传感器-自感传感器.ppt

Sensor & Detecting Technology,主要内容 3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器 3.3 电容传感器 3.4 电涡流式传感器,第三章 变阻抗式传感器原理与应用,第三章 变阻抗式传感器原理与应用,变阻抗式传感器是利用被测量改变磁路的磁阻，导致线圈电感量的变化，或利用被测量改变传感器的电容量，或者利用被测量改变线圈的等效阻抗等，实现对非电量的检测。 种类： 电感式传感器 电容传感器 电涡流式传感器,第3章 变阻抗式传感器原理与应用,电感式传感器的分类： 1.按原理分 （1）自感应原理的自感式电感传感器 （2）互感应原理的互感式电感传感器（差动变压器） 2. 按结构分 （1）变气隙式电感传感器 （2）变面积式电感传感器 （3）螺管式电感传感器,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.1 工作原理,自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。,分为变气隙式、变面积式和螺线管式自感传感器。 特点： 结构简单、工作可靠、测量力小 传感器的输出信号强，有利于信号的传输和放大。 重复性能好、线性度宽且较稳定。 不宜于高频动态信号的测量。,3.1 自感式传感器,实验： 将一只220V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到变压器的36V交流电压源上，开始毫安表的示值约为几十毫安。 用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。,3.1.1 工作原理,3.1 自感式传感器, 气隙变小，电感变大，电流变小,F,3.1.1 工作原理,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理,自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁由导磁材料制成。,3.1 自感式传感器,磁通：线圈绕在由铁磁材料制成的铁心上，线圈通以电流，便产生磁通。 励磁线圈 励磁电流 磁路：电流产生的磁通集中在磁导率高的铁磁材料空间内，集中的磁通所经过的路径称为磁路。 磁阻：表示磁介质对磁通的阻碍作用的大小。,3.1.1 工作原理,在铁芯和衔铁之间有空气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，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。,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理,衔铁移动,气隙改变,磁阻变化,电感值变化,3.1 自感式传感器,由磁路欧姆定律可知， 线圈自感量计算：,3.1.1 工作原理,气隙很小，（一般0.1-1mm）可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,各段导磁体的长度,各段导磁体的导磁率,气隙厚度,真空导磁率,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理,通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即,0=410-7Hm； ：空气隙总长。,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理,上式表明：当线圈匝数N为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变或A0均可导致电感变化。 变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积A0的传感器。 ,线圈电感量： ,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理,3.1 自感式传感器,3.1.2 变气隙式自感传感器,忽略磁路磁损时，线圈自感量可写为,L与之间是非线性关系， 特性曲线如图所示。,3.1 自感式传感器,3.1.2 变气隙式自感传感器,当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,当衔铁上移时，,则此时输出电感为,同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有,3.1 自感式传感器,3.1.2 变气隙式自感传感器,忽略高次项后，可得,近似线性,灵敏度为,线性度（非线性误差）,气隙式电感传感器的灵敏度与线性度存在矛盾！,3.1 自感式传感器,变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。,3.1.2 变气隙式自感传感器,差动变隙式电感传感器,为了减小非线性误差，实际测量中采用差动变隙式电感传感器。,差动变隙式电感传感器是由两个完全相同的电感线圈合用一个衔铁和相应的磁路组成。 测量时，衔铁与被测件相连，当被测件上下移动时，带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中的磁阻发生大小相等、方向相反的变化。,3.1 自感式传感器,3.1.2 变气隙式自感传感器,衔铁上移：两个线圈的电感变化量L1、L2， 差动传感器电感的总变化量L=L1+L2, 具体表达式为,对上式进行线性处理, 即忽略高次项得,3.1 自感式传感器,3.1.2 变气隙式自感传感器,灵敏度K0为,比较单线圈式和差动式： 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。 差动式的非线性项(忽略高次项)： 单线圈的非线性项（忽略高次项)： 由于/01，因此，差动式的线性度得到明显改善。,3.1 自感式传感器,3.1.3 变面积式自感传感器,传感器气隙厚度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变。 设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为：,3.1 自感式传感器,3.1.3 变面积式自感传感器,灵敏度,变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下， 输入与输出呈线性关系； 因此可望得到较大的线性范围。,3.1 自感式传感器,3.1.4 螺线管式自感传感器,单线圈螺线管式自感传感器是由多层绕制的细长线圈、铁磁性壳体和可沿线圈轴向移动的活动衔铁组成。 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，构成螺线管型自感传感器。,螺线管式自感传感器有单线圈和差动式两种结构形式。,3.1 自感式传感器,3.1.4 螺线管式自感传感器,1-螺线管线圈； 2-螺线管线圈； 3-骨架； 4-活动铁芯,差动螺线管式电感传感器结构原理图,L10，L20分别为线圈、的初始电感值；,铁芯初始状态处于对称位置,3.1 自感式传感器,3.1.4 螺线管式自感传感器,当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小,根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为,两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。,化简得：,3.1 自感式传感器,3.1.5 自感传感器测量电路,自感式传感器：把被测量的变化转变为电感量的变化。,为了测出电感量的变化，要用转换电路把电感量的变化转换成电压（或电流）的变化。,1、变压器电桥 2、谐振式调幅电路 3. 调频电路,3.1 自感式传感器,3.1.5 自感传感器测量电路,变压器电桥,平衡臂为变压器的两个副边； Z1、Z2：差动电感传感器； 当负载阻抗为无穷大时， 流入工作臂的电流为,1、变压器电桥,3.1 自感式传感器,3.1.5 自感传感器测量电路,初始Z1=Z2=Z=RS+jL 故平衡时，USC=0。 双臂工作时，衔铁偏离中间零点， 设Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相当于差动式自感传感器的衔铁向一侧移动，则,同理反方向移动时,3.1 自感式传感器,2、谐振式调幅电路,电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。,图 谐振式调幅电路,谐振点的自感值,3.1.5 自感传感器测量电路,3.1 自感式传感器,传感器自感变化将引起输出电压频率的变化。,图 调频电路,3. 调频电路,3.1.5 自感传感器测量电路,3.1 自感式传感器,3.1.6 自感传感器应用,当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动， 从而使气隙发生变化， 流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。 ,3.1 自感式传感器,当被测压力进入C形弹簧管时， C形弹簧管产生变形， 其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系， 所以只要用检测仪表测量出输出电压， 即可得知被测压力的大小。,3.1 自感式传感器,3.1 自感式传感器小结,3.1.1 工作原理（掌握） 3.1.2 变气隙式自感传感器（掌握） 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路（了解）,3.1 自感式传感器,