变阻抗式传感器原理与应用-课件

第3章变阻抗式传感器原理与应用自感式传感器差动变压器电容式传感器电涡流式传感器压磁式传感器1ppt课件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3.1.1工作原理原理结构形式变间隙式、变面积式和螺管式。2ppt课件3.1自感式传感器定量3-13-23-33ppt课件3.1自感式传感器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。3-43-54ppt课件3.1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。变气隙型传感器变截面型传感器5ppt课件3.1自感式传感器3.1.2变气隙式自感传感器气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻

L与δ之间是非线性关系

磁路总的磁阻为线圈的电感为3-63-76ppt课件3.1自感式传感器3-2变间隙式电感传感器L-δ特性7ppt课件

（1）当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,

即δ=δ0－Δδ,则此时输出电感为L=L0+ΔL,

当Δδ/δ<<1时,可将上式用泰勒级数展开3.1自感式传感器3-83-98ppt课件3.1自感式传感器

（2）当衔铁下移Δδ时,传感器气隙增大Δδ,即δ=δ0＋Δδ,则此时输出电感为L=L0－ΔL。3-103-113-123-139ppt课件差动变隙式电感传感器

1-铁芯；2-线圈；3-衔铁当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2

3.1自感式传感器3-3差动式变间隙式电感传感器10ppt课件3.1自感式传感器3-143-153-1611ppt课件结论：①差动式为简单式电感传感器灵敏度的2倍。②非线性减小。简单式电感传感器非线性误差③克服温度等外界共模信号干扰。3.1自感式传感器3-1712ppt课件3.1自感式传感器3.1.3变面积式自感传感器输入与输出呈线性关系。得到较大的线性范围。灵敏度较低。灵敏度特点3-183-1913ppt课件3.1自感式传感器3.1.4螺线管式自感传感器1-螺线管线圈Ⅰ；2-螺线管线圈Ⅱ；3-骨架；4-活动铁芯

L10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值3-20图3-4差动螺线管式电感传感器结构原理图14ppt课件3.1自感式传感器当铁芯右移后，使右边电感值增加，左边电感值减小

每只线圈的灵敏度为两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。

3-213-223-2315ppt课件3.1自感式传感器3-243-2516ppt课件3.1.5自感式传感器测量电路1.调幅电路2.调频电路3.调相电路

4.自感传感器的灵敏度3.1自感式传感器17ppt课件3.1自感式传感器(1)变压器电路输出空载电压衔铁偏离中间零点时u0z2z1u/2u/21、调幅电路初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0图3-6变压器电桥3-263-2718ppt课件3.1自感式传感器传感器衔铁移动方向相反时空载输出电压只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相敏检波器。

3-2819ppt课件3.1自感式传感器(2)相敏检波电路电路作用：辨别衔铁位移方向。

U0的大小反映位移的大小，U0的极性反映位移的方向。消除零点残余电压。使x=0时，U0=0。图3-7相敏检波电路ABCD20ppt课件3.1自感式传感器未加相敏整流器和加相敏整流器的电桥输出、输入特性曲线如图。图3-8非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路21ppt课件3.1自感式传感器设衔铁移动使Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ。当电源u上端为正（A正），下端为负时（B负）当电源u上端为正（A正），下端为负时（B负）在电源一个周期内，电压表的输出始终为上正下负。即输出的极性取决于衔铁位移的方向。设衔铁移动使Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ时，分析输出电压的极性。22ppt课件3.1自感式传感器(3)谐振式调幅电路电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。图3-9谐振式调幅电路23ppt课件3.1自感式传感器传感器自感变化将引起输出电压频率的变化

GCLf图3-10调频电路Lf02.调频电路3-2924ppt课件3.1自感式传感器传感电感变化将引起输出电压相位变化3.调相电路图3-11调相电路25ppt课件3.1自感式传感器3-303-313-323-3326ppt课件3.1自感式传感器4.自感传感器的灵敏度

传感器结构灵敏度转换电路灵敏度总灵敏度气隙型（传感器结构）变压器电桥（转换电路）3-343-3527ppt课件3.1自感式传感器3-363-373-383-393-4028ppt课件第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小

传感器灵敏度的单位为mV/(μm·V)电源电压为1V，衔铁偏移1μm时，输出电压为若干毫伏。3.1自感式传感器3-4129ppt课件3.1自感式传感器3.1.6自感式传感器应用举例（自感式压力传感器）图3-12变隙式自感压力传感器结构图30ppt课件3.1自感式传感器图3-13变隙差动式电感压力传感器敏感元件：C形弹簧管转换元件：差动变隙自感传感器转换电路：变压器电桥3-4231ppt课件3.2差动变压器定义：把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。

根据变压器的基本原理制成的。次级绕组采用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。

结构形式：差动变压器结构有变隙式、变面积式和螺线管式等,应用最多的是螺线管式差动变压器,它可以测量1～100mm范围内的机械位移。32ppt课件3.2差动变压器图3-14差动变压器式传感器结构图(e)、(f)变面积式差动变压器(a)、(b)变隙式差动变压器(c)、(d)螺线管式差动变压器33ppt课件3.2差动变压器3.2.1变隙式差动变压器

当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出互感变化时，输出电压将作相应变化图3-15变间隙差动变压器式传感器结构图34ppt课件1.工作原理3.2差动变压器衔铁C处于初始平衡位置δa0=δb0=δ0MA=MB当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使δa≠δb

,

MA≠MB35ppt课件3.2差动变压器两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反向串联。图3-16变间隙差动变压器等效电路2.输出特性36ppt课件3.2差动变压器可推导如果被测体带动衔铁移动灵敏度为提高灵敏度的措施?37ppt课件3.2差动变压器图3-17变隙式差动变压器输出特性１理想特性；２实际特性输出含有零点残余电压,根据输出的大小判断位移的大小,但不能辨别位移的方向.38ppt课件3.2差动变压器３.２.２螺线管式差动变压器１-活动衔铁；２-导磁外壳；３-骨架；４-匝数为W1初级绕组；５-匝数为W2a的次级绕组；６-匝数为W2b的次级绕组图3-18螺管式差动变压器的结构39ppt课件3.2差动变压器

1、工作原理

差动变压器一次线圈加一定频率的激励，由于一次和二次线圈之间的互感，二次线圈产生感应电势。衔铁处于中间位置衔铁左移衔铁右移40ppt课件差动变压器输出电压与活动衔铁位移x的关系曲线，呈V字形。是E2a

曲线与E2b曲线合成的结果。3.2差动变压器被测量的变化带动衔铁产生位移，引起原副边磁阻变化,进而原副边磁链和互感系数的变化，最终使两个次级线圈产生感应电势不同,差动输出电压变化。41ppt课件3.2差动变压器图3-19差动变压器输出电压特性曲线

42ppt课件3.2差动变压器

2、基本特性

图3-20差动变压器等效电路43ppt课件3.2差动变压器当次级开路时,初级线圈有激励电流二次线圈由于互感产生互感电动势为空载输出电压为输出电压的有效值为44ppt课件3.2差动变压器(1)活动衔铁处于中间位置时M1=M2=MU2=0(2)活动衔铁向上移动时M1=M+ΔMM2=M－ΔM(3)活动衔铁向下移动时M1=M－MM2=M+ΔM45ppt课件3.2差动变压器短路阻抗46ppt课件3.2差动变压器３.主要性能差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以V/mm/V表示。理想条件下，差动变压器的灵敏度KE正比于电源激励频率f。激励电源频率在400HZ～10KHZ之间。图3-21KE与f的关系曲线

47ppt课件3.2差动变压器提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。

提高线圈品质因数Q值，增大衔铁直径，选择导磁性能好，铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等，可以增大磁通，增大互感，提高灵敏度。图3-21KE与U1的关系曲线

48ppt课件3.2差动变压器（2）线性度线性度:传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围（满量程），并用百分数来表示。影响差动变压器线性度的因素:骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。改善差动变压器的线性度:取测量范围为线圈骨架长度的1/10-1/4，激励频率采用中频，配用相敏检波式测量电路。49ppt课件3.2差动变压器4、零点残余电压定义：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。（x＝0，U0＝e0≠0)产生原因（1）两个二次测量线圈的等效参数（电感、电阻）不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，不能达到幅值和相位同时相同。（2）铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。50ppt课件3.2差动变压器（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称，线圈绕制要均匀。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。（2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。（3）在电路上进行补偿。减小零点残余电压措施补偿零残电压的电路补偿原理：改变二次侧线圈的阻抗，使两二次输出电压的大小和相位改变，使零点电压最小。51ppt课件3.2差动变压器图3-22补偿零点残余电压的电路52ppt课件3.2差动变压器零点残余电压可用相敏整流器或差动整流电路消除。串联电阻补偿基波分量，并联电容补偿高次斜波。53ppt课件3.2差动变压器

能辨别移动方向消除零点残余电压

（1）差动整流电路

（2）相敏检波电路

（3）直流差动变压器电路5.转换电路54ppt课件3.2差动变压器图3-23差动整流电路55ppt课件3.2差动变压器整流原理把差动变压器的两个次级输出电压分别整流,然后将整流的电压或电流的差值作为输出。整流器件二极管及由它们组成的电桥。（1）全波电压输出不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何。（不论正负半周）

56ppt课件3.2差动变压器（2）半波电压输出57ppt课件3.2差动变压器（3）全波电流输出(a)、(b)适用于高阻抗负载(c)、(d)适用于低阻抗负载电阻R0用于调整零点残余电压。58ppt课件3.2差动变压器（2）相敏检波电路图3-24相敏检波电路59ppt课件3.2差动变压器输出信号u0从变压器Ｔ1与Ｔ2的中心抽头引出。uS的幅值要远大于输入信号u2的幅值,以便有效控制四个二极管的导通状态。电路说明输入信号u2(差动变压器式传感器输出的调幅波电压)通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线A、B。T1的原副边变压比为n1。参考信号uS（与u1同频同相）通过变压器T2加入环形电桥的另一个对角线C、D。T2的变压比为n2。电路作用：辨向及消除零点残余电压。60ppt课件3.2差动变压器

工作原理（过程）

当位移Δx>0时,u2与u0同频同相,uL>0。当位移Δx<0时,u2与u0

同频反相,uL<0。

①Δx>0时,u2与u0为同频同相当u2与u0均为正半周时,uS使环形电桥中二极管VD1、ＶD4截止,VD2、VD3导通,得图3-24（b）的等效电路。61ppt课件3.2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

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3-24（c）所示。62ppt课件3.2差动变压器说明只要位移ΔX>0,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②当Δx<0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63ppt课件图3-25相敏检波电路波形

(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64ppt课件3.2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图3-26直流差动变压器电路原理图

65ppt课件3.2差动变压器应用场合：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。特点直入直出，便于携带，安全防爆，抑制干扰。66ppt课件3.2.3差动变压器应用3.2差动变压器1.力和力矩的测量1－线圈

2－衔铁

3－弹性元件图3-27差动变压器力传感器

67ppt课件3.2差动变压器1－测端2－防尘罩3－轴套4－圆片簧5－测杆6－磁筒7－磁芯8－线圈9－弹簧10－导线2.微小位移的测量图3-28小位移测量用差动变压器传感器

68ppt课件3.2差动变压器3.压力测量1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔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图3-29微压力传感器

69ppt课件3.2差动变压器1－悬臂梁；2－差动变压器4.加速度传感器图3-30加速度用传感器

70ppt课件3.3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71ppt课件3.3.1电容式传感器的工作原理3.3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72ppt课件3.3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。如位移、加速度、液位、振动及湿度。

1、工作原理和类型

原理式类型变间隙式、变面积式和变介电常数式。定义δSε图3-31电容传感器原理图

73ppt课件3.3电容传感器变极距(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)74ppt课件3.3电容传感器2.变极距型电容传感器△d/d<<1时极距缩小