传感器技术-第3章变阻抗式传感器原理与应用

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1、第3章变阻抗式传感器原理与应用3.1自感式传感器3.4电容传感器7/20/202113.1自感式传感器3.1.1工作原理3.1.2变气隙式自感传感器3.1.3变面积式自感传感器3.1.4螺线管式自感传感器3.1.5自感式传感器测量电路3.1.6自感式传感器应用举例7/20/20212电感式传感器的工作基础：电磁感应原理即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量7/20/20213a)气隙型b)截面型c)螺管型自感式传感器原理图3.1自感式传感器7/20/20214线圈自感：Ψ——线圈总磁链,单位：韦伯；Φ—

2、—通过每匝线圈的磁通量；I——通过线圈的电流，单位：安培；W——线圈的匝数；Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨。3.1.1工作原理7/20/20215当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成，铁芯和衔铁由导磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。7/20/20216变气隙型传感器变截面型传感器气隙厚度较小，可以认为气隙磁场是均匀的，忽略磁路

3、铁损，则总磁阻为：线圈自感:7/20/202173.1.2变气隙式自感传感器L与δ之间是非线性关系（3.1.6）7/20/20218分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为当衔铁上移Δδ时，则，代入式（3.1.6）式并整理得7/20/20219同理，向下移动时，有:向上移动时：7/20/202110线性处理，得：变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此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。灵敏度k0为：7/20/202111与的

4、矛盾衔铁上移切线斜率变大衔铁下移切线斜率变小7/20/202112为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。差动传感器电感的总变化量：7/20/202113线性处理，得：灵敏度k0为：（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2倍。（2）单线圈是忽略以上高次项，差动式是忽略以上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。7/20/202114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；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其

5、灵敏度降低。3.1.3变面积式自感传感器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：7/20/2021153.1.4螺线管式自感传感器1-螺线管线圈Ⅰ；2-螺线管线圈Ⅱ；3-骨架；4-活动铁芯（3.1.21）线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值：7/20/202116当铁芯移动（如右移）后：根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为：（3.1.24）上式表明两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。7/20/202117考虑到，而lc与l，rc为同数量级的量，则式(3.1.21)和式(3

6、.1.24)可简化为7/20/2021183.1.5自感式传感器测量电路1、自感式传感器等效电路2、交流电桥3、调幅电路4、调频电路5、调相电路6、自感传感器的灵敏度7/20/2021191.自感式传感器的等效电路自感式传感器的线圈并非是纯电感，包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，总电阻用R表示；线圈的自感L,绕线间分布电容C。7/20/202120等效线圈阻抗为：将上式有理化并应用品质因数Q=ωL/R，可得当Q>>ω2LC且ω2LC<<1时，上式可近似为7/20/202121交流电桥测量电

7、路电桥平衡的条件：2.交流电桥式测量电路7/20/202122把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替。设Z1=Z+ΔZ1,Z2=Z－ΔZ2，Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，ΔZ1,ΔZ2分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量。7/20/202123设Z1=Z2=Z，Z3=Z4=R，

8、△Z1

9、=

10、-△Z2

11、=△Z，则与直流差动电桥的情况相似：7/20/2021243.调幅电路(1)变压器电路输出空载电压初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0衔铁偏离中间零点时

12、在Q=ωL/R很高的时候，可以忽略线圈内阻：u0z2z1u/2u/27/20/202125传感器衔铁移动方向相反时空载输出电压两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差1800为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决。7/20/202126(2)相敏检波电路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