传感器与检测技术_课件第三章

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内容
3.1.1 基本工作原理 3.1.2 自感式传感器的测量电路 3.1.3 自感式传感器应用
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电感传感器的基本工作原理演示
F
气隙变小，电感变大，电流变小
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3.1.1 基本工作原理
线圈的自感量等于线圈中通入单位电流 所产生的磁链数，即线圈的自感系数
•
Uo
L 2L0
•
U2
差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量 电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量 的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压 与电感变化量呈线性关系。
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2．带相敏整流的交流电桥
上述变压器式交流电桥中，由于采用交 流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个 方向移动，电桥输出电压总是交流的， 即无法判别位移的方向。
当活动铁芯向 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4-9 所示。
铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路
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结果
在Ui的正半周
Uo
VD
VC
Z 2Z0
1
(
1 Z
)2
Ui
2Z0
在Ui的负半周
Uo
VD VC
常采用带相敏整流的交流电桥.
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结构
带相敏整流的交流电桥电路
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（1）初始平衡位置时
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
等效电路如图所示。
铁芯处于初始平衡位置时的等效电路
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（2）活动铁芯向一边移动时
第3章 电感式传感器
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电感式传感器
电感式传感器可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量， 其主要特点是结构简单、工作可靠、灵敏度高；测量精度高、 输出功率较大；可实现信息的远距离传输、记录、显示和控 制，在工业自动控制系统中被广泛应用。但其灵敏度、线性 度和测量范围相互制约；传感器自身频率响应低，不适用于 快速动态测量。
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结论
只要被测非电量能够引起空气隙长度或 等效截面积发生变化，线圈的电感量就 会随之变化。
电感式传感器从原理上可分为变气隙长 度式和变气隙截面式两种类型，前者常 用于测量直线位移，后者常用于测量角 位移。
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自感式传感器
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1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器
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结构
差动式电感传感 器对外界影响， 如温度的变化、 电源频率的变化 等基本上可以互 相抵消，衔铁承 受的电磁吸力也 较小，从而减小 了测量误差。
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1—测杆 2—衔铁 3—线圈
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特性
从输出特性曲线（如 图4-5所示）可以看 出，差动式电感传感 器的线性较好，且输 出曲线较陡，灵敏度 约为非差动式电感传 感器的两倍。
交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥 电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈Z1和 Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂 可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压 器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。
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1．变压器交流电桥
电桥有两臂为传感 器的差动线圈的阻 抗，所以该电路又 称为差动交流电桥
电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或 互感来实现非电量的检测。 本章主要介绍：
自感式传感器（利用自感原理）；
差动变压器式传感器（利用互感原理）；
电涡流式传感器（利用涡流原理）。
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3.1自感式传感器
自感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部 分组成。铁心和衔铁由导磁材料制成。 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，自感式传感器可分为变 气隙式、变截面积式和螺线管式三种
L / I N / I
N 为磁链，为磁通（Wb），I为流 过线圈的电流（A），N为线圈匝数。根 据磁路欧姆定律： NIS /，l 为磁导率，S
为磁路截面积，l 为磁路总长度。
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线圈的电感量
Rm
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 0 s0
为磁路的磁阻
L N 2 N 20S
Rm
2
变磁阻式传感器
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1、2—L1、L2的特性 3—差动特性
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3.1.2 自感式传感器的测量电路
自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化 转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器 进行放大，然后用测量仪表显示或记录。
测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式 等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电 桥式 。
由电感式可知，变气隙长度式传感器的 线性度差、示值范围窄、自由行程小， 但在小位移下灵敏度很高，常用于小位 移的测量。
1—线圈 2—铁芯 3—衔铁
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2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器
螺线管式自感式传感器常采用差动式。
它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其 磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限 长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强， 两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长， 一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于1 为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率， 500Hz以下多用硅钢片，500Hz以上多用薄 膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考 虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实 验选定。
电桥输出电压，电桥处于平衡状态。
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变化时
当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻
抗增加 ， Z1 Z0 Z
Z2 Z0 Z
•
Uo
( Z0 Z 2Z0
1• 2)U2
Z • 2Z0 U2
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变化后的电压
当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小
于其感抗
当活动铁芯向另一边（反方向）移动时
变压器式交流电桥电路图
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分析
设O点为电位参考点，根据电路的基本 分析方法，可得到电桥输出电压为
•
Uo
•
UAB
•
•
VA VB
( Z1 Z1 Z2
1• 2)U2
当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置 时，两线圈的电感相等，阻抗也相等， 即，其中表示活动铁芯处于初始平衡位 置时每一个线圈的阻抗。