传感器与检测技术第3章 电感式传感器ppt课件.ppt

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1、第3章电感式传感器3.1自感式传感器3.1.1自感式传感器结构与工作原理自感式传感器是把被测量的变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变截面积式和螺线管式三种，如图3-1所示。变气隙型传感器的结构如图3-1a所示，它由线圈、铁心、衔铁三部分组成。铁心和衔铁由导磁材料如硅钢片等材料制成，在铁心和衔铁之间留有空气隙δ。被测物与衔铁相连，当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变而引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔

2、铁位移量的大小和方向。电感量的变化通过测量电路转换为电压、电流或频率的变化，从而实现对被测物位移的检测。则根据电磁感应原理，可得电感量表达式为由磁路欧姆定律，Rm为磁路总磁阻，因而有若忽略磁路磁损，则上式可改写为如果S保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙式自感传感器，如图3-1a所示。若保持δ不变，使S随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器，如图3-1b所示。若线圈中放入圆柱形衔铁，则是一个可变自感，当衔铁上、下移动时，自感量将相应发生变化，这就构成了螺线管型自感传感器，差动变隙式电感传感器由两个相同的电感和磁路组成。测量时，

3、衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体上、下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上、下移动，使磁回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。当差动使用时，两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另两个桥臂由电阻组成，电桥输出电压与∆L有关。构成差动电桥，不仅可使灵敏度提高一倍，而且使非线性误差大为减小。3.1.2自感式传感器的测量电路1变压器交流电桥变压器交流电桥如图3-3所示，电桥两臂Z1和Z2为传感器两线圈的等效阻抗，另外两臂由交流变压器的二次绕组构成，电压均为U2/2。设O点为电位

4、参考点，根据电路的基本分析方法，可得到电桥输出电压为当传感器的活动铁心处于初始平衡位置时，即Z1=Z10，Z2=Z20，此时两线圈的电感相等，阻抗也相等，即Z10=Z20=Z0，其中Z0表示活动铁芯处于初始平衡位置时每一个线圈的阻抗。由式（3-4）可知，这时电桥输出电压，电桥处于平衡状态。当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加，即Z1=Z0+∆Z，而另一个线圈的阻抗减小，Z2=Z0﹣∆Z，代入式（3-5）得R《ωL当活动铁心向另一边（反方向）移动时，则有2.带相敏整流的交流电桥为了既能判别衔铁位移的大小，又能判断出衔铁位移的方向，通常在交

5、流测量电桥中引入相敏整流电路，把测量桥的交流输出转换为直流输出，而后用零值居中的直流电压表测量电桥的输出电压，带相敏整流的交流电桥如图3-4所示。图中电桥的两个臂Z1、Z2分别为差动式传感器中的电感线圈，另两个臂为平衡阻抗Z3、Z4（Z3=Z4=Z0）,VD1、VD2、VD3、VD4四只二极管组成相敏整流器，输入交流电压加在A、B两点之间，输出直流电压U0由C、D两点输出，测量仪表可以为零刻度居中的直流电压表或数字电压表。（1）初始平衡位置当差动式传感器的活动铁芯处于中间位置时，传感器两个差动线圈的阻抗Z1=Z2=Z0，其等效电路如图3-5

6、所示。由图可知，无论在交流电源的正半周（图3-5a）还是负半周（图3-5b），电桥均处于平衡状态，桥路没有电压输出，即（2）活动铁心向一边移动当活动铁心向线圈的一个方向移动时，传感器两个差动线圈的阻抗发生变化，等效电路如图3-6所示。（3）活动铁心向相反方向移动当活动铁心向线圈的另一个方向移动时，用上述分析方法同样可以证明，无论在Ui的正半周还是负半周，电桥输出电压U0均为负值，即3.1.3自感式传感器应用实例1.自感式压力传感器图3-8所示是变气隙电感式压力传感器的结构图，由膜盒、铁心、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。图3-1

7、0为BYM型自感式压力传感器的结构原理图，它是变气隙式差动传感器的一种。当被测压力P变化时，弹簧管1产生变形，其自由端（A端）产生位移，带动与之刚性连接的衔铁3移动，使传感器的线圈5、7的电感量发生大小相等、符号相反的变化，通过交流电桥测量电路即可将此电感量的变化转换成电压输出，其输出电压的大小与被测压力成正比。2.自感式测厚仪图3-11所示为自感式测厚仪原理示意图，它采用差动结构，其测量电路为带相敏整流的交流电桥。当被测物的厚度发生变化时，引起测杆上下移动，带动可动铁芯产生位移，从而改变了气隙的厚度，使线圈的电感量发生相应的变化。此电感变

8、化量经过带相敏整流的交流电桥测量后，测量仪表显示，其大小与被测物的厚度成正比。3.位移测量图3-12a是轴向式测试头的结构示意图;图3-12b是电感测微仪的原理框图。测量时测头的