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1、Sensor & Detecting Technology,主要內(nèi)容 3.1 自感式傳感器 3.2 差動變壓器 3.3 電容傳感器 3.4 電渦流式傳感器,第三章 變阻抗式傳感器原理與應(yīng)用,第三章 變阻抗式傳感器原理與應(yīng)用,變阻抗式傳感器是利用被測量改變磁路的磁阻，導(dǎo)致線圈電感量的變化，或利用被測量改變傳感器的電容量，或者利用被測量改變線圈的等效阻抗等，實(shí)現(xiàn)對非電量的檢測。 種類： 電感式傳感器 電容傳感器 電渦流式傳感器,第3章 變阻抗式傳感器原理與應(yīng)用,電感式傳感器的分類： 1.按原理分 （1）自感應(yīng)原理的自感式電感傳感器 （2）互感應(yīng)原理的互感式電感傳感器（差動變壓器） 2. 按結(jié)構(gòu)分

2、（1）變氣隙式電感傳感器 （2）變面積式電感傳感器 （3）螺管式電感傳感器,3.1 自感式傳感器,3.1.1 工作原理 3.1.2 變氣隙式自感傳感器 3.1.3 變面積式自感傳感器 3.1.4 螺線管式自感傳感器 3.1.5 自感式傳感器測量電路 3.1.6 自感式傳感器應(yīng)用舉例,3.1.1 工作原理,自感式傳感器是把被測量變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。,分為變氣隙式、變面積式和螺線管式自感傳感器。 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量力小 傳感器的輸出信號強(qiáng)，有利于信號的傳輸和放大。 重復(fù)性能好、線性度寬且較穩(wěn)定。 不宜于高頻動態(tài)信號的測量。,3.1 自感式傳

3、感器,實(shí)驗(yàn)： 將一只220V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到變壓器的36V交流電壓源上，開始毫安表的示值約為幾十毫安。 用手慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。,3.1.1 工作原理,,,,3.1 自感式傳感器, 氣隙變小，電感變大，電流變小,F,,3.1.1 工作原理,,3.1 自感式傳感器,3.1.1 工作原理,,自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。 鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。,3.1 自感式傳感器,磁通：線圈繞在由鐵磁材料制成的鐵心上，線圈通以電流，便產(chǎn)生磁通。 勵磁線圈 勵

4、磁電流 磁路：電流產(chǎn)生的磁通集中在磁導(dǎo)率高的鐵磁材料空間內(nèi)，集中的磁通所經(jīng)過的路徑稱為磁路。 磁阻：表示磁介質(zhì)對磁通的阻礙作用的大小。,3.1.1 工作原理,,在鐵芯和銜鐵之間有空氣隙，傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。,3.1 自感式傳感器,3.1.1 工作原理,銜鐵移動,氣隙改變,磁阻變化,電感值變化,,,,3.1 自感式傳感器,由磁路歐姆定律可知， 線圈自感量計算：,3.1.1 工作原理,氣隙很小，（一般0.1-1mm）可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。

5、 若忽略磁路磁損， 則磁路總磁阻為,各段導(dǎo)磁體的長度,各段導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率,氣隙厚度,真空導(dǎo)磁率,3.1 自感式傳感器,3.1.1 工作原理,通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻， 即,0=410-7Hm； ：空氣隙總長。,3.1 自感式傳感器,3.1.1 工作原理,上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)N為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變或A0均可導(dǎo)致電感變化。 變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積A0的傳感器。 ,線圈電感量： ,3.1 自感式傳感器,3.1.1 工作原理,3.1 自感式傳感器,3.1.2 變氣隙式自感傳感器,忽略磁路磁損時，線圈自感量可寫為,L與之間是非線性關(guān)系，

6、 特性曲線如圖所示。,3.1 自感式傳感器,3.1.2 變氣隙式自感傳感器,當(dāng)銜鐵處于初始位置時，初始電感量為,當(dāng)銜鐵上移時，,則此時輸出電感為,同理，當(dāng)銜鐵隨被測物體的初始位置向下移動時，有,3.1 自感式傳感器,3.1.2 變氣隙式自感傳感器,忽略高次項(xiàng)后，可得,近似線性,靈敏度為,線性度（非線性誤差）,氣隙式電感傳感器的靈敏度與線性度存在矛盾！,3.1 自感式傳感器,變隙式電感式傳感器適用于測量微小位移的場合。,3.1.2 變氣隙式自感傳感器,差動變隙式電感傳感器,為了減小非線性誤差，實(shí)際測量中采用差動變隙式電感傳感器。,差動變隙式電感傳感器是由兩個完全相同的電感線圈合用一個銜鐵和相應(yīng)的

7、磁路組成。 測量時，銜鐵與被測件相連，當(dāng)被測件上下移動時，帶動銜鐵也以相同的位移上下移動，使兩個磁回路中的磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化。,,3.1 自感式傳感器,3.1.2 變氣隙式自感傳感器,銜鐵上移：兩個線圈的電感變化量L1、L2， 差動傳感器電感的總變化量L=L1+L2, 具體表達(dá)式為,對上式進(jìn)行線性處理, 即忽略高次項(xiàng)得,3.1 自感式傳感器,3.1.2 變氣隙式自感傳感器,靈敏度K0為,比較單線圈式和差動式： 差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。 差動式的非線性項(xiàng)(忽略高次項(xiàng))： 單線圈的非線性項(xiàng)（忽略高次項(xiàng))： 由于/0<<1，因此，差動式的線性度得到明顯改善。,

8、3.1 自感式傳感器,3.1.3 變面積式自感傳感器,傳感器氣隙厚度保持不變，令磁通截面積隨被測非電量而變。 設(shè)鐵芯材料和銜鐵材料的磁導(dǎo)率相同，則此變面積自感傳感器自感L為：,3.1 自感式傳感器,3.1.3 變面積式自感傳感器,靈敏度,變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下， 輸入與輸出呈線性關(guān)系； 因此可望得到較大的線性范圍。,3.1 自感式傳感器,3.1.4 螺線管式自感傳感器,單線圈螺線管式自感傳感器是由多層繞制的細(xì)長線圈、鐵磁性殼體和可沿線圈軸向移動的活動銜鐵組成。 線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動時，自感量將相應(yīng)變化，構(gòu)成螺線管型自感傳感器。,螺線管式自感傳感器有單線

9、圈和差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。,3.1 自感式傳感器,3.1.4 螺線管式自感傳感器,1-螺線管線圈； 2-螺線管線圈； 3-骨架； 4-活動鐵芯,差動螺線管式電感傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,L10，L20分別為線圈、的初始電感值；,鐵芯初始狀態(tài)處于對稱位置,3.1 自感式傳感器,3.1.4 螺線管式自感傳感器,當(dāng)鐵芯移動（如右移）后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小,根據(jù)以上兩式，可以求得每只線圈的靈敏度為,兩只線圈的靈敏度大小相等，符號相反，具有差動特征。,化簡得：,3.1 自感式傳感器,3.1.5 自感傳感器測量電路,自感式傳感器：把被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼辛康淖兓?為了測出電感量的變化，要用轉(zhuǎn)換電路把

10、電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）的變化。,1、變壓器電橋 2、諧振式調(diào)幅電路 3. 調(diào)頻電路,3.1 自感式傳感器,3.1.5 自感傳感器測量電路,變壓器電橋,平衡臂為變壓器的兩個副邊； Z1、Z2：差動電感傳感器； 當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時， 流入工作臂的電流為,1、變壓器電橋,3.1 自感式傳感器,3.1.5 自感傳感器測量電路,初始Z1=Z2=Z=RS+jL 故平衡時，USC=0。 雙臂工作時，銜鐵偏離中間零點(diǎn)， 設(shè)Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相當(dāng)于差動式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動，則,同理反方向移動時,3.1 自感式傳感器,2、諧振式調(diào)幅電路,電路的靈敏度很高，但是線性差，適用于線性要求不高

11、的場合。,圖 諧振式調(diào)幅電路,諧振點(diǎn)的自感值,,3.1.5 自感傳感器測量電路,3.1 自感式傳感器,傳感器自感變化將引起輸出電壓頻率的變化。,圖 調(diào)頻電路,3. 調(diào)頻電路,3.1.5 自感傳感器測量電路,3.1 自感式傳感器,3.1.6 自感傳感器應(yīng)用,當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動， 從而使氣隙發(fā)生變化， 流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A的指示值就反映了被測壓力的大小。 ,3.1 自感式傳感器,,當(dāng)被測壓力進(jìn)入C形彈簧管時， C形彈簧管產(chǎn)生變形， 其自由端發(fā)生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化。即一個電感量增大，另一個電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系， 所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓， 即可得知被測壓力的大小。,3.1 自感式傳感器,3.1 自感式傳感器小結(jié),3.1.1 工作原理（掌握） 3.1.2 變氣隙式自感傳感器（掌握） 3.1.3 變面積式自感傳感器 3.1.5 自感式傳感器測量電路（了解）,3.1 自感式傳感器,