【正文】 圖 (b)。 是一種慣性式傳感器 。 當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向時 ， 固定在被測部位 。 L 應變片 質量塊 m 彈簧片 外殼 基座 a 應變式加速度傳感器 電感式傳感器（變磁阻） ?自感式傳感器 ?氣隙型自感傳感器 ?螺管型自感傳感器 ?自感線圈的等效電路 ?測量電路 ?差動變壓器 ?結構原理與等效電路 ?誤差因素分析 ?測量電路 ?應用 ?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。 種類 ：根據(jù)轉換原理，分自感式和互感式兩種； 根據(jù)結構型式，分氣隙型、面積型和螺管型。 ② 分辨力高 機械位移： ， 甚至更?。唤俏灰疲? 。 ③ 重復性好，線性度優(yōu)良 在幾十 μm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。 一 、 自感式傳感器 有氣隙型和螺管型兩種結構 。 圖中點劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長度為 lδ 。 mRNL 2?SlSlSlRm0222111???????由磁路基本知識知，線圈自感為 ????????????SlSlSlNRNLm 022211122????由于自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 ??lSNL 02?可見，自感 L是氣隙截面積和長度的函數(shù)，即 L＝ f(S,lδ) 如果 S保持不變，則 L為 lδ的單值函數(shù)，構成 變隙式自感傳感器 ；若保持 lδ不變，使 S隨位移變化，則構成 變截面式自感傳感器 。 L=f（ S） L=f（ lδ） lδ L S L=f(lδ)為非線性關系。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。 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 lδ一般較小 ， 故可認為氣隙磁通截面與鐵芯截面相等 ， 設磁路總長為 l ， 則 ? ??????? ??????????? ???rrrmllSlllSR???????? 11100???????? ??rrmllSR ????01rrm llKllNSRNL????? ????? 1202 K=μ0N 2S 一般 μr1，所以 rlllKLL ??? ?????? 11當氣隙減少 △ lδ時 ? ? ? ?? ?rr lllllL LL ?? ??? ??????? 1? ??????????????????rrllllllllLL????????1111111自感的相對變化 ? ? ? ? ? ? ????????????????????????????????? ?211111111rrr llllllllllllLL??? ?????????同理，當總氣隙長度增加 Δlδ時，自感減小為 ΔL2，即 rllllLL?????????? 2? ? ? ? ??????????????????????????????? ?21111111rrr llllllllllll??? ?????????若忽略高次項，則自感變化靈敏度為 ? ?rL lllLlLK???? ???????11? ?rllll?? ????????11線性度 lδ L ΔL1 ΔL2 L0 lδ0 ① 當氣隙 lδ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 Δlδ/lδ的增大而增加； ②氣隙減少 Δlδ所引起的自感變化 ΔL1與氣隙增加同樣Δlδ所引起的自感變化 ΔL2并不相等，即 ΔL1＞ ΔL2，其差值隨 Δlδ/lδ的增加而增大。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 。2)(11?????????????rllll?????① 差動式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍 ② 差動式自感傳感器非線性失真小 ,如當 Δlδ/lδ=10％ 時 (略去 l／ lδ 75 50 25 0 50 75 100 L/mH lδ/mm 100 25 LD 4 3 2 1 Ⅰ Ⅱ 1 2 3 4 Δ lδ Δ lδ 對差動氣隙式傳感器其 Δlδ/lδ與l/(lδμr)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 。其工作行程很小 ,若取 lδ＝ 2mm,則行程為 (—)mm；較大行程的位移測量 ,常利用螺管式自感傳感器 1 線圈 Ⅰ 自感特性； 2 線圈 Ⅱ 自感特性； 3 線圈 Ⅰ 與 Ⅱ 差動自感特性； 4 特性曲線 差動式自感傳感器的輸出特性 r x 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 。 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 。 螺管線圈內磁場分布曲線 r x l H（ ） IN l 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長度時的靈敏度小得多。 若被測量與 Δlc成正比 ，則 ΔL與被測量也成正比 。 為了提高靈敏度與線性度 ,常采用差動螺管式自感傳感器 。 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 ％ 左右 。 （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）、 鐵芯的渦流損耗電阻 （ Re）和線圈的寄生電容 （ C）。 C L Rc Re （ 四 ） 測量電路 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。工作時， 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 ZL→∞ 時 ? ? ? ?ELRLELRRLUSSSSC 222222222 ????????????? ?2)( 22 LRRZ S ????輸出阻抗 ?????????????? ???????????? ??????????????SSSSSC RRLLQjLLRREU111112 22SRLQ ?? 為自感線圈的品質因數(shù)。 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 。 當 Q值很高時 ， Usc＝ ； SSRRLL ???LLE ?2② 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 (ΔZ＝ Rs)， 交流電橋即為電阻電橋 。 該電橋結構簡單 ， 其電阻 R R2可用兩個電阻和一個電位器組成 ， 調零方便 。雙臂工作時，設Z1=Z–ΔZ， Z2=Z+ΔZ，相當于差動式自感傳感器的銜鐵向一側移動，則 ZZEUSC??2同理反方向移動時 ZZEUSC???2可見 ， 銜鐵向不同方向移動時 ， 產(chǎn)生的輸出電壓 Usc大小相等 、 方向相反 ， 即相位互差 180186。 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 。 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 。 1 初級線圈 。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、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。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。 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 。 ?????????12221121IMjeIMje????11212121 mRNNINM ??? ? 21212222 mRNNINM ??? ?? ?1111122212 LjReMMjeee?? ??????N2為次級線圈匝數(shù)。其中 x表示銜鐵偏離中心位置的距離。 而頻率的波動 ， 只要適當?shù)剡x擇頻率 ， 其影響不大 。 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 。 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 。 如圖是擴大了的零點殘余電壓的輸出特性 。 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。 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 。 ② 高次諧波 。 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(chǎn)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 。 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 。 并應經(jīng)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 。 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，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。 e2 +x x 2 1 0 相敏檢波后的輸出特性 3． 采用補償線路 ① 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)。 圖 (b)中串聯(lián)電阻 R可以調整次級線圈的電阻分量 。 電容 C()可防止調整電位器時使零點移動 。 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 。 （ 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 。 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 。 反之 ，