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传感器
检测
技术
徐科
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,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.1 工作原理,线圈自感,线圈总磁链,单位：韦伯；I通过线圈的电流，单位：安培；W线圈的匝数；Rm磁路总磁阻，单位：1/亨。,a)气隙型 b)截面型 c)螺管型自感式传感器原理图,自感式传感器就是把被测量变化转换成自感L的变换,通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。,l i 各段导磁体的长度；U i各段导磁体的磁导率；S i 各段导磁体的截面积； 空气隙的厚度；U0 真空磁导率S 空气隙截面积,变气隙型传感器变截面型传感器,线圈中放入圆形衔铁，可变自感 螺管型传感器。,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.2 变气隙式自感传感器,通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,L与之间是非线性关系,( 3.1.4),( 3.1.5),( 3.1.6),当衔铁处于初始位置时，初始电感量为：,当衔铁上移时，则 ，代入式（3.1.6）式并整理得,( 3.1.7),( 3.1.8),上式用泰勒级数展开成如下的级数形式,同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有,( 3.1.9),( 3.1.10),( 3.1.11),( 3.1.12),( 3.1.13),对式（3.1.11）（3.1.13）作线性处理，即忽略高次项后可得,灵敏度为,变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器,( 3.1.14),( 3.1.15),差动变隙式电感传感器,1-铁芯；2-线圈；3-衔铁,当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2,( 3.1.16),对上式进行线性处理，即忽略高次项得,灵敏度k0为,（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）单线圈是忽略 以上高次项，差动式是忽略 以上高次项， 因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。,( 3.1.17),( 3.1.18),3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.3 变面积式自感传感器,传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为,灵敏度,变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。,( 3.1.19),( 3.1.20),3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.4 螺线管式自感传感器,1-螺线管线圈；2-螺线管线圈；3-骨架；4-活动铁芯,L10，L20分别为线圈、的初始电感值；,( 3.1.21),单线圈,差动式,当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小,根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为,两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。,式(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为,( 3.1.22),( 3.1.23),( 3.1.24),( 3.1.25),( 3.1.26),由此可见，当l和lc为常数时，增加Z，ur，rc都可使L0和k提高。,考虑到 ，而lc与l，rc与r均为同数量级的量，,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.5 自感式传感器测量电路,1. 调幅电路2. 调频电路 3. 调相电路 4. 自感传感器的灵敏度,1.调幅电路,(1) 变压器电路,输出空载电压,初始平衡状态，Z1=Z2=Z, u0=0衔铁偏离中间零点时,使用元件少，输出阻抗小, 获得广泛应用,( 3.1.27),( 3.1.28),传感器衔铁移动方向相反时,空载输出电压,两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180，为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决 。,( 3.1.29),(2) 相敏检波电路,当衔铁偏离中间位置而使Z2=Z+Z增加，则Z1=Z-Z减少。这时当电源u上端为正，下端为负时，电阻R2上的压降大于R1上的压降；当u上端为负，下端为正时，R1上压降则大于R2上的压降，电压表V输出下端为正，上端为负。,可见，输出电压的幅值表示了衔铁位移的大小，输出电压的极性反映了衔铁位移的方向。,初始平衡状态，Z1=Z2=Z, U0=0,非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路,使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响，,(3) 谐振式调幅电路,电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。,2.调频电路,传感器自感变化将引起输出电压频率的变化,灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合,( 3.1.30),3.调相电路,传感器电感L变化将引起输出电压相位变化,( 3.1.32),( 3.1.31),4.自感传感器的灵敏度,传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度,总灵敏度,第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小,气隙型、变压器电桥 传感器,传感器灵敏度的单位为 mV/(mV)即，电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏,( 3.1.37),3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.6 自感式传感器应用举例,自感式位移传感器自感式压力传感器,1. 自感式位移传感器,1 传感器引线
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