传感器原理及应用-第3章

第3章电感式传感器3.1变磁阻式传感器

3.2变电压器式传感器

3.3电涡流式传感器

电磁感应利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量分为变磁阻式、变压器式、涡流式等特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好变磁阻式传感器3.1.1工作原理

3.1变磁阻式传感器通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积δ的传感器。

目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器3.1.2输出特性L与δ之间是非线性关系，特性曲线如所示。变隙式电压传感器的L-δ特性分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0－Δδ，则此时输出电感为同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有作线性处理，即忽略高次项后，可得当Δδ/δ0<<1时（台劳级数）：灵敏度为：

可见：变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。与衔铁上移切线斜率变大衔铁下移切线斜率变小为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。3.1.3测量电路交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等。1.电感式传感器的等效电路

当Q>>ω2LC且ω2LC<<1时对于高Q值（）有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)，则电桥输出电压为(3-20)

2.交流电桥式测量电路式中L0——衔铁在中间位置时的单个线圈的电感△L——单线圈电感的变化量

将代入上式得可见，电桥的输出电压与有关。

3.交流变压器式使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用(1)变压器电路当传感器衔铁上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，当传感器衔铁下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此时由于是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。(2)相敏检波电路上一页返回下一页(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响，

上一页返回下一页调幅电路：特点：此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。4.谐振式测量电路分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。

调频电路：传感器电感L的变化引起输出电压频率的变化。把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率 。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。3.1.4变磁阻式传感器的应用变隙电感式压力传感器结构图3.2差动变压器式传感器

●把被测的非电量变化转换为线圈互感变化

●根据变压器的基本原理制成的，次级绕组用差动形式连接。

●差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。

●在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。(a)、(b)变隙式差动变压器；(c)、(d)螺线管式差动变压器；(e)、(f)变面积式差动变压器上一页返回下一页3.2.1变隙式差动变压器1.工作原理

2.输出特性

在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下,等效电路如下。图中r1a与L1a,r1b与L1b,r2a与L2a,r2b与L2b，分别为W1a,W1b,W2a,W2b绕阻的直流电阻与电感。当r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b时，不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，变隙式差动变压器输出电压Uo的表达式，即.分析：当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δ0，则Uo=0。但是如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动Δδ（假设向上移动为正）时，则有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得.变隙式差动变压器输出特性结论：

（１）供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值;（２）增加W2/W1的比值和减少δ0都能使灵敏度K值提高;（３）以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得到的;（４）以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的，而实际上很难做到这一点;（５）上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。上一页返回下一页3.2.2螺线管式差动变压器1.工作原理螺线管式差动变压器结构

差动变压器等效电路

差动变压器输出电压的特性曲线

当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b随着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化。2.零点残余电压当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移动时的输出电压称为零点残余电压，记作ΔUo.它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。零点残余电压产生原因：主要是由传感器的两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。零点残余电压的波形主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波（主要是三次谐波）产生原因：是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小Ux，否则将会影响传感器的测量结果。减小零点残余电压方法：

1.

尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。

2.

选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。3.采用补偿线路减小零点残余电动势。3.基本特性当初级开路时式中：U——初级线圈激励电压；

ω——激励电压U的角频率；

I1——初级线圈激励电流；r1、L1——初级线圈直流电阻和电感。..根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为输出电压的有效值为①活动衔铁处于中间位置时M1=M2=M

故Uo=0②活动衔铁向上移动时M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

故与E2a同极性。.③活动衔铁向下移动时M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故与E2b同极性。.4.差动变压器式传感器测量电路问题：（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。常常采用差动整流电路或相敏检波电路。(1)差动整流电路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。整流电路的输出电压为当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0；当衔铁在零位以上时，因为U24>U68，则U2>0；而当衔铁在零位以下时，则有U24<U68，则U2<0。U2的正负表示衔铁位移的方向。..........差动整流电路（a）半波电压输出；（b）半波电流输出；（c）全波电压输出；（d）全波电流输出（2）相敏检波电路（a）相敏检波电路原理图；（b）us、u2为正半周时等效电路；(c)us、u2为负半周时等效电路上一页返回下一页相敏检波电路波形

(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上一页返回下一页

5.差动变压器式传感器的应用

可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、张力等。

(1)加速度传感器（2）力和力矩的测量1－线圈2－衔铁3－弹性元件优点：承受轴向力时应力分布均匀；当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。上一页返回下一页（3）微小位移的测量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－导线上一页返回下一页（4）压力测量微压力传感器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上一页返回下一页

a)电涡流传感器原理图

b)电涡流传感器等效电路图

3.3电涡流式传感器涡流效应：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。3.3.1工作原理

根据等效电路列出电路方程组：

通过解方程组，可得I1、I2。因此传感器线圈的复阴抗为：

线圈的等效电感为：

u－磁导率；x-线圈与导体的距离3.3.2电涡流形成范围1电涡流的径向形成范围线圈-导体系统产生的电涡流密度J既是线圈与导体间的距离x的函数，又是沿线全半径为r的函数2电涡流强度与距离的关系当x改变时，电涡流密度发生变化，即电涡流强度随距离的变化而变化，金属导体表面的电涡流强度为