第3章 几何量-电感式（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学）

1 传感器与检测技术 第3章 几何量测控之2 复习回顾 电容式传感器原理 测量转换电路 主要应用 3.3 电感式传感器 定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。 感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 种类：根据转换原理，分自感式和互感式两种； 根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。 优点： ①结构简单、可靠，测量力小 衔铁为0.5～200×10-5N时，磁吸力为(1~10)×10-5N。 ②分辨力高 机械位移：0.1μm，甚至更小；角位移：0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 ③重复性好，线性度优良 在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。 不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。 一、 自感式传感器 4 气隙型电感传感器工作原理？ 测量交流电桥有什么特点？ 变压器电桥的特点？ ？ 5 1 2 3 (a)气隙式 (b)变截面式 一、气隙型电感传感器工作原理 衔铁移动 改变 磁阻变化 电感值变化 l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长； S：气隙磁通截面积； S1：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积； μ1：铁芯磁导率； μ2：衔铁磁导率；μ0：真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m； lδ：空气隙总长。 6 可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即L＝f(S,lδ) 如果S保持不变，则L为lδ的单值函数，构成变隙式自感传感器；若保持lδ不变，使S随位移变化，则构成变截面式自感传感器。其特性曲线如图。 2.螺线管式电感传感器 原理：线圈电感量大小与衔铁深度成正比 x l d la 4π N l L= [lr +(um-1)lara ] 2 2 2 2 2 对比 变间隙式灵敏度高，但非线性误差较大，且制作装配比较困难； 变面积式灵敏度较前者小，但线性好，量程大，使用比较广泛； 螺管式灵敏度较低，但量程大，结构简单，易于制作，是使用最广泛地一种传感器 3. 差动变气隙式自感传感器 结构由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成。当衔铁3移动时，一个线圈的自感增加，另一个线圈的自感减少，形成差动形式。如将这两个差动线圈 E USC 1 3 4 2 Ⅰ Ⅱ R R (l-Δ lδ)/2 (l-Δ lδ)/2 分别接入测量电桥邻臂，则当磁路总气隙改变Δlδ时，自感相对变化为 ①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失真小 （二）测量电路 1、交流电桥 交流电桥是自感传感器的主要测量电路，为了提高灵敏度，改善线性度，自感线圈一般接成差动形式，如图。Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥的平衡臂 电桥平衡条件： 设Z1=Z2=Z=RS+jωL；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=L E为桥路电源，ZL是负载阻抗。工作时，Z1=Z+ΔZ和Z2=Z-ΔZ ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 交流电桥原理图 USC E Usc＝ 结论： ①桥路输出电压Usc与线圈电感的相对变化成正比。 当Q值很低时，自感 线圈的电感远小于电阻，电感线圈相当于纯电阻，交流电 桥即为电阻电桥。此时 输出电压Usc= 。 该电桥结构简单，其电阻R1、R2可用两个电阻和一个电位器组成，调零方便。 为自感线圈的品质因数。 Z1 Z2 USC E/2 E/2 E 变压器电桥原理图 I 2、变压器电桥 平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷大时，流入工作臂的电流为 初始Z1=Z2=Z=RS+jωL，故平衡时，USC=0。双臂工作时，设Z1=Z–ΔZ，Z2=Z+ΔZ，相当于差动式自感传感器的衔铁向一侧移动，则 同理反方向移动时 结论： 衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压Usc大小相等、方向相反，即相位互差180º，可反映衔铁移动的方向（相敏检波电路）。 优点：这种电桥与电阻平衡电桥相比，元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性； 缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。 3.紧耦合电感比例桥臂 原理：它由差动形式工作的两个传感（其阻抗）作为电桥工作臂，紧耦合的两个电感L作为固定臂，组成测量电桥。 Z1 Z2 L E 紧耦合电感比例桥臂原理图 L c d a b 优点：与输出端并联的任何 电容对平衡输出无影响，简化 了桥路接地和屏蔽问题，大大 改善了电路的零稳定性。 二、 差动变压器传感器（互感式电感