第三章 常用传感器及其调理电路（课件）- 《电气与电子测量技术（第3版）》同步教学（电子工业出版社）

3:1 第三章 常用传感器及其调理电路 1 Page . 01电容式传感器 下图为平板电容器原理图，若忽略其边缘效应，其电容量C为： 工作原理 平板电容器 + + + d A  电容式传感器 变间隙型：固定A， C与d 为非线性关系 变面积型：固定d， C与A为线性关系 变介电常数型：固定A，d C与 为线性关系 Page . 在 时，将左式展开成麦克劳林级数 设在被测量作用下，极板间隙 d=d0 - Δd， 则电容变化量为： 式中，C0 为间隙 d=d0的初始电容量 同理，若极板间隙 d=d0 - Δd ，可得： 而第二项以后是非线性项。当C1+C2或C1-C2时，部分高次非线性项可相互抵消，差动电桥就利用这个特性来改善非线性。 变气隙式电容传感器 Page . 由麦克劳林级数可见，变气隙式电容传感器的特性是非线性的。若 ，忽略高次方非线性，可认为其特性是线性的，即： 因此，可得其灵敏度为： 变气隙式传感器的特点是灵敏度高，但非线性严重。 变气隙式电容传感器 1 Page . 变面积式电容传感器举例 角位移变面积型 当转动动片一个角度θ，极板相对面积发生变化，电容量也随之改变。 （1）当θ=0 时 （2）当θ≠0 时 其灵敏度为： Page . 变介电常数式电容传感器 电容式液位传感器原理图 变介电常数式电容液位传感器 当被测液面 x 在高度为h 的同心圆管内变化时，内外管间的电容随之变化，其电容量C 为： Page . 由于变气隙式电容传感器的非线性严重，实际上是很少使用的，通常制成差动型式，其结构见右图。 当气隙位移很小时，可以认为： 差动结构的传感器配合差动电桥，可以显著改善非线性，提高灵敏度。 差动电容传感器 变气隙式 差动电容传感器 Page . 【例】图4-64是电容式自动平衡液位测量仪原理框图，试求指针偏转角θ与液位h的表达式。 测量电路举例 图4-64 电容式自动平衡液位测量仪原理框图 已知：当h=0时，CX=CX0=C0，且电位器RP（阻值R）的滑动触头在O点，即阻值R =0，此时电桥平衡。 1 Page . 解：电桥平衡，电桥输出电压Uac=0，则 当液位为h时，CX=CX0+ΔC，ΔC=k1h，k1为电容传感器的灵敏度。此时Uac≠0，经放大后，驱动电动机转动，经减速后带动指针转动，同时带动电位器的滑动触头移动，直到Uac=0，系统重新平衡为止，此时 联立求解上面两式得： 由于指针转角θ与电位器电刷同轴相连，它们间的关系为： =k2R 因此 其中， k2为比例系数 可见，指针偏转转角θ与液位高度h成比例。 测量电路举例 Page . 电容式麦克风 Page . 02电感式传感器 电感式传感器分类 基本原理：利用自感或互感的变化来实现测量 被测量：位移、振动、压力、流量、重量、力矩等 1 Page . 电感式传感器 自感型 变间隙型自感传感器 变面积型自感传感器 螺线管型自感传感器 互感型 差动变压器式传感器 电涡流式传感器 压磁式传感器 简单自感式传感器的原理及特性 a）变气隙式 b）变面积式 c）螺管式 Page . 铁心与衔铁之间有一个空气隙 ，其厚度为。线圈的电感量可按下式计算： 式中，N —线圈匝数； 为磁路的总磁阻。如果空气隙厚度较小，而且不考虑磁路的铁损，则总磁阻为： 忽略导磁体磁阻，则有： 自感式电感传感器的原理及特性 Page . 2）同理，当 =0+ 时，电感变化量为： 变气隙式自感传感器的输入输出特性 1）当 =0- 时，电感变化量为： 当 /0 <<1 时，左式用麦克劳林级数展开： 变气隙式自感传感器的工作特性 非线性项 非线性项 由于存在非线性，常常用差动结构的传感器来减小非线性。 Page . 变截面积式自感传感器的工作特性 Page . 由此可看出变截面积式自感传感器的特点： 测量范围较大，非线性误差小，但灵敏度较低。 铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面改变，导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，见图1。L与δ是非线性的，但与S 成线性，特性曲线参见图。 螺管式自感传感器的工作特性 线圈电感量与衔铁进入线圈的长度可表示为： Page . 差动式电感传感器 1 Page . 用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器 差动式电感传感器可以传感器的减小非线性，并且可以提高灵敏度 变气隙式差动自感传感器原理见右图。它由一个公共衔铁和上、下两个对称的线圈L1和L2组成。 当衔铁向上位移 ，且/<<1，可近似认为： 变气隙式差动自感传感器 差动结构的传感器配合差动电桥，可以显著改善非线性，提高灵敏度。详见差动电桥。 变气隙式差动自感传感器 Page . 03 差动传感器与测量电桥 恒压源供电 恒流源供电 测量电桥 四桥臂电桥电路 电桥是将电阻、电感、电容或阻抗参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。 按照电桥桥臂阻抗的差动特点，可以分为： 单臂电桥 差动半桥 差动全桥 Page . 单臂电桥 单臂电桥 差动半桥 一个桥臂阻抗接电参数型传感器的变换器，其余三个臂的阻抗均恒定 差动半桥 两个桥臂阻抗发生差动变化其余两个臂 的阻抗均恒定 测量电桥 差动全桥 四个桥臂阻抗均为电参数型传感器的四个差动变换器，且四个桥臂阻抗发生差动变化 差动全桥 Page . 测量电桥的静态特性 测量电桥的输入输出关系 测量电桥的灵敏度 电压源供电 电流源供电 单臂电桥 差动半桥 差动全桥 恒压源供电时测量电桥的灵敏度 单臂电桥 差动半桥 差动全桥 Page . 测量电桥的静态特性 测量电桥的线性度 无论电流源供电和电压源供电，差动半桥和差动全桥的输入输出特性为理想直线，故线性度为零 阻抗电桥在不同电源下的温漂特性 由电压源供电时 由电流源供电时 电压源供电 电流源供电 单臂电桥 差动半桥 差动全桥 Page . 测量电桥 1 Page . 关于测量电桥的结论 与单臂电桥相比，差动电桥灵敏度更高、非线性误差更小，对同符号干扰有低偿作用； 差动传感器与差动电桥相配合，能使测量系统具有更加优良的特性； 恒流源供电的差动全桥理论上无温度误差。 1).当衔铁向下移动时，假设： 故此时的输出电压 2).当衔铁向上移动时，假设： 故此时的输出电压 结论：U0与Z 成正比，但无法辨别衔铁移动的方向 需要引入鉴相环节 A点的电位为 B点的电位为 变压器式交流电桥 变压器式交流电桥 ……(1) ……(2) Page . 交流电桥存在的问题 变压器式交流电桥 的输入输出曲线 理想的输入输出特性 1 Page . 图(a)是变压器式交流电桥的输入输出曲线，它无法区分衔铁移动方向。 图(b)是理想的输入输出特性。 带相敏整流的交流电桥 设E点电位为0，当衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z0，电桥处于平衡状态，，输出电压Uo = 0； 当衔铁下移，Z1=Z0-Z，Z2=Z0+Z，不论输入电压是正半周还是负半周，输出电压Uo总为正（绿色波形）。 当衔铁上移，Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z，不论输入电压是正半周还是负半周，输出电压Uo总为负（红色波形） 。 U0 Page . 线性可变差分变压器(LVDT，Linear Variable Differential Transformer)是一种常见的位移传感器，它由一个初级线圈、两个次级线圈、铁芯等部件组成，其中铁芯为移动部件，次级线圈采用差分连接方式。 当铁芯处于平衡位置时，次级两个线圈产生的电动势大小相等，差分输出电压为零。 当铁芯产生位移后，偏离平衡位置，磁路的不对称使两个次级线圈产生的感应电动势不再相等，产生一个由位移量决定的不为零的输出电压。在工作区间内，输出电压与铁芯位移近似呈线性关系。 线性可变差分变压器及其调理电路举例 LVDT原理图 Page . AD598是一款完整的单芯片线性可变差分变压器(LVDT)信号调理芯片，结合LVDT使用，能够将传感器机械位移转换为单极性或双极性直流电压。 AD598内置一个低失真正弦波振荡器，用来驱动LVDT原边。LVDT副边输出两个正弦波驱动AD598。AD598采集这两个信号工作，将其差值除以其和值，产生一个单极性或双极性比例直流输出。这个直流信号的大小直接反映了位移的大小和方向。 当采用双极性输出时，其输出电压与位移关系如图所示 线性可变差分变压器及其调理电路举例 AD598输出电压与铁芯位移关系 Page . THANKS 汇报人姓名 $$