变阻抗式传感器

8.1电感传感器

8.2电容传感器8.1.1自感传感器8.1.2差动变压器8.1.3涡流传感器第8章变阻抗式传感器

8.1

电感传感器

8.1.1自感传感器F220V被测量线圈自感量磁电作用自感传感器的工作原理F气隙变小，电感变大，电流变小衔铁线圈铁心电流线圈置于磁场中，铁心和衔铁之间有一个空气隙，传感器的运动部分与衔铁相连，当运动产生位移时，空气隙厚度或面积发生变化，从而使线圈电感值发生变化：W：线圈匝数；S

：气隙的有效截面积；

0：真空磁导率；：气隙厚度。

气隙变小，电感变大，电流变小思考：L和S及之间线性度灵敏度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。变隙式自感传感器的L与的关系如图所示自感式电感传感器常见的形式变隙式变截面式螺线管式

差动自感传感器曲线1、2为L1、L2

的特性，3为差动特性在差动自感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件

分析：灵敏度、线性度有何变化例如，差动变隙式自感传感器的测量电路如下：将两个电感线圈接在交流电桥的相邻桥臂，另两个桥臂接电阻。测量电桥的输出电压即可获得位移值。图

相敏检波电路测量转换电路——相敏检波电路测量转换电路（差动形式）的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化。图

相敏检波输出特性曲线a）非相敏检波

b）相敏检波1—理想特性曲线

2—实际特性曲线

实测得到的

相敏检波电路的特性曲线

通过调零电路，可使输出曲线平移到原点。标定位移时的实验数据及曲线＋8.1.2差动变压器根据变压器的基本原理制成,并且次级绕组用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。被测量线圈互感量磁电作用两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。

两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。等效电路螺线管式差动变压器等效电路如上图所示螺线管式差动变压器的输出电压为当激励电压的幅值U1和角频率ω、初级绕组的直流电阻R1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。分析：当活动衔铁在中心、上移、下移时输出电压的有效值……差动变压器的工作原理有效值＋当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零。把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作ΔUo，一般在几十毫伏以下。零点残余电压产生原因：主要是由传感器的二次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。问题：（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向);（2）测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路或相敏检波电路。差动变压器的测量电路以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出。＋8.1.3涡流传感器电涡流式传感器原理图（a）传感器激励线圈;（b）被测金属导体Z=f(ρ,μ,w,x)

传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：一般用于测量x，也有用于测量ρ,μρ——被测材料电阻率；μ——被测材料磁导率；w——传感器励磁频率；x——传感器与被测材料间距离；激励线圈的阻抗若将金属导体看作一个短路线圈，则传感器激励线圈与金属导体间的等效电路如右图所示：传感器线圈原阻抗为：电涡流影响后传感器等效阻抗为：(1)由于电涡流的影响，线圈复阻抗的实部(等效电阻)增大、虚部(等效电感)减小，因此，线圈的等效品质因数下降，即：(2)被测参数可转化为传感器线圈的品质因数Q、等效阻抗Z和等效电感的变化，利用转换电路将这些参数转换为电压或电流输出。(3)电涡流式传感器的等效电气参数都是互感系数M2的函数。通常总是利用其等效电感L的变化组成测量电路，因此，电涡流式传感器属于(互感式)电感式传感器。分析：利用等效电感L的转换电路一般用谐振电路，主要有调频式、调幅式电路两种。

1.调频式电路当传感器与被测导体距离x改变时，传感器的电感变化将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数LC振荡回路涡流传感器的测量电路

2.调幅式电路石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。除此之外，交流电桥也是涡流传感器常用的测量电路。涡流传感器最大的特点是可以进行非接触测量，动态响应好，灵敏度较高。1、位移测量2、振幅测量3、转速测量4、无损探伤涡流传感器的应用（a)振幅测量电涡流式传感器被测体（b)转速测量（c)无损探伤电涡流式传感器被测体被测体裂纹位移方向

8.2

电容传感器

δSε由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为被测量电容

S——极板相对覆盖面积；

d

——极板间距离；

εr——相对介电常数；

ε0——真空介电常数；

ε——电容极板间介质的介电常数。S，d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。工作原理图

电容式传感元件的各种结构形式变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)变极距型电容传感器

变极距型电容式传感器的原理。Serd

C与Δd不是线性关系，只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。变面积型电容传感器

变面积型电容式传感器的原理。传感器电容量C与水平位移Δx呈线性关系。变介质型电容传感器

变介质型电容式传感器的原理。电容变化量与被测电介质进入极板间深度呈线性关系。电容式液位传感器变极距型电容传感器电容的相对变化量ΔC/C0与输入位移Δd之间成非线性关系，当|Δd/d0|<<1时可得到近似的线性关系：电容传感器的灵敏度为电容传感器的灵敏度大小与d0呈反比关系，要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。电容传感器的灵敏度和线性度在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，变极距式和变面积型电容传感器大都采用差动式结构。在差动式平板电容器中，当动极板位移Δd时，电容器C1的间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的间隙d2变为d0+Δd,则图

差动平板式电容传感器灵敏度，非线性度电容传感器的测量电路(1)调频电路(2)运算放大器电路(3)双T型电桥电路(4)脉宽调制电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。振荡回路的总电容C=C1+C2+Cx，其中C1为振荡回路固有电容,C