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第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 优点： (1) 结构简单，无活动电触点，工作可靠，寿命长，稳定性也较好； (2) 灵敏度和分辨率高，能测出0.01μm的位移变化； (3) 零点稳定，漂移最小可达0.1μm； (4) 测量精度高，线性度和重复性都比较好； (5) 输出阻抗小，抗干扰能力强，输出功率大，一般也有0.1~5V/mm的输出值，能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制。 缺点：频率响应较低，不宜快速动态测控，存在交流零位信号等。 休息一下！ 实际上，铁芯位于中心位置，输出电压并不是零电位，而是E0， E0被称为零点残余电压。 E0产生的原因很多：差动变压器本身制作上的问题（材料、工艺差异）；导磁体靠近的安 装位移；铁芯长度；激磁频率的高低等。零点残余电压的基波相位与ES差90 °，另外零点残余电压还有以二次、三次为主的谐波成分。在实际使用时，必须设法减小 E0 ，否则将会影响传感器测量结果。 二、等效电路 如果不考虑差动变压器的涡流损耗、铁芯损耗和寄生（耦合）电容等，得出差动变压器的等效电路。 LP，RP——初级线圈电感和有效电阻； ——初级线圈激励电压、电流； ——两个次级线圈感应电压； ——输出电压； M1，M2——初级线圈与两次级线圈间的互感系数。 LS1，LS2——两次级线圈的电感； RS1，RS2——两次级线圈的损耗电阻； ω——激励电压的频率。 当次级开路时，初级线圈的交流电流为 次级线圈感应电势为 差动变压器输出电压为 输出电压的有效值为 下面分三种情况进行分析： ① 铁芯处于中间平衡位置时， M1 = M2 = M ， ES = 0； ② 铁芯上升时， M1=M+ΔM，M2=M－ΔM 与 同相 ③ 铁芯下降时， M1=M－ΔM，M2=M+ΔM 输出电压还可统一写成 ES0 为铁芯处于中心平衡位置时单个次级线圈的感应电压 与 同相 三、测量电路 差动变压器输出的是交流电压，若用交流模拟、数字电压表测量，只能反映铁芯位移的大小，不能反映移动方向。另外，其测量值必定含有零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用下面介绍的两种测量电路：相敏检波电路和差动整流电路。 差动半桥交流电桥 1. 二极管相敏检波电路 图（a）为原理电路，差动变压器的两个次级线圈（或差动电感传感器的两个线圈以及差动电容等阻抗）L1 和 L2 阻抗分别为 Z1与 Z2 ，作为交流电桥相邻的两个桥臂；两个阻抗相同的 Z3 与 Z4 （也可为纯电阻）作为交流电桥的另外两个桥臀； D1，D2，D3，D4 四只型号特性相同的二极管构成相敏整流器，插入电桥中间；输入电压加在 A ，B 两点；输出电压从 C ，D 两点输出；指示仪表为零刻度居中的直流电压表或直流数字电压表。 右图为实际电路。在实际电路中，L1 与 L2 间串接电位器 RP1 以作调节零位用；二极管中串联四个线绕电阻 R1 ，R2 ，R3 ，R4 以减少温度变化引起相敏整流器特性变化而造成的误差； C3 为滤波电容；RP2 是平衡电位器；电桥输入电压由变压器次级供给； 初级采用磁饱和稳压器 R5 和 C4 ； SD为电源指示灯。 开始时，当衔铁处于中间位置，即传感器未作测量前，Z1 = Z2 = Z ，电桥理论上处于平衡，C 点电位等于D 点电位，即 Uo = UCD = 0。 C 点电位由于Z1 的增大而比平衡时降低；在A→F→D→B 支路中，D点的电位由于Z2 的减小而比平衡时增高，所以得到D点的电位高于C点的电位。设这时直流电压表指针向左（正向）偏转。衔铁向上位移越大，D、C 两点电位差越大电压表指针向左（正向）偏转越大。 当衔铁向上位移，使两个线圈的阻抗发生变化，Z1＝Z＋ΔZ，Z2 ＝Z－ΔZ。 输入交流电压为正半周时，A点电位高，B点电位低，二极管D1、D4导通，D2 、D3 截止。在A→E→C→B支路中， 输入交流电压为负半周时，A点电位低，B点电位高，二极管D2、D3 导通，D1、D4截止。在B→C→F→A支路中，C点的电位由于 Z2 的减小而比平衡时降低；而B→D→E→A支路中，D点的相位由于Z1 的增加而比平衡时增高。所以仍然是D 点的电位高于C 点的电位，直流电压表指针仍然向左（正向）偏转。衔铁向上位移越大，D、C 两点电位差越大电压表指针向左（正向）偏转越大。 这就是说，只要是衔铁向上位移，不论输入电压是正半周还是负半周，D点