第六章电感式传感器..ppt

第二篇常用传感器的原理及应用 1 掌握三种电感式传感器工作原理及结构性能2 掌握其测量电路3 了解电感式传感器的应用 第6章电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理 它是把被测量转化为电感量的一种装置 常用来测量位移 压力 流量 振动等物理参数 分类 6 1自感式电感传感器 1 工作原理 可变磁阻式 原理 电磁感应 自感L与气隙 成反比 而与气隙导磁截面积A成正比 变气隙式自感传感器 输出特性非线性 为获得较高灵敏度 气隙的初始值 0不宜过大 为获得较好的线性关系 须限制测量范围 使衔铁位移在较小范围内变化 0 一般取 0 1 0 2 0变气隙式传感器适用于微小位移的测量 测量范围 0 001 1mm 变面积式自感传感器 输出特性为线性 因此测量范围大 要提高灵敏度 气隙厚度 不能过大 螺管式自感传感器 结构简单 制造容易 但灵敏度低 适用于较大位移 数毫米 测量 工作原理 当铁芯在线圈中运动时 将改变磁阻 使线圈自感发生变化 2 差动式自感传感器 两个结构完全相同的自感线圈组合在一起形成差动结构 可提高灵敏度 改善输出特性的非线性 实际中常用 当 1时 可将上式展开成级数 差动方式时 灵敏度 为原来的两倍 比较 显然 若不考虑包括2次项以上的高次项 则成比例关系 因此高次项的存在是造成非线性的原因 当气隙相对变化 1时 高次项迅速减小 非线性得到改善 然而 这会使传感器的测量范围变小 因此对输出特性线性的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的 这正是取 0 1 0 2的原因 当构成差动式电感传感器时 输出与 L1 L2有关 它不存在偶次项 因此差动式电感传感器的非线性明显改善 差动式自感传感器的特性 将传感器两线圈接于电桥的相邻桥臂时 其输出灵敏度可提高一倍 并改善了非线性特性 补偿干扰影响 3 测量电路 差动式自感传感器的线圈可以用复阻抗Z等效 常采用交流电桥 谐振电路等测量 交流电桥 将直流电桥的电阻R用阻抗Z代替 阻抗写成矢量形式 则交流电桥平衡条件为 若阻抗写成复指数形式时 平衡条件为 交流电桥有不同的组合 常用的有电容 电感电桥 其相邻两臂接入电阻 而另外两臂接入相同性质的阻抗 例如都是电容或电感 a 电容电桥b 电感电桥 图a电容电桥的平衡条件 图b所示的电感电桥 其平衡条件 即使纯电阻交流电桥 导线之间形成的分布电容也会影响桥臂阻抗值 相当于在各桥臂的电阻上并联了一个电容 因此须进行电阻和电容的平衡调节 交流电阻电桥 直流电桥采用直流电源作激励电源 稳定性好 电桥的平衡电路简单 其输出为直流量 可用直流仪表测量 精度高 电桥的连接导线不会形成分布电容 因此对连接导线的方式要求低 缺点 易引入工频干扰 作直流放大时 由于直流放大器一般比较复杂 且易受零漂和接地电位的影响 直流电桥适合于静态量的测量 交流电桥输出为交流信号 调幅波 外界工频干扰不易被引入电路 但要求供桥电源稳定性好 交流放大电路简单 且没有零漂的影响 直流电桥 交流电桥 变压器电桥灵敏度和精度高 性能稳定 应用广泛 变压器电桥 带感应耦合臂的电桥 变压器电桥的特性 输出电压 输出电压的大小和极性反映了被测量的性质 如位移的大小及方向 1 目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题 交流电桥的调制与解调 被测量经传感器变换输出的电信号多为低频缓变的微弱信号 为了实现信号的传输尤其是远距离传输 需采用调制与解调 对应于信号的三要素 幅值 频率和相位 调制可分为调幅AM 调频FM和调相PM 其波形分别称为调幅波 调频波和调相波 2 调幅与解调原理 调幅是将一个高频正弦信号 载波 与被测信号相乘 使载波信号的幅值随被测信号的变化而变化 载波信号 调幅信号 由傅里叶变换的性质 则 调幅过程 调幅过程相当于 频谱 搬移过程 若调制信号为简谐信号 正弦或余弦 单一频率fs 调幅波的频谱也是离散谱 以载波信号f0为中心 仅仅位于频率f0 fs和f0 fs两个边频处 其幅值等于两个信号幅值乘积的1 2 若调制信号为一般周期信号 其包含多个频率分量 f1 f2 则调幅波的频谱仍为离散谱 谱线以载波信号f0为中心 分别位于f0 f1 f0 f2 即调制信号的每一个频率分量均产生一对边频 为了减小放大电路可能引起的失真 调幅信号的频宽 2fm 相对于中心频率 载波频率f0 应越小越好 实际载波频率通常至少数倍甚至数十倍于调制信号频率 但载波频率的提高受到放大电路截止频率的限制 若调制信号为瞬态信号 连续谱 信号最高频率fm 则调幅波的频谱也是连续谱 位于f0 fm之间 只有f0 fm 频谱不会产生交叠现象 幅值调制装置实质上是一个乘法器 在实际应用中经常采用交流电桥作调制装置 以高频振荡电源供给电桥作为载波信号 则电桥的输出为调幅波 解调原理 同步解调 从时域看 调制与解调的载波信号相同 同步解调 3 幅值调制信号的解调 相敏检波电路 相敏检波电路 与滤波器配合 可以将调幅波还原成原信号波形 起解调作用 并具有鉴别信号相位的能力 下面给出典型的二极管相敏检波电路及其输入输出关系图 它由四个特性相同的二极管D1 D4沿同一方向串联成一个桥式回路 桥臂上有附加电阻 用于桥路平衡 四个端点分别接在变压器A和B的次级线圈上 变压器A的输入为调幅波xm t B的输入信号为载波y t uf为输出 二极管的导通与截止完全由B的次级的输出决定 因此要求B的次级的输出大于A的次级输出 调制与解调过程 波形转换 机电学院 电感式传感器 调幅与解调应用 动态电阻应变仪 6 2互感式电感传感器 互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象 将被测量转换成线圈互感的变化 由于常采用两个次级线圈组成差动式 故又称差动变压器式传感器 实际中多采用螺管线圈型差动变压器 1 工作原理 传感器输出电压反映了位移的大小及方向 但因为交流信号 只有接入相应电路 相敏检波 差动整流等 才能提取出这两种信息 传感器输出存在一定的零点残余电压 即衔铁位于中间位置时输出不为零 因此 其后接电路应采用既能反映铁芯位移大小及极性 又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路 2 测量电路 全波差动整流电路及波形图 差动相敏检波电路 图中的R用于调节零点残余电压的大小 差动变压器式传感器特点 精度高 0 1 m数量级 最高可达0 01 m 高精度型非线性误差可达0 1 线性范围大 可达 100mm 稳定性好 结构简单 使用方便因包含机械结构 频率响应较低 不宜测量高频动态参量 广泛应用于直线位移 或能转换为位移变化的压力 重量等参数的测量 差动变压器位移传感器 6 3电涡流式传感器 1 工作原理 电涡流效应 涡流式电感传感器可分为高频反射式和低频透射式两类 传感器线圈的等效阻抗Z变化 若改变距离x 可将位移变化转换为线圈自感变化 通过测量电路变为电压输出 若 改变 可进行探伤或材质鉴别等 高频反射式电涡流式传感器 高频 lMHz 激励电流 高频反射式涡流传感器多用于位移及与位移相关的厚度 振动等测量 低频透射式电涡流式传感器 低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度 音频 20kHz 激励电流 原理简化模型 线圈与被测导体等效为相互耦合的两个线圈 电涡流式传感器的基本特性 基本特性涡流形成范围 径向为线圈外径的1 8 2 5倍 且分布不均匀 涡流贯穿深度有限 深度一般可用经验公式求得 涡流强度与x的关系 非线性特性 x R 1可改善线性 提高灵敏度 一般要求 被测金属的最小尺寸大于传感器线圈直径的2倍 被测物为圆柱体时 其直径要求大于线圈直径的3 5倍 2 测量电路 谐振电路 传感器线圈L与电容C共同组成并联谐振回路 谐振频率为 线圈等效电感改变 必然导致回路阻抗或谐振频率变化 从而可间接测量被测参数 对应测量电路 调幅电路调频电路 调幅电路 传感器由振荡器提供高频电源 当传感器谐振频率与电源频率相同时 输出电压u最大 测量时 传感器等效电感随x而改变 LC回路失谐 输出信号频率虽仍为电源频率 但幅值随x变化 即x对输出信号存在调幅作用 调频电路 以LC振荡回路的谐振频率作为输出量 鉴频器 将调频信号转换为电压信号输出 电涡流式传感器的特点 非接触测量 抗干扰能力强灵