传感器原理及应用-第4章

《传感器原理及应用-第4章》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、一、自感式传感器二、差动变压器三、电涡流式传感器主要内容：第四章电感式传感器本章重点：基本要求：掌握三类传感器的结构、原理、特点、相应的测量电路及其应用；学会分析差动整流电路及相敏检波电路的工作原理，并能应用。自感式传感器结构、原理及其测量电路；差动变压器组成、原理、特点；差动整流电路及相敏检波电路的工作原理；电涡流式传感器的特点、工作原理及应用。定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。种类：根据转换原理，分自感式和互感式两种；根据结构型式，分气

2、隙型、面积型和螺管型。优点：①结构简单、可靠，测量力小衔铁重为0.5～200×10-4N时，磁吸力为(1~10)×10-4N。②分辨力高机械位移：0.1μm，甚至更小；角位移：0.1角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。③重复性好，线性度优良在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。§4-1自感式传感器有气隙型和螺管型两种结构。一、气隙型自感传感器（一）工作原理1/2lδ123x(a)气隙式(b)变截面式图4-1气隙型电感传感器组

3、成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为lδ。N—线圈匝数；Rm—磁路总磁阻由磁路知，线圈自感为因气隙较小(lδ为0.1～1mm)，故认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为l1、l2—铁芯、衔铁的磁路长度；S、S1、S2—气隙、铁芯、衔铁横截面积；μ1、μ2—铁芯、衔铁磁导率；μ0—真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m；lδ—空气隙总长。由于铁芯一般在非饱和状态下，所以可见，L＝f(S,lδ)。若S保持不变，则L为lδ的单值函数，构成变气隙式自感传感器；若lδ不变

4、，S随位移变化，则构成变截面式自感传感器。L=f(lδ)为非线性关系。考虑导磁体的磁阻，当lδ＝0时，L并不等于∞；在lδ较小时其特性曲线如图中虚线所示。L＝f(S)的特性曲线为一直线。其特性曲线如图。L=f（S）L=f（lδ）lδLS图4-2气隙型电感传感器特性曲线（二）特性分析主要特性：灵敏度和线性度。当铁芯和衔铁采用同一种导磁材料，且截面相同时，因为气隙lδ较小，故可认为气隙磁通截面与铁芯截面相等，设磁路总长为l，则一般μr>>1，所以当气隙减少△lδ时K=N2μ0Sμr—导磁体相对磁导率；自感的相对变

5、化同理，当总气隙长度增加Δlδ时，自感减小为ΔL2，即若忽略高次项，则自感变化灵敏度为线性度lδLΔL1ΔL2L0lδ0①当气隙lδ发生变化时，自感的变化与气隙变化均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化Δlδ/lδ的增大而增加；②气隙减少Δlδ所引起的自感变化ΔL1与气隙增加同样Δlδ所引起的自感变化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值随Δlδ/lδ的增加而增大。图4-3气隙型传感器L-δ特性由于转换原理的非线性和衔铁正、反方向移动时电感变化量的不对称性，因此变间隙式传感器（包括差动式传感器）为了保证

6、一定的线性精度，只能工作在很小的区域，用于微小位移的测量。注意：差动结构由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成。当衔铁3移动时，一线圈的自感增加，另一线圈的自感减少。EUSC1342ⅠⅡRR(l-Δlδ)/2(l-Δlδ)/2如将这两个差动线圈分别接入电桥邻臂，则当磁路总气隙改变Δlδ时，自感相对变化为图4-4差动变气隙型电感传感器差动变气隙式自感传感器原理①灵敏度比单线圈传感器提高一倍；②差动式传感器非线性失真小，如当Δlδ/lδ=10％时（略去l／lδμr），单线圈δ＜10％；而差动式的δ＜1％。可见：l

7、δ/mm75502505075100L/mH10025LD4321ⅠⅡ1234-ΔlδΔlδ差动气隙式传感器的Δlδ/lδ与l/(lδμr)的变化受到灵敏度和非线性失真相互矛盾的制约，因此只能适当选取。1—线圈Ⅰ的特性；2—线圈Ⅱ的特性；3—线圈Ⅰ与Ⅱ差接时的自感特性；4—差接后电桥电压与位移间的特性曲线。一般差动变气隙式自感传感器Δlδ/lδ＝0.1~0.2时，非线性误差在3％左右。其工作行程Δlδ很小，若lδ=2mm，则Δlδ为0.2~0.4mm。较大行程的位移测量，常利用螺管式自感传感器。图4-5差动式

8、自感传感器的输出特性图4-6单线圈螺管型传感器结构图二、螺管型自感传感器rx螺旋管铁心l有单线圈和差动式两种结构形式。单线圈的元件为一螺管线圈和一圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值改变。螺管线圈在轴向产生的磁场，根据图4-7和毕奥—沙伐定律可得：n——线圈单位长度的匝数，n=N/l；l——螺管线圈长度；N——线圈总匝数；θ1，θ2——螺线管中心任意点至两端点连