傳感器與檢測技術52力敏傳感器

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1、第 二 節(jié) 電 感 式 傳 感 器 （ 變 磁 阻 ）l自 感 式 傳 感 器u氣 隙 型 自 感 傳 感 器u螺 管 型 自 感 傳 感 器u自 感 線 圈 的 等 效 電 路u測 量 電 路l差 動 變 壓 器u結 構 原 理 與 等 效 電 路u誤 差 因 素 分 析u測 量 電 路u應 用l電 渦 流 式 傳 感 器 定 義 ： 是 一 種 利 用 線 圈 自 感 和 互 感 的 變 化 實 現(xiàn) 非 電 量 電測 的 裝 置 。感 測 量 ： 位 移 、 振 動 、 壓 力 、 應 變 、 流 量 、 比 重 等 。種 類 ： 根 據(jù) 轉 換 原 理 ， 分 自 感 式 和 互 感 式

2、 兩 種 ； 根 據(jù) 結 構 型 式 ， 分 氣 隙 型 、 面 積 型 和 螺 管 型 。優(yōu) 點 ： 結 構 簡 單 、 可 靠 ， 測 量 力 小銜 鐵 為 0.5 200 10-5N時 ， 磁 吸 力 為 (110) 10-5N。 分 辨 力 高機 械 位 移 ： 0.1m， 甚 至 更 小 ； 角 位 移 ： 0.1角 秒 。輸 出 信 號 強 ， 電 壓 靈 敏 度 可 達 數(shù) 百 mV/mm 。 重 復 性 好 ， 線 性 度 優(yōu) 良在 幾 十 m到 數(shù) 百 mm的 位 移 范 圍 內 ， 輸 出 特 性 的 線 性 度較 好 ， 且 比 較 穩(wěn) 定 。不 足 ： 存 在 交 流

3、零 位 信 號 ， 不 宜 于 高 頻 動 態(tài) 測 量 。 一 、 自 感 式 傳 感 器 有 氣 隙 型 和 螺 管 型 兩 種 結 構 。（ 一 ） 氣 隙 型 自 感 傳 感 器1、 工 作 原 理組 成 ： 線 圈 1， 銜 鐵 3和 鐵 芯 2等 。圖 中 點 劃 線 表 示 磁 路 ， 磁 路 中 空 氣 隙 總 長 度 為 l 。0.5l 1 23x(a)氣 隙 式 (b)變 截 面 式 N： 線 圈 匝 數(shù) ； Rm： 磁 路 總 磁 阻 (鐵 芯 與 銜 鐵 磁 阻 和 空 氣 隙 磁 阻 )氣 隙 式 自 感 傳 感 器 ， 因 為 氣 隙 較 小 (l為 0.1 1mm)

4、， 所以 ， 認 為 氣 隙 磁 場 是 均 勻 的 ， 若 忽 略 磁 路 鐵 損 ， 則 磁路 總 磁 阻 為 l1： 鐵 芯 磁 路 總 長 ； l2： 銜 鐵 的 磁 路 長 ； S： 隙 磁 通 截 面 積 ； S1： 鐵 芯 橫 截 面 積 ； S2： 銜 鐵 橫 截 面 積 ； 1： 鐵 芯 磁 導 率 ；2： 銜 鐵 磁 導 率 ； 0： 真 空 磁 導 率 ， 0=4 10-7H m； l ： 空 氣 隙 總 長 。 mRNL 2 SlSlSlRm 0222111 由 磁 路 基 本 知 識 知 ， 線 圈 自 感 為 SlSlSlNRNL m 022211122 由 于 自

5、 感 傳 感 器 的 鐵 芯 一 般 在 非 飽 和 狀 態(tài) 下 ， 其 磁 導率 遠 大 于 空 氣 的 磁 導 率 ， 因 此 鐵 芯 磁 阻 遠 較 氣 隙 磁 阻小 ， 所 以 上 式 可 簡 化 為 l SNL 02可 見 ， 自 感 L是 氣 隙 截 面 積 和 長 度 的 函 數(shù) ， 即 L f(S,l)如 果 S保 持 不 變 ， 則 L為 l的 單 值 函 數(shù) ， 構 成 變 隙 式 自 感傳 感 器 ； 若 保 持 l不 變 ， 使 S隨 位 移 變 化 ， 則 構 成 變 截面 式 自 感 傳 感 器 。 其 特 性 曲 線 如 圖 。 L=f（ S）L=f（ l） lL

6、 SL=f(l)為 非 線 性 關 系 。 當 l 0時 ， L為 ， 考 慮 導 磁 體 的 磁 阻 ， 當 l 0時 ， 并 不 等 于 ， 而 具 有 一 定 的 數(shù)值 ， 在 l較 小 時 其 特 性 曲 線 如 圖 中 虛線 所 示 。 如 上 下 移 動 銜 鐵 使 面 積 S改變 ， 從 而 改 變 L值 時 ,則 L f(S)的 特性 曲 線 為 一 直 線 。 2、 特 性 分 析主 要 特 性 :靈 敏 度 和 線 性 度 。 當 鐵 芯 和 銜 鐵 采 用 同 一 種 導磁 材 料 ， 且 截 面 相 同 時 ， 因 為 氣 隙 l一 般 較 小 ， 故 可 認為 氣 隙

7、 磁 通 截 面 與 鐵 芯 截 面 相 等 ， 設 磁 路 總 長 為 l ， 則 rrrm llSlllSR 111 00 r rm llSR 01 rrm llKll NSRNL 1202 K=0N 2S一 般 r1， 所 以 rlllKLL 11當 氣 隙 減 少 l時 rr lllllL LL 1 rr llllllllLL 1 11 11 11自 感 的 相 對 變 化 2 1 1 11 111 1 rrr llllllllllllLL 同 理 ， 當 總 氣 隙 長 度 增 加 l時 ， 自 感 減 小 為 L2， 即rlll lLL 2 21 11 111 1 rrr llll

8、llllllll 若 忽 略 高 次 項 ， 則 自 感 變 化 靈 敏 度 為 rL lllLlLK 1 1 rllll 1 1線 性 度 lLL1L2 L0 l 0 當 氣 隙 l發(fā) 生 變 化 時 ， 自 感 的 變 化 與 氣 隙 變 化 均 呈 非線 性 關 系 ， 其 非 線 性 程 度 隨 氣 隙 相 對 變 化 l/l的 增 大而 增 加 ； 氣 隙 減 少 l所 引 起 的 自 感 變 化 L1與 氣 隙 增 加 同 樣 l所 引 起 的 自 感 變 化 L2并 不 相 等 ， 即 L1 L2， 其 差 值隨 l/l的 增 加 而 增 大 。 差 動 變 氣 隙 式 自 感

9、傳 感 器結 構 由 兩 個 電 氣 參 數(shù) 和 磁路 完 全 相 同 的 線 圈 組 成 。當 銜 鐵 3移 動 時 ， 一 個 線 圈的 自 感 增 加 ， 另 一 個 線 圈的 自 感 減 少 ， 形 成 差 動 形式 。 如 將 這 兩 個 差 動 線 圈 221 1 111 12 rr llllllllL LLLL EUSC 134 2 RR (l- l)/2(l- l)/2分 別 接 入 測 量 電 橋 鄰 臂 ， 則 當 磁 路 總 氣 隙 改 變 l時 ，自 感 相 對 變 化 為 rL lllLlLK 1 12 2)(1 1 rllll 差 動 式 自 感 傳 感 器 的 靈

10、 敏 度 比 單 線 圈 傳 感 器 提 高 一 倍 差 動 式 自 感 傳 感 器 非 線 性 失 真 小 ,如 當 l/l=10 時 (略去 l lr), 單 線 圈 10 ； 而 差 動 式 的 1 。7550250 5075100L/mH l/mm10025LD 43 21 1 2 3 4- l l對 差 動 氣 隙 式 傳 感 器 其 l/l與l/(lr)的 變 化 受 到 靈 敏 度 和 非 線性 失 真 相 互 矛 盾 的 制 約 ,因 此 只 能適 當 選 取 。 一 般 差 動 變 隙 式 自 感傳 感 器 l/l 0.1 0.2時 ， 可 使傳 感 器 非 線 性 誤 差

11、在 3 左 右 。其 工 作 行 程 很 小 ,若 取 l 2mm,則行 程 為 (0.20.5)mm； 較 大 行 程的 位 移 測 量 ,常 利 用 螺 管 式 自 感 傳感 器1 線 圈 自 感 特 性 ； 2 線 圈 自 感 特 性 ； 3 線 圈 與 差 動 自 感 特 性 ； 4 特 性 曲 線差 動 式 自 感 傳 感 器 的 輸 出 特 性 rx螺 旋 管鐵 心 單 線 圈 螺 管 型 傳 感 器 結 構 圖l（ 二 ） 螺 管 型 自 感 傳 感 器有 單 線 圈 和 差 動 式 兩 種 結 構 形 式 。單 線 圈 螺 管 型 傳 感 器 的 主 要 元 件 為 一 只 螺

12、 管 線 圈 和 一 根圓 柱 形 鐵 芯 。 傳 感 器 工 作 時 ， 因 鐵 芯 在 線 圈 中 伸 入 長 度的 變 化 ， 引 起 螺 管 線 圈 自 感 值 的 變 化 。 當 用 恒 流 源 激 勵時 ， 則 線 圈 的 輸 出 電 壓 與 鐵 芯 的 位 移 量 有 關 。 螺 管 線 圈 內 磁 場 分 布 曲 線 rx l1.00.80.60.40.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0H（ ）INl x（ l） 鐵 芯 在 開 始 插 入 （ x=0） 或 幾 乎 離 開 線 圈 時 的 靈 敏 度 ，比 鐵 芯 插 入 線 圈 的 1/2長 度 時 的 靈 敏 度

13、小 得 多 。 這 說 明只 有 在 線 圈 中 段 才 有 可 能 獲 得 較 高 的 靈 敏 度 ， 并 且 有較 好 的 線 性 特 性 。 若 被 測 量 與 lc成 正 比 ，則 L與 被 測 量 也 成 正 比 。實 際 上 由 于 磁 場 強 度 分 布不 均 勻 ， 輸 入 量 與 輸 出 量之 間 關 系 非 線 性 的 。為 了 提 高 靈 敏 度 與 線 性 度 ,常 采 用 差 動 螺 管 式 自 感 傳感 器 。 圖 (b)中 H=f(x)曲 線表 明 ： 為 了 得 到 較 好 的 線性 ,鐵 芯 長 度 取 0.6l時 ,則 鐵芯 工 作 在 H曲 線 的 拐 彎

14、 處 ,此 時 H變 化 小 。 這 種 差 動螺 管 式 自 感 傳 感 器 的 測 量范 圍 為 (5 50)mm,非 線 性誤 差 在 0.5 左 右 。 2lc lc2l 線 圈 線 圈 r0.80.60.40.2 0.20.40.60.8-0.8 0.80.4 1.2-1.2 -0.4x H（ ）INl差 動 螺 旋 管 式 自 感 傳 感 器 (a)結 構 示 意 圖 (b)磁 場 分 布 曲 線 x(l) (a)(b) 綜 上 所 述 ， 螺 管 式 自 感 傳 感 器 的 特 點 ： 結 構 簡 單 ， 制 造 裝 配 容 易 ； 由 于 空 氣 間 隙 大 ， 磁 路 的 磁

15、 阻 高 ， 因 此 靈 敏 度 低 ，但 線 性 范 圍 大 ； 由 于 磁 路 大 部 分 為 空 氣 ， 易 受 外 部 磁 場 干 擾 ； 由 于 磁 阻 高 ， 為 了 達 到 某 一 自 感 量 ， 需 要 的 線 圈 匝數(shù) 多 ， 因 而 線 圈 分 布 電 容 大 ； 要 求 線 圈 框 架 尺 寸 和 形 狀 必 須 穩(wěn) 定 ， 否 則 影 響 其 線性 和 穩(wěn) 定 性 。 （ 三 ） 自 感 線 圈 的 等 效 電 路 假 設 自 感 線 圈 為 一 理 想 純 電 感 ， 但 實 際 傳 感 器 中 包 括 ：線 圈 的 銅 損 電 阻 （ Rc） 、 鐵 芯 的 渦 流

16、 損 耗 電 阻 （ Re） 和線 圈 的 寄 生 電 容 （ C） 。 因 此 ， 自 感 傳 感 器 的 等 效 電 路如 圖 。 CLRcR e （ 四 ） 測 量 電 路1、 交 流 電 橋交 流 電 橋 是 自 感 傳 感 器 的 主 要 測 量 電 路 ， 為 了 提 高 靈 敏度 ， 改 善 線 性 度 ， 自 感 線 圈 一 般 接 成 差 動 形 式 ， 如 圖 。Z1、 Z2為 工 作 臂 ， 即 線 圈 阻 抗 ， R1、 R2為 電 橋 的 平 衡 臂 電 橋 平 衡 條 件 ：設 Z1=Z2=Z=RS+jL； R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=LE為

17、 橋 路 電 源 ， Z L是 負 載 阻 抗 。工 作 時 ， Z1=Z+ Z和 Z2=Z- Z ZL R1R2Z2Z1 L1L2 RS1RS2交 流 電 橋 原 理 圖USCE2121 RRZZ ZRZ ZZZEU L LSC 2 其 輸 出 電 壓 幅 值 LjR LjREZZEU SSSC 22當 ZL 時 ELR LELR RLU SS SSC 2222 222 22 2)( 22 LRRZ S 輸 出 阻 抗 SSSSSC RRLLQjLLRRQQEU 1111 12 22SRLQ 為 自 感 線 圈 的 品 質 因 數(shù) 。 橋 路 輸 出 電 壓 Usc包 含 與 電 源 E同

18、相 和 正 交 兩 個 分 量 。在 實 際 測 量 中 ， 只 希 望 有 同 相 分 量 ， 如 能 使 或 Q值 比 較 大 ， 均 能 達 到 此 目 的 。 但 在 實 際 工 作 時 ， RS/RS一 般 很 小 ， 所 以 要 求 線 圈 有 高 的 品 質 因 數(shù) 。當 Q值 很 高 時 ， Usc ； SSRRLL LLE 2 當 Q值 很 低 時 ， 自 感 線 圈 的 電 感 遠 小 于 電 阻 ， 電 感 線圈 相 當 于 純 電 阻 (Z Rs)， 交 流 電 橋 即 為 電 阻 電 橋 。 例如 ， 應 變 測 量 儀 就 是 如 此 ， 此 時 輸 出 電 壓 U

19、sc= 。 該 電 橋 結 構 簡 單 ， 其 電 阻 R 1、 R2可 用 兩 個 電 阻 和 一個 電 位 器 組 成 ， 調 零 方 便 。 SSRRE 2 Z1Z2 USCE/2E/2E 變 壓 器 電 橋 原 理 圖I2、 變 壓 器 電 橋平 衡 臂 為 變 壓 器 的 兩 個 副 邊 ， 當 負 載 阻 抗 為 無 窮 大 時 ，流 入 工 作 臂 的 電 流 為 21 ZZ EI 21 21221 22 ZZ ZZEEZZZ EUSC 初 始 Z1=Z2=Z=RS+jL， 故 平 衡時 ， USC=0。 雙 臂 工 作 時 ， 設Z1=ZZ， Z2=Z+Z， 相 當 于差 動

20、式 自 感 傳 感 器 的 銜 鐵 向 一側 移 動 ， 則 ZZEU SC 2 同 理 反 方 向 移 動 時 ZZEUSC 2 可 見 ， 銜 鐵 向 不 同 方 向 移 動 時 ， 產 生 的 輸 出 電 壓 Usc大 小相 等 、 方 向 相 反 ， 即 相 位 互 差 180， 可 反 映 銜 鐵 移 動 的方 向 。 但 是 ， 為 了 判 別 交 流 信 號 的 相 位 ， 需 接 入 專 門 的相 敏 檢 波 電 路 。 優(yōu) 點 ： 這 種 電 橋 與 電 阻 平 衡 電 橋 相 比 ， 元 件 少 ， 輸 出 阻抗 小 ， 橋 路 開 路 時 電 路 呈 線 性 ；缺 點 ：

21、 變 壓 器 副 邊 不 接 地 ， 易 引 起 來 自 原 邊 的 靜 電 感 應電 壓 ， 使 高 增 益 放 大 器 不 能 工 作 。 ELR LU SSC 2222 2 222 LRZ S 變 壓 器 電 橋 的 輸 出 電 壓 幅 值輸 出 阻 抗 為 (略 去 變 壓 器 副 邊 的 阻 杭 ， 它 遠 小 于 電 感 的阻 抗 ) 二 、 差 動 變 壓 器（ 一 ） 結 構 原 理 與 等 效 電 路分 氣 隙 型 和 差 動 變 壓 器 兩 種 。 目 前 多 采 用 螺 管 型 差 動變 壓 器 。 1 初 級 線 圈 ;2.3次 級 線 圈 ;4銜 鐵1 243 12

22、3(a)氣 隙 型 (b)螺 管 型其 基 本 元 件 有 銜 鐵 、 初 級 線圈 、 次 級 線 圈 和 線 圈 框 架 等 。初 級 線 圈 作 為 差 動 變 壓 器 激勵 用 ， 相 當 于 變 壓 器 的 原 邊 ，而 次 級 線 圈 由 結 構 尺 寸 和 參數(shù) 相 同 的 兩 個 線 圈 反 相 串 接而 成 ， 相 當 于 變 壓 器 的 副 邊 。螺 管 形 差 動 變 壓 器 根 據(jù) 初 、次 級 排 列 不 同 有 二 節(jié) 式 、 三節(jié) 式 、 四 節(jié) 式 和 五 節(jié) 式 等 形式 。 3 2 1 21 21 12(a) (b)(c) (d)1 2 1 12差 動 變

23、壓 器 線 圈 各 種 排 列 形 式1 初 級 線 圈 ； 2 次 級 線 圈 ； 3 銜 鐵3三 節(jié) 式 的 零 點 電 位 較 小 ， 二 節(jié) 式 比 三 節(jié) 式 靈 敏 度 高 、 線性 范 圍 大 ， 四 節(jié) 式 和 五 節(jié) 式 改 善 了 傳 感 器 線 性 度 。 在 理 想 情 況 下 (忽 略 線 圈 寄 生電 容 及 銜 鐵 損 耗 )， 差 動 變 壓器 的 等 效 電 路 如 圖 。初 級 線 圈 的 復 數(shù) 電 流 值 為11 11 LjR eI e2R21R22e21e22e1R1 M1M2 L21L22L1 e 1初 級 線 圈 激 勵 電 壓L1,R1初 級 線

24、 圈 電 感 和 電 阻M1,M1分 別 為 初 級 與 次 級 線 圈1,2間 的 互 感L21,L22兩 個 次 級 線 圈 的 電 感R21,R22兩 個 次 級 線 圈 的 電 阻I1激 勵 電 壓 的 角 頻 率 ； e1激 勵 電 壓 的 復 數(shù) 值 ；由 于 Il的 存 在 ， 在 次 級 線 圈中 產 生 磁 通 11121 mRIN 21122 mRIN Rm1及 Rm2分 別 為 磁 通 通 過 初 級 線 圈 及 兩 個 次 級 線 圈 的 磁 阻 ，N1為 初 級 線 圈 匝 數(shù) 。 1222 1121 IMje IMje 11212121 mRNNINM 212122

25、22 mRNNINM 11 11122212 LjR eMMjeee N2為 次 級 線 圈 匝 數(shù) 。因 此 空 載 輸 出 電 壓在 次 級 線 圈 中 感 應 出 電 壓 e21和 e22， 其 值 分 別 為 2121 1212 LR eMMe 22212221 LLjRRZ 2222122221 LLRRZ 其 幅 數(shù)輸 出 阻 抗或 副 0 e2e2e21 e22 x副 原 線 圈差 動 變 壓 器 輸出 電 勢 e2與 銜鐵 位 移 x的 關 系 。其 中 x表 示 銜 鐵偏 離 中 心 位 置的 距 離 。 （ 二 ） 誤 差 因 素 分 析1、 激 勵 電 壓 幅 值 與 頻

26、 率 的 影 響激 勵 電 源 電 壓 幅 值 的 波 動 ， 會 使 線 圈 激 勵 磁 場 的 磁 通 發(fā)生 變 化 ， 直 接 影 響 輸 出 電 勢 。 而 頻 率 的 波 動 ， 只 要 適 當?shù)?選 擇 頻 率 ， 其 影 響 不 大 。2、 溫 度 變 化 的 影 響周 圍 環(huán) 境 溫 度 的 變 化 ， 引 起 線 圈 及 導 磁 體 磁 導 率 的 變 化 ，從 而 使 線 圈 磁 場 發(fā) 生 變 化 產 生 溫 度 漂 移 。 當 線 圈 品 質 因數(shù) 較 低 時 ， 影 響 更 為 嚴 重 ， 因 此 ， 采 用 恒 流 源 激 勵 比 恒壓 源 激 勵 有 利 。 適

27、當 提 高 線 圈 品 質 因 數(shù) 并 采 用 差 動 電 橋可 以 減 少 溫 度 的 影 響 。 3、 零 點 殘 余 電 壓 當 差 動 變 壓 器 的 銜 鐵 處 于 中 間 位 置 時 ， 理 想 條 件 下 其輸 出 電 壓 為 零 。 但 實 際 上 ， 當 使 用 橋 式 電 路 時 ， 在 零 點仍 有 一 個 微 小 的 電 壓 值 (從 零 點 幾 mV到 數(shù) 十 mV)存 在 ，稱 為 零 點 殘 余 電 壓 。 如 圖 是 擴 大 了 的 零 點 殘 余 電 壓 的 輸出 特 性 。 零 點 殘 余 電 壓 的 存 在 造 成 零 點 附 近 的 不 靈 敏 區(qū) ；零

28、 點 殘 余 電 壓 輸 入 放 大 器 內 會 使 放 大 器 末 級 趨 向 飽 和 ，影 響 電 路 正 常 工 作 等 。 0e2 x-x e20 1 基 波 正 交 分 量 2 基 波 同 相 分 量 3 二 次 諧 波 4 三 次 諧 波 5 電 磁 干 擾e e1 e20e20 1 2 3 4 5(a)殘 余 電 壓 的 波 形 (b)波 形 分 析 tt 圖 中 e1為 差 動 變 壓 器 初 級 的 激 勵 電 壓 ， e20包 含 基 波 同 相成 分 、 基 波 正 交 成 分 ， 二 次 及 三 次 諧 波 和 幅 值 較 小 的 電磁 干 擾 等 。 零 點 殘 余

29、電 壓 產 生 原 因 ： 基 波 分 量 。 由 于 差 動 變 壓 器 兩 個 次 級 繞 組 不 可 能 完 全一 致 ， 因 此 它 的 等 效 電 路 參 數(shù) （ 互 感 M、 自 感 L及 損 耗電 阻 R） 不 可 能 相 同 ， 從 而 使 兩 個 次 級 繞 組 的 感 應 電 勢數(shù) 值 不 等 。 又 因 初 級 線 圈 中 銅 損 電 阻 及 導 磁 材 料 的 鐵 損和 材 質 的 不 均 勻 ， 線 圈 匝 間 電 容 的 存 在 等 因 素 ， 使 激 勵電 流 與 所 產 生 的 磁 通 相 位 不 同 。 高 次 諧 波 。 高 次 諧 波 分 量 主 要 由

30、導 磁 材 料 磁 化 曲 線 的非 線 性 引 起 。 由 于 磁 滯 損 耗 和 鐵 磁 飽 和 的 影 響 ， 使 得 激勵 電 流 與 磁 通 波 形 不 一 致 產 生 了 非 正 弦 (主 要 是 三 次 諧波 )磁 通 ， 從 而 在 次 級 繞 組 感 應 出 非 正 弦 電 勢 。 另 外 ，激 勵 電 流 波 形 失 真 ， 因 其 內 含 高 次 諧 波 分 量 ， 這 樣 也 將導 致 零 點 殘 余 電 壓 中 有 高 次 諧 波 成 分 。 消除零點殘余電壓方法：1 從 設 計 和 工 藝 上 保 證 結 構 對 稱 性 為 保 證 線 圈 和 磁 路 的 對 稱

31、性 ， 首 先 ， 要 求 提 高 加 工 精度 ， 線 圈 選 配 成 對 ， 采 用 磁 路 可 調 節(jié) 結 構 。 其 次 ， 應 選高 磁 導 率 、 低 矯 頑 力 、 低 剩 磁 感 應 的 導 磁 材 料 。 并 應 經過 熱 處 理 ， 消 除 殘 余 應 力 ， 以 提 高 磁 性 能 的 均 勻 性 和 穩(wěn)定 性 。 由 高 次 諧 波 產 生 的 因 素 可 知 ， 磁 路 工 作 點 應 選 在磁 化 曲 線 的 線 性 段 。 2 選 用 合 適 的 測 量 線 路 采 用 相 敏 檢 波 電 路 不 僅 可 鑒 別 銜 鐵移 動 方 向 ， 而 且 把 銜 鐵 在

32、中 間 位 置時 ， 因 高 次 諧 波 引 起 的 零 點 殘 余 電壓 消 除 掉 。 如 圖 ， 采 用 相 敏 檢 波 后銜 鐵 反 行 程 時 的 特 性 曲 線 由 1變 到 2，從 而 消 除 了 零 點 殘 余 電 壓 。 e 2 +x-x21 0相 敏 檢 波 后 的 輸 出 特 性 3 采 用 補 償 線 路 由 于 兩 個 次 級 線 圈 感 應 電 壓 相 位 不 同 ， 并 聯(lián) 電 容 可 改變 其 一 的 相 位 ， 也 可 將 電 容 C改 為 電 阻 ， 如 圖 (a)。 由于 R的 分 流 作 用 將 使 流 入 傳 感 器 線 圈 的 電 流 發(fā) 生 變 化

33、 ，從 而 改 變 磁 化 曲 線 的 工 作 點 ， 減 小 高 次 諧 波 所 產 生 的 殘余 電 壓 。 圖 (b)中 串 聯(lián) 電 阻 R可 以 調 整 次 級 線 圈 的 電 阻分 量 。 e 1 e2CR e1 e2CR(a) (b)調 相 位 式 殘 余 電 壓 補 償 電 路 并 聯(lián) 電 位 器 W用 于 電 氣 調 零 ， 改 變 兩 次 級 線 圈 輸 出電 壓 的 相 位 ， 如 圖 所 示 。 電 容 C(0.02F)可 防 止 調 整 電位 器 時 使 零 點 移 動 。e 1 e2C R1R2W電 位 器 調 零 點 殘 余 電 壓 補 償 電 路 R或 L補 償

34、電 路e1 e2L0 W e1 e2R0 W(a)(b) 接 入 R0(幾 百 k)或 補 償 線 圈 L0(幾 百匝 )。 繞 在 差 動 變 壓器 的 初 級 線 圈 上 以減 小 負 載 電 壓 ， 避免 負 載 不 是 純 電 阻而 引 起 較 大 的 零 點殘 余 電 壓 。 電 路 如圖 。 （ 三 ） 測 量 電 路 差 動 變 壓 器 的 輸 出 電 壓 為 交 流 ， 它 與 銜 鐵 位 移 成 正 比 。用 交 流 電 壓 表 測 量 其 輸 出 值 只 能 反 映 銜 鐵 位 移 的 大 小 ，不 能 反 映 移 動 的 方 向 ， 因 此 常 采 用 差 動 整 流 電

35、 路 和 相 敏檢 波 電 路 進 行 測 量 。1、 差 動 整 流 電 路根 據(jù) 半 導 體 二 級 管 單 向 導 通 原 理 進 行 解 調 的 。 如 傳 感 器的 一 個 次 級 線 圈 的 輸 出 瞬 時 電 壓 極 性 ， 在 f點 為 “ ” ，e點 為 “ ” ， 則 電 流 路 徑 是 fgdche（ 參 看 圖 a） 。 反 之 ，如 f點 為 “ ” ， e點 為 “ ” ， 則 電 流 路 徑 是 ehdcgf。可 見 ， 無 論 次 級 線 圈 的 輸 出 瞬 時 電 壓 極 性 如 何 ， 通 過 電阻 R的 電 流 總 是 從 d到 c。 同 理 可 分 析

36、另 一 個 次 級 線 圈 的輸 出 情 況 。 輸 出 的 電 壓 波 形 見 圖 （ b） ， 其 值 為 U SC=eab ecd。 全 波 整 流 電 路 和 波 形 圖e1 RR ca bhgf de USC 銜 鐵 在零 位 以 下 eab ttteab ttteab te cd tUSC tecdUSCUSCecd銜 鐵 在零 位 以 上銜 鐵 在零 位 (b)(a) 在 f點 為 “ ” ， 則 電 流 路 徑 是fgdche (參 看 圖 a)。 反 之 ， 如 f點 為“ ” ， 則 電 流 路 徑 是 ehdcgf。 2、 相 敏 檢 波 電 路容 易 做 到 輸 出 平

37、 衡 ， 便 于 阻 抗 匹 配 。 圖 中 調 制 電 壓 er和 e同 頻 ， 經過 移 相 器 使 er和 e保 持 同 相 或 反 相 ， 且 滿 足 ere。 調 節(jié) 電 位 器 R可調 平 衡 ， 圖 中 電 阻 R1=R2=R0， 電 容 C1=C2=C0， 輸 出 電 壓 為 UCD。當 鐵 芯 在 中 間 時 ,e=0,只 有 er起 作 用 ， 輸 出 電 壓 UCD 0。 若 鐵 芯 上 移 ，e 0， 設 e和 er同 相 位 ， 由 于 ere， 故 er正 半 周 時 D1、 D2仍 導 通 ，但 D1回 路 內 總 電 勢 為 er e， 而 D2回 路 內 總

38、電 勢 為 er e， 故 回 路 電流 i1 i2輸 出 電 壓 UCD=R0（ i1i2） 0。 當 er負 半 周 時 ，R i 1e1 R1R2e21e22 C2C1er移相器 D1D4 D3D2 CDA B i3i2 i4eUCD=R0(i4-i3)0，因 此 鐵 芯 上 移 時輸 出 電 壓 UCD0。當 鐵 芯 下 移 時 ， e和 er相 位 相 反 。同 理 可 得 UCD0。由 此 可 見 ， 該 電路 能 判 別 鐵 芯 移動 的 方 向 。 （ 四 ） 應 用測 量 振 動 、 厚 度 、 應 變 、 壓 力 、 加 速 度 等 各 種 物 理 量 。1. 差 動 變

39、壓 器 式 加 速 度 傳 感 器用 于 測 定 振 動 物 體 的 頻 率 和 振 幅 時 其 激 磁 頻 率 必 須 是 振動 頻 率 的 十 倍 以 上 ， 才 能 得 到 精 確 的 測 量 結 果 。 可 測 量的 振 幅 為 (0.1 5)mm， 振 動 頻 率 為 (0 150)Hz。 穩(wěn) 壓 電 源振 蕩 器 檢波器 濾波器(b)(a) 220V加 速 度 a方 向 a 輸 出1 21 1 彈 性 支 承 2 差 動 變 壓 器 2. 微 壓 力 變 送 器將 差 動 變 壓 器 和 彈 性 敏 感 元 件 （ 膜 片 、 膜 盒 和 彈 簧 管 等 ）相 結 合 ， 可 以

40、組 成 各 種 形 式 的 壓 力 傳 感 器 。 220V 1接 頭 2 膜 盒 3 底 座 4 線 路 板 5 差 動 變 壓 器 6 銜 鐵 7 罩 殼 V振 蕩 器穩(wěn) 壓 電 源 差 動 變 壓 器 相 敏 檢 波 電 路1234 5 6 7這 種 變 送 器 可 分 檔 測 量 ( 5 105 6 105)N/m2壓 力 ，輸 出 信 號 電 壓 為 (0 50)mV， 精 度 為 1.5級 。 三 、 電 渦 流 式 傳 感 器 當 導 體 置 于 交 變 磁 場 或 在 磁 場 中 運 動 時 ， 導 體 上 引起 感 生 電 流 ie， 此 電 流 在 導 體 內 閉 合 ，

41、稱 為 渦 流 。 渦 流大 小 與 導 體 電 阻 率 、 磁 導 率 以 及 產 生 交 變 磁 場 的 線圈 與 被 測 體 之 間 距 離 x， 線 圈 激 勵 電 流 的 頻 率 f有 關 。 顯然 磁 場 變 化 頻 率 愈 高 ， 渦 流 的 集 膚 效 應 愈 顯 著 。 即 渦 流穿 透 深 度 愈 小 ， 其 穿 透 深 度 h可 表 示 導 體 電 阻 率 (cm)； r導 體 相 對 磁 導 率 ； f交 變 磁 場 頻 率 (Hz)。可 見 ， 渦 流 穿 透 深 度 h和 激 勵 電 流 頻 率 f有 關 ， 所 以 渦 流傳 感 器 根 據(jù) 激 勵 頻 率 ： 高

42、 頻 反 射 式 或 低 頻 透 射 式 兩 類 。 目 前 高 頻 反 射 式 電 渦 流 傳 感 器 應 用 廣 泛 。 fh r5030 （ 一 ） 結 構 和 工 作 原 理主 要 由 一 個 安 置 在 框 架 上 的 扁 平 圓 形 線 圈 構 成 。 此 線 圈可 以 粘 貼 于 框 架 上 ， 或 在 框 架 上 開 一 條 槽 溝 ， 將 導 線 繞在 槽 內 。 下 圖 為 CZF1型 渦 流 傳 感 器 的 結 構 原 理 ， 它 采 取將 導 線 繞 在 聚 四 氟 乙 烯 框 架 窄 槽 內 ， 形 成 線 圈 的 結 構 方式 。 1 2 3 4 56 1 線 圈

43、2 框 架 3 襯 套4 支 架 5 電 纜 6 插 頭 ie dM 電 渦 流 傳 感 器 原 理 圖 傳 感 器 線 圈 由 高 頻 信 號 激 勵 ， 使 它 產 生 一 個 高 頻 交 變 磁場 i， 當 被 測 導 體 靠 近 線 圈 時 ， 在 磁 場 作 用 范 圍 的 導 體表 層 ， 產 生 了 與 此 磁 場 相 交 鏈 的 電 渦 流 ie， 而 此 電 渦 流又 將 產 生 一 交 變 磁 場 e阻 礙 外 磁 場 的 變 化 。 從 能 量 角 度來 看 ， 在 被 測 導 體 內 存 在 著 電 渦 流 損 耗 （ 當 頻 率 較 高 時 ，忽 略 磁 損 耗 ） 。 能 量 損 耗 使 傳 感 器 的 Q值 和 等 效 阻 抗 Z降低 ， 因 此 當 被 測 體 與 傳 感 器 間 的 距 離 d改 變 時 ， 傳 感 器的 Q值 和 等 效 阻 抗 Z、 電 感 L均 發(fā) 生 變 化 ， 于 是 把 位 移 量轉 換 成 電 量 。 這 便 是 電 渦 流 傳 感 器 的 基 本 原 理 。