傳感器與檢測(cè)技術(shù)電感式傳感器課件

第3章電感式傳感器3.1自感式傳感器3.2變壓器式傳感器3.3渦流式傳感器3.4壓磁式傳感器3.5感應(yīng)同步器本章要點(diǎn)下頁(yè)返回電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置。可以用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)變等多種物理量。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí)。一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有線圈繞組。圖庫(kù)3.1自感式傳感器

3.1.1自感式傳感器的工作原理3.1.2靈敏度與非線性3.1.3等效電路3.1.4轉(zhuǎn)換電路3.1.5零點(diǎn)殘余電壓3.1.6自感式傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用

下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.1自感式傳感器的工作原理

電感值與以下幾個(gè)參數(shù)有關(guān)：與線圈匝數(shù)w平方成正比；與空氣隙有效截面積S0成正比；與空氣隙長(zhǎng)度l0所反比。

圖3-l自感式傳感器原理圖圖3-2截面型自感式傳感器B為動(dòng)鐵芯(通稱銜鐵)A為固定鐵芯圖3-3差動(dòng)自感式傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.1自感式傳感器的工作原理下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.1自感式傳感器的工作原理

下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.2靈敏度與非線性氣隙型其靈敏度為：差動(dòng)式傳感器其靈敏度：

以上結(jié)論在滿足Δl/l0＜＜1時(shí)成立。從提高靈敏度的角度看，初始空氣隙l0距離人應(yīng)盡量小。其結(jié)果是被測(cè)量的范圍也變小。同時(shí)，靈敏度的非線性也將增加。如采用增大空氣隙等效截面積和增加線圈匝數(shù)的方法來(lái)提高靈敏度，則必將增大傳感器的幾何尺寸和重量。這些矛盾在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮。與截面型自感傳感器相比，氣隙型的靈敏度較高。但其非線性嚴(yán)重，自由行程小，制造裝配困難。因此近年來(lái)這種類型的使用逐漸減少。差動(dòng)式傳感器其靈敏度與單極式比較。其靈敏度提高一倍，非線性大大減小。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.4轉(zhuǎn)換電路

自感式傳感器實(shí)現(xiàn)了把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼辛康淖兓?。為了測(cè)出電感量的變化，同時(shí)也為了送入下級(jí)電路進(jìn)行放大和處理。就要用轉(zhuǎn)換電路把電感變化轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)變化。把傳感器電感接入不同的轉(zhuǎn)換電路后，原則上可將電感變化轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)的幅值、頻率、相位的變化，它們分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。

下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.4轉(zhuǎn)換電路一、調(diào)幅電路

調(diào)幅電路的一種主要形式是交流電橋。圖3-5(a)所示為交流電橋的一般形式。橋臂Zi可以是電阻、電抗或阻抗元件。當(dāng)空載時(shí)，其輸出稱為開路輸出電壓，表達(dá)式如下。式中U為電源電壓。圖3-5交流電橋的一般形式及等效電路(a)電阻平衡臂電橋(b)變壓器電橋圖3-6交流電橋的兩種實(shí)用形式圖3-7諧振式調(diào)幅電路下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.4轉(zhuǎn)換電路二、調(diào)頻電路調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率f的變化。一般是把傳感器電感L和一個(gè)固定電容C接入一個(gè)振蕩回路中，如圖3-8(a)所示。當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)的f大小即可測(cè)出被測(cè)量值。當(dāng)L有了微小變化ΔL后，頻率變化Δf為圖3-8調(diào)頻電路下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.4轉(zhuǎn)換電路在這種情況下，當(dāng)L有微小變化ΔL后，輸出電壓相位變化Δφ為下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.5零點(diǎn)殘余電壓

它表現(xiàn)在電橋預(yù)平衡時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)平衡，最后總要存在著某個(gè)輸出值ΔU0，這稱為零點(diǎn)殘余電壓，如圖3一10所示。圖3-10U0-l特性下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.1.6自感式傳感器的特點(diǎn)以及應(yīng)用自感式傳感器有如下幾個(gè)特點(diǎn)：①靈敏度比較好，目前可測(cè)0.1μm的直線位移，輸出信號(hào)比較大、信噪比較好；②測(cè)量范圍比較小，適用于測(cè)量較小位移；③存在非線性；④消耗功率較大，尤其是單極式電感傳感器，這是由于它有較大的電磁吸力的緣故；⑤工藝要求不高，加工容易。圖3-11測(cè)氣體壓力的電感傳感器圖3-12壓差傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.2.1工作原理

變壓器式傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換為線圈間互感M的一種磁電機(jī)構(gòu)，很象變壓器的工作原理，因此常稱變壓器式傳感器。這種傳感器多采用差動(dòng)形式。圖3-13所示為典型結(jié)構(gòu)原理。其中：A、B為兩個(gè)山字形固定鐵芯，在其窗中各繞有兩個(gè)線圈，W1a及W1b為一次繞組，W2a及W2b為二次繞組；C為銜鐵。圖3-14所示為改變氣隙有效截面積型差動(dòng)變壓器式傳感器。圖3-13氣隙型差動(dòng)變壓器式傳感器圖3-14截面積型差動(dòng)變壓器式傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.2.2等效電路及特性圖3-15差動(dòng)變壓器式傳感器等效電路圖3-16輸出信號(hào)的幅頻、相頻特性曲線下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.2.3差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電路差分變壓器隨銜鐵的位移輸出一個(gè)調(diào)幅波，因而用電壓表來(lái)測(cè)量存在下述問(wèn)題：①總有零位電壓輸出，因而零位附近的小位移量困難。②交流電壓表無(wú)法判別銜鐵移動(dòng)方向，為此常采用必要的測(cè)量電路來(lái)解決。一、相敏檢測(cè)電路二、差動(dòng)整流電路

圖3-17差動(dòng)變壓器動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)的波形圖3-19相敏檢波前后的輸出特性曲線圖3-20差分整流電路(a)全波電流輸出，(b)半波電流輸出(c)全波電壓輸出,(d)半波電壓輸出圖3-21全波整流電壓輸出電路的輸出波形

下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.2.4零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償

與電感傳感器相似，差分變壓器也存在零點(diǎn)殘余電壓?jiǎn)栴}。零點(diǎn)殘余電壓的存在使得傳感器的特性曲線不通過(guò)原點(diǎn)，并使實(shí)際特性不同于理想特性。

圖3-22補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的電路下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.2.5變壓器式傳感器的應(yīng)用舉例

與電感傳感器相似，差分變壓器也存在零點(diǎn)殘余電壓?jiǎn)栴}。零點(diǎn)殘余電壓的存在使得傳感器的特性曲線不通過(guò)原點(diǎn)，并使實(shí)際特性不同于理想特性。

圖3-23差動(dòng)變壓器式位移傳感器圖3-24差動(dòng)變壓器式壓力傳感器圖3-25微壓傳感器圖3-26加速度傳感器

下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.3渦流式傳感器3.3.1工作原理3.3.2轉(zhuǎn)換電路3.3.3渦流式傳感器的特性及應(yīng)用下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.3.2轉(zhuǎn)換電路

由渦流式傳感器的工作原理可知，被測(cè)量數(shù)變化可以轉(zhuǎn)換成傳感器線圈的品質(zhì)因素Q、等效阻抗Z和等效電感L的變化。轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是把這些種參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出?？偟膩?lái)說(shuō)，利用Q值的轉(zhuǎn)換電路使用較少，這里不作討論。利用z的轉(zhuǎn)換電路一般用橋路，它屬于調(diào)幅電路。利用L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路，根據(jù)輸出是電壓幅值還是電壓頻率，諧振電路又分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.3.2轉(zhuǎn)換電路一、橋路二、諧振調(diào)幅電路三、諧振調(diào)頻電路

圖3-28渦流式傳感器電橋圖3-29諧振調(diào)幅電路圖3-30諧振調(diào)幅電路特性圖3-31調(diào)頻電路原理圖下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.3.3渦流式傳感器的特性及應(yīng)用

渦流式傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測(cè)量，靈敏度較高，適用性強(qiáng)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。圖3-32低頻透射渦流測(cè)厚儀原理圖3-33不同頻率下的e=f(h)曲線圖3-34軌跡儀原理結(jié)構(gòu)下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.4.1工作原理

某些鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械力的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，從而引起磁導(dǎo)率的改變，這種現(xiàn)象稱為“壓磁效應(yīng)”。相反，某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生變形，有些伸長(zhǎng)，有些則壓縮，這種現(xiàn)象稱為“磁致伸縮”。當(dāng)某些材料受拉時(shí)，在受力方向上的磁導(dǎo)率增高，而在與作用力相垂直的方向上磁導(dǎo)率降低，這種現(xiàn)象稱為正磁致伸縮；與此相反的稱為負(fù)磁致伸縮。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.4.1工作原理鐵磁材料的壓磁應(yīng)變靈敏度表示方法與應(yīng)變靈敏度系數(shù)表示方法相似。式中εμ=Δμ/μ--磁導(dǎo)率的相對(duì)變化；εl=Δl/l--在機(jī)械力的作用下鐵磁物質(zhì)的相對(duì)變形。壓磁應(yīng)力靈敏度同樣定義為：?jiǎn)挝粰C(jī)械應(yīng)力б所引起的磁導(dǎo)率相對(duì)變化εμ=Δμ/μ，即利用上述介紹的關(guān)系可以做成壓磁傳感器。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.4.2結(jié)構(gòu)形式

一、利用一個(gè)方向磁導(dǎo)率的變化二、利用兩個(gè)方向上磁導(dǎo)率的改變?nèi)?、維捷曼效應(yīng)圖3-35壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式之一圖3-36壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式之二圖3-37利用"維捷曼"效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的原理圖下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.5感應(yīng)同步器3.5.1工作原理3.5.2類型與結(jié)構(gòu)3.5.3輸出信號(hào)的測(cè)量方法3.5.4誤差分析下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.5.1工作原理感應(yīng)同步器是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來(lái)測(cè)量直線位移或轉(zhuǎn)角位移的一種器件。測(cè)量直線位移的稱為直線感應(yīng)同步器，測(cè)量轉(zhuǎn)角位移的稱為圓感應(yīng)同步器。感應(yīng)同步器是根據(jù)兩個(gè)平面形繞組的互感隨位置而變化的原理制造的。直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，而圓感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。在定尺和滑尺、轉(zhuǎn)子和定子上制有印刷電路繞組，其截面結(jié)構(gòu)如圖3-38所示。工作時(shí)利用繞組間其相對(duì)位置變化而產(chǎn)生的電磁耦合作用發(fā)出相應(yīng)于位移或轉(zhuǎn)角的信號(hào)，從而達(dá)到測(cè)量目的。

圖3-38定尺和滑尺印刷電路截面結(jié)構(gòu)圖3-39定尺和滑尺繞組分布示意圖下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.5.2類型與結(jié)構(gòu)一、長(zhǎng)形感應(yīng)同步器,又稱為直線感應(yīng)同步器,它可分為標(biāo)準(zhǔn)型及窄型兩種。二、圓形感應(yīng)同步器，又稱為旋轉(zhuǎn)型感應(yīng)同步器三、繞組結(jié)構(gòu)圖3-40標(biāo)準(zhǔn)型直線感應(yīng)同步器的外型尺寸圖3-41窄型直線感應(yīng)同步器的外型尺寸圖3-42圓形感應(yīng)同步器的外型尺寸圖3-43定尺、滑尺繞組示意圖下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.5.3輸出信號(hào)的測(cè)量方法

感應(yīng)同步器的輸出信號(hào)是一個(gè)能反映其定片與動(dòng)片相對(duì)位移的交變電勢(shì)，因而對(duì)輸出信號(hào)的處理的本質(zhì)是對(duì)交變電勢(shì)的檢測(cè)。就其特性而言，可用其幅值和相位兩個(gè)物理參量來(lái)描述。對(duì)于由感應(yīng)同步器組成的檢測(cè)系統(tǒng)，可以采取不同的勵(lì)磁方式。并對(duì)輸出信號(hào)有不同的處理方法。從勵(lì)磁方式來(lái)說(shuō)，可分類兩大類：一類是以滑尺(或定子)勵(lì)磁，由定尺(或轉(zhuǎn)子)取出感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)；另一類以定尺為勵(lì)磁，由滑尺取出感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)。目前用的最多的是第一類勵(lì)磁方式。對(duì)輸出感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)可采取不同的處理方法來(lái)達(dá)到測(cè)量目的，一般分為鑒幅型和鑒相型兩種檢測(cè)系統(tǒng)。

圖3-44函數(shù)變壓器抽頭方法下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)3.5.4誤差分析

感應(yīng)同步器的誤差由多種因素造成的，有電磁作用的因素，如繞組自感的存在，繞組端部連線的單匝耦合、各種連線的影響等等，還有器件制造精度、安裝誤差、工作環(huán)境的變化等因素都會(huì)引起測(cè)量誤差。一、零位誤差二、細(xì)分誤差三、環(huán)境溫度的影響下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)第3章本章要點(diǎn)自感式傳感器自感式傳感器的工作原理靈敏度與非線性差動(dòng)式傳感器其靈敏度等效電路轉(zhuǎn)換電路1.調(diào)幅電路(圖3-7)2.調(diào)頻電路(圖3-8)3.調(diào)相電路(圖3-9)下頁(yè)上頁(yè)返回圖