使差动变压器铁芯相对线圈产生位移课件

第3章 电感式传感器及其信号调理3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器3.2 3.2 差动变压器差动变压器3.3 3.3 电涡流传感器电涡流传感器3.4 3.4 压磁式传感器压磁式传感器3.5 3.5 电感式传感器的信号调理电感式传感器的信号调理第3章 电感式传感器及其信号调理3.1 自感式传感器3.2 1n电感式传感器是利用非电量的变化引起传感元件线圈自感和互感的变化，从而实现非电量电测量的一种装置。n电感传感器可分为自感式、互感式和涡流式三种类型。电感式传感器是利用非电量的变化引起传感元件线圈自感和互感的变23.1 自感式传感器3.1.1 单线圈自感传感器 自感式传感器亦称变隙式自感传感器或变磁阻式自感传感器，根据铁芯线圈磁路气隙的改变，引起磁路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小。气隙参数的改变可通过改变气隙长度和改变气隙截面积两种方式实现。传感器线圈分单线圈和双线圈两种。3.1 自感式传感器3图3-1单线圈变气隙式长度自感传感器图3-1单线圈变气隙式长度自感传感器4n根据磁路知识，线圈自感L可按下式计算n n与电阻串联类似，串联磁路磁阻为各环节磁阻之和n n实际上由于铁芯工作于非饱和状态，此时铁芯的磁导率远远大于空气的磁导率，因而磁路的总磁阻主要由气隙的磁阻所决定。即可认为根据磁路知识，线圈自感L可按下式计算5n移动衔铁的位置，即可改变气隙的长度，从而引起线圈自感的变化，实现位移到电感量的变化的转换。n设初始气隙为，电感初值为，当衔铁上移时，气隙变为，可知线圈自感的变为 n当 ，将（3-5）用泰勒级数展开移动衔铁的位置，即可改变气隙的长度，从而引起线圈自感的变化，6n当衔铁下移幅度为 时，线圈自感变为 n变气隙长度型传感器 与 呈非线性关系，而且在位移幅度相同但位移方向不同时，所引起的电感变化的绝对量并不完全相同。但在 的前提下，作线性化处理，可得当衔铁下移幅度为 时，线圈自感变为7n其灵敏度为 n非线性误差为 n为提高自感传感器的灵敏度，可减小;n但 的减小又限制了测量范围，而且使非线性加重。其灵敏度为8 自感传感器总要接入测量电路中去，有必要研究传感器相对于测量电路的等效电路。不能把它看成一个理想的纯电感L。实际上：线圈导线存在电阻Rc；传感器中的铁磁材料在交变磁场中一方面被磁化，另一方面形成涡流及损耗，这些损耗可分别用磁滞损耗电阻和涡流损耗电阻Re表示；还存在线圈的匝间电容和电缆线分布电容，二者用C统一表示。自感传感器总要接入测量电路中去，有必要研究传感器9图图3-2 3-2 自感传感器的等效电路自感传感器的等效电路图3-2 自感传感器的等效电路10单线圈自感传感器结构虽然简单，但存在诸多缺陷，技术性能较差：n由于线圈流往负载的电流不可能为零，存在起始电流，衔铁始终受电磁引力，会引起附加误差；n非线性误差较大；n某些客观存在的干扰如电源、温度的波动，都会对输出造成影响。单线圈自感传感器结构虽然简单，但存在诸多缺陷，技术性能较差11n3.1.2 差动自感传感器n双线圈变气隙式自感传感器采用两个线圈激磁，工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动输出，因而称之为差动自感传感器。n差动自感传感器亦有变气隙长度型和变气隙截面积型，由两只完全对称的单线圈自感传感器共用一个活动衔铁而构成。3.1.2 差动自感传感器12图图3-3 3-3 变气隙长度型差动自感传感器变气隙长度型差动自感传感器n设设 ，则两线圈自感，则两线圈自感分别为分别为图3-3 变气隙长度型差动自感传感器设 13图图3-4 3-4 差动自感传感器的输出特性示意图差动自感传感器的输出特性示意图n差动自感传感器的输出特性示意图如图所示。图3-4 差动自感传感器的输出特性示意图差动自感传感器的输出14采用差动结构能带来的好处：将传感器两线圈接入交流电桥的相邻两臂图图3-5 3-5 差动自感传感器接入交流电桥差动自感传感器接入交流电桥采用差动结构能带来的好处：将传感器两线圈接入交流电桥的相邻15n初始时，衔铁处于中间位置，即 ,而 是固定臂，于是电桥平衡，输出电压 =0。n当衔铁偏离中间位置 时，两线圈电感量(或阻抗)一增、一减初始时，衔铁处于中间位置，即 16n此时电桥失衡，有电压输出，输出为n n因为线圈的品质因数很高，n可见，输出信号的幅值与衔铁的位移幅度成正比，其相位取决于位移的方向，若衔铁上移，输出信号与激励电源同相位；若衔铁下移，输出信号与激励电源相位相差180o。此时电桥失衡，有电压输出，输出为17n若只将单线圈自感传感器接入该电桥，不妨设Z1为该单线圈自感传感器，可得 采用差动结构能带来的好处：n理论上消除了零位输出，衔铁所受电磁力平衡；n灵敏度提高一倍；n线性度得到改善(高次项能部分相互抵消)；n差动形式可减弱或消除温度、电源变化及外界干扰等共模干扰的影响。因为这些干扰是以相同的方向、相同的幅度作用在两个线圈上的，所引起的自感变化的大小和符号相同，而信号调理电路实质上是将两个线圈自感的差值转换为电信号。若只将单线圈自感传感器接入该电桥，不妨设Z1为该单线圈自感传18自感传感器直接检测的非电量是微小位移，配合各种敏感元件，它也可完成能够转换为微小位移的其他非电量的检测。图3-6是利用自感传感器测量压力的示意图，可用来测量液位。图图3-6 3-6 利用自感传感器测量压力利用自感传感器测量压力自感传感器直接检测的非电量是微小位移，配合各种敏感元件，它19n图3-7所示为采用差动自感传感器测量压力差的原理结构。若 ，则衔铁处于对称位置，即处于零位，此时有 ；若 时，则下面的电感增大，上面电感减小，压力差与电感变化具有确切对应关系。如果某密闭压力容器内部储存的是具有固定密度的液体，则其底部压力与顶部压力之差和液位之间将具有确切对应关系，则图3-7可用来测量其液位。图3-7所示为采用差动自感传感器测量压力差的原理结构。若 20图图3-7 3-7 采用差动自感传感器测量压力差采用差动自感传感器测量压力差图3-7 采用差动自感传感器测量压力差21n3.2 差动变压器n3.2.1 工作原理n差动变压器将位移量转换为线圈间互感的变化。n它实质上是种变压器，主要由原边绕组、副边绕组和铁芯组成。n它往往做成差动结构形式，副边两个绕组进行“差接”。在其原边绕组施加激励电压后，由于互感系数变化，副边差接绕组的感应电势将相应地发生变比。n由于它结构简单测量精度较高、测量范围宽，作为位移传感器得到广泛应用。其中螺管式差动变压器是差动变压器的主要结构形式。3.2 差动变压器22图图3-8 3-8 螺管式差动变压器结构示意图螺管式差动变压器结构示意图图3-8 螺管式差动变压器结构示意图23差动变压器主要由线圈、铁芯组成。线圈由初级线圈和次级线圈组成。线圈中插入圆柱形铁心b。图中所示为三段式差动变压器，即线圈骨架分成三段，中间为初级线圈，上下为次级线圈。线圈绕制方式多为初级在内，次级在外；差动变压器的电气连接方法如图3-9所示，次级线圈和反极性串联。差动变压器主要由线圈、铁芯组成。24图图3-9 3-9 差动变压器的电气连接方法差动变压器的电气连接方法图3-9 差动变压器的电气连接方法25差动变压器的工作原理可以用变压器原理解释，所不同的是一般变压器的磁路是闭合的、而差动变压器的磁路是不闭合的。一般变压器的初次级间的互感系数是常数，差动变压器的初次级之间的互感是随衔铁移动而作相应的变化。差动变压器的工作正是建立在互感变化的基础上。差动变压器的工作原理可以用变压器原理解释，所不同的是一26图图3-10 3-10 差动变压器输出特性曲线差动变压器输出特性曲线实际的差动变压器当铁芯位于线圈中心位置时，输出电压值不为零，而是 ，称为零点残余电压。因此差动变压器的实际输出特性如图3-10(a)中虚线所示。图3-10 差动变压器输出特性曲线实际的差动变压器当铁芯位于27n产生零点残余电压的原因主要有：n1)由于两个次级线圈的绕制在工艺上不可能完全一致，因此它们的等效参数(互感、自感和损耗电阻)不可能完全相等。初级线圈中铜损和铁损的存在以及匝间寄生电容的存在使激励电流与所产生的磁通之间有相位差。上述因素就使两个次级线圈的感应电势不仅数值不等，并且相位也不相同。这是零点残余电压中基波分量产生的原因。n2）由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不致，导致产生非正弦波磁通，从而在次级线圈感应出非正弦波电势，其主要是含三次谐波。这是零点残余电压中所含高次谐波产生的原因。产生零点残余电压的原因主要有：28n零点残余电压的存在，使差动变压器在机械零位附近的灵敏度下降，非线性误差增大，降低了它在零位附近的分辨率。n消除或减小零点残余电压般可采用以下方法：1)设计和加工应尽量保证线圈和磁路对称，结构上可附加磁路调节机构。其次，应选用高导磁率、低矫顽磁力、低剩磁感应的导磁材料，并将导磁体加以热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。在选取磁路工作点时，应使其不工作在磁化曲线饱和区。2)选用合适的测量电路，如相敏检波和差动整流电路，其直流输出不仅可以鉴别铁心位移方向，而且可以减小或消除零点残余电压。零点残余电压的存在，使差动变压器在机械零位附近的灵敏度下降，29n3)采用补偿电路，为常采用的零点残余电压补偿电路原理图。消除零点残余电压的补偿电路有四种：附加串联电阻以消除基波同相成分；附加并联电阻以消除基波正交成分；附加并联电容。改变相移，补偿高次谐波分量；附加反馈绕组和反馈电容，以补偿基波及高次谐波分量。串联电阻的阻值很小，为0.55，并联电阻的阻值为数十到数百千欧；并联电容的数值在数百PF范围。实际数值通常由实验来确定。3)采用补偿电路，为常采用的零点残余电压补偿电路原理图。消30图图3-11 3-11 差动变压器的零位补偿差动变压器的零位补偿图3-11 差动变压器的零位补偿31n3.2.2 输出特性n1 等效电路n忽略实际差动变压器中的涡流损耗、铁损和寄生电容等，其等效电路如图3-12所示。图图3-12 3-12 差动变压器的等效电路差动变压器的等效电路3.2.2 输出特性图3-12 差动变压器的等效电路32可列出如下方程：可列出如下方程：可列出如下方程：33n当铁芯位于中间位置时，当铁芯位于中间位置时，=0 =0n铁芯向上位移时，铁芯向上位移时，n铁芯向下位移时，铁芯向下位移时，当铁芯位于中间位置时，=034n2 灵敏度n指在单位电压激励下，铁心移动单位距离时的输出电压变化量，其量纲为mv/mm/V。一般螺管式差动变压器的灵敏度大于5mV/mm/V。为提高灵敏度，可采取下列措施：增大差动变压器的几何尺寸以提高线圈的Q值。般线圈长度为其直径的1.52.0倍较为合适。适当提高激磁频率。增大铁芯直径，但不应触及线圈骨架；铁芯采用导磁率高、铁损小、涡流损耗小的材料。在不使初级线圈过热的前提条件下当提高激励电压。2 灵敏度35坡莫合金的导磁性能好，但涡流损耗较大，所以对激磁频率为500Hz以上的差动变压器，大多使用铁氧体铁芯；低频激磁时，多采用工业纯铁作铁芯材料。在要求电流输出的场合，宜采用次级线圈匝数较少的差动变压器，以降低其输出阻抗，再选择合适的输出电路，可得到1mV/mm/V的灵敏度。坡莫合金的导磁性能好，但涡流损耗较大，所以对激磁频率为36n3 频率特性n差动变压器的激励频率般在50Hz至10kHz范围。频率太低时，其灵敏度显著降低，由温度和频率波动引起的附加误差增大；但频率太高，其涡流损耗和铁损增加，寄生电容影响加大。根据具体应用场合选择合适的工作频率非常重要。n当负载电阻RL与次级线圈串联时，RL上的输出电压 表示为3 频率特性37n根据（根据（3-193-19）画出差动变压器频率特性如图）画出差动变压器频率特性如图3-3-1313。n当当R RL L远大于差动变压器内阻时，下限截止频率远大于差动变压器内阻时，下限截止频率f fL L为为图图3-13 3-13 差动变压器频率特性差动变压器频率特性根据（3-19）画出差动变压器频率特性如图3-13。图3-138n4 相位n差动变压器的次级电压相对初级电压的相位通常超前几度到几十度。超前相角大小与差动变压器的结构和激磁频率有关。小型、低频者超前角大，大型、高频者超前角小。n5 线性范围n差动变压器铁芯的材质、长度、直径和线圈骨架的形状、大小均对其次级电压与铁芯位移之间关系的线性度有直接影响通常其线性范围约为其线圈骨架长度的110到14。n 通常所说的线性度不仅包括铁芯位移与次级电压关系的线性程度，还要求次级电压的相位角为某固定值。后点住往难于满足。若考虑此因素，差动变压器线性范围约为其线圈骨架长度的110左右。4 相位39n6 温度特性n初级线圈的电阻温度系数对差动变压器的温度特性影响最大。铜导线的电阻温度系数约为0.4%/，对于小型差动变压器且在较低频率下使用，其初级线圈总阻抗中线圈电阻所占比例较大，此时差动变压器的温度系数约为-0.3%/。对于大型差动变压器且使用频率较高时，其温度系数较小，一般约为-0.1%/至-0.05%/。6 温度特性40n3.2.3 典型应用举例n差动变压器直接测量的物理量是铁芯位移，配合相应的敏感元件，它也可用于其它物理量的测量。n图3-14是利用差动变压器测量大型构件如钢梁挠度的示意图。3.2.3 典型应用举例41图图3-14 3-14 利用差动变压器测量大型构件挠度利用差动变压器测量大型构件挠度图3-14 利用差动变压器测量大型构件挠度42图3-15为两种常用的差动变压器测力传感器。图(a)为环形弹性元件，随弹性元件刚度的不同，测力范围为102N106N。图(b)为筒形弹性元件，其特点是输出信号大，线性好，重复性好及漂移小。弹性元件受力产生位移，带动差动变压器的铁芯运动，使两线圈互感发生变化，最后使差动变压器的输出电压产生和弹性元件受力大小成比例地变化。图3-15为两种常用的差动变压器测力传感器。图(a)为环形弹43 （a a）(b)(b)图图3-15 3-15 利用差动变压器测量力利用差动变压器测量力 （a）(b)44n图图3-163-16是另外一种利用差动变压器测量力的方案示意是另外一种利用差动变压器测量力的方案示意图。在该测量方案中采用了反馈原理，反馈是利用力图。在该测量方案中采用了反馈原理，反馈是利用力平衡电路实现的。平衡电路实现的。n差动变压器在力平衡电路中作为零位检测元件使用。差动变压器在力平衡电路中作为零位检测元件使用。当杠杆受到检测力作用时就绕支点偏转，使差动变压当杠杆受到检测力作用时就绕支点偏转，使差动变压器铁芯相对线圈产生位移，于是差动变压器输出电压器铁芯相对线圈产生位移，于是差动变压器输出电压信号；此电压经放大器放大后，再经整流便产生一相信号；此电压经放大器放大后，再经整流便产生一相应的直流电流。该电流流过力平衡线圈，变换成电磁应的直流电流。该电流流过力平衡线圈，变换成电磁力作用于杠杆；此力作为反馈力与被测力共同作用于力作用于杠杆；此力作为反馈力与被测力共同作用于杠杆，使杠杆处于力矩平衡状态，这时流过力平衡线杠杆，使杠杆处于力矩平衡状态，这时流过力平衡线圈的电流则与被测力成比例。在力平衡系统中，杠杆圈的电流则与被测力成比例。在力平衡系统中，杠杆永远处于力平衡状态。在被测力发生变化时，差动变永远处于力平衡状态。在被测力发生变化时，差动变压器的铁芯相对线圈的位移量非常小，因此作为零位压器的铁芯相对线圈的位移量非常小，因此作为零位检测元件使用的差动变压器则要求其灵敏度高、分辨检测元件使用的差动变压器则要求其灵敏度高、分辨力高，而其位移测量范围则很窄，所以此时多采用变力高，而其位移测量范围则很窄，所以此时多采用变气隙式差动变压器。气隙式差动变压器。图3-16是另外一种利用差动变压器测量力的方案示意图。在该测45图图3-16 3-16 利用差动变压器的零位法力测量利用差动变压器的零位法力测量图3-16 利用差动变压器的零位法力测量46n3.3 电涡流传感器n3.3.1 反射式电涡流传感器n与自感传感器、差动变压器相比，电涡流测量原理的特点有二，其一是对导电率、导磁率等物性参数敏感，其二是能够实现非接触测量。n金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，称之为电涡流。这种现象称为涡流效应。电涡流式传感器正是基于这种涡流效应而工作的。3.3 电涡流传感器47图图3-17 3-17 电涡流效应电涡流效应图3-17 电涡流效应48n线圈与导体之间存在磁的联系，若把导电材料看成一个具有内阻的线圈，则图3-17可用图3-18所示的等效电路表示。R1、R2分别为线圈和导电材料的等效电阻，L1、L2分别为线圈和导电材料的等效电感。M为互感参数，表征线圈与导电材料之间磁联系强弱。图图3-18 3-18 电涡流效应的等效电路电涡流效应的等效电路线圈与导体之间存在磁的联系，若把导电材料看成一个具有内阻的线49n由图3-18可列出下列方程n n解上式，可得线圈的等效阻抗n前两项为等效电阻，第三项为等效电抗，第三前两项为等效电阻，第三项为等效电抗，第三项中括号内为等效电感。项中括号内为等效电感。由图3-18可列出下列方程50n品质因数为品质因数为 n金属导体的电阻率金属导体的电阻率、磁导率、磁导率、线圈与金属导、线圈与金属导体之间的距离体之间的距离d d以及线圈激励电流的角频率以及线圈激励电流的角频率等参等参数，都将通过电涡流效应与线圈等效阻抗发生联数，都将通过电涡流效应与线圈等效阻抗发生联系。线圈等效阻抗是这些参数的函数系。线圈等效阻抗是这些参数的函数 n若能保持上述四个参数中的任意三个参数恒定，若能保持上述四个参数中的任意三个参数恒定，则等效阻抗将与第四个参数之间建立一一对应的则等效阻抗将与第四个参数之间建立一一对应的关系，构成了从第四个参数到等效阻抗之间的转关系，构成了从第四个参数到等效阻抗之间的转换关系。换关系。品质因数为51n利用位移d作为变换量，可以非接触的测量位移、厚度、振动、转速等，也可做成接近开关等。图3-19为电涡流位移传感器的几种具体应用。图图3-19 3-19 电涡流位移传感器的几种具体应用电涡流位移传感器的几种具体应用利用位移d作为变换量，可以非接触的测量位移、厚度、振动、转速52n图3-20为利用电涡流传感器测量转速的电路框图。在被测对象上开一个凹槽，靠近轴表面安装电涡流探头。每当轴转动到如图示位置，电涡流探头感受到轴表面的位置变化，传感器激励线圈的电感随之改变，轴转一圈，变化一次，振荡器的频率变化一次。通道检波器转换成电压的变化，从而得到与转速成正比的脉冲信号。来自传感器的脉冲信号经整形后，由频率计得到频率值，再转换成转速。图3-20为利用电涡流传感器测量转速的电路框图。在被测对象上53图图3-20 3-20 利用电涡流传感器测量转速利用电涡流传感器测量转速图3-20 利用电涡流传感器测量转速54 图3-21是电涡流式传感器用于检测金属镀膜厚度的原理图。设没有膜时，传感器探头与金属表面距离为，有膜时距离变成，所以膜厚为。膜的厚度不同，消耗磁场能量不同，导致探头的等效阻抗变化，从而引起转换电路的输出电压变化，根据输出电压的变化可知金属镀膜厚度的变化。图3-21是电涡流式传感器用于检测金属镀膜厚度的原理图。55图图3-21 3-21 利用电涡流传感器测量金属镀膜厚度利用电涡流传感器测量金属镀膜厚度图3-21 利用电涡流传感器测量金属镀膜厚度56n接近开关在自动控制系统中得到普遍应用，量大面广。图3-22是电涡流式接近开关的电路框图。将绝缘励磁线圈作为振荡电路的一部分，若振荡器有效阻抗产生变化，振荡器的振荡频率也要发生变化。经过检波器转换成的电压与比较器提供的电压相比较：如果不相等，就会产生1个计数脉冲。接近开关在自动控制系统中得到普遍应用，量大面广。图3-22是57图图3-22 3-22 电涡流式接近开关电涡流式接近开关图3-22 电涡流式接近开关58n利用作为变换量，可以非接触的测量温度、判别材质。例如可以用来构成金属探测器，探测地下金属管线的有无和走向；利用作变换量，可以非接触的测量应力、硬度等；利用变换量d、等综合影响可以制成探伤装置等。例如可以用来探测钢丝绳内部有无断丝、在什么位置断丝、断丝程度如何等。n这种利用传感器激励线圈产生的交变磁场H1在金属导体表面形成涡流环，涡流环所产生的磁场H2反过来抵消激励磁场H1，从而引起传感器线圈等效阻抗改变的传感器称为反射式电涡流传感器。利用作为变换量，可以非接触的测量温度、判别材质。例如可以用59n由于趋表效应的缘故，电涡流只能在金属导体靠近激由于趋表效应的缘故，电涡流只能在金属导体靠近激励线圈一侧的表面薄层内形成，电涡流轴向渗透励线圈一侧的表面薄层内形成，电涡流轴向渗透(贯贯穿穿)深度为深度为 上式说明，激励频率越高，涡流轴向渗透深度越小，上式说明，激励频率越高，涡流轴向渗透深度越小，反射效应相对越强。因此反射式电涡流传感器多用较反射效应相对越强。因此反射式电涡流传感器多用较高频率的激励源。高频率的激励源。n由于线圈产生的磁场在金属导体内不可能波及无限大由于线圈产生的磁场在金属导体内不可能波及无限大的区域，因此电涡流形成区有一定范围，基本上在内的区域，因此电涡流形成区有一定范围，基本上在内径为径为2r2r，外径为，外径为2R2R，厚度为，厚度为h h的矩形截面圆环内。电的矩形截面圆环内。电涡流区大小与激励线圈外径涡流区大小与激励线圈外径D D的关系近似为的关系近似为 n因此被测金属导体的表面不应少于激励线圈外径的两因此被测金属导体的表面不应少于激励线圈外径的两倍，否则将不能全部利用所能产生的电涡流效应，致倍，否则将不能全部利用所能产生的电涡流效应，致使灵敏度降低。使灵敏度降低。由于趋表效应的缘故，电涡流只能在金属导体靠近激励线圈一侧的表60n3.3.2 透射式电涡流传感器n透射式电涡流传感器由发射线圈L1、接收线路L2和位于两线圈中间的被测金属板组成，如图3-23所示。图图3-23 3-23 透射式电涡流传感器透射式电涡流传感器3.3.2 透射式电涡流传感器图3-23 透射式电涡流传感器61n 幅值可表示为n n 与金属板厚度的关系如图3-24所示。n可利用 来反映金属板的厚度。由图可见，激励频率较低时，线性度较好，因此应选择较低的激励频率(通常为1kHz左右)。可见，厚度较小时，高频激励特性曲线斜率较大，灵敏度较高，因此测薄板时应选相对厚板较高的激励频率。幅值可表示为62图3-24 不同激励频率下 与金属板厚度的关系图3-24 不同激励频率下 与金属板厚度63n3.4压磁式传感器n某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变，这种现象称为压磁效应。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形，有些伸长，有些则压缩，这种现象称为“磁致伸缩”。当某些材料受拉时，在受力方向上磁导率增高，而在与作用力相垂直的方向上磁导率降低，这种现象称为正磁致伸缩；与此相反的称为负磁致伸缩。3.4压磁式传感器64n实验证明，只有在一定条件下(如磁场强度恒定)压磁效应才有单一特性，但不是线性关系。就同一种铁磁材料而言，在外界机械力的作用下，磁导率的改变与磁场强度有着密切的关系。当磁场较强时，磁导率随外界力的增加而减小，而当磁场较弱时则与相反的结果。n铁磁材料的压磁应变灵敏度S为实验证明，只有在一定条件下(如磁场强度恒定)压磁效应才有单一65n利用上述关系可以制成压磁传感器，常用来测量压力、拉力、扭转力(或力矩)。这种传感器的输出电参量为电阻抗或是二次绕组的感生电动势，变换链为机械力应力磁导率磁阻电阻抗或感应电势。图3-25为一种压磁式力传感器示意图。存在如下关系利用上述关系可以制成压磁传感器，常用来测量压力、拉力、扭转力66图图3-25 3-25 压磁式力传感器结构形式之一压磁式力传感器结构形式之一图3-25 压磁式力传感器结构形式之一67在外力作用下导磁体多数表现为各向异性特性。利用此特性也可以制成另一种形式的压磁式力传感器，如图3-26所示。图图3-26 3-26 压磁式压力传感器结构形式之二压磁式压力传感器结构形式之二在外力作用下导磁体多数表现为各向异性特性。利用此特性也可以制68n3.5 电感式传感器的信号调理n3.5.1 交流电桥n普通的交流电桥包括平衡电桥和不平衡电桥，被用来测量阻抗参数，理所当然的可以将电感传感器的感抗参数变化转换成电压信号。关于交流电桥，已经在电阻传感器的信号调理中予以介绍，此处不再重复。3.5 电感式传感器的信号调理69图图3-273-27是是另另一一种种形形式式的的交交流流电电桥桥变变压压器器式式电电桥。桥。图图3-27 3-27 变压器式电桥变压器式电桥图3-27是另一种形式的交流电桥变压器式电桥。图3-2770n假定O点为零电位，且传感器线圈为高Q值，即线圈电阻远远小于其感抗，即，则可以推导其输出特性公式为n n在初始位置，即衔铁位于差动电感传感器中间时，由于两线圈完全对称，因此 。此时桥路平衡，即 。假定O点为零电位，且传感器线圈为高Q值，即线圈电阻远远小于其71n当衔铁下移时，下线圈阻抗增加，即 ，而上线圈阻抗减少，为 ，此时输出电压为n n因为在Q值很高时，线圈内阻可以忽略，所以当衔铁下移时，下线圈阻抗增加，即 ，而上线圈阻抗减72n同理衔铁下移时，可推导出同理衔铁下移时，可推导出n综合前面两式得综合前面两式得n n由上式可见，衔铁上移和下移时，输出电压相由上式可见，衔铁上移和下移时，输出电压相位相反，且随位相反，且随 的变化输出电压也相应地改的变化输出电压也相应地改变。据此，经适当电路处理可判别位移的大小变。据此，经适当电路处理可判别位移的大小及方向。及方向。同理衔铁下移时，可推导出73n3.5.2 3.5.2 调幅、调频与调相电路调幅、调频与调相电路n图图3-283-28为将感抗变化转换为交流信号幅值的电为将感抗变化转换为交流信号幅值的电路，称为调幅电路。路，称为调幅电路。图图3-283-28调幅电路调幅电路3.5.2 调幅、调频与调相电路图3-28调幅电路74n图图3-293-29为将感抗变化转换为交流信号频率的电为将感抗变化转换为交流信号频率的电路，称为调频电路。路，称为调频电路。图图3-29 3-29 调频电路调频电路图3-29为将感抗变化转换为交流信号频率的电路，称为调频电路75n把传感器电感把传感器电感L L和一个固定电容和一个固定电容C C接入一个振荡接入一个振荡回路中，其振荡频率回路中，其振荡频率n n当当L L变化时，振荡频率随之变化，根据频率大变化时，振荡频率随之变化，根据频率大小即可测出被测量值。小即可测出被测量值。n图图3-303-30为将感抗变化转换为交流信号相位的电为将感抗变化转换为交流信号相位的电路，称为调相电路。路，称为调相电路。把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率76 （a a）（b b）（c c）图图3-30 3-30 调频电路调频电路 （a）（b）77n调相电路实际上是一个相位电桥，一臂为传感调相电路实际上是一个相位电桥，一臂为传感器器L L，另一臂为固定电阻，另一臂为固定电阻R R。将电感线圈设计成。将电感线圈设计成具有高品质因数。具有高品质因数。与与L L的关系为的关系为n n当当L L有微小变化有微小变化 时，所引起的输出电压相时，所引起的输出电压相位变化位变化 为为n 调相电路实际上是一个相位电桥，一臂为传感器L，另一臂为固定电78n3.5.3 相敏整流电路n自感传感器接入交流电桥等信号调理电路后，输出一个交流电压，其幅值取决衔铁运动的幅度，其相位取决于衔铁运动的方向。对差动变压器、电涡流传感器也有类似情况。此交流电压信号往往输入一个被称之为“相敏整流电路”的环节。n相敏整流电路的功能是将交流电压的幅值转换为直流电压的幅值，而将交流电压的相位转换为直流电压的极性，即该整流电路对被整流交流电压的相位“敏感”。n图3-31为相敏整流电路原理图。3.5.3 相敏整流电路79图图3-31 3-31 相敏整流电路相敏整流电路图中，四个性能相同的二极管以同一方向串联成图中，四个性能相同的二极管以同一方向串联成一个闭合回路，形成环形电桥。一个闭合回路，形成环形电桥。图3-31 相敏整流电路图中，四个性能相同的二极管以同一方向80n（1）当正位移时n1)载波信号为上半周（0）n2）载波信号为下半周（2）n结论：当衔铁在零点以上移动、与同频同相时，不论载波是正半周还是负半周，在负载电阻上得到的电压始终为正。（1）当正位移时81n（2 2）当负位移时）当负位移时n1 1）载波信号为上半周（载波信号为上半周（0 0）n2 2）载波信号为下半周（载波信号为下半周（22）n结论：当衔铁在零点以下移动、与同频反相时，不论载波结论：当衔铁在零点以下移动、与同频反相时，不论载波是正半周还是负半周，在负载电阻上得到的电压始终为负。是正半周还是负半周，在负载电阻上得到的电压始终为负。n综上所述，经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位综上所述，经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。输出特性曲线为过零点的一条直线，负表明位移的方向。输出特性曲线为过零点的一条直线，见图见图3-323-32。图图3-32 3-32 电感传感器经相敏检波后的输出特性电感传感器经相敏检波后的输出特性（2）当负位移时图3-32 电感传感器经相敏检波后的输出特性82n3.5.4 3.5.4 单片差动变压器信号调节电路单片差动变压器信号调节电路AD598AD598n1 AD5981 AD598信号调节器的基本特点及主要技术指标信号调节器的基本特点及主要技术指标nAD598AD598是一种完整的单片式线位移差动变压器是一种完整的单片式线位移差动变压器(LVDT)(LVDT)信号信号调节系统。调节系统。AD598AD598与与LVDTLVDT配合，能够将配合，能够将LVDTLVDT的机械位置转的机械位置转换成单极性或双极性输出的高精度直流电压。换成单极性或双极性输出的高精度直流电压。AD598AD598将所将所有的电路功能都集中在一块芯片上，只要增加几个外接无有的电路功能都集中在一块芯片上，只要增加几个外接无源元件，就能确定激磁频率和输出电压的幅值。在芯片内源元件，就能确定激磁频率和输出电压的幅值。在芯片内部，部，AD598AD598将将LVDTLVDT处理的次级输出信号按比例地转换成直处理的次级输出信号按比例地转换成直流信号。流信号。nAD598AD598内部主要由初级激励信号产生部分和次级传感信号内部主要由初级激励信号产生部分和次级传感信号调理部分组成，前者包括用来产生调理部分组成，前者包括用来产生LVDTLVDT初级激磁信号的低初级激磁信号的低失真正弦波振荡器及其输出放大器，后者包括接收失真正弦波振荡器及其输出放大器，后者包括接收LVDTLVDT次次级输出的二个正弦信号的输入级、除法器、滤波器及其输级输出的二个正弦信号的输入级、除法器、滤波器及其输出放大器，其中除法器的功能是将来自出放大器，其中除法器的功能是将来自LVDTLVDT次级的这二个次级的这二个信号之差除以这二个信号之和。信号之差除以这二个信号之和。3.5.4 单片差动变压器信号调节电路AD59883图图3-33 AD5983-33 AD598功能框图功能框图图3-33 AD598功能框图84nAD598AD598信号调节器的基本特点如下：信号调节器的基本特点如下：n AD598 AD598提供了一个用单片器件解决提供了一个用单片器件解决LVDTLVDT信号调节问信号调节问题的方案，它只要求外接几个无源元件。题的方案，它只要求外接几个无源元件。n AD598 AD598能够适用于多个不同类型的能够适用于多个不同类型的LVDTLVDT，因为，因为AD598AD598的输入电压、输出电压、频率适应范围都很宽。的输入电压、输出电压、频率适应范围都很宽。AD598AD598的输出电压达的输出电压达24Vrms24Vrms，它能够直接驱动，它能够直接驱动LVDTLVDT的的初级激磁线圈；接受的初级激磁线圈；接受的LVDTLVDT的次级输出电压可以低于的次级输出电压可以低于100mVrms100mVrms。n LVDT LVDT的激磁信号频率的激磁信号频率20Hz20Hz20kHz20kHz，它决定于，它决定于AD598AD598的外接电容的外接电容C1C1。AD598AD598所接受的所接受的LVDTLVDT次级输出信次级输出信号不需要与初级驱动信号同步，这意味着可以采用外号不需要与初级驱动信号同步，这意味着可以采用外部激磁信号。部激磁信号。n AD598 AD598采用比率译码方案，避免了次级对初级的相采用比率译码方案，避免了次级对初级的相移、变压器中点电压对性能的影响。移、变压器中点电压对性能的影响。AD598信号调节器的基本特点如下：85n AD598 AD598可以同时驱动多个可以同时驱动多个LVDTLVDT。当消耗功率。当消耗功率超过允许值时，激磁输出有过热保护。超过允许值时，激磁输出有过热保护。n 由于线路不受相移或信号幅值大小的影响，由于线路不受相移或信号幅值大小的影响，使得使得AD598AD598能够通过电缆驱动能够通过电缆驱动9090米以外的米以外的LVDTLVDT正常工作。正常工作。AD598AD598的输出直流电压能够通过电的输出直流电压能够通过电缆传输到缆传输到300300米以外的地方。米以外的地方。n AD598 AD598的输入输出关系为的输入输出关系为 AD598可以同时驱动多个LVDT。当消耗功率超过允许值86nAD598AD598的主要技术指标如下：的主要技术指标如下：n 总误差：总误差：0.60.6n 输出电压范围：最小输出电压范围：最小11V11Vn 输出电流：最小输出电流：最小6mA6mAn 短路保护电流：典型值短路保护电流：典型值20mA20mAn 满度线性误差：典型值满度线性误差：典型值75ppm75ppmn 增益误差：满度增益误差：满度0.40.4n 激磁电压抑制：激磁电压抑制：100ppm100ppmdBdBn 激磁输出特性：激磁电压范围激磁输出特性：激磁电压范围2.12.12.4V2.4V；激磁输出电流；激磁输出电流30mA30mA；激磁输出短路电流；激磁输出短路电流60mA60mA；激磁信号频率；激磁信号频率20Hz20Hz20kHz20kHzn 输入信号特性：输入信号范围输入信号特性：输入信号范围0.10.13.5V3.5V；输入阻抗；输入阻抗200k200k；n 电源电压范围：当要求输出电压电源电压范围：当要求输出电压10V10V时，采用双电源，工时，采用双电源，工作电压为作电压为13V13V；当要求输出电压；当要求输出电压0 010V10V或或0 010V10V时，采用时，采用单电源，工作电压为单电源，工作电压为17.5V17.5V。AD598的主要技术指标如下：87n2 AD5982 AD598信号调节器的使用方法信号调节器的使用方法nAD598AD598可以采用双电源供电，也可采用单电源可以采用双电源供电，也可采用单电源供电，其双电源供电基本接线方法如图供电，其双电源供电基本接线方法如图3-343-34所所示。示。2 AD598信号调节器的使用方法88图图3-34 AD5983-34 AD598双电源供电方式时的基本接线图双电源供电方式时的基本接线图图3-34 AD598双电源供电方式时的基本接线图89n有关有关AD598AD598在使用过程中的参数选择与注意事项如下：在使用过程中的参数选择与注意事项如下：n 首先需要确定首先需要确定LVDTLVDT位移测量系统所要求的机械频带位移测量系统所要求的机械频带f fSYSSYS，例，例如：如：f fSYS=250HzSYS=250Hz。n 选择选择LVDTLVDT的最低激磁频率的最低激磁频率fEXCfEXC。一般选择。一般选择fSYSfSYS的的1010倍频作为倍频作为激磁频率，即激磁频率，即f fEXC=10EXC=10f fSYSSYS。这里激磁频率。这里激磁频率f fEXE=250Hzl0=2.5kHzEXE=250Hzl0=2.5kHz。n 根据激磁频率根据激磁频率2.5kHz2.5kHz再来选择合适的再来选择合适的LVDTLVDT。例如，。例如，SchaevitzSchaevitz公司的公司的El00El00型型LVDTLVDT的激磁频率范围为的激磁频率范围为50Hz50Hz到到10kHz10kHz，对本例是合适的。对本例是合适的。n 确定确定LVDTLVDT次级电压次级电压VAVA和和VBVB之和。根据生产厂家提供的产品说之和。根据生产厂家提供的产品说明明(E100(E100是是3Vrms)3Vrms)，按照典型驱动电平，激励，按照典型驱动电平，激励LVDTLVDT。当铁心移动。当铁心移动到中心位置时，理论上到中心位置时，理论上VA=VBVA=VB，实际上，实际上VAVBVAVB，存在零位误差，存在零位误差，测量测量VAVA、VBVB的电压，并且计算的电压，并且计算VAVA和和VBVB的和。对于的和。对于E100E100来讲，来讲，VAVAVBVB2.7V2.7V，根据这个结果就可以确定，根据这个结果就可以确定AD598AD598的输出电压。的输出电压。n 确定确定LVDTLVDT激磁电压的最佳值。在激磁电压的最佳值。在LVDTLVDT加上激磁电压加上激磁电压VPRIVPRI后，后，将铁心移动到机械的满量程位置，并且测出次级的最大输出电将铁心移动到机械的满量程位置，并且测出次级的最大输出电压压VSECVSEC。有关AD598在使用过程中的参数选择与注意事项如下：90n3 AD5983 AD598的典型应用举例的典型应用举例 n在工程中往往需要采用多路测量系统来测量某在工程中往往需要采用多路测量系统来测量某一个平面上各点的变形或相邻物体之间的距离，一个平面上各点的变形或相邻物体之间的距离，此时可考虑采用多只此时可考虑采用多只LVDTLVDT实现。当多路实现。当多路LVDTLVDT系系统工作时，如果各统工作时，如果各LVDTLVDT的激磁信号频率相同，的激磁信号频率相同，则可避免分布磁场之间的耦合问题，测量结果则可避免分布磁场之间的耦合问题，测量结果更精确。更精确。3 AD598的典型应用举例 91图图3-36 3-36 多多LVDTLVDT测量系统接线原理图测量系统接线原理图图3-36 多LVDT测量系统接线原理图92