3.2 互感式传感器

把被测的非电学量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且二次绕组都用差动形式连接，故也称为差动变压器式传感器。差动变压器式传感器的结构形式较多，有变隙式、变截面式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。在非电学量的测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单和性能可靠等优点。

3.2.1 差动变压器式传感器的结构与工作原理

图3-14a所示为螺线管式差动变压器的结构示意图。由图可知，它主要由绕组、活动衔铁和导磁外壳等组成。绕组包括一、二次绕组和骨架等部分。图3-14b所示是理想的螺线管式差动变压器的原理图，将两个匝数相等的二次绕组的同名端反向串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和绕组分布电容的理想条件下，当一次绕组N₁加以励磁电压时，则在两个二次绕组N₂₁和N₂₂中就会产生感应电动势和（二次开路时即为、）。若在工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两个二次绕组磁回路的磁阻相等，磁通相同，互感M₁=M₂。

图3-14 螺线管式差动变压器

a）结构示意图 b）原理图

1—一次绕组 2—二次绕组 3—衔铁 4—测杆

根据电磁感应原理，将有，由于两个二次绕组反向串联，因而，即差动变压器输出电压为零，即

式中，ω为激励电源角频率，单位为rad/s；M₁、M₂分别为一次绕组N₁与二次绕组N₂₁、N₂₂间的互感，单位为H；为一次绕组的激励电流，单位为A。

当活动衔铁向二次绕组N₂₁方向（向上）移动时，由于磁阻的影响，N₂₁中的磁通将大于N₂₂中的磁通，即可得M₁=M₀+ΔM、M₂=M₀-ΔM，从而使M₁>M₂，因而必然会使增加减小。因为。

同理分析可得，当活动衔铁向二次绕组N₂₂方向（向下）移动时，。综上分析可得

式中，正负号表示输出电压与励磁电压同相或者反相。

由于在一定的范围内，互感的变化ΔM与位移x成正比，所以输出电压的变化与位移的变化成正比。差动变压器输出电压特性曲线如图3-15所示。实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压（图3-15中Δe）。它的存在使传感器的输出特性曲线不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。

产生零点残余电压的原因有很多，如变压器的制造工艺和导磁体安装等问题，主要是由传感器的两个次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称以及磁性材料的非线性等因素引起的。零点残余电压使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏从而给测量带来误差。为了减小零点残余电压，可采用以下方法。

图3-15 差动变压器输出电压特性曲线

1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。

2）选用合适的测量电路。

3）采用补偿线路减小零点残余电压。

3.2.2 测量电路

由于差动变压器的输出电压为交流，用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。另外，其测量值含有零点残余电压。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，常采用差动整流电路和相敏检波电路。

1.差动整流电路

差动变压器最常用的测量电路是差动整流电路，如图3-16所示，把差动变压器的两个二次绕组输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。图3-16a、b为电压输出型，用于连接高阻抗负载电路，图中的电位器R₀用于调整零点残余电压。图3-16c、d为电流输出型，用于连接低阻抗负载电路。采用差动整流电路后，不但可以用零值居中的直流电表指示输出电压或电流的大小和极性，还可以有效地消除残余电压，同时可使线性工作范围得到一定的扩展。

下面结合图3-16b中的全波电压输出电路，分析差动整流电路的工作原理。

全波整流电路利用了半导体二极管单向导电原理，设某瞬间载波为正半周，此时差动变压器两个二次绕组的相位关系为A正B负，C正D负。

在上线圈中，电流自A点出发，路径为A→1→2→9→11→4→3→B，流过电容C₁的电流是由2到4，电容C₁上的电压为U₂₄。

在下线圈中，电流自C点出发，路径为C→5→6→10→11→8→7→D，流过电容C₂的电流是由6到8，电容C₂两端的电压为U₆₈。

差动变压器的输出电压为上述两电压的代数和，即U₂=U₂₄-U₆₈。

同理，当某瞬间载波为负半周时，即两个二次绕组的相位关系为A负B正、C负D正，按上述分析可知，不论两个二次绕组的输出瞬时电压极性如何，流经C₁的电流方向总是从2到4，流经电容C₂的电流方向总是从6到8，可得差动变压器输出电压U₂的表达式仍为U₂=U₂₄-U₆₈。

当铁心在中间位置时，U₂₄=U₆₈，所以U₂=0。

当铁心在零位以上时，因为，U₂₄>U₆₈，所以U₂>0。

图3-16 差动整流电路

a）半波电压输出 b）全波电压输出 c）半波电流输出 d）全波电流输出

当铁心在零位以下时，因为U₂₄<U₆₈，所以U₂<0。

铁心在零位以上或以下时，输出电压的极性相反，于是零点残余电压会自动抵消。由此可见，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。此外，还具有结构简单、分布电容影响小和便于远距离传输等优点，获得广泛的应用。在远距离传输时，将此电路的整流部分放在差动变压器的一端，整流后的输出线延长，就可避免感应和引出线分布电容的影响。

2.相敏检波电路

相敏检波电路的形式很多，过去通常采用分立元件构成的电路，它可以利用半导体二极管或晶体管来实现。随着电子技术的发展，各种性能的集成电路相继出现，例如，单片集成电路LZX1就是一种集成化的全波相敏整流放大器，它以晶体管作为开关元件的全波相敏解调器，能完成把输入交流信号经全波整流后变为直流信号以及鉴别输入信号相位等功能。该器件具有重量轻、体积小、可靠性高、调整方便等优点。

差动变压器和LZX1的连接电路如图3-17所示。

图3-17 差动变压器和LZX1的连接电路

u₂为信号输入电压，u₃为参考输入电压，R为调零电位器，C为消振电容，若无C则会产生正反馈，发生振荡。移相器使参考电压和差动变压器次级输出电压同频率，相位相同或相反。

对于测量小位移的差动变压器，由于输出信号小，还需在差动变压器的输出端接入放大器，把放大的信号输入到LZX1的信号输入端。

一般经过相敏检波和差动整流输出的信号，还需通过低通滤波器，把调制时引入的高频信号衰减掉，只让铁心运动所产生的有用信号通过。

3.2.3 互感式传感器的应用

与电感传感器类似，差动变压器可以直接用于测量位移和尺寸，并能测量可以转换成位移变化的各种机械量，如振动、加速度、应变、密度、张力和厚度等。

1.位移的测量

图3-18是一个方形结构的差动变压器式位移传感器，可用于多种场合下测量微小位移。其工作原理是：测头1通过轴套和测杆5相连，活动衔铁7固定在测杆5上。线圈架8上绕有三组线圈。中间是一次线圈，两端是二次线圈，形成三节式结构，它们都通过导线10与测量电路相连。初始状态下，调节传感器使其输出为0，当测头1有一位移x时，衔铁也随之产生位移x，引起传感器的输出变化，其大小反映了位移x的大小。线圈和骨架放在磁筒6内，磁筒的作用是增加灵敏度和防止外磁场干扰，圆片弹簧4对测杆起导向作用，弹簧9用来产生一定的测力，使测头始终保持与被测物体表面接触的状态，防尘罩2的作用是防止灰尘进入测杆。

2.力和力矩的测量

将差动变压器位移传感器与弹性元件组合，可用来测量力和力矩，图3-19为差动变压器式力传感器。其工作原理是：当力作用于传感器上时，使弹性元件3变形，固定在3上的衔铁2相对线圈1移动，因而产生输出电压，输出电压的大小反映了力的大小。

这种传感器的优点是承受轴向力时应力分布均匀，且在直径比较小时，受横向偏心分力的影响较小。

图3-18 方形结构的差动变压器式传感器

1—测头 2—防尘罩 3—轴套 4—圆片弹簧 5—测杆

6—磁筒 7—活动衔铁 8—线圈架 9—弹簧 10—导线

图3-19 差动变压器式力传感器

1—线圈 2—衔铁 3—弹性元件

3.加速度的测量

图3-20所示是用于加速度计的差动变压器式传感器。质量块2由两片弹簧片1支承。测量时，质量块的位移与被测加速度成正比。因此，将加速度的测量转变为位移的测量。质量块的材料是导磁的，所以它既是加速度计中的惯性元件，又是磁路中的磁性元件。

图3-21为差动变压器式加速度传感器的又一形式。它由悬臂梁1和差动变压器2构成。测量时，将悬臂梁的底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将差动变压器中的衔铁3的A端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁按照一定规律振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同的规律变化。因此，可从差动变压器的输出电压得知被测物体的振动参数。

图3-20 加速度计用传感器

1—弹簧片 2—质量块

图3-21 差动变压器式加速度传感器

1—悬臂梁 2—差动变压器 3—衔铁

为满足测量精度的要求，加速度计的固有频率应比被测频率的上限大3～4倍。由于运动系统的质量m不可能太小，而增加弹簧片的刚度又使加速度计的灵敏度受到影响，因此，系统的固有频率不可能很高，它能测量的振动频率的上限就受到限制，一般在150Hz左右。

图3-22为测振动加速度的又一种结构形式。衔铁作为惯性质量体与弹簧片3相连接，受到振动加速度的作用使得弹簧受力变形，变形的大小与加速度有关。所反映的被测加速度大，变形就大，衔铁的位移量就大，传感器的输出电压就高。这种传感器的测振频率同样受结构性能的限制，一般为0～150Hz。

4.压力的测量

差动变压器式传感器还可测量压力、压差等力学参数。图3-23为微压传感器。在无压力时，固接在膜盒中心的衔铁6位于差动变压器5的中部，因而输出为零。当被测压力P由接头1输入到膜盒中时，膜盒的自由端产生一个正比于被测压力的位移，并且带动衔铁6在差动变压器中移动，因而得到能反映被测压力的输出电压。这种传感器经分档处理，可以测量-4×10⁴Pa～6×10⁴Pa的压力，输出信号电压为0～50mV，精度为1%和1.5%。

图3-22 加速度传感器

1—差动变压器 2—质量块 3—弹簧片 4—壳体

图3-23 微压传感器

1—接头 2—膜盒 3—底座 4—线路板

5—差动变压器 6—衔铁 7—插头 8—通孔