【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(cè)量與 Δlc成正比 ，則 ΔL與被測(cè)量也成正比 。實(shí)際上由于磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻 ， 輸入量與輸出量之間關(guān)系非線性的 。 為了提高靈敏度與線性度 ,常采用差動(dòng)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(zhǎng)度取 ,則鐵芯工作在 H曲線的拐彎處 ,此時(shí) H變化小 。 這種差動(dòng)螺管式自感傳感器的測(cè)量范圍為 (5～ 50)mm,非線性誤差在 ％ 左右 。 2lc Δlc 2l 線圈 Ⅱ 線圈 Ⅰ r x H（ ） IN l 差動(dòng)螺旋管式 自感 傳感器 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)磁場(chǎng)分布曲線 x(l) (a) (b) 綜上所述 ， 螺管式自感傳感器的特點(diǎn)： ① 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 制造裝配容易； ② 由于空氣間隙大 ， 磁路的磁阻高 ， 因此靈敏度低 ，但線性范圍大； ③ 由于磁路大部分為空氣 ， 易受外部磁場(chǎng)干擾； ④ 由于磁阻高 ， 為了達(dá)到某一自感量 ， 需要的線圈匝數(shù)多 ， 因而線圈分布電容大； ⑤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(shè) 自感 線圈為一理想純電感，但實(shí)際傳感器中包括：線圈的銅損電阻 （ Rc）、 鐵芯的渦流損耗電阻 （ Re）和線圈的寄生電容 （ C）。因此， 自感 傳感器的等效電路如圖。 C L Rc Re （ 四 ） 測(cè)量電路 交流電橋 交流電橋是 自感 傳感器的主要測(cè)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(dòng)形式，如圖。Z Z2為工作臂，即線圈阻抗， R R2為電橋的平衡臂 電橋平衡條件： 設(shè) Z1=Z2=Z=RS+jωL； R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=L E為橋路電源， ZL是負(fù)載阻抗。工作時(shí)， Z1=Z+Δ Z和 Z2=ZΔ Z ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 交流電橋原理圖 USC E 2121RRZZ ?ZRZZZZEULLSC ?????2其輸出電壓幅值 LjRLjREZZEUSSSC ??????????22當(dāng) ZL→∞ 時(shí) ? ? ? ?ELRLELRRLUSSSSC 222222222 ????????????? ?2)( 22 LRRZ S ????輸出阻抗 ?????????????? ???????????? ??????????????SSSSSC RRLLQjLLRREU111112 22SRLQ ?? 為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。 ① 橋路輸出電壓 Usc包含與電源 E同相和正交兩個(gè)分量 。 在實(shí)際測(cè)量中 ， 只希望有同相分量 ， 如能使 或 Q值比較大 ， 均能達(dá)到此目的 。 但在實(shí)際工作時(shí) ， △ RS/RS一般很小 ， 所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù) 。 當(dāng) Q值很高時(shí) ， Usc＝ ； SSRRLL ???LLE ?2② 當(dāng) Q值很低時(shí) ， 自感線圈的電感遠(yuǎn)小于電阻 ， 電感線圈相當(dāng)于純電阻 (ΔZ＝ Rs)， 交流電橋即為電阻電橋 。 例 如 ， 應(yīng)變測(cè)量?jī)x就是如此 ， 此時(shí)輸出電壓 Usc= 。 該電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 其電阻 R R2可用兩個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成 ， 調(diào)零方便 。 SSRRE ?2Z1 Z2 USC E/2 E/2 E 變壓器電橋原理圖 I 變壓器電橋 平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊 ， 當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí) ，流入工作臂的電流為 21 ZZEI??2121221 22 ZZZZEEZZZEUSC ??????初始 Z1=Z2=Z=RS+jωL，故平衡時(shí)， USC=0。雙臂工作時(shí)，設(shè)Z1=Z–ΔZ， Z2=Z+ΔZ，相當(dāng)于差動(dòng)式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動(dòng)，則 ZZEUSC??2同理反方向移動(dòng)時(shí) ZZEUSC???2可見(jiàn) ， 銜鐵向不同方向移動(dòng)時(shí) ， 產(chǎn)生的輸出電壓 Usc大小相等 、 方向相反 ， 即相位互差 180186。， 可反映銜鐵移動(dòng)的方向 。 但是 ， 為了判別交流信號(hào)的相位 ， 需接入專門的相敏檢波電路 。 優(yōu)點(diǎn) ：這種電橋與電阻平衡電橋相比 ， 元件少 ， 輸出阻抗小 ， 橋路開(kāi)路時(shí)電路呈線性； 缺點(diǎn) ：變壓器副邊不接地 ， 易引起來(lái)自原邊的靜電感應(yīng)電壓 ， 使高增益放大器不能工作 。 ELRLUSSC 2222 ?????2222 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(yuǎn)小于電感的阻抗 ) 二 、 差動(dòng)變壓器 （ 一 ） 結(jié)構(gòu)原理與等效電路 分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種 。 目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器 。 1 初級(jí)線圈 。 。4銜鐵 1 2 4 3 1 2 3 (a)氣隙型 (b)螺管型 其基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)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 2 1 2 1 1 2 (a) (b) (c) (d) 1 2 1 1 2 差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式 1 初級(jí)線圈； 2 次級(jí)線圈； 3 銜鐵 3 三節(jié)式的零點(diǎn)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(dòng)變壓器的等效電路如圖 。 初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為 1111 LjReI????～ ～ ～ e2 R21 R22 e21 e22 e1 R1 M1 M2 L21 L22 L1 e1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓 L1,R1初級(jí)線圈電感和電阻 M1,M1分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1,2間的互感 L21,L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感 R21,R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻 I1 ω—激勵(lì)電壓的角頻率； e1—激勵(lì)電壓的復(fù)數(shù)值； 由于 Il的存在，在次級(jí)線圈中產(chǎn)生磁通 11121mRIN ???21122mRIN ???Rm1及 Rm2分別為磁通通過(guò)初級(jí)線圈及兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻，N1為初級(jí)線圈匝數(shù)。 ?????????12221121IMjeIMje????11212121 mRNNINM ??? ? 21212222 mRNNINM ??? ?? ?1111122212 LjReMMjeee?? ??????N2為次級(jí)線圈匝數(shù)。 因此空載輸出電壓 在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓 e21和 e22，其值分別為 ? ?? ? 21211212LReMMe?????? ? ? ?22212221 LLjRRZ ???? ??? ? ? ? 2222122221 LLRRZ ?? ????其幅數(shù) 輸出阻抗 或 副 Ⅰ 0 e2 e2 e21 e22 x 副 Ⅱ 原線圈 差動(dòng)變壓器輸出電勢(shì) e2與銜鐵位移 x的關(guān)系。其中 x表示銜鐵偏離中心位置的距離。 （ 二 ） 誤差因素分析 激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響 激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng) ， 會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化 ， 直接影響輸出電勢(shì) 。 而頻率的波動(dòng) ， 只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率 ， 其影響不大 。 溫度變化的影響 周圍環(huán)境溫度的變化 ， 引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化 ，從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移 。 當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí) ， 影響更為嚴(yán)重 ， 因此 ， 采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利 。 適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響 。 零點(diǎn)殘余電壓 當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí) ， 理想條件下其輸出電壓為零 。 但實(shí)際上 ， 當(dāng)使用橋式電路時(shí) ， 在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值 (從零點(diǎn)幾 mV到數(shù)十 mV)存在 ，稱為 零點(diǎn)殘余電壓 。 如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性 。 零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和 ，影響電路正常工作等 。 0 e2 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 e20 e20 1 2 3 4 5 (a)殘余電壓的波形 (b)波形分析 t t 圖中 e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)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(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因： ① 基波分量 。 由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)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(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)數(shù)值不等 。 又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻 ， 線圈匝間電容的存在等因素 ， 使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同 。 ② 高次諧波 。 高次諧波分量主要由導(dǎo)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(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦 (主要是三次諧波 )磁通 ， 從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì) 。 另外 ，激勵(lì)電流波形失真 ， 因其內(nèi)含高次諧波分量 ， 這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分 。 消除零點(diǎn)殘余電壓方法： 1． 從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性 為保證線圈和磁路的對(duì)稱性 ， 首先 ， 要求提高加工精度 ， 線圈選配成對(duì) ， 采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu) 。 其次 ， 應(yīng)選高磁導(dǎo)率 、 低矯頑力 、 低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料 。 并應(yīng)經(jīng)過(guò)熱處理 ， 消除殘余應(yīng)力 ， 以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性 。 由高次諧波產(chǎn)生的因素可知 ， 磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段 。 2． 選用合適的測(cè)量線路 采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由 1變到 2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。 e2 +x x 2 1 0 相敏檢波后的輸出特性 3． 采用補(bǔ)償線路 ① 由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)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 ，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn) ， 減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓 。 圖 (b)中串聯(lián)電阻 R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量 。 ～ e1 e2 C R ～ e1 e2 C R (a) (b) 調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路 ② 并聯(lián)電位器 W用于電氣調(diào)零 ， 改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位 ， 如圖所示 。 電容 C()可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng) 。 ～ e1 e2 C R1 R2 W 電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路 R或 L補(bǔ)償電路 ～ e1 e2 L0 W ～ e1 e2 R0 W (a) (b) ③ 接入 R0(幾百 kΩ)或補(bǔ)償線圈 L0(幾百匝 )。 繞在差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈上以減小負(fù)載電壓 ， 避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘余電壓 。 電路如圖 。 （ 三 ） 測(cè)量電路 差動(dòng)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(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小 ，不能反映移動(dòng)的方向 ， 因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量 。 差動(dòng)整流電路 根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的 。 如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性 ， 在 f點(diǎn)為 “ ＋ ” ，e點(diǎn)為 “ –‖， 則電流路徑是 f