第3章變阻抗式傳感器原理與應用

1、第第3章章 變阻抗式傳感器原理與應用變阻抗式傳感器原理與應用自感式傳感器自感式傳感器差動變壓器差動變壓器電容式傳感器電容式傳感器電渦流式傳感器電渦流式傳感器壓磁式傳感器壓磁式傳感器a)氣隙型 b)截面型 c)螺管型3-1自感式傳感器原理圖3.1 自感式傳感器自感式傳感器3.1.1 工作原理工作原理( xLU I位移、流量、振動）（自感）（ ）原理原理結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式 變間隙式、變面積式和螺管式。變間隙式、變面積式和螺管式。3.1 自感式傳感器自感式傳感器121nmmiinmiiIWULRIIWIWIRRWLR 線圈通以有效值為 的交流電，產(chǎn)生磁通為 ，線圈匝數(shù)為W。則（類似）由磁路歐姆定律定量

2、定量3-13-23-33.1 自感式傳感器自感式傳感器331211112200001112222231211122002,2()imiiii imiilLLRsSSSSlSlSWWLLLRSSS總磁阻分別為氣隙的磁導率、氣隙和截面積。分別為鐵心的磁導率、氣隙和截面積。分別為銜鐵的磁導率、氣隙和截面積。鐵心的結(jié)構(gòu)和材料確定后，自感是氣隙厚度和氣隙截面積的函數(shù)。3-43-53.1 自感式傳感器自感式傳感器螺管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵插入深度不同而變化的基礎上。LRxnimi1S ,fL SfL2 1fL 變氣隙型傳感器變截面型傳感器 3.1 自感式傳感器自感式傳感器3.1.2 3.1.2

3、 變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器 002221112sslslRm氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻 002sRm20022sWRWLmL與與之間是非線性關系之間是非線性關系 磁路總的磁阻為磁路總的磁阻為 線圈的電感為線圈的電感為 3-63-73.1 自感式傳感器自感式傳感器3-2變間隙式電感傳感器變間隙式電感傳感器L-特性特性 （1）當銜鐵上移）當銜鐵上移時時, 傳感器氣隙減小傳感器氣隙減小, 即即=0, 則此時輸出電感為則此時輸出電感為L = L0+L, 當/ 0時時, u2與與u0同頻同相同頻同相,uL0。 當位移當位移x 0時時, u2與與u0 同頻

4、反相同頻反相, uL 0時時, u2與與u0為同頻同相為同頻同相 當當u2與與u0均為正半周時均為正半周時, uS使環(huán)形電橋中二極管使環(huán)形電橋中二極管VD1、D4截止截止, VD2、VD3導通導通, 得圖得圖 3-24（b）的等）的等效電路。效電路。 3.2 差動變壓器差動變壓器 uS1 與 uS2 在各自支路產(chǎn)生的電流相等。根據(jù)基爾霍夫定律， uS1 與 uS2 在RL上不產(chǎn)生電流（電壓）。 u22在RL上產(chǎn)生的電壓為)2()2(2)2(1121222LLLLLLLRRnuRRRRnuRRRuu 當u2與u0均為負半周時, 二極管VD2、VD3截止, VD1、 VD4導通。 其等效電路如圖

5、3 -24（c）所示。3.2 差動變壓器差動變壓器)2(112LLLRRnuRu說明只要位移X0, 不論u2與u0是正半周還是負半周，負載RL兩端得到的電壓uL始終為正。輸出電壓亦為當x0時,u2與u0為同頻反相。不論u2與u0是正半周還是負半周, 負載電阻RL兩端得到的輸出電壓uL表達式總是為)2(112LLLRRnuRu (a）被測位移變化波形圖；(b)差動變壓器激勵電壓波形；(c) 差動變壓器輸出電壓波形；(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形；(e)相敏檢波輸出電壓波形3.2 差動變壓器差動變壓器相敏檢波器輸出電壓的變化規(guī)律不僅反映了位移相敏檢波器輸出電壓的變化規(guī)律不僅反映了位移變化的大小，而且反

6、映了位移的方向。變化的大小，而且反映了位移的方向。（3）直流差動變壓器電路）直流差動變壓器電路圖圖3-26直流差動變壓器電路原理圖直流差動變壓器電路原理圖 3.2 差動變壓器差動變壓器：需要遠距離測量，便攜，防爆及同時使用若干個差動變壓器，且需避免相互間或?qū)ζ渌鼉x器設備產(chǎn)生干擾的場合 。特點特點直入直出，便于攜帶，安全防爆，抑制干擾。3.2.3 差動變壓器應用差動變壓器應用 3.2 差動變壓器差動變壓器1線圈 2銜鐵 3彈性元件圖圖3-27差動變壓器力傳感器差動變壓器力傳感器 0PSMU 3.2 差動變壓器差動變壓器1測端測端2防塵罩防塵罩3軸套軸套4圓片簧圓片簧5測桿測桿6磁筒磁筒7磁芯磁芯

7、8線圈線圈9彈簧彈簧10導線導線圖圖3-28小位移測量用小位移測量用差動變壓器傳感器差動變壓器傳感器 3.2 差動變壓器差動變壓器3. 壓力測量壓力測量1-接頭；接頭；2-膜盒；膜盒；3-底座；底座；4-線路板；線路板；5-差動變壓器線圈；差動變壓器線圈；6-銜鐵；銜鐵；7-罩殼；罩殼；8-插頭；插頭；9-通孔通孔傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成開環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計可以組成開環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計 圖圖3-29 微壓力傳感器微壓力傳感器 3.2 差動變壓器差動變壓器1 懸臂梁；懸臂梁；2 差

8、動變壓器差動變壓器 圖圖3-30 加速度用傳感器加速度用傳感器 3.3 電容傳感器電容傳感器3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器主要性能3.3.3 電容式傳感器的特點和設計要點3.3.4 電容式傳感器等效電路3.3.5 電容式傳感器測量電路3.3.6 電容式傳感器的應用3.3.7 容柵式傳感器3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3 電容傳感器電容傳感器1. 工作原理及類型2. 變極距型電容傳感器3. 變面積型電容傳感器4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器3.3 電容傳感器電容傳感器將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。 如位移

9、、加速度、液位、振動及濕度。 1 、工作原理和類型、工作原理和類型 原理式原理式類型類型0rSSC 變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式。變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式。定義定義S圖圖3-31 電容傳感器原理圖電容傳感器原理圖 3.3 電容傳感器電容傳感器變極距變極距( (）型型: (a)、(e) 變面積型變面積型(S)(S)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 變介電常數(shù)變介電常數(shù)( )型型: （i）(l) 3.3 電容傳感器電容傳感器dsCr00200001)1 (1 ddddCddCddsCCCrd/d1時ddCCC00極距縮小極距縮小d 最大位移應小于間距的最大位移應小

10、于間距的1/10 ，改善其非線性改善其非線性。(1)簡單變極距電容傳感器簡單變極距電容傳感器3.3 電容傳感器電容傳感器亦可用泰勒展開式表示為亦可用泰勒展開式表示為120001/1/(/ )(1/ )CCd dCd dd dCd d 靈敏度為若以容抗為輸出XC與 d成線性關系，不需滿足 d d。011(1)CdXCCd01gCCkdd3.3 電容傳感器電容傳感器（2）、差動變極距型傳感器）、差動變極距型傳感器 設動極板上移 。121001/1/(/ )CCd dCd dd d 122001/1/(/)CCd dCd dd 002/2gCCd dCCkdd241202/ 1(/ )(/ )CCC

11、Cd dd dd d 3.3 電容傳感器電容傳感器20202()100%()100%2LCC00()100%()100%LCC單極非線性誤差單極非線性誤差差動非線性誤差差動非線性誤差3.3 電容傳感器電容傳感器0000()/rrrgCCCax babddbxdbkCxd C與與x間呈線性關系間呈線性關系 圖圖3-32電容傳感器原理圖電容傳感器原理圖 （1）線位移）線位移3.3 電容傳感器電容傳感器（2）電容式角位移傳感器）電容式角位移傳感器 0000dsCr0000)1 (CCdCr當=0時 當0時傳感器電容量傳感器電容量C與角位移與角位移間呈線性關系間呈線性關系 圖圖3-33電容角位移傳感器

12、原理圖電容角位移傳感器原理圖 3.3 電容傳感器電容傳感器4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器圖圖3-34電容式液位傳感器電容式液位傳感器 （1）根據(jù)各種介質(zhì)）根據(jù)各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，的介電常數(shù)不同，檢測液面高度檢測液面高度。3.3 電容傳感器電容傳感器同心圓柱狀極板，插入液體深度同心圓柱狀極板，插入液體深度h，兩極板間構(gòu)成，兩極板間構(gòu)成電容式傳感器（并聯(lián)電容式傳感器（并聯(lián)）電容與液位的關系為：電容與液位的關系為： 102()2lnln()hHDDddA CBhdDhHdDhcccln)(2ln21213.3 電容傳感器電容傳感器（2）、測量被測介質(zhì)的插入深度）、測量被測介質(zhì)的插入深度圖圖3-35變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器 3.3 電容傳感器電容傳感器02010021)(dLLLbCCCrr當當L=0時，傳