第3章变阻抗式传感器原理与应用.

第3章变阻抗式传感器原理与应用a)气隙型b)截面型c)螺管型3-1自感式传感器原理图3.1自感式传感器3.1.1工作原理(xLUI位移、流量、振动）（自感）（）原理结构形式变间隙式、变面积式和螺管式。3.1自感式传感器121nmmiinmiiIWULRIIWIWIRRWLR线圈通以有效值为的交流电，产生磁通为，线圈匝数为W。则（类似）由磁路欧姆定律定量3-13-23-33.1自感式传感器331211112200001112222231211122002,,,,,,2()imiiiiimiilLLRsSSSSlSlSWWLLLRSSS总磁阻分别为气隙的磁导率、气隙和截面积。分别为铁心的磁导率、气隙和截面积。分别为衔铁的磁导率、气隙和截面积。铁心的结构和材料确定后，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。3-43-53.1自感式传感器螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而变化的基础上。LRxnimi1S,fLSfL21fL变气隙型传感器变截面型传感器3.1自感式传感器3.1.2变气隙式自感传感器002221112sslslRm气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻002sRm20022sWRWLmL与δ之间是非线性关系磁路总的磁阻为线圈的电感为3-63-73.1自感式传感器3-2变间隙式电感传感器L-δ特性（1）当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0－Δδ,则此时输出电感为L=L0+ΔL,当Δδ/δ1时,可将上式用泰勒级数展开...])()()(1[3020000LLLL20000002()1WsLLLL3.1自感式传感器...])()(1[20000LL3-83-93.1自感式传感器...])()(1[20000LL（2）当衔铁下移Δδ时,传感器气隙增大Δδ,即δ=δ0＋Δδ,则此时输出电感为L=L0－ΔL。...])()(1[20000LL...])()(1[20000LL00LL0001LLK3-103-113-123-13差动变隙式电感传感器1-铁芯；2-线圈；3-衔铁当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL23.1自感式传感器3-3差动式变间隙式电感传感器3.1自感式传感器...])()()(1[302000101LLLL衔铁上移42002130200020212...])()()(1[LLLLLLLL差动输出3-143-153-16结论：①差动式为简单式电感传感器灵敏度的2倍。②非线性减小。简单式电感传感器非线性误差200,误差为差动电感传感器非线性③克服温度等外界共模信号干扰。000022LLLLK3.1自感式传感器3-173.1自感式传感器3.1.3变面积式自感传感器22000/rrWWLsKsllllssKdsdLk0输入与输出呈线性关系。得到较大的线性范围。灵敏度较低。灵敏度2rl1气隙不变，特点3-183-193.1自感式传感器3.1.4螺线管式自感传感器1-螺线管线圈Ⅰ；2-螺线管线圈Ⅱ；3-骨架；4-活动铁芯llrrlWrLLLccr22022010011L10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值3-20图3-4差动螺线管式电感传感器结构原理图3.1自感式传感器当铁芯右移后，使右边电感值增加，左边电感值减小lxlrrlWrLccr2202111lxlrrlWrLccr2202211每只线圈的灵敏度为222021211lrWdxdLdxdLkkcr两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。3-213-223-23,,rcWrk3.1自感式传感器222021lrWkkcr222020100llrWLLLccr1r3-243-253.1.5自感式传感器测量电路1.调幅电路2.调频电路3.调相电路4.自感传感器的灵敏度3.1自感式传感器3.1自感式传感器(1)变压器电路输出空载电压2121121022ZZZZuuZZZuu衔铁偏离中间零点时，、ZZZZZZΔΔ21)/(Δ)2/(0ZZuuu0z2z1u/2u/21、调幅电路初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0图3-6变压器电桥3-263-273.1自感式传感器传感器衔铁移动方向相反时，、ZZZZZZΔΔ21空载输出电压)/(Δ)2/(0ZZuu只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相敏检波器。3-283.1自感式传感器(2)相敏检波电路电路作用：辨别衔铁位移方向。U0的大小反映位移的大小，U0的极性反映位移的方向。消除零点残余电压。使x=0时，U0=0。图3-7相敏检波电路ABCD3.1自感式传感器未加相敏整流器和加相敏整流器的电桥输出、输入特性曲线如图。图3-8非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路3.1自感式传感器设衔铁移动使Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ。当电源u上端为正（A正），下端为负时（B负）12011220IIUIRIR当电源u上端为正（A正），下端为负时（B负）12012210CDBDBCIIUUUUIRIR在电源一个周期内，电压表的输出始终为上正下负。即输出的极性取决于衔铁位移的方向。设衔铁移动使Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ时，分析输出电压的极性。3.1自感式传感器(3)谐振式调幅电路电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。图3-9谐振式调幅电路01TTjLUUjLjLjC3.1自感式传感器传感器自感变化将引起输出电压频率的变化GCLf图3-10调频电路)/(Δ)2/(4/Δ)(Δ2/3LLfLCLCfLf0LCf2/12.调频电路3-293.1自感式传感器传感电感变化将引起输出电压相位变化3.调相电路图3-11调相电路3.1自感式传感器0202()22()222/1(/)LarctgRuuuRjLuRjLRRjLUUeLarctgRLRLLRL3-303-313-323-333.1自感式传感器4.自感传感器的灵敏度传感器结构灵敏度转换电路灵敏度0(Δ/)/ΔkLLx)//(Δ0LLukc总灵敏度00/Δzckkkux气隙型（传感器结构）001k变压器电桥（转换电路）02uZuZ3-343-353.1自感式传感器222222222022222()()()()()()2()()2()cZRLLLZLRLZLLZRLLuLLuRLLuLkRL3-363-373-383-393-40第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小22201()()2zLukRL传感器灵敏度的单位为mV/(μm·V)电源电压为1V，衔铁偏移1μm时，输出电压为若干毫伏。3.1自感式传感器3-413.1自感式传感器3.1.6自感式传感器应用举例（自感式压力传感器）图3-12变隙式自感压力传感器结构图uiPLijL3.1自感式传感器图3-13变隙差动式电感压力传感器0(/2)(Δ/)uuZZ敏感元件：C形弹簧管转换元件：差动变隙自感传感器转换电路：变压器电桥3-423.2差动变压器定义：把被测的非电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。根据变压器的基本原理制成的。次级绕组采用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。结构形式：差动变压器结构有变隙式、变面积式和螺线管式等,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。3.2差动变压器图3-14差动变压器式传感器结构图(e)、(f)变面积式差动变压器(a)、(b)变隙式差动变压器(c)、(d)螺线管式差动变压器3.2差动变压器3.2.1变隙式差动变压器当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出互感变化时，输出电压将作相应变化图3-15变间隙差动变压器式传感器结构图0222baeeU0222baeeU1.工作原理3.2差动变压器衔铁C处于初始平衡位置δa0=δb0=δ0MA=MB当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使δa≠δb,MA≠MB3.2差动变压器两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反向串联。图3-16变间隙差动变压器等效电路2.输出特性3.2差动变压器.112.2UWWUabab可推导如果被测体带动衔铁移动01122UWWU01122UWWUK00AB灵敏度为提高灵敏度的措施?3.2差动变压器图3-17变隙式差动变压器输出特性１理想特性；２实际特性输出含有零点残余电压,根据输出的大小判断位移的大小,但不能辨别位移的方向.3.2差动变压器３.２.２螺线管式差动变压器１-活动衔铁；２-导磁外壳；３-骨架；４-匝数为W1初级绕组；５-匝数为W2a的次级绕组；６-匝数为W2b的次级绕组图3-18螺管式差动变压器的结构3.2差动变压器1、工作原理差动变压器一次线圈加一定频率的激励，由于一次和二次线圈之间的互感，二次线圈产生感应电势。衔铁处于中间位置0222212221UEEMMRRbabamm衔铁左移衔铁右移0222212221UEEMMRRbabamm0222212221UEEMMRRbabamm差动变压器输出电压与活动衔铁位移x的关系曲线，呈V字形。是E2a曲线与E2b曲线合成的结果。3.2差动变压器被测量的变化带动衔铁产生位移，引起原副边磁阻变化,进而原副边磁链和互感系数的变化，最终使两个次级线圈产生感应电势不同,差动输出电压变化。3.2差动变压器图3-19差动变压器输出电压特性曲线3.2差动变压器2、基本特性图3-20差动变压器等效电路3.2差动变压器当次级开路时,初级线圈有激励电流1111LjrUI二次线圈由于互感产生互感电动势为122112IMjEIMjEba空载输出电压为1121222)(LjrUMMjEEUba输出电压的有效值为12122211()()MMUUrL3.2差动变压器(1)活动衔铁处于中间位置时M1=M2=MU2=0(2)M1=M+ΔMM2=M－ΔM212aUEE与、同相。12122211()()MMUUrL(3)M1=M－MM2=M+ΔM3.2差动变压器2122abUEEE与、反向。与同相。12122211()()MMUUrL02222()()ababZrrjLL短路阻抗3.2差动变压器３.主要性能差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以V/mm/V表示。理想条件下，差动变压器的灵敏度KE正比于电源激励频率f。激励电源频率在400HZ～10KHZ之间。图3-21KE与f的关系曲线12122211()()MMUUr