传感器的工作原理输出特性差动整流电路和相敏检波电路

第4章电感式传感器4.1变磁阻电感式传感器4.2差动变压器电感式传感器4.3电涡流电感式传感器知识单元与知识点变磁阻电感式传感器的工作原理、输出特性、测量电路及典型应用；差动变压器电感式（变隙式、螺线管式）传感器的工作原理、输出特性；差动整流电路和相敏检波电路；电涡流电感式传感器的工作原理、等效电路、测量电路与典型应用。能力点深入理解变磁阻、差动变压器电感式传感器的工作原理、输出特性；深入理解电涡流电感式传感器的工作原理、等效电路；理解差动整流电路和相敏检波电路；会分析变磁阻电感式传感器的交流电桥、变压器式交流电桥和谐振式测量电路；了解电涡流电感式传感器的调频式、调幅式测量电路；了解变磁阻、差动变压器和电涡流电感式传感器的典型应用。重难点重点：变磁阻、差动变压器电感式传感器的工作原理、输出特性，电涡流电感式传感器的工作原理、等效电路。难点：差动整流电路和相敏检波电路。学习要求掌握变磁阻电感式传感器的工作原理、输出特性和灵敏度；掌握差动变压器电感式传感器的输出特性和灵敏度；会比较单线圈和差动两种变磁阻（变气隙）电感式传感器的特性；了解电感式传感器的不同测量电路；了解电感式传感器的典型应用。•电感式传感器的工作基础：电磁感应•即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量被测物理量（非电量：位移、振动、压力、流量、比重）线圈自感系数L/互感系数M电压或电流（电信号）电磁感应测量电路•分为变磁阻式、变压器式、涡流式等•特点：–工作可靠、寿命长–灵敏度高，分辨力高–精度高、线性好–性能稳定、重复性好4.1变磁阻电感式传感器（自感式）4.1.1工作原理变磁阻电感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。铁心和衔铁由导磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。线圈中电感量可由下式确定：NLII根据磁路欧姆定律：mINR式中,Rm为磁路总磁阻。（4-1）（4-2）气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为121122002mLLRAAA（4-3）通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即222001110022AlAAlA（4-4）则式（4-3）可写为002ARm（4-5）联立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得22002mNANLR（4-6）上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化，因此变磁阻电感式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积A0的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度电感式传感器。22002mNANLR4.1.2输出特性L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图5-2所示。22002mNANLRL＋－oL0L0＋LL0－L图4-2变隙式电压传感器的L-δ特性分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为200002ANL（4-7）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20000002()1NALLLL（4-8）当Δδ/δ01时（泰勒级数）：30200001LLLL（4-9）可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即200002000011LLLL(4-10)(4-11)同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有3020000302000011LLLL（4-12）（4-13）对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得00LL（4-14）灵敏度为0001LLK可见：变气隙电感式传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变气隙电感式传感器适用于测量微小位移的场合。（4-15）与•衔铁上移–切线斜率变大–灵敏度增加0K20000011LLK20000011LLK－－L＋－oL0L0＋LL0－L•衔铁下移–切线斜率变小–灵敏度减小与线性度•衔铁上移：23000LL非线性部分23000LL非线性部分－－•衔铁下移：•无论衔铁上移或下移，非线性都将增大。差动变气隙电感式传感器sUL1L2RoRooU122131—铁芯；2—线圈；3—衔铁为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变气隙电感式传感器。衔铁上移Δδ：两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式（4-10）及式（4-12）表示，差动传感器电感的总变化量ΔL=ΔL1+ΔL2,具体表达式为4020002112LLLL对上式进行线性处理,即忽略高次项得002LL灵敏度K0为0002LLK比较单线圈式和差动式：①差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。②差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于Δδ/δ01，因此，差动式的线性度得到明显改善。3002/LL200/LL4.1.3测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。22112012121222ZZZZZRUUUUZZRRZZZZ－1.交流电桥式测量电路11ZZZ22ZZZ0ZRjwL11ZjwL22ZjwL0ZjwL002UU当衔铁下移时：002UUZ1Z4＝RUoUZ3＝RZ2当衔铁上移时：UC2U2UZ1Z2oUABD＋－＋－＋－变压器式交流电桥2.变压器式交流电桥电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压2211212122oZZZUUUUZZZZ当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z，此时有，电桥平衡。0oU当传感器衔铁上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，00242oZULUUUZL(4-25)当传感器衔铁下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此时00242oZULUUUZL(4-26)可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。U3.谐振式测量电路分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。调幅电路特点：此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。oUOL0LoUTUCL(a)(b)调频电路：振荡频率。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。具有严重的非线性关系。)2/(1LCfGCLffoL(a)(b)4.1.4变磁阻电感式传感器的应用变气隙电感式压力传感器结构图当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。变气隙差动电感式压力传感器CH4变隙式差动电感压力传感器.swfUL1L2RRoU铁芯1线圈1线圈2铁芯2衔铁工件弹簧测量杆电感测微仪是用于测量微小尺寸变化很普遍的一种工具，常用于测量位移、零件的尺寸等，也用于产品的分选和自动检测。测量杆与衔铁连接，工作的尺寸变化或微小位移经测量杆带动衔铁移动，使两线圈内的电感量发生差动变化，其交流阻抗发生相应的变化，电桥失去平衡，输出一个幅值与位移成正比、频率与振荡器频率相同、相位与位移方向对应的调制信号。如果再对该信号进行放大、相敏检波，将得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号。这种测微仪的动态测量范围为mm，分辨率为1，精度可达到3%。4.2差动变压器电感式传感器（互感式）把被测的非电量变化转换为线圈互感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，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器电感式传感器。差动变压器电感式传感器的结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。4.2.1变隙差动变压器电感式传感器1.工作原理假设：初级绕组N1a=N1b=N1，次级绕组和N2a=N2b=N2两个初级绕组的同名端顺向串联，两个次级绕组的同名端则反相串联。当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有δa0=δb0=δ0，则绕组N1a和N2a间的互感Ma与绕组N1b和N2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压Uo=e2a-e2b=0。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，互感Ma≠Mb，两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压Uo=e2a-e2b≠0，即差动变压器有电压输出，此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。2.输出特性在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下，等效电路。r1a与L1a,r1b与L1b,r2a与L2a,r2b与L2b，分别为N1a,N1b,N2a,N2b绕阻的直流电阻与电感。iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb－＋－＋　变隙差动变压器电感式传感器的等效电路当r1aωL1a，r1bωL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，可得变隙式差动变压器输出电压Uo的表达式，即21baoibaNUUN210ioUNUN分析：当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δ0，则Uo=0。但是如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动Δδ（假设向上移动为正）时，则有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得上式表明：变压器输出电压Uo与衔铁位移量Δδ/δ0成正比。“－”号的意义:当衔铁向上移动时，Δδ/δ0定义为正，变压器输出电压Uo与输入电压Ui反相（相位差180°）；而当衔铁向下移动时，Δδ/δ0则为-|Δδ/δ0|，表明Uo与Ui同相。图4.12所示为变隙式差动变压器输出电压Uo与位移Δδ的关系曲线。变隙式差动变压器灵敏度K的表达式为210oiUUNKN图4.12变隙差动变压器电感式传感器输出特性分析结论：①首先，供电电源Ui要稳定（获取稳定的输出特性）；其次，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值，但要以变压