第3章变阻抗式传感器原理与应用

1、第第3章章 变阻抗式传感器原理与应用变阻抗式传感器原理与应用自感式传感器自感式传感器差动变压器差动变压器电容式传感器电容式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器压磁式传感器压磁式传感器a)气隙型 b)截面型 c)螺管型3-1自感式传感器原理图3.1 自感式传感器自感式传感器3.1.1 工作原理工作原理( xLU I位移、流量、振动）（自感）（ ）原理原理结构形式结构形式 变间隙式、变面积式和螺管式。变间隙式、变面积式和螺管式。3.1 自感式传感器自感式传感器121nmmiinmiiIWULRIIWIWIRRWLR 线圈通以有效值为 的交流电，产生磁通为 ，线圈匝数为W。则（类似）由磁路欧姆定律定量

2、定量3-13-23-33.1 自感式传感器自感式传感器331211112200001112222231211122002,2()imiiii imiilLLRsSSSSlSlSWWLLLRSSS总磁阻分别为气隙的磁导率、气隙和截面积。分别为铁心的磁导率、气隙和截面积。分别为衔铁的磁导率、气隙和截面积。铁心的结构和材料确定后，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。3-43-53.1 自感式传感器自感式传感器螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而变化的基础上。LRxnimi1S ,fL SfL2 1fL 变气隙型传感器变截面型传感器 3.1 自感式传感器自感式传感器3.1.2 3.1.2

3、 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器 002221112sslslRm气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 002sRm20022sWRWLmL与与之间是非线性关系之间是非线性关系 磁路总的磁阻为磁路总的磁阻为 线圈的电感为线圈的电感为 3-63-73.1 自感式传感器自感式传感器3-2变间隙式电感传感器变间隙式电感传感器L-特性特性 （1）当衔铁上移）当衔铁上移时时, 传感器气隙减小传感器气隙减小, 即即=0, 则此时输出电感为则此时输出电感为L = L0+L, 当/ 0时时, u2与与u0同频同相同频同相,uL0。 当位移当位移x 0时时, u2与与u0 同频

4、反相同频反相, uL 0时时, u2与与u0为同频同相为同频同相 当当u2与与u0均为正半周时均为正半周时, uS使环形电桥中二极管使环形电桥中二极管VD1、D4截止截止, VD2、VD3导通导通, 得图得图 3-24（b）的等）的等效电路。效电路。 3.2 差动变压器差动变压器 uS1 与 uS2 在各自支路产生的电流相等。根据基尔霍夫定律， uS1 与 uS2 在RL上不产生电流（电压）。 u22在RL上产生的电压为)2()2(2)2(1121222LLLLLLLRRnuRRRRnuRRRuu 当u2与u0均为负半周时, 二极管VD2、VD3截止, VD1、 VD4导通。 其等效电路如图

5、3 -24（c）所示。3.2 差动变压器差动变压器)2(112LLLRRnuRu说明只要位移X0, 不论u2与u0是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压uL始终为正。输出电压亦为当x0时,u2与u0为同频反相。不论u2与u0是正半周还是负半周, 负载电阻RL两端得到的输出电压uL表达式总是为)2(112LLLRRnuRu (a）被测位移变化波形图；(b)差动变压器激励电压波形；(c) 差动变压器输出电压波形；(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形3.2 差动变压器差动变压器相敏检波器输出电压的变化规律不仅反映了位移相敏检波器输出电压的变化规律不仅反映了位移变化的大小，而且反

6、映了位移的方向。变化的大小，而且反映了位移的方向。（3）直流差动变压器电路）直流差动变压器电路图图3-26直流差动变压器电路原理图直流差动变压器电路原理图 3.2 差动变压器差动变压器：需要远距离测量，便携，防爆及同时使用若干个差动变压器，且需避免相互间或对其它仪器设备产生干扰的场合 。特点特点直入直出，便于携带，安全防爆，抑制干扰。3.2.3 差动变压器应用差动变压器应用 3.2 差动变压器差动变压器1线圈 2衔铁 3弹性元件图图3-27差动变压器力传感器差动变压器力传感器 0PSMU 3.2 差动变压器差动变压器1测端测端2防尘罩防尘罩3轴套轴套4圆片簧圆片簧5测杆测杆6磁筒磁筒7磁芯磁芯

7、8线圈线圈9弹簧弹簧10导线导线图图3-28小位移测量用小位移测量用差动变压器传感器差动变压器传感器 3.2 差动变压器差动变压器3. 压力测量压力测量1-接头；接头；2-膜盒；膜盒；3-底座；底座；4-线路板；线路板；5-差动变压器线圈；差动变压器线圈；6-衔铁；衔铁；7-罩壳；罩壳；8-插头；插头；9-通孔通孔传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计 图图3-29 微压力传感器微压力传感器 3.2 差动变压器差动变压器1 悬臂梁；悬臂梁；2 差

8、动变压器差动变压器 图图3-30 加速度用传感器加速度用传感器 3.3 电容传感器电容传感器3.3.1 电容式传感器的工作原理3.3.2 电容式传感器主要性能3.3.3 电容式传感器的特点和设计要点3.3.4 电容式传感器等效电路3.3.5 电容式传感器测量电路3.3.6 电容式传感器的应用3.3.7 容栅式传感器3.3.1 电容式传感器的工作原理3.3 电容传感器电容传感器1. 工作原理及类型2. 变极距型电容传感器3. 变面积型电容传感器4. 变介电常数型电容式传感器3.3 电容传感器电容传感器将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。 如位移

9、、加速度、液位、振动及湿度。 1 、工作原理和类型、工作原理和类型 原理式原理式类型类型0rSSC 变间隙式、变面积式和变介电常数式。变间隙式、变面积式和变介电常数式。定义定义S图图3-31 电容传感器原理图电容传感器原理图 3.3 电容传感器电容传感器变极距变极距( (）型型: (a)、(e) 变面积型变面积型(S)(S)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数变介电常数( )型型: （i）(l) 3.3 电容传感器电容传感器dsCr00200001)1 (1 ddddCddCddsCCCrd/d1时ddCCC00极距缩小极距缩小d 最大位移应小于间距的最大位移应小

10、于间距的1/10 ，改善其非线性改善其非线性。(1)简单变极距电容传感器简单变极距电容传感器3.3 电容传感器电容传感器亦可用泰勒展开式表示为亦可用泰勒展开式表示为120001/1/(/ )(1/ )CCd dCd dd dCd d 灵敏度为若以容抗为输出XC与 d成线性关系，不需满足 d d。011(1)CdXCCd01gCCkdd3.3 电容传感器电容传感器（2）、差动变极距型传感器）、差动变极距型传感器 设动极板上移 。121001/1/(/ )CCd dCd dd d 122001/1/(/)CCd dCd dd 002/2gCCd dCCkdd241202/ 1(/ )(/ )CCC

11、Cd dd dd d 3.3 电容传感器电容传感器20202()100%()100%2LCC00()100%()100%LCC单极非线性误差单极非线性误差差动非线性误差差动非线性误差3.3 电容传感器电容传感器0000()/rrrgCCCax babddbxdbkCxd C与与x间呈线性关系间呈线性关系 图图3-32电容传感器原理图电容传感器原理图 （1）线位移）线位移3.3 电容传感器电容传感器（2）电容式角位移传感器）电容式角位移传感器 0000dsCr0000)1 (CCdCr当=0时 当0时传感器电容量传感器电容量C与角位移与角位移间呈线性关系间呈线性关系 图图3-33电容角位移传感器

12、原理图电容角位移传感器原理图 3.3 电容传感器电容传感器4. 变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器图图3-34电容式液位传感器电容式液位传感器 （1）根据各种介质）根据各种介质的介电常数不同，的介电常数不同，检测液面高度检测液面高度。3.3 电容传感器电容传感器同心圆柱状极板，插入液体深度同心圆柱状极板，插入液体深度h，两极板间构成，两极板间构成电容式传感器（并联电容式传感器（并联）电容与液位的关系为：电容与液位的关系为： 102()2lnln()hHDDddA CBhdDhHdDhcccln)(2ln21213.3 电容传感器电容传感器（2）、测量被测介质的插入深度）、测量被测介质的插入深度图图3-35变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器 3.3 电容传感器电容传感器02010021)(dLLLbCCCrr当当L=0时，传