傳感器與檢測(cè)技術(shù)

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