第五章.电感式传感器

5.3.2 高频反射式涡流传感器的结构特点
(2)被测导体表面镀层对测量精度的影响：若镀层性 质和厚度不均匀，在测量转动或移动的被测物体时，这 种不均匀将形成干扰信号，影响测量精度，尤其是激励 频率较高时，电涡流的贯穿深度减小，这种干扰影响更 大。 （3）被测导体形状对测量精度的影响：若被测物体 为平面，在涡流环的直径为线圈直径的1.8 倍处，电涡 流的密度衰减为最大值的5%，因而希望被测物体的直径 不小于线圈直径的1.8倍。当被测物体的直径为线圈直 径的一半时，灵敏度将减小一半，更小时，灵敏度则显 著下降。
5.2.2 结构形式及特性
5.2.2 结构形式及特性
5.2.2 结构形式及特性
5.2.3 差动变压器的转换电路
5.2.3 差动变压器的转换电路
5.2.3 差动变压器的转换电路
如图5-18所示为差动整流电路，把两个次级电压 分别整流后，以它们的差为输出（ab）端，这样， 不必考虑次级电压的相位和零点残余电压。 图5-18（a）、（b）用在联结低阻抗负载的场合， 是电流输出型。图5-18（c）、（d）用在联结高阻 抗负载的场合，是电压输出型。差动整流后的输出 电压的线性与不经整流的次级输出电压的线性有些 不同，当二次线圈阻抗高，负载电阻大，接入电容 器进行滤波时，其输出线性的变化倾向是：当铁芯 位移大时，输出灵敏度增加，利用这一特性就能够 使差动变压器的直线范围扩展。
5.2.4 差动变压器的误差分析
零位误差： 产生零位误差的原因主要有两个：一是由于次级绕组两 线圈电气参数和几何尺寸不对称；另一个原因是磁性材料磁 化曲线的非线性。 要零位误差，首先要在设计和工艺上，力求做到磁路对 称、线圈对称；衔铁材料要均匀，要经过热处理除去机械应 力和改善磁性。两次级线圈绕法要完全一致，绕制要均匀。 其次，可在电路上做补偿，在差动变压器次级串、并联 适当数值的电阻电容元件，使零位误差减小，图5-19是三个 补偿零位误差的例子。串联电阻可以减少零位误差的基波分 量；并联电阻、电容可以减少零位误差的谐波分量；加反馈 支路可以减少基波和谐波分量。 另外电源幅值及频率的不稳定也会造成传感器的误差。 温度变化会引起线圈的铜电阻值的变化，从而引起激磁电流 和输出电流的变化，即造成输出电压的变化，产生温度误差。
5.3.1 工作原理
5.3.1 工作原理
5.3.2 高频反射式涡流传感器的结构特点
电涡流传感器是利用线圈与被测导体之间的电 磁耦合进行工作的，因而被测导体作为“实际 传感器”的一部分，其材料的物理性质，尺寸 与形状都与传感器特性密切相关。
(1)被测导体的电导率、磁导率对传感器的影 响：一般说来，被测体的电导率越高，灵敏度 也越高；磁导率则相反，被测体的磁导率越高， 灵敏度越低，而且被测导体有剩磁，将影响测 量结果，应予消磁。
5.3.1 工作原理
5.3.1 工作原理
如图5-22所示，一个通有正弦交变电流 的传 感器线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产 生一个正弦交变磁场H1。当被测导体臵于该磁 场内，则在被测导体内产生电涡流 ，电涡流 也将产生交变磁场H2，H2的方向与H1的方向相 反。由于磁场H2的反作用，抵销部分原磁场， 从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生 变化。
5.1.5 电感传感器应用举例
电感传感器主要应用于测量位移和尺寸， 也可以测量能够转换为位移量的其它参数， 如力、张力、压力、压差、应变、转矩、 速度和加速度等。
5.1.5 电感传感器应用举例
5.1.5 电感传感器应用举例
5.2 差动变压器
5.2.1 工作原理
5.2.2 结构形式及特性
差动变压器的结构形式可分为气隙型、 变面积型和螺管型三种。 图5-13所示的传感器即为变气隙型的 差动变压器，它的优点是灵敏度高，一般 用于测量几微米至几百微米的机械位移。 缺点是示值范围小，非线性严重。 图5-15给出了两种变导磁面积型的差 动变压器，通常可测到几秒的微小角位移， 输出的线性范围一般在±10°左右。
第5章
电感式传感器
（10学时）
主要内容与教学要求
§1.自感式：原理、特性、结构形式、转换电路及应 用 §2.差动变压器式：原理、特性、结构形式、转换电 路及应用 §3.涡流传感器：原理、特性、结构形式、转换电路 及应用 §4.压磁式：原理、特性、结构形式、转换电路及应 用 §5.感应同步器：原理、特性、结构形式、转换电路 及应用 教学要求：理解自感式、差动变压器式、涡流传感器 的工作原理，掌握其性能特点，了解其应用。了解压 磁式传感器和感应同步器。
5.3.3 涡流式传感器的转换电路
当被测对象变化可引起涡流式传感器 线圈的阻抗 、电感L和品质因数Q发生变 化。通过测量 、 或Q就可求出被测量参 数的变化。转换电路的作用就是将 、 或 Q转换为电压或电流的变化。阻抗 的转换 电路一般用电桥，电感 的转换电路一般 用谐振电路，又可以分为调幅法和调频法 两种。
5.3.3 涡流式传感器的转换电路
5.3.3 涡流式传感器的转换电路
5.3.4 涡流传感器的应用
5.3.4 涡流传感器的应用
5.3.4 涡流传感器的应用
5.3.4 涡流传感器的应用
5.3.4 涡流传感器的应用
由于磁性材料的温度系数大，温度灵 敏度高，而非磁性材料的温度系数小，温 度灵敏度低，因而这种方法主要适用于磁 性材料的温度测量，如冷延钢板。同理也 可测量液体、气体介质的温度，适合于低 温到常温的测量。 涡流温度传感器的优点是：不受金 属表面涂层、油、水等介质的影响；可实 现非接触式测量；路
5.3.3 涡流式传感器的转换电路
5.3.3 涡流式传感器的转换电路
5.3.3 涡流式传感器的转换电路
5.3.3 涡流式传感器的转换电路
5.3.3 涡流式传感器的转换电路
被测导体为软磁性材料时，情况类似，只不过导体与 线圈的距离X逐渐减小时，谐振峰向左移，得到的曲线 还是类似的。 图5-29中的电阻R称为耦合电阻，它既有降低振荡 器负载的作用，又可视为恒流源内阻，耦合电阻R变大， 灵敏度降低，R变小，灵敏度提高，但R太小时，由于谐 振回路的旁路作用，反而会使灵敏度降低，耦合电阻的 选择应考虑振荡器的输出阻抗和传感器线圈的品质因数。 由于振荡器输出的电压为高频载波信号，直接测量 比较麻烦，通常是将 回路的压降经放大、检波、滤波， 变换为直流输出后，再测量。

5.1 自感式传感器
5.1.1 工作原理
5.1.2 结构形式及特性
5.1.2 结构形式及特性
5.1.2 结构形式及特性
5.1.2 结构形式及特性
5.1.2 结构形式及特性
（4）差动电感传感器 ①结构特点 如图5-5所示，两个完全相同的单个线圈的 电感传感器共用一个活动衔铁就构成了差动电 感传感器。 差动电感传感器的结构要求是：两个导磁 体的几何尺寸完全相同，材料性能完全相同， 两个线圈的电气参数（如电感、匝数、铜电阻 等）和几何尺寸也完全相同。
5.2.5 差动变压器应用
5.2.5 差动变压器应用
5.3 涡流式传感器
5.3.1 工作原理 当一块金属导体放臵在一变化的磁场中，导体 内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在 导体内转圈，称之为电涡流或涡流。这种现象就称 为涡流效应。 涡流传感器可以对振动、位移、厚度、转速、 温度和硬度等参数实现非接触式测量，还可以进行 无损探伤，具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、 测量线性范围大、体积小等优点。 涡流传感器在金属导体上产生的涡流，其渗透深度 与传感器线圈的励磁电流的频率有关。涡流传感器 主要可分为高频反射和低频透射两类。
5.1.3 电感传感器的转换电路
5.1.3 电感传感器的转换电路
5.1.4 电感传感器的误差分析
5.1.4 电感传感器的误差分析
产生零位误差的原因有以下几种： ①差动式两个线圈的电气参数及导磁 体的几何尺寸不可能完全对称； ②线圈的分布电容不对称； ③电源电压中含有高次谐波； ④传感器工作在磁化曲线的非线性段。
5.1.2 结构形式及特性
5.1.2 结构形式及特性
5.1.2 结构形式及特性
差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下 列优点： ①线性好； ②灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时， 输出信号大一倍； ③温度变化，电源波动，外界干扰等对传 感器精度的影响，由于能互相抵消而减小； ④电磁吸力对测力变化的影响也由于能相 互抵消而减小。