变阻抗式传感器原理与应用教学课件PPT.ppt

chap 3 变阻抗式传感器原理与应用 3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器 3.3 电涡流式传感器 3.4 电容式传感器 自感式传感器 l2 线圈 铁心 衔铁 usr 自感式传感器 一、原理以及特性 1. 变气隙型传感器 2. 变截面型传感器 3. 螺管型传感器 变气隙型 变面积型 气隙长度不变，铁心与衔铁之 间的相对覆盖面积随被测量的 变化而改变，从而导致线圈的 电感量发生变化，这种形式称 之为变面积型电感传感器 螺管型自感传感器 螺管型电感传感器工作原理是基于线 圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。线 圈电感量与衔铁插入深度有关。 应用：电感式传感器测液位 总结 自感式电感传感器可分为变气隙型、变面积型和螺 管型三种类型。 变气隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装 配比较困难. 变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使 用比较广泛. 螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作 和批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器. 自感式传感器 二、差动自感传感器 差动式电感传感器的优点 改善非线性 提高灵敏度 受环境(温度变化、电源波动、外界干扰)影 响小 电磁吸力小（相互抵消） 零位电压小 自感式传感器 三、测量电路 1、基本测量电路 自感式传感器 为了能够示出衔铁运动的方向，提高检测性能， 可采用带相敏整流的交流电桥，如图所示 自感式传感器 2、数字化测量电路 自感式传感器 四、应用 自感式传感器 差动变压器式传感器 工作原理是把被测量的变化转换成互感系数的变化 基本结构和工作原理 基本特性 测量电路 差动变压器的应用 基本结构和工作原理 a b c d c d e21 e22 骨架 线圈组合 铁心 基本特性 基本特性 1、灵敏度 差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位 距离时的输出电压，以v/mm/v表示。 基本特性 2、线性度 骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯的尺 寸和材质等都会影响差动变压器的线性度 改善差动变压器的线性度: 可以通过取测量范围为线圈骨架长度的1/10-1/4等方 法来改善其线性度 3、温度特性 基本特性 4、零点残余电压 当差动变压器铁心位于中间位置时，由于对称的两个二次线圈 反向串连，理论上感生电动势应大小相等方向相反，因而差 动输出电压应该为零，但实际情况并不为零，总会有一个很 小的输出电压u0,这个电压一般称为零点残余电压。 产生零点残余电压的原因 由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出 的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置 时，也不能达到幅值和相位同时相同。 由于铁芯的b-h特性的非线性，产生高次谐波不同， 不能互相抵消。 励磁电压波形中含有高次谐波。 基本特性 减小零点残余电压措施： 提高框架和线圈的对称性，特别是两个二次线圈对称。 采用适当的测量电路，一般可采用在放大电路前加相敏 整流器。 在电路上进行补偿。 基本特性 测量电路 差动变压器的应用 1、差压计 差动变压器的应用 2、电子秤 差动变压器的应用 3、差动变压器式加速度传感器 4、差动变压器式角位移传感器 电涡流式传感器 成块的金属在变化着的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时 ，金属内部都会产生感应电动势形成电流，这种电流就是电涡流 。建立在电涡流效应原理上的传感器即电涡流传感器 线圈中通以高频信号 正弦交变磁场 金属导体内就会产生涡流 涡流产生电磁场 反作用于线圈，改变了电感 高频反射式涡流传感器 低频透射式涡流传感器 高频反射涡流传感器 u1 r1 l1 r2 l2 i1i2 m 线圈等效阻抗： 高频反射涡流传感器 高频反射涡流传感器 结论： 当被测距离变化时，阻抗将发生变化，通过 测量电路将阻抗的变化转变为电压的变化，这样 就达到了把位移转换为电量的目的。同理，只要 固定其它三个参量，而使电阻率或磁导率为变量 ，还可用于检测材料的电阻率或磁导率的变化， 这就是涡流传感器用于无损探伤的原理。 高频反射涡流传感器 低频透射涡流传感器 低频透射式涡流传感器采 用低频激励，因而能得到 较大的贯穿深度，可用于 测量金属的厚度 因此，根据测量要求选 择合适的频率。对不同的金 属材料，也应选不同的频率 。 测量电路 被测量的变化可以转换成传感器线圈的品质因 数q、等效阻抗z和等效电感l的变化。转换电路 的任务是把这些参数转换为电压或电流输出。 1、桥式测量电路 2、谐振幅值测量电路 3、调频测量电路 测量电路 应用实例 厚度测量 应用实例 转速测量 计数 测厚度 探伤 测振动 测温 测位移 轴向推力轴承用来承受机器中的轴向力，它要求在导向盘和轴 承之间有一定的间隙以便能够形成承载油膜。一般汽轮机在0.2 0.3mm之间，压缩机组在0.40.6mm之间。如果小于这些间隙，轴 承就会受到损坏，严重的导致整个机器损坏；因此需要监测轴的 相对位移以测量轴向推力轴承的磨损情况。 相对轴位移的测量 电容式传感器 电容式传感器可以将非电量转化为电容量，从而 实现非电量到电量的转化与测量 一、基本工作原理 1、平板电容器 2、圆筒形电容器 两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两 极板在被测参数作用下发生位移，引起电容 量变化. 变间隙式一般用于微小位移的测量（小至： 0.01微米）。 变间隙电容传感器 变面积电容传感器 v常用的有角位移型和线位移型两 种。 v与变间隙型相比，适用于较大角 位移及直线位移的测量。 v一般情况下，变截面积型电容式 传感器常做成圆柱形 。 v这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a) 、位移(图b)、液位(图c)。 v可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度 、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图 d)等 变介电常数电容传感器 结构类型及主要特性 d a 1、变间隙型 结构类型及主要特性 2、变面积型 角位移变面积型 结构类型及主要特性 2、变面积型 板状线位移变面积型 结构类型及主要特性 2、变面积型 筒状线位移变面积型 3、变介电常数型 当电容极板间的介电常数发生变化时，电容量也 随之发生变化，根据这个原理可构造成变介电常 数型电容式传感器 结构类型及主要特性 另一种变介电常数的电容式传感器： 不变，h改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度 h不变， 改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体介质的湿度。 4、差动电容式传感器 结构类型及主要特性 优点 温度稳定性好 结构简单 ,适应性好 在振动、辐射环境下工作，采用冷却措施还 可以在高温环境下工作 动态特性好 活动零件少、质量小、本身自振频率高 输入能量小而灵敏度高 变间隙型电容压力传感器只需很小的能 量就能改变电容极板的位置，因此电容传感器可以测量很小的力，而 且很灵敏. 电参量相对变化大 信噪比大，工作稳定 缺点： 输出阻抗高，负载能力差 寄生电容的影响较大 ,易受干扰 变间隙型输出特性的非线性较严重 电容传感器的设计要点 1、温度变化对结构稳定性的影响 温度误差与零件的尺寸、热膨胀系数有关 应减少尺寸链的组成环节 选用热膨胀系数小、几何尺寸稳定的材料如 ：石英、陶瓷、玻璃、镍铁合金等。 2、温度变化对介质介电常数的影响 3、消除和减小边缘效应 4、绝缘问题 电容传感器的设计要点 电容传感器电容量小、高阻抗，绝缘问题突出。 选择优质绝缘材料 传感器壳体密封，防止随水汽进入。 采用较高频率的电源供电，以降低内阻抗，相应降 低对绝缘电阻的要求. s 寄生电容：电容器极板与周围物体之间产生电容联系。 寄生电容不稳定 传感器输出不稳定产生干扰 措施：对传感器及其引线进行屏蔽： v采用屏蔽电缆 v壳体接地。 电容传感器的设计要点 5、寄生电容的干扰与防止 v双层屏蔽等电位传输技术 v内屏蔽与引线之间处于等电位，两者之间没有电容联系。 v外屏蔽仍起屏蔽作用。 仍存在 “电缆寄生电容”问题！ 1、电桥电路 如图所示是电容式自平衡液位测量仪原理框图， 试求指针偏转角与液位之间的关系 测量电路 2、调频电路 测量电路 3、双t型充放电网络 测量电路 4、差动脉冲调宽电路 测量电路 ua u1 0 t ub u1 0 t uab u1 0 t ua u1 0 t