傳感器與檢測技術(shù)5.2力敏傳感器.ppt

1、第二節(jié) 電感式傳感器（變磁阻）,自感式傳感器 氣隙型自感傳感器 螺管型自感傳感器 自感線圈的等效電路 測量電路 差動變壓器 結(jié)構(gòu)原理與等效電路 誤差因素分析 測量電路 應用 電渦流式傳感器,定義：是一種利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的裝置。 感測量：位移、振動、壓力、應變、流量、比重等。 種類：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。 優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量力小 銜鐵為0.520010-5N時，磁吸力為(110)10-5N。 分辨力高 機械位移：0.1m，甚至更?。唤俏灰疲?.1角秒。 輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm 。 重復性好，

2、線性度優(yōu)良 在幾十m到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。 不足：存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)測量。,一、 自感式傳感器 有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu)。 （一）氣隙型自感傳感器 1、工作原理 組成：線圈1，銜鐵3和鐵芯2等。 圖中點劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長度為l 。,0.5l,1,2,3,x,(a)氣隙式,(b)變截面式,N：線圈匝數(shù)；Rm：磁路總磁阻(鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻) 氣隙式自感傳感器，因為氣隙較小(l為0.11mm)，所以，認為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為 l1：鐵芯磁路總長；l2：銜鐵的磁路長；S：隙磁通截面積； S1：鐵芯橫截面

3、積；S2：銜鐵橫截面積；1：鐵芯磁導率； 2：銜鐵磁導率；0：真空磁導率，0=410-7Hm； l：空氣隙總長。,由磁路基本知識知，線圈自感為,由于自感傳感器的鐵芯一般在非飽和狀態(tài)下，其磁導率遠大于空氣的磁導率，因此鐵芯磁阻遠較氣隙磁阻小，所以上式可簡化為,可見，自感L是氣隙截面積和長度的函數(shù)，即Lf(S,l) 如果S保持不變，則L為l的單值函數(shù)，構(gòu)成變隙式自感傳感器；若保持l不變，使S隨位移變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器。其特性曲線如圖。,L=f（S）,L=f（l）,l,L,S,L=f(l)為非線性關(guān)系。當l0時，L為，考慮導磁體的磁阻，當l0時，并不等于，而具有一定的數(shù)值，在l較小時其特性

4、曲線如圖中虛線所示。如上下移動銜鐵使面積S改變，從而改變L值時,則Lf(S)的特性曲線為一直線。,2、特性分析 主要特性:靈敏度和線性度。當鐵芯和銜鐵采用同一種導磁材料，且截面相同時，因為氣隙l一般較小，故可認為氣隙磁通截面與鐵芯截面相等，設(shè)磁路總長為 l ，則,K=0N 2S,一般r1，所以,當氣隙減少l時,自感的相對變化,同理，當總氣隙長度增加l時，自感減小為L2，即,若忽略高次項，則自感變化靈敏度為,線性度,當氣隙l發(fā)生變化時，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

5、L1L2，其差值隨l/l的增加而增大。,差動變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)由兩個電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成。當銜鐵3移動時，一個線圈的自感增加，另一個線圈的自感減少，形成差動形式。如將這兩個差動線圈,E,USC,1,3,4,2,R,R,(l- l)/2,(l- l)/2,分別接入測量電橋鄰臂，則當磁路總氣隙改變l時，自感相對變化為,差動式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍 差動式自感傳感器非線性失真小,如當l/l=10時 (略去llr), 單線圈10；而差動式的1。,75,50,25,0,50,75,100,L/mH,l/mm,100,25,LD,4,3,2,1,1,2,3,4,- l,

6、l,對差動氣隙式傳感器其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,因此只能適當選取。一般差動變隙式自感傳感器l/l0.10.2時，可使傳感器非線性誤差在3左右。其工作行程很小,若取l2mm,則行程為(0.20.5)mm；較大行程的位移測量,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 線圈與差動自感特性；4 特性曲線,差動式自感傳感器的輸出特性,r,x,螺旋管,鐵心,單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖,l,（二） 螺管型自感傳感器 有單線圈和差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。 單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時，因鐵芯在線圈中伸入長度的變

7、化，引起螺管線圈自感值的變化。當用恒流源激勵時，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。,螺管線圈內(nèi)磁場分布曲線,r,x,l,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,H（ ）,IN,l,x（l）,鐵芯在開始插入（x=0）或幾乎離開線圈時的靈敏度，比鐵芯插入線圈的1/2長度時的靈敏度小得多。這說明只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。,若被測量與lc成正比，則L與被測量也成正比。實際上由于磁場強度分布不均勻，輸入量與輸出量之間關(guān)系非線性的。 為了提高靈敏度與線性度,常采用差動螺管式自感傳感器。圖(b)中H=f(x)曲線表明：為了得到較好

8、的線性,鐵芯長度取0.6l時,則鐵芯工作在H曲線的拐彎處,此時H變化小。這種差動螺管式自感傳感器的測量范圍為(550)mm,非線性誤差在0.5左右。,2lc,lc,2l,線圈,線圈,r,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,-0.8,0.8,0.4,1.2,-1.2,-0.4,x,H（ ）,IN,l,差動螺旋管式自感傳感器 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)磁場分布曲線,x(l),(a),(b),綜上所述，螺管式自感傳感器的特點： 結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易； 由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大； 由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾； 由于磁阻高，為了達到

9、某一自感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大； 要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性。,（三）自感線圈的等效電路,假設(shè)自感線圈為一理想純電感，但實際傳感器中包括：線圈的銅損電阻（Rc）、鐵芯的渦流損耗電阻（Re）和線圈的寄生電容（C）。因此，自感傳感器的等效電路如圖。,C,L,Rc,Re,（四）測量電路 1、交流電橋 交流電橋是自感傳感器的主要測量電路，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=L E

10、為橋路電源，ZL是負載阻抗。工作時，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z,ZL,R1,R2,Z2,Z1,L1,L2,RS1,RS2,交流電橋原理圖,USC,E,其輸出電壓幅值,當ZL時,輸出阻抗,為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。,橋路輸出電壓Usc包含與電源E同相和正交兩個分量。 在實際測量中，只希望有同相分量，如能使 或Q值比較大，均能達到此目的。但在實際工作時， RS/RS一般很小，所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù)。 當Q值很高時，Usc ；,當Q值很低時，自感線圈的電感遠小于電阻，電感線圈相當于純電阻(ZRs)，交流電橋即為電阻電橋。例 如，應變測量儀就是如此，此時輸出電壓Usc= 。 該電橋結(jié)構(gòu)簡單，其電阻R1

11、、R2可用兩個電阻和一個電位器組成，調(diào)零方便。,Z1,Z2,USC,E/2,E/2,E,變壓器電橋原理圖,I,2、變壓器電橋 平衡臂為變壓器的兩個副邊，當負載阻抗為無窮大時，流入工作臂的電流為,初始Z1=Z2=Z=RS+jL，故平衡時，USC=0。雙臂工作時，設(shè)Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相當于差動式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動，則,同理反方向移動時,可見，銜鐵向不同方向移動時，產(chǎn)生的輸出電壓Usc大小相等、方向相反，即相位互差180，可反映銜鐵移動的方向。但是，為了判別交流信號的相位，需接入專門的相敏檢波電路。,優(yōu)點：這種電橋與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出阻抗小，橋路開路時電路呈線性； 缺點：

12、變壓器副邊不接地，易引起來自原邊的靜電感應電壓，使高增益放大器不能工作。,變壓器電橋的輸出電壓幅值,輸出阻抗為(略去變壓器副邊的阻杭，它遠小于電感的阻抗),二、 差動變壓器 （一）結(jié)構(gòu)原理與等效電路 分氣隙型和差動變壓器兩種。目前多采用螺管型差動變壓器。,1 初級線圈;2.3次級線圈;4銜鐵,1,2,4,3,1,2,3,(a)氣隙型,(b)螺管型,其基本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊，而次級線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。螺管形差動變壓器根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。

13、,3,2,1,2,1,2,1,1,2,(a),(b),(c),(d),1,2,1,1,2,差動變壓器線圈各種排列形式 1 初級線圈；2 次級線圈；3 銜鐵,3,三節(jié)式的零點電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。,在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動變壓器的等效電路如圖。 初級線圈的復數(shù)電流值為,e2,R21,R22,e21,e22,e1,R1,M1,M2,L21,L22,L1,e1初級線圈激勵電壓 L1,R1初級線圈電感和電阻 M1,M1分別為初級與次級線圈1,2間的互感 L21,L22兩個次級線圈的電感 R21,R22兩個次級線圈的電阻,

14、I1,激勵電壓的角頻率； e1激勵電壓的復數(shù)值；,由于Il的存在，在次級線圈中產(chǎn)生磁通,Rm1及Rm2分別為磁通通過初級線圈及兩個次級線圈的磁阻，N1為初級線圈匝數(shù)。,N2為次級線圈匝數(shù)。 因此空載輸出電壓,在次級線圈中感應出電壓e21和e22，其值分別為,其幅數(shù),輸出阻抗,或,副,0,e2,e2,e21,e22,x,副,原線圈,差動變壓器輸出電勢e2與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。,（二） 誤差因素分析 1、激勵電壓幅值與頻率的影響 激勵電源電壓幅值的波動，會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。而頻率的波動，只要適當?shù)剡x擇頻率，其影響不大。 2、溫度變化的影

15、響 周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導磁體磁導率的變化，從而使線圈磁場發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當線圈品質(zhì)因數(shù)較低時，影響更為嚴重，因此，采用恒流源激勵比恒壓源激勵有利。適當提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動電橋可以減少溫度的影響。,3、零點殘余電壓 當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，當使用橋式電路時，在零點仍有一個微小的電壓值(從零點幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點殘余電壓。如圖是擴大了的零點殘余電壓的輸出特性。零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū)；零點殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。,0,e2,x,-x,e20,1 基波正交分量 2

16、 基波同相分量 3 二次諧波 4 三次諧波 5 電磁干擾,圖中e1為差動變壓器初級的激勵電壓，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。,零點殘余電壓產(chǎn)生原因： 基波分量。由于差動變壓器兩個次級繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個次級繞組的感應電勢數(shù)值不等。又因初級線圈中銅損電阻及導磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。,高次諧波。高次諧波分量主要由導磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是

17、三次諧波)磁通，從而在次級繞組感應出非正弦電勢。另外，激勵電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導致零點殘余電壓中有高次諧波成分。,消除零點殘余電壓方法： 1從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性 為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應選高磁導率、低矯頑力、低剩磁感應的導磁材料。并應經(jīng)過熱處理，消除殘余應力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點應選在磁化曲線的線性段。 2選用合適的測量線路,采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反

18、行程時的特性曲線由1變到2，從而消除了零點殘余電壓。,3采用補償線路 由于兩個次級線圈感應電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級線圈的電阻分量。,調(diào)相位式殘余電壓補償電路,并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02F)可防止調(diào)整電位器時使零點移動。,e1,e2,C,R1,R2,W,電位器調(diào)零點殘余電壓補償電路,R或L補償電路,e1,e2,L0,W,e1,e2,R0,W,(a),(b)

19、,接入R0(幾百k)或補償線圈L0(幾百匝)。繞在差動變壓器的初級線圈上以減小負載電壓，避免負載不是純電阻而引起較大的零點殘余電壓。電路如圖。,（三）測量電路 差動變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向，因此常采用差動整流電路和相敏檢波電路進行測量。 1、差動整流電路 根據(jù)半導體二級管單向?qū)ㄔ磉M行解調(diào)的。如傳感器的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性，在f點為“”，e點為“”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點為“”，e點為“”，則電流路徑是ehdcgf?？梢?，無論次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，通過電阻R的

20、電流總是從d到c。同理可分析另一個次級線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見圖（b），其值為USC=eabecd。,全波整流電路和波形圖,e1,R,R,c,a,b,h,g,f,d,e,USC,銜鐵在 零位以下,eab,t,t,t,eab,t,t,t,eab,t,ecd,t,USC,t,ecd,USC,USC,ecd,銜鐵在 零位以上,銜鐵在 零位,(b),(a),在f點為“” ，則電流路徑是fgdche (參看圖a)。反之，如f點為“” ，則電流路徑是ehdcgf。,2、相敏檢波電路 容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調(diào)制電壓er和e同頻，經(jīng)過移相器使er和e保持同相或反相，且滿足ere。調(diào)節(jié)電位

21、器R可調(diào)平衡，圖中電阻R1=R2=R0，電容C1=C2=C0，輸出電壓為UCD。 當鐵芯在中間時,e=0,只有er起作用，輸出電壓UCD0。若鐵芯上移，e0，設(shè)e和er同相位，由于ere，故er正半周時D1、D2仍導通，但D1回路內(nèi)總電勢為ere，而D2回路內(nèi)總電勢為ere，故回路電流i1i2輸出電壓UCD=R0（i1i2）0。當er負半周時，,UCD=R0(i4-i3)0，因此鐵芯上移時輸出電壓UCD0。當鐵芯下移時，e和er相位相反。同理可得UCD0。 由此可見，該電路能判別鐵芯移動的方向。,（四）應用 測量振動、厚度、應變、壓力、加速度等各種物理量。 1. 差動變壓器式加速度傳感器 用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié)果?？蓽y量的振幅為(0.15)mm，振動頻率為(0150)Hz。,穩(wěn)壓電源,振蕩器,檢波器,濾波器,(b),(a),220V,加速度a方向,a,輸出,1,2,1,1 彈性支承 2 差動變壓器,2. 微壓力變送器 將差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式的壓力傳感器。,220V,1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動