电工学.电感式传感器PPT讲稿.ppt

电工学.电感式传感器第1页，共39页，编辑于2022年，星期一4.1自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式一、工作原理及结构形式一、工作原理及结构形式1、工作原理、工作原理自感式传感器原理图自感式传感器原理图i上式表明，上式表明，当，当W 一定时，一定时，、中中的任何一项发生变化（而保持其他两项不变），将的任何一项发生变化（而保持其他两项不变），将导致发生变化，并且呈单值对应关系。导致发生变化，并且呈单值对应关系。第2页，共39页，编辑于2022年，星期一2结构形式结构形式 变气隙式变气隙式(、不变，如右图不变，如右图 a)灵敏度灵敏度 （非线性，工作范围较小，一般（非线性，工作范围较小，一般0.10.5mm，（0.10.2）(2)变面积式变面积式(、不变，如右图不变，如右图 b)灵敏度灵敏度 （线性，工作范围较宽线性，工作范围较宽）工作原理演示工作原理演示工作原理演示工作原理演示第3页，共39页，编辑于2022年，星期一变气隙式自感传感器工作原理动画演示变气隙式自感传感器工作原理动画演示第4页，共39页，编辑于2022年，星期一变面积式自感传感器工作原理动画演示变面积式自感传感器工作原理动画演示第5页，共39页，编辑于2022年，星期一(3)(3)螺管式自感传感器螺管式自感传感器它与前两种传感器相比，有以下特点：它与前两种传感器相比，有以下特点：它与前两种传感器相比，有以下特点：它与前两种传感器相比，有以下特点：结构简单，制造装配容易；结构简单，制造装配容易；结构简单，制造装配容易；结构简单，制造装配容易；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于空气隙大，磁路磁阻大，固灵敏度较前两种低，由于空气隙大，磁路磁阻大，固灵敏度较前两种低，由于空气隙大，磁路磁阻大，固灵敏度较前两种低，由于空气隙大，磁路磁阻大，固灵敏度较前两种低，但线性范围大；但线性范围大；但线性范围大；但线性范围大；由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；因而线圈分布电容大；因而线圈分布电容大；因而线圈分布电容大；单螺管线圈型单螺管线圈型第6页，共39页，编辑于2022年，星期一(4)差动式自感传感器：差动式自感传感器：上述三种自感式传感器，由于线圈电流的存在，衔铁上始终作用有电磁吸上述三种自感式传感器，由于线圈电流的存在，衔铁上始终作用有电磁吸力，影响测量准确度；而且易受电源电压、频率的波动与温度变化等外界干扰力，影响测量准确度；而且易受电源电压、频率的波动与温度变化等外界干扰的影响，因此不适合精密测量。为了克服上述缺点，所以大都采用差动式。的影响，因此不适合精密测量。为了克服上述缺点，所以大都采用差动式。采采用差动连接，用差动连接，可以改善非线性，提高灵敏度可以改善非线性，提高灵敏度。若将这两个线圈接入电桥作为电桥的邻臂，则第7页，共39页，编辑于2022年，星期一差动式自感型传感器的测量电路差动式自感型传感器的测量电路 将电感的变化转换成电流或电将电感的变化转换成电流或电压的变化，常采用交流电桥压的变化，常采用交流电桥或谐振电路。或谐振电路。电感电感电容电容传感器传感器传感器传感器平衡条件平衡条件交流交流电桥电桥第8页，共39页，编辑于2022年，星期一 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。中取出放大了的缓变信号。解调解调器器交流交流放大放大传感传感器器振荡器振荡器 调制调制器器调制波调制波已调波已调波（载波）（载波）放大后的放大后的已调波已调波调制与解调过程调制与解调过程放大后的放大后的调制波调制波交流电桥的调幅作用交流电桥的调幅作用第9页，共39页，编辑于2022年，星期一调制信号调制信号x(t)x(t)0 0t t载波信号载波信号z(t)z(t)0 0t t已调波已调波第10页，共39页，编辑于2022年，星期一a)a)幅度凋制幅度凋制(AM)(AM)b)b)频率调制频率调制(FM)(FM)c)c)相位调制相位调制(PM(PM)第11页，共39页，编辑于2022年，星期一调制与解调调制与解调3 3 幅度调制幅度调制 调调幅幅是是将将一一个个高高频频正正弦弦信信号号（或或称称载载波波）与与测测试试信信号号相相乘乘，使使载载波波信信号号幅幅值值随随测测试试信信号号的的变变化化而而变化变化缓变信号缓变信号调制调制高频信号高频信号放大放大放大高放大高频信号频信号解调解调放大缓放大缓变信号变信号第12页，共39页，编辑于2022年，星期一调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（波形分析）幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)第13页，共39页，编辑于2022年，星期一调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（频谱分析）幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)第14页，共39页，编辑于2022年，星期一调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（数学分析）幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器低通滤低通滤波器波器z(t)x(t)第15页，共39页，编辑于2022年，星期一5.3调制与解调调制与解调实验：同步调治与解调实验实验：同步调治与解调实验 上述调制方法，将信号上述调制方法，将信号x(t)x(t)直接与直接与载波载波z(t)z(t)相乘这种调幅波具相乘这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘有极性变化，解调时必须再乘与与z(t)z(t)相位相同的相位相同的z z(t)(t)方能复方能复原出原信号，故称同步解调原出原信号，故称同步解调 第16页，共39页，编辑于2022年，星期一调制与解调调制与解调非抑制调幅非抑制调幅 若对信号若对信号x(t)x(t)进行偏置，叠加一个直流分量进行偏置，叠加一个直流分量D D，使偏，使偏置后的信号都具有正电压。置后的信号都具有正电压。第17页，共39页，编辑于2022年，星期一调制与解调调制与解调调幅调幅第18页，共39页，编辑于2022年，星期一5.3调制与解调调制与解调解调解调二极管检波二极管检波低通滤波低通滤波第19页，共39页，编辑于2022年，星期一5.3调制与解调调制与解调调幅波的波形失真调幅波的波形失真a a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则够大，否则x(t)x(t)的相位将发生的相位将发生180180。第20页，共39页，编辑于2022年，星期一5.3调制与解调调制与解调b)b)重叠失真：调幅波是由一对每边为重叠失真：调幅波是由一对每边为fmfm的双边带信号组成的双边带信号组成当载波频率当载波频率fzfz较低时，正频端的下边带将与负频端较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求的下边带相重叠要求:fz fzfmfm 第21页，共39页，编辑于2022年，星期一5.3调制与解调调制与解调动手做：动手做：用个人测试实验室中数字用个人测试实验室中数字信号发生器、波形运算器信号发生器、波形运算器等软件芯片，设计一个等软件芯片，设计一个非非抑制调幅与解调系统。抑制调幅与解调系统。第22页，共39页，编辑于2022年，星期一电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）4.电感式传感器电感式传感器第23页，共39页，编辑于2022年，星期一教学用低成本四线制无二次仪表传感器教学用低成本四线制无二次仪表传感器4.电感式传感器电感式传感器第24页，共39页，编辑于2022年，星期一2 2 互感型互感型-差动变压器差动变压器WW1W2Esx-x工作原理工作原理:互感现象互感现象.EwEout4.电感式传感器电感式传感器两个次级线两个次级线圈反极性连圈反极性连接（同名端接（同名端相连）相连）Es的绝对值大的绝对值大小反映了铁芯位移小反映了铁芯位移的大小；的大小；Es正负反映了正负反映了铁芯移动的方向。铁芯移动的方向。第25页，共39页，编辑于2022年，星期一单螺管线圈型单螺管线圈型螺管线圈差动螺管线圈差动双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型传感器测量电路传感器测量电路4.电感式传感器电感式传感器第26页，共39页，编辑于2022年，星期一差动变压器差动变压器测量电路测量电路4.电感式传感器电感式传感器1差动变压器的输出是一个调幅波，因此必须进行解调：相敏差动变压器的输出是一个调幅波，因此必须进行解调：相敏检波差动整流低通滤波。检波差动整流低通滤波。第27页，共39页，编辑于2022年，星期一差动变压器差动变压器测量电路测量电路差动整流电路差动整流电路差动整流：对两个次级线圈分别整流，再差动输出（输出的差动整流：对两个次级线圈分别整流，再差动输出（输出的是一个直流信号）。是一个直流信号）。第28页，共39页，编辑于2022年，星期一1零点残余电压（零位输出）：当铁芯位于中零点残余电压（零位输出）：当铁芯位于中间位置时，理论上变压器的输出为零，但由于间位置时，理论上变压器的输出为零，但由于两个次级线圈的不同，使实际输出电压不为零，两个次级线圈的不同，使实际输出电压不为零，这个不平衡电压称为零点残余电压。这个不平衡电压称为零点残余电压。2零点残余电压的消除：利用电桥调平衡进行补零点残余电压的消除：利用电桥调平衡进行补偿。偿。第29页，共39页，编辑于2022年，星期一差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器4.电感式传感器电感式传感器第30页，共39页，编辑于2022年，星期一案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 4.电感式传感器电感式传感器第31页，共39页，编辑于2022年，星期一案例：案例：张力测量张力测量4.电感式传感器电感式传感器第32页，共39页，编辑于2022年，星期一2 2 涡流式涡流式原理原理:涡流效应涡流效应4.电感式传感器电感式传感器第33页，共39页，编辑于2022年，星期一当其中某一个变量作变化，其他变量固定时，当其中某一个变量作变化，其他变量固定时，i 与该变量呈单值对应关系。与该变量呈单值对应关系。根据电磁场的理论根据电磁场的理论,涡电流涡电流 从上式可以看出，涡电流的贯穿深度有限（趋肤从上式可以看出，涡电流的贯穿深度有限（趋肤效应），它随激励电流的频率的增大而减小，有效应），它随激励电流的频率的增大而减小，有关、关系可参见教材图关、关系可参见教材图4-22。第34页，共39页，编辑于2022年，星期一原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：4.电感式传感器电感式传感器第35页，共39页，编辑于2022年，星期一4.电感式传感器电感式传感器第36页，共39页，编辑于2022年，星期一产品：产品：4.电感式传感器电感式传感器第37页，共39页，编辑于2022年，星期一案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle4.电感式传感器电感式传感器第38页，共39页，编辑于2022年，星期一案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测4.电感式传感器电感式传感器第39页，共39页，编辑于2022年，星期一