傳感器原理與電路設(shè)計(jì)第9講

前言電感式傳感器是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的，具體為利用被測量(位移、振動、壓力、流量、比重)的變化引起線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)測量的。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同，電感式傳感器可分為自感式(變磁阻式)和互感式(變壓器式、渦流式)兩大類。0.差動變壓器差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1～100mm機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。1.變隙式差動變壓器差動變壓器式傳感器1.工作原理初級繞組W1a=W1b=W1次級繞組W2a=W2b=W2初級繞組的同名端順向串聯(lián)次級繞組的同名端反相串聯(lián)變隙式差動變壓器差動變隙式電感注意區(qū)別1.變隙式差動變壓器差動變壓器式傳感器1.工作原理初級繞組W1a=W1b=W1，初級繞組的同名端順向串聯(lián)次級繞組W2a=W2b=W2，次級繞組的同名端反相串聯(lián)當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵芯的間隙有δa0=δb0=δ0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個(gè)次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反相串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。1.變隙式差動變壓器差動變壓器式傳感器1.工作原理初級繞組W1a=W1b=W1，初級繞組的同名端順向串聯(lián)次級繞組W2a=W2b=W2，次級繞組的同名端反相串聯(lián)當(dāng)被測體有位移時(shí)，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb，互感Ma≠M(fèi)b，兩次級繞組的互感電勢e2a≠e2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b≠0，即差動變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向。

1.變隙式差動變壓器差動變壓器式傳感器2.輸出特性在忽略鐵損(即渦流與磁滯損耗忽略不計(jì))、漏感以及變壓器次級開路(或負(fù)載阻抗足夠大)的條件下，等效電路。r1a與L1a

，r1b與L1b，

r2a與L2a

，r2b與L2b，分別為W1a

，W1b

，W2a，W2b繞阻的直流電阻與電感。當(dāng)r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b時(shí)，如果不考慮鐵芯與銜鐵中的磁阻影響，可得變隙式差動變壓器輸出電壓Uo的表達(dá)式1.變隙式差動變壓器差動變壓器式傳感器分析：銜鐵于初始平衡位置，δa=δb=δ0，則Uo=0。銜鐵移動Δδ(設(shè)向上為正)時(shí)，有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，可得：“－”號的意義：當(dāng)銜鐵向上移動時(shí)，Δδ/δ0定義為正，變壓器輸出電壓Uo與輸入電壓Ui反相(相位差180°)；而當(dāng)銜鐵向下移動時(shí)，Δδ/δ0則為-|Δδ/δ0|，表明Uo與Ui同相。上式表明：變壓器輸出電壓Uo與銜鐵位移量Δδ/δ0成正比。1.變隙式差動變壓器差動變壓器式傳感器靈敏度K的表達(dá)式為：輸出特性曲線1.理想特性2.實(shí)際特性結(jié)論：①首先，供電電源Ui要穩(wěn)定（獲取穩(wěn)定的輸出特性）；其次，電源幅值的適當(dāng)提高可以提高靈敏度K值，但要以變壓器鐵芯不飽和以及允許溫升為條件；②增加W2/W1的比值和減小δ0能使靈敏度K提高。(W2/W1影響變壓器的體積及零點(diǎn)殘余電壓。一般選擇δ0為0.5mm。)；③以上結(jié)果是在忽略鐵損和線圈中的分布電容等條件下得到的，如考慮這些影響，將會使傳感器性能變差(靈敏度降低，非線性加大等)。但在一般工程應(yīng)用中可以忽略；④以上結(jié)果是在假定工藝上嚴(yán)格對稱的前提下得到的，而實(shí)際上很難做到這一點(diǎn)，因此傳感器實(shí)際輸出特性存在零點(diǎn)殘余電壓ΔUo；⑤變壓器副邊開路的條件對由電子線路構(gòu)成的測量電路來講容易滿足，但如果直接配接低輸入阻抗電路，須考慮變壓器副邊電流對輸出特性的影響。2.螺線管式差動變壓器差動變壓器式傳感器1.工作原理兩次級線圈反相串聯(lián)，且忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容。當(dāng)初級繞組加以激勵(lì)電壓U時(shí)，在兩個(gè)次級繞組W2a和W2b中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2a和E2b。如果保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱，則當(dāng)銜鐵處于初始平