传感技术4-11-1

Z = R1 + R12 + j[ω L1 − ω L12 ] Coil的等效电阻 和等效电感为： ω 2M 2 R = R1 + R2 2 2 R 2 + (ω L 2 )
ω 2M 2 L = L1 − L2 2 2 R 2 + (ω L 2 )
M是σ,µ,f,x的函数 L =L(σ,µ,f,x) 问题6： 增大 增大， 、 、 如何变化 如何变化？ 问题 ：M增大，L、Q、Z如何变化？ Q =Q(σ,µ,f,x) Z=Z(σ,µ,f,x)
=2/δO
六、L－sensor零点残余电压
产生的原因：两线圈的等 效参数不完全相等引起的 谐波干扰。 若太大，会引起末级放大 器饱和，是出厂时的重要 指标，要求：200倍放大后 < 80 mV，即
e <40 uV
0
ξ4－2互感式传感器 M－sensor
互感式传感器是互感线圈随铁芯位置变化而变化的变磁 阻装置，类似变压器，但有不同。
磁路 M
transformer M－sensor close open constant variable
常接为差动形式——又称差动变压器 螺线管形式，其原 有变气隙、面积，螺线管 螺线管 理相近，下面以螺线管为例：
一、 M－sensor 结构和工作原理
当原边加某一频率的正弦AC 电压Ùi时，则输出为： Ùo＝ Ù1 － Ù2 1)当铁芯位于中心位置时, M1=M2, Ù1＝ Ù2，输出为： Ùo＝ Ù1 － Ù2 ＝0 2)当铁芯上移时，M1 > M2, Ù1> Ù2 ，输出为： Ùo＝ Ù1 － Ù2， Ùo> 0 3)当铁芯下移时，M1<M2, Ù1< Ù2 ，输出为： Ùo＝ Ù1 － Ù2， Ùo> 0 问题4： 问题 ：这样的测量电 路能否判断移动方向？ 路能否判断移动方向？
U 0 = ω (M1 − M 2 )
Ui RP 2 + (ω LP ) 2
三、 M－sensor 测量电路
1、全桥差动整流电路
Uo＝Ua－Ud＝ Uab－Ucd 1)当铁芯位于中心位置时, Uab＝Ucd，Uo ＝0 2)当铁芯上移时，M1 > M2, Uab>Ucd ，输出为： Uo >0 2)当铁芯下移时，M1 < M2, Uab<Ucd ，输出为： Uo<0 全波差动整流电路
ξ4－1自感式传感器 L－sensor
问题1：磁路定律？ 问题 ：磁路定律？
磁路定律：φ＝iN/Rm 感生电动势：
εL= -Ldi/dt = -Ndφ/dt
即 Li ＝ N φ
L = N 2 / Rm
li δ Rm = ∑ +2 µ0 S i =1 µi Si
N
li δ δ Rm = ∑ +2 ≈2 µ0 S µ0 S i =1 µi Si
3、变频调幅电路 、
电容三点式振荡器输出电压幅值、频率均发生变 化，此电路只考虑幅值变化、电路简单，成本低， 而且灵敏度高、线性范围宽，被广泛使用。
ξ4－4 压磁式传感器 －
利用铁磁材料的压磁效应（磁弹性）原理设计 的sensor 一、压磁效应 铁磁材料在磁场中（磁化）沿磁场方向伸长或 缩短的现象——磁致伸缩效应。 铁磁材料在外力作用下，其磁学性质变化的现 象——压磁效应。
N
2δ 2 µ0 S L=N / =N µ0 S 2δ
2
L是δ 、 S的函数 ⇒ 是 的函数
变气隙式： L与δ成反比，非线性，但灵敏 变面积式： L与S成正比，线性，但灵敏度差
一、变气隙L－sensor
µ0S 1 1 ( − ) 2 δ δ − ∆δ ∆δ / δ = L 1 − ∆δ / δ
∆L = N
∆ L = L0 [ ∆δ / δ ∆δ / δ − ] 1 − ∆δ / δ 1 + ∆δ / δ
问题2： 问题 ：差动两个线圈如 何连接？ 何连接
∆L ∆δ / δ ∆δ ∆δ =2 =2 [1 + ( ) 2 + ......] L 1 − (∆δ / δ ) 2 δ δ
灵敏度KL＝ (∆L/L)/∆δ 提高1倍
=2/δ
2 非线性误差＝ ∆δ /δ3 减少近1
个数量级
三、变面积L－sensor
µ0ba 2 µ 0 b( a − ∆a ) ∆L = N −N 2δ 2δ ∆a 2 µ 0 ba =N • 2δ a
2
∆L ∆a = L a
灵敏度KL＝ (∆L/L)/∆a
=1/a
差动形式（大间隙－－漏磁）
2
单个coil：L=gbN 其中g＝2πµ0/ln(d2/d1)柱面间的 比磁导 ∆L/L=
ξ4－5 电感式传感器的应用
铁芯
一、测气体压力
线圈
衔铁
线圈 机械调零 铁芯 弹性气管
二、 加速度计
什么类的传感器？ 什么类的传感器？
三、 测厚仪
d愈大，电涡流损 愈大， 愈大 耗愈大， 耗愈大，u2愈小
d
测量范围： 测量范围：1-100 mm 分辨力： 分辨力：100 nm 线性度： ％ 线性度：1％
Chapter 4 电感式传感器及其应用
nonelectric 特征：以磁场为媒介 特征： Nonelectric：位移、振动、压力、加速度、液位、物料面等 ：位移、振动、压力、加速度、液位、
特点：结构简单、 线性好、灵敏、可靠、稳定、 特点：结构简单、Ro小、Pout大、线性好、灵敏、可靠、稳定、 寿命长。 寿命长。 缺陷：存在 零点残余 动态响应慢。 零点残余、 缺陷：存在AC零点残余、动态响应慢。 种类：自感式、互感式、电涡流、 种类：自感式、互感式、电涡流、压磁式 L、M-sensors L or M
U 2 - U1 U 2 + U1 2 U1 2 U1 I=i 4 -i3 = − =− , − <0 RM RM RM RM
. , . ,, , , . ,, . ,, . ,,
Ù2负半周 D1、D2导通，
I=i1 -i 2 = U 2 - U1 U 2 + U1 2 U1 2 U1 − =− , − <0 RM RM RM RM
2 2 2 2 L 2 3 0 m 2 2
铜损 分布 电容 铁损
f
电涡流损
R使电感的有效品质因数Q减 小，耗损D增大 问题3： 如何定义 其意义？ 如何定义？ 问题 ：Q如何定义？其意义？
五、 L－sensor输出电路
半桥差动输出 u0 =u/2 * ∆ Z /Z
u0 =u/2 * ∆L /L
Sensor KL＝ (∆L/L)/∆δ Circuit KC ＝ u0 / (∆L/L) Total K＝ KL KC = u0 / ∆δ 单位：mV/µm
压磁sensor的结构和工作原理 二、 压磁 的结构和工作原理
• 1、单方向磁导率变化的压磁sensor[补充]
F 1）自感式
L=N
2）互感式
2
µS
2l
F
N1 uo = ui • kF N2
ui
uo
2、双方向磁导率变化的压磁sensor
问题9：不受作用力时 、 有 问题 ：不受作用力时3、4有 输出否？ 输出否？ 双向压磁sensor的结构和工作原理 双向压磁 的结构和工作原理
零点残余电压Ux
－－电桥平衡时的输出电压
产生的原因：变压器制作、线 圈和导磁体安装不对称。 若太大，会引起末级放大器饱 和，要减少。
方法：1）从结构上：coils和磁路对称 2）从电路上：差动整流（最彻底）
二、 M－sensor 等效电路
Ùo＝ Ù1 － Ù2 = -jωM1Ìp – (-jωM2Ìp) 大小为：
. , . , , , . , . , . ,
ξ4－3 电涡流式传感器
一、电涡流效应： 问题 ：何为电涡流？ 问题5：何为电涡流？
金属或导体在交变的磁场中，导体内 部产生的感生电流。
产生电涡流的2个条件： 1）大块导体 2）变化的磁场
二、 基本结构和工作原理 1、构成
1）探头：偏平线圈＋骨架
高频反射式∆
. . . . . . .
.
I1 =
.
U
ω 2M 2 ω 2M 2 R1 + 2 R2 + j[ω L1 − 2 ω L2 ] R2 + (ω L2 ) 2 R2 + (ω L2 ) 2
ω 2 M L 2 + jω M R 2 . I2 = I1 2 2 R 2 + (ω L 2 )
.
ω 2M 2 ω 2M 2 Z = R1 + 2 R2 + j[ω L1 − 2 ω L2 ] 2 2 R2 + (ω L2 ) R2 + (ω L2 ) （unloaded ） Z 0 = R1 + jω L1
Ù2负半周 D1、D2导通，
. , . , , , . , . , . ,
I=i1 -i 2 =
U 2 + U1 U 2 - U1 2 U1 2 U1 − = , >0 RM RM RM RM
i4
i3
i1
i2
2)当Ù1≠0时， （2）Ù1 、 Ù2反相时， Ù2正半周 D4、D3导通， D4端电压Ù2’ － Ù1’’ ，D3端电压， Ù2’ ＋ Ù1’’ ,
D1 D3 D2 D4
2、二极管相敏检波电路
i4
i3
i1
i2
Ù1 为差动变压器的输出电压， Ù2为同频参考电压， 一般U2>U1 ， U2=(3~5)U1 1)当Ù1＝0时， Ù2正半周 D4、D3导通，i4＝i3 ，I＝ i4－i3 ＝0 Ù2负半周 D1、D2导通，i2＝i1 ，I＝ i2－i1 ＝0