传感器-自感传感器

*,*,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：,线圈自感,线圈匝数,磁路总磁阻,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,=4,10,-7,H,m,；,：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,R,m,的函数，,改变,或,A,0,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,A,0,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,K,0,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,/,0,1,，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,L,10,，,L,20,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,u,sc,z,2,z,1,E/2,E/2,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,Z,1,Z,2,U,SC,E/,2,E/,2,E,变压器电桥原理图,I,初始,Z,1,=Z,2,=Z=R,S,+jL,故平衡时，,U,SC,=0,。,双臂工作时，衔铁偏离中间零点，,设,Z,1,=ZZ,，,Z,2,=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。,震荡电路,C,L,f,图 调频电路,L,f,0,3.,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,