传感器与检测技术_第3章变电抗式传感器

L W 2 W 20s0
Rm
2
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2、分类
铁 线圈 芯
δ
衔铁
Δδ
a)变气隙型
衔
线圈 铁芯
衔铁
铁 移 动 方
向
b)截面型 自感式传感器类型
c)螺管型
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1）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
L0
W 20s0 2 0
衔铁
当衔铁上移Δδ时
铁
线圈
芯
δ
Δδ
0
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
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
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
4
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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
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。
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电桥输出电压为
U0
U
Z1
Z2 Z2
－ R
R
R
U
Z2 Z1
2Z1 Z2
U
Z1 Z2
2Z1 Z2
对于差动式结构
U0
U 2
0
Z 1 Z 2
U o
Z ＝R 3
Z＝R 4
U
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2）变压器式交流电桥电路
电桥两臂Z1、Z2为传感 器线圈阻抗，另外两桥臂 为交流变压器次级线圈的
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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
Mห้องสมุดไป่ตู้
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。
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
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
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；
电UU2压2 U变2的隙WWbb表式12达差U式aa01动WW，变12即U压 1器的输在略路，忽不（等出略计或效电）负电铁压、载路损与漏阻如（衔感抗上即铁以足图涡位及 够 。流移变 大与压 ）量磁器 的滞成次 条损正级 件耗比开 下忽，
相位根据衔铁移动方向与输入电压同相或反相。
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输出电压灵敏度
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
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，;
L
L0
0
1
0
0
2
0
3
L L0
0
1
0
0
2
0
3
对上式作线性处理，即忽略高次项后可得
L L0 0
灵敏度为
k0
L / L0
1
0
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变间隙式自感传感器的灵敏 度及线性度是怎样的呢？即 ∆δ和K，以及线性度的关系 ？
∆δ增大，线性度变差；在上 移时， ∆δ增大导致灵敏度增 大；下移时， ∆δ增大导致灵 敏度减小。
Δ 2(L / R) Δ L 1 (L / R)2 L
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4、自感式传感器应用举例 ——自感式位移传感器(测微仪)
探头
测量
交流
相敏
电桥
放大
检波
振荡器
动态测量范围：±1mm
分 辨 率：1um
精
度：3%
指示器
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——自感式压力传感器
变隙式自感压力传感器结构图
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练习
请分析下图中电感压力传感器采用的是哪种结构？ 并说明工作原理。
.
.
.
.
U0
Z Z
U L 2 L0
U 2
0
U 2
当传感器衔铁上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，
.
.
.
.
U0
- Z
Z
U 2
- L
L0
U 2
- 0
U 2
衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随
衔铁的位移而变化。由于电源是交流电压， 输出指示无法判
断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。
▪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
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
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
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)
感感电电势势不相相等等。，因即次差级动绕变组压反器相有串电联压，输差想出动一。想变，压这器种输差出动电压为
零。
结构有什么要求？
输出电压的大小与相位反映位移的大小和方向。
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2）输出特性
当当r1衔<<铁ωL处1 于时初，始如平果 衡位不置考时虑U铁2=0芯。与衔铁中
若被的测磁体阻带影动响衔，铁可移得动变 ， ）向时隙有上式移差动动Δ变δ（压器Δδ输为出正
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
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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 变电抗式传感器
传感器与检测技术
1
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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2
F
传感器与检测技术
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
当变压器结构对称，且活动铁心处于初始平衡位置时，
两个回路的互感系数相同，根据电磁感应原理有
E E 螺线管式差动变压器结构
2a
2b
变压器两次级绕组反向串联，则差动变压器输出电压为零
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当活动铁心移向次级绕
组L2a边，互感Ma增大，Mb减小 ， 因 而 次 级 绕 组 L2a 内 的 感 应 电 动 势 大 于 次 级 绕 组 内 L2b 的 感应电动势，差动变压器输出
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
灵敏度
L W 20S 0
k0
dL ds
0W 0
2
衔
线圈 铁芯
衔铁
铁 移 动 方
向
结论：（1）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； （2）与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。
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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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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
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相敏检波电路
电源u上端为正时，
U0
R1 R1 Z2
R2 R2 Z1
U
电源u上端为负时，
U0
Z1 R1 Z1
Z2 R2 Z2
U
当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+ΔZ增加，则Z2=Z-ΔZ减少。 这时当电源u上端为正，下端为负时，
电阻R1上的压降大于R2上的压降； 当u上端为负，下端为正时，R2上压降则大于R1上的压降， 电压表V输出上端为正，下端为负。
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