传感器技术及其应用 第2版 教学课件 ppt 作者 陈黎敏 3 力传感器.ppt

电感传感器的基本工作原理 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL 较小，所以电流I 较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。 线圈自感 Ψ——线圈总磁链,单位：韦伯； I——通过线圈的电流，单位：安培； N——线圈的匝数； Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨。 a)气隙型 b)截面型 c)螺管型 自感式传感器原理图 3.6.1 自感式传感器 1.工作原理 自感式电感传感器有变气隙式、变截面式和螺管式3种类型。 （1）变气隙式电感传感器 电感量L为： 当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，则线圈电感也发生变化，为： 灵敏度为： 电感式传感器的输出特性 1—实际输出特性；2—理想输出特性 气隙变化量Δδ越小，非线性失真越小；气隙δo越小，灵敏度越高。输出特性如图(a)所示 。 （2）变截面式电感传感器 若保持气隙厚度δ为常数，则 L=f (A) 即电感L是气隙截面积的函数，故称这种传感器为变截面式电感传感器。其输入输出是线性关系，灵敏度为： 灵敏度是一常数。但是，由于漏感、结构的限制等原因，这种类型的传感器线性区较小，量程也不大，在工业中用得不多。 （3）螺管式电感传感器 螺管式电感传感器由1只螺管线圈和1根柱形衔铁组成。当被测量作用在衔铁上时，会引起衔铁在线圈中伸入长度的变化，从而引起螺管线圈电感量的变化。对于长螺管线圈且衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的。此时线圈电感量与衔铁插入深度成正比。 这种传感器结构简单，制作容易，但灵敏度较低、且衔铁在螺管中间部分工作时，才能获得较好的线性关系。因此，螺管式电感传感器适用于测量比较大的位移。 （4）差动电感传感器 两个完全相同的单个线圈的电感传感器共用1根活动衔铁就构成了差动式电感传感器。 灵敏度为： 差动电感传感器的输出特性如图所示。其中曲线1、2是上、下单线圈自感式电感传感器的输出特性，曲线3是差接后的输出特性。由此可以看出，差动式电感传感器除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度的变化、电源频率变化等影响，也可进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。 差动式电感传感器输出特性 1.变压器式交流电桥 变压器电桥电路相邻两工作臂是差动电感传感器的两个线圈，阻抗Z1、Z2；另外两臂为激励变压器的二次线圈。输出电压取自A、B两点。若 D点为零电位，且传感器线圈的品质因素( Q值)较高，即线圈直流电阻远小于其感抗。可推导出输出电压为： 2. 测量电路 当传感器的衔铁下移时，即Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此时： 由此可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，因此还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。 2.相敏检波电路 下图是相敏检波电路图。图中，UX为电感传感器的输出信号，UR为参考电压，相敏检波电路起信号解调作用。当衔铁正位移时，仪表指针正向偏转，当衔铁负位移时，仪表指针反向偏转。因此，采用相敏检波整流电路，得到的输出信号既能反映位移大小，也能反映位移方向。 传感器的输出特性曲线图中，U0为零点残余电压，即当衔铁处于零点附近时存在的微小误差电压(零点几毫伏，有时可达数十毫伏)，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的，会给测量带来误差。 3.6.2 差动变压器 1．工作原理 差动变压器目前应用最广泛的是螺管式差动变压器在线框上绕有3组线圈，其中N1为输入线圈(称一次线圈)； N21和N22是两组完全对称的线圈(称二次线圈)，它们反向串联组成差动输出形式。 差动变压器等效电路图 差动变压器原理图 1-一次线圈 2-二次线圈 3-衔铁 4-测杆 2．测量电路 差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的，实际测量时，常采用差动整流电路和相敏检波电路。 差动整流电路是把差动变压器的两个二次电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。 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 3.6.3 电感式传感器应用 （1）差动式压力变送器 (a)图是YST-