被测机械量电参数 输出 力学量传感器的种类繁多，应用广泛，主要应用于测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等检测系统。目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。主要种类如下：测量电路2.力敏传感器力敏传感器l应变式传感器应变式传感器l电感式传感器电感式传感器l电容式传感器电容式传感器l压电式传感器压电式传感器2.22.2电感式传感器（变磁阻）电感式传感器（变磁阻）l自感式传感器自感式传感器气隙型、螺管型自感传感器气隙型、螺管型自感传感器自感线圈的等效电路自感线圈的等效电路测量电路测量电路l差动变压器差动变压器结构原理与等效电路结构原理与等效电路误差因素分析误差因素分析测量电路测量电路应用应用l电涡流式传感器电涡流式传感器涡流效应涡流效应 高频反射式电涡流传感器结构与原理高频反射式电涡流传感器结构与原理 输出特性输出特性 测量电路测量电路 应用应用原理：原理：由被测量引起线圈自感或互感变化实现非电量电测。可测参量可测参量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。种类种类：按转换原理分：自感式和互感式按结构型式分：气隙型、面积型和螺管型优点优点：结构简单、可靠，测量力小结构简单、可靠，测量力小衔铁为(0.5200)10-5N时，磁吸力为(110)10-5N。分辨力、灵敏度高分辨力、灵敏度高线位移：0.1m或更小；角位移：0.1角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。重复性、线性度好重复性、线性度好在几十m到数百mm位移范围内，输出线性度较好，较稳定不足不足：存在交流零位信号，不宜用于高频动态测量。一、一、 自感式传感器自感式传感器（一）气隙型自感传感器（一）气隙型自感传感器结构组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。图中点划线表磁路，磁路中空气隙总长度为l 。0.5l123x(a)气隙式(b)变截面式根据磁路知识，线圈自感：N-线圈匝数；Rm-磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻+空气隙磁阻)对于气隙式自感传感器，因气隙较小(l为0.11mm)，可认为气隙磁场均匀，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为：l1-铁芯磁路总长；l2-衔铁磁路长；S-隙磁通截面积； S1-铁芯横截面积；S2-衔铁横截面积；1-铁芯磁导率； 2-衔铁磁导率；0-真空磁导率，0=410-7H/m； l-空气隙总长。由上二式得到：自感传感器的铁芯一般处于非饱和状态，其磁导率远大于空气磁导率，使铁芯磁阻远小于气隙磁阻，所以上式可简化为：可见：1)自感是气隙截面积和长度的函数，即Lf(S,l)；2)若S不变，则L为l的单值函数，构成变隙式自感传感器变隙式自感传感器；3)若保持l不变，S随位移变化，则构成变截面式自感传感器变截面式自感传感器。其特性曲线如下。L=f（S）L=f（l）lLS L=f(l)为非线性关系。当l0时，L为，考虑导磁体磁阻，l为0时，L并不等于，而有一定数值。在l较小时其特性曲线如图中虚线所示。若上下移动衔铁使面积S改变，从而改变L,则Lf(S)的特性曲线为一直线。rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图l（二）（二） 螺管型自感传感器螺管型自感传感器结构形式：单线圈、差动式单线圈螺管型传感器的主要元件：一只螺管线圈、一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感变化。用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。特点：结构简单、工作范围大，非线性严重？。 （三）特性分析（三）特性分析灵敏度灵敏度和线性度线性度以变气隙性为例当铁芯和衔铁用同一种导磁材料，且截面相同时，因气隙l一般较小，可认为气隙磁通截面与铁芯截面相等，设磁路总长为l ，则一般r1，所以：当气隙减少l时：(当ll/r)K=0N 2S，自感的相对变化：同理，总气隙长度增加l时，自感减小为L2，即上式改写为相对变化形式有：若忽略高次项，则自感变化灵敏度为：线性度为：lLL1L2 L0l0当当气气隙隙l变变化化时时，自自感感变变化化与与气气隙隙变变化化呈呈非非线线性性关关系系，其其非线性程度随气隙相对变化量非线性程度随气隙相对变化量l/l的增大而增加；的增大而增加；气隙减少气隙减少l所引起的自感变化所引起的自感变化L1与气隙增加同样与气隙增加同样l所引所引起的自感变化起的自感变化L2并不相等，即并不相等，即L1L2，其差值随其差值随l/l的的增加而增大。增加而增大。结论：差差动动变变气气隙隙式式自自感感传传感感器器:由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成，衔铁3上下移动时，一个线圈的自感增加，另一个的自感减少，形成差动。将这两个差动线圈分别接入测量电桥相邻臂，EUSC1342RR(l-l)/2(l-l)/2当磁路总气隙改变l时，自感相对变化为：灵敏度为：，非线性为：差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍差动式传感器的非线性失真小差动式传感器的非线性失真小当l/l=10时(略去l/lr),单线圈10；差动式1。75502505075100L/mHl/mm10025LD43211234-ll差动气隙式传感器的l/l与l/(lr)的变化受灵敏度和非线性相互矛盾的制约,只能适当选取。一般变隙式差动自感传感器l/l0.10.2时，可使传感器非线性误差在3左右。其工作行程很 小 ,若 l为 2mm,则 行 程 为0.20.5mm；较大行程的位移测量,常用螺管式自感传感器。1线圈I自感特性；2线圈自感特性；3线圈I与差动自感特性；4特性曲线差动式自感传感器的输出特性（四）自感线圈的等效电路（四）自感线圈的等效电路 设自感线圈为一理想纯电感，但实际传感器中包括：线圈的铜损铜损电阻（Rc）、铁铁芯的涡流损损耗电阻（Re）和线圈的分布电容分布电容（C），其等效电路如图。CLRcRe线圈的等效品质因素为：其等效电感的相对变化为： 上式说明：分布电容使传感器的灵敏度变化，在测量测量中若改变电缆长度，则应对传感器的灵敏度重新标定中若改变电缆长度，则应对传感器的灵敏度重新标定。设Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=RRS1=RS2=RS；L1=L2=LE为桥路电源，ZL是负载阻抗。工作时，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z，电桥输出为：交流电桥原理图ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE（五）测量电路（五）测量电路1 1、交流电桥、交流电桥为主要测量电路。为提高灵敏度，改善线性度，自感传感器一般采用差动形式。Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥平衡臂。电桥平衡条件：其输出电压幅值：当ZL时，输出阻抗为： 为自感线圈的品质因数。桥路输出Usc含与电源E同相和正交两个分量。实测中只希望有同相分量，若使 或Q值较大，均能达此目的。实际中RS/RS一般很小，所以要求Q值大。当Q值很高时，Usc ；当Q值很低时，自感线圈感抗远小于电阻，相当于纯电阻(ZRs)，交流电桥即为电阻桥。此时输出电压为：Usc=。 该电桥结构简单，其电阻R1、R2可用两个电阻和一个电位器组成，调零方便。变压器电桥原理图 2 2、变压器电桥、变压器电桥 平衡臂为供电的变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷大时，流入工作臂的电流为：初始Z1=Z2=Z=RS+jL，平衡时，USC=0。双臂工作时，设Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相当于差动式自感传感器的衔铁向一侧移动，则：同理反方向移动时，有Z1Z2USCE/2E/2EI可见：衔铁向不同方向移动所产生的输出Usc大小相等、方向相反，即相位互差180，可反映衔铁移动方向。为了判别交流信号的相位，需接入相敏检波电路。优优点点：相对电阻平衡电桥，变压器桥元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；缺缺点点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。变压器桥的输出电压幅值：输出阻抗为(变压器副边阻抗远小于电感阻抗，略去)： 二、二、 差动变压器差动变压器（一）结构原理与等效电路（一）结构原理与等效电路有气隙型和螺管型两种，目前多采用螺管型差动式。1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243123(a)气隙型(b)螺管型基本元件:衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器的激励，相当于变压器原边，次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。与变压器的不同处：（1）磁路（2）副边连接理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。初级线圈的复数电流值为： e1-初级线圈激励电压L1,R1-初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻激励电压的角频率；e1激励电压的复数值；由于Il，使次级线圈中产生磁通：Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级线圈匝数。e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1，N2为次级线圈匝数。因此空载输出电压：在次级线圈中感应出的电压e21和e22分别为：其幅值为：输出阻抗：或其中，副0e2e2e21e22x副原线圈差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。螺管型线位移差动变压器的结构和输出特性图如下：（二）（二）误差因素分析误差因素分析1 1、激励电压幅值与频率的影响、激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。2 2、温度变化的影响、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒恒流流源源激激励励比恒压源激励有利。适当提提高高线线圈圈品品质质因因数数并采用差差动动电桥可以减少温度的影响。 3 3、零点残余电压、零点残余电压差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零，但实际使用桥式电路时，在零点仍有一个微小电压(从零点几个到数十mV)存在，称为零点残余电压零点残余电压。下图为跨大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；其输入到放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。 0e2x-xe201基波正交分量2基波同相分量3二次谐波4三次谐波5电磁干扰ee1e20e2012345(a)残余电压的波形(b)波形分析tt残余电压波形及分析残余电压波形及分析图中，e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。零点残余电压产生原因零点残余电压产生原因：基基波波分分量量差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此其等等效效电电路路参参数数（互感M、自感L及损耗电阻R）不相同，从而使两个次级绕组的感应电势不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。(次级线圈的电气和结构、材料参数不一致所致次级线圈的电气和结构、材料参数不一致所致)高高次次谐谐波波 高次谐波分量主要由导导磁磁材材料料磁磁化化曲曲线线的的非非线线性性引引起起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致而产生非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激激励励电电流流波波形形失失真真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。 零点残余电压消除方法：零点残余电压消除方法：1 1）从设计和工艺上保证结构对称性）从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的结构对称性，先要提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料，并经过热处理，消除残余应力，提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。 2 2）选用合适的测量线路）选用合适的测量线路 采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且消除衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。e2+x-x210相敏检波后的输出特性 3 3）采用补偿线路）采用补偿线路两个次级线圈感应电压相位不同，用并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改电阻，如图(a)。R的分流作用使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图(b)：串联R可调整次级线圈的电阻分量。e1e2CRe1e2CR(a)(b)调相位式残余电压补偿电路并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位。电容C(0.02F)可防止调整电位器时使零点移动。e1e2CR1R2W电位器调零点残余电压补偿电路R或L补偿电路e1e2L0We1e2R0W(a)(b)接入R0(几百k)或补偿线圈L0(几百匝)。绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压，避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。（三）测量电路（三）测量电路差动变压器输出为交流，与衔铁位移成正比。用交流电表测其输出只反映衔铁位移大小，不能反映移动方向，因此，常用差动整流电路和相敏检波电路测量。1 1）差动整流电路）差动整流电路原理原理：基于半导体二级管单向导通原理解调。 若传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性在f点为“+”，e点为“”，则电流路径是fgdche（图a）。反之，f点为“”，e点为“+”，电流路径是ehdcgf。 可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，R上的电流总是从d到c。同理，可知另一个次级线圈的情况。 总输出电压为USC=eabecd，波形见图（b）。全波整流电路和波形图ttttttttt(b)(a)e1RRcabhgfdeUSC衔铁在零位以下eabeabeabecdUSCecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位 2 2）相敏检波电路）相敏检波电路 使调制电压er和信号e同频同相或反相，且ere, R1=R2=R0,C1=C2,R调平衡，输出电压为UCD。铁芯在零位铁芯在零位,e=0,仅er作用，UCD0；铁铁芯芯上上移移，e0，设e和er同相，er正半周时D1,D2导通，过D1的回路总电势为er+e，过D2的回路总电势为er-e，因此，回路电流i1i2, 使输出UCD=R0(i1i2)0；er负半周，UCD=R0(i4-i3)0；因此，铁芯上移UCD0。Ri1e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4e铁芯下移铁芯下移时，e和er反相位，同理可得UCD0.2mm(视激励频率而定)，铜、铝等可减至70微米。（4 4）测量电路）测量电路n主要有调频式、调幅式及电桥电路1) 1) 调频式电路调频式电路关键：提高振荡器的频率稳定度。当传感器线圈与被测物体间的距离x变化时，线圈的等效电感L发生变化，使振荡器频率改变，鉴频将频率变成电压输出。 图中耦合电阻R用来减小传感器对振荡器的影响，并作为恒流源内阻。 R直接影响灵敏度：R大灵敏度低，R小则灵敏度高；但R过小时，由于对振荡器起旁路作用，会使灵敏度降低。 谐振回路输出电压为高频载波信号，信号小，需高频放大、检波和滤波等环节，使输出信号便于传输与测量。图 调幅式测量电路示意图2）调幅式电路）调幅式电路 当当当当LCLC并联谐振回路调谐在与振荡并联谐振回路调谐在与振荡并联谐振回路调谐在与振荡并联谐振回路调谐在与振荡器频率一致时，阻抗最大，回路电压器频率一致时，阻抗最大，回路电压器频率一致时，阻抗最大，回路电压器频率一致时，阻抗最大，回路电压降最大降最大降最大降最大；传感器接近被测导体时，传感器接近被测导体时，损耗功率增大，回路失谐，输出电压损耗功率增大，回路失谐，输出电压相应变小。在一定范围内，输出电压相应变小。在一定范围内，输出电压幅值与间隙幅值与间隙( (位移位移) )成近似线性关系。成近似线性关系。因输出电压的频率因输出电压的频率ff00始终恒定，因此始终恒定，因此称定频调幅式。称定频调幅式。 当被测导体为软磁材料时，当被测导体为软磁材料时，LL增大增大谐振频率下降（左偏）；为非软磁材谐振频率下降（左偏）；为非软磁材料时，则反之（右偏）料时，则反之（右偏）.图定频调幅谐振曲线定频调幅电路缺点：线路复杂，装调较困难，线性范围不够宽。 （5）涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用被测参数变换量特征位移、厚度、振动（1）非接触测量，连续测量（2）受剩磁的影响。表面温度、电解质浓度、材质判别、速度（温度）（1）非接触测量，连续测量；（2）对温度变化进行补偿应力、硬度（1）非接触测量，连续测量；（2）受剩磁和材质影响探伤可以定量测量1）位移测量）位移测量(a)汽轮机主轴的轴向位移测量示意图(b)磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图(c)金属试件的热膨胀系数测量示意图2） 振幅测量振幅测量(a)汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图(b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图(c)通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近3 3）厚度测量）厚度测量 电涡流式厚度计的测量原理图4 4）转速测量）转速测量 f频率值(Hz)； n旋转体的槽(齿)数；N被测轴的转速(rmin)。5 5） 涡流探伤涡流探伤 n可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。 n综合参数(x, , )的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。 n在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号 a)比较浅的裂缝信号比较浅的裂缝信号b)经过幅值甄别后的信号经过幅值甄别后的信号在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。为获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信为获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过，而将干扰频率信号衰减。号通过，而将干扰频率信号衰减。用涡流探伤时的测量信号用涡流探伤时的测量信号6)高频反射式涡流厚仪高频反射式涡流厚仪图 高频反射式涡流测厚仪测试系统图