傳感器原理及電路設(shè)計(jì)第9講

1、第4章 電感式傳感器 11.17.20151第9講GMES 2008目錄變磁阻式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器前言電感式傳感器是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的，具體為利用被測(cè)量(位移、振動(dòng)、壓力、流量、比重)的變化引起線(xiàn)圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，從而導(dǎo)致線(xiàn)圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同，電感式傳感器可分為自感式(變磁阻式)和互感式(變壓器式、渦流式)兩大類(lèi)。 第4章 電感式傳感器 11.17.20152第9講GMES 2008目錄變磁阻式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器0.差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式傳感器把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線(xiàn)圈互感變化的傳感器稱(chēng)為互感式傳

2、感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱(chēng)差動(dòng)變壓器式傳感器。 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線(xiàn)管式等。在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器， 它可以測(cè)量1100mm機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 第4章 電感式傳感器 11.17.20153第9講GMES 2008目錄變磁阻式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器1.變隙式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式傳感器1. 工作原理工作原理初級(jí)繞組W1a=W1b=W1次級(jí)繞組W2a=W2b=W2初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)次級(jí)繞組的同名端反相串聯(lián) sUL1L2RoRooU1

3、22131鐵 芯 ；2線(xiàn) 圈 ；3銜 鐵變隙式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變隙式電感注意區(qū)別第4章 電感式傳感器 11.17.20154第9講GMES 2008目錄變磁阻式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器1.變隙式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式傳感器1. 工作原理工作原理初級(jí)繞組W1a=W1b=W1，初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)次級(jí)繞組W2a=W2b=W2，次級(jí)繞組的同名端反相串聯(lián) 當(dāng)沒(méi)有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵芯的間隙有a0=b0=0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個(gè)次級(jí)繞組的互感電勢(shì)相等，即e2a=e2b。由于次級(jí)繞組反相串聯(lián)，因此，差動(dòng)變壓器輸出

4、電壓Uo=e2a-e2b=0。第4章 電感式傳感器 11.17.20155第9講GMES 2008目錄變磁阻式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器1.變隙式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式傳感器1. 工作原理工作原理初級(jí)繞組W1a=W1b=W1，初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)次級(jí)繞組W2a=W2b=W2，次級(jí)繞組的同名端反相串聯(lián) 當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，與被測(cè)體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使ab，互感MaMb，兩次級(jí)繞組的互感電勢(shì)e2ae2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b0，即差動(dòng)變壓器有電壓輸出， 此電壓的大小與極性反映被測(cè)體位移的大小和方向。 第4章 電感式傳感器 11.17.20156第9講GMES

5、2008目錄變磁阻式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器1.變隙式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式傳感器2. 輸出特性輸出特性在忽略鐵損(即渦流與磁滯損耗忽略不計(jì))、漏感以及變壓器次級(jí)開(kāi)路(或負(fù)載阻抗足夠大)的條件下，等效電路。 r1a與L1a ，r1b與L1b， r2a與L2a ，r2b與L2b，分別為W1a ，W1b ，W2a，W2b繞阻的直流電阻與電感。當(dāng)r1aL1a，r1bM2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。而Uo=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b 隨著銜鐵位移x變化時(shí)，Uo也必將隨x而變化。當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，輸出電壓并不等于零，差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出

6、電壓稱(chēng)為零點(diǎn)殘余電壓，記作Uo，它的存在使傳感器輸出特性不經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，造成實(shí)際與理論特性不完全一致。 第4章 電感式傳感器 11.17.201511第9講GMES 2008目錄變磁阻式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器2.螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式傳感器2. 基本特性基本特性根據(jù)等效電路，當(dāng)次級(jí)開(kāi)路時(shí) 111LjrUI式中U初級(jí)線(xiàn)圈激勵(lì)電壓；激勵(lì)電壓U的角頻率； I1初級(jí)線(xiàn)圈激勵(lì)電流； r1、 L1初級(jí)線(xiàn)圈直流電阻和電感。 .Ur1L1aL2aL2baE2bE2r2ar2boURLI1根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)分別為：122112IMjEIMjEba第4章 電感式傳感器 11.

7、17.201512第9講GMES 2008目錄變磁阻式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器2.螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式傳感器112122)(LjrUMMjEEUbao次級(jí)兩繞組反相串聯(lián)且開(kāi)路，有：上式說(shuō)明，當(dāng)激磁電壓的幅值U和角頻率、 初級(jí)繞組的直流電阻r1及電感L1為定值時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組之間互感之差的函數(shù)。只要求出互感M1和M2對(duì)活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)系式，可得到螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器的基本特性表達(dá)式。 212121)()(LrUMMUo輸出電壓的有效值為：第4章 電感式傳感器 11.17.201513第9講GMES 2008目錄變磁阻式傳感器差動(dòng)變壓器式傳

8、感器電渦流式傳感器2.螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式傳感器 活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí) M1=M2=M 故 Uo=0 活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí) M1 =M+M， M2 =M-M 故 22112()oMUUrL與E2a同極性。 . 活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí) M1 =M-M， M2 =M+M 故 2121)(2LrMUUo與E2b同極性。 .212121)()(LrUMMUo第4章 電感式傳感器 11.17.201514第9講GMES 2008目錄變磁阻式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器2.螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式傳感器3. 測(cè)量電路測(cè)量電路根據(jù)等效電路，當(dāng)次級(jí)開(kāi)路時(shí) （1）差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓

9、(用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向);（2）測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。 以下以差動(dòng)整流電路為例 第4章 電感式傳感器 11.17.201515第9講GMES 2008目錄變磁阻式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器2.螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式傳感器q差動(dòng)整流電路 這種電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流， 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。68242UUU當(dāng)銜鐵在零位時(shí)，因?yàn)閁24=U68，所以U2=0；當(dāng)銜鐵在零位上時(shí)，因?yàn)閁24 U68 ，則U2

10、 0；當(dāng)銜鐵在零位下時(shí)， 則有U24 U68，則U2 0。U2的正負(fù)表示銜鐵位移的方向。i1i2第4章 電感式傳感器 11.17.201516第9講GMES 2008目錄變磁阻式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器3.差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器可直接用于位移測(cè)量，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 測(cè)量時(shí)，將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線(xiàn)圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連， 此時(shí)傳感器作為加速度測(cè)量中的慣性元件，它的位移與被測(cè)加速度成正比，使加速度測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y(cè)量。當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以x(t)振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。 11B2Ax(t )1懸 臂 梁 ；2差 動(dòng) 變 壓 器差動(dòng)變壓器式加速度傳感器懸臂梁差動(dòng)變