第4章电感式传感器

第一节变磁阻式传感器第二节互感式传感器第三节电涡流式传感器第四章电感式传感器图4–1变磁阻式传感器S1l1L1W23l2±1—线圈；2—铁芯(定铁芯)；3—衔铁(动铁芯)S2第一节变磁阻式传感器一、结构和工作原理变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，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。二、变气隙式电感传感器输出特性图4-2变隙式电压传感器的L-δ特性L＋0－0oL0L0＋LL0－L图4-3差动变隙式电感传感器sUL1L2RoRooU122131—铁芯；2—线圈；3—衔铁三、测量电路1.图4-4电感式传感器的等效电路RCLZ2.图4-5交流电桥测量电路Z1Z2Z3＝RZ4＝RoUU3.UC2U2UZ1Z2oUABD＋－＋－＋－图4-6变压器式交流电桥4.图4-7谐振式调幅电路oUOL0LoUTUCL(a)(b)四、变磁阻式传感器的应用图4-9变隙电感式压力传感器结构图线圈铁芯衔铁膜盒PU～A图4-10变隙式差动电感压力传感器线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁～输出P第二节互感式传感器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，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，图4-11为差动变压器的结构示意图。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。一、变隙式差动变压器图4-11差动变压器式传感器的结构示意图（a）、（b）变隙式差动变压器;（c）、（d）螺线管式差动变压器;（e）、（f）变面积式差动变压器iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)1.工作原理图4-11差动变压器式传感器的结构示意图（a）、（b）变隙式差动变压器;（c）、（d）螺线管式差动变压器;（e）、（f）变面积式差动变压器(c)1U2U2U1U(d)图4-11差动变压器式传感器的结构示意图（a）、（b）变隙式差动变压器;（c）、（d）螺线管式差动变压器;（e）、（f）变面积式差动变压器2U1U01U2U(e)(f)2.输出特性图4-12变隙式差动变压器等效电路iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb－＋－＋图4-13变隙式差动变压器输出特性oU12e2ae2be2ae2bUo＋－O1—理想特性；2—实际特性－1.工作原理图4-14螺线管式差动变压器结构5461231—活动衔铁；2—导磁外壳；3—骨架；4—匝数为W1的初级绕组；5—匝数为W2a的次级绕组；6—匝数为W2b的次级绕阻二、螺线管式差动变压器图4-17差动变压器输出电压的特性曲线W2bW1W2a0xuou2bou2au2＝u2a－u2bx理论特性曲线实际特性曲线oUΔ2.基本特性图4-16差动变压器等效电路Ur1L1aL2aL2baE2bE2r2ar2boURLI1＋－＋－＋－＋－差动变压器等效电路如图4-16所示。差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。(1)差动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出，图4-18给出了几种典型电路形式,其中图（a）、（c）适用于交流阻抗负载，图（b）、（d）适用于低阻抗负载，电阻R0用于调整零点残余电压。3.差动变压器式传感器测量电路图4-18（a）半波电压输出；（b）半波电流输出；（c）全波电压输出；（d）全波电流输出1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21UxT14235687910(c)T1Ux2UR0(d)(2)相敏检波电路相敏检波电路如图4-19所示。R(a)VD1RVD4RRVD2VD32uBAT2suus1us2u21u22CDORLMuoT1－＋us1CR＋－us2RLM＋－u22Ruo(b)－＋us1C＋－us2RLM(c)DRRD＋－u21OOuoA图4-19相敏检波电路图4-20（a）被测位移变化波形图;（b）差动变压器激磁电压波形;（c）差动变压器输出电压波形(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形xoou1ttu2oK1u1xusouoottt(a)(b)(c)(d)(e)4.差动变压器式传感器的应用图4-21差动变压器式加速度传感器原理图11B2Ax(t)1—悬臂梁；2—差动变压器第三节电涡流式传感器一、工作原理图4-22（a）传感器激励线圈;（b）被测金属导体～1I1H传感器激励线圈(a)(b)2H2I被测金属导体传感器激励电流二、基本特性图4-23电涡流式传感器简化模型ras1xhrari(r)231—传感器线圈；2—短路环；3—被测金属导体图4-24电涡流式传感器等效电路图1UL1L212ⅠⅡR1R2M2I1I1—传感器线圈；2—电涡流短路环三、1.电涡流的径向形成范围图4-25电涡流密度J与半径r的关系曲线1.00.80.60.40.2Jr/J0r/ras32101233r/ras2hxriraras11—电涡流线圈；2—等效短路环；3—电涡流密度分布2.图4-26电涡流强度与距离归一化曲线1.00.80.60.40.20123456I2/I1x/ras3.电涡流的轴向贯穿深度图4-27电涡流密度轴向分布曲线JdJ0/eohdJ0四、电涡流传感器测量电路用于电涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式电路1.调频式电路图4-28调频式测量电路(a)测量电路框图；(b)振荡电路频率计f-V电压表振荡器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f2.调幅式电路图4-29调幅式测量电路示意图放大检波指示RioLCUo五、1.低频透射式涡流厚度传感器图4-30透射式涡流厚度传感器结构原理图被测金属板L1L2111U2U2.高频反射式涡流厚度传感器图4-31高频反射式涡流测厚仪测试系统图厚度给定系统S1检波比较电压检波S2加法器指示仪表带材xx1x2＋－－3.图4-32电涡流式转速传感器工作原理图振荡器高频放大器检波器整形电路d输入轴d0传感器fn