传感器 第5版 教学课件 作者 唐文彦 第3章.pptx

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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器（第5版）哈尔滨工业大学唐文彦主编第一节工作原理第二节转换电路和传感器灵敏度第三节零点残余电压第四节应用举例第五节电涡流式传感器第六节压磁式传感器第七节感应同步器第三章电感式传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材返回主目录第三章电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量（自感或互感）的一种装置。可用来测位移、压力、振动等多种非电量，既可用于静态测量，又可用于动态测量。优点：结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、分辨力较高(如在测量长度

2、时一般可达0.1μm)、示值误差一般为示值范围的0.1%～0.5%、稳定性好。缺点：频率响应低，不宜用于快速测量。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。第三章电感式传感器第一节工作原理在图3-1a、b中，尽管在铁心与衔铁之间有一个空气隙，但由于其值不大，所以磁路(图中点划线表示磁路)是封闭的。根据磁路的基本知识，线圈自感可按下式计算图3-1自感式传感器原理图a)气隙型b)截面型c)螺管型1—线圈2—铁心3—衔铁式中N——线圈匝数；Rm——磁路总磁阻。因为气隙

3、厚度δ较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则由铁心磁阻和空气隙磁阻组成的总磁阻为式中li——各段导磁体的长度；μi——各段导磁体的磁导率；Si——各段导磁体的截面积；δ——空气隙的厚度；μ0——真空磁导率，μ0=4π×10-7H/m；S——空气隙截面积（图3-1b中，S=a×b）。将Rm代入上式可得第一节工作原理图3-2互感原理图互感式传感器的工作原理如图3-2所示。设在磁芯上绕有两个线圈N1、N2，则当匝数为N1的一次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穿过匝数为N2的二次线圈，从而在线

4、圈N2中产生互感电动势，其表达式为式中—穿过N2的磁链，M—线圈N1对N2的互感系数，。第一节工作原理设，其中I1M为电流模量，ω为电源角频率，则，因为，其中为激励电压，R1为一次线圈的有效电阻，L1为一次线圈的电感，则二次线圈开路输出电压及其有效值为结论：输出电压信号将随互感变化而变化。第一节工作原理一、转换电路把传感器的自感(或互感)接入不同的转换电路后，原则上可将其转换成电压(电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。在自感式传感器中，调幅电路用得较多，调频、调相电路用得较少。（一）调幅电路（交流电桥）图3-

5、3所示为变压器电桥，Z1、Z2为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次线圈的两半，每半的电压为u/2。输出空载电压为第二节转换电路和传感器灵敏度图3-3变压器电桥第三章电感式传感器在初始平衡状态，Z1=Z2=Z，uo=0。当衔铁偏离中间零点时，Z1=Z+ΔZ、Z2=Z-ΔZ，代入上式得传感器线圈的阻抗变化ΔZ由损耗电阻变化ΔR及感抗变化ωΔL两部分组成，即。考虑到电感线圈的品质因数Q=ωL/R，则代入式(3-9)可得第二节转换电路和传感器灵敏度若忽略ΔR/R，则若能设计成ΔL/L=ΔR/R，或使其有较大的Q值，则上式为第二节转换电路

6、和传感器灵敏度（二）调频电路基本原理是传感器自感L的变化引起输出电压频率f的变化。图中G表示振荡回路，其振荡频率，当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可算出被测量。当L有了微小变化ΔL后，频率变化Δf为第二节转换电路和传感器灵敏度图3-5调频电路（三）调相电路基本原理是传感器电感L变化会引起输出电压相位j变化。j与L的关系为式中ω——电源角频率。在这种情况下，当L有了微小变化ΔL后，输出电压相位变化Δφ为第二节转换电路和传感器灵敏度图3-6调相电路二、传感器灵敏度自感传感器的灵敏度是指传感器结构(测头)和转换电路综合在一起的总灵敏

7、度。。传感器结构灵敏度kt定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即转换电路的灵敏度kc定义为空载输出电压uo与自感相对变化之比，即总灵敏度为第二节转换电路和传感器灵敏度当两线圈的阻抗相等（即Z1=Z2）时，电桥平衡，输出电压为零。由于传感器阻抗是一个复数阻抗，有感抗也有阻抗，为了达到电桥平衡，就要求两线圈的电阻R相等，两线圈的电感L相等。实际上，这种情况是难以精确达到的，就是说不易达到电桥的绝对平衡。第三节零点残余电压若画出衔铁位移x与电桥输出电压Uo有效值的关系曲线，则如图3-8所示，虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，

8、在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压，并用e0表示。图3-8Uo-x特性曲线图第三章电感式传感器为了尽可能地减少零残电压，主要措施：设计时应使上、下磁路对称；