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1、1傳感器與檢測(cè)技術(shù) 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系主講教師:蘇永清 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系4-1 自感式傳感器2氣隙型電感傳感器工作原理?測(cè)量交流電橋有什么特點(diǎn)?變壓器電橋的特點(diǎn)?第4章 電感式傳感器 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系定義:定義:是一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置。是一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置。感測(cè)量感測(cè)量:位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。:位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。種類種類:根據(jù)轉(zhuǎn)換原理

2、,分自感式和互感式兩種;:根據(jù)轉(zhuǎn)換原理,分自感式和互感式兩種; 根據(jù)結(jié)構(gòu)型式,分氣隙型、面積型和螺管型。根據(jù)結(jié)構(gòu)型式,分氣隙型、面積型和螺管型。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠,測(cè)量力小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠,測(cè)量力小銜鐵為銜鐵為0.520010-5N時(shí),磁吸力為時(shí),磁吸力為(110)10-5N。分辨力高分辨力高機(jī)械位移:機(jī)械位移:0.1m,甚至更小;角位移:,甚至更?。唤俏灰疲?.1角秒。角秒。輸出信號(hào)強(qiáng),電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百輸出信號(hào)強(qiáng),電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm 。重復(fù)性好,線性度優(yōu)良重復(fù)性好,線性度優(yōu)良在幾十在幾十m到數(shù)百到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi),輸出特性的線性度較好,且的位移范圍內(nèi),輸出特性的線性度較好

3、,且比較穩(wěn)定。比較穩(wěn)定。不足不足:存在交流零位信號(hào),不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。:存在交流零位信號(hào),不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系4123(a)氣隙式 (b)變截面式一、氣隙型電感傳感器工作原理12ll銜鐵移動(dòng) 改變磁阻變化電感值變化lSlSlSlRm0222111221211220mNlllLNSSSRlSNL02 l1:鐵芯磁路總長(zhǎng);l2:銜鐵的磁路長(zhǎng);S:氣隙磁通截面積; S1:鐵芯橫截面積;S2:銜鐵橫截面積;1:鐵芯磁導(dǎo)率;2:銜鐵磁導(dǎo)率;0:真空磁導(dǎo)率,0=410-7Hm; l:空氣隙總長(zhǎng)。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子

4、與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系5 可見(jiàn),自感可見(jiàn),自感L是氣隙截面積和長(zhǎng)度的函數(shù),即是氣隙截面積和長(zhǎng)度的函數(shù),即Lf(S,l) 如果如果S保持不變,則保持不變,則L為為l的單值函數(shù),構(gòu)成的單值函數(shù),構(gòu)成變隙式自感傳變隙式自感傳感器感器;若保持;若保持l不變,使不變,使S隨位移變化,則構(gòu)成隨位移變化,則構(gòu)成變截面式變截面式自感傳感器自感傳感器。其特性曲線如圖。其特性曲線如圖。lSNL02 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系2 2、特性分析、特性分析主要特性:靈敏度和線性度。當(dāng)鐵芯和銜鐵采用同一種導(dǎo)磁材料,且截面相同時(shí),因?yàn)闅庀秎一般較小,故可認(rèn)為氣隙磁通截面與鐵

5、芯截面相等,設(shè)磁路總長(zhǎng)為 l ,則 rrrmllSlllSR11100rrmllSR01rrmllKllNSRNL1202K=0N 2S一般r1,所以rlllKLL11當(dāng)氣隙減少l時(shí) 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 rrlllllLLL1rrllllllllLL1111111自感的相對(duì)變化211111111rrrllllllllllllLL同理,當(dāng)總氣隙長(zhǎng)度增加l時(shí),自感減小為L(zhǎng)2,即rllllLL221111111rrrllllllllllll 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系若忽略高次項(xiàng),則自感變化靈敏度為 rLll

6、lLlLK11rllll11線性度lLL1L2 L0l0當(dāng)氣隙l發(fā)生變化時(shí),自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系,其非線性程度隨氣隙相對(duì)變化l/l的增大而增加;氣隙減少l所引起的自感變化L1與氣隙增加同樣l所引起的自感變化L2并不相等,即L1L2,其差值隨l/l的增加而增大。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系差動(dòng)差動(dòng)變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成。當(dāng)銜鐵3移動(dòng)時(shí),一個(gè)線圈的自感增加,另一個(gè)線圈的自感減少,形成差動(dòng)形式。如將這兩個(gè)差動(dòng)線圈221111112rrllllllllLLLLLEUSC1342RR(l- l)/2(l- l)

7、/2分別接入測(cè)量電橋鄰臂,則當(dāng)磁路總氣隙改變l時(shí),自感相對(duì)變化為rLlllLlLK1122)(11rllll 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系差動(dòng)式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍差動(dòng)式自感傳感器非線性失真小,如當(dāng)l/l=10時(shí) (略去llr), 單線圈10;而差動(dòng)式的1。75502505075100L/mHl/mm10025LD43211234- l l對(duì)差動(dòng)氣隙式傳感器其l/l與l/(lr)的變化受到靈敏度和非線性失真相互矛盾的制約,因此只能適當(dāng)選取。一般差動(dòng)變隙式自感傳感器l/l0.10.2時(shí),可使傳感器非線性誤差在3左右。其工作行程很小,若取

8、l2mm,則行程為(0.20.5)mm;較大行程的位移測(cè)量,常利用螺管式自感傳感器1 線圈自感特性; 2 線圈自感特性;3 線圈與差動(dòng)自感特性;4 特性曲線差動(dòng)式自感傳感器的輸出特性 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系(二)測(cè)量電路(二)測(cè)量電路1 1、交流電橋、交流電橋交流電橋是自感傳感器的主要測(cè)量電路,為了提高靈敏度,改善線性度,自感線圈一般接成差動(dòng)形式,如圖。Z1、Z2為工作臂,即線圈阻抗,R1、R2為電橋的平衡臂 電橋平衡條件:設(shè)Z1=Z2=Z=RS+jL;R1=R2=R RS1=RS2=RS; L1=L2=LE為橋路電源,ZL是負(fù)載阻抗。工作時(shí),Z1

9、=Z+Z和Z2=Z-ZZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流電橋原理圖USCE2121RRZZZRZZZZEULLSC2 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系其輸出電壓幅值 LjRLjREZZEUSSSC22當(dāng)ZL時(shí)ELRLELRRLUSSSSC2222222222)(22LRRZS輸出阻抗 SSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222SRLQ為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系橋路輸出電壓Usc包含與電源E同相和正交兩個(gè)分量。在實(shí)際測(cè)量中,只希望有同相分量,如能使 或Q值比較大,均能達(dá)到

10、此目的。但在實(shí)際工作時(shí),RS/RS一般很小,所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù)。當(dāng)Q值很高時(shí),Usc ; SSRRLLLLE 2當(dāng)Q值很低時(shí),自感線圈的電感遠(yuǎn)小于電阻,電感線圈相當(dāng)于純電阻(ZRs),交流電橋即為電阻電橋。例如,應(yīng)變測(cè)量?jī)x就是如此,此時(shí)輸出電壓Usc= 。 該電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其電阻R1、R2可用兩個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成,調(diào)零方便。 SSRRE 2 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系Z1Z2USCE/2E/2E變壓器電橋原理圖I2 2、變壓器電橋、變壓器電橋平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊,當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí),流入工作臂的電流為 21ZZEI212122122ZZZZEEZZZEUSC初始Z1=Z2=Z=RS+jL,故平衡時(shí),USC=0。雙臂工作時(shí),設(shè)Z1=ZZ,Z2=Z+Z,相當(dāng)于差動(dòng)式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動(dòng),則ZZEUSC2同理反方向移動(dòng)時(shí)ZZEUSC2 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系可見(jiàn),銜鐵向不同方向移動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的輸出電壓Usc大小相等、方向相反,即相位互差180,可反映銜鐵移動(dòng)的方向。但是

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