常常采用差动整流电路和相敏检波电路

课题4电感式传感器及应用2015/10/1212根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为电磁感应。利用这种现象可以构成各种各样的传感器。电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置.引言电感式传感器3原理定义利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。感测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等。分类根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变压器式）、电涡流式。根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f4优点①结构简单、可靠②分辨率高机械位移0.1μm，甚至更小；角位移0.1角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。③重复性好，线性度优良在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。④能实现远距离传输、记录、显示和控制不足存在交流零位信号，不宜高频动态测量。主要章节内容•4.1自感式传感器•4.2差动变压器式传感器•4.3电涡流传感器54.1自感式传感器•自感式传感器是利用自感量随气隙变化而改变的原理制成的，主要用来测量位移。•自感式传感器主要有闭磁路变隙式和开磁路螺线管式，它们又都可以分为单线圈式与差动式两种结构形式。6内容•4.1.1结构和工作原理•4.1.2自感式传感器的测量电路•4.1.3自感式传感器应用举例7自感式传感器的基本工作原理演示8F衔铁移动磁路中气隙磁阻变化线圈的电感值变化4.1.1基本工作原理9δ线圈铁芯衔铁Δδ,LINm由于mRNL2mmmmRFNIF,可得：磁路的总磁阻可表示为：SSlRiiim02近似计算出线圈的电感量为：202SNLS为气隙的等效截面积，μ0为空气的磁导率，N线圈匝数，δ气隙长度10结论•电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式和变气隙截面式两种类型，前者常用于测量直线位移，后者常用于测量角位移。•如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器。4.1.1常见结构形式111—线圈2—铁芯3—衔铁4—测杆5—导轨6—工件7—转轴•由电感式可知，变气隙长度式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器121—线圈2—铁芯3—衔铁202SNL131．变气隙式（闭磁路式）自感传感器•由电感式同样可知，变截面式传感器具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽，但灵敏度较低，常用来测量较大位移量。•为扩大示值范围和减小非线性误差，可采用差动结构。202SNL•将两个线圈接在电桥的相邻臂，构成差动电桥，不仅可使灵敏度提高一倍，而且使非线性误差大为减小。如当△x/l0=10%时，单边式非线性误差小于10%，而差动式非线性误差小于1%。2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器•螺线管式自感式传感器常采用差动式。151—测杆2—衔铁3—线圈•它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长，一般以铁芯与线圈长度比为0.5,半径比趋于1为宜。•铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率，500Hz以下多用硅钢片，500Hz以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器•螺线管式自感式传感器常采用差动式。161—测杆2—衔铁3—线圈•差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。特性171、2—L1、L2的特性3—差动特性从输出特性曲线(如图4-6所示)可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。4.1.2自感式传感器的测量电路•测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电桥式。•交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双臂工作方式。181．变压器交流电桥•电桥有两臂为传感器的差动线圈的阻抗，所以该电路又称为差动交流电桥19变压器式交流电桥电路图分析•设O点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，可得到电桥输出电压为•当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线圈的电感相等，阻抗也相等。•电桥输出电压，电桥处于平衡状态。201oABAB2121()2ZUUVVUZZ变化时•当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加，2110ZZZ20ZZZ0o22001()222ZZZUUUZZ变化后的电压•当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小于其感抗•当活动铁芯向另一边（反方向）移动时•差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与电感变化量呈线性关系。222．带相敏整流的交流电桥•上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。•常采用带相敏整流的交流电桥。23结构24带相敏整流的交流电桥电路图中电桥的两个臂Z1、Z2分别为差动式传感器中的电感线圈，另两个臂为平衡阻抗Z3、Z4(Z3=Z4=Z0),VD1、V2、VD3、VD4四只二极管组成相敏整流器，输入交流电压加在A、B两点之间，输出直流电压U0由C、D两点输出，测量仪表可以为零刻度居中的直流电压表或数字电压表。（1）初始平衡位置时25铁芯处于初始平衡位置时的等效电路当差动式传感器的活动铁芯处于中间位置时，传感器两个差动线圈的阻抗Z1=Z2=Z0，其等效电路如图所示。由图可知，无论在交流电源的正半周(图(a))还是负半周(图(b))，电桥均处于平衡状态，桥路没有电压输出，即（2）活动铁芯向一边移动时26铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路结果27oDCii20001221()2ZZUVVUUZZZZoDCi200121()2ZUVVUZZZ在Ui的正半周在Ui的负半周•只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值。28（3）活动铁芯向相反方向移动时•当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时，用上述分析方法同样可以证明，无论在的正半周还是负半周，电桥输出电压均为负值。29应用301—理想特性曲线2—实际特性曲线4.1.3自感式传感器应用举例•用于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚度、压力、流量、液位等非电量。311．自感式测厚仪321—可动铁芯2—测杆3—被测物体2．位移测量331—引线2—线圈3—衔铁4—测力弹簧5—导杆6—密封罩7—测头其他电感测微头344.2差动变压器式传感器•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。因这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且其二次绕组都用差动形式连接，所以又叫差动变压器式传感器，简称差动变压器。•有变隙式、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的差动变压器，它可以测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。36•如图4-14所示为螺线管式差动变压器的结构示意图。由图可知，它主要由绕组、活动衔铁和导磁外壳等组成。绕组包括一、二次绕组和骨架等部分。螺线管式差动变压器结构示意图1—一次绕组2—二次绕组3—衔铁4—测杆4.2.1基本工作原理•图4-15所示是理想的螺线管式差动变压器的原理图。将两匝数相等的二次绕组的同名端反向串联，并且忽略铁损、导磁体磁阻和绕组分布电容的理想条件下，当一次绕组N1加以励磁电压时，则在两个二次绕组N21和N22中就会产生感应电动势和(二次开路时即为)。若工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两二次绕组磁回路的磁阻相等，磁通相同，互感系数。螺线管式差动变压器原理图•根据电磁感应原理，将有，由于两二次绕组反向串联，因而,即差动变压器输出电压为零，即•式中，ω为激励电源角频率，单位为rad/s;M1、M2分别为一次绕组N1与二次绕组N21、N22间的互感量，单位为H;为一次绕组的激励电流，单位为A。•当活动衔铁向二次绕组N21方向(向上)移动时，由于磁阻的影响，N21中的磁通将大于N22中的磁通，即可得，从而使M1M2，因而必然会使增加，减小。因为。综上分析可得•式中的正负号表示输出电压与励磁电压同相或者反相。•由于在一定的范围内，互感的变化△M与位移x成正比，所以输出电压的变化与位移的变化成正比。特性曲线如图4-16所示。输出特性41零点残余电动势实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压(如图4-16所示△e)。它的存在使传感器的输出特性曲线不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，为测量带来误差。为了减小零点残余电动势，可采用以下方法:(1)尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。(2)选用合适的测量电路。(3)采用补偿线路减小零点残余电动势。4.2.2测量电路•差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。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及消除零点残余电动势目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。421．差动整流电路43图4-17给出了几种典型电路形式。图(a)、图(c)适用于高负载阻抗，图(b),图(d)适用于低负载阻抗，电阻R0用于调整零点残余电压。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，这样二次电压的相位和零点残余电压都不必考虑。•差动整流电路同样具有相敏检波作用，图中的两组(或两个)整流二极管分别将二次线圈中的交流电压转换为直流电压，然后相加。由于这种测量电路结构简单，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，且具有分布电容小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛的应用。但是，二极管的非线性影响比较严重，而且二极管的正向饱和压降和反向漏电流对性能也会产生不利影响，只能在要求不高的场合下使用。•一般经相敏检波和差动整流后的输出信号还必须经过低通滤波器，把调制的高频信号衰减掉，只让衔铁运动产生的有用信号通过。•2.差动相敏检波电路•差动相敏检波电路的种类很多，但基本原理大致相同。下面以二极管环形(全波)差动相敏检波电路为例说明其工作原理。•(1)电路组成•如图4-18所示，四个特性相同的二极管以同一方向串接成一个闭合回路，组成环形电桥。差动变压器输出的调幅波μ2通过变压器T1加入环形电桥的一条对角线，解调信号μ0通过变压器T2加入环形电桥的另一条对角线，输出信号μL从变压器T1与T2的中心抽头之间引出。平衡电阻R起限流作用，避免二极管导通时电流过大。图4一18差动相敏检波电路•RL为检波电路的负载。解调信号μ0的幅值要远大于μ2，以便有效控制四个二极管的导通状态。μ0与μ1由同一振荡器供电，以保证两者同频、同相(或反相)。•(2)工作原理•当μ2与μ0处于正半周时，VD2、VD3导通，VD1、VD4截止，形成两条电流通路，等效电路如图4-19所示。电流通路1为•电流通路2为•当μ2与μ0同处于负半周时，VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，同样有两条电流通路，等效电路如图4-20所示。电流通路1为•电流通路2为•传感器衔铁上移•传感器衔铁下移•其中，n1为变压器T1的变比。•(3)波形图•根据以上分析可画出输入输出电压波形，如图所示。由于输出电压μL是经二极管检波之后得到的，因此式(4-16)中的μ2为图(c)中的正包络线，而式4-17中的μ2为图(c)中的负包络线，它们共同形成