第4章電感式傳感器

1、第第4 4章章 電感式傳感器電感式傳感器4.1 4.1 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器14.2 4.2 互感式傳感器互感式傳感器4.3 4.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器324.4 4.4 壓磁式傳感器壓磁式傳感器4概述 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被將被測量測量（如位移、壓力、流量、重量、振動等）（如位移、壓力、流量、重量、振動等）轉(zhuǎn)換成線圈自感量轉(zhuǎn)換成線圈自感量L L或互感量或互感量MM的變化的變化，由測量由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化輸出電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化輸出的裝置。的裝置。u優(yōu)點優(yōu)點: :結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠壽命長，測量精度高，結(jié)構(gòu)簡單，工

2、作可靠壽命長，測量精度高，零點穩(wěn)定，輸出功率較大等。零點穩(wěn)定，輸出功率較大等。u缺點缺點: :靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，傳靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動態(tài)測量。感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動態(tài)測量。1u2uis一、磁路一、磁路 線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通主磁通 和和漏磁通漏磁通 S。線圈線圈鐵心鐵心二、磁路的歐姆定律二、磁路的歐姆定律對于環(huán)形線圈對于環(huán)形線圈lSlBHlNImmRFRNISlNI磁路的磁路的歐姆定律歐姆定律說明說明F=NI為磁通勢為磁通勢 Rm為磁阻為磁阻l為磁路的平均長度為磁路的平均長度

3、S為磁路的截面積為磁路的截面積INR+_EIU磁路與電路對照磁路與電路對照磁路磁路電路電路磁通勢磁通勢F電動勢電動勢E磁通磁通 電流電流I磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度B電流密度電流密度J磁阻磁阻Rm電阻電阻RSlRmSlR磁路的計算磁路的計算 在計算電機、電器等的磁路時，要預(yù)先給定鐵心在計算電機、電器等的磁路時，要預(yù)先給定鐵心中的磁通（或磁感應(yīng)強度），而后按照所給的中的磁通（或磁感應(yīng)強度），而后按照所給的磁通及磁路各段的尺寸和材料去產(chǎn)生預(yù)定磁通所需磁通及磁路各段的尺寸和材料去產(chǎn)生預(yù)定磁通所需的磁通勢的磁通勢FNI。 計算均勻磁路要用磁場強度計算均勻磁路要用磁場強度H，即即NIHl， 如磁路由不同的材料

4、、長度和截面積的幾段組如磁路由不同的材料、長度和截面積的幾段組成，則磁路由磁阻不同的幾段串聯(lián)而成成，則磁路由磁阻不同的幾段串聯(lián)而成。 NIH1 l1H2 l2 （H l）如如：由三段串聯(lián)而成的由三段串聯(lián)而成的 繼電器磁路繼電器磁路 B1B0B2H1S1S2S0H2H0Bf（H）Bf（H）Bf（H）l1l2H11H22H0 （H ）NI llIl1S2S1l1 1 2 0 l2 若要得到相等的磁感應(yīng)強度，采用磁導(dǎo)率高的鐵若要得到相等的磁感應(yīng)強度，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可使線圈的心材料，可使線圈的用銅量用銅量大為大為降低。降低。 若線圈中通有同樣大小的勵磁電流，若線圈中通有同樣大小的勵磁電流，要

5、要得到相等得到相等的磁通的磁通，采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可使鐵心的采用磁導(dǎo)率高的鐵心材料，可使鐵心的用用鐵量鐵量大為大為降低降低 當磁路中含有空氣隙時，由于其當磁路中含有空氣隙時，由于其磁阻較大磁阻較大，要得要得到相等的磁感應(yīng)強度到相等的磁感應(yīng)強度，必須增大勵磁電流（必須增大勵磁電流（線圈匝線圈匝數(shù)一定）數(shù)一定）結(jié)論結(jié)論返回返回2000002000010000800010470坡莫合金硅鋼u電感式電感式傳感器種類很多傳感器種類很多，有利用自感原理的，有利用自感原理的自自感式傳感器感式傳感器，利用互感原理做成的，利用互感原理做成的差動變壓器差動變壓器式傳感器式傳感器，還有利于渦流原理的，還有利于

6、渦流原理的渦流式傳感器渦流式傳感器、利用壓磁原理的利用壓磁原理的壓磁式傳感器壓磁式傳感器等等u本章主要介紹自感式、互感式和電渦流式三種本章主要介紹自感式、互感式和電渦流式三種傳感器。傳感器。4.1 變磁阻式傳感器1- 1-線圈；線圈；2- 2-鐵芯（定鐵芯）；鐵芯（定鐵芯）；4- 4-銜鐵（動鐵芯）銜鐵（動鐵芯）圖圖4-1 4-1 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖4.1 4.1 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器4.1.1 4.1.1 工作原理工作原理4.1 變磁阻式傳感器u鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度

7、為成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為 ，傳感器的運動部分與銜鐵相連。傳感器的運動部分與銜鐵相連。u當銜鐵移動時，當銜鐵移動時，氣隙厚度氣隙厚度 發(fā)生改變，引起磁路發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，中磁阻變化，從而導(dǎo)致從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化電感線圈的電感值變化，只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。位移量的大小和方向。u電路的磁阻指由于電流引起的鏈合磁通量。根電路的磁阻指由于電流引起的鏈合磁通量。根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式確定：據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式確定：NLII4.1 變磁阻式傳感器u上式中：上式中：線圈總磁

8、鏈；線圈總磁鏈； I I 通過線圈的電流；通過線圈的電流；NN線圈的匝數(shù)；線圈的匝數(shù)；穿過線圈的磁通。穿過線圈的磁通。u由磁路歐姆定律，得磁通表達式：由磁路歐姆定律，得磁通表達式： 磁路總磁阻。磁路總磁阻。u對于變隙式傳感器，因為氣隙很小，所以可以對于變隙式傳感器，因為氣隙很小，所以可以認為氣隙中的磁場是均勻的。認為氣隙中的磁場是均勻的。mINR mR4.1 變磁阻式傳感器u若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為: :式中：式中： 鐵芯材料的導(dǎo)磁率鐵芯材料的導(dǎo)磁率(H/m)(H/m)； 銜鐵材料的導(dǎo)磁率銜鐵材料的導(dǎo)磁率(H/m)(H/m)； 磁通通過鐵芯的長度磁通通過鐵芯

9、的長度(m)(m)； 磁通通過銜鐵的長度磁通通過銜鐵的長度(m)(m)； 鐵芯的截面積鐵芯的截面積( )( )； 銜鐵的截面積銜鐵的截面積( )( )； 空氣的導(dǎo)磁率空氣的導(dǎo)磁率(4(4 H/m) H/m)； 氣隙的截面積氣隙的截面積( )( )； 氣隙的厚度氣隙的厚度(m)(m)。12m1122002LLRSSS121L2L1S2S00S2m2m7102m4.1 變磁阻式傳感器u通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即：通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即：u則可近似認為：則可近似認為：u聯(lián)立前幾式，可得聯(lián)立前幾式，可得 1001 1200222SS2SSLLm002SR2200mS2NNL

10、R4.1 變磁阻式傳感器u上式表明，上式表明，當線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感當線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感L L僅僅僅僅是磁路中磁阻是磁路中磁阻 的函數(shù)的函數(shù)，只要改變，只要改變 或或 均可導(dǎo)均可導(dǎo)致電感變化。致電感變化。u因此因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度 的傳的傳感器和變氣隙面積感器和變氣隙面積 的傳感器的傳感器。u使用最廣泛的是變氣隙厚度使用最廣泛的是變氣隙厚度 式電感傳感器。式電感傳感器。0SmR0S4.1 變磁阻式傳感器4.1.2 4.1.2 等效電路等效電路圖圖4-2 4-2 傳感器線圈的等效電路傳感器線圈的等效電路 L-L-電感；電感； - -銅耗電阻；

11、銅耗電阻；Re-Re-鐵心渦流損耗電阻；鐵心渦流損耗電阻； - -磁滯損耗電阻；磁滯損耗電阻；C-C-寄生電容寄生電容 CRhR4.1 變磁阻式傳感器u變磁阻式傳感器通常都具有鐵心線圈或空心線圈。變磁阻式傳感器通常都具有鐵心線圈或空心線圈。將傳感器線圈等效成上圖所示電路將傳感器線圈等效成上圖所示電路: :1 1銅損電阻銅損電阻 ：取決于導(dǎo)線材料及線圈幾何尺寸。：取決于導(dǎo)線材料及線圈幾何尺寸。2 2渦流損耗電阻渦流損耗電阻ReRe：由頻率為：由頻率為f f的交變電流激勵產(chǎn)生的交變電流激勵產(chǎn)生 的交變磁場，會在線圈鐵心中造成渦流及磁滯損。的交變磁場，會在線圈鐵心中造成渦流及磁滯損。4. 4.磁滯損

12、耗電阻磁滯損耗電阻 ：鐵磁物質(zhì)在交變磁化時，磁分：鐵磁物質(zhì)在交變磁化時，磁分子來回翻轉(zhuǎn)克服阻力，類似摩擦生熱的能量損耗。子來回翻轉(zhuǎn)克服阻力，類似摩擦生熱的能量損耗。4 4并聯(lián)寄生電容并聯(lián)寄生電容C C的影響：并聯(lián)寄生電容主要由線圈的影響：并聯(lián)寄生電容主要由線圈繞組的固有電容與電纜分布電容所構(gòu)成。繞組的固有電容與電纜分布電容所構(gòu)成。hRCR4.1 變磁阻式傳感器u為便于分析，先不考慮寄生電容為便于分析，先不考慮寄生電容C C，并將上圖，并將上圖中的線圈電感與并聯(lián)鐵損電阻等效為串聯(lián)鐵損中的線圈電感與并聯(lián)鐵損電阻等效為串聯(lián)鐵損電阻電阻ReRe與串聯(lián)電感與串聯(lián)電感LL的等效電路，如下圖的等效電路，如下

13、圖所示。所示。u這時這時ReRe和和LL的串聯(lián)阻抗應(yīng)該與的串聯(lián)阻抗應(yīng)該與ReRe和和L L的并聯(lián)的并聯(lián)阻抗相等，即：阻抗相等，即：eeeR jLRjLRjL圖圖4-3 4-3 線圈等效電路線圈等效電路 的變換形式的變換形式4.1 變磁阻式傳感器4.1.3 4.1.3 輸出特性輸出特性u設(shè)電感傳感器初始氣隙為設(shè)電感傳感器初始氣隙為 ，初始電感量為，初始電感量為 ，銜鐵位移引起的氣隙變化量為銜鐵位移引起的氣隙變化量為，可知，可知L L與與 之之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖所示，初始電間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖所示，初始電感量為：感量為：200002S NL00L圖圖4-4 4-4 變隙式電感傳感

14、器的變隙式電感傳感器的L-L-特性特性 4.1 變磁阻式傳感器u當銜鐵上移當銜鐵上移時，傳感器氣隙減小時，傳感器氣隙減小， 即即 ，則此時輸出電感為，則此時輸出電感為 ，代人上式整理得：代人上式整理得：u當當 時，可將上式用泰勒級數(shù)展開成級時，可將上式用泰勒級數(shù)展開成級數(shù)形式為數(shù)形式為u由上式可求得電感增量由上式可求得電感增量 和相對增量和相對增量 的表的表達式，即：達式，即： 00LLL20000002()1NSLLLL (0,1) 23000001()()().LLLLL0L L200001()().LL4.1 變磁阻式傳感器u當銜鐵下移當銜鐵下移時，傳感器氣隙增大時，傳感器氣隙增大，即即

15、 ，則此時輸出電感為，則此時輸出電感為 整理，得：整理，得：u線性處理，忽略高次項，可得：線性處理，忽略高次項，可得：200001()().LL200001 ()().LL200001 ()().LL00LLL00LL4.1 變磁阻式傳感器u靈敏度為：靈敏度為：u由此可見，變間隙式電感傳感器的測量范圍與由此可見，變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，所以靈敏度及線性度相矛盾，所以變隙式電感式傳變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確感器用于測量微小位移時是比較精確的。的。4.1.4 4.1.4 測量電路測量電路u 電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、交流電感式傳感器的測量電

16、路有交流電橋式、交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。變壓器式以及諧振式等幾種形式。 0001LLk4.1 變磁阻式傳感器1 1交流電橋式測量電路交流電橋式測量電路u圖為輸出端對稱交流電橋測量電路，把傳感器圖為輸出端對稱交流電橋測量電路，把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂 和和 ，另外，另外兩個相鄰的橋臂用純電阻代替。兩個相鄰的橋臂用純電阻代替。1Z2Z圖圖4-5 交流電橋式測量電路交流電橋式測量電路4.1 變磁阻式傳感器u對于高對于高Q Q值值( )( )的差動式電感傳感器，其的差動式電感傳感器，其輸出電壓為：輸出電壓為：其中：其中： 銜鐵在中間位置時，單個線圈的電

17、感銜鐵在中間位置時，單個線圈的電感; R; R0 0為其為其損耗。損耗。 單線圈電感的變化量。單線圈電感的變化量。u將將 代入上式得代入上式得 ： 000222oUZUjLULUZRj LL0LLQL R00()LL 002UU4.1 變磁阻式傳感器2 2變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋u 變壓器式交流電橋測量電路如圖所示，電橋兩變壓器式交流電橋測量電路如圖所示，電橋兩臂臂 、 為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的流變壓器次級線圈的1/2 1/2 阻抗。阻抗。1Z2Z圖圖4-6 變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋4.1 變磁阻式傳感器u當負截阻抗為無

18、窮大時，橋路輸出電壓當負截阻抗為無窮大時，橋路輸出電壓u當傳感器的銜鐵處于中間位置，即當傳感器的銜鐵處于中間位置，即 時時有有 ，電橋平衡。，電橋平衡。u當傳感器銜鐵上移時，上面線圈的阻抗增加，當傳感器銜鐵上移時，上面線圈的阻抗增加，而下面線圈的阻抗減小，即而下面線圈的阻抗減小，即 ， 此時：此時：112o121222Z UZZUUUZZZZ12ZZZ0oU1ZZZ2ZZZ22oUZUjLUZRj L4.1 變磁阻式傳感器u當傳感器銜鐵下移時，則當傳感器銜鐵下移時，則 ， 此時：此時：u設(shè)線圈設(shè)線圈Q Q值很高，省略損耗電阻，則由上兩式值很高，省略損耗電阻，則由上兩式可寫為：可寫為：u 從上式

19、可知，銜鐵上下移動相同距離時，輸出從上式可知，銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓的大小相等，但方向相反，由于電壓的大小相等，但方向相反，由于 是交流是交流電壓，輸出指示無法判斷位移方向，必須配合電壓，輸出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。相敏檢波電路來解決。1ZZZ2ZZZ22oUZUjLUZRj L 2oULUL oU4.1 變磁阻式傳感器4. 4.諧振式測量電路諧振式測量電路u諧振式測量電路有諧振式調(diào)幅電路和諧振式調(diào)諧振式測量電路有諧振式調(diào)幅電路和諧振式調(diào)頻電路兩種，分別如下圖頻電路兩種，分別如下圖4-74-7和和4-84-8所示：所示：(a) (b)(a) (b) 圖圖4-

20、7 4-7 諧振式調(diào)幅電路諧振式調(diào)幅電路4.1 變磁阻式傳感器u在調(diào)幅電路中，在調(diào)幅電路中，傳感器電感傳感器電感L L與電容與電容C C和變壓器和變壓器原邊串聯(lián)在一起原邊串聯(lián)在一起，接入交流電源，接入交流電源 ，變壓器副邊，變壓器副邊將有電壓將有電壓 輸出，輸出，輸出電壓的頻率與電源頻率輸出電壓的頻率與電源頻率相同，而幅值隨著電感相同，而幅值隨著電感L L而變化而變化。u圖圖4-74-7（b b）所示為輸出電壓）所示為輸出電壓 與電感與電感L L的關(guān)系曲的關(guān)系曲線，其中線，其中 為諧振點的電感值。為諧振點的電感值。u該測量電路靈敏度很高，但線性差，適用于線該測量電路靈敏度很高，但線性差，適用于

21、線性要求不高的場合。性要求不高的場合。oUoU0L4.1 變磁阻式傳感器u調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L L的變化將引起的變化將引起輸出電壓頻率的變化。其振蕩頻率輸出電壓頻率的變化。其振蕩頻率 。 當當L L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f f的大小即可測的大小即可測出被測量的值。出被測量的值。u圖圖4-84-8（b b）表示）表示f f與與L L的特性，它具有明顯的非線性的特性，它具有明顯的非線性關(guān)系。關(guān)系。(a) (b)(a) (b) 圖圖4-8 4-8 諧振式調(diào)頻電路諧振式調(diào)頻電路1 2fLC4.1 變磁阻式傳感器 圖圖4-9

22、4-9變隙電感式傳感器結(jié)構(gòu)圖變隙電感式傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖圖4-104-10變隙式差動電感電壓傳感器變隙式差動電感電壓傳感器4.1.5 變磁阻式傳感器的應(yīng)用變磁阻式傳感器的應(yīng)用4.1 變磁阻式傳感器u變隙電感式傳感器由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈變隙電感式傳感器由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起。等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起。u當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P P的作的作用下產(chǎn)生與壓力用下產(chǎn)生與壓力P P大小成正比的位移，于是銜大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線鐵也發(fā)生移動，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也

23、發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表指示值就圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表指示值就反映了被測壓力的大小。反映了被測壓力的大小。u變隙式差動電感壓力傳感器，主要由變隙式差動電感壓力傳感器，主要由C C形彈簧形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。4.1 變磁阻式傳感器u當被測壓力進入當被測壓力進入C C形彈簧管時，形彈簧管時，C C形彈簧管產(chǎn)生形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動與自由端連接變形，其自由端發(fā)生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動，使線圈成一體的銜鐵運動，使線圈 1 1 和線圈和線圈 2 2 中的電中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化，即一個電感發(fā)生大小相等、符號相

24、反的變化，即一個電感量增大，另一個電感量減小。感量增大，另一個電感量減小。u電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。u由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系，所由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓，即可得知以只要用檢測儀表測量出輸出電壓，即可得知被測壓力的大小。被測壓力的大小。 例題：如圖電感式傳感器，銜鐵界面積S=4*4mm2, 兩個氣隙總長度0.8mm，銜鐵最大位移量0.08mm，激勵線圈w=2500匝，導(dǎo)線直徑d=0.06mm，電阻率1.7510-6歐姆cm，當激勵頻率4000hz時，計算：1）線圈電感2）電感最

25、大變化量3）當線圈每匝平均長度30mm，線圈直流電阻。4）線圈的品質(zhì)因數(shù)解：mHlSwL157108 . 010441014. 3425003672020mHllSwL13110)08. 0*28 . 0(10441014. 34250023672021mHllSwL19610)08. 0*28 . 0(10441014. 34250023672022464006. 0*14. 33*2500*10*75. 1*426SlR5 . 8464157. 0*4000*14. 3*2RwLQ如圖電感式傳感器，銜鐵界面積S=5*5mm2, 兩個氣隙總長度1mm，銜鐵最大位移量0.09mm，激勵線圈w=

26、2000匝，導(dǎo)線直徑d=0.06mm，電阻率1.7510-6歐姆cm，當激勵頻率5000hz時，計算：1）線圈電感2）電感最大變化量3）當線圈每匝平均長度40mm，線圈直流電阻。4）線圈的品質(zhì)因數(shù)4.2 互感式傳感器u互感式傳感器是把互感式傳感器是把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器圈互感量變化的傳感器。它根據(jù)變壓器的基本。它根據(jù)變壓器的基本原理制成，并且次級繞組都用差動形式連接，原理制成，并且次級繞組都用差動形式連接，故又稱為故又稱為差動變壓器差動變壓器式傳感器。式傳感器。u差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、 變面積變面積式

27、和螺線管式等，但其工作原理基本一樣。式和螺線管式等，但其工作原理基本一樣。u非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量壓器，它可以測量1 1100mm100mm范圍內(nèi)的機械位移，范圍內(nèi)的機械位移，并具有測量精度高，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，性并具有測量精度高，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠等優(yōu)點。能可靠等優(yōu)點。4.2 互感式傳感器4.2.1 4.2.1 工作原理工作原理u螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)如下圖所示。螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)如下圖所示。u它由一個初級線圈，兩個次級線圈和插入線圈它由一個初級線圈，兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。中央的

28、圓柱形鐵芯等組成。- -活動銜鐵；活動銜鐵；- -導(dǎo)磁外殼；導(dǎo)磁外殼；3- 3-骨架；骨架；- -匝數(shù)為匝數(shù)為 的初級繞組；的初級繞組；- -匝數(shù)為匝數(shù)為 的次級繞組；的次級繞組；- -匝數(shù)為匝數(shù)為 的次級繞組的次級繞組圖圖4-11 4-11 螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)圖螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)圖1W2aW2bW4.2 互感式傳感器u螺線管式差動變壓器按線圈繞組排列的方式不螺線管式差動變壓器按線圈繞組排列的方式不同，可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式同，可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類型，如圖所示。等類型，如圖所示。 一節(jié)式靈敏度高，三節(jié)式一節(jié)式靈敏度高，三節(jié)式零點殘余電壓較小，通常采用的

29、是二節(jié)式和三零點殘余電壓較小，通常采用的是二節(jié)式和三節(jié)式兩類。節(jié)式兩類。 (a) (b) (c) (d) (e)(a) (b) (c) (d) (e)線圈排列方式圖線圈排列方式圖 （a a）一節(jié)式；（）一節(jié)式；（b b）二節(jié)式）二節(jié)式 （c c）三節(jié)式；（）三節(jié)式；（d d）四節(jié)式；（）四節(jié)式；（e e）五節(jié)式）五節(jié)式圖圖4-12 4-12 線圈排列方式線圈排列方式4.2 互感式傳感器u差動變壓器式傳感器中兩個次級線圈反向串聯(lián)，差動變壓器式傳感器中兩個次級線圈反向串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下，其等效電路如下圖所示。的理想條件

30、下，其等效電路如下圖所示。4-13 4-13 差動變壓器等效電路差動變壓器等效電路4.2 互感式傳感器u當初級繞組當初級繞組 加以激勵電壓加以激勵電壓 時，根據(jù)變壓器時，根據(jù)變壓器的工作原理，在兩個次級繞組的工作原理，在兩個次級繞組 和和 中便會產(chǎn)中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢生感應(yīng)電勢 和和 。 u如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱，則當活如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱，則當活動銜鐵處于初始平衡位置時，必然會使兩互感動銜鐵處于初始平衡位置時，必然會使兩互感系數(shù)系數(shù) 。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將有。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將有 u變壓器兩次級繞組反向串聯(lián)，因而變壓器兩次級繞組反向串聯(lián)，因而 即差動變壓器輸出電壓為零。

31、即差動變壓器輸出電壓為零。1U2aW2bW1W2aE2bE12MM22abEE2220abUEE4.2 互感式傳感器u活動銜鐵向上移動時，由于磁阻的影響，活動銜鐵向上移動時，由于磁阻的影響， 中中磁通將大于磁通將大于 ，使，使 ，因而，因而 增加，而增加，而 減小。反之，減小。反之， 增加，增加， 減小。因為減小。因為 ，所以當所以當 、 隨著銜鐵位移隨著銜鐵位移x x變化時，變化時， 也必將也必將隨隨x x變化。下圖給出了變壓器輸出電壓變化。下圖給出了變壓器輸出電壓 與活動與活動銜鐵位移銜鐵位移x x的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。u實際上，當銜鐵位于中心位置時，差動變壓器實際上，當銜鐵位于中心位置

32、時，差動變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動變壓器在零輸出電壓并不等于零，我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作 它的存在使傳感器的輸出特性不過零點，造成它的存在使傳感器的輸出特性不過零點，造成實際特性與理論特性不完全一致。實際特性與理論特性不完全一致。2aW2bW12MM2aE2bE2bE2aE222abUEE2bE2aE2UoU4.2 互感式傳感器4-14 4-14 差動變壓器輸出電壓特性曲線差動變壓器輸出電壓特性曲線4.2 互感式傳感器u零點殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的零點殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)與幾何

33、尺寸不對稱，以及磁性材料的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。非線性等問題引起的。u零點殘余電壓波形復(fù)雜，主要由基波和高次諧零點殘余電壓波形復(fù)雜，主要由基波和高次諧波組成。波組成。u基波產(chǎn)生的主要原因是：基波產(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級繞組傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的幅值不等、相位不同的感應(yīng)電勢的幅值不等、相位不同，因此不論，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電勢都不能怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電勢都不能完全抵消。完全抵消。u高次諧波中起主要作用的是三次諧波，產(chǎn)生的高次諧波中起

34、主要作用的是三次諧波，產(chǎn)生的原因是由于磁性材料磁化曲線的非線性原因是由于磁性材料磁化曲線的非線性( (磁飽和、磁飽和、磁滯磁滯) )。u零點殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使零點殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使用時，應(yīng)設(shè)法減小，否則將會影響傳感器的測用時，應(yīng)設(shè)法減小，否則將會影響傳感器的測量結(jié)果。量結(jié)果。 4.2 互感式傳感器4.2 互感式傳感器4.2.2 4.2.2 等效電路與計算等效電路與計算u差動變壓器中，當次級開路時，初級線圈激勵差動變壓器中，當次級開路時，初級線圈激勵電流為：電流為：式中：式中： 激勵電壓激勵電壓 的角頻率；的角頻率； 初級線圈激勵電壓；初級線圈激勵電壓； 初級

35、線圈激勵電流；初級線圈激勵電流； 初級線圈直流電阻和電感。初級線圈直流電阻和電感。1111UIrj L1U1U1I11rL、4.2 互感式傳感器u根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級繞組中感應(yīng)電勢的表根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級繞組中感應(yīng)電勢的表達式分別為：達式分別為：u由于次級兩繞組反向串聯(lián)，且考慮到次級開路，由于次級兩繞組反向串聯(lián)，且考慮到次級開路，則由以上關(guān)系可得：則由以上關(guān)系可得：u輸出電壓的有效值為：輸出電壓的有效值為：21 1aEj M I 22 1bEj M I 1222211()abjMMUUEErj L 1212122211()UU() MMrL4.2 互感式傳感器u下面分三種情況進行分析：下面

36、分三種情況進行分析：（1 1）活動銜鐵處于中間位置時：）活動銜鐵處于中間位置時： 故故（2 2）活動銜鐵向上移動時：）活動銜鐵向上移動時： 故故 與與 同極性。同極性。（3 3）活動銜鐵向下移動時：）活動銜鐵向下移動時： 故故 與與 同極性。同極性。12MMM2U012,MMM MMM1222112MUUrL2aE12,MMM MMM1222112MUUrL 2bE4.2 互感式傳感器4.2.3 4.2.3 測量電路測量電路 差動變壓器隨銜鐵的位移而輸出的是交流電壓，差動變壓器隨銜鐵的位移而輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小

37、，而不能反映移動方向。而不能反映移動方向。u測量值中包含零點殘余電壓。為了達到辨別移動測量值中包含零點殘余電壓。為了達到辨別移動方向及消除零點殘余電壓的目的，方向及消除零點殘余電壓的目的，實際測量時，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。u差動整流電路差動整流電路u差動整流電路具有結(jié)構(gòu)簡單，不需要考慮相位差動整流電路具有結(jié)構(gòu)簡單，不需要考慮相位調(diào)整和零點殘余電壓的影響，分布電容影響小調(diào)整和零點殘余電壓的影響，分布電容影響小和便于遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點。和便于遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點。u這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓

38、分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。為輸出。4.2 互感式傳感器4.2 互感式傳感器u分析如圖所示差動整流工作原理，電阻分析如圖所示差動整流工作原理，電阻 用于用于調(diào)整零點殘余電壓。調(diào)整零點殘余電壓。0R4.2 互感式傳感器u從圖從圖4-154-15電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個次級線圈的電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，流經(jīng)電容輸出瞬時電壓極性如何，流經(jīng)電容 的電流方的電流方向總是從向總是從2 2到到4 4，流經(jīng)電容，流經(jīng)電容 的電流方向從的電流方向從6 6到到8 8，故整流電路的輸出電壓為：故整流電路的輸出電壓為：u當銜鐵在零

39、位時，因為當銜鐵在零位時，因為 ，所以，所以 ；當銜鐵在零位以上時，因為當銜鐵在零位以上時，因為 ，則，則 而當銜鐵在零位以下時，則有而當銜鐵在零位以下時，則有 ，則，則 22468UUU1C2C2468UU20U 2468UU20U 2468UU20U 4.2 互感式傳感器2. 2. 相敏檢波電路相敏檢波電路相敏檢波電路原理圖相敏檢波電路原理圖 V VD1D1、V VD2D2、V VD3D3、V VD4D4 為四個性能相同的二極管為四個性能相同的二極管, , 以同一以同一方向串聯(lián)成一個閉合回路方向串聯(lián)成一個閉合回路, , 形成環(huán)形電橋形成環(huán)形電橋。 輸入信號輸入信號u u2 2( (差動變壓

40、器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓差動變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓) )通過變壓器通過變壓器T1T1加到環(huán)形電橋的一個對角線加到環(huán)形電橋的一個對角線。 參考信號參考信號u us s通過變壓器通過變壓器T T2 2加入環(huán)形電橋的另一個對角加入環(huán)形電橋的另一個對角線。線。 輸出信號輸出信號u u0 0從變壓器從變壓器1 1與與2 2的中心抽頭引出。的中心抽頭引出。平衡電阻平衡電阻R R起限流作用起限流作用, , 避免二極管導(dǎo)通時變壓器避免二極管導(dǎo)通時變壓器T2T2的的次級電流過大。次級電流過大。RLRL為負載電阻。為負載電阻。 usus的幅值要遠大于輸入信號的幅值要遠大于輸入信號u2u2的幅值的幅值,

41、, 以便有效控制以便有效控制四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài)四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài), , 且且usus和差動變壓器式傳感器和差動變壓器式傳感器激磁電壓激磁電壓u1u1由同一振蕩器供電，由同一振蕩器供電， 保證二者同頻、同相保證二者同頻、同相（或反相）。（或反相）。4.2 互感式傳感器 正半周時等效電路正半周時等效電路 負半周時等效電路負半周時等效電路圖圖4-16 相敏檢波電路相敏檢波電路4.2 互感式傳感器(a)(a)被測位移變化波形圖被測位移變化波形圖 (b) (b)差動變壓器激勵電壓波形差動變壓器激勵電壓波形 (c) (c)差動變壓器輸出電壓波形差動變壓器輸出電壓波形 (d) (d)相敏檢波解調(diào)電壓波形

42、相敏檢波解調(diào)電壓波形 (e) (e)相敏檢波輸出電壓波形相敏檢波輸出電壓波形(a)(a)(e)(e)(d)(d)(c)(c)(b)(b)圖圖4-17 波形圖波形圖4.2 互感式傳感器u由上圖由上圖(a)(a)、(c)(c)、(d)(d)可知當位移可知當位移x 0 x 0時，時， 同同頻同相；當位移頻同相；當位移x0 x 0 x 0時，時， 與與 為同頻同相，當為同頻同相，當 與與 均為正半均為正半周時，在原理圖中，環(huán)形電橋中二極管周時，在原理圖中，環(huán)形電橋中二極管 截截止，止， 導(dǎo)通，則可得圖導(dǎo)通，則可得圖b b的等效電路。的等效電路。u根據(jù)變壓器的工作原理，考慮到根據(jù)變壓器的工作原理，考慮到

43、O、M分別為變分別為變壓器壓器T T1 1、T T2 2的中心抽頭，則有：的中心抽頭，則有：式中式中 為變壓器為變壓器T T1 1、T T2 2的變比。的變比。s2、uusu2usu2usu2u13DDVV、14DDVV、SS1S222uuun2212212uuun12nn、4.2 互感式傳感器u采用電路分析的基本方法，可求得圖采用電路分析的基本方法，可求得圖b b所示電路所示電路的輸出電壓的輸出電壓 的表達式：的表達式：u同理，當同理，當 與與 均為負半周時，二極管均為負半周時，二極管 截止，截止， 導(dǎo)通。其等效電路如圖導(dǎo)通。其等效電路如圖c c所示，輸所示，輸出電壓出電壓 表達式與上式相同

44、，說明只要位移表達式與上式相同，說明只要位移xx00，不論，不論 與與 是正半周還是負半周，負載是正半周還是負半周，負載R RL L兩端得到的電壓兩端得到的電壓 始終為正。始終為正。L22L2o11LL(2)2R uR uuRn RRRousu2u13DDVV、14DDVV、ou2usuou4.2 互感式傳感器u 當當x0 x0時，時， 與與 為同頻反相。采用上述相同為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當?shù)姆治龇椒ú浑y得到當x0 x0時，不論時，不論 與與 是是正半周還是負半周，負載電阻正半周還是負半周，負載電阻R RL L兩端得到的輸兩端得到的輸出電壓出電壓 表達式總是為表達式總是為u

45、所以上述相敏檢波電路輸出電壓所以上述相敏檢波電路輸出電壓 的變化規(guī)律的變化規(guī)律充分反映了被測位移量的變化規(guī)律，即充分反映了被測位移量的變化規(guī)律，即 的值的值反映位移反映位移xx的大小，而的大小，而 的極性則反映了位移的極性則反映了位移xx的方向。的方向。L2o1L(2)R uun RR 2usuou2uouououou4.2 互感式傳感器4.2.4 4.2.4 差動變壓式傳感器的應(yīng)用差動變壓式傳感器的應(yīng)用 利用差動變壓器式電感傳感器可以測量低速運利用差動變壓器式電感傳感器可以測量低速運動物體的即時速度。該測速裝置的測量電路包動物體的即時速度。該測速裝置的測量電路包括加法器及其所需的交、直流激勵

46、電源，電壓括加法器及其所需的交、直流激勵電源，電壓跟隨器、減法器、濾波器、放大器等電路，如跟隨器、減法器、濾波器、放大器等電路，如下圖所示。下圖所示。 4.2 互感式傳感器圖圖4-18 4-18 差動變壓器測速裝置測量電路差動變壓器測速裝置測量電路4.3 電渦流式傳感器4.4.1 4.4.1 工作原理工作原理 下圖為電渦流式傳感器的原理圖，該圖由下圖為電渦流式傳感器的原理圖，該圖由傳感器線圈和被測導(dǎo)體組成線圈傳感器線圈和被測導(dǎo)體組成線圈導(dǎo)體系統(tǒng)。導(dǎo)體系統(tǒng)。圖圖4-19 4-19 電渦流傳感器原理圖電渦流傳感器原理圖 4.3 電渦流式傳感器u根據(jù)法拉第定律，當傳感器線圈通以正弦交變根據(jù)法拉第定律

47、，當傳感器線圈通以正弦交變電流電流 時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場場 ，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流流 ， 又產(chǎn)生新的交變磁場又產(chǎn)生新的交變磁場 。根據(jù)愣次定律。根據(jù)愣次定律 的作用將反抗原磁場的作用將反抗原磁場 ，導(dǎo)致傳感器線圈的等，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化，此電渦流的閉合流線的圓心效阻抗發(fā)生變化，此電渦流的閉合流線的圓心同線圈在金屬板上的投影的圓心重合。同線圈在金屬板上的投影的圓心重合。1I1H2I2I2H2H1H 由上可知，線圈阻抗的變化完全取決于由上可知，線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電

48、渦流效應(yīng)。而電渦流被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。而電渦流效應(yīng)既與被測體的電阻率效應(yīng)既與被測體的電阻率 , ,相對磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率 , ,以及幾何形狀有關(guān)，又與線圈幾何參數(shù)、以及幾何形狀有關(guān)，又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率線圈中激磁電流頻率 f f有關(guān)，還與線圈與有關(guān)，還與線圈與導(dǎo)體間的距離導(dǎo)體間的距離x x 有關(guān)。有關(guān)。4.3 電渦流式傳感器u傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗 的函的函數(shù)關(guān)系式為：數(shù)關(guān)系式為：式中：式中： 被測體的電阻率；被測體的電阻率； 相對磁導(dǎo)率；相對磁導(dǎo)率； 線圈與被測體的尺寸因子；線圈與被測體的尺寸因子； 線圈激磁電流的頻率；線圈激

49、磁電流的頻率； 線圈與導(dǎo)體間的距離。線圈與導(dǎo)體間的距離。, , , ,ZFr f x Zfxru保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗 Z Z 就僅僅就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗配用的測量電路測出阻抗 Z Z 的變化量，的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。4.3 電渦流式傳感器4.4.2 4.4.2 基本特性基本特性 u電渦流傳感器簡化模型如下圖所示。模型中把電渦流傳感器簡化模型如下圖所示。模型中把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦

50、流等效成一個短在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)，即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)，模型路環(huán)，即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)，模型中渦流滲透深度中渦流滲透深度 由以下公式求得：由以下公式求得：u根據(jù)簡化模型，可畫出如下圖所示等效電路圖。根據(jù)簡化模型，可畫出如下圖所示等效電路圖。圖中圖中 為電渦流短路環(huán)等效電阻，其表達式為：為電渦流短路環(huán)等效電阻，其表達式為：5000hf2ai2lnRrhrh2R4.3 電渦流式傳感器1- 1-傳感器線圈；傳感器線圈；2- 2-短路環(huán)；短路環(huán)；4- 4-被測金屬導(dǎo)體被測金屬導(dǎo)體圖圖4-20 4-20 電渦流傳感器簡化模型電渦流傳感器簡化模型1- 1-傳感器線

51、圈傳感器線圈2- 2-電渦流短路環(huán)電渦流短路環(huán)圖圖4-21 4-21 電渦流傳感器等效電路電渦流傳感器等效電路4.3 電渦流式傳感器u根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：式中：式中： 線圈激磁電流角頻率；線圈激磁電流角頻率； 線圈電阻和電感；線圈電阻和電感； 短路環(huán)等效電感；短路環(huán)等效電感； 短路環(huán)等效電阻；短路環(huán)等效電阻； 互感系數(shù)?；ジ邢禂?shù)。11RL、2L2RM4.3 電渦流式傳感器u解得等效阻抗解得等效阻抗Z Z的表達式為：的表達式為：式中：式中： 線圈受電渦流影響后的等效電阻；線圈受電渦流影響后的等效電阻； 線圈受電渦流影響后的等效電感。線圈受電

52、渦流影響后的等效電感。u線圈的等效品質(zhì)因數(shù)線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q Q值為：值為：u由由Z Z的表達式可知，由于渦流的影響，線圈阻的表達式可知，由于渦流的影響，線圈阻抗的實數(shù)部分增大，虛數(shù)部分減小，因此線圈抗的實數(shù)部分增大，虛數(shù)部分減小，因此線圈Q Q值下降值下降。222211212eqeq222222221()()UMMZRRjLLRj LRLRLIeqReqLeqeqLQR4.3 電渦流式傳感器4.4.3 4.4.3 電渦流形成范圍電渦流形成范圍u電渦流的徑向形成范圍電渦流的徑向形成范圍u 線圈線圈導(dǎo)體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導(dǎo)導(dǎo)體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離體間距離 的函數(shù)

53、，又是沿線圈半徑方向的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向 的函數(shù)。的函數(shù)。1. 1. 當當 一定時，電渦流密度一定時，電渦流密度 與半徑與半徑 的關(guān)系曲線如的關(guān)系曲線如下圖所示。下圖所示。xrxrJ4.3 電渦流式傳感器圖圖4- 4-22 22 電渦流密度電渦流密度J J與半徑與半徑r r的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線4.3 電渦流式傳感器u圖中圖中 為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值。密度最大值。 為半徑為半徑 處的金屬導(dǎo)體表面電渦處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。由圖可知：流密度。由圖可知：電渦流徑向形成的范圍大約在傳感器線圈外徑電渦流徑向形成的范圍大約在傳感器線圈外徑的

54、的1.81.82.5 2.5 倍范圍內(nèi)，且分布不均勻；倍范圍內(nèi)，且分布不均勻；電渦流密度在短路環(huán)半徑電渦流密度在短路環(huán)半徑 處為零；處為零；電渦流的最大值在電渦流的最大值在 附近的一個狹窄區(qū)域附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)；內(nèi)；可以用一個平均半徑為可以用一個平均半徑為 的短的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流路環(huán)來集中表示分散的電渦流( (圖中陰影部分圖中陰影部分) )。0JrJrasr0r asrr()(/2)asasiarrrr4.3 電渦流式傳感器2. 2. 電渦流強度與距離的關(guān)系電渦流強度與距離的關(guān)系u理論分析和實驗都已證明，當理論分析和實驗都已證明，當x x改變時，電渦流密改變時，電渦流密度發(fā)生變化

55、，即電渦流強度隨距離度發(fā)生變化，即電渦流強度隨距離x x的變化而變化。的變化而變化。根據(jù)線圈根據(jù)線圈導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用，可以得到金屬導(dǎo)導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用，可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強度為體表面的電渦流強度為式中：式中： 線圈激勵電流；線圈激勵電流； 金屬導(dǎo)體中等效電流；金屬導(dǎo)體中等效電流； 線圈到金屬導(dǎo)體表面距離；線圈到金屬導(dǎo)體表面距離； 線圈外徑。線圈外徑。u 根據(jù)上式畫出的歸一化曲線如下圖所示。根據(jù)上式畫出的歸一化曲線如下圖所示。211222as1()xIIxr1I2Ixasr4.3 電渦流式傳感器以上分析表明以上分析表明: : 電渦流強度與距離電渦流強度與距離x x呈非線性關(guān)系，且隨著

56、呈非線性關(guān)系，且隨著 的增加而迅速減小。的增加而迅速減小。 當利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在當利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在 ( (一般取一般取 0.050.050.15)0.15)的范圍才能得到較好的線性和的范圍才能得到較好的線性和較高的靈敏度。較高的靈敏度。 圖圖4-234-23 電渦流強度與距離歸一化曲線電渦流強度與距離歸一化曲線/asx r/1asx r 4.3 電渦流式傳感器4. 4. 電渦流的軸向貫穿深度電渦流的軸向貫穿深度u電渦流的貫穿深度是指把電渦流強度減小到表電渦流的貫穿深度是指把電渦流強度減小到表面強度的面強度的1/e1/e處的表面厚度?？捎孟率奖硎荆禾幍谋砻婧?/p>

57、度?？捎孟率奖硎荆菏街校菏街校篸d金屬導(dǎo)體中某一點至表面的距離；金屬導(dǎo)體中某一點至表面的距離； 沿沿H H1 1軸向軸向d d處的電渦流密度；處的電渦流密度； 金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值；金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值；h h 電渦流軸向貫穿深度（趨膚深度）。電渦流軸向貫穿深度（趨膚深度）。u被測體電阻率愈大，相對導(dǎo)磁率愈小，以及傳被測體電阻率愈大，相對導(dǎo)磁率愈小，以及傳感器線圈的激磁電流頻率愈低，則電渦流貫穿感器線圈的激磁電流頻率愈低，則電渦流貫穿深度深度h h愈大。愈大。d/hd0=JJ edJ0J4.3 電渦流式傳感器4.4.4 4.4.4 測量電路測量電路u

58、根據(jù)電渦流式傳感器的工作原理，其測量電路根據(jù)電渦流式傳感器的工作原理，其測量電路有三種：諧振電路、電橋電路與有三種：諧振電路、電橋電路與Q Q值測試電路。值測試電路。u這里主要介紹諧振電路。目前所用的諧振電路這里主要介紹諧振電路。目前所用的諧振電路有三種類型：定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式與調(diào)頻有三種類型：定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式與調(diào)頻式。式。u定頻調(diào)幅電路定頻調(diào)幅電路u圖中圖中L L為傳感器線圈電感，與電容為傳感器線圈電感，與電容C C組成并聯(lián)組成并聯(lián)諧振回路，晶體振蕩器提供高頻激勵信號。諧振回路，晶體振蕩器提供高頻激勵信號。4.3 電渦流式傳感器圖圖4-24 4-24 定頻調(diào)幅電路框圖定頻調(diào)幅電路框

59、圖4.3 電渦流式傳感器u在無被測導(dǎo)體時，在無被測導(dǎo)體時，LCLC并聯(lián)諧振回路調(diào)諧在與晶體并聯(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)，這時回路阻抗最大，振蕩器頻率一致的諧振狀態(tài)，這時回路阻抗最大，回路壓降最大回路壓降最大( (圖圖4-254-25中之中之Uo)Uo)。圖圖4-25 4-25 定頻調(diào)幅諧振曲線定頻調(diào)幅諧振曲線當傳感器接近被測導(dǎo)體時，損耗功率增大，回當傳感器接近被測導(dǎo)體時，損耗功率增大，回路失諧，輸出電壓相應(yīng)變小。這樣，在一定范路失諧，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圍內(nèi)，輸出電壓幅值與間隙( (位移位移) )成近似線性關(guān)成近似線性關(guān)系。由于輸出電壓的

60、頻率系。由于輸出電壓的頻率f f0 0始終恒定，因此稱定始終恒定，因此稱定頻調(diào)幅式。頻調(diào)幅式。 LC LC回路諧振頻率的偏移如圖回路諧振頻率的偏移如圖4-254-25所示。當被測所示。當被測導(dǎo)體為軟磁材料時，由于導(dǎo)體為軟磁材料時，由于L L增大而使諧振頻率下增大而使諧振頻率下降降( (向左偏移向左偏移) )。當被測導(dǎo)體為非軟磁材料時則反。當被測導(dǎo)體為非軟磁材料時則反之（向右偏移）。這種電路采用石英晶體振蕩之（向右偏移）。這種電路采用石英晶體振蕩器，旨在獲得高穩(wěn)定度頻率的高頻激勵信號，器，旨在獲得高穩(wěn)定度頻率的高頻激勵信號，以保證穩(wěn)定的輸出。以保證穩(wěn)定的輸出。 4.3 電渦流式傳感器4.3 電渦