传感器与测试技术课件第六章电感式传感器-1

1、第二篇 常用传感器的原理及应用,1.掌握三种电感式传感器工作原理及结构性能 2.掌握其测量电路 3.了解电感式传感器的应用,第6章 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。常用来测量位移、压力、流量、振动等物理参数。,分类:,6.1 自感式电感传感器,1、工作原理可变磁阻式,原理:电磁感应,自感L与气隙成反比，而与气隙导磁截面积A成正比。,变气隙式自感传感器,输出特性非线性；为获得较高灵敏度，气隙的初始值0不宜过大。 为获得较好的线性关系，须限制测量范围，使衔铁位移在较小范围内变化，(0 ),一般取=(0.10.2)0 变气隙式传感器适用于微小位移的测

2、量，测量范围：0.0011mm。,变面积式自感传感器,输出特性为线性，因此测量范围大。 要提高灵敏度，气隙厚度不能过大。,螺管式自感传感器,结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移(数毫米)测量。,工作原理：当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。,2、差动式自感传感器,两个结构完全相同的自感线圈组合在一起形成差动结构，可提高灵敏度，改善输出特性的非线性，实际中常用。,当/1时，可将上式展开成级数：,差动方式时：,灵敏度：,为原来的两倍。,比较：,显然，若不考虑包括2次项以上的高次项，则 成比例关系，因此高次项的存在是造成非线性的原因。,当气隙相对变化/1时，高次项迅速减小

3、，非线性得到改善。然而，这会使传感器的测量范围变小，因此对输出特性线性的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的。这正是取/ =0.10.2的原因。 当构成差动式电感传感器时，输出与L1+L2有关，它不存在偶次项，因此差动式电感传感器的非线性明显改善。,差动式自感传感器的特性：,将传感器两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了非线性特性，补偿干扰影响。,3、测量电路,差动式自感传感器的线圈可以用复阻抗Z等效，常采用交流电桥、谐振电路等测量。,交流电桥,将直流电桥的电阻R用阻抗Z代替，阻抗写成矢量形式，则交流电桥平衡条件为：,若阻抗写成复指数形式时，平衡条件为:,交流电桥有不同的组

4、合，常用的有电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻，而另外两臂接入相同性质的阻抗，例如都是电容或电感。,a) 电容电桥 b)电感电桥,图a电容电桥的平衡条件,图b所示的电感电桥，其平衡条件,即使纯电阻交流电桥，导线之间形成的分布电容也会影响桥臂阻抗值，相当于在各桥臂的电阻上并联了一个电容，因此须进行电阻和电容的平衡调节。,交流电阻电桥,直流电桥采用直流电源作激励电源，稳定性好； 电桥的平衡电路简单，其输出为直流量，可用直流仪表测量，精度高； 电桥的连接导线不会形成分布电容，因此对连接导线的方式要求低； 缺点：易引入工频干扰；作直流放大时，由于直流放大器一般比较复杂，且易受零漂和接地电位的影响。 直

5、流电桥适合于静态量的测量。,交流电桥输出为交流信号（调幅波），外界工频干扰不易被引入电路；但要求供桥电源稳定性好。 交流放大电路简单，且没有零漂的影响。,直流电桥,交流电桥,变压器电桥灵敏度和精度高，性能稳定，应用广泛。,变压器电桥（带感应耦合臂的电桥）,变压器电桥的特性,输出电压,输出电压的大小和极性反映了被测量的性质（如位移的大小及方向）。,交流电桥的调制与解调,被测量经传感器变换输出的电信号多为低频缓变的微弱信号，还往往有各种噪声信号。 为了将测量信号从含有噪声的信号中分离出来，往往给被测信号赋予一定特征调制的主要功用。,调制就是用被测信号（称为调制信号）去控制载波信号，让后者的某一特征

6、参数按前者变化。 在将被测信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。,1)目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题，提高被测信号抗干扰能力。,常用的调制方法 载波信号为高频正弦信号（幅值、频率、相位）,即调幅、调频和调相； 载波信号为脉冲信号（宽度等），即脉冲调宽。,对应于正弦信号的三要素：幅值、频率和相位，调制可分为调幅AM、调频FM和调相PM；其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。,2)调幅与解调原理,调幅是将一个高频正弦信号(载波)与被测信号相乘，使载波信号的幅值随被测信号的变化而变化。,载波信号,调幅信号,由傅里

7、叶变换的性质：,则,调幅过程,调幅过程相当于“频谱”搬移过程,若调制信号为简谐信号（正弦或余弦，单一频率fs），调幅波的频谱也是离散谱，以载波信号f0为中心，仅仅位于频率f0 fs和f0 fs两个边频处，其幅值等于两个信号幅值乘积的1/2。,若调制信号为一般周期信号，其包含多个频率分量(f1、f2 、)，则调幅波的频谱仍为离散谱，谱线以载波信号f0为中心，分别位于f0f1、f0 f2、，即调制信号的每一个频率分量均产生一对边频。,为了正确进行信号调制，调幅信号的频宽（2fm）相对于中心频率（载波频率f0）应越小越好，实际载波频率通常f010fm 解调时，滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开，

8、检出调制信号。但载波频率的提高受到后续放大电路截止频率的限制。,若调制信号为瞬态信号(连续谱，信号最高频率fm)，则调幅波的频谱也是连续谱，位于f0 fm之间。只有f0fm，频谱不会产生交叠现象。,幅值调制装置实质上是一个乘法器，在实际应用中经常采用交流电桥作调制装置，以高频振荡电源供给电桥作为载波信号，则电桥的输出为调幅波。,被测信号的频率为010Hz,载波的频率为f0 100 Hz； f0 3000 Hz,放大器的通频带应为29903010 Hz,解调原理同步解调,从时域看：,调制与解调的载波信号相同同步解调,幅度调制与解调过程（波形与频谱分析）,幅度调制与解调过程（数学描述）,3)幅值调制信号的解调相敏检波电路,相敏检波电路(与滤波器配合)可以将调幅波还原成原信号波形，起解调作用；并具有鉴别信号相位的能力。,下面给出典型的二极管相敏检波电路及其输入输出关系图。它由四个特性相同的二极管D1D4沿同一方向串联成一个桥式回路，桥臂上有附加电阻，用于桥路平衡。四个端点分别接在变压