傳感器原理PPT電子課件教案第6章 變磁阻式傳感器

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1、6.1 電感式傳感器電感式傳感器6.2 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器6.3 電渦流傳感器電渦流傳感器6.4 電感傳感器和差動變壓器工程設計電感傳感器和差動變壓器工程設計上一頁下一頁返 回第六章第六章 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器2022-1-2021 1、何為電磁感應、何為電磁感應線圈自身電流發(fā)生變化時，線圈會產生感應電動勢的現(xiàn)象。線圈自身電流發(fā)生變化時，線圈會產生感應電動勢的現(xiàn)象。產生感應電壓或感應電流的現(xiàn)象。放在變化磁通量中的產生感應電壓或感應電流的現(xiàn)象。放在變化磁通量中的導體，會產生導體，會產生電動勢電動勢。若將此導體閉合成一。若將此導體閉合成一回路回路，則該，則該電動勢會驅使電

2、子流動，形成電動勢會驅使電子流動，形成感應電流感應電流 線圈自身電流發(fā)生變化時，線圈會產生感應電動勢的現(xiàn)線圈自身電流發(fā)生變化時，線圈會產生感應電動勢的現(xiàn)象。象。當線圈通過電流后，在線圈中形成當線圈通過電流后，在線圈中形成磁場磁場感應，感應磁感應，感應磁場又會產生感應電流來抵制通過線圈中的電流。我們場又會產生感應電流來抵制通過線圈中的電流。我們把這種電流與線圈的相互作用關系稱其為電的感抗把這種電流與線圈的相互作用關系稱其為電的感抗 2022-1-203n 變磁阻式傳感器的基本工作原理：電磁感應原理變磁阻式傳感器的基本工作原理：電磁感應原理 利用電磁感應原理將被測非電量如位移、壓力、流量、利用電磁

3、感應原理將被測非電量如位移、壓力、流量、 振動等轉換成線圈自感量振動等轉換成線圈自感量L L或互感量或互感量MM的變化的變化, , 再由測量再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出電路轉換為電壓或電流的變化量輸出, , 這種裝置稱為變這種裝置稱為變磁阻式傳感器。磁阻式傳感器。2022-1-204F220V380V當線圈通電時,靜鐵芯產生電磁吸力,將動鐵芯吸合,由于觸頭系統(tǒng)是與動鐵芯聯(lián)動的,因此動鐵芯帶動三條動觸片同時運行,觸點閉合,從而接通電源。當線圈斷電時,吸力消失, 動鐵芯聯(lián)動部分依靠彈簧的反作用力而分離,使主觸頭斷開,切斷電源。 2022-1-2052022-1-2062022-1-20

4、72022-1-2086.1 6.1 電感式傳感器電感式傳感器n 工作原理工作原理 把被測量的變化轉換成自感把被測量的變化轉換成自感L L的變化，并通過一定的的變化，并通過一定的轉換電路將其轉換成電壓或電流輸出。轉換電路將其轉換成電壓或電流輸出。n 組成組成 主要由主要由線圈、鐵芯和銜鐵線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。三部分組成。 鐵芯和銜鐵由導磁材料制成。鐵芯和銜鐵由導磁材料制成。 銜鐵和鐵芯之間有空氣隙。銜鐵和鐵芯之間有空氣隙。 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。n 分類分類 按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，目前常用的電感式按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，目前常用的電感式傳感

5、器有變氣隙式、變截面積式和螺線管式三種。傳感器有變氣隙式、變截面積式和螺線管式三種。 2022-1-209自感式傳感器的原理圖自感式傳感器的原理圖2022-1-20106.1.1 簡單電感傳感器簡單電感傳感器p 電磁感應定律電磁感應定律(1831(1831年年) ) 當一個線圈中電流當一個線圈中電流i變化時，該電變化時，該電流產生的磁通流產生的磁通也隨之變化，因而也隨之變化，因而線圈本身會產生感應電勢線圈本身會產生感應電勢E，這種，這種現(xiàn)象稱為自感。產生的感應電勢稱現(xiàn)象稱為自感。產生的感應電勢稱為自感電勢。為自感電勢。i稱稱L L為為自感系數(shù)自感系數(shù), ,簡稱自感或電感簡稱自感或電感Li物理意

6、義：物理意義：一個線圈中通有單位電流時，通過線圈自身的一個線圈中通有單位電流時，通過線圈自身的磁通鏈數(shù)，等于該線圈的自感系數(shù)。磁通鏈數(shù)，等于該線圈的自感系數(shù)。磁通鏈與回路的電流成正比：磁通鏈與回路的電流成正比：W2022-1-2011S1l1L1W23l21線圈；2鐵芯(定鐵芯)；3銜鐵(動鐵芯)S2n基本原理基本原理當銜鐵移動時，氣隙厚度當銜鐵移動時，氣隙厚度 發(fā)生改變，引起磁路中發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化磁阻變化，從而導致從而導致電感線圈的電感值變化電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電，因此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。感量的變化，就能確定銜鐵位移量的

7、大小和方向。 銜鐵移動銜鐵移動改變改變磁阻變化磁阻變化電感值變化電感值變化電感式傳感器電感式傳感器的原理圖的原理圖2022-1-2012假設線圈的匝數(shù)為假設線圈的匝數(shù)為W，根據電感的定義，線圈中電感量為：，根據電感的定義，線圈中電感量為： IWL式中：式中： I通過線圈的電流；通過線圈的電流； W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。 RRIWRIWF式中式中, , R R為磁路總磁阻，為磁路總磁阻， 為鐵磁阻，為鐵磁阻， 為空氣隙磁阻為空氣隙磁阻 由磁路歐姆定律，由磁路歐姆定律， 得：得： FRR2022-1-2013對于變氣隙式傳感器，對于變氣隙式傳感器， 因為氣隙很小

8、，所以可以認為氣隙因為氣隙很小，所以可以認為氣隙中的磁場是均勻的。中的磁場是均勻的。 若忽略磁路磁損，若忽略磁路磁損， 則磁路總磁阻為：則磁路總磁阻為： 002221112)(SSlSlRRRF式中式中: :0 0空氣的導磁率空氣的導磁率，4 410-7(H/m)； 1 1鐵芯材料的導磁率；鐵芯材料的導磁率； 2 2銜鐵材料的導磁率；銜鐵材料的導磁率； 氣隙的厚度；氣隙的厚度； l1 1磁通通過鐵芯的長度；磁通通過鐵芯的長度； l2 2磁通通過銜鐵的長度；磁通通過銜鐵的長度； S0 0氣隙的截面積；氣隙的截面積； S1 1鐵芯的截面積；鐵芯的截面積；S2 2銜鐵的截面積。銜鐵的截面積。 )/(

9、1047mHHBB:磁感應強度磁感應強度H:磁場強度磁場強度2022-1-2014由于電感傳感器的導磁性材料一般都工作在非飽和的狀由于電感傳感器的導磁性材料一般都工作在非飽和的狀態(tài)下，其導磁率遠遠大于空氣的導磁率，因此氣隙磁阻態(tài)下，其導磁率遠遠大于空氣的導磁率，因此氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即 22200111002,2SlSSlS所以所以磁路總磁阻為磁路總磁阻為： 002SRR2022-1-2015由此可以得到：由此可以得到：20022SWRWRIWIWIWL電感傳感器的電感傳感器的基本特征公式基本特征公式上式表明，當線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感上式表明，當線圈匝數(shù)

10、為常數(shù)時，電感L L僅僅是磁路中磁僅僅是磁路中磁阻阻R R的函數(shù)，改變的函數(shù)，改變 或或S S0 0均可導致電感變化，因此電感式均可導致電感變化，因此電感式傳感器又可分為變氣隙厚度傳感器又可分為變氣隙厚度 的傳感器和變氣隙面積的傳感器和變氣隙面積S S0 0的的傳感器。傳感器。目前使用最廣泛的是目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。變氣隙厚度式電感傳感器。 2022-1-2016n 輸出特性輸出特性L00oL0L0LL0L由上式可知由上式可知: :對于變間隙式電感傳感器，對于變間隙式電感傳感器，L L與與 之間是非線之間是非線性關系性關系, , 特性曲線如圖所示特性曲線如圖所示2002SW

11、L 2022-1-2017設電感傳感器初始氣隙為設電感傳感器初始氣隙為0，初始電感量為，初始電感量為L0，銜鐵位，銜鐵位移引起的氣隙變化量為移引起的氣隙變化量為， 當銜鐵處于初始位置時，初當銜鐵處于初始位置時，初始電感量為：始電感量為： 020002WSL 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=0-，則此，則此時輸出電感為時輸出電感為L=L0+L， 代入上式并整理，得代入上式并整理，得 00000201)(2LSWLLL2022-1-2018由上式可求得電感增量由上式可求得電感增量 L L和相對增量和相對增量 L L/ /L L0 0的表達式，即的表達式，即 當當

12、 / / 0 011時，可將上式展開成如下的級數(shù)形式：時，可將上式展開成如下的級數(shù)形式： 000LLLL)11(0000LL)(1 20000LL2022-1-2019同理同理, ,當銜鐵隨被測體的初始位置向下移動當銜鐵隨被測體的初始位置向下移動 時時, ,有有 3020000302000011LLLL如果忽略高次項后，可得如果忽略高次項后，可得 00LL2022-1-2020靈敏度為：靈敏度為： 0001LLK由此可見，變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏由此可見，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，因此變隙式電感式傳感器適用度及線性度相矛盾，因此變隙式電感式傳感器適用于測量微

13、小位移的場合。為了減小非線性誤差，實于測量微小位移的場合。為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。 2022-1-2021sUL1L2RoRooU122131鐵 芯 ；2線 圈 ；3銜 鐵特點：特點：1.上下兩個導磁體的幾上下兩個導磁體的幾何尺寸完全相同何尺寸完全相同,材料相同材料相同2.上下兩只線圈的電氣參數(shù)上下兩只線圈的電氣參數(shù)(線線圈銅電阻圈銅電阻, 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù))完全一致完全一致差動變隙式電感傳感器2022-1-2022差動式電感傳感器的差動式電感傳感器的接線圖接線圖 Z1Z2Z3RZ4RoUU把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩

14、個相鄰橋臂把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個相鄰橋臂Z1和和Z2，另，另外兩個相鄰的橋臂用純電阻外兩個相鄰的橋臂用純電阻R代替。設代替。設Z1=Z+Z1, Z2=Z-Z2，Z是銜鐵在中間位置時單個線圈的復阻抗，是銜鐵在中間位置時單個線圈的復阻抗， Z1, Z2分別是銜鐵偏離中心位置時兩線圈阻抗的變化量。對于高分別是銜鐵偏離中心位置時兩線圈阻抗的變化量。對于高Q ( 品 質 因 數(shù)品 質 因 數(shù) ) 值 的 差 動 式 電 感 傳 感 器 ， 有值 的 差 動 式 電 感 傳 感 器 ， 有Z1+Z2j(L1+L2)2022-1-2023電橋平衡條件：電橋平衡條件：Z1Z4 = Z2Z3 平衡狀態(tài)

15、下：平衡狀態(tài)下：U00假設起始位置時：假設起始位置時： 輸入為交流電源，輸出為交流電輸入為交流電源，輸出為交流電壓。在起始位置時，銜鐵處于中間壓。在起始位置時，銜鐵處于中間位置，兩邊的氣隙相等，兩個電感位置，兩邊的氣隙相等，兩個電感線圈的電感量在理論上相等，輸出線圈的電感量在理論上相等，輸出為為0 0，電橋處于平衡狀態(tài)。當銜鐵，電橋處于平衡狀態(tài)。當銜鐵偏離中間位置向上或者向下移動時，偏離中間位置向上或者向下移動時，兩邊的氣隙不相等，兩個電感線圈兩邊的氣隙不相等，兩個電感線圈的電感量在理論上不相等，電橋不的電感量在理論上不相等，電橋不平衡。平衡。00020210212 SWLLL2022-1-2

16、024其中：其中：Rc-中單個線圈銅電阻，中單個線圈銅電阻，Z0-單個線圈的交流阻抗，單個線圈的交流阻抗，w-電源電壓角頻率。電源電壓角頻率。則此時輸出電壓為：則此時輸出電壓為：043002010,RRRjwLRZZZc 當銜鐵偏離中間位置時，設向上偏離當銜鐵偏離中間位置時，設向上偏離，則磁路上，則磁路上半部氣隙磁導增加，下半部氣隙磁導減少，由于上下兩半部氣隙磁導增加，下半部氣隙磁導減少，由于上下兩邊氣隙不相等，阻抗也發(fā)生了變化，假設上邊增加邊氣隙不相等，阻抗也發(fā)生了變化，假設上邊增加Z1 ,下邊減少下邊減少Z2 ，于是電橋對角輸出端有電壓輸出。假設，于是電橋對角輸出端有電壓輸出。假設電橋輸出

17、端的負載阻抗為無窮大，則此時有：電橋輸出端的負載阻抗為無窮大，則此時有：0)(432010320410331010inUZZZZZZZZZIZIU2022-1-20252020210101LjwZZZZLjwZZZZ)()()(4)(4)2()(2)()()(210021210210020100200100LLjwLRjwUZZZUZZZZZUURRZZZZRZZRZZUcinininin差動電橋中，差動電橋中，Z1 Z2趨于趨于02022-1-2026銜鐵上移銜鐵上移 ：兩個線圈的電感變化量：兩個線圈的電感變化量 L L1 1、 L L2 2分別為：分別為： 4020002112LLLL差動

18、傳感器電感的總變化量差動傳感器電感的總變化量 L L=L L1 1+L L2 2, , 具體表達式為具體表達式為: : )(1 200002LL)(1 200001LL2022-1-2027對上式進行對上式進行線性處理線性處理, , 即忽略高次項得即忽略高次項得 002LL靈敏度靈敏度K K0 0為為 ：0002LLK2022-1-2028202000000000002100)1(1)11 (2)(1)1 (2)()(2)()(2)()()(4QQjUwLRwLRjUjwLRjwLRjwLRjwLULjwLRjwULLjwLRjwUUinccincccincincin分子分分子分母同時母同時除

19、以除以w2L02Q表示電感傳表示電感傳感器的品質因感器的品質因數(shù)數(shù)與電源電壓同與電源電壓同相位的分量相位的分量與電源電壓同相位差與電源電壓同相位差90的正交分量的正交分量2022-1-2029KUQQjUUinin02002)1(1)11 (2輸出電壓的正交分量與輸出電壓的正交分量與Q Q值有關，值有關，Q Q值增大，正交分量值增大，正交分量減小，對于高減小，對于高Q Q的電感傳感器：的電感傳感器： K K稱為差動電感傳感器連成四臂電橋的靈敏度。稱為差動電感傳感器連成四臂電橋的靈敏度。 物理意義：單位位移量可能引起的電橋的輸出電壓。物理意義：單位位移量可能引起的電橋的輸出電壓。 K K值與電橋

20、的電源電壓和起始氣隙有關，提高電源電值與電橋的電源電壓和起始氣隙有關，提高電源電壓，減小起始氣隙，可以提高靈敏度。壓，減小起始氣隙，可以提高靈敏度。 2022-1-2030n 輸出特性輸出特性由上式可知由上式可知: :電橋的輸出電壓與銜鐵位移成正比，其相位電橋的輸出電壓與銜鐵位移成正比，其相位與銜鐵移動方向有關。與銜鐵移動方向有關。當銜鐵向下移動時，輸出電壓為正，則當銜鐵向上移動當銜鐵向下移動時，輸出電壓為正，則當銜鐵向上移動時，輸出電壓為負，相位相差時，輸出電壓為負，相位相差180180度。度。輸出特性曲線如下：輸出特性曲線如下：KUUin0022022-1-2031作業(yè)：作業(yè)：1、123頁

21、 5-22、124頁 5-113、什么是寄生電容？消除和減小寄生電容的措施有哪些？2022-1-2032 零點殘余電壓零點殘余電壓: :當銜鐵位于中間位置時當銜鐵位于中間位置時, ,差動自感式傳感差動自感式傳感器電橋輸出理論上應為零器電橋輸出理論上應為零, ,但實際上總存在零位不平衡但實際上總存在零位不平衡電壓輸出。主要是由于電橋的輸出零位信號中有高次諧電壓輸出。主要是由于電橋的輸出零位信號中有高次諧波電壓的存在。波電壓的存在。零殘電壓過大帶來的影響：零殘電壓過大帶來的影響：靈敏度下降、非線性誤差增大靈敏度下降、非線性誤差增大測量有用的信號被淹沒，不再反映被測量變化，造成放測量有用的信號被淹沒

22、，不再反映被測量變化，造成放大電路后級飽和大電路后級飽和產生的原因：產生的原因： 兩電感線圈的等效參數(shù)（電感、電阻）不對稱；兩電感線圈的等效參數(shù)（電感、電阻）不對稱； 鐵芯的鐵芯的B-HB-H特性的非線性，產生的高次諧波不同，不特性的非線性，產生的高次諧波不同，不能互相抵消。能互相抵消。2022-1-2033 為了正確判別銜鐵位移為了正確判別銜鐵位移的大小和方向，可采用帶的大小和方向，可采用帶相敏整流相敏整流的交流電橋，這的交流電橋，這樣子得到的輸出信號即能樣子得到的輸出信號即能反映位移的大小，也能反反映位移的大小，也能反映位移的方向。映位移的方向。減小的措施：減小的措施：設計上：設計上：使上

23、、下磁路對稱，盡量減小銅損電阻使上、下磁路對稱，盡量減小銅損電阻R Rc c，增，增大鐵心的渦流損大鐵心的渦流損R Re e及磁滯損及磁滯損R Rh h以提高線圈的品質因數(shù)；以提高線圈的品質因數(shù)；制造上：制造上：使上、下磁性材料一致。零部件配套挑選，線使上、下磁性材料一致。零部件配套挑選，線圈排列均勻、一致。圈排列均勻、一致。調整方法：調整方法：串（并）接電阻、并聯(lián)電容方法。串（并）接電阻、并聯(lián)電容方法。電路上：電路上：利用相敏檢波可以減小零殘。利用相敏檢波可以減小零殘。2022-1-2034比較單線圈式和差動式：比較單線圈式和差動式： 差動式變間隙電感傳感器的差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是

24、單線圈式的兩倍靈敏度是單線圈式的兩倍。 差動式的非線性項差動式的非線性項( (忽略高次項忽略高次項) )： 單線圈的非線性項（忽略高次項單線圈的非線性項（忽略高次項) )： 由于由于 / / 0 011，因此，因此差動式的線性度得到明顯改善差動式的線性度得到明顯改善。 3002/ LL200/ LL2022-1-2035p變面積式自感傳感器變面積式自感傳感器 若傳感器的氣隙長度保持不變，令磁通截面積隨被測非電若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量而變( (銜鐵水平方向移動銜鐵水平方向移動) )，即構成變面積式自感傳感器。，即構成變面積式自感傳感器。對上式微分得靈敏度為：對上

25、式微分得靈敏度為：SWL0200202002WdSdLK 可見，變面積式傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應的條件可見，變面積式傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應的條件下，輸出特性呈線性，因此可得到較大的線性范圍。與下，輸出特性呈線性，因此可得到較大的線性范圍。與變氣隙式相比較，其靈敏度較低。欲提高靈敏度，需減變氣隙式相比較，其靈敏度較低。欲提高靈敏度，需減小小氣隙氣隙，但同樣受到工藝和結構的限制。，但同樣受到工藝和結構的限制。2022-1-2036n 測量電路測量電路最簡單的測量線路：最簡單的測量線路：將電感傳感器線圈與交流電流表相串聯(lián)，用頻率和大小將電感傳感器線圈與交流電流表相串聯(lián)，用頻率和大小一定的交

26、流電壓作電源，當銜鐵位移時，傳感器的電感一定的交流電壓作電源，當銜鐵位移時，傳感器的電感變化，引起電路中電流變化，從電流表指示值可以判斷變化，引起電路中電流變化，從電流表指示值可以判斷銜鐵位移的大小。銜鐵位移的大小。忽略鐵心磁阻、電感線圈電阻、電感線圈的寄生電容和忽略鐵心磁阻、電感線圈電阻、電感線圈的寄生電容和鐵損電阻，則輸出量電流與銜鐵位移輸入量的關系為：鐵損電阻，則輸出量電流與銜鐵位移輸入量的關系為：SWwUwLUI022電流與氣隙電流與氣隙大小成正比大小成正比2022-1-2037注意注意 電感傳感器的實際特性曲線是一條不過零點的曲線電感傳感器的實際特性曲線是一條不過零點的曲線 當空氣隙

27、為當空氣隙為0 0時，氣隙電阻為時，氣隙電阻為0 0，此時鐵芯磁阻不可忽，此時鐵芯磁阻不可忽 略，因此有一定的起始電流略，因此有一定的起始電流 當氣隙很大時，線圈的銅電阻和線圈的感抗相比不可忽當氣隙很大時，線圈的銅電阻和線圈的感抗相比不可忽 略，最大電流將趨近于一個穩(wěn)定值略，最大電流將趨近于一個穩(wěn)定值 測量電路存在非線性特性，并且容易受到外界干擾的影測量電路存在非線性特性，并且容易受到外界干擾的影 響，比如電源電壓和頻率的波動等響，比如電源電壓和頻率的波動等 一般不用于較精密的測量儀表和系統(tǒng)，只用在一些繼電一般不用于較精密的測量儀表和系統(tǒng)，只用在一些繼電 信號裝置中信號裝置中2022-1-20

28、386.1.3 螺管式電感傳感器螺管式電感傳感器1-1-螺線管線圈螺線管線圈；2-2-螺線管線圈螺線管線圈；3-3-骨架；骨架；4-4-活動鐵芯活動鐵芯 2022-1-2039p 工作原理工作原理 主要是建立在線圈泄露路徑中的磁阻變化的原理主要是建立在線圈泄露路徑中的磁阻變化的原理上，線圈的電感與鐵心插入線圈的深度有關。上，線圈的電感與鐵心插入線圈的深度有關。 根據磁場強度的分布曲線可知：鐵心剛插入或者根據磁場強度的分布曲線可知：鐵心剛插入或者接近離開線圈時的靈敏度要比鐵心插入線圈一半左接近離開線圈時的靈敏度要比鐵心插入線圈一半左右時的靈敏度小很多。右時的靈敏度小很多。p 特點特點 較高的激磁

29、頻率下較高的激磁頻率下, ,容易產生諧振容易產生諧振, ,溫度穩(wěn)定性差溫度穩(wěn)定性差靈敏度較低，但線性好，電感大；靈敏度較低，但線性好，電感大；鐵心的損耗大，線圈的鐵心的損耗大，線圈的Q Q值較低；值較低；為了要使線圈內的磁場均勻變化，對于線圈、鐵心為了要使線圈內的磁場均勻變化，對于線圈、鐵心和外殼的加工要求比較高。和外殼的加工要求比較高。2022-1-20406.1.5 電感傳感器主要誤差分析電感傳感器主要誤差分析 在電感傳感器的實際特性和理想特性之間存在在電感傳感器的實際特性和理想特性之間存在偏差，因此在設計、制造、使用時必須設法消除偏差，因此在設計、制造、使用時必須設法消除它或者盡可能減少

30、它。它或者盡可能減少它。 造成誤差的因素主要有：造成誤差的因素主要有： (1) 外界工作環(huán)境條件，如溫度變化、電源電外界工作環(huán)境條件，如溫度變化、電源電壓和頻率的波動等。壓和頻率的波動等。 (2) 電感傳感器本身特性所固有的，如線圈電電感傳感器本身特性所固有的，如線圈電感和銜鐵位移之間的非線性、零位誤差等。感和銜鐵位移之間的非線性、零位誤差等。2022-1-20411.輸出特性的非線性輸出特性的非線性 各種自感式傳感器，都在原理上或實際上存在非線性誤各種自感式傳感器，都在原理上或實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，常差。測量電路也往往存在非線性。為了減小非線性，常用

31、的方法是采用差動結構和限制測量范圍用的方法是采用差動結構和限制測量范圍。對于螺管式自感傳感器，增加線圈的長度有利于擴大線對于螺管式自感傳感器，增加線圈的長度有利于擴大線性范圍或提高線性度。在工藝上應注意導磁體和線圈骨性范圍或提高線性度。在工藝上應注意導磁體和線圈骨架的加工精度、導磁體材料與線圈繞制的均勻性，對于架的加工精度、導磁體材料與線圈繞制的均勻性，對于差動式則應保證其對稱性，合理選擇銜鐵長度和線圈匝差動式則應保證其對稱性，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，如圖所示。數(shù)。另一種有效的方法是采用階梯形線圈，如圖所示。2022-1-20422.零位誤差零位誤差差動自

32、感式傳感器當銜鐵位于中間位置時，電差動自感式傳感器當銜鐵位于中間位置時，電橋輸出理論上應為零，但實際上總存在零位不橋輸出理論上應為零，但實際上總存在零位不平衡電壓輸出平衡電壓輸出(零位電壓零位電壓)，造成零位誤差。過大，造成零位誤差。過大的零位電壓會使放大器提前飽和，若傳感器輸?shù)牧阄浑妷簳狗糯笃魈崆帮柡停魝鞲衅鬏敵鲎鳛樗欧到y(tǒng)的控制信號，零位電壓還會使出作為伺服系統(tǒng)的控制信號，零位電壓還會使伺服電機發(fā)熱，甚至產生零位誤動作。伺服電機發(fā)熱，甚至產生零位誤動作。2022-1-2043產生基波分量的主要原因：產生基波分量的主要原因：是傳感器兩線圈的電氣參是傳感器兩線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸的不對稱

33、，以及構成電橋另外兩臂的電數(shù)和幾何尺寸的不對稱，以及構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整銜鐵氣參數(shù)不一致。由于基波同相分量可以通過調整銜鐵的位置的位置(偏離機械零位偏離機械零位)來消除，通常注重的是基波正來消除，通常注重的是基波正交分量。交分量。造成高次諧波分量的主要原因：造成高次諧波分量的主要原因：是磁性材料磁化曲線是磁性材料磁化曲線的非線性，同時由于磁滯損耗和兩線圈磁路的不對稱，的非線性，同時由于磁滯損耗和兩線圈磁路的不對稱，造成兩線圈中某些高次諧波成分不一樣，不能對消，造成兩線圈中某些高次諧波成分不一樣，不能對消，于是產生了零位電壓的高次諧波。此外，激勵信號中于

34、是產生了零位電壓的高次諧波。此外，激勵信號中包含的高次諧波及外界電磁場的干擾，也會產生高次包含的高次諧波及外界電磁場的干擾，也會產生高次諧波。應合理選擇磁性材料與激勵電流，使傳感器工諧波。應合理選擇磁性材料與激勵電流，使傳感器工作在磁化曲線的線性區(qū)。減少激勵電流的諧波成分與作在磁化曲線的線性區(qū)。減少激勵電流的諧波成分與利用外殼進行電磁屏蔽也能有效地減小高次諧波。利用外殼進行電磁屏蔽也能有效地減小高次諧波。2022-1-2044一種常用的方法是采用補償電路，其原理為：一種常用的方法是采用補償電路，其原理為： (1)串聯(lián)電阻消除基波零位電壓；串聯(lián)電阻消除基波零位電壓； (2)并聯(lián)電阻消除高次諧波零

35、位電壓；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。加并聯(lián)電容消除基波正交分量或高次諧波分量。2022-1-2045另一種有效的方法是采用外接測量電路來減小零另一種有效的方法是采用外接測量電路來減小零位電壓。位電壓。如前述的相敏檢波電路，它能有效地消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。分量，使傳感器零位電壓減至極小。此外還可采用磁路調節(jié)機構此外還可采用磁路調節(jié)機構(如可調端蓋如可調端蓋)保證磁保證磁路的對稱性，來減小零位電壓。路的對稱性，來減小零

36、位電壓。3.溫度誤差溫度誤差環(huán)境溫度的變化會引起自感傳感器的零點溫度漂環(huán)境溫度的變化會引起自感傳感器的零點溫度漂移、靈敏度溫度漂移以及線性度和相位的變化，移、靈敏度溫度漂移以及線性度和相位的變化，造成溫度誤差。造成溫度誤差。2022-1-2046環(huán)境溫度對自感傳感器的影響主要通過：環(huán)境溫度對自感傳感器的影響主要通過： (1) 材料的線膨脹系數(shù)引起零件尺寸的變化；材料的線膨脹系數(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；材料的電阻率溫度系數(shù)引起線圈銅阻的變化； (3) 磁性材料磁導率溫度系數(shù)、繞組絕緣材料的介質磁性材料磁導率溫度系數(shù)、繞組絕緣材料的介質溫度系數(shù)和線圈幾

37、何尺寸變化引起線圈電感量及寄溫度系數(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。生電容的改變等造成。 上述因素對單電感傳感器影響較大，特別對小氣上述因素對單電感傳感器影響較大，特別對小氣隙式與螺管式影響更大，而第隙式與螺管式影響更大，而第(2)項對低頻激勵的傳項對低頻激勵的傳感器影響較大。感器影響較大。2022-1-20474.激勵電源的影響激勵電源的影響大多數(shù)自感式傳感器采用交流電橋作測量電路，大多數(shù)自感式傳感器采用交流電橋作測量電路，電源電壓的波動將直接導致輸出信號的波動。電源電壓的波動將直接導致輸出信號的波動。采用差動工作方式，其影響將能得到補償。但采用差動工作方式，其影響將

38、能得到補償。但需注意，頻率的高低應與鐵心材料相匹配需注意，頻率的高低應與鐵心材料相匹配對于諧振式與恒流源式測量電路，電源頻率與對于諧振式與恒流源式測量電路，電源頻率與電流的穩(wěn)定度將直接引起測量誤差。對于調頻電流的穩(wěn)定度將直接引起測量誤差。對于調頻式測量電路，則應保證直流電源的穩(wěn)定度。式測量電路，則應保證直流電源的穩(wěn)定度。2022-1-20486.2 6.2 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器n 工作原理工作原理 把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據變壓器的基本原理制互感式傳感器。這種傳感器是根據變壓器的

39、基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。式傳感器，簡稱差動變壓器。n 組成組成 由由線圈、鐵芯和銜鐵線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。三部分組成。 上下兩只鐵芯均有一個初級線圈上下兩只鐵芯均有一個初級線圈( (激勵線圈激勵線圈) )和一個次級線和一個次級線圈圈( (輸出線圈輸出線圈) ) 銜鐵置于兩鐵芯的中間銜鐵置于兩鐵芯的中間 初級線圈串聯(lián)后接交流激磁電壓，次級線圈按電勢反相初級線圈串聯(lián)后接交流激磁電壓，次級線圈按電勢反相串接串接 2022-1-2049n 分類分類 差動變壓器結構形式較多，有變隙式、變面積

40、式和螺差動變壓器結構形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等。線管式等。 在非電量測量中，在非電量測量中， 應用最多的是螺線管式差動變壓器，應用最多的是螺線管式差動變壓器， 它可以測量它可以測量1 1100mm 100mm 的機械位移，并具有測量精度的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、高、靈敏度高、 結構簡單、性能可靠等優(yōu)點。結構簡單、性能可靠等優(yōu)點。iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)變間隙變間隙式式2022-1-2050(c)1U2U2U1U(d )2U1U01U2U(e)( f )螺管式螺管式變面積變面積式式2022-1-20516.

41、2.1 6.2.1 變隙式差動變壓器變隙式差動變壓器 p工作原理工作原理 假設閉磁路變隙式差動變壓器的結構如圖所示，假設閉磁路變隙式差動變壓器的結構如圖所示， 在在A A、B B兩兩個鐵芯上繞有個鐵芯上繞有WW1a1a=W=W1b1b=W=W1 1的兩個初級繞組和的兩個初級繞組和WW2a2a=W=W2b2b=W=W2 2兩兩個次級繞組。兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，個次級繞組。兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)， 而兩個次級繞而兩個次級繞組的同名端則反相串聯(lián)。組的同名端則反相串聯(lián)。 2022-1-2052 當沒有位移時，銜鐵當沒有位移時，銜鐵C C處于初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙處于初始平衡位置

42、，它與兩個鐵芯的間隙有有a0=b0=0，則繞組則繞組W1a和和W2a間的互感間的互感Ma與繞組與繞組W1b和和W2b的互感的互感Mb相等，致使兩個次級繞組的互感電勢相等，即相等，致使兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組由于次級繞組反相串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓反相串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。 當被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應的變當被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應的變化，使化，使ab，互感，互感MaMb，兩次級繞組的互感電勢兩次級繞組的互感電勢e2ae2b，輸出電壓輸出電壓Uo=e2a-e2b0，即差動變

43、壓器有電壓輸出，即差動變壓器有電壓輸出， 此電壓的大小與極性反映此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向。被測體位移的大小和方向。 .2022-1-2053p 輸出特性輸出特性 在忽略鐵損在忽略鐵損( (即渦流與磁滯損耗即渦流與磁滯損耗) )、漏感以及變壓器次級開、漏感以及變壓器次級開路路( (或負載阻抗足夠大或負載阻抗足夠大) )的條件下，變隙式差動變壓器的等效的條件下，變隙式差動變壓器的等效電路如下圖所示。電路如下圖所示。 圖中圖中r1a與與L1a , r1b與與L1b , r2a與與L2a , r2b與與L2b，分別為分別為W1a , W1b , W2a, W2b繞阻的直流電阻與電感

44、。繞阻的直流電阻與電感。 iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb2022-1-2054iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb 根據電磁感應定律和磁路歐姆定律，當根據電磁感應定律和磁路歐姆定律，當r1aL1a，r1bM2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因為Uo=E2a-E2b，所以當E2a、E2b 隨著銜鐵位移x變化時，Uo也必將隨x而變化。上圖給出了差動變壓器輸出電壓Uo與活動銜鐵位移x的關系曲線。圖中實線為理論特性曲線，虛線曲線為實際特性曲線。由圖可以看出，當銜鐵位于中心位置時，

45、差動變壓器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Uo，它的存在使傳感器的輸出特性不經過零點，造成實際特性與理論特性不完全一致。 . 零點殘余電壓W2 bW1W2 a0 xuou2 bou2 au2u2 au2 bx理 論 特 性曲 線實 際 特 性 曲 線oU2022-1-2072 產生原因：產生原因：主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的。 波形波形: : 波形十分復雜，主要由基波和高次諧波組成。 基波產生的主要原因是：傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對稱，導致它們產生的感應電勢幅值不等、相位不同，因

46、此不論怎樣調整銜鐵位置， 兩線圈中感應電勢都不能完全抵消。 高次諧波中起主要作用的是三次諧波，其產生的原因是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。零點殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使用時，應設法減小，否則將會影響傳感器的測量結果。 .2022-1-2073p 測量線路測量線路 差動變壓器的輸出是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向。另外，其測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。 (1) (1) 差動整流電路差動整流電路 這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整

47、流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出，下圖給出了幾種典型電路形式, 其中圖（a）、（c）適用于高阻抗負載，圖（b）、（d）適用于低阻抗負載，電阻R0用于調整零點殘余電壓。 2022-1-20742022-1-2075 從上圖（c）電路結構可知，不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，流經電容C1的電流方向總是從2到4，流經電容C2的電流方向總是從6到8， 故整流電路的輸出電壓為 68240UUU 當銜鐵在零位時， 因為U24=U68, 所以U0=0；當銜鐵在零位以上時，因為U24 U68 ，則U0 0；而當銜鐵在零位以下時， 則有U24 U68，則U0 0，不論u2與us是正半周還是負半周

48、，負載電阻RL兩端得到的電壓uo始終為正。 當x0時，u2與us為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當x0時，不論u2與us是正半周還是負半周，負載電阻RL兩端得到的輸出電壓uo表達式總是為 2022-1-2080(a) 被測位移變化波形圖; (b) 差動變壓器激磁電壓波形; (c) 差動變壓器輸出電壓波形;(d) 相敏檢波解調電壓波形；(e) 相敏檢波輸出電壓波形。 xoou1ttu2oK1u1xusouoottt(a)(b)(c)(d )(e)2022-1-2081p 差動變壓器式傳感器的應用 差動變壓器式傳感器可以直接用于位移測量，也可以測量與位移有關的任何機械量，如振動、加速度、

49、應變、比重、張力和厚度等。 2022-1-208211B2Ax(t )1懸 臂 梁 ；2差 動 變 壓 器 圖為差動變壓器式加速度傳感器的原理結構示意圖。它由懸臂梁和差動變壓器構成。測量時，將懸臂梁底座及差動變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，使加速度測量轉變?yōu)槲灰频臏y量。當被測體帶動銜鐵以x(t)振動時，導致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。 2022-1-20836.3 6.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 p 電渦流的產生：根據電磁場理論，在受到時變電磁場作用的任何導體中，都會產生電渦流。 渦流的強度

50、與導體的電阻率、導磁率、導體的厚度以及線圈與導體之間的距離、線圈的激勵頻率等參數(shù)有關。固定其中若干個參數(shù)不變，就能按渦流大小測量另外某一個參數(shù)。p 特點：特點：最大特點是進行非接觸測量，并且結構簡單，不受油污等介質的影響。p 應用：應用：在工業(yè)生產和科學實驗各個領域都有廣泛的應用，常用于測量位移、振拂、尺寸、厚度、工件表面粗糙度、導體的溫度、金屬表面裂紋等。2022-1-20846.3.1 6.3.1 工作原理工作原理 電渦流式傳感器原理圖電渦流式傳感器原理圖 （a a） 傳感器激勵線圈傳感器激勵線圈; ; （b b） 被測金屬導體被測金屬導體 1I1H傳 感 器 激 勵 線 圈(a)(b)2

51、H2I被 測 金 屬 導 體傳 感 器 激 勵 電 流p渦流效應：渦流效應： 金屬導體置于變化著的磁場中，導體內就會產生感應電流，這種電流像水中旋渦一樣在導體轉圈,這種現(xiàn)象稱為渦流效應。2022-1-20852022-1-2086 根據法拉第定律，當傳感器線圈通以正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導體中感應電渦流I2，I2又產生新的交變磁場H2。 根據愣次定律， H2的作用將反抗原磁場H1，由于磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，使通電線圈中電流大小和相位都發(fā)生變化，導致傳感器線圈的有效阻抗發(fā)生變化。 因此可以用線圈阻抗的變化來反映金屬導體的電渦流

52、效應。 .1I1H傳 感 器 激 勵 線 圈(a )(b )2H2I被 測 金 屬 導 體傳 感 器 激 勵 電 流2022-1-2087 由上可知， 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應。電渦流效應既與被測體的電阻率、磁導率以及幾何形狀r有關， 還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率w有關，同時還與線圈與導體間的距離x有關。因此，傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關系式為： Z=F(,r, w, x) 測量方法：測量方法：如果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Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對

53、該參數(shù)的測量。 2022-1-2088 渦流式傳感器的特點是結構簡單，易于進行非接觸的連續(xù)測量，靈敏度較高，適用性強，因此得到了廣泛的應用。它的變換量可以是位移，也可以是被測材料的性質。其應用大致有下列四個方向：利用位移作為變換量，被測量也可以是位移、厚度、振幅、振擺、轉速等傳感器，也可做成接近開關、計數(shù)器等；利用材料電阻率作為變換量，可以做成測量溫度、材質判別等傳感器；利用導磁率作為變換量，可以做成測量應力、硬度等傳感器；利用變換量、等的綜合影響，可以做成探傷裝置等。2022-1-2089 電渦流探頭外形交變磁場交變磁場2022-1-2090l電渦流在我們日常生活中應用電渦流在我們日常生活中

54、應用電磁爐電磁爐 l 電流通過勵磁線圈，產生交變磁場，電流通過勵磁線圈，產生交變磁場，在鐵質鍋底會產生無數(shù)的電渦流，使鍋底在鐵質鍋底會產生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內的食物。自行發(fā)熱，燒開鍋內的食物。 2022-1-2091p 基本特性ras1xhrari(r)231 傳 感 器 線 圈 ；2 短 路 環(huán) ；3 被 測 金 屬 導 體 模型中，傳感器的金屬導體可看作一個短路線圈，即在金屬導體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)，即假設電渦流僅分布在環(huán)體之內， 模型中h（電渦流的貫穿深度）可由下式求得： 為線圈激磁電流的頻率ffhr,02022-1-2092 根據簡化模型，可畫出如圖所示的等

55、效電路圖。圖中R1和L1為通電線圈銅電阻和電感， R2和L2為電渦流短路環(huán)的等效電阻和電感1UL1L212R1R2M2I1I1傳 感 器 線 圈 ； 2電 渦 流 短 路 環(huán)2022-1-2093 根據簡化模型，圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻，其表達式為 iarrnhR122根據基爾霍夫第二定律，可列出如下方程： 022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR式中： 線圈激磁電流角頻率； R1、L1線圈電阻和電感； L2短路環(huán)等效電感； R2短路環(huán)等效電阻； M互感系數(shù)。 2022-1-2094解得等效阻抗Z的表達式為 eqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ2222222212

56、2222222111解得：22222222122222222111LLRMLjRLRMRUI22222121222212LRIMRjILMLjRIMjI2022-1-2095式中：Req線圈受電渦流影響后的等效電阻 222222221RLRMRReqLeq線圈受電渦流影響后的等效電感 222222221LLRMLLeq線圈的等效品質因數(shù)Q值為 2221222212011ZMwRRZMwLLQRLQeqeq綜上所述，根據電渦流式傳感器的簡化模型和等效電路,運用電路分析的基本方法得到的線圈受到金屬導體影響后的等效阻抗和品質因數(shù)公式為電渦流傳感器基本特性表示式。 渦流環(huán)部分的阻抗質因數(shù)無渦流影響時的

57、線圈品,jwZ2220LRQ2022-1-2096p6.3.3 6.3.3 結構特點結構特點 電渦流的徑向形成范圍1.00.80.60.40.2Jr /J0r/ras32101233r/ras2hxriraras11電渦流線圈；2等效短路環(huán)；3電渦流密度分布 線圈導體系統(tǒng)產生的電渦流密度既是線圈與導體間距離x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向r的函數(shù)。當x一定時，電渦流密度J與半徑r的關系曲線如圖所示（圖中J0為金屬導體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值。Jr為半徑r處的金屬 導 體 表 面 電 渦 流 密度）。由圖可知： 2022-1-2097由圖可知： 電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑ras

58、的1.82.5倍范圍內，且分布不均勻。 電渦流密度在ri=0處為零。 電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內。 可以用一個平均半徑為 的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。 2aiasasrrrr2022-1-2098 電渦流強度與距離的關系電渦流強度與距離的關系 理論分析和實驗都已證明，當x改變時，電渦流密度也發(fā)生變化，即電渦流強度隨距離x的變化而變化。根據線圈導體系統(tǒng)的電磁作用， 可以得到金屬導體表面的電渦流強度為 212212111asasasrxrxIrxxII式中： I1線圈激勵電流； I2金屬導體中等效電流； x線圈到金屬導體表面距離； ras線圈外徑。 2022

59、-1-20991.00.80.60.40.20123456I2 / I1x / ras電渦流強度與距離歸一化曲線根據的歸一化曲線可以看出： 電渦流強度與距離x呈非線性關系，且隨著x/ras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x/ras1(一般取0.050.15)的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。 2022-1-20100 電渦流的軸向貫穿深度 所謂貫穿深度是指把電渦流強度減小到表面強度的1/e處的表面厚度。 由于金屬導體的趨膚效應，電磁場不能穿過導體的無限厚度，僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內，并且導體中產生的電渦流強度是隨導體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降的。其按指

60、數(shù)衰減分布規(guī)律可用下式表示： hddeJJ/0式中：d金屬導體中某一點與表面的距離； Jd沿H1軸向d處的電渦流密度； J0金屬導體表面電渦流密度， 即電渦流密度最大值； h電渦流軸向貫穿的深度（趨膚深度）。2022-1-20101 下圖所示為電渦流密度軸向分布曲線。由圖可見，電渦流密度主要分布在表面附近。 由前面分析可知，被測體電阻率愈大， 相對導磁率愈小，以及傳感器線圈的激磁電流頻率愈低，則電渦流貫穿深度h愈大。故透射式電渦流傳感器一般都采用低頻激勵。 JdJ0 / eohdJ02022-1-201026.3.4 6.3.4 電渦流傳感器測量電路電渦流傳感器測量電路 用于電渦流傳感器的測量

61、電路主要有調頻式、調幅式電路兩種。 1. 1. 調頻式電路調頻式電路 調頻式測量電路 (a) 測量電路框圖； (b) 振蕩電路 頻 率 計f-V電 壓 表振蕩器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f2022-1-20103 傳感器線圈接入LC振蕩回路，當傳感器與被測導體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x), 該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過f-V變換，用數(shù)字電壓表測量對應的電壓。 振蕩器電路如圖(b)所示。它由電容三點式振蕩器(C2、C3、L、C和1)以及射

62、極輸出電路兩部分組成。振蕩器的頻率為 CxLf)(21 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。 此時電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對振蕩頻率f 的影響將大大減小。 2022-1-201042. 2. 調幅式電路調幅式電路 由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路如圖所示。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率（f0）穩(wěn)定的激勵電流io，LC回路輸出電壓 )(ZfiUoo式中, Z為LC回路的阻抗。 放 大檢 波指 示RioLCUo2022-1-20105 當金屬導體遠離或去掉時，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo，回路呈

63、現(xiàn)的阻抗最大， 諧振回路上的輸出電壓也最大；當金屬導體靠近傳感器線圈時，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導致回路失諧，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。 2022-1-20106 在被測金屬板的上方設有發(fā)射傳感器線圈L1，在被測金屬板下方設有接收傳感器線圈L2。當在L1上加低頻電壓U1時，L1上產生交變磁通1，若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產生感應電壓U2。如果將被測金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產生的磁場將導致在金屬板中產生電渦流,

64、 并將貫穿金屬板，此時磁場能量受到損耗，使到達L2的磁通將減弱為1，從而使L2產生的感應電壓U2下降。金屬板越厚， 渦流損失就越大，電壓U2就越小。因此，可根據U2電壓的大小得知被測金屬板的厚度。透射式渦流厚度傳感器的檢測范圍可達1100 mm， 分辨率為0.1 m，線性度為1% 。 .p 渦流式傳感器的應用渦流式傳感器的應用 1. 低頻透射式 渦流厚度傳感器被 測 金 屬 板L1L2111U2U2022-1-201072. 高頻反射式渦流厚度傳感器 厚度給定系統(tǒng)S1檢波比較電壓檢波S2加法器指示儀表帶材xx1x2 為了克服帶材不夠平整或運行過程中上下波動的影響,在帶材的上、下兩側對稱地設置了

65、兩個特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。S1和S2與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。若帶材厚度不變,則被測帶材上,下表面之間的距離總有x1+x2=常數(shù)的關系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo,數(shù)值不變。如果被測帶材厚度改變量為,則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個,兩傳感器輸出電壓此時為2UoU。U經放大器放大后,通過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。 帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測帶材的厚度。 2022-1-201083. 3. 電渦流式轉速傳感器電渦流式轉速傳感器 下圖所示為電渦流式轉速傳感器工作原理圖。在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d0處設置電渦

66、流傳感器， 輸入軸與被測旋轉軸相連。 振蕩器高頻放大器檢波器整形電路d輸 入 軸d0傳 感 器fn2022-1-20109 當被測旋轉軸轉動時，電渦流傳感器與輸出軸的距離變?yōu)閐0+d。由于電渦流效應，使傳感器線圈阻抗隨d的變化而變化，這種變化將導致振蕩諧振回路的品質因數(shù)發(fā)生變化，它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。因此，隨著輸入軸的旋轉，從振蕩器輸出的信號中包含有與轉速成正比的脈沖頻率信號。 該信號由檢波器檢出電壓幅值的變化量，然后經整形電路輸出頻率為fn的脈沖信號。 該信號經電路處理便可得到被測轉速。 這種轉速傳感器可實現(xiàn)非接觸式測量，抗污染能力很強， 可安裝在旋轉軸近旁長期對被測轉速進行監(jiān)視。最高測量轉速可達600 000r/min 。 振蕩器高頻放大器檢波器整形電路d輸 入 軸d0傳 感 器fn2022-1-201104 4、感、感 應應 同同 步步 器器 感應同步器是感應同步器是19601960年代末發(fā)展起來的一種高精度位年代末發(fā)展起來的一種高精度位移（直線位移、角位移）傳感器。感應同步器是應用電移（直線位移、角位移）傳感器。感應同步器是應用電磁感應定律把位移量轉換成電量