第三章电感型传感器与测量电路（可编辑）

第三章电感型传感器与测量电路（可编辑） 第 三 章 电 感 型 传 感 器 与 测 量 电 路 电感型传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测 量的一种装置,常用来测量位移、振动、压力、流量、重 量、力矩、应变等多种被测量。电感式传感器的核心是可 变自感或互感,、在被测量转换成线圈自感或互感的变化 时,一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。 这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。电感型传感器的种类很 多,诸如利用自感原理的自感 式传感器 通常称电感式传感器 ,利用互感原理的差动变 压器式传感器和感应同步器,利用涡流效应的涡流式传感 器,利用压磁效应的压磁式传感器等。 3.1 自 感 式 传 感 器 3.1.1 工作原理 自感式传感器是把被测量转 换成线圈的自感L 变化,通过一 定的电路转换成电压或电流输出, 图3-1 所示为自感式传感器的原 理图。 图3-1 自感工作原理图 尽管在铁芯与衔铁之间存在 一个空气间隙 δ,但由于其值不 2 N 大,所以磁路是封闭的。根据电 L感的定义,线圈中的自感可由下 R m 式确定: 式中:N??线圈的匝数;R ?? 磁路的总磁阻。 m由于空气间隙δ较小,可以认为气隙磁场是均匀的,由于衔 铁、铁心的磁阻远小于气隙,因而忽略这部分的磁路磁阻, 那么总磁阻为 2RmA 0 式中:δ??空气间隙的长度 m ; -7μ ??空气磁导率 μ 4 π×10H /m o o 2 A??截面积 m 。 将磁阻R 代入式3-1 中可得 m 2 NA o L2由式3-3 可知,当铁芯的结构和材料确定后,自感L 是气 隙长度 δ 和气隙磁通截面积A 的函数,即自感L 与气隙磁通 截 面积A 成正比,与气隙长度δ 成反比。3.1.2 结 构 类 型 1 .变气隙式自感传感器 如果保持气隙磁通截面积A 不 变,则自感L 为气隙长度 δ的单值 函数,可构成变气隙式自感传感 器,其特性曲线如图3-2 所示。设 初始状态气隙长度为 δ ,则自感 0 为: 2 NA o L0 图3-2 变 气 隙 自 感 传 感 器 特 性 曲 线 2o 若衔铁上移 Δδ,气隙减少为 δ δ - Δδ ,则自感变为 0 2 NA o L2 o自感变化量为 2 2 NA NA? o oLLL L 0 0 2 2? 1 o o 0 0 因为Δδ δ ,所以可有 0 LL 00 变气隙式自感传感器的灵敏度S 为 L L 0 S? 0 为了改善非线性,Δδ/ δ 要很小,但 Δδ/ δ 过小,会降 0 0 低传感器的灵敏度。可见变气隙式自感传感器的测量范围与 灵敏度及线性度是相互矛盾的,所以要二者兼顾,统筹考虑。2 . 变面积式自感传感器 变面积式自感传感器的结构如图3- 4 所示。气隙长度δ保持不变,铁芯与 衔铁之间的相对覆盖面积 即磁通截面 随被测量的改变而改变,从而引起线圈 的自感量变化。 设初始磁通截面 即铁芯截面 的面 积为Aa ×b (a 、b 为铁芯截面的长度 和宽度),当衔铁沿铁芯截面长度方向 图3-4 变 面 积 式 自 感 传 感 器 上下移动x时,自感量L 为 2 2L Nb Nb 0 0 L ax S 灵敏度S 为 2? x 2变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下, 灵敏度为一常数,输出呈线性关系。因此其线性范围和量程 较大,制造装配比较方便,但比变气隙式的灵敏度低。3 .螺管式 自感传感器 图3-5 所示为螺管式自感传感器的结构原理图。在线 圈中 放入圆柱形衔铁,当衔铁左、右移动时,自感量也将发生相应 变化。 图3-5a 所示为单个线圈螺管式自感传感器的结构原理 图, 由单个螺管线圈和一根圆柱形衔铁组成。当传感器工作时,衔 铁在线圈中伸入长度的变化,会引起螺管线圈的自感量变化。 若使用恒流源作为激励,则线圈的输出电压与衔铁的位移量有 关。 图3-5b 所示为单个螺管线圈内磁场强度H 的分布曲线, 衔铁在开始插入x0 或刚好离开线圈时的磁场强度,比衔铁 插入线圈中段处的磁场强度要小得多。这说明只有在线圈中段 才能获得较高的灵敏度和较好的线性特性。 单线圈螺管式传感 器的自感变化量可近似表示为l 1 cLL 0 l r 1 l 2 c 1 l r? 1 c c t 自感变化量?L 与衔铁位移量 ?lc成正比,但由于螺管 线 圈内磁场分布并不均匀,所以输出与输入之间并非为线性关 系。 为了提高灵敏度与线性度,多采用差动螺管式自感传感 器,其结构如图3-5c 所示,磁场强度分布曲线如图3-5d 所 示。设衔铁长度为2lc 、半径为rc ,线圈长度为2l 、半径为r , 当衔铁向左或向右移动 ?lc 时,两个线圈的自感变化量 ?L1 与?L2 大小相等、符号相反,总自感变化量为l 1 cL? L? L2 L 1 2 0 l r 1 l 2 c 1 l r? 1 c c t图3-5 螺管式自感传感器 (a )单个线圈原理图; (b)单个线圈磁场分布曲线; (C )差动结构原理图; (d)差动结构磁场分布曲线; 差动螺管 式自感传感器的自感变化量 ?L 与衔铁的位 移量 ?l 成正比,其灵敏度比单线圈螺管式提高一倍。它 c 具有以下特点: 1 线性范围和量程较大,但空气隙大、磁路磁阻大,其 灵敏度较低; 2 磁路大部分为空气,易受外界磁场干扰; 3 为达到一定的自感量,线圈的匝数较多,线路分布电 容大; 4 线圈的骨架尺寸和形状必须稳定,否则会影响其线性 和稳定性; 5 制造装配方便,批量生产的互换性强,应用越来越多。3.1.3 信 号 调 理 电 路 1 .调幅电路 1 变压器电桥 图3-6a 所示为变压器电桥原理 图,Z 和Z 为传感器两 1 2 个线圈的阻抗,接在电桥的相邻两臂,另外两臂为电源变压 器次级线圈的一半,电压为u /2 。输出空载电压为 u u uZo 1 ZZ 2 1 2 图3-6 变压器电桥 (a )电路图(b )特性曲线初始平衡状态下Z Z Z ,u 0 。当衔铁 偏离中间位置时, 1 2 0 0Z Z Z 设Z Z ? ΔZ , Δ ,代入式3-14 得 1 0 2 0 uZ u? 0 2 Z 0 两种情况的输出电压大小相等、方向相反,即相位相 差180 。,其输出特性曲线如图3-6b 所示。由于变压器电 桥输出为交流电压,如果用示波器观察波形,其结果相同。 并且当衔铁在中间位置时输出电压u 并不为零,此电压称 0 为零点残余电压。为了消除零点残余电压的影响,并判别 衔铁的移动方向,需要在后续电路中使用相敏检波电路。2 相敏 整流电桥 图3-7a 所示是一种带相敏整流的电桥电路,电桥由 差动式自感传感器Z 、Z 和平衡电阻R 、R R R 组成, 1 2 1 2 1 2 VD ~VD 构成相敏整流器。电桥的一个对角线接交流电 1 4 源u ,另一个对角线接电压表V ,当衔铁处于中间位置时, Z Z Z ,输出电压u 0 ,消除了零点残余电压的影响, 1 2 0 0 其输出特性曲线如图3-77b 所示。当衔铁偏离中间位置而 使Z Z + ΔZ ,Z Z -ΔZ 时,若电源电压u 上端为正、 1 0 2 0 下端为负,VD 和VD 导通,VD 和VD 关断,电阻R 上的 1 4 2 3 2 压降大于R 上的压降;若电源电压u 下端为正、上端为负, 1 VD 和VD 关断,VD 和VD 导通,电阻R 上的压降大于R 1 4 2 3 1 2 上的压降,则输出电压uo 下端为正、上端为负。图3-7 相敏整 流电桥 (a ) 电 路 图 (b ) 特 性 曲 线 衔铁偏离中间位置而使Z Z -ΔZ ,Z Z +ΔZ 时, 1 0 2 0 输出电压uo 与上述情况相反,即下端为负、上端为正。 比较两种情况,相敏整流电桥输出电压uo 的大小相等、 极性相反。输出电压的大小表示衔铁位移量x 的大小, 而极性则反映了衔铁移动的方向。2 .调频电路 调频电路也是 一种常用的信号调理电路,如图3-8a 所 示。把传感器电感线圈L 和固定电容C 接入振荡回路中,其 1 f振荡频率 ,当L 发生变化时振荡频率也随之 2L C 变化,根据? 的大小即可测出衔铁的位移量。当自感L 发生 的微小变化量为?L 时,频率变化量?? 为 3C f 2f? L C L L 42 L 振荡频率? 和自感L 的特性曲线如图3-8b 所示,非线性 很严重,后续电路必须进行线性化处理。 图3-8 调频电路 (a )电路图 (b)特性曲线3.2 差 动 变 压 器 式 传 感 器 3.2.1 工作原理 差动变压器的结构如图3-11a 所示,主要由线 圈、衔 铁和绝缘框架组成,绝缘框架上绕一组初级线圈和两组次级 线圈,并在中间圆柱孔中放入衔铁。当初级线圈加入适当频 率的激励电压u1 时,两个次级线圈中就会产生感应电势, 感应电势的大小与线圈之间的互感M 成正比。若两个次级线 圈的感应电势分别为e 和e ,输出接成反极性串联,如图 21 22 3-11b 所示,则传感器总输出电压u e -e 2 21 22 ?次级线圈; 2?衔铁; 3?初级线圈; 4?绝缘框架 图3-11 差 动 变 压 器 原 理 及 特 性 (a )结构图; (b)接线图; (c )特性曲线 当衔铁处于中间位置 时,由于两个次级线圈完全对称, 通过两个次级线圈的磁力线相等,互感M1M2 ,感应电势 e e22 ,则总输出电压u e -e 0 。 21 2 21 22当衔铁向左移动时,左边次级线圈内所穿过的磁力线 增加,互感M 变大,感应电势e 随衔铁偏离中间位置而逐 1 21 渐增加;而右边次级线圈的互感M 变小,感应电势e 随衔 2 22 铁偏离中间位置而逐渐减小,则总输出电压u e -e 0 。 2 21 22 当铁芯向右移动时,与上述情况相反,则总输出电压 u e -e 0 。两种情况的输出电压大小相等、方向相反 2 21 22 相位差180 。 。大小反映衔铁的位移量大小,方向反映衔 铁的运动方向,其特性曲线如图3-11c 所示,为V 形特性 曲线。3.2.2 信 号 调 理 电 路 1 .差动整流电路 差动整流电路是对差动变压器两个次级线圈 的输出电 压分别整流后进行输出,典型电路如图3-12 所示。图3- 12a 和b 用于低负载阻抗的场合,分别为全波和半波电流 输出。图3-12c 和d 用于高负载阻抗的场合,分别为全波 和半波电压输出。可调电阻R 。调整零点输出电压。 如图3-12c 所示,当某瞬间激励电压u1 为正半周时, 上线圈a 端为正,b 端为负;下线圈c端为正,d 端为负。在 上线圈中电流自a 点出发,路径为a?1?2?4?3?b ,流 过电容的电流由2 到4 ,电容上的电压为u24 。同理,在下 线圈中,电流自c点出发,路径为c?5?6?8?7?d ,流过 电容的电流由6 到8 ,电容上的电压为u68 。 当某瞬间激励电 压波形。为负半周时,上线圈a 为负, b 端为正;下线圈c为负,d 端为正。同理可得,在上线圈中 电流自b 点出发r 路径为b?3?2?4?1?a ,流过电容的电 流仍由2 到4 ,电容电压为u ;在下线圈中,电流自d 点出 24 发,路径为d?7?6?8?5?c,流过电容的电流仍由6 到8 , 电容电压为u 。 68 无论激励电压u 为正半周还是负半周,通过电容的电流 1 方向始终不变,因而总输出电压始终为u u -u 。当衔 2 24 68 铁在零位时,u u -u 0 ;当衔铁从零位向上移动时, 2 24 68 u u ,u 0 ;当衔铁从零位向下移动时,u u ,u 0 。 24 68 2 24 68 2 由以上分析可知,差动整流电路可以不考虑相位调整 和零点残余电压的影响,并且具有结构简单,分布电容影 响小,便于远距离传输等特点,因此应用十分广泛。图3-12 差动整流电路2 .相敏检波电路 相敏检波电路是利用参考信号来鉴别被测信号的极性, 参考信号与传感器的激励电压由同一振荡器供电,保证两者 同频同相 或反相 。当传感器信号与参考信号同相时,相敏 检波电路的输出电压为正,、反相时输出电压为负。相敏检 波电路输出电压的大小仅与传感器信号成比例,而与参考信 号无关。这种检波方法既反映被测信号的大小,又可以辨别 其极性,常采用半波相敏检波和全波相敏检波电路。 图3-13 是集成相敏检波电路原理示意图,OSC 振荡器 为差动变压器提供交流电压源,并为检波器提供相位信号; A 为第一级运放,差动放大器A 为反相输入,A 为同相输 1 2 3 入;二极管VD ~VD 对A 、A 的输入信号进行相位检波; 1 4 2 3 A 为差动放大器(减法),可抵消同相的共模振荡信号,放 4 大输出差动变压器传感器检测的差动信号。 从前面的分析可以 看出,差动变压器LVDT 的检测需 要对初级线圈提供激励信号。典型的激励信号频率范围在 50Hz ~25kHz之间,常用频率为2.5kHz 。激励频率一般至 少要比磁心移动的最高频率高10 倍以上。现在已经出现了 专门用于LVDT 的集成电路芯片,为LVDT 的使用提供了很 大方便。AD598 就是这样一款集成电路芯片,其原理如图 3-14 所示。 图3-13 集 成 相 敏 检 波 电 路 原 理 示 意 图 图3-14 AD598 集 成 电 路 芯 片 原 理 图 由图3-14 可见, 该芯片主 +15V 0.1 μF 要包含两部分:一部分为正弦 6.8μF 6.8μF + 0.1μF 波发生器,其频率及幅值可由 -Vs 1 +Vs 20 少数的外接元件确定;另一部 2 EXC 1 OFFSET 1 -15V 19 EXC 2 SIGNAL 3 OFFSET 2 18 分为LVDT 次级线圈的信号调 REFERENCE LEV 1 4 17 SIG REF 理部分,产生一个与磁心位移 5 LEV 2 16 SIG OUT V OUT 1 μF FREQ 1 6 FEEDBACK 15 成正比的直流电压信号。 C1 C4 634K FREQ 2 0.33 μF 0.015 μF 7 14 OUT FILT 10K 8 B1 FILT C2 A1 FILT 13 C3 AD598 既可驱动24V 、频 9 B2 FILT 0.1 μF 0.1 μF A2 FILT 12 率范围为20Hz~20kHz 的 V 10 B V 11 A A D 5 9 8 V B LVDT 初级线圈,又可接受最 低为100mV 的次级输入,可适 V A 用于许多不同类型的LVDT 。 图3-15 使 用AD598 的 差 动 变 压 器 测 量 电 路 图3-15 是使用AD598 的差动变压器测量电路,它是 一台台称的电路图。图中C 、C 、C 、C 的参数与所 1 2 3 4 用的差动变压器参数所要求的激励频率相关,4 脚、5 脚 之间的电阻与差动变压器的激励电压相关。如何根据所 用的差动变压器式位移传感器参数计算选择电路中的各 电阻、电容请参考Analog Devices 公司出的说明书 (AD598JR.PDF 或AD596AD.PDF )。这两种芯片的 使用温度范围不同,AD598JR 用于通常的0 ~70 ?工作 环境,AD596AD 用于-40 ? ~+85 ?工作环境。 应当指出的是, 前述关于差动变压器(LVDT )的 分析都是在一种理想化的基础上进行的。对于上述理想 特性,在实际应用中还存在着许多限制。首先,在实际 的LVDT 中心位置处,输出电压并不为零,而是达到一 个最小值。其原因在于初级线圈与次级线圈之间存在与 磁心位置无关的杂散电容,以及绕组和磁路中缺少对称 性。这个误差一般小于1 %FSO 。 另一个限制是输出电压中存在谐波分量,特别是在零 位置处更是明显。影响最大的谐波是由磁性材料饱和引起 的,对输出电压进行低通滤波能减小此谐波带来的干扰。 温度是另一个干扰源,因为温度会影响初级绕组的电 阻。温度升高将会使电阻增大,因而降低初级电流。如果 激励是恒定的交流电压信号,则会降低输出电压。因此, 最好是用恒定电流而不是用恒定电压去进行激励。如果激 励频率足够高,则L 的阻抗与R 的阻抗相比占优势,那么 1 1 温度的影响就较小。3.3 电 涡 流 式 传 感 器电涡流式传感器是基于电涡流效应原理制成的,即利 用金属导体中的涡流与激励磁场之间进行能量转换的原理 工作的。被测对象以某种方式调制磁场,从而改变激励线 圈的电感。因此,电涡流式传感器也是一种特别的电感式 传感器。 在测量过程中,电涡流式传感器主动发射能量,被测 对象对能量吸收或反射,不需要被测对象做功,属于主动 测量,可进行动态非接触测量,特别适用于测量运动物体。 电涡流式传感器具有测量范围大,灵敏度高,抗干扰能力 强,不受油污等介质的影响,结构简单,安装方便等特点, 已广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域。近几年来, 尤其以测量位移、振幅等参数的电涡流式传感器应用最为 广泛。3.3.1 电涡流检测原理如图3-20 所示,在一个金属 导体上方放置一个扁平线圈;当 线圈中通入交变电流i 时,线圈 1 的周围空间就产生了交变磁场 H 。,若将金属导体置于此磁场 1 范围内,则金属导体中将产生感 应电流i 。这种电流在金属导体 2 中是闭合的,呈旋涡状,称为电 涡流或涡流。电涡流也将产生交 变磁场H ,其方向与激励磁场H 2 1 方向相反,由于磁场H 的反作用 2 使导电线圈的有效阻抗发生变化, 图3-20 电涡流效应 这种现象称为电涡流效应。 线圈阻抗的变化与金属导体的电阻率 ρ、磁导率 μ 、 几何形状、线圈的几何参数、激励电流以及线圈到金属导 体之间的距离x等参数有关。假设金属导体是匀质的,则金 属导体与线圈共同构成一个系统,其物理性质用磁导率 μ、 电阻率 ρ 、尺寸因子r 、距离x 、激励电流强度I 和角频率 ω 等参数来描述,线圈阻抗Z 为ZFx,I ,r ,ρ ,μ,ω 3-17 如果控制式3-17 中的某些参数恒定不变,只改变其中 的一个参数,就构成了阻抗的单值函数,由此就可以通过 阻抗的大小来测量被测参数。通常固定I ,r , ρ,μ,ω不 变,使阻抗Z 成为距离x的单值函数,从而实现位移等参数 的测量。 对磁场而言,其变化频率越高,涡流的趋肤效应越显 著,涡流穿透深度愈小。穿透深度h 与线圈的激励频率f 、 金属导体材料的导电性质有关。 1 .高频反射式电涡流传感器 高频反射式电涡流传感器的结构比较简单,主要由一个 安装在框架上的线圈构成,称为电涡流探头。线圈绕成扁平 圆形,可以粘贴于框架上,也可在框架上开一条槽沟,将导 线绕在槽内,形成一个线圈。线圈的导线一般采用高强度漆 包铜线,若要求高一些可用银或银合金线,若工作在较高温 度下则用高温漆包线。图3-21 所示为CZFI 型涡流式传感器的 结构简图,它就是将导线绕在聚四氟乙烯框架槽沟内,形成 线圈的结构方式。 图3-21 CZFI 型涡流式传感器的结构简图 1- 线圈、2- 框架、3- 衬套、4- 支架、5- 电缆、6- 插头 高 频电流施加在电感线圈上,线圈产生的高频磁场作用 于被测金属导体表面,由于趋肤效应,高频磁场不能穿透有 一定厚度的金属导体,只能作用在表面的薄层,形成电涡流, 电涡流产生的电磁场又反作用于线圈,从而改变了线圈的电 感。电感量主要由线圈与金属导体的距离x决定,通过测量电 感量的变化就可确定电涡流传感器探头与金属板之间距离。 2 .低频透射式电涡流传感器 低频透射式电涡流传感器采用低 频激励,贯穿深度较大,适用于测量 金属材料的厚度,其工作原理如图3- 22 所示。图中的发射线圈L 和接收线 1 圈L 是两个绕在胶木棒上的线圈,分 2 别位于被测物体的上、下方。振荡器 产生的低频电压u 加到L 的两端,线 1 圈中流过一个同频率的交流电流,并 图3-22 低频透射式原理图 在其周围产生一个交变磁场。如果两个线圈之间不存在金属板 M ,L 的磁场直接贯穿 1 L ,L 的两端就会产生感应电势e 。感应电势e 的大小与激励 2 2 电压u 的幅值、频率以及L 和L 匝数、结构和两者间的相对 1 2 位置有关。如果这些参数都是确定不变的,那么感应电势就 是一个确定值。 如果在L 和L 之间放置一块金属板,则L 产 生的磁力线 1 2 1 穿透金属板MM 可看成是一匝短路线圈 ,并在金属板中产 生涡流i 。涡流损耗了部分磁场能量,使到达L 的磁场变弱, 2 从而使感应电势e 下降。被测金属板M 的厚度h 越大,涡流损 耗也越大,感应电势e 就越小。感应电势的大小间接反映了 被测金属板的厚度。3 .磁通会聚型无损检测传感器 这是一种 反射式电涡流探头, 与普通探头的不同之处在于在激励 线圈与检测线圈之间插入了一个铁 磁性材料制成的屏蔽层,如图3-23 所示。铁磁性材料制成的屏蔽层将 磁通量会聚成为包裹在检测线圈外 径以外的一个紧密的圆筒。不仅如 此,屏蔽层将激励线圈与检测线圈 隔开,避免了两者的直接耦合。检 测线圈的输出电压正比于线圈中磁 通量的变化率。这样,如被测对象 图3-23 磁 通 会 聚 型 涡 流 传 感 器 探 头 无损伤,检测线圈中的磁通量几乎 为零,即探头输出为零。因此这种 探头也被称为自校零型探头。 这种探头同样依靠电磁场在被测 工件中感应出的电涡 流来实现表面裂纹的检测。感应出的电涡流将阻碍系统中 磁场的变化。在探头的表面,激励线圈所产生的电磁场被 铁磁性屏蔽层会聚为一个圆筒形。相应地,被测工件中感 应出的电涡流集中在检测线圈外圆的环形区域。图3-24 所 示为被测对象为无损伤铝板、激励频率为70kHz 时的电涡流 情况。由于铁磁性屏蔽层的存在,电涡流集中在激励线圈 的正下方,而在靠近检测线圈的区域,电涡流强度剧烈下 降。这种电涡流强度的分布使得在检测线圈的下方几乎没 有电涡流的影响,线圈输出电压为零。 图3-24 磁通会聚型电涡流传感器无损探伤铝板示意图 当被测 工件存在裂纹损伤时,工件中感应电涡流的状况 发生扭曲。在裂纹尖端,电涡流变形,可延伸到检测线圈的 下方。电涡流所产生的二次电磁场被检测线圈感应到,在检 测线圈中产生感应电动势。图3-25 给出了被测工件中有/无 裂纹时的示意图。虚线圆表示检测线圈所处的位置。 图3-25 被测工件中有/ 无裂纹的情况3.3.2 信 号 调 理 电 路 1 .电桥电路 电桥电路是一种常用的简单电路。通常把线圈的阻抗 作为电桥的一个桥臂,或用两个相同的电涡流线圈组成差 动形式。初始状态电桥平衡,测量时由于线圈阻抗发生变 化,使电桥失去平衡,用电桥输出电压的大小来反映被测 量的变化。 2 .谐振电路 谐振电路是将固定电容与传感器线圈并联,构成并联 谐振回路。无被测金属导体时,传感器调谐到某一谐振频 率f0 。当被测金属导体接近 或远离 传感器线圈时,回路将 失谐。若载波频率一定,则传感器线圈的电感量L 发生变化, 从而使LC 回路的等效阻抗发生变化,利用测量阻抗来确定 被测量的大小。谐振电路通常有两种方式,即定频测距式 也称为恒定频率调幅式 和调频测距式 也称为调频调幅式 。图3-26a 所示为定频测距式电路原理图。图中传感器线圈 L 和固定屯容器C 是谐振回路的基本元件,稳频稳幅正弦波振 荡器的输出信号经由电阻R 加到谐振回路上。传感器线圈L 感 应的高频电磁场作用于金属板表面,由于表面的涡流反射作用, 使L 的电感量发生变化,并使回路失谐,从而改变了检波电压 的大小。 当没有被测金属导体时,回路谐振频率为f0 ,此时等 效阻 抗最大,对应检波电压最大。当被测金属导体接近传感器线圈 时,使电感量变小,回路失谐,检波电压变小。检波电压和电 感量随距离x增加 或减少 而增加 或减少 ,通过测量检波电压 就可确定x的大小。 图3-26 谐 振 电 路 原 理 图 (a )定频测距电路 (b)调频测距电路 图3-26b 所示为调频测 距式电路原理图。调频电路是把 传感器线圈接在振荡器中,传感器作为其中的电感,当传感 器线圈与被测物体之间的距离x发生变化时,引起传感器线 圈的电感量L 发生变化,从而使振荡器的频率改变。频率的 测量可以直接用频率计,也可以通过鉴频器将频率变化转换 成电压后再测量。 使用调频测距电路时,不能忽视传感器电缆 的分布电容 影响,它将使振荡器的振荡频率发生变化,测量精度降低。 为此可把固定电容C 和线圈L 都装在传感器内,这时电缆的分 布电容并联在大电容上,对振荡频率的影响大大减小了。另 外,传感器尽量靠近测量电路,使电缆的分布电容影响更小。3.3.3 电 涡 流 式 传 感 器 的 应 用 1 .电涡流式位移传感器 电涡流式传感器可用来测量各种形式的位移量,测量范 围大约为0 ~5 mm ,分辨率可达测量范围的0.1 %,图3-27 所示为电涡流式位移传感器的测量原理图。其中图3-27a 为汽轮机主轴的轴向位移测量,图3-27 b 为先导阀的位移 测量,图3-27 c 为金属试件的热膨胀系数测量。 图3-27 电涡流式位移传感器对轴向位移的测量原理图