常用传感器工作原理(电感式)ppt课件.ppt

第第3 3章章 常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理1为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.4 电感式传感器电感式传感器把被测量转换为电感变化的一种传感器把被测量转换为电感变化的一种传感器被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息电感元件电感元件电感元件电感元件基于电磁感应原理，基于电磁感应原理，把被测量转化为把被测量转化为电感线圈的自感电感线圈的自感系数或互感系数系数或互感系数变化的装置变化的装置 2为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能电感式传感器电感式传感器自感型自感型互感型互感型常为差动常为差动变压器式变压器式 3为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能两式联立得:线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁I为线圈中所通交流电的有效值。传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移引气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。1.1.自感式传感器自感式传感器根据磁路的欧姆定律4为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能如果空气隙较小，且忽略磁路铁损时，磁路总磁阻为：因此有：线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁由于电感传感器的铁心一般工作在非饱和状态下，其导磁率远大于空气隙的导磁率，因此铁心磁阻远较气隙磁阻小，因此：5为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能L L与气隙与气隙 成反比，成反比，与气隙导磁面积与气隙导磁面积A A0 0成正比。成正比。1 1）自感传感器类型）自感传感器类型:6为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能传感器灵敏度为：传感器灵敏度为：变面积型自感传感器的自感与面积成线性关系，变面积型自感传感器的自感与面积成线性关系，但这种传感器的灵敏度较低。但这种传感器的灵敏度较低。7为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能传感器灵敏度为：传感器灵敏度为：x 气隙气隙 愈小，则灵敏度愈小，则灵敏度k k愈高。由于愈高。由于k k不是常不是常数，会产生非线性误差，因此这种传感器常规定在数，会产生非线性误差，因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。设气隙变化为（较小气隙变化范围内工作。设气隙变化为（0 0，0 0），由于气隙变化甚小，即），由于气隙变化甚小，即远小于远小于 0 0时（一时（一般要求小于般要求小于1010倍以上），倍以上），k k进一步近似为：进一步近似为：此时此时k k 可近似为常数。因此，可近似为常数。因此，这种传感器一般这种传感器一般只适用于大约只适用于大约0.0010.0011mm1mm范围的小位移测量。范围的小位移测量。8为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能对于变间隙式对于变间隙式,改善非线性，提高灵敏度的方法如下改善非线性，提高灵敏度的方法如下:接成差接成差动型动型根据结构形式，自感传感器可分为：气隙型、螺线管根据结构形式，自感传感器可分为：气隙型、螺线管rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图lrc9为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能可可以以看看出出，插插入入铁铁芯芯后后，线线圈圈电电感感的的增增量量和和相相对对增增量量均均与与铁铁芯芯的的插插入入深深度度 X 成成正正比比。如如果果螺螺管管内内磁磁场场强强度度均均匀匀分分布布的的范范围围大大，就就可可以以获获得得较较大大的的线线性位移传感器。性位移传感器。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移测量。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移测量。为了提高灵敏度和线性度，常采用差动螺管式电感传感器。为了提高灵敏度和线性度，常采用差动螺管式电感传感器。10为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能三种类型比较：11为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2 2）差动式自感传感器）差动式自感传感器:在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。12为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能下图是变气隙型及螺管型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。1-1-线圈线圈 2-2-铁芯铁芯 3-3-衔铁衔铁 4-4-导杆导杆（a a）变气隙型变气隙型31412344（c c）螺管型螺管型13为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能变气隙型差动式自感传感器衔铁下移：上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在工作范围内要比单个自感传感器的小得多。忽略高次项：提高一倍 14为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能差差动动气气隙隙式式传传感感器器工工作作行行程程很很小小,若若取取l2mm,则则行行程程为为(0.20.5)mm；较大行程的位移测量较大行程的位移测量,常利用差动螺管式自感传感器常利用差动螺管式自感传感器3142lclc2l线圈线圈rx将两差动电感接入交流电桥的相邻桥臂将两差动电感接入交流电桥的相邻桥臂差差动动式式螺螺管管式式传传感感器器是是一一种种开开磁磁路路的的电电感感传传感感器器，磁磁路路中中相相当当部部分分是是空空气气，无无明明显显的的边边界界，因因此此分分析析复复杂杂。主主要要特特点点是是可可构构成成较较长长的的线线性性区区，用用于于测测量量大大线线位位移移。缺缺点点是是灵灵敏敏度度比比变变气气隙隙传传感感器器低低，体体积较大。积较大。15为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。3 3）自感传感器测量电路）自感传感器测量电路-交流电桥：交流电桥：ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流电桥原理图USCEZ1Z2IABCDL LL LZ1Z216为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 2.2.互感式传感器互感式传感器（差动变压器式传感器）（差动变压器式传感器）17为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（一）结构原理与等效电路（一）结构原理与等效电路由右图可见，传感器本身就是由右图可见，传感器本身就是一个变压器，在初级线圈接入一个变压器，在初级线圈接入电源后，次级线圈将感应产生电源后，次级线圈将感应产生电压输出。电压输出。当互感系数变化时，输出电压当互感系数变化时，输出电压相应地变化。相应地变化。互感型变压器式互感型变压器式电感传感器是利用被测量变化电感传感器是利用被测量变化改变互感系数来实现的。改变互感系数来实现的。这种传感器的次级线圈有两个，这种传感器的次级线圈有两个，并接成差动式输出，称为并接成差动式输出，称为差动差动变压器式变压器式传感器。传感器。18为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能其基本元件有其基本元件有衔铁衔铁、初级线初级线圈圈、次级线圈次级线圈和和线圈框架线圈框架等。等。初级线圈初级线圈作为差动变压器激作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，励用，相当于变压器的原边，而而次级线圈次级线圈由结构尺寸和参由结构尺寸和参数相同的两个线圈数相同的两个线圈反相串接反相串接而成，相当于变压器的副边。而成，相当于变压器的副边。所以又把这种传感器称为所以又把这种传感器称为差差动变压器式电感传感器。动变压器式电感传感器。1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁4123螺管型差动变压器分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。差动变压器分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。差差动动变变压压器器的的工工作作原原理理与与一一般般变变压压器器基基本本相相同同。不不同同之之处处是是：一一般般变变压压器器是是闭闭合合磁磁路路，而而差差动动变变压压器器是是开开磁磁路路；一一般般变变压压器器原原、副副边边间间的的互互感感是常数，而差动变压器原、副边之间的互感随衔铁移动作相应变化。是常数，而差动变压器原、副边之间的互感随衔铁移动作相应变化。19为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 设差动变压器一次线圈加励磁电压 的角频率为 ；为一次线圈有效电阻；为一次线圈电感：为一次线圈与二次线圈I之间的互感；为一次线圈与二次线圈之间的互感；为二次线圈I中的感应电动势；为二次线圈中的感应电动势；为一次线圈励磁电流；为二次线圈I的电感；为二次线圈I的有效电阻；为二次线圈的电感；为二次线圈的有效电阻；为空载时差动变压器输出电压。由等效电路可得：（二）工作原理（二）工作原理20为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能测量前，可动衔铁处于中间位置，由于二次线圈的参数相同，此时 0，变压器无输出。测量时，可动衔铁偏移，两线圈互感量发生变化，设 ，由于两者为差动，衔铁在一定范围内有 ，故在输出端开路情况下，输出为：此式表明：当线圈参数和 确定后，变压器的输出电压由二次线圈与一次线圈互感量的差值 决定。而 与螺管内磁场变化有关，而磁场的变化取决于可移动衔铁的位移量。因此，在衔铁位移的一定范围内，与衔铁位移 有近似线性关系21为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能差差动动变变压压器器的的输输出出电电压压为为交交流流，它它与与衔衔铁铁位位移移成成正正比比。用用交交流流电电压压表表测测量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。其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。22为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能同同时时由由于于两两个个次次级级线线圈圈结结构构不不对对称称，以以及及初初级级线线圈圈铜铜损损电电阻阻、铁铁磁磁材材料料不不均均匀匀、线线圈圈间间分分布布电电容容等等原原因因，会会造造成成交交流流电电压压输输出出存存在在一一定定的的零零点点残余电压。即当衔铁处于中间位置时，输出电压不为零。残余电压。即当衔铁处于中间位置时，输出电压不为零。因因此此为为补补偿偿零零点点残残余余电电压压，同同时时使使输输出出值值能能反反映映铁铁芯芯位位移移的的方方向向，常常采采用差动整流电路或差动相敏检波电路。用差动整流电路或差动相敏检波电路。0e2x-xe2023为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（三）测量电路（三）测量电路 1 1、差动整流电路、差动整流电路e1RRcabhgfdeUSC衔铁在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位(b)(a)全波整流电路和波形图根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。在f点为“”，电流:fgdche f点为“”，则电流:ehdcgf。24为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2 2、相敏检波电路、相敏检波电路容容易易做做到到输输出出平平衡衡，便便于于阻阻抗抗匹匹配配。图图中中调调制制电电压压er和和e同同频频，经经过过移移相相器器使使er和和e保保持持同同相相或或反反相相，且且满满足足ere。调调节节电电位位器器R可可调调平平衡衡，图图中中电电阻阻R1=R2=R0，电容，电容C1=C2=C0，输出电压为，输出电压为UCD。Ri1e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4e当当铁铁芯芯下下移移时时，e和和er相相位位相相反反。同同理理可可得得UCDe，故故 er 正正半半周周时时D1、D2仍仍导导通通，但但D1回回路路内内总总电电势势为为er(1/2)e，而而D2回回路路内内总总电电势势为为er(1/2)e，故故回回路路电电流流 i1i2 输输出出电电压压 UCD=R0（i1i2）0。当当er负负半半周周时时，UCD=R0(i4-i3)0，因此因此铁芯上移时输出电压铁芯上移时输出电压UCD0。由此可见，该电路能由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。判别铁芯移动的方向。25为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能相敏检波前后的输出特性曲线相敏检波前后的输出特性曲线相敏检波前后的输出特性曲线相敏检波前后的输出特性曲线x x x x0 0 0 0U UU UL L L Lx x x x0 0 0 0U UU UL L L L（a a a a）经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，负位移输出负电压。负位移输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图（差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图（a）变）变成（成（b），残存电压自动消失。），残存电压自动消失。（b b b b）26为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。1.1.差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器用用于于测测定定振振动动物物体体的的频频率率和和振振幅幅时时其其激激磁磁频频率率必必须须是是振振动动频频率率的的十十倍倍以以上上，才才能能得得到到精精确确的的测测量量结结果果。可可测测量量的的振振幅幅为为(0.15)mm，振振动动频频率率为为(0150)Hz。稳压电源振荡器检波器滤波器(b)(a)220V加速度a方向a输出1211 弹性支承 2 差动变压器（四）应用（四）应用27为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.2.微压力变送器微压力变送器将将差差动动变变压压器器和和弹弹性性敏敏感感元元件件（膜膜片片、膜膜盒盒和和弹弹簧簧管管等等）相相结结合合，可可以以组组成成各各种形式的压力传感器。种形式的压力传感器。220V1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳V振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路123456728为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 3 3 差动式电感液位测量仪差动式电感液位测量仪n 当液位不变时，铁芯处中间位置，无输出电压。当液位增加或降低时，铁芯上移或下移，其输出电压经交流放大、相敏检波及相关测量电路处理后，得到液面的高度。29为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能差差动动变变压压器器式式电电感感传传感感器器具具有有精精度度高高，线线性性范范围围大大，稳稳定定度度好好和和使使用用方方便等特点，被广泛用于位移测量。便等特点，被广泛用于位移测量。借借助助弹弹性性元元件件可可以以将将压压力力、重重量量等等物物理理量量转转换换成成位位移移的的变变化化，因因此此也也可可用于测量压力、重量等物理量。用于测量压力、重量等物理量。30