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项目三 电感式传感器的应用
一、教学目标
1.了解电感式传感器的分类。
2.熟悉电感式传感器的结构。
3.掌握各类电感式传感器的工作原理。
4.掌握差动变压器测量直线位移的方法。
二、课时分配
本项目共2个任务，本项目安排4课时。其中理论课时2课时，实践课时2课时。
三、教学重点
通过本项目的学习，让学生了解电感式传感器的分类，熟悉电感式传感器的结构，掌握各类电感式传感器的工作原理和差动变压器测量直线位移的方法。
四、教学难点
1.能识别各类差动变压器。
2.能根据任务要求，正确安装差动变压器。
3.正确完成差动变压器测量直线位移的电路接线。
4.正确测量直线位移并且读数正确。
五、教学内容
任务一 差动变压器在位移检测中的应用
知识链接
一、自感式电感传感器
1.工作原理
如图所示，闭合磁路式自感传感器一般有铁芯、衔铁和线圈三部分构成。
闭合磁路式自感式传感器结构
2.自感式电感传感器常见形式
自感式电感传感器常见形式有变气隙式、变截面式和螺线管式，如图所示。
自感式传感器结构
（1）变气隙式电感传感器
当被测量变化时，使衔铁产生位移，改变气隙的大小，引起电感线圈的自感量L变化，如下图（a）所示，所以这类传感器被称为变气隙式电感传感器。当线圈的匝数N确定之后，并且气隙截面积A保持不变的情况下，自感量L是气隙厚度δ的函数，即L=f(δ)。自感量L与气隙厚度δ成反比关系，所以这种传感器的输入输出为非线性关系。变气隙式电感传感器的δ越小，灵敏度越高，实际的输出特性只有在很小的一段区域接近线性，故只能用于微小位移的测量。
（2）变截面式电感传感器
由下图（b）可以看出，变截面式传感器是通过被测物体带动衔铁的转动，使气隙的有效截面积发生变化，导致自感量发生变化，所以只要能测出这种自感量的变化，就能确定衔铁转动的角位移的大小和方向。线圈匝数N和气隙厚度δ为常数时，变截面式电感传感器的电感量L与气隙有效截面积A成正比关系，所以理论上说变截面式电感传感器的输入输出的关系是线性的，但是由于漏感等原因，实际的输出特性曲线的线性区较小，而且当A=0时，L并不为零，还是存在较大的电感，如下图（b）所示。
电感式传感器的输出特性
1—实际输出特性2—理想输出特性
（3）螺线管式电感传感器
单线圈螺线管式电感传感器，其主要元件是一个螺线管和一根柱形衔铁。传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺线管电感的变化。
这种传感器结构简单，制作容易，但是灵敏度稍低，且衔铁在螺线管中间部分工作时，才有希望获得较好的线性关系。螺线管电感传感器适用于测量稍大一点的位移（毫米级）。
3.差动式电感传感器
由于以上三种电感传感器使用时有可能受到外界的电压、温度变化的影响，产生测量误差，所以在实际应用中常采用差动形式，就是两个结构、材料、尺寸、电气参数等完全相同的电感式传感器，共用一根活动衔铁，如图所示。
差动式电感传感器结构
差动线圈2—铁芯3—衔铁4—测杆5—工件
以变气隙式差动电感传感器为例，活动衔铁位于中间位置，δ1=δ2=δ0，当活动衔铁偏离中间位置时，两个气隙一个增加，一个减小，差动输出，导致自感的变化量为原来的两倍，故灵敏度比原来提高一倍。从下图可以看出，与单个线圈的电感传感器相比，采用差动形式还可以改善线性度，并且可减轻外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相抵消，减小了测量误差。
变气隙式差动变压器的输出特性
1—上线圈特性2—下线圈特性3—L1、L2差按后的特性
4.测量转换电路
（1）交流电桥
为了提高灵敏度，改善线性度，自感线圈一般接成差动形式，如图（a）所示。Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥的平衡臂。当衔铁开始偏离中间位置时，Z1≠Z2，电桥输出电压，该电压信号与衔铁的位移成正比。
交流电桥
如上图（b）所示的是变压器电桥。电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂，另外两个臂是交流变压器次级线圈，各占1/2，交流供电。
（2）相敏检波电路
由于交流电压表不能直接指示电桥输出电压的相位，故不能确定衔铁的位移方向。通常将交流电桥中引入相敏检波电路，将交流输出电压转换成直流电压输出，再使用直流电压表检测输出电压。从下图中可以看到，当衔铁位于中间位置时，输出电压并不为零，而是一个很小的电压值，称为零点残余电压。采用相敏检波电路之后，就可以消除零点残余电压。
输出特性曲线1—理想特性曲线2—实际特性曲线
二、差动变压器式电感传感器
差动变压器式电感传感器的结构形式也有变气隙式、变截面式和螺线管式等多种。
差动变压器式传感器结构
1—一次绕组2—二次绕组
3—衔铁4—顶杆
在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器， 它可以测量1～100 mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。常见的差动变压器如图所示。
常见的差动变压器
1.工作原理
如图所示，当一次线圈加入激励电源后，其二次线圈会产生感应电动势。当衔铁处于中间位置，互感系数相等，两个线圈的互感M1=M2=M0, U21=U22。两个二次绕组反向串联，因而差动变压器输出电压U0=0，属于平衡位置。当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，互感系数不等，两个线圈的电感一个增加，一个减少，形成差动形式，因此M1、 M2不再相等，经测量电路转换成一定的输出电压值。衔铁移动方向不同，输出电压的相位也不同。
差动变压器原理图
从下图中可以看出差动变压器的输出特性与差动电感式传感器通过交流检测电桥输出相似，大小相等、方向相反，即相位互差180°，而且存在零点残余电压，所以为了反映衔铁的移动方向，消除零点残余电压，要使用相敏检波电路。除了采用相敏检波电路分辨衔铁的移动方向，还可以采用差分整流电路。
差动变压器的输出特性
1—理想输出特性2—实际输出特性
2.差分整流电路
为了达到分辨衔铁的移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，差动变压器式传感器采用相敏检波电路和差分整流电路。
差分整流电路是将差动变压器的两个二次绕组的输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。差分整流电路一般分成电压输出型和电流输出型，这两大类均可以分成半波输出和全波输出两类，如图所示。
差分整流电路
任务二 电涡流传感器在转速检测中的应用
知识链接
一、电涡流传感器的工作原理
1. 涡流效应
根据法拉第电磁感应定律，将金属导体置于变化的磁场中，导体表面就会有感应电流产生，电流的流线在导体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的漩涡状感应电流称为涡流，这种现象称为涡流效应。
与涡流效应有关的应用
2. 电涡流传感器工作原理
当高频（100 kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体的电感线圈L1时，将产生高频交变磁场H1。如图所示
被测导体置于交变磁场H1中，被测导体就产生电涡流i2。
i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，只集中在金属表面，因此被称为集肤效应。信号源的频率越高，集肤效应在金属表面就越浅。
电涡流传感器原理图
3.电涡流传感器的等效阻抗分析
根据楞次定律，由涡流产生的磁场H2的反作用必然削弱线圈的磁场H1。由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的涡流效应。
实验证明：电涡流传感器的阻抗与金属导体的电阻率σ、磁导率μ、金属导体的形状、表面因素r、线圈与金属导体的距离x、信号源频率f以及交变励磁电流i1有关，即Z=R+jω L=f（i1,f,μ,σ,r,x）。
如果保持i1、μ、σ、r、x不变，电涡流线圈的阻抗就是信号源频率的单值函数，即Z=f（f）,并且由于集肤效应，f越低，检测深度越深。保持 i1、 f、u、σ、r不变，则Z=f（x），电涡流线圈的阻抗只和金属导体和电涡流线圈之间的位移成正比，故可以进行非接触式位移测量。 除了以上的两种检测还可以保持i1、 f、x不变， 检测与σ、r相关的表面温度、表面裂纹等参数，检测与μ有关的材料型号、表面温度等参数。
二、电涡流传感器的结构和特性
1.电涡流传感器的结构
电涡流传感器的传感元件是一只线圈，俗称为电涡流探头。其结构如图所示，用多股较细的绞扭漆包线（能提高Q值）绕制而成，置于探头的端部，外部用聚四氟乙烯等高品质因数塑料密封。
电涡流传感器探头结构
1—电涡流线圈2—探头壳体3—壳体上的位置调节螺纹4—印制线路板
5—夹持螺母6—电源指示灯7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头
2.电涡流传感器的参数
一般厂家生产的电涡流传感器的常见技术参数主要是线性量程、线性范围、灵敏度等，下表为上海航振仪器仪表有限公司生产的HZ891XL系列电涡流位移传感器的部分技术参数。
从表中可以看出电涡流探头的直径越大，检测的线性范围就越大，但是灵敏度越低。
三、电涡流传感器的测量转换电路
1.调幅式电路
如图所示，石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压，用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压U0反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数），所以调幅式电路是通过输出高频信号的幅度来反映电涡流探头与被测金属导体之间的关系。调幅式的缺点就是电压放大器的放大倍数的漂移会影响测量精度，必须采取各种温度补偿措施。
调幅式电路结构
2.调频式电路
如图所示将探头线圈的电感量L与微调电容C0构成LC振荡器，当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将Δf转换为电压ΔU，所以调频式是以振荡器的频率f作为输出量。
调频式电路结构
六、课后作业
完成本项目的项目测评。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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