传感器第三章课件

Rh ( f )
图3-2 自感传感器的等效电路
单线圈自感传感器结构虽然简单，但存在诸多缺 陷，技术性能较差： 由于线圈流往负载的电流不可能为零，存在起始 电流，衔铁始终受电磁引力，会引起附加误差； 非线性误差较大； 某些客观存在的干扰如电源、温度的波动，都会 对输出造成影响。
3.1.2 差动自感传感器
ω 因为线圈的品质因数很高， L0 >> R0
U0 =
•
U i ∆L 2 L0
•
可见，输出信号的幅值与衔铁的位移幅度成正 比，其相位取决于位移的方向，若衔铁上移， 输出信号与激励电源同相位；若衔铁下移，输 出信号与激励电源相位相差180o。
若只将单线圈自感传感器接入该电桥，不妨设Z1 为该单线圈自感传感器，可得 • •
零点残余电压的存在，使差动变压器在机械零位 附近的灵敏度下降，非线性误差增大，降低了它 在零位附近的分辨率。 消除或减小零点残余电压—般可采用以下方法： 1) 设计和加工应尽量保证线圈和磁路对称，结构上 可附加磁路调节机构。其次，应选用高导磁率、 低矫顽磁力、低剩磁感应的导磁材料，并将导磁 体加以热处理，消除残余应力，以提高磁性能的 均匀性和稳定性。在选取磁路工作点时，应使其 不工作在磁化曲线饱和区。 2) 选用合适的测量电路，如相敏检波和差动整流电 路，其直流输出不仅可以鉴别铁心位移方向，而 且可以减小或消除零点残余电压。
3) 采用补偿电路，为常采用的零点残余电压补偿 电路原理图。消除零点残余电压的补偿电路有四 种： ①附加串联电阻以消除基波同相成分； ②附加并联电阻以消除基波正交成分； ③附加并联电容。改变相移，补偿高次谐波分量； ④附加反馈绕组和反馈电容，以补偿基波及高次谐 波分量。串联电阻的阻值很小，为0.5－5Ω，并 联电阻的阻值为数十到数百千欧；并联电容的数 值在数百PF范围。实际数值通常由实验来确定。
当铁芯位于中间位置时， 当铁芯位于中间位置时， 铁芯向上位移时， 铁芯向上位移时，M = M + ∆M
1
M1 = M 2 = M
M2
，E =0 = M − ∆M ，
s
•
Es =
•
− 2 jω∆M E p R p + jωLp
1
•
铁芯向下位移时， 铁芯向下位移时，M
Es =
•
= M − ∆M
•
M 2 = M + ∆M，
1 2 0
1
2
0
1
2
0
0
3
4
•
o
Z1 = R0 + jω ( L0 + ∆L)
Z 2 = R0 + jω ( L0 − ∆L)
此时电桥失衡，有电压输出，输出为
• Z1Z 4 − Z 2 Z 3 U i jω∆L U0 = Ui = ( Z1 + Z 2 )(Z 3 + Z 4 ) 2 R0 + jωL0 • •
0
∆L ∆δ = L0 δ0
其灵敏度为
∆L 1 L0 k= = ∆δ δ 0
ef = ( ∆δ ) 2 × 100%
0
非线性误差为
δ0
为提高自感传感器的灵敏度，可减小 δ ; 但 δ 的减小又限制了测量范围，而且使非线性 加重。
0
自感传感器总要接入测量电路中去，有必 要研究传感器相对于测量电路的等效电路。不 能把它看成一个理想的纯电感L。实际上： 线圈导线存在电阻Rc； 传感器中的铁磁材料在交变磁场中一方面 被磁化，另一方面形成涡流及损耗，这些损耗 可分别用磁滞损耗电阻和涡流损耗电阻Re表示； 还存在线圈的匝间电容和电缆线分布电容， 二者用C统一表示。
图3-13 差动变压器频率特性
远大于差动变压器内阻时， 当RL远大于差动变压器内阻时，下限截止频率 fL 为
fL = (1 + n 2 ) R p 2πLp
3.1 自感式传感器 3.1.1 单线圈自感传感器
自感式传感器亦称变隙式自感传感器或变磁 阻式自感传感器，根据铁芯线圈磁路气隙的改变， 引起磁路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小。 气隙参数的改变可通过改变气隙长度和改变 气隙截面积两种方式实现。传感器线圈分单线圈 和双线圈两种。
图3-1单线圈变气隙式长度自感传感器
第3章 电感式传感器及其信号调理
3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器 3.3 电涡流传感器 3.4 压磁式传感器 3.5 电感式传感器的信号调理
电感式传感器是利用非电量的变化引起传感元 件线圈自感和互感的变化，从而实现非电量电 测量的一种装置。 电感传感器可分为自感式、互感式和涡流式三 种类型。
图3-11 差动变压器的零位补偿
3.2.2 输出特性 1 等效电路 忽略实际差动变压器中的涡流损耗、铁损和寄 生电容等，其等效电路如图3-12所示。
图3-12 差动变压器的等效电路
可列出如下方程： 可列出如下方程：
• • I p = E p /( R p + jωL p ) • • Es1 = − jωM 1 I p • • E s 2 = − jω M 2 I p • • − jω ( M 1 − M 2 ) E p Es = R p + j ωL p
2 jω∆M E p R p + jωL p
2 灵敏度 指在单位电压激励下，铁心移动单位距离时的输 出电压变化量，其量纲为mv/mm/V。一般螺管式差 动变压器的灵敏度大于5mV/mm/V。为提高灵敏度， 可采取下列措施： ①增大差动变压器的几何尺寸以提高线圈的Q值。— 般线圈长度为其直径的1.5——2.0倍较为合适。 ②适当提高激磁频率。 ③增大铁芯直径，但不应触及线圈骨架；铁芯采用 导磁率高、铁损小、涡流损耗小的材料。 ④在不使初级线圈过热的前提条件下当提高激励电 压。
图3-7 采用差动自感传感器测量压力差
3.2 差动变压器 3.2.1 工作原理 差动变压器将位移量转换为线圈间互感的变化。 它实质上是—种变压器，主要由原边绕组、副边 绕组和铁芯组成。 它往往做成差动结构形式，副边两个绕组进行 “差接”。在其原边绕组施加激励电压后，由于 互感系数变化，副边差接绕组的感应电势将相应 地发生变比。 由于它结构简单．测量精度较高、测量范围宽， 作为位移传感器得到广泛应用。其中螺管式差动 变压器是差动变压器的主要结构形式。
双线圈变气隙式自感传感器采用两个线圈激磁， 工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动输 出，因而称之为差动自感传感器。 差动自感传感器亦有变气隙长度型和变气隙截 面积型，由两只完全对称的单线圈自感传感器 共用一个活动衔铁而构成。
图3-3 变气隙长度型差动自感传感器
δ 设 δ1 = δ 0 + ∆δ ，2 = δ 0 − ∆δ ，则两线圈自感分别为
移动衔铁的位置，即可改变气隙的长度，从而 引起线圈自感的变化，实现位移到电感量的变 化的转换。 设初始气隙为，电感初值为，当衔铁上移时， 气隙变为，可知线圈自感的变为
L = L0 + ∆L = L0 (1 − ∆δ
δ0
) −1
当
∆δ << δ 0
，将（3-5）用泰勒级数展开
∆δ
L = L0 + ∆L = L0 [1 +
L1 = L0 + ∆L
L2 = L0 − ∆L
差动自感传感器的输出特性示意图如图所示。
图3-4 差动自感传感器的输出特性示意图
采用差动结构能带来的好处：将传感器两线圈 接入交流电桥的相邻两臂
图3-5 差动自感传感器接入交流电桥
δ 初始时，衔铁处于中间位置， = δ = δ ，L = L = L ， 即 Z = Z = R + jωL ,而 Z = Z = R 是固定臂，于 是电桥平衡，输出电压 U =0。 当衔铁偏离中间位置 ∆δ 时，两线圈电感量 (或阻抗)一增、一减
U i ∆L U0 = 4 L0
采用差动结构能带来的好处： 理论上消除了零位输出，衔铁所受电磁力平衡； 灵敏度提高一倍； 线性度得到改善(高次项能部分相互抵消)； 差动形式可减弱或消除温度、电源变化及外界干 扰等共模干扰的影响。因为这些干扰是以相同的 方向、相同的幅度作用在两个线圈上的，所引起 的自感变化的大小和符号相同，而信号调理电路 实质上是将两个线圈自感的差值转换为电信号。
根据磁路知识，线圈自感L可按下式计算
N2 L= Rm
与电阻串联类似，串联磁路磁阻为各环节磁阻 之和 l l 2δ
Rm =
µA
1
+
µA
2
+
µ0 A
实际上由于铁芯工作于非饱和状态，此时铁芯 的磁导率远远大于空气的磁导率，因而磁路的 总磁阻主要由气隙的磁阻所决定。即可认为
Rm = 2δ µ0 A
N 2 µ0 L= A 2δ
图3-9 差动变压器的电气连接方法
差动变压器的工作原理可以用变压器原理 解释，所不同的是一般变压器的磁路是闭合的、 而差动变压器的磁路是不闭合的。 一般变压器的初次级间的互感系数是常数， 差动变压器的初次级之间的互感是随衔铁移动 而作相应的变化。差动变压器的工作正是建立 在互感变化的基础上。
图3-10 差动变压器输出特性曲线
坡莫合金的导磁性能好，但涡流损 耗较大，所以对激磁频率为500Hz以上的 差动变压器，大多使用铁氧体铁芯；低 频激磁时，多采用工业纯铁作铁芯材料。 在要求电流输出的场合，宜采用次级线 圈匝数较少的差动变压器，以降低其输 出阻抗，再选择合适的输出电路，可得 励频率—般在50Hz至10kHz范 围。频率太低时，其灵敏度显著降低，由温度 和频率波动引起的附加误差增大；但频率太高， 其涡流损耗和铁损增加，寄生电容影响加大。 根据具体应用场合选择合适的工作频率非常重 要。 当负载电阻RL与次级线圈串联时，RL上的输出 电压 U 表示为
实际的差动变压器当铁芯位于线圈中心位置时， 输出电压值不为零，而是 E ，称为零点残余 电压。因此差动变压器的实际输出特性如图310(a)中虚线所示。