传感器与检测技术电感式传感器.ppt
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1、3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器|3.1.1 3.1.1 自感式传感器的工作原理自感式传感器的工作原理|3.1.2 3.1.2 灵敏度与非线性灵敏度与非线性|3.1.3 3.1.3 等效电路等效电路|3.1.4 3.1.4 转换电路转换电路|3.1.5 3.1.5 零点残余电压零点残余电压|3.1.6 3.1.6 自感式传感器的特点及应用自感式传感器的特点及应用 下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.1 3.1.1 自感式传感器的工作原理自感式传感器的工作原理 电感值与以下几个参数有关:与线圈匝数电感值与以下几个参数有关:与线圈匝数w w平方成平方成正比;与空气隙有效截面积正比;与空
2、气隙有效截面积S S0 0成正比;与空气隙长度成正比;与空气隙长度l l0 0所反比。所反比。图图3-l 3-l 自感式传感器原理图自感式传感器原理图 图图3-2 3-2 截面型自感式传感器截面型自感式传感器 B B为动铁芯为动铁芯(通称衔铁通称衔铁)A)A为固定铁芯为固定铁芯 图图3-3 3-3 差动自感式传感器差动自感式传感器下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.1 3.1.1 自感式传感器的工作原理自感式传感器的工作原理 下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.1 3.1.1 自感式传感器的工作原理自感式传感器的工作原理下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.1 3.1.1 自感式传感
3、器的工作原理自感式传感器的工作原理 下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.2 3.1.2 灵敏度与非线性灵敏度与非线性气隙型其灵敏度为:气隙型其灵敏度为:差动式传感器其灵敏度:差动式传感器其灵敏度:以上结论在满足以上结论在满足l/ll/l0 01 1时成立。时成立。从提高灵敏度的角度看,初始空气隙从提高灵敏度的角度看,初始空气隙l l0 0距离人应尽量小。其距离人应尽量小。其结果是被测量的范围也变小。同时,灵敏度的非线性也将增加。结果是被测量的范围也变小。同时,灵敏度的非线性也将增加。如采用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵如采用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵
4、敏度,则必将增大传感器的几何尺寸和重量。这些矛盾在设计敏度,则必将增大传感器的几何尺寸和重量。这些矛盾在设计传感器时应适当考虑。与截面型自感传感器相比,气隙型的灵传感器时应适当考虑。与截面型自感传感器相比,气隙型的灵敏度较高。但其非线性严重,自由行程小,制造装配困难。因敏度较高。但其非线性严重,自由行程小,制造装配困难。因此近年来这种类型的使用逐渐减少。差动式传感器其灵敏度与此近年来这种类型的使用逐渐减少。差动式传感器其灵敏度与单极式比较。其灵敏度提高一倍,非线性大大减小。单极式比较。其灵敏度提高一倍,非线性大大减小。下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.3 3.1.3 等效电路等效电路 自
5、感式传感器从电路角度来看并非纯电感,它既自感式传感器从电路角度来看并非纯电感,它既有线圈的铜耗,又有铁芯的涡流及磁滞损耗,这可有线圈的铜耗,又有铁芯的涡流及磁滞损耗,这可用折合的有功电阻抗用折合的有功电阻抗RqRq表示。此外,无功阻抗除电表示。此外,无功阻抗除电感之外还包括绕组间分布电容。这部分电容用集总感之外还包括绕组间分布电容。这部分电容用集总参数参数C C表示,一个电感线圈的完整等效电路可用图表示,一个电感线圈的完整等效电路可用图3-3-4 4表示。表示。图图3-4 3-4 电感线圈等效电路电感线圈等效电路 (3-7)(3-7)式中式中 R Rm m-磁路总磁阻;磁路总磁阻;Za-Za-
6、铁芯部分的磁阻抗;铁芯部分的磁阻抗;Z Z0 0-空气隙的磁阻抗。空气隙的磁阻抗。图图15-9 15-9 取样保持原理取样保持原理下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.4 3.1.4 转换电路转换电路 自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化。为了测出电感量的变化,同时也为了送量的变化。为了测出电感量的变化,同时也为了送入下级电路进行放大和处理。就要用转换电路把电入下级电路进行放大和处理。就要用转换电路把电感变化转换成电压感变化转换成电压(或电流或电流)变化。把传感器电感接变化。把传感器电感接入不同的转换电路后,原则上可将电感变化转换成入不
7、同的转换电路后,原则上可将电感变化转换成电压电压(或电流或电流)的幅值、频率、相位的变化,它们分的幅值、频率、相位的变化,它们分别称为调幅、调频、调相电路。别称为调幅、调频、调相电路。下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.4 3.1.4 转换电路转换电路一、调幅电路一、调幅电路 调幅电路的一种主要形式是交流电桥。图调幅电路的一种主要形式是交流电桥。图3-5(a)3-5(a)所示为交流电桥的一般形式。桥臂所示为交流电桥的一般形式。桥臂ZiZi可以是电阻、可以是电阻、电抗或阻抗元件。当空载时,其输出称为开路输出电抗或阻抗元件。当空载时,其输出称为开路输出电压,表达式如下。式中电压,表达式如下。式
8、中U U为电源电压。为电源电压。图图3-5 3-5 交流电桥的一般形式及等效电路交流电桥的一般形式及等效电路 (a)(a)电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥 (b)(b)变压器电桥变压器电桥 图图3-6 3-6 交流电桥的两种实用形式交流电桥的两种实用形式 图图3-7 3-7 谐振式调幅电路谐振式调幅电路 下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.4 3.1.4 转换电路转换电路二、调频电路二、调频电路 调频电路的基本原理是传感器电感调频电路的基本原理是传感器电感L L变化将引起输变化将引起输出电压频率出电压频率f f的变化。一般是把传感器电感的变化。一般是把传感器电感L L和一个和一个固定电容固定电
9、容C C接入一个振荡回路中,如图接入一个振荡回路中,如图3-8(a)3-8(a)所示。所示。当当L L变化时,振荡频率随之变化,根据的变化时,振荡频率随之变化,根据的f f大小即可大小即可测出被测量值。当测出被测量值。当L L有了微小变化有了微小变化LL后,频率变化后,频率变化ff为为 图图3-8 3-8 调频电路调频电路下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.4 3.1.4 转换电路转换电路三、调相电路三、调相电路 调相电路的基本原理是传感器电感调相电路的基本原理是传感器电感L L变化将引起输变化将引起输出电压相位出电压相位的变化。图的变化。图3-9(a)3-9(a)所示是一个相位电所示是一
10、个相位电桥,一臂为传感器桥,一臂为传感器L L,另一臂为固定电阻,另一臂为固定电阻R R。设计时。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻,则使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻,则电感线圈与固定电阻上压降电感线圈与固定电阻上压降U UL L与与U UR R互相垂直,如图互相垂直,如图3-3-9(b)9(b)所示。当电感所示。当电感L L变化时,输出电压变化时,输出电压U U0 0的幅值不变,的幅值不变,相位角相位角随之变化。随之变化。与与L L的关系为的关系为 式中式中 -电源角频率电源角频率 图图3-9 3-9 调相电路调相电路下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.4 3.1.
11、4 转换电路转换电路 在这种情况下,当在这种情况下,当L L有微小变化有微小变化LL后,输出电压后,输出电压相位变化相位变化为为下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.5 3.1.5 零点残余电压零点残余电压 它表现在电桥预平衡时,无法实现平衡,最后它表现在电桥预平衡时,无法实现平衡,最后总要存在着某个输出值总要存在着某个输出值UU0 0,这称为零点残余电,这称为零点残余电压,如图压,如图3 3一一1010所示。所示。图图3-10 U3-10 U0 0-l-l特性特性下页下页上页上页返回返回图库图库3.1.6 3.1.6 自感式传感器的特点以及应用自感式传感器的特点以及应用 自感式传感器有如下
12、几个特点:自感式传感器有如下几个特点:灵敏度比较好,目前可测灵敏度比较好,目前可测0.1m0.1m的直线位移,输出的直线位移,输出 信号比较大、信噪比较好;信号比较大、信噪比较好;测量范围比较小,适用于测量较小位移;测量范围比较小,适用于测量较小位移;存在非线性;存在非线性;消耗功率较大,尤其是单极式电感传感器,这是由消耗功率较大,尤其是单极式电感传感器,这是由于它有较大的电磁吸力的缘故;于它有较大的电磁吸力的缘故;工艺要求不高,加工容易。工艺要求不高,加工容易。图图3-11 3-11 测气体压力的电感传感器测气体压力的电感传感器 图图3-12 3-12 压差传感器压差传感器下页下页上页上页返
13、回返回图库图库3.23.2变压器式传感器变压器式传感器|3.2.1 3.2.1 工作原理工作原理|3.2.2 3.2.2 等效电路及其特性等效电路及其特性|3.2.3 3.2.3 差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路|3.2.4 3.2.4 零点残余电压的补偿零点残余电压的补偿|3.2.5 3.2.5 变压器式传感器的应用举例变压器式传感器的应用举例下页下页上页上页返回返回图库图库3.2.1 3.2.1 工作原理工作原理 变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M M的的一种磁电机构,很象变压器的工作原理,因此常称一种磁电机构,很象变
14、压器的工作原理,因此常称变压器式传感器。这种传感器多采用差动形式。图变压器式传感器。这种传感器多采用差动形式。图3-133-13所示为典型结构原理。其中:所示为典型结构原理。其中:A A、B B为两个山字为两个山字形固定铁芯,在其窗中各绕有两个线圈,形固定铁芯,在其窗中各绕有两个线圈,W W1a1a及及W W1b1b为为一次绕组,一次绕组,W W2a2a及及W W2b2b为二次绕组;为二次绕组;C C为衔铁。图为衔铁。图3-143-14所所示为改变气隙有效截面积型差动变压器式传感器。示为改变气隙有效截面积型差动变压器式传感器。图图3-13 3-13 气隙型差动变压器式传感器气隙型差动变压器式传
15、感器 图图3-14 3-14 截面积型差动变压器式传感器截面积型差动变压器式传感器下页下页上页上页返回返回图库图库3.2.2 3.2.2 等效电路及特性等效电路及特性 图图3-15 3-15 差动变压器式传感器等效电路差动变压器式传感器等效电路 图图3-16 3-16 输出信号的幅频、相频特性输出信号的幅频、相频特性曲线曲线下页下页上页上页返回返回图库图库3.2.3 3.2.3 差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路 差分变压器随衔铁的位移输出一个调幅波,因而用电差分变压器随衔铁的位移输出一个调幅波,因而用电压表来测量存在下述问题:压表来测量存在下述问题:总有零位电压输出,因
16、而总有零位电压输出,因而零位附近的小位移量困难。零位附近的小位移量困难。交流电压表无法判别衔铁交流电压表无法判别衔铁移动方向,为此常采用必要的测量电路来解决。移动方向,为此常采用必要的测量电路来解决。一、相敏检测电路一、相敏检测电路 二、差动整流电路二、差动整流电路 图图3-17 3-17 差动变压器动态测量时的波形差动变压器动态测量时的波形 图图3-19 3-19 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 图图3-20 3-20 差分整流电路差分整流电路 (a)(a)全波电流输出,全波电流输出,(b)(b)半波电流输出半波电流输出 (c)(c)全波电压输出全波电压输出,(d),(
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