传感器与检测技术_ppt课件第三章

自感式传感器（利用自感原理）； 自感式传感器（利用自感原理）； 差动变压器式传感器（利用互感原理）； 差动变压器式传感器（利用互感原理）； 电涡流式传感器（利用涡流原理）。 电涡流式传感器（利用涡流原理）。
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3.1自感式传感器 自感式传感器
自感式传感器由线圈、 自感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部 分组成。铁心和衔铁由导磁材料制成。 分组成。铁心和衔铁由导磁材料制成。 自感式传感器是把被测量的变化转换成 自感L的变化 的变化， 自感 的变化，通过一定的转换电路转换 成电压或电流输出。 成电压或电流输出。按磁路几何参数变 化形式的不同， 化形式的不同，自感式传感器可分为变 气隙式、 气隙式、变截面积式和螺线管式三种
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3.2.1 基本工作原理
变隙式差动变压器原理图
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变化时
当铁芯向一边移动时， 当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻 Z 2 = Z 0 − ∆Z 抗增加 ， Z1 = Z0 + ∆Z
•
U
o
= (
Z
0
+ ∆Z 1 • − )U 2Z0 2
2
∆Z • = U 2 2Z0
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变化wk.baidu.com的电压
值时， 当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小 于其感抗 当活动铁芯向另一边（反方向） 当活动铁芯向另一边（反方向）移动时
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线圈的电感量
2δ Rm ≈ µ 0 s 0 为磁路的磁阻
N µ0 S N L= = Rm 2δ
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变磁阻式传感器
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结论
只要被测非电量能够引起空气隙长度或 等效截面积发生变化， 等效截面积发生变化，线圈的电感量就 会随之变化。 会随之变化。 电感式传感器从原理上可分为变气隙长 度式和变气隙截面式两种类型， 度式和变气隙截面式两种类型，前者常 用于测量直线位移， 用于测量直线位移，后者常用于测量角 位移。 位移。
L = ψ / I = Nφ / I
φ ψ = Nφ 为磁链， 为磁通（Wb），I为流 为磁链， 为磁通（ ），
过线圈的电流（ ）， 为线圈匝数。 过线圈的电流（A），N为线圈匝数。根 l µ 为磁导率， 据磁路欧姆定律： 据磁路欧姆定律：φ = µ NIS / ， 为磁导率，S 为磁路截面积， 为磁路总长度。 为磁路截面积，l 为磁路总长度。
当活动铁芯向 线圈的一个方 向移动时， 向移动时，传 感器两个差动 线圈的阻抗发 生变化， 生变化，等效 电路如图4-9 电路如图 所示。 所示。
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铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路
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结果
在Ui的正半周
∆Z 1 U o = VD − VC = Ui 2Z 0 1 − ( ∆Z ) 2 2Z 2Z0
• • • •
Z1 1 • =( − )U 2 Z1 + Z 2 2
当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置 两线圈的电感相等，阻抗也相等， 时，两线圈的电感相等，阻抗也相等， 即，其中表示活动铁芯处于初始平衡位 置时每一个线圈的阻抗。 置时每一个线圈的阻抗。 电桥输出电压，电桥处于平衡状态。 电桥输出电压，电桥处于平衡状态。
上述变压器式交流电桥中， 上述变压器式交流电桥中，由于采用交 流电源， 流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个 方向移动，电桥输出电压总是交流的， 方向移动，电桥输出电压总是交流的， 即无法判别位移的方向。 即无法判别位移的方向。 常采用带相敏整流的交流电桥. 常采用带相敏整流的交流电桥
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1．自感式测厚仪 ．
采用差动结构， 采用差动结构，其测量电 路为带相敏整流的交流电 桥。当被测物体的厚度发 生变化时， 生变化时，引起测杆上下 移动， 移动，带动可动铁芯产生 位移， 位移，从而改变了气隙的 厚度， 厚度，使线圈的电感量发 生相应的变化。 生相应的变化。此电感变 化量经过带相敏整流的交 流电桥测量后， 流电桥测量后，送测量仪 表显示， 表显示，其大小与被测物 的厚度成正比。 的厚度成正比。
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1．变压器交流电桥 ．
电桥有两臂为传感 器的差动线圈的阻 抗，所以该电路又 称为差动交流电桥
变压器式交流电桥电路图
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分析
点为电位参考点， 设O点为电位参考点，根据电路的基本 点为电位参考点 分析方法，可得到电桥输出电压为 分析方法，
U o = U AB = VA − VB
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结构
差动式电感传感 器对外界影响， 器对外界影响， 如温度的变化、 如温度的变化、 电源频率的变化 等基本上可以互 相抵消， 相抵消，衔铁承 受的电磁吸力也 较小， 较小，从而减小 了测量误差。 了测量误差。
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1—测杆 2—衔铁 3—线圈
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特性
从输出特性曲线（ 从输出特性曲线（如 所示） 图4-5所示）可以看 所示 出，差动式电感传感 器的线性较好， 器的线性较好，且输 出曲线较陡， 出曲线较陡，灵敏度 约为非差动式电感传 感器的两倍。 感器的两倍。
第3章 电感式传感器
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电感式传感器
电感式传感器可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量， 电感式传感器可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量， 其主要特点是结构简单、工作可靠、灵敏度高；测量精度高、 其主要特点是结构简单、工作可靠、灵敏度高；测量精度高、 输出功率较大；可实现信息的远距离传输、记录、 输出功率较大；可实现信息的远距离传输、记录、显示和控 在工业自动控制系统中被广泛应用。但其灵敏度、 制，在工业自动控制系统中被广泛应用。但其灵敏度、线性 度和测量范围相互制约；传感器自身频率响应低， 度和测量范围相互制约；传感器自身频率响应低，不适用于 快速动态测量。 快速动态测量。 电感式传感器是建立在电磁感应的基础上， 电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或 互感来实现非电量的检测。 本章主要介绍： 互感来实现非电量的检测。 本章主要介绍：
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自感式传感器
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1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器 ．变气隙式（闭磁路式） 由电感式可知， 由电感式可知，变气隙长度式传感器的 线性度差、示值范围窄、自由行程小， 线性度差、示值范围窄、自由行程小， 但在小位移下灵敏度很高， 但在小位移下灵敏度很高，常用于小位 移的测量。 移的测量。
1—线圈 2—铁芯 3—衔铁
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2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器 ．螺线管式（开磁路式）
螺线管式自感式传感器常采用差动式。 螺线管式自感式传感器常采用差动式。 它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。 它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其 磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。 磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限 长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强， 长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强， 两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长， 两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长， 一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于 一般以铁芯与线圈长度比为 、半径比趋于1 为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率， 为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率， 500Hz以下多用硅钢片，500Hz以上多用薄 以下多用硅钢片， 以下多用硅钢片 以上多用薄 膜合金，更高频率则选用铁氧体。 膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考 匝数和铁芯长度有一最佳数值， 虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实 验选定。 验选定。
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1—引线 2—线圈 3—衔铁 4—测力弹簧 5—导杆 6—密封罩 7—测头
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其他电感测微头
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3.2 差动变压器式传感器
把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传 感器称为互感式传感器。 感器称为互感式传感器。因这种传感器是根据 变压器的基本原理制成的， 变压器的基本原理制成的，并且其二次绕组都 用差动形式连接， 用差动形式连接，所以又叫差动变压器式传感 简称差动变压器。 器，简称差动变压器。 有变隙式、 有变隙式、变面积式和螺线管式等 在非电量测量中， 在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差 动变压器，它可以测量1～ 动变压器，它可以测量 ～100mm范围内的 范围内的 机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、 机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结 构简单、性能可靠等优点。 构简单、性能可靠等优点。
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内容
3.1.1 基本工作原理 3.1.2 自感式传感器的测量电路 3.1.3 自感式传感器应用
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电感传感器的基本工作原理演示
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气隙变小，电感变大，电流变小
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3.1.1 基本工作原理
线圈的自感量等于线圈中通入单位电流 所产生的磁链数， 所产生的磁链数，即线圈的自感系数
1、2—L1、L2的特性 3—差动特性
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3.1.2 自感式传感器的测量电路
自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化 转换成相应的电压或电流信号， 转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器 进行放大，然后用测量仪表显示或记录。 进行放大，然后用测量仪表显示或记录。 测量电路有交流分压式、 测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式 等多种， 等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电 桥式 。 交流电桥的种类很多， 交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥 电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈Z1和 电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈 和 Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂 分别作为电桥的两个桥臂， 分别作为电桥的两个桥臂 可以是电阻或电抗， 可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压 器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。 器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。
1—可动铁芯 2—测杆 3—被测物体
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2．位移测量 ．
测量时测头的测端 与被测件接触， 与被测件接触，被 测件的微小位移使 衔铁在差动线圈中 移动， 移动，线圈的电感 值将产生变化， 值将产生变化，这 一变化量通过引线 接到交流电桥， 接到交流电桥，电 桥的输出电压就反 映被测件的位移变 化量。 化量。
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结构
带相敏整流的交流电桥电路
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（1）初始平衡位置时 ）
当差动式传感器的 活动铁芯处于中间 位置时， 位置时，传感器两 个差动线圈的阻抗 Z1=Z2=Z0，其 ， 等效电路如图所示。 等效电路如图所示。
铁芯处于初始平衡位置时的等效电路
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（2）活动铁芯向一边移动时 ）
采用带相敏整流的 交流电桥， 交流电桥，其输出 电压既能反映位移 量的大小， 量的大小，又能反 映位移的方向， 映位移的方向，所 以应用较为广泛。 以应用较为广泛。
1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
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3.1.3 自感式传感器应用
用于测量位移，还可以用于测量振动、 用于测量位移，还可以用于测量振动、 应变、厚度、压力、流量、 应变、厚度、压力、流量、液位等非电 量。
∆L • Uo = ± U2 2 L0
•
差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量 电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量 电路时， 的大小，又能反映位移量的方向， 的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压 与电感变化量呈线性关系。 与电感变化量呈线性关系。
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2．带相敏整流的交流电桥 ．
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（3）活动铁芯向相反方向移动时 ）
当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时， 当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时， 用上述分析方法同样可以证明， 用上述分析方法同样可以证明，无论在 的正半周还是负半周， 的正半周还是负半周，电桥输出电压均 为负值。 为负值。
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应用
在Ui的负半周
U o = VD − VC =
∆Z 1 ∆Z Ui ≈ Ui 2Z 0 1 − ( ∆Z ) 2 2Z0 2Z 0
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只要活动铁芯向一方向移动， 只要活动铁芯向一方向移动，无论在交 流电源的正半周还是负半周， 流电源的正半周还是负半周，电桥输出 电压均为正值。 电压均为正值。