测试技术_焦生杰、吕彭民_第4章电感式传感器.ppt

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1、第四章电感式传感器电感式传感器的工作原理：它是利用电磁感应原理，通过线圈自感和互感的变化，实现非电量电测。用途及特点：常用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等物理量参数。优点：具有结构简单、工作可靠、寿命长、使用范围广缺点：存在交流零位信号，不适宜高频动态测量。分类：按工作原理分为自感式、互感式和电涡流式三种。4－1自感式电感传感器工作原理：自感式电感传感器是一种改变自感系数的传感器。组成：它由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙δ。一、变气隙式自感传感器根据电磁感应定律，当线圈中通以电流i时，线圈电

2、感(自感)可用下式计算:如果空气隙δ较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为：式中:l—导磁体(铁芯)的长度(m)；μ—铁芯导磁率(H/m)；s—铁芯导磁横截面积(m2)，S＝a×b;δ—空气隙长度(m);μ0—空气导磁率；S0—空气隙导磁横截面积(m2)。工作原理演示变气隙式自感传感器工作原理动画演示因为μ＞＞μ0，则因此，自感L可写为：上式表明，自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积S0成反比。当固定S0不变，变化δ时，L与δ呈非线性（双曲线）关系，如图4－1所示。此时，传感器的灵敏度为灵敏度S与气隙长度的

3、平方成反比，δ愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定δ在较小的范围内工作。例如，若间隙变化范围为（），则灵敏度为由上式可以看出，当时，由于，故灵敏度S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。实际应用中，一般取。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1mm.二、变面积式自感传感器若将变气隙式自感传感器的气隙厚度δ保持不变，使气隙导磁截面积A随被测非电量而变，即构成变面积式自感传感器。变面积式自感传感器输出特性呈线性，因此测量范围大。与变气隙式相比，其灵敏度较低。欲提

4、高灵敏度，初始气隙厚度δ0不能过大，但同样受工艺和结构的限制，δ0的选取与变气隙式相同。工作原理演示三、螺管式自感传感器它与前两种传感器相比，有以下特点：⑴结构简单，制造装配容易；⑵由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；⑶由于空气隙大，磁路磁阻大，固灵敏度较前两种低，但线性范围大；⑷由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；变面积式自感传感器工作原理动画演示变面积式自感传感器的自感:对应的灵敏度为:四、差动式自感传感器：上述三种自感式传感器，由于线圈电流的存在，衔铁上始终作用有电磁吸力，

5、影响测量准确度；而且易受电源电压、频率的波动与温度变化等外界干扰的影响，因此不适合精密测量。为了克服上述缺点，所以大都采用差动式。这是两个变气隙式自感传感器的组合。当公用铁心位于中间位置时，，由于采用差动连接，电感变化量为。传感器输出电感为零。当公用铁心偏离中间位置时，，若位移使则总电感为：当铁心位移很小时，则可见，差动式电感传感器的电感变化量比单线圈式增加一倍。若将这两个线圈接入电桥的相邻臂上，则不仅灵敏度增加了一倍，而且非线性也得到了改善。另外，这种传感器对电压、频率的波动和温度变化等外界影响都有补偿作用。测量电

6、路自感式传感器的测量电路是将线圈的自感的变化转变成电压，以便进行放大。交流电桥和谐振电路具有这样的功能。1、交流电桥交流电桥由交流电源供电，四个桥臂可以是电阻，也可以是电容或电感。如果将直流电桥的桥臂电阻R用阻抗Z代替，则交流电桥的平衡条件为：用指数形式表示阻抗：代入上式，得可见，要使上式成立，则必须满足：式中：Z1，Z2，Z3，Z4------各阻抗的模；-------各阻抗的阻抗角。可见，交流电桥的平衡条件是：相对桥臂阻抗之模的乘积相等，相对桥臂阻抗角之和相等。上面右图表示一种变压器电桥。变压器次级的中心抽头把次

7、级分为两个绕组，接入电桥作为邻臂，另外两个桥臂由差动传感器的两个线圈Z1和Z2构成。因为次级绕组的上下两部分对称,故两部分电压相等,均为U/2。若以d为参考点，负载阻抗为无限大，则输出电压为a，c两点的电位差。即电感线圈的复数阻抗为，若，则上式为：当衔铁处于中位时，，所以，有：当衔铁偏离中位使时，，且，所以有：当衔铁偏离方向相反，使，有：可见：①电桥输出电压与两线圈电感变化量之和成正比；②衔铁沿相反方向移动相同距离时，输出电压的大小相等，但极性相反。二、交流电桥的调幅作用定义：利用缓变的输入信号控制高频振荡信号，使其

8、随着缓变信号的变化规律而变化的过程称为调制。目的：提高缓变信号的频率，放大缓变信号的幅值，以便于信号的传递和处理。调幅：利用缓变信号控制高频振荡信号，使其幅值随着缓变信号的变化规律而变化的过程。调频：利用缓变信号控制高频振荡信号，使其频率随着缓变信号的变化规律而变化的过程。解调：把调制成的交流高频信号还原成缓变信号的过程。调制信号：控制高频载波