传感器与检测技术第二版胡向东著课件.ppt

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1、下页返回第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涡流式传感器下页上页返回主要介绍利用变磁阻电感式（自感式）传感器，利用互感原理的互感式传感器(通常称为差动变压器式传感器)，利用涡流原理的电涡流式传感器。电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或互感的改变来实现非电量的检测。下页上页返回4.1变磁阻电感式传感器4.1.1工作原理变磁阻电感式传感器是把被测量的变化通过磁阻的变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。线圈中电感量可由下式确定：根据磁路欧姆定律：式中,Rm为磁路总磁阻。（4-1）（4-2）气隙很小，可

2、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（4-3）下页上页返回通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即（4-4）则式（4-3）可写为（4-5）联立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得（4-6）下页上页返回上式表明：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。下页上页返回差动变隙式电感传感器的原理结构图下页上页返回下页上页返回①初态时：若结构对称，且动铁居中，则差动变隙式自感传感器的工作原理如下

3、:②动铁上移时：则︱下页上页返回动铁位移时，输出电压的大小和极性将跟随位移的变化而变化。输出电压不但能反映位移量的大小，而且能反映位移的方向。输出电压正比于2△I，因而灵敏度较高，非线性减小。③动铁下移时：同理可得4.1.2输出特性L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图4-2所示。图4-2变隙式电压传感器的L-δ特性下页上页返回分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为（4-7）当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小，即δ=δ0－Δδ，则此时输出电感为（4-8）下页上页返回当Δδ/δ0<<1时（泰勒级数）：（4-9）可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即(4-10)(4-1

4、1)下页上页返回同理，当衔铁向下移动Δδ时，有（4-12）（4-13）对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得（4-14）下页上页返回灵敏度为结论：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）下页上页返回衔铁上移切线斜率变大灵敏度增加衔铁下移切线斜率变小灵敏度减小与下页上页返回与线性度衔铁上移：衔铁下移：无论衔铁上移或下移，非线性都将增大。故实际应用中广泛采用差动式结构。下页上页返回下页上页返回电感的相对变化量为差动式电感传感器的电感变化量为下页上页返回灵敏度：忽略高次项其灵敏度为当时，

5、上式用泰勒级数展开成级数形式为非线性：＜下页上页返回差动式比单线圈式的灵敏度高1倍。差动式的非线性得到明显改善。比较单线圈和差动两种变隙式电感传感器的特性，可以得到如下结论：下页上页返回4.1.3测量电路电感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感的变化，为了测出电感的变化，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感转换为电压或电流的变化。一般，可将电感变化转换为电压(电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。电路类型主要有：交流电桥、变压器电桥和谐振式测量电路。下页上页返回1.变压器电桥下页上页返回①初态时：由于动铁居中即，，说明电桥处

6、于平衡状态。②动铁芯上移时：则代入式得③动铁芯下移时：同理可得输出电压的大小反映动铁位移的大小，输出电压的极性反映动铁位移的方向。下页上页返回基本测量电桥输出特性曲线接成差动形式的电桥，当铁心处于平衡位置时，输出电压不为零，而是一个很小的数值ΔU0，这个值称为零点残余电压。2.带相敏整流的交流电桥下页上页返回零点残余电压形成的原因：两线圈等效参数（R、L）不对称；工作电压中含有高次谐波；磁路本身存在非线性（铁心材料磁化曲线弯曲部分）；存在寄生参数；工频干扰危害：灵敏度↓非线性误差↑放大器饱和下页上页返回零点残余电压的消除：提高线圈及其骨架的对称性；减少电源中的谐波成分；选择理

7、想的磁性材料，适当降低线圈的激励电流，使衔铁尽可能工作在磁化曲线的线性区；采用适当的补偿电路（Rp、RC等)；下页上页返回零点残余电压补偿电路下页上页返回带相敏整流的交流电桥为了既能判别衔铁位移的大小，又能判断出衔铁位移的方向，通常在交流测量电桥中引入相敏整流电路，把测量桥的交流输出转换为直流输出，而后用零值居中的直流电压表测量电桥的输出电压。下页上页返回②当衔铁上移时，Z1增大，Z2减小，即Z1=Z+∆Z，Z2=Z-∆Z。如果输入交流电压为正半周，电路中二极管VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，电