傳感器原理及電路設(shè)計第9講課件

1、前言電感式傳感器是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的，具體為利用被測量(位移、振動、壓力、流量、比重)的變化引起線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量的。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。 0.差動變壓器差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。 差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器， 它可以測量1100mm機械位移，并具

2、有測量精度高、靈敏度高、 結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。 1.變隙式差動變壓器差動變壓器式傳感器1. 工作原理初級繞組W1a=W1b=W1次級繞組W2a=W2b=W2初級繞組的同名端順向串聯(lián)次級繞組的同名端反相串聯(lián) 變隙式差動變壓器差動變隙式電感注意區(qū)別1.變隙式差動變壓器差動變壓器式傳感器1. 工作原理初級繞組W1a=W1b=W1，初級繞組的同名端順向串聯(lián)次級繞組W2a=W2b=W2，次級繞組的同名端反相串聯(lián) 當(dāng)沒有位移時，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙有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，致使兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2

3、b。由于次級繞組反相串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。1.變隙式差動變壓器差動變壓器式傳感器1. 工作原理初級繞組W1a=W1b=W1，初級繞組的同名端順向串聯(lián)次級繞組W2a=W2b=W2，次級繞組的同名端反相串聯(lián) 當(dāng)被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使ab，互感MaMb，兩次級繞組的互感電勢e2ae2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b0，即差動變壓器有電壓輸出， 此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向。 1.變隙式差動變壓器差動變壓器式傳感器2. 輸出特性在忽略鐵損(即渦流與磁滯損耗忽略不計)、漏感以及變壓器次級開路(或負(fù)載阻抗足夠大)的條件

4、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，Uo也必將隨x而變化。當(dāng)銜鐵位于中心位置時，輸出電壓并不等于零，差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作Uo，它的存在使傳感器輸出特性不經(jīng)過零點，造成實際與理論特性不完全一致。 2.螺線管式差動變壓器差動變壓器式傳感器2. 基本特性根據(jù)等效電路，當(dāng)次級開路時 式中U初級線圈激勵電壓；

5、激勵電壓U的角頻率； I1初級線圈激勵電流； r1、 L1初級線圈直流電阻和電感。 .根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級繞組中感應(yīng)電勢分別為：2.螺線管式差動變壓器差動變壓器式傳感器次級兩繞組反相串聯(lián)且開路，有：上式說明，當(dāng)激磁電壓的幅值U和角頻率、 初級繞組的直流電阻r1及電感L1為定值時，差動變壓器輸出電壓僅僅是初級繞組與兩個次級繞組之間互感之差的函數(shù)。只要求出互感M1和M2對活動銜鐵位移x的關(guān)系式，可得到螺線管式差動變壓器的基本特性表達式。 輸出電壓的有效值為：2.螺線管式差動變壓器差動變壓器式傳感器 活動銜鐵處于中間位置時 M1=M2=M 故 Uo=0 活動銜鐵向上移動時 M1 =M+M， M2

6、=M-M 故 與E2a同極性。 . 活動銜鐵向下移動時 M1 =M-M， M2 =M+M 故 與E2b同極性。 .2.螺線管式差動變壓器差動變壓器式傳感器3. 測量電路根據(jù)等效電路，當(dāng)次級開路時 （1）差動變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向);（2）測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。 以下以差動整流電路為例 2.螺線管式差動變壓器差動變壓器式傳感器差動整流電路 這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流， 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。當(dāng)銜鐵

7、在零位時，因為U24=U68，所以U2=0；當(dāng)銜鐵在零位上時，因為U24 U68 ，則U2 0；當(dāng)銜鐵在零位下時， 則有U24 U68，則U2 0。U2的正負(fù)表示銜鐵位移的方向。i1i23.差動變壓器式傳感器的應(yīng)用差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機械量，如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連， 此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。當(dāng)被測體帶動銜鐵以x(t)振動時，導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。 差動變壓器式加速度