传感器原理及检测技术_第3章_电感式传感器A部分ppt课件

1,第3章电感式传感器,2,3电感式传感器,电感式传感器可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量，其主要特点是结构简单、工作可靠、灵敏度高；测量精度高、输出功率较大；可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛应用。但其灵敏度、线性度和测量范围相互制约；传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或互感来实现非电量的检测。主要电感式传感器种类：自感式传感器（利用自感原理）；差动变压器式传感器（利用互感原理）；电涡流式传感器（利用涡流原理）；压磁式传感器。,2020/5/15,3,3.1自感式传感器,参见图3-1，自感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。铁心和衔铁由导磁材料制成；自感式传感器是把被测量的变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出；按磁路几何参数变化形式的不同，自感式传感器可分为变气隙式、变截面积式和螺线管式三种,4,图3-1a，变气隙式传感器,3.1自感式传感器,5,图3-1b，变截面积式传感器,3.1自感式传感器,6,图3-1c，螺线管式传感器,3.1自感式传感器,7,工作原理演示,气隙变小，电感变大，电流变小,F,8,内容,3.1.1基本工作原理3.1.2自感式传感器的测量电路3.1.3自感式传感器应用,9,3.1.1基本工作原理,线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数，即线圈的自感系数为磁链，为磁通（Wb），I为流过线圈的电流（A），N为线圈匝数。根据磁路欧姆定律：，为磁导率，S为磁路截面积，为磁路总长度。,10,线圈的电感量,为磁路的磁阻(参考P63式3-2),变磁阻式传感器,11,应用前提,只要被测非电量能够引起空气隙长度或等效截面积发生变化，线圈的电感量就会随之变化。电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式和变气隙截面式两种类型，前者常用于测量直线位移，后者常用于测量角位移。,12,自感式传感器,13,1变气隙式（闭磁路式）自感传感器,由电感式可知，变气隙长度式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。,1线圈2铁芯3衔铁,14,2螺线管式（开磁路式）自感式传感器,螺线管式自感式传感器常采用差动式。它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长，一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于1为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率，500Hz以下多用硅钢片，500Hz以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。,15,结构,差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。,1测杆2衔铁3线圈,16,特性,从输出特性曲线（如图4-5所示）可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。,1、2L1、L2的特性3差动特性,17,3.1.2自感式传感器的转换（测量）电路,自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器进行放大，然后用测量仪表显示或记录。测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电桥式。交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈Z1和Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。,18,1变压器交流电桥（调幅）,电桥有两臂为传感器的差动线圈的阻抗，所以该电路又称为差动交流电桥,变压器式交流电桥电路图,19,分析,设O点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，可得到电桥输出电压为当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线圈的电感相等，阻抗也相等，即，其中表示活动铁芯处于初始平衡位置时每一个线圈的阻抗。电桥输出电压，电桥处于平衡状态。,20,变化时,当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加（P64）,21,变化后的电压,当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小于其感抗当活动铁芯向另一边（反方向）移动时（L为电感量，不是长度）差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与电感变化量呈线性关系。,22,2调频与调相,P64调频电路工作原理；P65调相电路工作原理；,23,3带相敏整流的交流电桥,上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。常采用带相敏整流的交流电桥。,24,结构,带相敏整流的交流电桥电路,25,（1）初始平衡位置时,当差动式传感器的活动铁芯处于中间位置时，传感器两个差动线圈的阻抗Z1=Z2=Z0，其等效电路如图所示。,铁芯处于初始平衡位置时的等效电路,26,（2）活动铁芯向一边移动时,当活动铁芯向线圈的一个方向移动时，传感器两个差动线圈的阻抗发生变化，等效电路如图所示。,铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路,2020/5/15,27,结果,在Ui的正半周,在Ui的负半周,2020/5/15,28,只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值。,2020/5/15,29,（3）活动铁芯向相反方向移动时,当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时，用上述分析方法同样可以证明，无论在的正半周还是负半周，电桥输出电压均为负值。,2020/5/15,30,应用,采用带相敏整流的交流电桥，其输出电压既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所以应用较为广泛。,1理想特性曲线2实际特性曲线,2020/5/15,31,3.1.3自感式传感器应用,用于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚度、压力、流量、液位等非电量。,2020/5/15,32,1自感式测厚仪,采用差动结构，其测量电路为带相敏整流的交流电桥。当被测物体的厚度发生变化时，引起测杆上下移动，带动可动铁芯产生位移，从而改变了气隙的厚度，使线圈的电感量发生相应的变化。此电感变化量经过带相敏整流的交流电桥测量后，送测量仪表显示，其大小与被测物的厚度成正比。,1可动铁芯2测杆3被测物体,2020/5/15