传感技术4-11-1课件

Chapter4电感式传感器及其应用L、M-sensorsnonelectricL

orM特征：以磁场为媒介Nonelectric：位移、振动、压力、加速度、液位、物料面等特点：结构简单、Ro小、Pout大、线性好、灵敏、可靠、稳定、寿命长。缺陷：存在AC零点残余、动态响应慢。种类：自感式、互感式、电涡流、压磁式4－1自感式传感器L－sensor磁路定律：＝iN/Rm感生电动势：

L=-Ldi/dt=-Nd

/dt即Li

＝N

问题1：磁路定律？L是

、S的函数变气隙式：L与

成反比，非线性，但灵敏

变面积式：L与S成正比，线性，但灵敏度差

－

时A考虑线性项

L/L=

/

B考虑二次项

L/L=

/

(1＋

/

)

一、变气隙L－sensor灵敏度KL＝(L/L)/

=1/

非线性误差＝

/（0.1～0.2）2二、差动变气隙L－sensor灵敏度KL＝(L/L)/

=2/

提高1倍非线性误差＝

/

减少近1个数量级3问题2：差动两个线圈如何连接？2三、变面积L－sensor灵敏度KL＝(L/L)/a=1/a差动形式（大间隙－－漏磁）单个coil：L=gbN2

L/L=

b/b差动：

L’/L=2

b/b灵敏度KL＝(L’/L)/b=2/b灵敏度KL＝(L/L)/b=1/b

b另外，对外界干扰、环境温度变化、电源波动磁力等相互抵消，测量精度提高。其中g＝20/ln(d2/d1)柱面间的比磁导四、L－sensor等效电路铜损铁损电涡流损分布电容R使电感的有效品质因数Q减小，耗损D增大问题3：Q如何定义？其意义？五、L－sensor输出电路半桥差动输出

u0

=u/2*

Z/Zu0

=u/2*

L/LCircuitKC＝u0

/(L/L)SensorKL＝(L/L)/

=2/

OTotalK＝KLKC

=u0

/

单位：mV/

m六、L－sensor零点残余电压产生的原因：两线圈的等效参数不完全相等引起的谐波干扰。若太大，会引起末级放大器饱和，是出厂时的重要指标，要求：200倍放大后<80mV，即e0<40uV4－2互感式传感器M－sensor互感式传感器是互感线圈随铁芯位置变化而变化的变磁阻装置，类似变压器，但有不同。transformerM－sensor磁路closeopenMconstantvariable常接为差动形式——又称差动变压器有变气隙、面积，螺线管形式，其原理相近，下面以螺线管为例：一、M－sensor结构和工作原理当原边加某一频率的正弦AC电压Ùi时，则输出为：

Ùo＝

Ù1

－

Ù2

1)当铁芯位于中心位置时,M1=M2,Ù1＝

Ù2，输出为：

Ùo＝

Ù1

－

Ù2

＝02)当铁芯上移时，M1

M2,

Ù1

Ù2

，输出为：

Ùo＝

Ù1

－

Ù2，

Ùo

03)当铁芯下移时，M1<M2,

Ù1<

Ù2

，输出为：

Ùo＝

Ù1

－

Ù2，

Ùo

0问题4：这样的测量电路能否判断移动方向？零点残余电压Ux－－电桥平衡时的输出电压产生的原因：变压器制作、线圈和导磁体安装不对称。若太大，会引起末级放大器饱和，要减少。方法：1）从结构上：coils和磁路对称2）从电路上：差动整流（最彻底）二、M－sensor等效电路Ùo＝

Ù1

－

Ù2

=-j

M1Ìp–(-j

M2Ìp)大小为：三、M－sensor测量电路Uo＝Ua－Ud＝Uab－Ucd1)当铁芯位于中心位置时,

Uab＝Ucd，Uo

＝02)当铁芯上移时，M1

M2,Uab>Ucd

，输出为：Uo

>02)当铁芯下移时，M1<M2,Uab<Ucd

，输出为：Uo<01、全桥差动整流电路全波差动整流电路D1D2D3D4Ù1

为差动变压器的输出电压，

Ù2为同频参考电压，一般U2>U1，

U2=(3~5)U12、二极管相敏检波电路1)当Ù1＝0时，Ù2正半周D4、D3导通，i4＝i3，I＝i4－i3＝0Ù2负半周D1、D2导通，i2＝i1，I＝i2－i1＝0i4i3i1i2i4i32)当Ù1

0时，（1）Ù1、Ù2同相’，Ù2正半周D4、D3导通，

D4回路M端电压Ù2’＋Ù1”，D3回路M端电压，Ù2’

-Ù1”

,Ù2负半周D1、D2导通，i1i22)当Ù1

0时，（2）Ù1、Ù2反相时，Ù2正半周D4、D3导通，

D4端电压Ù2’－Ù1’’，D3端电压，Ù2’＋Ù1’’

,Ù2负半周D1、D2导通，i4i3i1i24－3电涡流式传感器一、电涡流效应：产生电涡流的2个条件：1）大块导体2）变化的磁场金属或导体在交变的磁场中，导体内部产生的感生电流。问题5：何为电涡流？二、基本结构和工作原理1、构成

1）探头：偏平线圈＋骨架

高频反射式

低频透射式2）类型L=L(σ,μ,f,x)Z=Z(σ,μ,f,x)Q=Q(σ,μ,f,x)→2、工作原理ACPoweri1

i

ei23、等效电路设导体上的电涡流与coil的互感系数为M，则M是,,f,x的函数

L=L(,,f,x)Q=Q(,,f,x)Z=Z(,,f,x)

Coil的等效电阻和等效电感为：（unloaded）问题6：M增大，L、Q、Z如何变化？三、测量电路1、调频式电路克拉勃电容三点式振荡器问题7：L、Q、Z如何变为V、I、f？

测量电路：振荡器放大器检波器

2、定频调幅电路问题8：LC并联谐振时，阻抗maxormin？3、变频调幅电路电容三点式振荡器输出电压幅值、频率均发生变化，此电路只考虑幅值变化、电路简单，成本低，而且灵敏度高、线性范围宽，被广泛使用。4－4压磁式传感器利用铁磁材料的压磁效应（磁弹性）原理设计的sensor一、压磁效应铁磁材料在磁场中（磁化）沿磁场方向伸长或缩短的现象——磁致伸缩效应。铁磁材料在外力作用下，其磁学性质变化的现象——压磁效应。压磁效应具体内容：材料受到压力，在平行于作用力方向

减小，在垂直于作用力方向

增加；材料受到拉力，在平行于作用力方向

增加，在垂直于作用力方向

减小。外力撤除后，复原。压磁效应与外磁场相关。主要的压磁材料有：坡莫合金－Sn含量高，较贵铁氧体－Sn含量较高，易脆硅钢片－Sn含量较高，常用二、压磁sensor的结构和工作原理1、单方向磁导率变化的压磁sensor[补充]1）自感式F2）互感式Fuiuo2、双方向磁导率变化的压磁sensor问题9：不受作用力时3、4有输出否？双向压磁sensor的结构和工作原理4－5电感式传感器的应用一、测气体压力机械调零铁芯铁芯线圈衔铁线圈弹性气管二、加速度计什么类的传感器？三、测厚仪dd愈大，电涡流损耗愈大，u2愈小测量范围：1-100mm分辨力：100nm线性度：1％四、温度计感温元件（导体）隔热衬底电涡流coil管架补偿coil原理：对导体随温度变化，导致电涡流传感器的L或Q发生变化，通过测量电路检测f或V来判断温度变化。五、测液位测液位测量电路放大电路报警器继电器水泵液位控制器电涡流传感器张力传感器经常不断地学习,你就什么都知道