Sensor & Detecting Technology,主要內(nèi)容 3.1 自感式傳感器 3.2 差動(dòng)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(cè)量改變磁路的磁阻，導(dǎo)致線圈電感量的變化，或利用被測(cè)量改變傳感器的電容量，或者利用被測(cè)量改變線圈的等效阻抗等，實(shí)現(xiàn)對(duì)非電量的檢測(cè)。 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(dòng)變壓器） 2. 按結(jié)構(gòu)分 （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(cè)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(cè)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(jiǎn)單、工作可靠、測(cè)量力小 傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，有利于信號(hào)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(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量。,3.1 自感式傳感器,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(dòng)鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會(huì)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(shí)，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(lì)磁線圈 勵(lì)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(duì)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(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，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(cè)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(dòng),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(jì)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(chǎng)是均勻的。 若忽略磁路磁損， 則磁路總磁阻為,各段導(dǎo)磁體的長(zhǎng)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(zhǎng)。,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(shí)，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(shí)，線圈自感量可寫為,L與之間是非線性關(guān)系， 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(shí)，初始電感量為,當(dāng)銜鐵上移時(shí)，,則此時(shí)輸出電感為,同理，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)物體的初始位置向下移動(dòng)時(shí)，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(cè)量微小位移的場(chǎng)合。,3.1.2 變氣隙式自感傳感器,差動(dòng)變隙式電感傳感器,為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。,差動(dòng)變隙式電感傳感器是由兩個(gè)完全相同的電感線圈合用一個(gè)銜鐵和相應(yīng)的磁路組成。 測(cè)量時(shí)，銜鐵與被測(cè)件相連，當(dāng)被測(cè)件上下移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng)，使兩個(gè)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(gè)線圈的電感變化量L1、L2， 差動(dòng)傳感器電感的總變化量L=L1+L2, 具體表達(dá)式為,對(duì)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(dòng)式： 差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。 差動(dòng)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(dòng)式的線性度得到明顯改善。,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(cè)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(zhǎng)線圈、鐵磁性殼體和可沿線圈軸向移動(dòng)的活動(dòng)銜鐵組成。 線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，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圈和差動(dòng)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(dòng)鐵芯,差動(dòng)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(duì)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(dòng)（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(hào)相反，具有差動(dòng)特征。,化簡(jiǎn)得：,3.1 自感式傳感器,3.1.5 自感傳感器測(cè)量電路,自感式傳感器：把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼辛康淖兓?為了測(cè)出電感量的變化，要用轉(zhuǎn)換電路把電感量的變化轉(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(cè)量電路,變壓器電橋,平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊； Z1、Z2：差動(dòng)電感傳感器； 當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)， 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(cè)量電路,初始Z1=Z2=Z=RS+jL 故平衡時(shí)，USC=0。 雙臂工作時(shí)，銜鐵偏離中間零點(diǎn)， 設(shè)Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相當(dāng)于差動(dòng)式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動(dòng)，則,同理反方向移動(dòng)時(shí),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的場(chǎng)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(cè)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(cè)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(shí)，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(dòng)， 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(cè)壓力的大小。 ,3.1 自感式傳感器,當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí)， C形彈簧管產(chǎn)生變形， 其自由端發(fā)生位移，帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化。即一個(gè)電感量增大，另一個(gè)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(cè)壓力之間成比例關(guān)系， 所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓， 即可得知被測(cè)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(cè)量電路（了解）,3.1 自感式傳感器,