传感器原理与应用 第4章 电感式传感器ppt课件.ppt

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1、第四章电感式传感器电感式传感器电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器F220V实验：4.1自感式传感器气隙变小，电感变大，电流变小F4.1.1自感式传感器的工作原理总磁阻线圈匝数两式联立得:δ线圈铁芯衔铁Δδ图4-1变磁阻式传感器I为线圈中所通交流电的有效值。空气导磁率磁导率导磁率H/m而其中如果A保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙式自感传感器若保持δ不变，使A随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器，δ，ALL=f(A)L=f(δ)图4-3电

2、感传感器特性衔铁下移4.1.2变气隙式自感传感器的输出特性δ线圈铁芯衔铁Δδ忽略高次项：衔铁上移忽略高次项：4.1.3差动式自感传感器在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。图4-4是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式

3、。图4-4差动式自感传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆（a）变气隙型432131412344（b）变面积型（c）螺管型变气隙型差动式自感传感器衔铁下移：δ衔铁R1R2L2L1忽略高次项：提高一倍上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在±Δδ工作范围内要比单个自感传感器的小得多。差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点：①线性好；②灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；③温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；④电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵

4、消而减小。4.1.4自感式传感器的等效电路实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线圈的铜损电阻RC；铁芯的涡流损耗电阻Re；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数C表示。图4-6等效电路ZCLRcRe4.1.5自感式传感器的测量电路1.电阻平衡臂交流电桥图4-7交流电桥差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作臂（Z1、Z2为两个差动传感器线圈的复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻R1、R2代替。设初始时Z1=Z2=Z=RS+jωL；R1=R2=R；L1=L2=L0。ZLR1R2Z2Z

5、1对差动变气隙式自感传感器：可见，电桥输出电压与Δδ有关，相位与衔铁移动方向有关。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。432175502505075100L/mHδ/mm100251234-ΔδΔδ1、2为两线圈的电感特性，3为两线圈差接时的电感特性，图线4为差接后电桥输出电压与位移间的特性曲线。说明：电桥输出电压的大小与衔铁的位移量Δδ有关，相位与衔铁的移动方向有关。若设衔铁向上移动Δδ为负，则U0为负；向下Δδ为正，则U0为正，相位差180°。2、变压器式交流电

6、桥图4-8变压器交流电桥电桥A点的电位为：C点为正D点为正B点电位为电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗Z1Z2IABCD~初始位置衔铁下移或衔铁上移若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大小相等，但极性相反。由于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向同样需要经过相敏检波电路的处理。变压器电桥与电阻平衡臂电桥相比，具有元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性的优点，但因为变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。3.紧耦合电感臂

7、交流电桥图4-9紧耦合电感臂电桥采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。LLZ1Z24.2.1互感式传感器的结构与工作原理分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。4.2互感式传感器---差动变压器1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243(a)气隙型123(b)螺管型4螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。图4-10差动变压器线圈各种排列形式1初级线圈；2次级线圈；3衔铁(a)二节式(b)三节式(c

8、)四节式(d)五节式311212112212123三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。差动变压器的等效电路LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP～～～差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：当次级开路时，初级绕组的交流电流为：次级绕组的感应电动势为：由于次级绕组反向串接，故