传感器与检测技术_第3章变电抗式传感器

3 变电抗式传感器
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本章内容 3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器 3.3 电涡流式传感器 3.4 电容式传感器
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F
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准备工作
220V
电感传感器的基本工作原理演示
F
气隙变小，电感变大，电流变小
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被测非电量 电磁 自感系数L 测量 U、I、f 感应 互感系数M 电路
U
C ＋U
－2 ＋U
1/2阻抗。 当负载阻抗为无
－2 D
穷大时， 桥路输出电压 ：
Z1
＋A Z2 U o
－ B
Uo
Z2 Z1 Z2
U
1U 2
Z2 Z1 Z1 Z2
U 2
电桥平衡点？
当传感器的衔铁处于中间位置(Z1=Z2=Z)，此时有电桥平衡。
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当传感器衔铁下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ， 此时
变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。为了减小非 线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器。
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差动变隙式电感传感器
1-铁芯； 2-线圈； 3-衔铁
当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2
L
L1
L2
2L0
0
1
0
2
0
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对上式进行线性处理，即忽略高次项得
1、工作原理
铁芯和衔铁由导磁材料制成，在铁芯 和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感 器的运动部分与衔铁相连。当被测量变化
铁芯 线圈
时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变
δ
化，从而导致电感线圈的电感量变化。
线圈中电感量：
衔铁
Δδ
W W 2 L
I I Rm
Ψ——线圈总磁链,单位：韦伯； I——通过线圈的电流，单位：安培；
灵敏度k0为
k0
L / L0
2
0
L
2
L0
0
（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的
两倍。
（2）单线圈是忽略
0
以2 上高次项，差动式是忽略
0
3以
上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
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2）变面积式自感传感器
传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量
线圈匝数
总磁阻
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气隙很小，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
Rm
l1
1S1
l2
2S2
2 0S0
l ——各段导磁体的长度；
μ——各段导磁体的磁导率； S ——各段导磁体的截面积； δ——空气隙的厚度；
通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,因此
Rm
2 0 s0
高的场合。
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(2) 谐振式调频电路
f
CL
G
f
传感器自感变化将引起输出电压频率
的变化 :
0
L
f 1/ 2 LC
灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合
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(3) 谐振式调相电路
传感器电感变化将引起输出电压相位变化
2 arctan(L / R)
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K U 2 W2 U1
W1 0
结论：
减 高 是 要 愈定 下 难 在1定高但和小从求少; 不）2零工做得愈忽变δ以要，可）3论0供好都点略隙）艺到到增及以电以从。能边式残电加以上 这的允变源灵提缘使差W余电上严 一，敏许压幅高磁灵动2电/源结格 点而W度温器值通敏变灵压1考果对实，首考的压度升铁的敏;虑虑比是称器际所K先为芯适度，值，值的在前上以要条不当K均提和还δ假提很存值0件稳饱提，;
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非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 (a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路
使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小,还 能反映衔铁位移的方向，同时还能消除零点残余电压的影响。
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3、谐振式测量电路
(1) 谐振式调幅电路
L0—谐振点的电感值
电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不
3）螺线管式自感传感器
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1-螺线管线圈Ⅰ
2-螺线管线圈Ⅱ 3-骨架
自学，不要求！
4-活动铁芯
3、自感式传感器测量电路
1）交流电桥式电路 2）变压器电路 3）谐振式电路
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1）交流电桥式电路
传感器的两线圈作为电桥的两相
邻桥臂Z1和Z2，另两个相邻桥臂为纯 电阻R。设Z是衔铁在中间位置时单个
圈
2
3
次
级
线
圈
4
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1、变隙式差动变压器
1）工作原理
在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的 两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。
两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反向串联。
当被测体没有位移时衔铁处于初始平衡位置，与两个铁
芯的当间被隙测相体等有，位则移两时绕衔组铁的的互位感置相发等生，变则化两，个两次次级级绕绕组组的的互互
电感式传感器的定义 一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。
电感式传感器的感测量 位移、振动、压力、应变、流量、比重等。
电感式传感器的种类 根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变
压器式）、电涡流式三种； 根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。
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3.1 自感式传感器
为兼顾测量范围的需要 ，一般选择传感器的δ0为0.5 mm。
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零点残余电压
要努力消除！
（1）零点残余电压产生原 因
零点残余电压主要由基波分 量和高次谐波分量组成。
（2）零点残余电压危害：
▪ 使①传两感电器感输线出圈的特电性气在参零数点及附导磁近体的几范何围尺内寸不不完灵全敏对，称 ，限在制两着电感分线辨圈力上的的提电高压。幅值和相位不同，从而形成零点残
全 波 电 压 输 出
半 波 电 流 输 出
全 波 电 流 输 出
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• 全波电压输出差动整流电路
差动变压器的两个 次级输出电压分别全波 整流，整流电压的差值 作为输出，适用于交流 阻 抗 负 载 。 电 阻 R0 用 于 调整零点残余电压。
从电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性 如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流 方向总是从6到8，整流电路的输出电压为
电动势不为零。
在传感器的量程内，活动
铁心位移越大，差动变压器输
出电动势就越大。 当活动铁心移向次级绕组L2b边，差动输出电动势仍不为
零，但移动方向改变，输出电动势反相。
差动变压器输出电动势的大小和相位可知道活动铁心 位移的大小和方向。
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2）应用电路——差动整流电路
半 波 电 压 输 出
1）工作原理
次级线圈1
设差动由变初压级器线中圈初级，线两圈
衔铁
的匝数个为次W1级，线两圈个和次插级线入圈线的
壳体
匝数分圈别中为央W的1a和圆W柱1b。形当铁初芯级 初级线圈
绕组加等以组激成励。电两压个时次，根级据线变
骨架
压器的圈工反作向原串理联，，在构两个成次差级 次级线圈2
绕组中动便式会。产生感应电势。
线 圈 的 复 阻 抗 ， ΔZ1 、 ΔZ2 分 别 是 衔 铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化
量，则
Z 1
Z ＝R 3
Z 2
U o
Z＝R 4
Z1=Z+ΔZ Z2=Z-ΔZ
Z=R+jωL
U
高品质因数Q=ωL/R的电感式传感器，线圈的电感远远
大于线圈的有功电阻，即ωL>>R，则有
ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)
L L0 L
L
L0
L
W 20s0 2( 0 )
L0
1
0
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特性曲线：L与δ是非线性关系
当 / 0 1 上式用泰勒级数展开成如下的级数形式：
L
L0
L
L0
1
0
0
2
L
L0
0
1
0
0
2
L L0
0
1
0
0
2
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同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有
▪余电零压点的残基余波电分量压。太大，将使线性度变坏，灵敏度下 滞余降致电损②使，压耗的仪）甚传高，器感至次使器不会谐激导再使波励磁反放分电材映量大流料。被与磁器测磁化饱通量曲和波线的，形的变堵不非化一线塞。致性有，（用从如信而铁号形磁成饱通零和过点、，残磁
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2、螺线管式差动变压器
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3.2 差动变压器
互感式传感器 ——被测的非电量变化转换为线圈互感变化
的传感器。
工作原理类似于变压器，次级
绕组用差动形式连接。
初、次级绕组的耦合能随衔铁
M
的移动而变化，即绕组间的互感
随被测位移的改变而变化。
基本种类：
初1
变隙式、变面积式、螺线管式等。
级 线
应用最多的是螺线管式差动变压器。
Δ 2(L / R) Δ L 1 (L / R)2 L