第3章 无源型位移传感器 3.1 电位器式传感器 3.2 应变式传感器 3.3 电容式传感器 3.4 电感式传感器 3.5 电涡流式传感器 3.1 电位器式传感器 3.2 应变式传感器 3.3 电容式传感器 3.4 电感式传感器 3.5 电涡流式传感器 3.6 相敏检波 0755-83376489

3.1 电位器式传感器 　　电位器是人们常用到的一种电子元件， 它作为传感器可以将机械位移或其他能变换成位移的非电量变换为电阻值的变化， 并容易转换成电压的变化。 电位器式传感器具有结构简单， 价格低廉， 性能稳定， 对环境条件要求不高， 输出信号大， 易于转换， 便于维修的优点。 其缺点是存在摩擦， 分辨力有限， 精度不够高， 动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量， 常用作位置信号发生器。 图3-1(a)和(b)分别为直线位移和角位移传感器的外形图。 　 0755-83376489

图3-1 电位器式传感器的外形及电压转换原理图 （a） 直线位移传感器； (b) 角位移传感器； (c) 电位器的位移→电压转换原理图 0755-83376489

3.1.1 电位器式传感器的转换原理 　　根据电工知识，我们很容易理解电位器的电压转换原理。 电位器的位移→电压转换原理如图3-1（c）所示。 设电阻体的长度为l，电阻值为R，两端所加（输入）电压为Ui，则滑动端输出电压为 (3-1) 式中，x为位移量。 0755-83376489

3.1.2 电位器式传感器的结构与类型 　　如图3-2所示，电位器由电阻元件、 电刷、 骨架等组成。 其形式有直滑式和旋转式， 旋转式有单圈和多圈两种。 电刷由触头、 臂、 导向及轴承等装置组成； 触头常用银、 铂铱、 铂铑等金属； 电刷臂用磷青铜等弹性较好的材料； 骨架常用陶瓷、 酚醛树脂及工程塑料等绝缘材料。 电阻元件有线绕电阻、 薄膜电阻、 导电塑料电阻、 导电玻璃釉电阻等。 0755-83376489

（a） 直滑式； (b) 单圈旋转式； (c) 多圈旋转式 图3-2 电位器的原理图 （a） 直滑式； (b) 单圈旋转式； (c) 多圈旋转式 0755-83376489

　　1. 线绕电位器 　　线绕电位器电阻元件由康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻丝绕制， 因而能承受较高的温度， 常被制成功率型电位器， 其额定功率范围一般为0.25～50 W， 阻值范围为100 Ω～100 kΩ。 线绕电位器的突出优点是结构简单， 使用方便； 缺点是分辨率低， 这是由于电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的， 当接触电刷从这一匝移到另一匝时， 阻值的变化呈阶梯式。 0755-83376489

　　2. 非线绕电位器 　　1) 合成膜电位器 　　合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而制成的。 其优点是分辨率较高，阻值范围很宽（100 Ω～ 4.7 MΩ）， 耐磨性较好，工艺简单， 成本低， 线性度好等； 主要缺点是接触电阻大，功率不够大， 容易吸潮， 噪声较大等。 0755-83376489

　　2） 金属膜电位器 　　金属膜电位器由合金、 金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法， 在瓷基体上沉积一层薄膜而制成。 金属膜电位器具有无限分辨力， 接触电阻很小， 耐热性好， 满负荷达70℃。 与线绕电位器相比， 它的分布电容和分布电感很小， 特别适合在高频条件下使用。 它的噪声仅高于线绕电位器。金属电位器的缺点是耐磨性较差， 阻值范围窄，一般在10～100 Ω。 由于这些缺点， 限制了它的使用范围。 　 0755-83376489

　　3) 导电塑料电位器 　　导电塑料电位器又称实心电位器， 这种电位器的电阻是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成的。 导电塑料电位器的耐磨性很好， 使用寿命较长， 允许电刷的接触压力很大， 在振动、 冲击等恶劣环境下仍能可靠工作。 此外， 它的分辨率较高， 线性度较好， 阻值范围大， 能承受较大的功率。 导电塑料电位器的缺点是阻值易受湿度影响， 故精度不易做得很高。 导电塑料电位器的标准阻值有1 kΩ、2 kΩ、5 kΩ和10 kΩ， 线性度为0.1%和0.2%。 　 0755-83376489

　　4） 导电玻璃釉电位器 　　导电玻璃釉电位器又称金属陶瓷电位器， 它是以合金、 金属氧化物或难溶化合物等为导电材料， 以玻璃釉粉为粘合剂， 混合烧结在陶瓷或玻璃基体上制成的。 导电玻璃釉电位器的耐高温性、 耐磨性好， 有较宽的阻值范围， 电阻湿度系数小且抗湿性强。 导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化大、 噪声大、 不易保证测量的高精度。 0755-83376489

3.2 应变式传感器 　　应变式传感器是根据应变原理， 通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化再进行电量测量的装置。 其基本构成如图3-3所示。 0755-83376489

图3-3 应变式传感器原理框图 0755-83376489

（2） 动态响应好，一般电阻应变片响应时间为10-7s， 半导体式应变片响应时间达10-11s；  　　应变式传感器具有以下优点： 　　（1） 测量范围宽、精度高，如测量力可达10-1～106N、 0.05% F.S，测量压力可达10～1011Pa、0.1% F.S，测量应变可达με～kμε级；  　　（2） 动态响应好，一般电阻应变片响应时间为10-7s， 半导体式应变片响应时间达10-11s；  　　(3) 结构简单，使用方便，体积小，重量轻；品种多，价格低， 耐恶劣环境， 易于集成化和智能化。 0755-83376489

金属导体的电阻与材料、长度、截面积和温度有关。在温度一定时， 其电阻定律为 3.2.1 应变效应与应变灵敏度 　　1. 金属导体的电阻应变灵敏度 　　金属导体的电阻与材料、长度、截面积和温度有关。在温度一定时， 其电阻定律为 (3-2） 式中，R为导体的电阻值；l为导体的长度；S为导体的截面积； ρ 为导体的电阻率。 0755-83376489

当沿金属丝长度方向施加力时，其几何尺寸和电阻率都会变化，从而导致电阻值的变化。经证明可得 　　当沿金属丝长度方向施加力时，其几何尺寸和电阻率都会变化，从而导致电阻值的变化。经证明可得 (3-3） 式中，K为应变灵敏度系数。由表3-1可以看出，金属应变片K≈2。 0755-83376489

　　2. 半导体的压阻效应与压阻系数 　　对于半导体材料， 在某一晶向施加一定应力σ时， 其电阻率将产生较大的变化， 而几何尺寸变化很小，这种现象称为压阻效应。 相应的， 半导体应变电阻也常称为压阻元件。 半导体材料压阻灵敏度为 (3-4) 式中，E为半导体材料的弹性模量；πl为半导体材料的压阻系数。 半导体应变片的K约为几十甚至几百， 远大于金属电阻的应变灵敏度。 但其温度稳定性远不如金属电阻应变片。 0755-83376489

3.2.2 电阻应变片 1. 电阻应变片的类型与结构 1） 金属电阻应变片 　　1. 电阻应变片的类型与结构 　　1） 金属电阻应变片 　　金属电阻应变片的类型和结构如图3-4所示， 它有丝式、 箔式和薄膜式。 其中，图（a）为其结构示意图， 敏感栅粘贴在基底上， 上面覆盖保护层。 基底有纸基和胶基两种。 应变片的纵向尺寸为工作长度， 反映被测应变， 其横向应变将造成测量误差。 圆角丝栅横向应变灵敏度高， 误差较大， 但耐疲劳性好， 一般用于动态测量。 直角丝栅横向应变灵敏度小， 因而精度高， 但耐疲劳性差， 适用于静态测量。 0755-83376489

　　箔式电阻应变片是用光刻技术将康铜或镍铬合金箔腐蚀成栅状而成。 其丝栅形状可与应力分布相适应， 制成各种专用应变片。它的电阻值分散度小， 可做成任意形状， 易于大量生产， 成本低， 散热性好， 允许通过大的电流， 灵敏度高， 耐蠕变和耐漂移能力强。 薄膜应变片是采用真空镀膜技术在很薄的绝缘基底上蒸镀金属电阻材料薄膜， 再加上保护层形成的。 其优点是灵敏度高， 允许通过大的电流。 0755-83376489

图3-4 金属电阻应变片 0755-83376489

　　2） 半导体应变片 　　半导体应变片有体型、 薄膜型和扩散型等形式。 图3-5是体型半导体应变片结构示意图， 它由基片1、 条状半导体2、 引线3组成。 体型半导体应变片是直接用单晶锗或单晶硅等半导体材料经过切割、 研磨、 切条、 焊引线、 粘贴等工艺过程制成的。 0755-83376489

图3-5 体型半导体应变片结构示意图 0755-83376489

表3-1 应变片主要技术参数 0755-83376489

选择时主要考虑尺寸、 初始电阻、 绝缘电阻及允许工作电流。  　　2. 应变片的使用 　　1） 电阻应变片的选择 　　选择时主要考虑尺寸、 初始电阻、 绝缘电阻及允许工作电流。  　　（1） 应变片的几何尺寸： 应变片的几何参数主要是指敏感栅基长l、 基宽a和曲率半径r。一般基长l在3～35 mm范围内， 基宽α=0.03～10 mm，圆角丝栅的曲率半径r=0.1～0.3 mm。 0755-83376489

　　（2） 应变片的初始电阻和绝缘电阻： 应变片的初始电阻值R0有60、120、200、350、600或1000Ω的应变片。绝缘电阻是指敏感栅与基底间的电阻，应防止应变片与试件间的漏电而造成误差。  　　（3） 允许工作电流和逸散功率： 通常在测静态量时， 允许电流小于25 mA。在测动态量时，允许电流高一些。 应变片的逸散功率是指当电流通过应变片时， 在温度允许范围内， 单位时间传给周围介质的热量。 0755-83376489

电阻应变片是粘贴在弹性敏感元件上或被测构件上工作的， 传感器的性能在很大程度上取决于粘贴质量。 电阻应变片的粘贴工艺如下： 　　2） 电阻应变片粘贴 　　电阻应变片是粘贴在弹性敏感元件上或被测构件上工作的， 传感器的性能在很大程度上取决于粘贴质量。 电阻应变片的粘贴工艺如下： 　　（1） 试件的表面处理：必须将试件表面处理干净，清除杂质、油污及表面氧化层等。  　　（2） 确定贴片位置： 应变片应贴在试件应变最大的部位。 0755-83376489

粘贴应变片的粘合剂的种类很多，要根据基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性、是否加温加压以及粘贴时间等多种因素合理选择粘合剂。  　　（3） 粘贴：首先用甲苯、四氢化碳等溶剂清洗试件表面和应变片的底面，然后在试件表面和应变片的底面各涂一层薄而均匀的粘合剂，将应变片贴在确定的位置处。贴片后，在应变片上盖上一张玻璃纸并加压，排出多余的胶水和气泡。加压时要注意防止应变片错位。 　　粘贴应变片的粘合剂的种类很多，要根据基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性、是否加温加压以及粘贴时间等多种因素合理选择粘合剂。  　　（4） 固化： 根据所使用的粘合剂的固化工艺要求进行固化处理。 0755-83376489

（5） 粘贴质量检查：检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡和漏贴，敏感栅是否有短路或断路现象以及敏感栅的绝缘性能等。  　　（5） 粘贴质量检查：检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡和漏贴，敏感栅是否有短路或断路现象以及敏感栅的绝缘性能等。  　　（6） 引线的焊接与防护： 检查合格后即可焊接引线， 引线要适当固定。 然后在应变片上涂一层防护层， 防止大气对应变片的侵蚀。 0755-83376489

3.2.3 转换电路 　　1. 电阻电桥的输出电压 　　直流电阻电桥如图3-6（a）、（b）、（c）所示，其初始状态可通过RP1调零。若采用交流电源供电，则称为交流电桥， 如图3-6（d）所示，可通过RP1和RP2调零。当电桥平衡时，输出电压Uo=0。电桥的平衡条件是对边臂电阻乘积相等， 即 R1R3=R2R4 (3-5） 0755-83376489

（a） 单臂； （b） 双臂； (c) 全桥； (d) 交流电桥 图3-6 常用电桥电路 （a） 单臂； （b） 双臂； (c) 全桥； (d) 交流电桥 0755-83376489

由于通常四个电阻不可能刚好满足平衡条件，因此电桥都设置有调零电路。 调零电路是由RP1及R5组成的。当电桥不平衡时， 将有电压输出。 根据电路原理，其输出电压为 （3-6） 　　当四个桥臂电阻R1、R2、R3、R4分别发生ΔR1 、ΔR2 、Δ R3 、ΔR4的变化量时， 式（3-6）分母中将含有变量ΔR项，分子中将含有ΔR2项， 因此电桥为非线性特性。 在满足式（3-5）的条件下，略去分母中的ΔR项和分子中的ΔR2项，并经整理可得 （3-7） 0755-83376489

如图3-6（a）所示，R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻，由式（3-7）和式（3-8）得 　　2. 应变电桥的工作方式 　　对于应变式传感器，其电桥电路可分为全桥、单臂电桥和双臂电桥工作方式。全桥和双臂电桥还可构成差动工作方式。 式（3-7）和式（3-8）为全桥的输出电压表达式。 　　1） 半桥单臂工作方式 　　如图3-6（a）所示，R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻，由式（3-7）和式（3-8）得 　 （3-9） 0755-83376489

如图3-6（b）所示，R1、R2均为电阻应变片，R3、R4为固定电阻，同理可得 　　2） 半桥双臂工作方式 　　如图3-6（b）所示，R1、R2均为电阻应变片，R3、R4为固定电阻，同理可得 （3-10） 0755-83376489

　　3） 差动电桥 　　由式（3-7）可以看出，相邻桥臂间为相减关系， 相对桥臂间为相加关系。因此构成差动电桥的条件为： 相邻桥臂应变片的应变方向应相反，相对桥臂应变片的应变方向应相同。如果各应变片的应变量相等，则称为对称电桥。那么，式（3-10）和式（3-7）可分别改写为 （3-11） （3-12） 0755-83376489

3.3 电容式传感器 3.3.1 电容式传感器的类型与特性 　　在物理学中我们已经知道： 两个彼此绝缘而又靠得很近的导体就组成了一个电容器， 电容量等于极板所带电荷量与极板间的电压之比。 平行金属板间的电容量为 （3-13） 式中，k≈9×109N·m2/C2。 0755-83376489

　　1.改变极板间距离的平板电容式传感器 　　如图3-7（a）所示，设A板为一固定极板，B板为一可动极板，当B板随被测位移x移动时， 两板间距离d就发生变化，从而改变电容量。由图3-7（b）可知其特性为非线性，但若Δd很小时， 则可以近似为线性特性， 而且具有很高的灵敏度（d/d=Δc/c)。如图3-7（c）所示为差动式结构， 可以提高灵敏度、减小非线性。 0755-83376489

(a) 变极距式示意图； (b) 变极距式的特性； (c) 差动式示意图 图3-7 平板电容式传感器 (a) 变极距式示意图； (b) 变极距式的特性； (c) 差动式示意图 0755-83376489

　　2. 改变极板间有效面积的电容式传感器 　　改变极板间有效面积的电容式传感器常见的有以下四种： 平板式、 扇形平板式、柱面板式和圆筒面式，如图3-8所示。 同样它们也可以做成差动式。平板式和圆筒面式用于测量直线位移， 扇形平板和柱面板式用于测量角位移。变面积式电容传感器的特性为线性特性，测量范围宽，但灵敏度较低。 圆筒面电容式传感器的电容值可表示为 （3-14） 式中，l为两圆筒的高度；d为圆筒A的外径； D为圆筒B的内径； Δl为沿轴线的位移(单位为cm)；K为系数，当d接近D时，可略去边缘效应，取K=0.55。 0755-83376489

（a） 平板式；（b） 扇形平板；（c）柱面板式；（d）圆筒面式 图3-8 改变极板间有效面积的电容式传感器 （a） 平板式；（b） 扇形平板；（c）柱面板式；（d）圆筒面式 0755-83376489

式中， 为传感器的初始电容值。 可见传感器的电容增量与被测液位高度h成正比， 故它可以用来测量液位和料位的高度。 　　3. 改变极板间介质的电容式传感器 　　图3-9为改变极板间介质的电容式传感器的结构原理图。它的电极间相互位置没有任何改变，而是靠改变极板间介质高度来改变其电容值的。设被测介质的相对介电常数为εr1，空气的相对介电常数为εr0＝1，介质高度为h，传感器总高度为H，内筒的外径为d，外筒的内径为D，则由式（3-14）可求得传感器的电容值为 （3-15） 式中，　　　　　　为传感器的初始电容值。 可见传感器的电容增量与被测液位高度h成正比， 故它可以用来测量液位和料位的高度。 0755-83376489

（a） 结构原理示意图； （b） 输入/输出特性 图3-9 变介质电容式传感器原理图 （a） 结构原理示意图； （b） 输入/输出特性 0755-83376489

3.3.2 电容式传感器的转换电路 　　1. 桥式电路 　　图3-10为电容传感器的桥式转换电路。 其中，（a）为单臂接法，高频电源接到电容电桥的一个对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电容电桥的四臂， Cx为电容传感器， 电桥平衡时输出电压为零； Cx变化时电桥平衡被破坏， 则有电压输出。（b）为差动接法， 其空载输出电压可表示为uo=－ΔCU/C0，ΔC为电容传感器的电容变化值。（c）为双T形电桥原理图， 激励电源为稳频、 稳幅的高频对称方波，它利用二极管控制传感器电容Cx和电容C的充放电，当Cx=C时，负载RL上流过的平均电流为零； 0755-83376489

图3-10 电容传感器的桥式转换电路 0755-83376489

电容式传感器也可以采用如图3-6(d)所示的电路，将图中的C1、C2接成差动电容传感器的两个差动电容，由RP1和RP2配合调节电桥的平衡。 　　当Cx变化时，负载RL上得到与电容变化成比例的信号电压。电容C可以是固定电容，也可以是差动电容的另一边。双T形电桥输出电压高，可测量高速机械振动，输出阻抗与Cx无关，只决定于电阻R（1～100 kΩ）, 可用毫安表或微安表直接测量。 　　电容式传感器也可以采用如图3-6(d)所示的电路，将图中的C1、C2接成差动电容传感器的两个差动电容，由RP1和RP2配合调节电桥的平衡。 0755-83376489

图3-11为差动电容传感器的脉冲调宽电路， 其输出电压经低通滤波后的平均值正比于输入的非电量。可以证明： 变极距差动电容传感器输出为 　　2. 差动脉冲调宽电路 　　图3-11为差动电容传感器的脉冲调宽电路， 其输出电压经低通滤波后的平均值正比于输入的非电量。可以证明： 变极距差动电容传感器输出为 （3-16） 变面积差动电容传感器输出为 （3-17） 式中，U为触发器输出高电平电压值。 0755-83376489

图3-11 差动式电容传感器脉冲调宽电路 0755-83376489

在应用或制造电容式传感器时，应特别注意以下几点： 3.3.3 电容式传感器的使用注意事项 　　在应用或制造电容式传感器时，应特别注意以下几点： 　　（1） 击穿电压：电容式传感器极板之间的空气隙d很小， 存在介质被击穿的危险，通常在两极板间加云母片以避免空气隙被击穿。  　　（2） 极片材料受温度的影响：由不同材料制造成的传感器， 具有不同的温度膨胀系数，为此在决定传感器尺寸和选材时均要考虑温度影响。  　　（3） 连接线问题： 电容式传感器的电容值均很小，一般在皮法(10-12F)级， 因而连接线通常使用分布电容极小的高频电缆。 0755-83376489

3.4 电感式传感器 3.4.1 自感式传感器 1. 变气隙式（闭磁路式）自感传感器 　　1. 变气隙式（闭磁路式）自感传感器 　变气隙式自感式传感器的结构原理如图3-12所示。其中， （a）为单边式结构，（b）为差动式结构。它们由铁芯、线圈、 衔铁、 测杆及弹簧等组成。 0755-83376489

图3-12 变气隙式自感式传感器的结构原理图 （a） 单边式； （b） 差动式 0755-83376489

由电工知识可知，线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数， 即线圈的自感系数为 　　由电工知识可知，线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数， 即线圈的自感系数为 　　 式中，ψ=NФ为磁链；Ф为磁通（Wb）；I为流过线圈的电流（A），N为线圈匝数。  　　根据磁路欧姆定律知： 式中，μ为磁导率；S为磁路截面积；l为磁路总长度。  0755-83376489

令Rm=l/μS为磁路的磁阻，可得线圈的电感量为 （3-18） 　　图3-12中的磁路总长度包括铁芯长度li1、衔铁长度li2和两个空气间隙l0的长度，即l= li1+ li2+2l0。 因铁芯和衔铁均为导磁材料， 磁阻可忽略不计， 则式（3-18）可改写为 （3-19） 式中，S0为气隙的等效截面积；μ0为空气的磁导率。只要被测非电量能够引起空气隙长度l0或等效截面积S0发生变化，线圈的电感量就会随之变化。 因此， 电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式和变气隙截面式两种类型。 0755-83376489

　　1） 变气隙长度式电感传感器 　　由式（3-19）可知， 变气隙长度式传感器的特性与图3-7（b）所示的相同。它具有线性度差、示值范围窄、自由行程小、 在小位移下灵敏度很高的特点。 因此， 常用于直线小位移的测量， 以及结合弹性敏感元件构成压力传感器、加速度传感器等。 　　2） 变气隙截面式电感传感器 　　如图3-13所示，旋转衔铁可改变气隙的截面积。同样由式（3-19）可知，变截面式传感器具有线性度良好、自由行程大、 示值范围宽、灵敏度较低的特点，通常用来测量比较大的直线位移和角位移。 0755-83376489

图3-13 变气隙截面式电感传感器 0755-83376489

　　3） 差动式结构 　　为了扩大示值范围和减小非线性误差， 可采用差动结构， 如图3-12（b）和3-13所示。 将两个线圈接在电桥的相邻臂，构成差动电桥，不仅可使灵敏度提高一倍， 而且可使非线性误差大为减小。如当Δx/l0=10%时， 单边式非线性误差小于10％，而差动式非线性误差小于1％。 0755-83376489

　　2. 螺管式（开磁路式）自感式传感器 　　螺管式自感式传感器常采用差动式，如图3-14所示。 它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布， 中间强， 两端弱。插入铁芯的长度，不宜过短也不宜过长， 一般铁芯与线圈长度比为0.5，半径比趋于1为宜。 铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率，500Hz以下多用硅钢片，500 Hz以上多用坡莫合金， 更高频率的则选用铁氧体。从线性度考虑， 匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。 0755-83376489

图3-14 螺管式自感式传感器结构原理 0755-83376489

图3-15（a）为电感电桥， 为了便于选择元件，另外两臂常采用固定电阻，电桥的输出电压为 　　3. 电感式传感器的转换电路 　　电感式传感器常用交流阻抗电桥和谐振电路实现信号的转换。 图3-15为电感式传感器常用的交流阻抗电桥，电桥的平衡也可用如图3-6（d）所示的电路来调节。 　　图3-15（a）为电感电桥， 为了便于选择元件，另外两臂常采用固定电阻，电桥的输出电压为 （3-20） 0755-83376489

图3-15(b)为变压器电桥，其中两桥臂为变压器二次侧的线圈，Z1、Z2为差动式电感传感器的线圈，若忽略线圈的电阻变化，则输出电压为 （3-21） 当衔铁移动方向相反时，输出电压的相位将相差180°。 0755-83376489

图3-15 电感式传感器电桥电路 (a) 电感电桥； (b) 变压器电桥 0755-83376489

3.4.2 差动变压器 　　1. 差动变压器的结构与原理 　　差动变压器是互感式差动电感传感器， 它的结构分为变隙式和螺管式两种。 由于变隙式行程很小(l0＜0.5 mm)， 结构也很复杂， 目前多采用螺管式， 如图3-16（a）所示。螺管式差动变压器的结构仍包括线圈、 铁芯、 衔铁和测杆等。线圈排列的方式有二节型、 三节型和多节型几种。 线圈由一次侧线圈、二次侧线圈和骨架组成。 骨架常采用绝缘、高频损耗小、抗潮湿、 温度膨胀系数小的材料制成圆柱形。 0755-83376489

　　普通的可用胶木棒， 要求高的则用环氧玻璃纤维、聚砜塑料或聚四氟乙烯等。 骨架的形状和尺寸要精密对称。线圈通常用高强度漆包线密绕而成， 一般采用36～48号漆包线，导线直径取决于电源电压和频率的高低。 铁芯的作用是提供闭合磁回路、 磁屏蔽和机械保护。 衔铁和铁芯用同种导磁材料制造。 高精度差动变压器宜用高镍坡莫合金。铁芯和衔铁要经过适当的热处理， 除去应力， 以改进磁性能。 在忽略了铁损、 导磁体磁阻和线圈间寄生电容的理想情况下， 螺管式差动变压器的等效电路如图3-16（b）所示。 图中，e1为初级线圈的激励电势；L1、R1为初级线圈的电感和电阻；R21、R22为两个二次线圈的电阻。两个二次线圈反极性串联，因此e2=e21-e22，由电路原理可以得出 e2=k(M1-M2)=kΔM （3-22） 0755-83376489

图3-16 差动变压器的结构与原理图 （a） 结构与原理图； （b）等效电路 0755-83376489

差动变压器的理想输出特性如图3-17（a）所示，在线性范围内， 输出电动势随衔铁正、 负位移而线性增大。 　　2. 差动变压器的特性 　　1） 差动变压器的输出特性 　　差动变压器的理想输出特性如图3-17（a）所示，在线性范围内， 输出电动势随衔铁正、 负位移而线性增大。 0755-83376489

（a） 理想特性； （b） 零点残余电压；（c）相敏检波后的特性 图3-17 差动变压器的输出特性 （a） 理想特性； （b） 零点残余电压；（c）相敏检波后的特性 0755-83376489

　　2） 零点残余电压 　　实际上，由于工艺上的原因， 差动变压器二次绕组不可能完全对称，其次由于线圈中的铜损、 磁性材料的铁损和材质的不均匀性、 线圈匝间分布电容的存在以及导磁材料磁化特性的非线性引起电流波形畸变而产生的高次谐波， 使励磁电流与所产生的磁通不同相。 当位移x为零时， 输出电动势e不等于零， 该不为零的输出电动势称为零点残余电压， 如图3-17（b）所示。 0755-83376489

激励电源频率过高或过低都会使灵敏度降低，常选4～10 kHz。  　　3） 灵敏度与激励电动势的关系 　　差动变压器灵敏度与激励电动势有关，用(mV/mm)/V来表示。e1越大，灵敏越高。但e1也不能过大， 过大时将会使差动变压器线圈发热而引起输出信号漂移，e1可取零点几伏到数伏，常取3～8V。  　　4） 灵敏度与激励电源频率的关系 　　激励电源频率过高或过低都会使灵敏度降低，常选4～10 kHz。  　　5）灵敏度与二次线圈匝数的关系 　　二次线圈匝数越多，灵敏度越高，两者成线性关系。但是匝数增加， 零点残余电压也随之变大。 0755-83376489

（1） 从设计和工艺上尽量保证线圈和磁路对称，选用高性能的导磁材料，导磁体必须经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。  　　3. 消除零点残余电压的几种方法 　　由绕组不对称引起的零点残余电压可以通过调节衔铁初始位置进行消除，然而因相位误差造成的零点残余电压是无法通过调节衔铁初始位置进行消除的。因此，消除零点残余电压的方法可以归纳为以下三种： 　　（1） 从设计和工艺上尽量保证线圈和磁路对称，选用高性能的导磁材料，导磁体必须经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。  　　（2） 采用相敏检波电路不仅可以鉴别衔铁的移动方向， 而且有利于消除零点残余电压， 其特性如图3-17（c）所示。 0755-83376489

（3） 采用适当的补偿电路， 如图3-18所示。图中，电阻是用康铜丝绕制的， 串联时的阻值为0 　（3） 采用适当的补偿电路， 如图3-18所示。图中，电阻是用康铜丝绕制的， 串联时的阻值为0.5～5 Ω；并联时的阻值为数十至数百千欧； 并联电容的数值在100～500 pF范围内。实际补偿元件的参数都要通过实验来确定。 0755-83376489

图3-18 差动变压器的补偿电路 0755-83376489

差动变压器灵敏度较高，一般满量程输出电压可达几伏， 在要求不高时，可直接接入整流电路。常用的差动整流电路如图3-19所示。 　　4. 差动变压器的差动整流电路 　　差动变压器灵敏度较高，一般满量程输出电压可达几伏， 在要求不高时，可直接接入整流电路。常用的差动整流电路如图3-19所示。 0755-83376489

（a） 全波电流输出；（b） 半波电流输出； 图3-19 差动整流电路 （a） 全波电流输出；（b） 半波电流输出； （c） 全波电压输出； （ d） 半波电压输出 0755-83376489

3.5 电涡流式传感器 3.5.1 电涡流式传感器的工作原理 　　成块的金属物体置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时， 在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，称为电涡流。 电涡流式传感器是一个绕在骨架上的导线所构成的空心线圈， 它与正弦交流电源接通， 通过线圈的电流会在线圈周围空间产生交变磁场。当导电的金属靠近这个线圈时，金属导体中便会产生电涡流，如图3-20所示。涡流的大小与金属导体的电阻率ρ、 磁导率μ、厚度d、线圈与金属导体的距离x以及线圈励磁电流的角频率ω等参数有关。如果固定其中某些参数，就能由电涡流的大小测量出另外一些参数。 0755-83376489

图3-20 电涡流作用原理图 0755-83376489

如图3-21所示为CZF-1型传感器的结构图，它采用导线绕在框架上的形式，框架采用聚四氟乙烯。 其性能由表3-2列出。 3.5.2 电涡流式传感器的结构 　　电涡流式传感器的结构比较简单， 主要是一个绕制在框架上的线圈， 目前比较普遍使用的是矩形截面的扁平线圈。 线圈的导线应选用电阻率小的材料，一般采用高强度漆包铜线。 如果要求高一些可用银线或银合金线， 在高温条件下使用时可用铼钨合金线。对线圈框架要求用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料。一般可选用聚四氟乙烯、高频陶瓷、环氧玻璃纤维等。在采用线圈与框架端面胶接的形式时， 胶水亦要选择适当，一般可以选用粘贴应变片用的胶水。  　　如图3-21所示为CZF-1型传感器的结构图，它采用导线绕在框架上的形式，框架采用聚四氟乙烯。 其性能由表3-2列出。 0755-83376489

图3-21 CZF-1型传感器的结构图 0755-83376489

表3-2 CZF-1型传感器性能一览表 0755-83376489

3.5.3 电涡流式传感器的转换电路 　　在电工课程中， 我们已经知道电感和电容可构成谐振电路， 因此电感式、 电容式和电涡流式传感器都可以采用谐振电路来转换。 谐振电路的输出也是调制波， 控制幅值变化的称调幅波， 控制频率变化的称调频波。 调幅波要经过幅值检波， 调频波要经过鉴频才能获得被测量的电压。 谐振电路调幅原理如图3-22所示。 0755-83376489

（a） 电路原理图； （b） 谐振特性曲线；（c） 调幅特性 图3-22 谐振电路调幅原理图 （a） 电路原理图； （b） 谐振特性曲线；（c） 调幅特性 0755-83376489

　　CZF-1型电涡流传感器测量电路框图如图3-23所示。晶体振荡器输出频率固定的正弦波，经限流电阻R接电涡流传感器线圈与电容器的并联电路。当LC谐振频率等于晶振频率时输出电压幅度最大，偏离时输出电压幅度随之减小，是一种调幅波。 该调幅信号经高频放大、检波、滤波后输出与被测量相应变化的直流电压信号。 0755-83376489

图3-23 CZF-1型电涡流式传感器测量电路框图 0755-83376489

式中，ρ为导体电阻率；f为励磁电源的频率。 3.5.4 电涡流式传感器的使用注意事项 　　1. 电涡流轴向贯穿深度的影响 　　电涡流的轴向贯穿深度是指涡流密度衰减到等于表面涡流密度的1/e处时与导体表面的距离。涡流在金属导体中的轴向分布是按指数规律衰减的，衰减深度t可以表示为 （3-23） 式中，ρ为导体电阻率；f为励磁电源的频率。 0755-83376489

为充分利用电涡流以获得准确的测量效果， 使用时应注意以下两点： 　　为充分利用电涡流以获得准确的测量效果， 使用时应注意以下两点： 　　（1） 导体厚度的选择：利用电涡流式传感器测距离时， 应使导体的厚度远大于电涡流的轴向贯穿深度；采用透射法测厚度时，应使导体的厚度小于轴向贯穿深度。 　　（2） 励磁电源频率的选择： 导体材料确定之后， 可以通过改变励磁电源频率来改变轴向贯穿深度。 电阻率大的材料应选用较高的励磁频率， 电阻率小的材料应选用较低的励磁频率。 0755-83376489

　　2. 电涡流的径向形成范围 　　线圈电流所产生的磁场不能涉及到无限大的范围， 电涡流密度也有一定的径向形成范围。在线圈轴线附近， 电涡流的密度非常小，愈靠近线圈的外径处， 电涡流的密度愈大，在等于线圈外径1.8倍处，电涡流密度将衰减到最大值的5％。为了充分利用涡流效应，被测金属导体的横向尺寸应大于线圈外径的1.8倍； 对圆柱形被测物体，其直径应大于线圈外径的3.5倍。 0755-83376489

由于任何金属物体接近高频交流线圈时都会产生涡流， 为了保证测量精度，测量时应禁止其他金属物体接近传感器线圈。 　　3. 电涡流强度与距离的关系 　　电涡流强度随着距离与线圈外径比值的增加而减少, 当线圈与导体之间的距离大于线圈半径时，电涡流强度已经很微弱。 为了能够产生相当强度的电涡流效应，通常取距离与线圈外径的比值为0.05～0.15。  　　4. 非被测金属物的影响 　　由于任何金属物体接近高频交流线圈时都会产生涡流， 为了保证测量精度，测量时应禁止其他金属物体接近传感器线圈。 0755-83376489

3.6 相 敏 检 波 3.6.1 调制与解调的概念 　　调制是利用直流或低频信号来控制高频振荡的过程。 原始的低频控制信号称为调制信号。 受控的高频振荡信号称为载波信号。 经过调制后的信号称为已调信号。 载波信号的振幅、 频率和相位都可受调制信号的控制， 相应的调制分别称为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。一般载波频率应大于调制信号频率的10倍以上， 通常取20倍。 0755-83376489

解调是从已调信号中取出（恢复）原始信号（调制信号）的过程。与调制相对应，有鉴幅（检波）、鉴频和鉴相。 　　解调是从已调信号中取出（恢复）原始信号（调制信号）的过程。与调制相对应，有鉴幅（检波）、鉴频和鉴相。 　　如前面所讲的交流电桥，传感器参数的变化为调制信号， 电桥的供电电源为载波信号，输出为调幅信号。 由电感、 电容、 电涡流式传感器构成的谐振电路，当LC谐振电路作信号源的负载时， 则输出调幅信号； 当LC谐振电路作信号源的振荡回路时， 则输出调频信号。 因此， 信号在经过交流放大后都需要接入相应的解调电路： 检波电路、 鉴频电路或鉴相电路。 0755-83376489

uo=KR（t）uimcos(ωt+φ)=uomcos(ωt+φ) 3.6.2 交流电桥的调幅作用 　　用交流电源激励的交流电桥输出信号是一个频率和相位与激励源相同，幅度受桥臂变化信号调制的双边带调幅波。  　　如图3-24所示，设桥臂变化信号为ΔR=R（t）， 激励电源电压为ui=uimcos(ωt+φ)， 则电桥输出电压为 uo=KR（t）uimcos(ωt+φ)=uomcos(ωt+φ) 式中，K为接法系数。当R1=R2=R3=R4时， 半桥单臂接法K=1/（4R0），半桥差动接法K=1/（2R0），全桥接法K=1/R0；uom=KuimR（t），为输出电压幅值。 0755-83376489

图3-24 交流电桥的调幅特性 0755-83376489

3.6.3 相敏检波电路 　　1. 二极管相敏检波电路 　　图3-25为二极管相敏检波电路的一般形式。 它由四个二极管顺向串联成一个闭合回路， 四个端点分别接变压器T1、T2的二次侧。T1、T2均有中心抽头，输出检波后的信号接至负载。 T1的一次侧输入调幅波ui，T2的一次侧输入参考电压ur，ur 可直接取自载波，它与ui频率相同，相位相同或相反，比ui幅度大3～5倍。变压器的极性标定如图中所示。 0755-83376489

图3-25 二极管相敏检波电路的一般形式 0755-83376489

二极管相敏检波电路的工作原理分析如下： （1）当调制信号为正时，ui与载波相位相同，故ur与ui相位也相同。  　　二极管相敏检波电路的工作原理分析如下： 　　（1）当调制信号为正时，ui与载波相位相同，故ur与ui相位也相同。  　　① 在ui的正半周时，ur给二极管VD3、VD4正向偏置使之导通，给VD1、VD2反向偏置使之截止。输入调幅信号ui经T1二次侧的下半边输出uy/2并经VD3、T2二次侧的右半边和电流表构成回路，电流方向为上正下负， 并设其为正方向。 　　② 在ui的负半周时，ur使VD3、VD4截止，VD1、VD2导通。 输入调幅信号ui经T1二次侧的上半边输出uy/2并经VD1、T2二次侧的左半边和电流表构成回路，电流方向为正。 0755-83376489

（2） 当调制信号为负时，ui与载波相位相反，故ur与ui相位也相反。 　　① 在ui的正半周时， ur为负， 电流经T1二次侧的上半边、 VD2、 T2二次侧的右半边， 方向为负。 　　② 在ui的负半周时，ur为正，电流经T1二次侧的下半边、 VD4、T2二次侧的左半边， 方向为负。 0755-83376489

综上所述，相敏检波器是对调幅信号与参考信号间相位敏感的检波器，它有以下特点： 　　2. 相敏检波的特点 　　综上所述，相敏检波器是对调幅信号与参考信号间相位敏感的检波器，它有以下特点： 　　（1） 相敏检波输出信号的极性与调制信号极性相同，即能识别方向。 　　（2） 相敏检波输出信号的幅值与调制信号的幅值相同， 即能表示被测值。 　　（3） 相敏检波输出信号的频率等于载波频率的二倍。 因此， 只要在相敏检波后加入适当的低通滤波器， 便可得到调制波信号。 如果测量装置频率响应较低， 如磁电式电流表， 也可不加滤波器。 0755-83376489

　　3. 运算放大器组成的相敏检波电路 　　用运算放大器组成的差动变压器的相敏检波电路如图3-26所示，它由运算放大器（A1、A2、A3、A4）、振荡器OSC、反相器A5和四个二极管组成。差动变压器输出电压经A1放大加于A2的反相端和A3的同相端，振荡器信号加于A3的反相端并经反相加于A2的同相端。 当差动变压器输出信号与振荡器信号同相时，A3输出大于A2输出，经A4放大输出正相位； 相位相反时输出相位也相反。 振荡信号经A4放大输出相互抵消。因此，经A4只放大输出差动变压器的输出信号。 0755-83376489

图3-26 运算放大器组成的相敏检波电路 0755-83376489

　　4. 集成模拟乘法器相敏检波电路 　　图3-27为用集成模拟乘法器LM1496实现相敏检波的电路。该电路的工作电压为30 V，常用±9 V；信号输入端最大电压为±5 V；载波输入端为5 V； 偏置电流为12 mA。 　　 0755-83376489

图3-27 用集成模拟乘法器LM1496实现相敏检波的电路 0755-83376489