变阻抗式传感器课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,8.1,电感传感器,8.2,电容传感器,8.1.1,自感传感器,8.1.2,差动变压器,8.1.3,涡流传感器,第,8,章 变阻抗式传感器,8.1,电感传感器,8.1.1,自感传感器,F,220V,被测量 线圈自感量,磁电作用,自感传感器的工作原理,F,气隙变,小，电感变大，电流变小,衔铁,线圈,铁心,电流线圈置于磁场中，铁心和衔铁之间有一个空气隙，,传感器的运动部分与衔铁相连,，当运动产生位移时，空气隙厚度或面积发生变化，从而使线圈电感值发生变化：,W,：线圈匝数；,S,：,气隙的有效截面积；,0,：,真空磁导率；,：,气隙厚度。,气隙变,小，电感变大，电流变小,思考：,L,和,S,及,之间线性度灵敏度,变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。,变隙式自感传感器的,L,与,的关系如图所示,自感式电感传感器常见的形式,变隙式 变截面式 螺线管式,差动自感传感器,曲线,1,、,2,为,L,1,、,L,2,的特性，,3,为差动特性,在差动自感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。,1-,差动线圈,2-,铁心,3-,衔铁,4-,测杆,5-,工件,分析：灵敏度、 线性度有何变化,例如，差动变隙式自感传感器的测量电路如下：,将两个电感线圈接在交流电桥的相邻桥臂，另两个桥臂接电阻。测量电桥的输出电压即可获得位移值。,图,相敏检波,电路,测量转换电路,相敏检波电路,测量转换电路（差动形式）的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化。,图,相敏检波,输出特性曲线,a,）,非相敏检波,b,）,相敏检波,1,理想特性曲线,2,实际特性曲线,实测得到的,相敏检波电路的特性曲线,通过调零电路，可使输出曲线平移到原点。,标定位移时的实验数据及曲线,8.1.2,差动变压器,根据变压器的基本原理制成,并且次级绕组用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。,被测量 线圈互感量,磁电作用,两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。,两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。,等效电路,螺线管式差动变压器等效电路,如上图所示螺线管式差动变压器的输出电压为,当激励电压的幅值,U,1,和角频率,、 初级绕组的直流电阻,R,1,及电感,L,1,为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。,分析：当,活动衔铁,在中心、上移、下移时输出电压的有效值,差动变压器的工作原理,有效值,当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零。把差动变压器在零位移时的输出电压称为,零点残余电压,，记作,U,o,，一般在几十毫伏以下。,零点残余电压产生原因,：主要是由传感器的二次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。,问题：,（,1,）差动变压器的输出是,交流电压,(,用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向,);,（,2,）测量值中将包含,零点残余电压,。,为了达到能,辨别移动方向,和,消除零点残余电压,的目的，实际测量时，常常采用,差动整流电路,或,相敏检波电路,。,差动变压器的测量电路,以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出。,8.1.3,涡流传感器,电涡流式传感器原理图,（,a,）,传感器激励线圈,;,（,b,）,被测金属导体,Z=f,(, w, x,),传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗,Z,的函数关系式为：,一般用于测量,x,，也有用于,测量,被测材料电阻率；,被测材料磁导率；,w,传感器励磁频率；,x,传感器与被测材料间距离；,激励线圈的阻抗,若将金属导体看作一个短路线圈，则传感器激励线圈与金属导体间的等效电路如右图所示：,传感器线圈原阻抗为：,电涡流影响后传感器等效阻抗为：,(1),由于电涡流的影响，线圈复阻抗的实部,(,等效电阻,),增大、,虚部,(,等效电感,),减小，因此，线圈的等效品质因数下降，,即：,(2),被测参数可转化为传感器线圈的品质因数,Q,、等效阻抗,Z,和等效电感的变化，利用转换电路将这些参数转换为电压或电流输出。,(3),电涡流式传感器的等效电气参数都是互感系数,M,2,的函数。通常总是,利用其等效电感,L,的变化组成测量电路,，因此，电涡流式传感器属于,(,互感式,),电感式传感器。,分析：, 利用等效电感,L,的转换电路一般用谐振电路，主要有调频式、 调幅式电路两种。 ,1.,调频式电路,当传感器与被测导体距离,x,改变时，传感器的电感变化将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离,x,的函数,LC,振荡回路,涡流传感器的测量电路,2.,调幅式电路,石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（,f,0,）,稳定的激励电流,i,o,，,LC,回路输出电压,当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感,L,发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，,L,的数值随距离,x,的变化而变化。因此，输出电压也随,x,而变化。,除此之外，交流电桥也是涡流传感器常用的测量电路。,涡流传感器最大的特点是可以进行,非接触测量,，动态响应好，灵敏度较高。,1,、位移测量,2,、振幅测量,3,、转速测量,4,、无损探伤,涡流传感器的应用,（,a,),振幅测量,电涡流式传感器,被测体,（,b,),转速测量,（,c,),无损探伤,电涡流式传感器,被测体,被测体,裂纹,位移方向,8.2,电容传感器,S,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为,被测量 电容,S ,极板相对覆盖面积；,d,极板间距离；,r,相对介电常数；,0,真空介电常数；,电容极板间介质的介电常数。,S,，,d,或,发生变化时， 电容量,C,也随之变化。,工作原理,图,电容式传感元件的各种结构形式,变极距,(,）,型,: (a),、,(e),变面积型,(S),型,: (b),、,(c),、,(d),、,(f),、,(g),（,h,）,变介电常数,(,),型,:,（,i,）,(l),变极距型电容传感器,变极距型电容式传感器的原理。,S,e,r,d,C,与,d,不是线性关系,，,只有在,d,/,d,0,很小时，才有近似的线性关系。,变面积型电容传感器,变面积型电容式传感器的原理。,传感器电容量,C,与水平位移,x,呈线性关系。,变介质型电容传感器,变介质型电容式传感器的原理。,电容变化量与被测电介质进入极板间深度呈线性关系。,电容式液位传感器,变极距型电容传感器,电容的相对变化量,C/C,0,与输入位移,d,之间成非线性关系，当,|,d,/,d,0,|1,时可得到近似的线性关系：,电容传感器的灵敏度为,电容传感器的灵敏度大小与,d,0,呈反比关系，要提高灵敏度，应减小起始间隙,d,0,，但非线性误差却随着,d,0,的减小而增大。,电容传感器的灵敏度和线性度,在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，变极距式和变面积型电容传感器大都采用,差动式结构,。在差动式平板电容器中，当动极板位移,d,时，电容器,C,1,的间隙,d,1,变为,d,0,-,d,，,电容器,C,2,的间隙,d,2,变为,d,0,+,d,则,图,差动平板式电容传感器,灵敏度 ，非线性度,电容传感器的测量电路,(1),调频电路,(2),运算放大器电路,(3),双,T,型电桥电路,(4),脉宽调制电路,把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。,振荡回路的总电容,C=C,1,+,C,2,+,C,x,，,其中,C,1,为振荡回路固有电容,C,2,为传感器,引线分布电容,C,x,=,C,0,C,为传感器的电容。,图,调频式测量电路原理框图,（,1,）调频电路,（,4,）脉冲宽度调制电路,利用对传感器电容的充放电使电路,输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化,。,通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号,被测位移为,0,时的波形,被测位移为,x,时的波形,输出与被测量具有线性特性、直流输出,休 息,