传感器结构原理与设计---第三章 电感式传感器.pptVIP

第三章 电感式传感器 定义：是一种利用线圈自感或互感的变化实现非电量电测的装置。 被测量：位移、加速度、压力、应变等。 分类：根据转换原理，分自感式和互感式两种； 根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。 此外，利用电涡流原理的电涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器，利用平面绕组互感原理的感应同步器等，亦属此类。 优点： ①结构简单可靠，输出功率大、输出阻抗小； ②分辨力高 机械位移：0.1μm，甚至更小；角位移：0.1角秒。 ③重复性好，线性度优良 在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。 缺点：频率响应低，不宜于高频动态测量。 第一节 工作原理 一、 自感式传感器 组成：线圈1，铁芯2和衔铁3等。 图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为2δ,可以认为磁路封闭。 线圈自感计算公式： ★差动式自感传感器，如图。 二、 互感式传感器 组成：基本元件有磁心、初级线圈、次级线圈和线圈框架。 一般形式：这种传感器的二次侧线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。 基本原理：一次侧线圈通入激励电流 时它将产生磁通 （线圈N1所链磁通），其中将有一部分磁通 将穿过匝数为N2的二次侧线圈，从而在线圈N2中产生互感电动势 ，其表达式为 实例：螺管型差动变压器式传感器 螺管型差动变压器类型： 根据一次侧、二次侧线圈排列形式不同有二节式、三节式、四节式和五节式，如图3-10所示。 三节式的组成： 磁芯1、磁筒2、骨架3、一次侧线圈N1、二次侧线圈N2a和 N2b。 三节式的工作原理： 在理想情况下，忽略铁心损耗及线圈寄生电容等因素的影响，其等效电路可以画成如图3-11b所示的形式。 图中e2a和e2b是单个二次侧线圈的感应电动势，当磁芯位于一次侧线圈和某个二个侧线圈的中间位置时，该二次侧线圈绕组的感应电动势达到最大值Emax。当磁芯远离，接近空心状态时，其感应电动势呈现最小值Emin。 当两个二次侧线圈反向串接时，空载输出电压u0=e2a-e2b呈V形特性，如图3-11c所示。图中x表示磁芯偏离中心位置的距离。 二次侧线圈感应电动势e2a和e2b分别为 第三节 转换电路和传感器灵敏度 被测量→自感（互感） →转换电路→后级电路 转换电路的作用：把自感变化转换为电压（或电流）的变化； 转换电路的形式：调幅电路、调频电路和调相电路，其中调幅电路应用较多。 一、调幅电路 1、变压器电桥 基本结构：Z1、Z2为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次侧线圈的两半，每半的电压为u/2。 输出空载电压： 初始平衡， Z1=Z2=Z，u0=0。磁芯偏离中间零点，Z1=Z＋ΔZ， Z2=Z－ΔZ，输出电压变为 输出阻抗值较小，为 ，因而应用较广。 磁芯移动方向相反时， Z1=Z－ΔZ， Z2=Z＋ΔZ，输出电压变为 结论： 两种情况的输出电压相等，方向相反，相位差180°。若用示波器显示，两交流电压波形相同，为判断磁芯移动方向，可在后续电路配置相敏检波器。 线圈的阻抗变化 ，线圈的品质因数为Q=ωL/R，则输出电压表达式可变为： 若ΔR/R可以忽略，有 若设计成ΔL/L＝ΔR/R，或要求线圈具有较高Q值，此时 2、谐振式调幅电路 基本组成：传感器自感L、固定电容C、变压器T。 工作原理：接入外接电源u后，变压器的二次侧将有电压 u0输出，输出电压频率与电源频率相同，幅度随L变化。图3-16b所示为输出电压u0与自感L的关系曲线，其中L0为谐振点的自感值。实际应用时可以使用特性曲线一侧接近线性的一段。 优缺点：这种电路的灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。 二、调频电路 基本原理:传感器自感L变化将引起输出电压频率f的变化。振荡回路的振荡频率为 当L发生微小变化ΔL，频率变化Δf为 特点：非线性比较严重，用于动态范围很小的情况或要求后续电路作适当的处理。 三、调相电路 基本原理：传感器电感L的变化引起输出电压相位φ的变化。 结构如图：相位电桥一臂为L,一臂为R。电感线圈与固定电阻上的压降互相垂直。电感变化，输出电压幅值不变，相位变化。 电感L变化ΔL，相位变化 四、自感传感器的灵敏度 定义：自感传感器的灵敏度是指传感器结构和转换电路综合在一起的总灵敏度。 传感器结构的灵敏度kt：自感值的相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，公式