變阻抗式傳感器

8.1電感傳感器

8.2電容傳感器8.1.1自感傳感器8.1.2差動(dòng)變壓器8.1.3渦流傳感器第8章變阻抗式傳感器

8.1

電感傳感器

8.1.1自感傳感器F220V被測(cè)量線圈自感量磁電作用自感傳感器的工作原理F氣隙變小，電感變大，電流變小銜鐵線圈鐵心電流線圈置于磁場(chǎng)中，鐵心和銜鐵之間有一個(gè)空氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，當(dāng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生位移時(shí)，空氣隙厚度或面積發(fā)生變化，從而使線圈電感值發(fā)生變化：W：線圈匝數(shù)；S

：氣隙的有效截面積；

0：真空磁導(dǎo)率；：氣隙厚度。

氣隙變小，電感變大，電流變小思考：L和S及之間線性度靈敏度變間隙式自感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，因此變隙式自感式傳感器適用于測(cè)量微小位移場(chǎng)合。變隙式自感傳感器的L與的關(guān)系如圖所示自感式電感傳感器常見的形式變隙式變截面式螺線管式

差動(dòng)自感傳感器曲線1、2為L(zhǎng)1、L2

的特性，3為差動(dòng)特性在差動(dòng)自感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量移動(dòng)而偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形成差動(dòng)形式。1-差動(dòng)線圈2-鐵心3-銜鐵4-測(cè)桿5-工件

分析：靈敏度、線性度有何變化例如，差動(dòng)變隙式自感傳感器的測(cè)量電路如下：將兩個(gè)電感線圈接在交流電橋的相鄰橋臂，另兩個(gè)橋臂接電阻。測(cè)量電橋的輸出電壓即可獲得位移值。圖

相敏檢波電路測(cè)量轉(zhuǎn)換電路——相敏檢波電路測(cè)量轉(zhuǎn)換電路（差動(dòng)形式）的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。圖

相敏檢波輸出特性曲線a）非相敏檢波

b）相敏檢波1—理想特性曲線

2—實(shí)際特性曲線

實(shí)測(cè)得到的

相敏檢波電路的特性曲線

通過(guò)調(diào)零電路，可使輸出曲線平移到原點(diǎn)。標(biāo)定位移時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線＋8.1.2差動(dòng)變壓器根據(jù)變壓器的基本原理制成,并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接,故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。被測(cè)量線圈互感量磁電作用兩個(gè)二次線圈反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。

兩者間的互感量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。等效電路螺線管式差動(dòng)變壓器等效電路如上圖所示螺線管式差動(dòng)變壓器的輸出電壓為當(dāng)激勵(lì)電壓的幅值U1和角頻率ω、初級(jí)繞組的直流電阻R1及電感L1為定值時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組之間互感之差的函數(shù)。分析：當(dāng)活動(dòng)銜鐵在中心、上移、下移時(shí)輸出電壓的有效值……差動(dòng)變壓器的工作原理有效值＋當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零。把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作ΔUo，一般在幾十毫伏以下。零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的二次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等引起的。問(wèn)題：（1）差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向);（2）測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路或相敏檢波電路。差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路以兩個(gè)橋路整流后的直流電壓之差作為輸出。＋8.1.3渦流傳感器電渦流式傳感器原理圖（a）傳感器激勵(lì)線圈;（b）被測(cè)金屬導(dǎo)體Z=f(ρ,μ,w,x)

傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為：一般用于測(cè)量x，也有用于測(cè)量ρ,μρ——被測(cè)材料電阻率；μ——被測(cè)材料磁導(dǎo)率；w——傳感器勵(lì)磁頻率；x——傳感器與被測(cè)材料間距離；激勵(lì)線圈的阻抗若將金屬導(dǎo)體看作一個(gè)短路線圈，則傳感器激勵(lì)線圈與金屬導(dǎo)體間的等效電路如右圖所示：傳感器線圈原阻抗為：電渦流影響后傳感器等效阻抗為：(1)由于電渦流的影響，線圈復(fù)阻抗的實(shí)部(等效電阻)增大、虛部(等效電感)減小，因此，線圈的等效品質(zhì)因數(shù)下降，即：(2)被測(cè)參數(shù)可轉(zhuǎn)化為傳感器線圈的品質(zhì)因數(shù)Q、等效阻抗Z和等效電感的變化，利用轉(zhuǎn)換電路將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。(3)電渦流式傳感器的等效電氣參數(shù)都是互感系數(shù)M2的函數(shù)。通常總是利用其等效電感L的變化組成測(cè)量電路，因此，電渦流式傳感器屬于(互感式)電感式傳感器。分析：利用等效電感L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路，主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。

1.調(diào)頻式電路當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，傳感器的電感變化將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)LC振蕩回路渦流傳感器的測(cè)量電路

2.調(diào)幅式電路石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率（f0）穩(wěn)定的激勵(lì)電流io，LC回路輸出電壓當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x而變化。除此之外，交流電橋也是渦流傳感器常用的測(cè)量電路。渦流傳感器最大的特點(diǎn)是可以進(jìn)行非接觸測(cè)量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度較高。1、位移測(cè)量2、振幅測(cè)量3、轉(zhuǎn)速測(cè)量4、無(wú)損探傷渦流傳感器的應(yīng)用（a)振幅測(cè)量電渦流式傳感器被測(cè)體（b)轉(zhuǎn)速測(cè)量（c)無(wú)損探傷電渦流式傳感器被測(cè)體被測(cè)體裂紋位移方向

8.2

電容傳感器

δSε由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為被測(cè)量電容

S——極板相對(duì)覆蓋面積；

d

——極板間距離；

εr——相對(duì)介電常數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)；

ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。S，d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。工作原理圖

電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式變極距(δ）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)(ε)型:（i）～(l)變極距型電容傳感器

變極距型電容式傳感器的原理。Serd

C與Δd不是線性關(guān)系，只有在Δd/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。變面積型電容傳感器

變面積型電容式傳感器的原理。傳感器電容量C與水平位移Δx呈線性關(guān)系。變介質(zhì)型電容傳感器

變介質(zhì)型電容式傳感器的原理。電容變化量與被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間深度呈線性關(guān)系。電容式液位傳感器變極距型電容傳感器電容的相對(duì)變化量ΔC/C0與輸入位移Δd之間成非線性關(guān)系，當(dāng)|Δd/d0|<<1時(shí)可得到近似的線性關(guān)系：電容傳感器的靈敏度為電容傳感器的靈敏度大小與d0呈反比關(guān)系，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。電容傳感器的靈敏度和線性度在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，變極距式和變面積型電容傳感器大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極板位移Δd時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-Δd，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+Δd,則圖

差動(dòng)平板式電容傳感器靈敏度，非線性度電容傳感器的測(cè)量電路(1)調(diào)頻電路(2)運(yùn)算放大器電路(3)雙T型電橋電路(4)脈寬調(diào)制電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。振蕩回路的總電容C=C1+C2+Cx，其中C1為振蕩回路固有電容,C