传感器技术(徐科军 第四版)第三章:变电抗式传感器

第三章:变电抗式传感器

自感式传感器

工作原理

  • 线圈自感

变气隙式自感传感器


    • 差动变隙式电感传感器

      • 灵敏度k0

  • 灵敏度
  • 差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。

变面积式自感传感器


    • 传感器气隙长度保持不变,令磁通截面积随被测非电量而变,设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同,则此变面积自感传感器自感L为
  • 灵敏度
  • 变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下,输入与输出呈线性关系;因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比,其灵敏度降低。

螺线管式自感传感器


自感式传感器测量电路

    1. 调幅电路
      • (1) 变压器电路
      • (2) 相敏检波电路
      • 使用相敏整流,输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向,而且还消除零点残余电压的影响,
      • (3) 谐振式调幅电路
      • 电路的灵敏度很高,但是线性差,适用于线性要求不高的场合。
    1. 调频电路
      • 传感器自感变化将引起输出电压频率的变化
      • 灵敏度很高,但线性差,适用于线性要求不高的场合
    1. 调相电路
      • 传感器电感变化将引起输出电压相位变化
    1. 自感传感器的灵敏度
      • 传感器结构灵敏度
      • 转换电路灵敏度
      • 总灵敏度

自感式传感器应用举例

  • 自感式位移传感器
  • 自感式压力传感器
    • 变隙式自感压力传感器结构图
    • 变隙差动式电感压力传感器

差动变压器

差动变压器是把被测的非电量变化转换为传感器线圈的互感系数的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且次级绕组常用差动的形式连接,故称之为差动变压器式传感器。

工作原理及分类

  • 结构
  • 当次级开路时有 ,初级线圈激励电流
  • 根据电磁感应定律,次级绕组中感应电势的表达式为
  • 次级两绕组反相串联,且考虑到次级开路,则
  • 输出电压有效值
  • 分类

变隙式差动变压器

    1. 工作原理
      • 当一次侧线圈接入激励电压后,二次侧线圈将产生感应电压输出互感变化时,输出电压将作相应变化
      • 两个初级绕组的同名端顺向串联,而两个次级绕组的同名端则反向串联。
    1. 输出特性
    1. 主要性能
      • (1)灵敏度
      • 差动变压器在单位电压激励下,铁芯移动一个单位距离时的输出电压,以V/mm/V表示。
      • 理想条件下,差动变压器的灵敏度KE正比于电源激励频率f .
      • 提高输入激励电压,将使传感器灵敏度按线性增加
      • (2)线性度
      • 传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围(满量程),并用百分数来表示
    1. 零点残余电压及消除方法
      • 零点残余电压危害
      • 使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏,限制着分辨力的提高。
      • 零点残余电压太大,将使线性度变坏,灵敏度下降,甚至会使放大器饱和,堵塞有用信号通过,致使仪器不再反映被测量的变化。
      • 产生零点残余电压的原因
      • (1)由于两个二次测量线圈的等效参数不对称,使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同,调整磁芯位置时,也不能达到幅值和相位同时相同。
      • (2)由于铁芯的B-H特性的非线性,产生高次谐波不同,不能互相抵消。
      • (3)励磁电压波形中含有高次谐波。
      • 减小零点残余电压措施
      • 提高框架和线圈的对称性,特别是两个二次线圈对称。
      • 采用适当的测量电路,一般可采用在放大电路前加相敏整流器。
      • 在电路上进行补偿,使零点残余电压最小,接近于零。线路补偿主要有:加串联电阻,加并联电容,加反馈电阻或反馈电容等。
      • 补偿零点残余电压的电路
    1. 转换电路
      • 能辨别移动方向
      • 消除零点残余电压
      • (1)差动整流电路
      • (2)相敏检波电路
        • 相敏检波电路波形
      • (3)直流差动变压器电路
        • 应用场合:
          • 需要远距离测量,便携,防爆及同时使用若干个差动变压器,且需避免相互间或对其它仪器设备产生干扰的场合 。

差动变压器应用

    1. 力和力矩的测量
      • 优点
      • 承受轴向力时应力分布均匀;
      • 当长径比较小时,受横向偏心的分力的影响较小
    1. 微小位移的测量
    1. 压力测量
      • 传感器与弹性敏感元件(膜片、膜盒和弹簧管等)相结合,可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计
    1. 加速度传感器

电涡流式传感器

当导体置于变化的磁场中或在固定磁场中运动时,导体内都要产生感应电动势形成电流,这种电流在导体内闭合的,称为涡流

高频反射式涡流传感器

    1. 基本原理
      • 线圈置于金属导体附近:
      • 线圈中通以高频信号 i1
        • 正弦交变磁场 H1
          • 金属导体内就会产生涡流
            • 涡流产生电磁场
              • 反作用于线圈,改变了电感
  • 2.等效电路
    1. 传感器的结构
    1. 测量电路
      • 定频测距电路
      • 调频测距电路

低频透射式涡流传感器

  • 透射式涡流传感器原理
  • 线圈感应电势与厚度关系曲线
  • 测试频率与材料关系
    • 对于一定的测试频率,当被测材料的电阻率不同时,渗透深度Q渗的值也不相同,于是又引起E-t曲线形状的变化,为使测量不同的材料时所得到的曲线形状相近,就需在变动ρ时保持Q不变,这时应该相应地改变f。
    • 测较小的材料(如紫铜)时,选用较低的f(500Hz)而测较大的材料(如黄铜、铝)时,则选用较高的f (2KHz),从而保证传感器在测量不同材料时的线性度和灵敏度。

涡流式传感器的应用

  • 1.位移测量
  • 2. 振幅测量
  • 3.厚度测量
  • 4.转速测量
    1. 涡流探伤
      • 可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。
      • 综合参数(x, ρ, μ)的变化将引起传感器参数的变化,通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。
      • 在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的,在测量线圈上就会产生调制频率信号

电容式传感器

电容式传感器的工作原理

    1. 工作原理及类型
      • 什么是电容器?
      • 电容器有两个用介质(固体、液体或气体)或真空隔开的电导体构成。
      • 工作原理
    1. 变面积型电容传感器
      • 电容式角位移传感器
    1. 变介电常数型电容传感器
    1. 变极距型电容式传感器
  • 分类

电容式传感器主要性能

    1. 静态灵敏度
      • 被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比
    1. 非线性

电容式传感器的特点和设计要点

  • 特点
    • 优点:
        1. 温度稳定性好 (电容值与电极材料无关本身发热极小 )
        1. 结构简单、适应性强
        1. 动态响应好
        1. 可以实现非接触测量、具有平均效应
    • 缺点:
      • 1、输出阻抗高、负载能力差
      • 2、寄生电容影响大
  • 设计要点
    • 减小环境温度湿度等变化所产生的影响,保证绝缘材料的绝缘性能
    • 消除和减小边缘效应
    • 消除和减小寄生电容的影响,防止和减少外界干扰
    • 尽可能采用差动式电容传感器

电容式传感器等效电路

  • 低频等效电路
  • 高频等效电路

电容式传感器测量电路

  • (1) 电桥电路
  • (2) 运算放大器电路
  • (3) 脉宽调制电路
  • (4) 调频电路
  • (5) 双T型电桥电路

电容式传感器的应用

  • (1) 电容式差压传感器
  • (2) 电容式加速度传感器
  • (3)电容式振动位移传感器
    • 电荷平衡式位移传感器
  • (4)电容式物位传感器

容栅式传感器

  • (1) 基本类型及工作原理
    • 长容栅
    • 圆容栅
      • 片状
      • 柱状
  • (2) 容栅传感器电极的结构形式
    • (a)直电极反射式
    • (b)直电极透射式
    • (c)反射式L型电极
  • (3) 信号处理方式
    • 鉴幅式测量电路
      • 系统可达到0.001mm分辨力,主要在测长仪上使用
    • 鉴相式测量电路
      • 系统分辨力为0.01mm,主要在电子数字显示卡尺等数显量具上使用
  • (4) 容栅式传感器应用
    • 主要应用于量具、量仪和机床数显装置
    • 角位移容栅传感器已在电子数显千分尺及机床分度盘中应用
    • 线位移容栅传感器已在电子数显卡尺、数显深度尺、数显高度尺、机床数显标尺中应用

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