1 被测机械量被测机械量电参数电参数 输出输出 力学量传感器的种类繁多，应用广泛，主要应用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、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：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22.22.2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l气隙型、螺管型自感传感器气隙型、螺管型自感传感器l自感线圈的等效电路自感线圈的等效电路l测量电路测量电路l差动变压器差动变压器l结构原理与等效电路结构原理与等效电路l误差因素分析误差因素分析l测量电路测量电路l应用应用l电涡流式传感器电涡流式传感器l涡流效应涡流效应l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l输出特性输出特性l测量电路测量电路l应用应用3原理：由被测量引起线圈自感或互感变化实现非电量电测。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：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。可测参量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。品种：按转换原理分：自感式和互感式品种：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，测量力小衔铁为衔铁为(0.5200)10-5N时，磁吸力为时，磁吸力为(110)10-5N。分辨力、灵敏度高分辨力、灵敏度高线位移：线位移：0.1m或更小；角位移：或更小；角位移：0.1角秒。角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。重复性、线性度好重复性、线性度好在几十在几十m到数百到数百mm位移范围内，输出线性度较好，较稳定位移范围内，输出线性度较好，较稳定缺乏：存在交流零位信号，不宜用于高频动态测量。缺乏：存在交流零位信号，不宜用于高频动态测量。4一、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：线圈结构组成：线圈1 1，衔铁，衔铁3 3和铁芯和铁芯2 2等。等。图图中中点点划划线线表表磁磁路路，磁磁路路中中空空气气隙隙总总长长度度为为l 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)5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：6电感传感器的基本工作原理演示电感传感器的基本工作原理演示F F220V准备工作准备工作先看一个实验：将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如下图。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心称为衔铁往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。 7电感传感器的基本工作原理演示电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小F F8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；3)若保持l不变，S随位移变化，构成变截面式自感传感器。其特性曲线如下。9L=fS）L=fl）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。 10rx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、差动式结构形式：单线圈、差动式单单线线圈圈螺螺管管型型传传感感器器的的主主要要元元件件：一一只只螺螺管管线线圈圈、一一根根圆圆柱柱形形铁铁芯芯。传传感感器器工工作作时时，因因铁铁芯芯在在线线圈圈中中伸伸入入长长度度的的变变化化，引引起起螺螺管管线线圈圈自自感感变变化化。用用恒恒流流源源激激励励时时，则则线线圈圈的的输出电压与铁芯的位移量有关。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。特点：结构简单、工作范围大，非线性严重。11 （三特性分析（三特性分析灵敏度和线性度灵敏度和线性度以变气隙性为例以变气隙性为例 当当铁铁芯芯和和衔衔铁铁用用同同一一种种导导磁磁材材料料，且且截截面面相相同同时时，因因气气隙隙ll一一般般较较小小，可可认认为为气气隙隙磁磁通通截截面与铁芯截面相等，设磁路总长为面与铁芯截面相等，设磁路总长为 l l ，那么，那么 一般r1，所以：当气隙减少l时：(当ll/r)K=0N 2S，12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：13若忽略高次项，则自感变化灵敏度为：线性度为：lLL1L2 L0l0当气隙当气隙l变化时，自感变化与气隙变化呈非线性关系；变化时，自感变化与气隙变化呈非线性关系；气气隙隙减减少少l所所引引起起的的自自感感变变化化L1与与气气隙隙增增加加同同样样l所所引起的自感变化引起的自感变化L2并不相等，即并不相等，即L1L2.结论：14差差动动变变气气隙隙式式自自感感传传感感器器:由由两两个个电电气气参参数数和和磁磁路路完完全全相相同同的的线线圈圈组组成成，衔衔铁铁3上上下下移移动动时时，一一个个线线圈圈的的自自感感增增加加，另另一一个个的的自自感感减减少少，形形成成差差动动。将将这这两两个个差差动动线线圈圈分别接入测量电桥相邻臂，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 自感线圈不是一个纯电感，除了电感量L之外，还存在线圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。ReRhCLIoRc自感线圈等效电路Re 铜损电阻；Rc 铁心涡流损耗；Rh 铁心的磁滞损耗；C 分布等效电容线圈 绕组间）。（四自感线圈的等效电路（四自感线圈的等效电路 1、铜损电阻导线直径为d，电阻率为，匝数为N的线圈电阻值为：l 线圈平均匝长。l 线圈铜损电阻仅取决于导线材料及线圈的几何尺寸，与频率无关。对于串联电阻Rc的线圈，在特定频率f下的品质因数Qc：损耗因数l 损耗因数与激励频率成反比。当Rc、L一定时，为一常数。2、涡流损耗电阻Re 由于交变磁场的存在将使铁心中产生涡流，并造成涡流损耗。涡流损耗的平均功率为：f 交变磁化频率； Bm 磁感应强度幅值；V 铁心体积； K 与铁心形状有关的系数；m 铁磁材料电阻率；a 单片厚度或直径。 因Re为一个与电感L并联的电阻，因而：由铁心涡流损耗引起的损耗因数：Ke 与铁心材料、形状有关。l 涡流损耗引起的损耗因数与频率 f 成正比。3、磁滞损耗电阻Rh铁心磁滞损耗功率：（近似经验公式） 与材料有关的瑞利系数； 空气磁导率； S 铁心截面积； l 铁心长度； Hm 磁强度幅值； 铁心材料的相对磁导率。磁滞损耗因数：l 磁滞损耗因数是一个与频率无关的常数，一般很小。4、总损耗因数及品质因数电感线圈总的损耗因数为：DDeff mDhDCDC+ DeDC+ De+ Dh可见，fm是对应于最小的总损耗因数时的最佳频率，且Dc=De。铁心线圈电感的品质因数为总损耗因数的倒数。在 fm处，品质因数的极大值为：第三章第三章 电感式传感器电感式传感器5、并联电容C的影响一般在高频时考虑，可以忽略。24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、交流电桥、交流电桥为为主主要要测测量量电电路路。为为提提高高灵灵敏敏度度，改改善善线线性性度度，自自感感传传感感器器一一般般采采用用差差动动形形式式。Z1、Z2为为工工作作臂臂，即即线线圈圈阻阻抗抗，R1、R2为为电电桥桥平平衡衡臂臂。电电桥桥平平衡衡条条件：件：25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。26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。27变压器电桥原理图 2 2、变压器电桥、变压器电桥 平平衡衡臂臂为为供供电电的的变变压压器器的的两两个个副副边边，当当负负载载阻阻抗抗为为无穷大时，流入工作臂的电流为：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，那么：同理反方向移动时，有Z1Z2USCE/2E/2EI28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：相相对对电电阻阻平平衡衡电电桥桥，变变压压器器桥桥元元件件少少，输输出出阻阻抗抗小小，桥路开路时电路呈线性；桥路开路时电路呈线性；缺缺点点：变变压压器器副副边边不不接接地地，易易引引起起来来自自原原边边的的静静电电感感应应电电压，使高增益放大器不能工作。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)：29 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有气气隙隙型型和和螺螺管管型型两两种种，目目前前多多采采用用螺螺管管型差动式。型差动式。1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁243123(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30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。e2R21R22e21e22e1R1 M1M2L21L22L1I1，31N2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，32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：33（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激励励电电源源电电压压幅幅值值的的波波动动，会会使使线线圈圈激激励励磁磁场场的的磁磁通通发发生生变变化化，直直接接影影响响输输出出电电势势。而而频频率率的的波波动，只要适当地选择频率，其影响不大。动，只要适当地选择频率，其影响不大。2 2、温度变化的影响、温度变化的影响周周围围环环境境温温度度的的变变化化，引引起起线线圈圈及及导导磁磁体体磁磁导导率率的的变变化化，从从而而使使线线圈圈磁磁场场发发生生变变化化产产生生温温度度漂漂移移。当当线线圈圈品品质质因因数数较较低低时时，影影响响更更为为严严重重，因因而而，采采用用恒恒流流源源激激励励比比恒恒压压源源激激励励有有利利。适适当当提提高高线线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。 34 3 3、零点残余电压、零点残余电压 差差动动变变压压器器的的衔衔铁铁处处于于中中间间位位置置时时，理理想想条条件件下下其其输输出出电电压压为为零零，但但实实际际使使用用桥桥式式电电路路时时，在在零零点点仍仍有有一一个个微微小小电电压压( (从从零零点点几几个个到到数数十十mV)mV)存存在在，称称为为零零点点残残余余电电压。压。 下下图图为为跨跨大大了了的的零零点点残残余余电电压压的的输输出出特特性性。零零点点残残余余电电压压的的存存在在造造成成零零点点附附近近的的不不灵灵敏敏区区；其其输输入入到到放放大大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。 0e2x-xe20351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，图中，e1e1为差动变压为差动变压器初级的激励电压，器初级的激励电压，e20e20包含基波同相成包含基波同相成分、基波正交成分，分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。值较小的电磁干扰等。 36零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差动动变变压压器器两两个个次次级级绕绕组组不不可可能能完完全全一一致致，因因此此其其等等效效电电路路参参数数互互感感M、自自感感L及及损损耗耗电电阻阻R不不相相同同，从从而而使使两两个个次次级级绕绕组组的的感感应应电电势势不不等等。又又因因初初级级线线圈圈中中铜铜损损电电阻阻及及导导磁磁材材料料的的铁铁损损和和材材质质的的不不均均匀匀，线线圈圈匝匝间间电电容容的的存存在在等等因因素素，使使激激励励电电流流与与所所产产生生的的磁磁通通相相位位不不同同。(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)高次谐波 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。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，激励电流波形失真，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。 37 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为保保证证线线圈圈和和磁磁路路的的结结构构对对称称性性，先先要要提提高高加加工工精精度度，线线圈圈选选配配成成对对，采采用用磁磁路路可可调调节节结结构构。其其次次，选选高高磁磁导导率率、低低矫矫顽顽力力、低低剩剩磁磁感感应应的的导导磁磁材材料料，并并经经过过热热处处理理，消消除除残残余余应应力力，提提高高磁磁性性能能的的均均匀匀性性和和稳稳定定性性。由由高高次次谐谐波波产产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。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38 3 3采用补偿线路采用补偿线路两两个个次次级级线线圈圈感感应应电电压压相相位位不不同同，用用并并联联电电容容可可改改变变其其一一的的相相位位，也也可可将将电电容容C C改改电电阻阻，如如图图(a)(a)。R R的的分分流流作作用用使使流流入入传传感感器器线线圈圈的的电电流流发发生生变变化化，从从而而改改变变磁磁化化曲曲线线工工作作点，减小高次谐波所产生的残余电压。点，减小高次谐波所产生的残余电压。图图(b)(b)：串联：串联R R可调整次级线圈的电阻分量。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39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40R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。 41（三测量电路（三测量电路 差差动动变变压压器器输输出出为为交交流流，与与衔衔铁铁位位移移成成正正比比。用用交交流流电电表表测测其其输输出出只只反反映映衔衔铁铁位位移移大大小小，不不能能反反映映移移动动方方向，因而，常用差动整流电路和相敏检波电路测量。向，因而，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：基于半导体二级管单向导通原理解调。原理：基于半导体二级管单向导通原理解调。 若若传传感感器器的的一一个个次次级级线线圈圈的的输输出出瞬瞬时时电电压压极极性性在在f f点点为为“+”“+”，e e点点为为“”“”，则则电电流流路路径径是是fgdchefgdche图图a a）。反之，反之，f f点为点为“”“”，e e点为点为“+”“+”，电流路径是，电流路径是ehdcgfehdcgf。 可可见见，无无论论次次级级线线圈圈的的输输出出瞬瞬时时电电压压极极性性如如何何，R R上上的电流总是从的电流总是从d d到到c c。同理，可知另一个次级线圈的情况。同理，可知另一个次级线圈的情况。 总输出电压为总输出电压为USC=eabUSC=eabecdecd，波形见图，波形见图b b）。）。 42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432、相敏检波电路图为二极管相敏检波电路。图中UR为参考电压，其频率与U0相同，相位与U0同相或反相，并且UR U0，即二极管的导通与否取决于UR，工作原理： (1)衔铁在中间位置时，U0= 0，电流表中无读数。(2)若衔铁向上移动：信号电压U0上正下负为正半周，假定参考电压UR极性为左正右负，此时D1、D2截止，而D3、D4导通，信号电流方向为 BR mA FE D3G D4C电流表的极性是上正下负 同理负半周结果相同(3)当被测量方向变化使衔铁下移时，输出电压U0 的相位与衔铁上移时相反。44（四应用（四应用 测测振振动动、厚厚度度、应应变变、压压力力、加加速速度度等等各各种种物物理理量。量。1 1差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器测测振振动动物物体体频频率率和和振振幅幅时时，激激磁磁频频率率必必须须是是被被测测频频率率的的十十倍以上才有精确结果。可测倍以上才有精确结果。可测0.15mm0.15mm振幅振幅, 0150Hz, 0150Hz振频。振频。 (b)(a)加速度a方向1弹性支承2差动变压器121稳压电源振荡器检波器滤波器220Va输出45 2) 2) 微压力变送器微压力变送器 差差动动变变压压器器与与弹弹性性敏敏感感元元件件膜膜片片、膜膜盒盒和和弹弹簧簧管管等结合，可组成各种形式的压力传感器。等结合，可组成各种形式的压力传感器。1接头2膜盒3底座4线路板5差动变压器6衔铁7罩壳V1234567差动变压器相敏检波电路220V振荡器稳压电源这种变送器可分档测量(5x1056x105)N/m2压力，输出信号电压为(050)mV，精度为1.5级。电感式传感器的应用电感式传感器的应用 位移测量位移测量 轴向式电感轴向式电感 测微器的外形测微器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头47 三、三、 电涡流式传感器电涡流式传感器 当当导导体体置置于于交交变变磁磁场场或或在在磁磁场场中中运运动动时时，导导体体上上引引起起感感生生电电流流ieie，此此电电流流在在导导体体内内闭闭合，称为涡流。合，称为涡流。 涡涡流流大大小小与与导导体体电电阻阻率率、磁磁导导率率以以及及产产生生交交变变磁磁场场的的线线圈圈与与被被测测体体之之间间距距离离x x，线线圈圈激激励励电电流流的的频频率率f f有有关关。若若使使其其中中某某一一参参数数为为被被测测量量或或随随被被测测量量变变化化，而而固固定定其其他参数，则构成测量某种参量的传感器。他参数，则构成测量某种参量的传感器。传传感感器器特特点点：结结构构简简；灵灵敏敏度度高高；频频响响宽宽；不不受受油油污污等等介介质质的的影影响响；可可非非接接触测量。触测量。应应用用：适适用用于于测测量量位位移移、振振动动、厚厚度度、转转速速、温度、硬度等参数，以及无损探伤领域。温度、硬度等参数，以及无损探伤领域。48涡流穿透深度h与激励电流频率f有关，所以根据激励频率有高频反射式或低频透射式两类涡流传感器。其中高频反射式应用广泛。（1）高频反射式电涡流传感器结构高频反射式电涡流传感器结构主主要要由由一一个个装装在在框框架架上上的的扁扁平平圆圆形形线线圈圈构构成成。此此线线圈圈粘贴于框架上，或将导线绕在框架上开的槽沟内。粘贴于框架上，或将导线绕在框架上开的槽沟内。561234CZF1型涡流传感器的结构1线圈2框架(聚四氟乙烯)3衬套4支架5电缆6插头49（2 2） 基本原理基本原理线圈置于金属导体附近：线圈中通以高频信号i1正弦交变磁场H1金属导体内就会产生涡流涡流产生电磁场反作用于线圈,改变了电感电感变化程度取于线圈L的外形尺寸、线圈L至金属板之间的距离、金属板材料的电阻率和磁导率以及i1的频率等。电涡流效应演示 当电涡流线当电涡流线圈与金属板的距圈与金属板的距离离x 减小时，电减小时，电涡流线圈的等效涡流线圈的等效电感电感L 及感抗及感抗XL减小，但等效电减小，但等效电阻阻R 增大。增大。 由于感抗由于感抗XL 的变化比的变化比 R 的变的变化化 大大 得得 多，因多，因而，流过线圈的而，流过线圈的电流电流 i1 增大。增大。 51 把导体中的涡流路径视为一短路线圈，涡流传感器可用下图的等效电路描述。 位移导体与线圈之间的间距x 变化时，互感系数M变化，故输入回路的等效阻抗变化。由电路定律有：解得：线圈的等效电阻、等效电感、品质因数分别为：图 涡流效应等效电路，52涡流影响导致：线圈阻抗的实部增大，虚部减小，品质涡流影响导致：线圈阻抗的实部增大，虚部减小，品质因数下降。阻抗变化部分常称为因数下降。阻抗变化部分常称为“反射阻抗反射阻抗”。传感器线圈的等效电阻、等效电感、品质因数都受互传感器线圈的等效电阻、等效电感、品质因数都受互感感M的影响，可选三个参数中的任一个进行测量。的影响，可选三个参数中的任一个进行测量。导体的电阻率导体的电阻率、导磁率、导磁率、线圈与导体的距离、线圈与导体的距离x以及以及线圈的激励频率线圈的激励频率等参数都通过涡流效应和磁与效应线圈等参数都通过涡流效应和磁与效应线圈阻抗发生联系，线圈阻抗阻抗发生联系，线圈阻抗Z是这些参数的函数是这些参数的函数:改变其中一个参数固定其他参数，可构成测量变化参改变其中一个参数固定其他参数，可构成测量变化参数的传感器。数的传感器。53（3高频反射式的输出特性高频反射式的输出特性电涡流传感器是由线圈和被测金属导体组成的系电涡流传感器是由线圈和被测金属导体组成的系统，其阻抗、电感和品质因素都是该系统互感系数的平方统，其阻抗、电感和品质因素都是该系统互感系数的平方函数。函数。若以若以x为变量，为变量，Z以及以及L,Q都是都是x的非线性函数，只能的非线性函数，只能在一定范围内近似地用线性函数表示。在一定范围内近似地用线性函数表示。说明：随着被测导体靠近，涡流效应使线圈电感量呈现减说明：随着被测导体靠近，涡流效应使线圈电感量呈现减小趋势，但位移对电感量的影响还与被测导体材料有关。小趋势，但位移对电感量的影响还与被测导体材料有关。54 电涡流传感器的灵敏度电涡流传感器的灵敏度 根据被测参数不同有不同的定义。对位移型传感器，根据被测参数不同有不同的定义。对位移型传感器，其灵敏度指单位位移时，传感器的输出电压大小。其灵敏度指单位位移时，传感器的输出电压大小。被测体是电涡流传感器的组成部分，影响其灵敏度：被测体是电涡流传感器的组成部分，影响其灵敏度： 材质的影响：材质的影响：被测导体的电导率越高，灵敏度越高被测导体的电导率越高，灵敏度越高磁性体的灵敏度比非磁性体低磁性体的灵敏度比非磁性体低镀层有影响镀层有影响 大小、形状、厚度的影响大小、形状、厚度的影响对被测体的大小要求对被测体的大小要求:被测体产生涡流环的直径应大于线圈直径的被测体产生涡流环的直径应大于线圈直径的1.8倍倍.被测体形状：被测体形状：被测体为圆柱体时，要求其直径为线圈直径的被测体为圆柱体时，要求其直径为线圈直径的3.5倍以上倍以上被测体厚度：被测体厚度：一般厚度一般厚度0.2mm(视激励频率而定视激励频率而定)，铜、铝等可减至，铜、铝等可减至70微米。微米。55（4 4测量电路测量电路主要有调频式、调幅式及电桥电路主要有调频式、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。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。56 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57 当当当当LCLCLCLC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，；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幅值与间隙幅值与间隙( ( (位移位移位移位移) ) )成近似线性关系。成近似线性关系。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因输出电压的频率因输出电压的频率f0f0f0f0始终恒定，因此始终恒定，因此始终恒定，因此始终恒定，因此称定频调幅式。称定频调幅式。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，当被测导体为软磁材料时，当被测导体为软磁材料时，L LL L增大谐振频率下降左偏）；为非软磁材料增大谐振频率下降左偏）；为非软磁材料增大谐振频率下降左偏）；为非软磁材料增大谐振频率下降左偏）；为非软磁材料时，则反之右偏）时，则反之右偏）时，则反之右偏）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。58 （5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591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602） 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613 3厚度测量厚度测量 电涡流式厚度计的测量原理图624 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)。 635 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 64a)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电涡流式通道安全检查门电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有发射线安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还物体的大小。在安检门的侧面还安装一台安装一台“软软x x光扫描仪，它对光扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。方法，可合成完整的光学图像。