)(2(3-44)2/)()(2020LrRZ(3-45)式(3-43)經(jīng)變換和整理后可寫成0022202011112rrLLQQjLLQQrrQEU(3-46) 式中

18、 Q電感線圈的品質(zhì)因數(shù)， 。 00/LrQ3.2 自感式傳感器自感式傳感器由式(3-46)可見，電橋輸出電壓 包含著與電源 同相和正交的兩個(gè)分量；而在實(shí)際使用時(shí)，希望只存在同相分量。通常由于 ，因此要求線圈有較高的Q值，這時(shí)0U00/rrLLLLEU20(3-47)圖(b)是圖(a)的變型，稱為變壓器電橋。它以變壓器兩個(gè)次級(jí)作為電橋平衡臂。顯然，其輸出特性同(a)。由于變壓器次級(jí)的阻抗通常遠(yuǎn)小于電感線圈的阻抗，?？珊雎?，于是輸出阻抗式(3-22)變?yōu)?.2 自感式傳感器自感式傳感器2/22020LrZ(3-48)圖(b)與圖(a)相比，使用元件少，輸出阻抗小，電橋開路時(shí)電路呈線性，因此應(yīng)用較廣

19、。 圖3-10 電源端對(duì)稱電橋 3.2 自感式傳感器自感式傳感器(2)電源端對(duì)稱電橋 如圖3-10所示電橋輸出電壓為ZZRZZZREZZZZREU211221011設(shè)工作時(shí) ，則有ZZZZZZ21,2002202)(2jLrRLjrREZRZZREU(3-49)輸出電壓幅值和阻抗分別為ELRrLRjLrRLrERU2020202022022(3-50)3.2 自感式傳感器自感式傳感器這種電橋由于變壓器次級(jí)接地，可避免靜電感應(yīng)干擾，但由于開路時(shí)電橋本身存在非線性，故只適用于示值范圍較小的測(cè)量。當(dāng)采用交流電橋作測(cè)量電路時(shí)，輸出電壓的極性反映了傳感器銜鐵運(yùn)動(dòng)的方向。(3-51)20202020)()

20、()(2LrRLrRZ3.2 自感式傳感器自感式傳感器2.諧振電路諧振電路(resonant circuit) 諧振電路如圖3-11(a)所示。圖中Z為傳感器線圈，E為激勵(lì)電源。設(shè)圖(b)中曲線1為圖(a)回路的諧振曲線。若激勵(lì)源的頻率為f，則可確定其工作在A點(diǎn)。當(dāng)傳感器線圈電感量變化時(shí)，諧振曲線將左右移動(dòng)，工作點(diǎn)就在同一頻率的縱坐標(biāo)直線上移動(dòng)(例如移至B點(diǎn))，于是輸出電壓的幅值就發(fā)生相應(yīng)變化。這種電路靈敏度很高，但非線性嚴(yán)重，常與單線圈自感式傳感器配合，用于測(cè)量范圍小或線性度要求不高的場(chǎng)合。3.2 自感式傳感器自感式傳感器圖3-11 ()諧振電路 ()諧振曲線3.2 自感式傳感器自感式傳感器

21、 3.恒流源電路恒流源電路(constant current source circuit) 這種電路與大位移(螺管式)自感傳感器配用，見圖3-12。傳感器線圈用恒流源激勵(lì)，1是銜鐵在螺管線圈內(nèi)移動(dòng)時(shí)線圈兩端的電壓，2是與1反相、幅值恒定的電壓，0為電路輸出電壓。于是，01-2。2的作用是抵消電壓的非線性部分，使輸出電壓呈線性。由圖可見，當(dāng)銜鐵剛進(jìn)入傳感器線圈時(shí)，其電壓靈敏度dU/da較低，線性也較差。當(dāng)a后，靈敏度提高，線性改善，進(jìn)入工作區(qū)域。3.2 自感式傳感器自感式傳感器圖3-12 大位移自感式傳感器工作原理 ()電原理圖；()輸出特性3.2 自感式傳感器自感式傳感器4.調(diào)頻電路調(diào)頻電路

22、(frequency modulation circuit)圖3-14 電感調(diào)頻式位移傳感器結(jié)構(gòu)圖 1諧振電容；2調(diào)頻振蕩器；3電感線圈；4磁性套筒；5導(dǎo)桿(銜鐵)3.2 自感式傳感器自感式傳感器當(dāng)傳感器線圈電感L發(fā)生變化時(shí)，調(diào)頻振蕩器的輸出頻率相應(yīng)變化。利用階梯形無骨架線圈，可使銜鐵的位移變化與輸出頻差變化呈線性關(guān)系。傳感器的結(jié)構(gòu)見圖3-14。由于輸出為頻率信號(hào)，這種電路的抗干擾能力很強(qiáng)，電纜長度可達(dá)1km，特別適合于野外現(xiàn)場(chǎng)使用。3.2 自感式傳感器自感式傳感器5.相敏檢波電路相敏檢波電路(phase sensitive detection circuit)相敏檢波電路是常用的判別電路。下

23、面以帶二極管式環(huán)形相敏檢波的交流電橋?yàn)槔榻B該電路的作用。圖3.15 相敏檢波電路 ()帶相敏檢波的交流電橋；()實(shí)用電路3.2 自感式傳感器自感式傳感器 如圖3.11(a)所示，Z1、Z2為傳感器兩線圈的阻抗，Z3Z4構(gòu)成另兩個(gè)橋臂，U為供橋電壓，U為輸出。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，Z1Z2Z，電橋平衡，U0。若銜鐵上移，Z1增大，Z2減小。如供橋電壓為正半周，即A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)，二極管D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止。在AECB支路中，C點(diǎn)電位由于Z1增大而降低；在AFDB支路中，D點(diǎn)電位由于Z2減小而增高。因此D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)，輸出信號(hào)為正3.2 自感式傳感器自感式傳感器 如供橋電壓為負(fù)半周，

24、B點(diǎn)電位高于A 點(diǎn)，二極管D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止。在BCFA支路中，C點(diǎn)電位由于Z2減小而比平衡時(shí)降低；在BDEA支路中，D點(diǎn)電位則因Z1增大而比平衡時(shí)增高。因此D點(diǎn)電位仍高于C點(diǎn)，輸出信號(hào)仍為正。同理可以證明，銜鐵下移時(shí)輸出信號(hào)總為負(fù)。于是，輸出信號(hào)的正負(fù)代表了銜鐵位移的方向。 實(shí)際采用的電路如圖3.15(b)所示。L1、L2為傳感器的兩個(gè)線圈，C1、C2為另兩個(gè)橋臂。電橋供橋電壓由變壓器B的次級(jí)提供。R1、R2、R3、R4為四個(gè)線繞電阻，用于減小溫度誤差。C3為濾波電容，Rw1為調(diào)零電位器，Rw2為調(diào)倍率電位器，輸出信號(hào)由電壓表V指示。3.2 自感式傳感器自感式傳感器三三. .自感

25、式傳感器的誤差自感式傳感器的誤差1.輸出特性的非線性輸出特性的非線性(nonlinearity of output) 各種自感式傳感器，都在原理上或?qū)嶋H上存在非線性誤差(error of nonlinearity)。測(cè)量電路也往往存在非線性。為了減小非線性，常用的方法是采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)(differential structure)和限制測(cè)量范圍。圖3-18 階梯形線圈(stepped coil)3.2 自感式傳感器自感式傳感器 對(duì)于螺管式(solenoid)自感傳感器，增加線圈的長度有利于擴(kuò)大線性范圍或提高線性度。在工藝上應(yīng)注意導(dǎo)磁體(magnetizer)和線圈骨架(coil frame)的加

26、工精度、導(dǎo)磁體材料與線圈繞制的均勻性(uniformity)，對(duì)于差動(dòng)式則應(yīng)保證其對(duì)稱性(symmetry)，合理選擇銜鐵長度和線圈匝數(shù)(turns of coil)。另一種有效的方法是采用階梯形線圈(stepped coil)，如圖3-18所示。2.零位誤差零位誤差(zero point error) 差動(dòng)自感式傳感器當(dāng)銜鐵位于中間位置時(shí)，電橋輸出理論上應(yīng)為零，但實(shí)際上總存在零位不平衡電壓輸出(零位電壓)，造成零位誤差，如圖3-19(a)所示。過大的零位電壓會(huì)使放大器提前飽和，若傳感器輸出作為伺服系統(tǒng)的控制信號(hào)，零位電壓還會(huì)使伺服電機(jī)發(fā)熱，甚至產(chǎn)生零位誤動(dòng)作。3.2 自感式傳感器自感式傳感器

27、零位電壓的組成十分復(fù)雜，如圖3.19(b)所示。它包含有基波(fundamental wave)和高次諧波(high order harmonics)圖3-19 零位誤差 ()零位電壓；()相應(yīng)波形3.2 自感式傳感器自感式傳感器 產(chǎn)生基波分量的主要原因是傳感器兩線圈的電氣參數(shù)(electrical parameters)和幾何尺寸(geometric size)的不對(duì)稱(dissymmetry)，以及構(gòu)成電橋另外兩臂的電氣參數(shù)不一致。由于基波同相分量可以通過調(diào)整銜鐵的位置(偏離deviate機(jī)械零位)來消除，通常注重的是基波正交分量(orthogonal component)。 造成高次諧波

28、分量的主要原因是磁性材料磁化曲線(magnetization curve)的非線性，同時(shí)由于磁滯損耗(magnetic hysteresis loss)和兩線圈磁路(magnetic circuit)的不對(duì)稱，造成兩線圈中某些高次諧波成分不一樣，不能對(duì)消(cancel) ，于是產(chǎn)生了零位電壓的高次諧波。此外，激勵(lì)信號(hào)(excitation signal)中包含的高次諧波及外界電磁場(chǎng)的干擾，也會(huì)產(chǎn)生高次諧波。應(yīng)合理選擇磁性材料與激勵(lì)電流，使傳感器工作在磁化曲線的線性區(qū)。減少激勵(lì)電流的諧波成分與利用外殼進(jìn)行電磁屏蔽也能有效地減小高次諧波。3.2 自感式傳感器自感式傳感器 一種常用的方法是采用補(bǔ)償電

29、路，其原理為： (1)串聯(lián)電阻(series resistor)消除基波零位電壓； (2)并聯(lián)電阻(parallel resistor)消除高次諧波零位電壓； (3)加并聯(lián)電容(parallel capacitor)消除基波正交分量或高次諧波分量。圖3-20 零位電壓補(bǔ)償電路 ()典型接法；()實(shí)際電路3.2 自感式傳感器自感式傳感器 圖3-20()示出了上述原理的典型接法。圖中Ra用來減小基波正交分量，作用是使線圈的有效電阻值趨于相等，大小約為0.10.5，可用康銅(constantan)絲繞制。Rb用來減小二、三次諧波，其作用是對(duì)某一線圈(接于A、B間或B、C間)進(jìn)行分流，以改變磁化曲線的

30、工作點(diǎn)，阻值通常為幾百幾十k。電容C用來補(bǔ)償變壓器次級(jí)線圈的不對(duì)稱，其值通常為100500F。有時(shí)為了制造與調(diào)節(jié)方便，可在C、D間加接一電位器R，利用R與Ra的差值對(duì)基波正交分量進(jìn)行補(bǔ)償。圖(b)示出了一種傳感器的實(shí)際補(bǔ)償電路。3.2 自感式傳感器自感式傳感器另一種有效的方法是采用外接測(cè)量電路來減小零位電壓。如前述的相敏檢波電路，它能有效地消除基波正交分量與偶次諧波分量，減小奇次諧波分量，使傳感器零位電壓減至極小。此外還可采用磁路調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(如可調(diào)端蓋)保證磁路的對(duì)稱性，來減小零位電壓。3.溫度誤差溫度誤差(temperature error)環(huán)境溫度的變化會(huì)引起自感傳感器的零點(diǎn)溫度漂移、靈敏度

31、溫度漂移以及線性度和相位的變化，造成溫度誤差。3.2 自感式傳感器自感式傳感器 環(huán)境溫度對(duì)自感傳感器的影響主要通過：(1)材料的線膨脹系數(shù)(coefficient of linear expansion)引起零件尺寸的變化；(2)材料的電阻率(resistivity)溫度系數(shù)(temperature coefficient)引起線圈銅阻的變化；(3)磁性材料磁導(dǎo)率(magnetic conductivity)溫度系數(shù)、繞組(winding)絕緣材料(insulation material)的介質(zhì)(medium)溫度系數(shù)和線圈幾何尺寸變化引起線圈電感量及寄生電容的改變等造成。 上述因素對(duì)單電感傳

32、感器(single inductance sensor)影響較大，特別對(duì)小氣隙式與螺管式影響更大，而第(2)項(xiàng)對(duì)低頻激勵(lì)(low frequency excitation)的傳感器影響較大。3.2 自感式傳感器自感式傳感器對(duì)于高精度傳感器，特別是小量程傳感器，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，即使是差動(dòng)式，溫度影響也不容忽視。對(duì)于高精度傳感器及其測(cè)量裝置，其材料除滿足磁性能要求外，還應(yīng)注意線膨脹系數(shù)的大小與匹配。為此，有些傳感器采用了陶瓷、聚砜、夾布膠木、弱磁不銹鋼等材料作線圈骨架，或采用脫胎線圈。3.2 自感式傳感器自感式傳感器4.激勵(lì)電源激勵(lì)電源(excitation source)的影響的影響大多數(shù)自

33、感式傳感器采用交流電橋(AC bridge)作測(cè)量電路，電源電壓的波動(dòng)將直接導(dǎo)致輸出信號(hào)的波動(dòng)。采用差動(dòng)工作方式，其影響將能得到補(bǔ)償。但需注意，頻率的高低應(yīng)與鐵心材料相匹配。對(duì)于諧振式與恒流源式測(cè)量電路，電源頻率與電流的穩(wěn)定度將直接引起測(cè)量誤差。對(duì)于調(diào)頻式測(cè)量電路，則應(yīng)保證直流電源的穩(wěn)定度。3.2 自感式傳感器自感式傳感器互感式傳感器(mutual inductive sensor)是一種線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器。其原理類似于變壓器(transformer)。不同的是：后者為閉合磁路(closed magnetic circuit)，前者為開磁路(open magnetic ci

34、rcuit)；后者初、次級(jí)間的互感(mutual induction)為常數(shù)，前者初、次級(jí)間的互感隨銜鐵移動(dòng)而變，且兩個(gè)次級(jí)繞組按差動(dòng)方式工作，因此又稱為差動(dòng)變壓器。它與自感式傳感器統(tǒng)稱為電感式傳感器。本節(jié)在敘述差動(dòng)變壓器工作原理的基礎(chǔ)上，將著重介紹它與自感式傳感器的不同。3.3 互感式傳感器互感式傳感器第三節(jié)第三節(jié) 互感式傳感器互感式傳感器一一. .工作原理與類型工作原理與類型 在忽略線圈寄生電容(parasitic capacitance)與鐵心損耗(iron core loss)的情況下，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖3-22所示。圖3-22 差動(dòng)變壓器的等效電路3.3 互感式傳感器互感式傳感

35、器圖中U，I初級(jí)線圈激勵(lì)電壓與電流(頻率為)； L1，R1初級(jí)線圈電感與電阻； M1，M2分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1，2間的互感； L21，L22和R21，R22分別為兩個(gè)次級(jí)線圈的電感和電阻。根據(jù)變壓器原理，傳感器開路輸出電壓為兩次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)之差：IMMjEEUo212221(3-53)3.3 互感式傳感器互感式傳感器當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)，若兩次級(jí)線圈參數(shù)與磁路尺寸相等，則M1M2M，U00。當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，M1M2，由于差動(dòng)工作，有M1M+M1，M2M-M2。在一定范圍內(nèi)，M1M2M，差值(M1-M2)與銜鐵位移成比例。于是，在負(fù)載開路情況下，輸出電壓及其有效值分別為MLjRUjIMM

36、jU112102(3-54)MMELRMUUSO2221210(3-55)3.3 互感式傳感器互感式傳感器式中 ESO銜鐵在中間位置時(shí)，單個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電勢(shì)2121/LRMUESO輸出阻抗22212221LjLjRRZ(3-56)差動(dòng)變壓器也有變氣隙式、變面積式與螺管式三種類型.圖3-23(a)所示為變氣隙式，靈敏度較高，但測(cè)量范圍小，一般用于測(cè)量幾到幾百的位移.3.3 互感式傳感器互感式傳感器由式(3-53)可知，差動(dòng)變壓器的輸出特性與初級(jí)線圈對(duì)兩個(gè)次級(jí)線圈的互感之差有關(guān)。結(jié)構(gòu)型式不同，互感的計(jì)算方法也不同。型差動(dòng)變壓器的輸出特性為：圖3-23(a) 變氣隙式3.3 互感式傳感器互感式傳感

37、器式中 為初始?xì)庀?；W1為初級(jí)線圈匝數(shù)；W2為次級(jí)線圈匝數(shù)；為銜鐵上移量 上式表明，輸出電壓U0與銜鐵位移成比例，輸出特性曲線如圖3-24所示。式中負(fù)號(hào)表明向上為正時(shí)，輸出電壓U0與電源電壓U反相；向下為負(fù)時(shí)，兩者同相。 0210WWUU(3-64)3.3 互感式傳感器互感式傳感器圖3-24 差動(dòng)變壓器的特性 ()輸出特性；()相位特性由式(3-64)可得形差動(dòng)變壓器的靈敏度表達(dá)式1200WWUUK(3-65)3.3 互感式傳感器互感式傳感器可見傳感器的靈敏度隨電源電壓U和變壓比W2/W1的增大而提高，隨初始?xì)庀对龃蠖档?。增加次?jí)匝數(shù)W2與增大激勵(lì)電壓U將提高靈敏度。但W2過大，會(huì)使傳感器體

38、積變大，且使零位電壓增大；U過大，易造成發(fā)熱而影響穩(wěn)定性，還可能出現(xiàn)磁飽和，因此常取0.58V，并使功率限制在1VA以下。由式(3-54)可知，當(dāng)激勵(lì)頻率過低時(shí)，L1R1時(shí)，式(3-54)變?yōu)閁LMU102(3-36) 此時(shí)，靈敏度與頻率無關(guān)，為一常數(shù)。 當(dāng)繼續(xù)增加超過某一數(shù)值時(shí)(該值視鐵心材料而異)，由于導(dǎo)線趨膚效應(yīng)(skin effect)和鐵損等影響而使靈敏度下降(見圖3-25)。通常應(yīng)按所用鐵心材料，選取合適的較高激勵(lì)頻率，以保持靈敏度不變。這樣，既可放寬對(duì)激勵(lì)源頻率的穩(wěn)定度要求，又可在一定激勵(lì)電壓條件下減少磁通或匝數(shù)，從而減小尺寸。 3.3 互感式傳感器互感式傳感器圖3-25 激勵(lì)頻

39、率與靈敏度的關(guān)系圖3-23(e) 微動(dòng)同步器內(nèi)電路圖3.3 互感式傳感器互感式傳感器下面介紹變面積式（如微動(dòng)同步器synchronizer）： 差動(dòng)式變壓器也可做成改變導(dǎo)磁面積的變面積式。 但用于測(cè)量直線的極少，常用來測(cè)量角位移(angular displacement)，如圖3-23(e)。這樣輸出電壓為：keeeeU)(232124220k微動(dòng)同步器的靈敏度， 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角3.3 互感式傳感器互感式傳感器二二. .測(cè)量電路測(cè)量電路一般采用反串電路(antiseries circuit)和橋路兩種。 反串電路是直接把兩個(gè)二次線圈反向串接（如圖3-22）。這種情況下空載輸出電壓等于二次側(cè)線圈感應(yīng)

40、電動(dòng)勢(shì)之差，即： 22210EEU圖3-22 二次線圈反串電路 圖3-23 差動(dòng)變壓器使用橋路3.3 互感式傳感器互感式傳感器橋路如圖3-23所示：其中R1，R2是橋臂電阻，Rw是供調(diào)零用的電位器。設(shè)R1R2，則輸出電壓2)(22212221222210EEERRREEU(3-37)可見橋路的靈敏度為前面的0.5，但其優(yōu)點(diǎn)是利用Rw可進(jìn)行調(diào)零，不再需要另外配置調(diào)零電路。3.3 互感式傳感器互感式傳感器三三. .互感式傳感器的誤差互感式傳感器的誤差 自感式傳感器的誤差分析均適用于差動(dòng)變壓器。所不同的是差動(dòng)變壓器多了一個(gè)初級(jí)線圈。當(dāng)溫度變化時(shí)，初級(jí)線圈的參數(shù)尤其銅阻的變化影響較大。設(shè)溫度變化()，

41、初級(jí)線圈銅阻R增加R，銅線電阻溫度系數(shù)為+0.4/，由此引起的次級(jí)輸出電壓的相對(duì)變化為tRLRLRRUU11111100/1004. 0/1/(3-38) 由上式可知，低頻激勵(lì)時(shí)線圈的品質(zhì)因數(shù)(Q/R)低，溫度誤差大。為此應(yīng)提高初級(jí)線圈的品質(zhì)因數(shù)。3.3 互感式傳感器互感式傳感器為減小溫度誤差，還可采取穩(wěn)定激勵(lì)電流的方法，如圖3-39所示。在初級(jí)串入一高阻值降壓電阻(voltage dropping resistor)R，或同時(shí)串入熱敏電阻(thermal resistor)RT進(jìn)行補(bǔ)償。適當(dāng)選擇RT，可使溫度變化時(shí)原邊總電阻近似不變，從而使激勵(lì)電流保持恒定。圖3-39 溫度補(bǔ)償電路3.3 互

42、感式傳感器互感式傳感器差動(dòng)變壓器由于采用反串電路，其零位電壓的補(bǔ)償電路形式與自感式傳感器不盡相同，基本原則是：串聯(lián)電阻用以減小零位電壓的基波分量；并聯(lián)電阻、電容用以減小諧波分量；加反饋支路用以減小基波和諧波分量。圖3-30列出了一些典型的補(bǔ)償電路。3.3 互感式傳感器互感式傳感器圖3-30 差動(dòng)變壓器零位電壓補(bǔ)償電路3.3 互感式傳感器互感式傳感器四四. .電感式傳感器的應(yīng)用電感式傳感器的應(yīng)用 電感式傳感器主要用于測(cè)量位移與尺寸，也可測(cè)量能轉(zhuǎn)換成位移變化的其他參數(shù)，如力force、張力tension、壓力pressure、壓差pressure difference、振動(dòng)vibration、應(yīng)變

43、strain、轉(zhuǎn)矩torque、流量flow、比重specific gravity等。位移與尺寸測(cè)量壓力測(cè)量力和力矩測(cè)量振動(dòng)測(cè)量3.3 互感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器(Eddy Current Sensor)是利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的。由于結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質(zhì)的影響，并能進(jìn)行非接觸測(cè)量，適用范圍廣，它一問世就受到各國的重視。目前，這種傳感器已廣泛用來測(cè)量位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度(degree of hardness)等參數(shù)，以及用于無損探傷(nondestructive flaw detection)領(lǐng)域。第四節(jié)第四節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器3

44、.4 電渦流式傳感器電渦流式傳感器第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器一一. .工作原理工作原理圖3-35 電渦流式傳感器的基本原理第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器如圖3-35所示，有一通以交變電流的傳感器線圈。由于電流的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)H1。若被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng)H2，H2與H1方向相反，力圖削弱原磁場(chǎng)H1,從而導(dǎo)致線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中一個(gè)參數(shù)改變，余者皆不變，就能構(gòu)成測(cè)量該參數(shù)的傳感

45、器。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖3-36 等效電路 為分析方便，我們將被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個(gè)短路環(huán)(short circuit loop)中的電流。這樣，線圈與被測(cè)導(dǎo)體便等效為相互耦合(mutual coupling)的兩個(gè)線圈，如圖3-36所示。設(shè)線圈的電阻為R1，電感為L1，阻抗為Z1=R1+jL1；短路環(huán)的電阻為R2，電感為L2；線圈與短路環(huán)之間的互感系數(shù)(coefficient of mutual inductance)為M。 第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 M隨它們之間的距離x減小而增大。加在線圈兩端的激勵(lì)電壓為。根據(jù)基爾霍夫定律(Kirchhoff

46、 law)，可列出電壓平衡方程組022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR解之得2222121222212222222212222222111)()()()(LRIMRjILMLRIMjILLRMLjRLRMRUI第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器由此可求得線圈受金屬導(dǎo)體渦流影響后的等效阻抗(equivalent impedance)為2222222122222221)()(LRMLLjLRMRRZ(3-69)線圈的等效電感為22222221)( LRMLLL(3-70)第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器由式(3-69)可見，由于渦流的影響，線圈阻抗的實(shí)數(shù)部分增大，

47、虛數(shù)部分減小，因此線圈的品質(zhì)因數(shù)Q下降。阻抗由Z1變?yōu)閆，常稱其變化部分為“反射阻抗(reflective resistance)”。由式(3-69)可得22221222221201/1ZMRRZMLLQQ(3-71)式中 無渦流影響時(shí)線圈的Q值； 短路環(huán)的阻抗。110/RLQ222222LRZ第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器Q值的下降是由于渦流損耗(eddy current loss)所引起，并與金屬材料的導(dǎo)電性(electric conductivity)和距離x直接有關(guān)。當(dāng)金屬導(dǎo)體是磁性材料時(shí)，影響Q值的還有磁滯損耗與磁性材料對(duì)等效電感的作用。在這種情況下，線圈與磁性材料所構(gòu)成磁

48、路的等效磁導(dǎo)率(magnetic conductivity)e的變化將影響L。當(dāng)距離x減小時(shí)，由于e增大而使式(3-70)中之L1變大。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器由式(3-69)(3-71)可知，線圈-金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)。而互感系數(shù)又是距離x的非線性函數(shù)，因此當(dāng)構(gòu)成電渦流式位移傳感器時(shí)，Z=f1(x)、L=f2(x)、Q=f3(x)都是非線性函數(shù)。但在一定范圍內(nèi)，可以將這些函數(shù)近似地用一線性函數(shù)來表示，于是在該范圍內(nèi)通過測(cè)量Z、L或Q的變化就可以線性地獲得位移的變化。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器二二. .測(cè)量電路測(cè)量電路根據(jù)

49、電渦流式傳感器的工作原理，其測(cè)量電路有三種：諧振電路(resonant circuit)、電橋電路與Q值測(cè)試電路。這里主要介紹諧振電路。目前電渦流式傳感器所用的諧振電路有三種類型：定頻調(diào)幅式(amplitude modulation w/ fixed frequency)、變頻調(diào)幅式(amplitude modulation w/ variable frequency)與調(diào)頻式(frequency modulation)。1.定頻調(diào)幅電路定頻調(diào)幅電路下頁圖3-43為這種電路的原理框圖。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖中L為傳感器線圈電感，與電容C組成并聯(lián)諧振回路，晶體振蕩器提供高頻激

50、勵(lì)信號(hào)。在無被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路調(diào)諧在與晶體振蕩器頻率一致的諧振狀態(tài)，這時(shí)回路阻抗最大，回路壓降最大(下頁圖3-44中之U0)。圖3-43 定頻調(diào)幅電路框圖第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器當(dāng)傳感器接近被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，損耗功率增大，回路失諧(detune)，輸出電壓相應(yīng)變小。這樣，在一定范圍內(nèi)，輸出電壓幅值與間隙(位移)成近似線性關(guān)系。由于輸出電壓的頻率f0始終恒定，因此稱定頻調(diào)幅式。圖3-44 定頻調(diào)幅諧振曲線第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 LC回路諧振頻率的偏移如圖3-44所示。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體為軟磁材料(magnetic soft material)時(shí)，由于L增大而使諧振頻

51、率下降(向左偏移)。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體為非軟磁材料(non magnetic soft material)時(shí)則反之(向右偏移)。這種電路采用石英晶體(quartz crystal)振蕩器(oscilator)，旨在獲得高穩(wěn)定度頻率的高頻激勵(lì)信號(hào)，以保證穩(wěn)定的輸出。因?yàn)檎袷庮l率若變化1%，一般將引起輸出電壓10%的漂移。 圖3-43中R為耦合電阻，用來減小傳感器對(duì)振蕩器的影響，并作為恒流源的內(nèi)阻。R的大小直接影響靈敏度：R大靈敏度低，R小則靈敏度高；但R過小時(shí)，由于對(duì)振蕩器起旁路作用，也會(huì)使靈敏度降低。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 諧振回路的輸出電壓為高頻載波信號(hào)，信號(hào)較小，因此設(shè)有高頻放大

52、(amplification)、檢波(detection)和濾波(filtering)等環(huán)節(jié)，使輸出信號(hào)便于傳輸與測(cè)量。圖中源極輸出器是為減小振蕩器的負(fù)載而加。2.變頻調(diào)幅電路變頻調(diào)幅電路 定頻調(diào)幅電路雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，并獲得廣泛應(yīng)用，但線路較復(fù)雜，裝調(diào)較困難，線性范圍也不夠?qū)?。因此，人們又研究了一種變頻調(diào)幅電路，這種電路的基本原理基本原理是將傳感器線圈直接接入電容三點(diǎn)式振蕩回路。當(dāng)導(dǎo)體接近傳感器線圈時(shí)，由于渦流效應(yīng)的作用，振蕩器輸出電壓的幅度和頻率都發(fā)生變化，利用振蕩幅度的變化來檢測(cè)線圈與導(dǎo)體間的位移變化，而對(duì)頻率變化不予理會(huì)。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器變頻調(diào)幅電路的諧振曲線(r

53、esonance)如圖3-46所示。圖3-46 變頻調(diào)幅諧振曲線第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器無被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，振蕩回路的Q值最高，振蕩電壓幅值最大，振蕩頻率為f0。當(dāng)有金屬導(dǎo)體接近線圈時(shí)，渦流效應(yīng)使回路Q值降低，諧振曲線變鈍，振蕩幅度降低，振蕩頻率也發(fā)生變化。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體為軟磁材料時(shí)，由于磁效應(yīng)的作用，諧振頻率降低，曲線左移；被測(cè)導(dǎo)體為非軟磁材料時(shí)，諧振頻率升高，曲線右移。所不同的是，振蕩器輸出電壓不是各諧振曲線與f0的交點(diǎn)，而是各諧振曲線峰點(diǎn)的連線。 第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器這種電路除結(jié)構(gòu)簡單、成本較低外，還具有靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此監(jiān)控等場(chǎng)合常采用它。必須指

54、出，該電路用于被測(cè)導(dǎo)體為軟磁材料時(shí)，雖由于磁效應(yīng)的作用使靈敏度有所下降，但磁效應(yīng)時(shí)對(duì)渦流效應(yīng)的作用相當(dāng)于在振蕩器中加入負(fù)反饋，因而能獲得很寬的線性范圍。所以如果配用渦流板進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)選用軟磁材料。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器3.調(diào)頻電路調(diào)頻電路 調(diào)頻電路與變頻調(diào)幅電路一樣，將傳感器線圈接入電容三點(diǎn)式振蕩回路，所不同的是，以振蕩頻率的變化作為輸出信號(hào)。如欲以電壓作為輸出信號(hào)，則應(yīng)后接鑒頻器(frequency discriminator)。 這種電路的關(guān)鍵是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。通?？梢詮沫h(huán)境溫度變化、電纜電容變化及負(fù)載影響三方面考慮。 提高諧振回路元件本身的穩(wěn)定性也是提高頻率穩(wěn)定

55、度的一個(gè)措施。為此，傳感器線圈L可采用熱繞工藝(hot winding process)繞制在低膨脹系數(shù)材料的骨架上，并配以高穩(wěn)定的云母(mica)電容或具有適當(dāng)負(fù)溫度系數(shù)的電容(進(jìn)行溫度補(bǔ)償)作為諧振電容C。此外，提高傳感器探頭的靈敏度也能提高儀器的相對(duì)穩(wěn)定性。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器三三. .電渦流式傳感器的應(yīng)用電渦流式傳感器的應(yīng)用 1.測(cè)位移測(cè)位移電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測(cè)量金屬件的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)位移，最大量程達(dá)數(shù)百毫米，分辨率為0.1%。目前電渦流位移傳感器的分辨力最高已做到0.05m(量程015m)。凡是可轉(zhuǎn)換為位移量的參數(shù)，都可用電渦流式傳感器測(cè)量，如機(jī)器轉(zhuǎn)

56、軸的軸向竄動(dòng)、金屬材料的熱膨脹系數(shù)、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖3-49 液位監(jiān)控系統(tǒng)圖3-49為用電渦流式傳感器構(gòu)成的液位監(jiān)控系統(tǒng)。如圖所示，通過浮子3與杠桿帶動(dòng)渦流板1上下位移，由電渦流式傳感器2發(fā)出信號(hào)控制電動(dòng)泵的開啟而使液位保持一定。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器v除前已介紹的低頻透射式(penetrative)電渦流傳感器外，高頻反射式(reflective)電渦流傳感器也可用于厚度測(cè)量。后者測(cè)板厚時(shí)，金屬板材厚度的變化相當(dāng)于線圈與金屬表面間距離的改變，根據(jù)輸出電壓的變化即可知線圈與金屬表面間距離的變化，即板厚的變化。下頁圖3-

57、50所示為此應(yīng)用一例。為克服金屬板移動(dòng)過程中上下波動(dòng)及帶材不夠平整的影響，常在板材上下兩側(cè)對(duì)稱放置兩個(gè)特性相同的傳感器L1與L2。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器2.測(cè)厚度測(cè)厚度圖3-50 測(cè)金屬板厚度示意圖第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器由圖可知，板厚dD-(x1+x2)。工作時(shí)，兩個(gè)傳感器分別測(cè)得x1和x2。板厚不變時(shí)，(x1+x2)為常值；板厚改變時(shí)，代表板厚偏差的(x1+x2)所反映的輸出電壓發(fā)生變化。測(cè)量不同厚度的板材時(shí)，可通過調(diào)節(jié)距離D來改變板厚設(shè)定值，并使偏差指示為零。這時(shí)，被測(cè)板厚即板厚設(shè)定值與偏差指示值的代數(shù)和。除上述非接觸式(contactless)測(cè)板厚(

58、slab thickness)外，利用電渦流式傳感器還可制成金屬鍍層(coating)厚度測(cè)量儀、接觸式(contacting)金屬或非金屬板厚測(cè)量儀。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 除此以外：(1)利用多個(gè)傳感器沿轉(zhuǎn)軸軸向(axial)排布，可測(cè)得各測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)軸的瞬時(shí)振幅值，從而作出轉(zhuǎn)軸振型圖；(2)利用兩個(gè)傳感器沿轉(zhuǎn)軸徑向(radial)垂直安裝，可測(cè)得轉(zhuǎn)軸軸心軌跡；(3)在被測(cè)金屬旋轉(zhuǎn)體上開槽或作成齒輪狀，利用電渦流傳感器可測(cè)出該旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)頻率或轉(zhuǎn)速(4)電渦流傳感器還可用作接近開關(guān)，金屬零件計(jì)數(shù)，尺寸或表面粗糙度檢測(cè)，等等。 電渦流傳感器測(cè)位移，由于測(cè)量范圍寬(wide ran

59、ge)、反應(yīng)速度快(fast response)、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量(contactless measurement)，常用于在線檢測(cè)(online detection)。第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器3.測(cè)溫度測(cè)溫度在較小的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系為 式中 1、0分別為溫度t1與t0時(shí)的電阻率； a在給定溫度范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)若保持電渦流式傳感器的機(jī)、電、磁各參數(shù)不變，使傳感器的輸出只隨被測(cè)導(dǎo)體電阻率(electric resistivity)而變，就可測(cè)得溫度的變化。上述原理可用來測(cè)量液體、氣體介質(zhì)溫度或金屬材料的表面溫度，適合于低溫到常溫的測(cè)量。）（0101t-ta

60、1(3-72)第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖3-51 測(cè)溫用渦流式傳感器1-補(bǔ)償線圈(compensation coil)；2-管架(frame tube)；3-測(cè)量線圈(measuring coil)；4-隔熱襯墊(insulation cushion)；5-溫度敏感元件(temperature sensitive element) 第第3章章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器圖3-51為一種測(cè)量液體或氣體介質(zhì)溫度的電渦流式傳感器。它的優(yōu)點(diǎn)是：(1)不受金屬表面涂料、油、水等介質(zhì)的影響；(2)可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量；(3)反應(yīng)快。 目前已制成熱慣性時(shí)間常數(shù)僅1ms的電渦流溫度計(jì)。除上述應(yīng)用