《變磁阻式傳感器》PPT課件.ppt

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1、第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器第 3 章 變 磁 阻 式 傳 感 器 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 特 點(diǎn) ： 工 作 可 靠 、 壽 命 長 靈 敏 度 高 ， 分 辨 力 高 精 度 高 、 線 性 好 性 能 穩(wěn) 定 、 重 復(fù) 性 好 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器按 磁 路 幾 何 參 數(shù) 變 化 形 式 的 不 同按 磁 路 的 結(jié) 構(gòu) 型 式按 組 成 方 式 分 變 氣 隙 式變 面 積 式螺 管 式單 一 式差 動 式型E型分 類 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 傳 感 器 線 圈 的 電 器 參 數(shù) 分 析3.1 自 感 式 傳 感 器3.2 互

2、感 式 傳 感 器3.3 電 渦 流 式 傳 感 器3.4 點(diǎn) 擊 進(jìn) 入 壓 感 式 傳 感 器3.5 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器簡 單 的 自 感 式 傳 感 器組 成 圖 3.1變 氣 隙 式 自 感 傳 感 器上 、 下 移 動 鐵 心 氣 隙 、 磁 路 磁 阻 變 化線 圈 電 感 量 測 量 電 路 轉(zhuǎn)電 量 第 一 節(jié) 傳 感 器 線 圈 的 電 器 參 數(shù) 分 析原 理 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 L-線 圈 電 感 ；Rc-線 圈 銅 耗 電 阻 ;Re-鐵 心 渦 流 損 耗 電 阻 ; Rh-磁 滯 損 耗 電 阻 ；C-線 圈 的 寄 生 電 容簡

3、 單 的 自 感 式 傳 感 器圖 3.1 變 氣 隙 式 自 感 傳 感 器 圖 3.2傳 感 器 線 圈 的 等 效 電 路分 析 鐵 心 線 圈 的 電 氣 參 數(shù) 與它 們 對 線 圈 特 性 的 影 響 ， 對了 解 與 分 析 變 磁 阻 式 傳 感 器以 及 選 擇 傳 感 器 參 數(shù) 有 幫 助 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 mRWL /2 (3-1)式 中 Rm 磁 路 總 磁 阻 。1.線 圈 電 感 L 由 磁 路 基 本 知 識 可 知 ， 匝 數(shù) 為 W的 線 圈 電 感 為 FRWL /2 RWL /2當(dāng) 線 圈 具 有 閉 合 磁 路 時(shí) 式 中 RF

4、導(dǎo) 磁 體 總 磁 阻 。當(dāng) 線 圈 磁 路 具 有 小 氣 隙 時(shí) 式 中 R氣 隙 總 磁 阻 。(3-2)(3-3) 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器引 入 等 效 磁 導(dǎo) 率 概 念 將 線 圈 等 效 成 一 封 閉 鐵 心 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) 式 中 真 空 磁 導(dǎo) 率 ， 4 10-7(H/ )。 (3-4)mRWL /2 (3-1)變 為 lSWRWL em / 022 mRWL /2 mRWL /2 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器2.銅 損 電 阻 Rc 取 決

5、 于 導(dǎo) 線 材 料 及 線 圈 的 幾 何 尺 寸 3.渦 流 損 耗 電 阻 R 由 頻 率 為 的 交 變 電 流 激 勵(lì) 產(chǎn) 生的 交 變 磁 場 ， 會 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 使 渦 流 損 耗 增 加 。4.磁 滯 損 耗 電 阻 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 ，

6、類 似 摩 擦 生 熱 的 能 量 損 耗 。5.并 聯(lián) 寄 生 電 容 C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 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 變 換這 時(shí) Re和 L的 串 聯(lián) 阻 抗 應(yīng) 該 與 Re和 L的 并 聯(lián) 阻 抗 相 等先 不 考 慮 寄 生 電 容 C 2 )/(1 LR RR jLR jLRjLR e ee e ee 2)/( 11 LR LL e (3-5)(3-6)2 )/(1 LRRR jLR jLRjLR e ee e ee Re與 L有 關(guān)比 值 Re/L應(yīng) 盡 量 小

7、 ， 以使 Re1時(shí) ， 1/Q2可 以 忽 略 ， 式 (3-7)可 簡 化 為有 效 值 Q為式 中 總 的 損 耗 電 阻 ec RRR / RLQ 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器由 式 (3-8)、 (3-9)、 (3-10)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 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

8、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 下 ( 10 H )， 上 述 影 響常 可 忽 略 ， 但 對 于 工 作 在 較 高 激 勵(lì) 頻 率 下 的 傳 感器 (如 反 射 式 渦 流 傳 感 器 )， 上 述 影 響 必 需 引 起 充分 重 視 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器第 二 節(jié) 自 感 式 傳 感 器一 .工 作 原 理 與 輸 出 特 性-帶 氣 隙 的 鐵 心 線 圈按 磁 路 幾 何 參 數(shù) 變 化 形 式 的 不 同按 磁 路 的 結(jié) 構(gòu) 型 式按 組 成 方 式 分

9、變 氣 隙 式變 面 積 式螺 管 式單 一 式差 動 式型E型 罐 型 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 SlSlSlR m 0222111 (3-11)式 中 1, 2 鐵 心 和 銜 鐵 的 磁 路 長 度 ( )； S1， S2 鐵 心 和 銜 鐵 的 截 面 積 ( 2)； 1、 2 鐵 心 和 銜 鐵 的 磁 導(dǎo) 率 (H/ )； S、 氣 隙 磁 通 截 面 積 ( 2)和 氣 隙 總 長 ( )。1.變 氣 隙 式 自 感 傳 感 器 磁 路 總 磁 阻 為 忽 略 磁 路 鐵 損認(rèn) 為 氣 隙 磁 場 是 均 勻 的 , 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 )/( 02

10、221112 SlSlSlWL (3-12) 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) ， 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 e的 概 念 ， 由 式 (3-4) )/( 0 SlR em (3-13)lSWRWL em / 022 可 得 將 式 (3-11) 代 入 式 (3-1) ， 可 得 :mRWL /2SlSlSlRm 0222111 第

11、3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 r rrm llSlllSR )1(1)(1 00 (3-14) rrre llll /1/1 (3-15)代 入 式 (3-4) 同 時(shí) ， 由 式 (3-11)所 以 re llKl SWL /102 (3-16)SWK 20式 中 為 一 常 數(shù) SlSlSlRm 0222111 式 中 鐵 心 和 銜 鐵 的 相 對 磁 導(dǎo) 率 ， 通 常 r1。lSWRWL em / 022 得 帶 氣 隙 鐵 心 線 圈 的 電 感 為 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 rllLdldLK /1 (3-17)由 上 式 可 知 ， 變 氣 隙 式 傳 感 器

12、的 輸 出 特 性 是 非 線 性 的 ，式 中 負(fù) 號 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 量 范 圍 與 線 性 度 ， 對 變 氣 隙 式 傳 感 器 ，常 取 /2 0.1 0.5 ， (1/51/10) 。得 靈 敏 度 為對 式 (3-16) re llKl SWL /102 微 分 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 SKSll WL r / 02 (3-18)式 中 rll WK / 02 KdSdLKS (3-19) 若 圖 3.1所 示

13、傳 感 器 的 氣 隙 長 度 保 持 不 變 ， 令 磁 通截 面 積 隨 被 測 非 電 量 而 變 (銜 鐵 水 平 方 向 移 動 )， 即 構(gòu)成 變 面 積 式 自 感 傳 感 器 。 此 時(shí) 由 式 (3-16)2.變 面 積 式 自 感 傳 感 器 靈 敏 度 較 低 。 欲 提 高 靈 敏 度 ， 需 減 小 ， 但 同 樣 受 到 工 藝和 結(jié) 構(gòu) 的 限 制 。 忽 略 氣 隙 磁 通邊 緣 效 應(yīng) 的 條件 下 ， 輸 出 特性 呈 線 性 值 的 選 取 與 變 氣 隙 式 相 同 。對 式 (3-18)微 分 得 靈 敏 度 為 為 一 常 數(shù) 。 第 3章 變 磁

14、阻 式 傳 感 器3.螺 管 式 自 感 傳 感 器 圖 3.4 螺 管 式 自 感 傳 感 器 原 理 圖平 均 半 徑 為 r的 螺 管 線 圈 、 銜 鐵 和 磁 性 套 筒 等 。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 。組 成原 理 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器4.差 動 式 自 感 傳 感 器 絕 大 多 數(shù) 自 感 式 傳 感 器 都 運(yùn) 用 與 電 阻 差 動 式 類 似 的 技 術(shù) 來 改善 性 能 ： 由 兩 單 一 式 結(jié) 構(gòu) 對 稱 組 合 ， 構(gòu) 成

15、差 動 式 自 感 傳 感 器 。 圖 3.5 差 動 式 自 感 傳 感 器 的 輸 出 特 性曲 線 1、 2為 L1、 L2 的 特 性 ， 3為 差 動 特 性 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 在 變 隙 式 差 動 電 感傳 感 器 中 ， 當(dāng) 銜 鐵 隨 被測 量 移 動 而 偏 離 中 間 位置 時(shí) ， 兩 個(gè) 線 圈 的 電 感量 一 個(gè) 增 加 ， 一 個(gè) 減 小 ，形 成 差 動 形 式 。 1-差 動 線 圈 2-鐵 心 3-銜 鐵 4-測 桿 5-工 件 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 ( )一 般 形 式 ； ( )變 壓 器 電 橋二 .測 量 電 路1

16、.電 橋 電 路 圖 3.6輸 出 端 對 稱 電 橋電 感 式 傳 感 器 的 測 量 電 路 有 交 流 電 橋 式 、 變 壓 器 式 交 流電 橋 以 及 諧 振 式 等 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 RRR 21ZZZ 1 ZZZ 2ELjr LELjr LjrEZZEU o 0000 222 (3-20) (1)輸 出 端 對 稱 電 橋 圖 中 Z1、 Z2為 傳 感 器 兩 線 圈 阻 抗 ， R1、 R2為 外 接 電 阻 ， 通 常設(shè) 工 作 時(shí)電 源 電 勢 為 E，于 是 輸 出 電 壓 幅 值 和 阻 抗 分 別 為 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器

17、ELr LELr rLU 20202020 2220 )(2)(2 (3-21)2/)()( 2020 LrRZ (3-22)式 (3-20)經(jīng) 變 換 和 整 理 后 可 寫 成 00222020 111 12 rrLLQQjLLQQrrQEU (3-23) 式 中 Q 電 感 線 圈 的 品 質(zhì) 因 數(shù) ， 。 00 /L rQ 0U 包 含 著 與 電 源 同 相 和 正 交 的 兩 個(gè) 分 量 ；實(shí) 際 使 用 時(shí) ， 希 望 只 存 在 同 相 分 量 。 00 / rrLL LLEU 20通 常 由 于因 此 要 求 線 圈 有 較 高 的 Q值 (3-24) 第 3章 變 磁 阻

18、 式 傳 感 器 以 變 壓 器 兩 個(gè) 次 級 作 為 電 橋 平 衡 臂 。 顯然 ， 其 輸 出 特 性 同 (a)。 由 于 變 壓 器 次級 的 阻 抗 通 常 遠(yuǎn) 小 于 電 感 線 圈 的 阻 抗 ，常 可 忽 略 ， 于 是 輸 出 阻 抗 式 (3-22)變 為變 壓 器 電 橋 圖 (b) 2/ 22020 LrZ (3-25)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 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器設(shè) 工 作 時(shí) ZZZZZZ 21 , 200220 2)(

19、 2 jLrR LjrREZRZ ZREU (3-26)輸 出 電 壓 幅 值 和 阻 抗 分 別 為 (3-27)(2)電 源 端 對 稱 電 橋 電 橋 輸 出 電 壓 為則 有 (3-28) ELRr LRjLrR LrERU 20202020 220 22 ELr LELr rLU 20202020 2220 )(2)(2 2020 20200 2 jLrR LrRU 2/)()( 2020 LrRZ ZZRZ ZZREZZZZREU 21 12210 11 ZZRZ ZZREZZZZREU 21 12210 11 ZZRZ ZZREZZZZREU 21 12210 11 ZRZ ZR

20、EZZREU 21 12210 11 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器2.諧 振 電 路圖 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 ， 工 作 點(diǎn) 就在 同 一 頻 率 的 縱 坐 標(biāo) 直 線 上 移 動 (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

21、， 但 非 線 性 嚴(yán) 重 ， 常 與 單 線 圈 自 感 式 傳 感 器 配 合 ， 用 于 測 量 范 圍 小 或 線 性 度 要 求不 高 的 場 合 。 圖 3.8( )諧 振 電 路 ( )諧 振 曲 線 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器圖 3.9 大 位 移 自 感 式 傳 感 器 工 作 原 理 ( )電 原 理 圖 ； ( )輸 出 特 性傳 感 器 線 圈 用 恒 流 源 激 勵(lì) ， 1是 銜 鐵 在 螺 管 線 圈 內(nèi) 移 動 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 ， 0 1-

22、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/d a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.恒 流 源 電 路 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器4.調(diào) 頻 電 路 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 )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

23、 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 3.10。由 于 輸 出 為 頻 率 信 號 ， 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 使 用 。 圖 3.10電 感 調(diào) 頻 式 位 移 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 圖 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器5.相 敏 檢 波 電 路 -常 用 的 判 別 電 路( )帶相敏檢波的交流電橋 Z1、 Z2為 傳 感 器 兩 線 圈

24、的 阻 抗 ，Z3 Z4構(gòu) 成 另 兩 個(gè) 橋 臂 ，U為 供 橋 電 壓 ，U0為 輸 出 。當(dāng) 銜 鐵 處 于 中 間 位 置 時(shí) ， Z1 Z2 Z， 電 橋 平 衡 ， U 0 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器5.相 敏 檢 波 電 路 -常 用 的 判 別 電 路( )帶相敏檢波的交流電橋 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)

25、 電 位高 于 C點(diǎn) ， 輸 出 信 號 為 正供 橋 電 壓 為 負(fù) 半 周 ， 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 仍 為 正 。 同 理 可 以 證 明 ， 銜 鐵 下 移 時(shí) 輸 出 信 號 總 為 負(fù) 。于 是 ， 輸 出 信 號 的 正 負(fù) 代 表 了 銜 鐵 位 移 的 方 向 。若

26、 銜 鐵 上 移 ， Z1增 大 ， Z2減 小 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器( )實(shí) 用 電 路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 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 由 電 壓 表 V指 示 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 圖 3.12 階 梯 形 線 圈 三 .自 感 式 傳 感 器 的

27、 誤 差1.輸 出 特 性 的 非 線 性各 種 自 感 式 傳 感 器 ， 都 在 原 理 上 或 實(shí) 際 上 存 在 非 線 性 誤 差 。 測 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 結(jié) 構(gòu) 和限 制 測 量 范 圍 。 對 于 螺 管 式 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 和 線 圈骨 架 的 加 工 精 度 、 導(dǎo) 磁 體 材 料 與 線 圈繞 制 的 均 勻 性 ， 對 于 差 動 式 則

28、 應(yīng) 保 證其 對 稱 性 ， 合 理 選 擇 銜 鐵 長 度 和 線 圈匝 數(shù) 。 另 一 種 有 效 的 方 法 是 采 用 階 梯形 線 圈 ， 如 圖 3.12所 示 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器2.零 位 誤 差差 動 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 3.13(a)所 示 。 圖 3.13 零 位 誤 差 ( )零 位 電 壓 ； ( )相 應(yīng) 波 形 第 3章 變 磁 阻

29、式 傳 感 器1、 使 傳 感 器 輸 出 特 性 在 零 點(diǎn) 附 近 的 范 圍 內(nèi) 不 靈 敏 (靈 敏 度 下降 )， 限 制 著 分 辨 力 的 提 高 。 3、 若 傳 感 器 輸 出 作 為 伺 服 系 統(tǒng) 的 控 制 信 號 ， 零 位 電 壓 還會 使 伺 服 電 機(jī) 發(fā) 熱 ， 甚 至 產(chǎn) 生 零 位 誤 動 作 。 2、 過 大 的 零 位 電 壓 會 使 放 大 器 提 前 飽 和 ， 堵 塞 有 用 信 號 通過 ， 致 使 儀 器 不 再 反 映 被 測 量 的 變 化 。 零 點(diǎn) 殘 余 電 壓 危 害 ： 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器（ 1） 由 于 兩

30、個(gè) 二 次 測 量 線 圈 的 等 效 參 數(shù) 不對 稱 ， 使 其 輸 出 的 基 波 感 應(yīng) 電 動 勢 的 幅 值和 相 位 不 同 ， 調(diào) 整 磁 芯 位 置 時(shí) ， 也 不 能 達(dá)到 幅 值 和 相 位 同 時(shí) 相 同 。 （ 2） 由 于 鐵 芯 的 B-H特 性 的 非 線 性 ， 產(chǎn) 生高 次 諧 波 不 同 ， 不 能 互 相 抵 消 。 （ 3） 勵(lì) 磁 電 壓 波 形 中 含 有 高 次 諧 波 。 產(chǎn) 生 零 點(diǎn) 殘 余 電 壓 的 原 因 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器一 種 常 用 的 方 法 是 采 用 補(bǔ) 償 電 路 ， 其 原 理 為 ：(1)串 聯(lián) 電

31、 阻 消 除 基 波 零 位 電 壓 ；(2)并 聯(lián) 電 阻 消 除 高 次 諧 波 零 位 電 壓 ；(3)加 并 聯(lián) 電 容 消 除 基 波 正 交 分 量 或 高 次 諧 波 分 量 。 圖 3.14零 位 電 壓 補(bǔ) 償 電 路 ( )典 型 接 法 ； ( )實(shí) 際 電 路 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器3.溫 度 誤 差 環(huán) 境 溫 度 的 變 化 會 引 起 自 感 傳 感 器 的 零 點(diǎn) 溫 度 漂 移 、 靈 敏 度 、線 性 度 和 相 位 的 變 化 ， 造 成 溫 度 誤 差 。環(huán) 境 溫 度 對 自 感 傳 感 器 的 影 響 主 要 通 過 ：(1)材 料 的

32、 線 膨 脹 系 數(shù) 引 起 零 件 尺 寸 的 變 化 ；(2)材 料 的 電 阻 率 溫 度 系 數(shù) 引 起 線 圈 銅 阻 的 變 化 ；(3)磁 性 材 料 磁 導(dǎo) 率 溫 度 系 數(shù) 、 繞 組 絕 緣 材 料 的 介 質(zhì) 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 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器變 磁 阻 式 傳 感 器 的 應(yīng) 用 變 隙 電 感 式 壓 力 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 圖 當(dāng) 壓 力 進(jìn) 入 膜 盒 時(shí) ， 膜 盒 的 頂 端 在 壓 力 P的 作 用 下 產(chǎn) 生 與 壓 力 P大 小

33、 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 圈 的 電 流 也 發(fā) 生 相 應(yīng) 的 變 化 ， 電 流 表A的 指 示 值 就 反 映 了 被 測 壓 力 的 大 小 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 當(dāng) 被 測 壓 力 進(jìn) 入 C形 彈 簧 管 時(shí) ， C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 成 一 體 的 銜 鐵 運(yùn) 動 ， 使 線 圈 1和 線 圈 2中 的 電 感 發(fā) 生 大 小 相 等 、 符 號 相 反 的 變 化 。 即 一 個(gè) 電 感

34、 量增 大 ， 另 一 個(gè) 電 感 量 減 小 。 電 感 的 這 種 變 化 通 過電 橋 電 路 轉(zhuǎn) 換 成 電 壓 輸 出 。 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 被 測 壓 力 的 大 小 。 變 隙 式 差 動 電 感 壓 力 傳 感 器 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器第 三 節(jié) 互 感 式 傳 感 器互 感 式 傳 感 器 是 一 種 線 圈 互 感 隨 銜 鐵 位 移 變 化 的 變 磁 阻 式 傳 感 器 。傳 感 器 是 根 據(jù) 變 壓 器 的 基 本

35、 原 理 制 成 的 ， 與 自 感 式 傳 感 器 統(tǒng) 稱 為 電 感 式 傳 感 器 。在 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 1 100mm機(jī) 械 位 移 ， 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(diǎn) 。 閉 合 磁 路開 磁 路 初 、 次 級 間 的 互 感 為 常 數(shù)初 、 次 級 間 的 互 感 隨 銜 鐵 移 動 而 變且 兩 個(gè) 次 級 繞 組 按 差 動 方 式 工 作又 稱 為 差 動 變 壓 器互 感 式 傳 感 器 變 壓 器 第 3

36、章 變 磁 阻 式 傳 感 器兩 個(gè) 初 級 繞 組 的 同 名 端 順 向 串 聯(lián) ， 兩 個(gè) 次 級 繞 組的 同 名 端 則 反 相 串 聯(lián) 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器一 .工 作 原 理 與 類 型在 忽 略 線 圈 寄 生 電 容 與 鐵 心 損 耗 的 情 況 下 ， 差 動 變 壓 器 的 等 效 電 路 如 圖 3-15所 示 。U， I初 級 線 圈 激 勵(lì) 電 壓 與 電 流 (頻 率 為 )； L1， R1初 級 線 圈 電 感 與 電 阻 ； M1， M2初 級 與 次 級 線 圈 1， 2間 的 互 感 ； L 21， L22和 R21， R22分 別

37、為 兩 個(gè) 次 級 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 線 圈 感 應(yīng) 電 勢 之 差 ： IMMjEEU o 212221 (3-29) 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 MLjR UjIMMjU 11210 2 銜 鐵 在 中 間 位 置 時(shí) 若 兩 次 級 線 圈 參 數(shù) 與 磁 路 尺 寸 相 等 ，則 M1 M2 M， U0 0。銜 鐵 偏 離 中 間 位 置 時(shí) M1M2由 于 差 動 工 作 ， 有 M1 M+M1， M2 M-M2。在 一 定 范 圍 內(nèi) ， M1 M2 M，差 值 (M1-M2

38、)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 (3-30) 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 22212221 LjLjRRZ (2-32) MMELR MUU SO 22 21210 (3-31) 2121/ LRMUESO 式 中 ESO銜 鐵 在 中 間 位 置 時(shí) ， 單 個(gè) 次 級 線 圈 的 感 應(yīng) 電 勢 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 圖 3.16 變 氣 隙 式差 動 變 壓 器 變 氣 隙 式變 面 積 式螺 管 IMMjEEU o 212221 由 式 (3-29)可 知 ，

39、差 動 變 壓 器 的 輸 出 特 性 與 初 級 線 圈 對 兩 個(gè) 次 級 線 圈 的 互 感 之 差 有 關(guān) 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 0210 WWUU (3-33)結(jié) 構(gòu) 型 式 不 同 ， 互 感 的 計(jì) 算 方 法 也 不 同 。 型 差 動 變 壓 器 的 輸 出 特 性 為式 中 為 初 始 氣 隙 ； W1為 初 級 線 圈 匝 數(shù) ； W2為 次 級 線 圈 匝數(shù) ； 為 銜 鐵 上 移 量上 式 表 明 ， 輸 出 電 壓 U 0與 銜 鐵 位 移 成 比 例 ，負(fù) 號 表 明 向 上 為 正 時(shí) ， 輸 出 電 壓 U0與 電 源 電 壓 U反 相 ； 向

40、 下 為 負(fù) 時(shí) ， 兩 者 同 相 。輸 出 特 性 曲 線 如 圖 3.17所 示 。推 導(dǎo) 過 程 略 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器圖 3.17 差 動 變 壓 器 的 特 性 ( )輸 出 特 性 ； ( )相 位 特 性 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 由 式 (3-33) 1200 WWUUK (3-34) 靈 敏 度 隨 電 源 電 壓 U和 變 壓 比 W2： W1的 增 大 而 提 高 ， 隨初 始 氣 隙 增 大 而 降 低 。 傳 感 器 的 增 加 次 級 匝 數(shù) W2與 增 大 激 勵(lì) 電 壓 U將 提 高 靈 敏 度 。但 W2過 大 ， 會 使 傳

41、感 器 體 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 0.5 8V， 并 使 功 率 限 制 在 1VA以 下 。分 析 結(jié) 論 ： 0210 WWUU可 得 形 差 動 變 壓 器 的 靈 敏 度 表 達(dá) 式 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 UR MjU 10 2 (3-35)當(dāng) 激 勵(lì) 頻 率 過 低 時(shí) ， L1R1時(shí) ， 式 (3-30)變 為 UL MU 10 2 (3-36)此 時(shí) ， 靈 敏 度 與 頻 率 無 關(guān) ， 為 一 常 數(shù) 。繼 續(xù) 增 加 超

42、 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) 和 鐵 損 等 影 響 而 使 靈 敏 度 下 降 (見 圖 3.18)。變 成 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器通 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 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 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 問 題 ： （ 1） 差 動 變

43、壓 器 的 輸 出 是 交 流 電 壓 (用 交 流 電 壓 表測 量 ， 只 能 反 映 銜 鐵 位 移 的 大 小 ， 不 能 反 映 移 動 的 方 向 );（ 2） 測 量 值 中 將 包 含 零 點(diǎn) 殘 余 電 壓 。 為 了 達(dá) 到 能 辨 別 移 動 方 向 和 消 除 零 點(diǎn) 殘 余 電 壓 的 目 的 ，實(shí) 際 測 量 時(shí) ， 常 常 采 用 差 動 整 流 電 路 和 相 敏 檢 波 電 路 。 (1) 差 動 整 流 電 路 這 種 電 路 是 把 差 動 變 壓 器 的 兩 個(gè) 次 級 輸 出 電 壓 分 別 整 流 ， 然 后 將 整 流 的 電 壓 或 電 流 的

44、差 值 作 為 輸 出 。二 .測 量 電 路 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 (2) 相 敏 檢 波 電 路 輸 入 信 號 u2(差 動 變 壓 器 式 傳 感 器 輸 出 的 調(diào) 幅 波 電 壓 )通過 變 壓 器 T1加 到 環(huán) 形 電 橋 的 一 個(gè) 對 角 線 上 。 參 考 信 號 us通 過變 壓 器 T2加 到 環(huán) 形 電 橋 的 另 一 個(gè) 對 角 線 上 。 輸 出 信 號 uo從 變壓 器 T1與 T2的 中 心 抽 頭 引 出 。 平 衡 電 阻 R起 限 流 作 用 ， 以 避 免 二 極 管 導(dǎo) 通 時(shí) 變 壓 器 T2

45、的 次 級 電 流 過 大 。 R L為 負(fù) 載 電 阻 。 us的 幅 值 要 遠(yuǎn) 大 于 輸 入 信號 u2的 幅 值 ， 以 便 有 效 控 制 四 個(gè) 二 極 管 的 導(dǎo) 通 狀 態(tài) ， 且 us和差 動 變 壓 器 式 傳 感 器 激 磁 電 壓 u1由 同 一 振 蕩 器 供 電 ， 保 證 二者 同 頻 同 相 （ 或 反 相 ） 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 根 據(jù) 變 壓 器 的 工 作 原 理 ， 考 慮 到 O、 M分 別 為 變 壓 器 T1、 T2的 中 心 抽 頭 ， 則 采 用 電 路 分 析 的 基 本 方 法

46、200201 2nuuu 1 2 12 yuu u n 22f fui R R 21( 2 )fy f f fR uu i R n R R 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 當(dāng) u0與 uy均 為 負(fù) 半 周 時(shí) ： 二 極 管 VD2、 VD3截 止 ， VD1、VD4導(dǎo) 通 。 輸 出 電 壓 uo表 達(dá) 式 相 同 。 說 明 只 要 位 移 x0， 不論 u0與 uy是 正 半 周 還 是 負(fù) 半 周 ， 負(fù) 載 電 阻 RL兩 端 得 到 的 電壓 始 終 為 正 。 當(dāng) x0時(shí) ： u0與 uy為 同 頻 反 相 。不 論 u 0與 uy是 正 半 周 還 是 負(fù) 半 周 ，

47、負(fù) 載 電 阻 RL兩 端 得 到 的輸 出 電 壓 表 達(dá) 式 總 是 為 21( 2 )fy f f fR uu i R n R R 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 22210 EEU 圖 3.21 二 次 線 圈 反 串 電 路 一 般 采 用 反 串 電 路 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 3.21） 。這 種 情 況 下 空 載 輸 出 電 壓 等 于 二 次 側(cè) 線 圈 感 應(yīng) 電 動 勢 之 差 ，即 ： 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器2 )( 2221 222

48、1 222210 EE ERR REEU (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 。 圖 3.22 差 動 變 壓 器 使 用 橋 路橋 路 如 圖 3.22： 其 中 R1， R2是 橋 臂 電 阻 ， Rw是 調(diào) 零 電 位 器 。設(shè) R1 R2， 則 輸 出 電 壓 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 t RLRL RRUU 1111 1100 /1 004.0/1 / (3-38) 由 上 式 可 知 ， 低 頻 激 勵(lì) 時(shí) 線 圈 的 品 質(zhì) 因 數(shù)

49、(Q L/R)低 ， 溫度 誤 差 大 。 為 此 應(yīng) 提 高 初 級 線 圈 的 品 質(zhì) 因 數(shù) 。三 .互 感 式 傳 感 器 的 誤 差不 同 ： 差 動 變 壓 器 多 了 一 個(gè) 初 級 線 圈 。 當(dāng) 溫 度 變 化 時(shí) ， 初 級 線 圈的 參 數(shù) 尤 其 銅 阻 的 變 化 影 響 較 大 。 設(shè) 溫 度 變 化 ( )， 初 級 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 級輸 出 電 壓 的 相 對 變 化 為自 感 式 傳 感 器 的 誤 差 分 析 均 適 用 于 差 動 變 壓 器 。 第 3章 變 磁

50、阻 式 傳 感 器 在 初 級 串 入 一 高 阻 值 降 壓 電 阻 R， 或 同 時(shí) 串 入 熱 敏 電 阻 R T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 3.23 溫 度 補(bǔ) 償 電 路為 減 小 溫 度 誤 差 ， 可采 取 穩(wěn) 定 激 勵(lì) 電 流 的方 法 ， 如 圖 3.23 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器電 感 式 傳 感 器 主 要 用 于 測 量 位 移 與 尺 寸 ， 也 可 測 量能 轉(zhuǎn) 換 成 位 移 變 化 的 其 他 參 數(shù) ， 如 力 、

51、張 力 、 壓力 、 壓 差 、 振 動 、 應(yīng) 變 、 轉(zhuǎn) 矩 、 流 量 、 比 重 等 。 位 移 與 尺 寸 測 量 壓 力 測 量 力 和 力 矩 測 量 振 動 測 量四 .電 感 式 傳 感 器 的 應(yīng) 用 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器微 壓 力 傳 感 器 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 圖 4.22 差 動 變 壓 器 式 加 速 度 傳 感 器 原 理 圖 11 B 2A x(t) 1懸臂梁；2差動變壓器 差 動 變 壓 器 式 加 速 度 傳 感 器 :由 懸 臂 梁 和 差 動 變 壓 器 構(gòu) 成 。 測 量 時(shí) ， 將懸 臂 梁 底 座 及 差 動 變

52、壓 器 的 線 圈 骨 架 固 定 ， 而 將 銜 鐵 的 A端 與 被 測 振 動體 相 連 ， 此 時(shí) 傳 感 器 作 為 加 速 度 測 量 中 的 慣 性 元 件 ， 它 的 位 移 與 被 測 加速 度 成 正 比 ， 使 加 速 度 測 量 轉(zhuǎn) 變 為 位 移 的 測 量 。 當(dāng) 被 測 體 帶 動 銜 鐵 以x(t)振 動 時(shí) ， 導(dǎo) 致 差 動 變 壓 器 的 輸 出 電 壓 也 按 相 同 規(guī) 律 變 化 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器位 移 、 振 動 、 厚 度 、 轉(zhuǎn) 速 、 溫 度 、 硬 度 等 參 數(shù) ， 以及 用 于 無 損 探 傷 領(lǐng) 域 。第 四

53、節(jié) 電 渦 流 式 傳 感 器電 渦 流 式 傳 感 器 是 利 用 電 渦 流 效 應(yīng) 進(jìn) 行 工 作 的 。特 點(diǎn) ： 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 量 ， 適 用 范 圍 廣 ， 它 一 問世 就 受 到 各 國 的 重 視 。測 量 參 數(shù) ： 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器當(dāng) 高 頻 （ 500kHz左 右 ） 信 號 源 產(chǎn) 生 的 高 頻 電 壓 施 加 到 一 個(gè) 靠 近 金 屬 導(dǎo)體 附 近 的 電 感 線 圈 L1時(shí) ， 將 產(chǎn) 生 高 頻 磁 場 H1。 如

54、被 測 導(dǎo) 體 置 于 該 交 變 磁場 范 圍 之 內(nèi) 時(shí) ， 被 測 導(dǎo) 體 就 產(chǎn) 生 電 渦 流 i2。 i2在 金 屬 導(dǎo) 體 的 縱 深 方 向 并 不是 均 勻 分 布 的 ， 而 只 集 中 在 金 屬 導(dǎo) 體 的 表 面 ， 這 稱 為 集 膚 效 應(yīng) （ 也 稱 趨膚 效 應(yīng) ） 。 集 膚 效 應(yīng) 與 激 勵(lì) 源 頻 率 f、 工 件 的 電 導(dǎo) 率 s、 磁 導(dǎo) 率 等 有 關(guān) 。 頻率 f越 高 ， 電 渦 流 的 滲 透 的 深 度 就 越 淺 ， 集 膚 效 應(yīng) 越 嚴(yán) 重 。 由 于 存 在 集 膚 效 應(yīng) ， 電 渦 流 只 能檢 測 導(dǎo) 體 表 面 的 各

55、種 物 理 參 數(shù) ，如 線 圈 與 導(dǎo) 體 表 面 的 距 離 。 導(dǎo) 體表 面 的 裂 紋 、 或 者 用 來 檢 測 與 材料 磁 導(dǎo) 率 有 關(guān) 的 材 料 型 號 、 表 面硬 度 等 參 數(shù) 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器圖 3.25 電 渦 流 式 傳 感 器 的 基 本 原 理一 .工 作 原 理 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器如 圖 3.25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H1。 若 被 測 導(dǎo) 體 置 于 該 磁 場 范 圍 內(nèi) ， 導(dǎo) 體

56、 內(nèi) 便 產(chǎn)生 電 渦 流 ， 也 將 產(chǎn) 生 一 個(gè) 新 磁 場 H2， H2與 H1方 向 相反 ， 力 圖 削 弱 原 磁 場 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 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 量 該 參 數(shù) 的 傳 感 器 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳

57、感 器圖 3.26 等 效 電 路 為 分 析 方 便 ， 我 們 將 被 測 導(dǎo) 體 上 形 成 的 電 渦 流 等 效 為一 個(gè) 短 路 環(huán) 中 的 電 流 。 這 樣 ， 線 圈 與 被 測 導(dǎo) 體 便 等 效為 相 互 耦 合 的 兩 個(gè) 線 圈 ， 如 圖 3.26所 示 。 設(shè) 線 圈 的 電阻 為 R1， 電 感 為 L1， 阻 抗 為 Z1=R1+j L1； 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) 為 M。 第 3章 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

58、 圈 兩 端 的激 勵(lì) 電 壓 為 :根 據(jù) 基 爾 霍 夫 定 律 ， 可 列 出 電 壓 平 衡方 程 組 022221 121111 ILjIRIMj UIMjILjIR 解 之 得 2222 1212222 12 22222 22122222 221 11 )()( )()( LR IMRjILMLR IMjI LLR MLjRLR MR UI 第 3章 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 為 2 222 22212222 2221 )()( LR MLLjLR MRRZ (3-39)線 圈 的 等 效 電 感

59、 為 2222 2221 )( LR MLLL (3-40) 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器由 式 (3-39) (3-41)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

60、 在 該 范 圍 內(nèi) 通 過 測 量 Z、 L或 Q的 變 化 就 可 以 線性 地 獲 得 位 移 的 變 化 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器4.3.3 電 渦 流 傳 感 器 測 量 電 路 主 要 有 調(diào) 頻 式 、 調(diào) 幅 式 電 路 兩 種 。 1. 調(diào) 頻 式 電 路 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 傳 感 器 線 圈 接 入 LC振 蕩 回 路 ， 當(dāng) 傳 感 器 與 被 測 導(dǎo) 體 距 離 x改變 時(shí) ， 在 渦 流 影 響 下 ， 傳 感 器 的 電 感 變 化 ， 將 導(dǎo) 致 振 蕩 頻 率 的變 化 ， 該 變 化 的 頻 率 是 距 離 x的 函 數(shù) ，

61、 即 f=L(x), 該 頻 率 可 由 數(shù) 字頻 率 計(jì) 直 接 測 量 ， 或 者 通 過 f-V變 換 ， 用 數(shù) 字 電 壓 表 測 量 對 應(yīng) 的電 壓 。 振 蕩 器 的 頻 率 為 CxLf )(2 1為 了 避 免 輸 出 電 纜 的 分 布 電 容 的 影 響 ， 通 常 將 L、 C裝 在 傳 感 器內(nèi) 。 此 時(shí) 電 纜 分 布 電 容 并 聯(lián) 在 大 電 容 C 2、 C3上 ， 因 而 對 振 蕩 頻率 f的 影 響 將 大 大 減 小 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 2. 調(diào) 幅 式 電 路 由 傳 感 器 線 圈 L、 電 容 器 C和 石 英 晶 體

62、組 成 。 石 英 晶體 振 蕩 器 起 恒 流 源 的 作 用 ， 給 諧 振 回 路 提 供 一 個(gè) 頻 率 （ f0）穩(wěn) 定 的 激 勵(lì) 電 流 io， LC回 路 輸 出 電 壓 式 中 , Z為 LC回 路 的 阻 抗 。 21| 1 jwLZ jwL jwC w LC 0 21o o jwLU i Z i w LC 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 當(dāng) 金 屬 導(dǎo) 體 遠(yuǎn) 離 或 去 掉 時(shí) ， LC并 聯(lián) 諧 振 回 路 諧 振 頻 率 即 為 石 英振 蕩 頻 率 fo， 回 路 呈 現(xiàn) 的 阻 抗 最 大 ， 諧 振 回 路 上 的 輸 出 電 壓 也 最 大 ；當(dāng) 金

63、屬 導(dǎo) 體 靠 近 傳 感 器 線 圈 時(shí) ， 線 圈 的 等 效 電 感 L發(fā) 生 變 化 ， 導(dǎo) 致 回路 失 諧 ， 從 而 使 輸 出 電 壓 降 低 ， L的 數(shù) 值 隨 距 離 x的 變 化 而 變 化 。 因此 ， 輸 出 電 壓 也 隨 x而 變 化 。 輸 出 電 壓 經(jīng) 放 大 、 檢 波 后 ， 由 指 示 儀表 直 接 顯 示 出 x的 大 小 。 除 此 之 外 ， 交 流 電 橋 也 是 常 用 的 測 量 電 路 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器三 .電 渦 流 式 傳 感 器 的 應(yīng) 用 1.測 位 移 電 渦 流 式 傳 感 器 的 主 要 用 途 之

64、 一 是 可 用 來 測 量 金屬 件 的 靜 態(tài) 或 動 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 0.05 m(量 程 0 15 m)。 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 量 ，如 機(jī) 器 轉(zhuǎn) 軸 的 軸 向 竄 動 、 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 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器 測 量電 路 功 率放 大 報(bào) 警 器繼電器 電動泵用

65、電 渦 流 式 傳 感 器 構(gòu) 成 的 液 位 監(jiān) 控 系 統(tǒng)案 例浮子 渦 流 板電 渦 流 式傳 感 器 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器圖 3.30 液 位 監(jiān) 控 系 統(tǒng)圖 3.30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 渦 流 板 1上 下 位 移 ， 由電 渦 流 式 傳 感 器 2發(fā) 出 信 號 控 制 電 動 泵 的 開 啟 而 使 液位 保 持 一 定 。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器2.測 厚 度 圖 3.31 測 金 屬 板 厚 度 示 意 圖 第 3章 變 磁 阻 式

66、 傳 感 器 除 前 已 介 紹 的 低 頻 透 射 式 電 渦 流 傳 感 器 外 ， 高 頻反 射 式 電 渦 流 傳 感 器 也 可 用 于 厚 度 測 量 。 后 者 測板 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 。圖 3.31所 示 為 此 應(yīng) 用 一 例 。 為 克 服 金 屬 板 移 動 過程 中 上 下 波 動 及 帶 材 不 夠 平 整 的 影 響 ， 常 在 板 材上 下 兩 側(cè) 對 稱 放 置 兩 個(gè) 特 性 相 同 的 傳 感 器 L 1與 L2。 第 3章 變 磁 阻 式 傳 感 器由 圖 可 知 ， 板 厚 d D （ x+x2） 。 工 作 時(shí) ， 兩 個(gè)傳 感 器 分 別 測 得 x和 x2。 板 厚 不 變 時(shí) ， (x+x2)為 常值 ； 板 厚 改 變 時(shí) ， 代 表 板 厚 偏 差 的 (x+x2)所 反 映的 輸 出 電 壓 發(fā) 生 變 化 。 測