電感式傳感器及應(yīng)用

1、13-1 自感式1.掌握單線圈變隙式和差動(dòng)變隙式電感傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、測(cè)量范圍與靈敏度和線性度之間的關(guān)系工作原理：傳感器工作時(shí)，銜鐵與被測(cè)體連接。當(dāng)被測(cè)體如圖示方向產(chǎn)生的位移時(shí)，銜鐵與其同步移動(dòng)，引起磁路中氣隙磁阻發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感變化。因此，只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵（即被測(cè)體）位移量的大小和方向。2工作原理：差動(dòng)變隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈和磁路組成。測(cè)量時(shí)，銜鐵通過導(dǎo)桿與被測(cè)體相連，當(dāng)被測(cè)體按圖示方向上下移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移量上下移動(dòng)，使兩個(gè)磁回路中的磁阻發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量則減

2、小，形成差動(dòng)形式。3閉磁路變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾。42.掌握單線圈螺線管式和差動(dòng)螺線管式電感傳感器的結(jié)構(gòu)（圖）、工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用工作原理：進(jìn)行測(cè)量時(shí)，活動(dòng)鐵芯的左端與被測(cè)體連接。當(dāng)活動(dòng)鐵芯隨被測(cè)體移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致線圈電感量發(fā)生變化，即線圈電感量與鐵芯插入深度X有關(guān)。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍大、線性度好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和便于制作，缺點(diǎn)是靈敏度低。應(yīng)用：測(cè)量大量程直線位移。5工作原理：活動(dòng)鐵芯與被測(cè)體連接，鐵芯初始狀態(tài)處于對(duì)稱位置上，使兩邊螺線管的初始電感值相等，當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)鐵芯移動(dòng)X（例如右移X）后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小，形成差動(dòng)特征。63.掌握電感式配用測(cè)量電

3、路（圖）和名稱；一般了解電路的工作原理。（1）變壓器式交流電橋（2）帶有相敏整流的交流電橋iUB22U22UAOCZ1Z2oUUiZ1Z2AD1D2D3D4VZ3Z4ECFDBU073-2 差動(dòng)變壓器式1.掌握差動(dòng)變壓器式傳感器定義、結(jié)構(gòu)種類把被測(cè)的非電量的變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。因?yàn)檫@種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且其次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接，所以又叫差動(dòng)變壓器式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。結(jié)構(gòu)種類：變隙式、變面積式和螺線管式。2.了解變隙式差動(dòng)變壓器傳感器的工作原理、輸出特性；掌握其靈敏度與初始平衡位置的氣隙大小的關(guān)系。變隙式差動(dòng)變壓器傳感器的靈敏度與初始平衡

4、位置的氣隙大小成反比。83.掌握螺線管式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)（圖）、線圈繞組的排列方式、工作原理、影響靈敏度的因素、改善線性度的方法、零點(diǎn)殘余電壓（定義、不良影響、基波產(chǎn)生的主要原因及消除方法）1234561.活動(dòng)銜鐵2.導(dǎo)磁外殼3.骨架4.匝數(shù)為W1的初級(jí)繞組5.匝數(shù)為W2a的次級(jí)繞組6.匝數(shù)為W2b的次級(jí)繞組螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器主要由線圈組合、活動(dòng)銜鐵和導(dǎo)磁外殼三部分組成。線圈繞組排列方式：一節(jié)式、二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式。通常多采用二節(jié)式和三節(jié)式。9工作原理：以三節(jié)式差動(dòng)變壓器為例，將兩個(gè)匝數(shù)相等的次級(jí)繞組的同名端反向串聯(lián)，當(dāng)初級(jí)繞組W1加以激磁電壓 時(shí)，根據(jù)變壓器的作用原理在兩個(gè)

5、次級(jí)繞組W2a和W2 b中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì) 和 如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，當(dāng)活動(dòng)銜鐵向某一個(gè)次級(jí)線圈方向移動(dòng)時(shí)，則該次級(jí)線圈內(nèi)磁通增大，使其感應(yīng)電勢(shì)增加，差動(dòng)變壓器有輸出電壓。其數(shù)值反映了活動(dòng)銜鐵的位移。1UaE2bE2baEE220222baEEU10影響靈敏度的因素：電源頻率和輸入激磁電壓。改善線性度的方法：取測(cè)量范圍為骨架長度的1/10到1/4；f采用中頻（400Hz-10KHz )；配用相敏檢波式測(cè)量電路。零點(diǎn)殘余電壓是差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓，是評(píng)定差動(dòng)變壓器性能的主要指標(biāo)之一。它的存在，會(huì)造成傳感器在零位附近的靈敏度降低、分辨率變差和測(cè)

6、量誤差增大。基波產(chǎn)生的原因主要是傳感器兩個(gè)次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱；11消除方法（1）工藝上保證兩個(gè)次級(jí)繞組對(duì)稱（幾何尺寸，電氣參數(shù)，磁路），結(jié)構(gòu)上，可采用可調(diào)端蓋機(jī)構(gòu)，另外，銜鐵和導(dǎo)磁外殼等磁性材料必須經(jīng)過熱處理，消除內(nèi)部殘余應(yīng)力，使其磁性能具有較好的均勻性和穩(wěn)定性；（2）采用導(dǎo)磁性能良好的材料制作傳感器殼體，兼顧屏蔽作用，以抗外界干擾，設(shè)置靜電屏蔽層； （3）工作區(qū)域設(shè)計(jì)在鐵芯磁化曲線的線性段，減小三次諧波；（4）外電路補(bǔ)償法；（5）選用相敏檢波作為測(cè)量電路。124.掌握差動(dòng)變壓器可以測(cè)量的物理量和配用測(cè)量電路的名稱及差動(dòng)半波整流電路（圖）差動(dòng)變壓器不僅可以直接用于位移的測(cè)量，而

7、且還可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。配用測(cè)量電路：差動(dòng)相敏檢波電路和差動(dòng)整流電路。差動(dòng)半波整流電路：見P87圖3-29（a）5.一般了解差動(dòng)變壓器配用的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理和基本特性、差動(dòng)整流電路的工作原理。133-3 電渦流式1.了解電渦流式傳感器的分類2.掌握電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)及其與被測(cè)體組成測(cè)量系統(tǒng)的依賴關(guān)系、影響系統(tǒng)性能的主要部件電渦流傳感器的基本結(jié)構(gòu)主要由線圈和框架組成，其中激磁線圈是主體，因而它的性能、尺寸、形狀對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響。電渦流傳感器測(cè)量系統(tǒng)是由傳感器和被測(cè)體兩部分組成，利用兩者的磁性耦合程度來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)

8、量的測(cè)試任務(wù)。因而被測(cè)體的材料、形狀和大小必將對(duì)傳感器特性產(chǎn)生影響。143.掌握電渦流傳感器的工作原理、電渦流強(qiáng)度與距離（線圈與被測(cè)體）的關(guān)系、測(cè)量位移時(shí)得到較好線性度和靈敏度的條件工作原理：傳感器的激磁線圈通正弦交變電流時(shí)，在其周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流。它的存在削弱激磁線圈內(nèi)磁場(chǎng)的變化。使線圈等效阻抗發(fā)生變化（對(duì)比無被測(cè)金屬時(shí)變?。?。該變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。而電渦流的強(qiáng)度與被測(cè)金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率及幾何形狀有關(guān)，又與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流的頻率有關(guān)，還與線圈與被測(cè)金屬導(dǎo)體間的距離等參數(shù)有關(guān)。如果保持上述中的其它參數(shù)不變，而只改變其中的一個(gè)參數(shù)

9、，則傳感器線圈的阻抗就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過測(cè)量線圈阻抗的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。15電渦流強(qiáng)度與距離（線圈與被測(cè)體）的關(guān)系：非線性，且隨著距離的增加，電渦流將迅速減小。當(dāng)利用電渦流式傳感器測(cè)量位移時(shí)，只有在x/ras1（一般取x/ras=0.05-0.15）的范圍才能得到較好的線性和較高的靈敏度；即應(yīng)讓線圈與被測(cè)體之間的距離大大地小于線圈地半徑。4.了解高頻反射式電渦流傳感器要求被測(cè)物體有一定厚度地道理。165.掌握被測(cè)物體材料電阻率和相對(duì)磁導(dǎo)率及被測(cè)平面直徑大小與電渦流傳感器靈敏度的關(guān)系、傳感器與非被測(cè)金屬物之間的距離對(duì)其測(cè)量結(jié)果的影響被測(cè)體的電阻率和相對(duì)磁導(dǎo)率r愈小，傳感

10、器的靈敏度愈高。被測(cè)體短路環(huán)與線圈外半徑之比ra/ras 愈大，電渦流效應(yīng)的利用愈充分，傳感器靈敏度愈高。用電渦流傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不屬于被測(cè)體的金屬物與激磁線圈之間，至少要有一個(gè)線圈直徑的間隔。6.了解電渦流式傳感器配用測(cè)量電路的名稱；一般了解傳感器用于位移測(cè)量，并配用定頻調(diào)幅式測(cè)量電路的分析174-1 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)型式1.掌握電容傳感器的定義、測(cè)量哪些機(jī)械和熱工參量，變間隙式和變面積式及變介電常數(shù)式三種電容傳感器的基本測(cè)量對(duì)象以電容器作為敏感元件，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化的傳感器稱為電容式傳感器。變間隙式一般測(cè)量微小的線位移，變面積式則用來測(cè)角位移或較大的線位移

11、，變介電常數(shù)式用于固體或液體的物位測(cè)量。182.掌握變間隙式電容傳感器的工作原理、靈敏度與非線性誤差的矛盾關(guān)系及解決辦法工作原理：變間隙式電容傳感器由固定極板和可動(dòng)極板組成。當(dāng)可動(dòng)極板隨著被測(cè)參數(shù)的變化相對(duì)固定極板移動(dòng)時(shí)，引起極板間的距離d的變化。從而引起電容量發(fā)生變化。測(cè)量出電容量，即可推算出位移。變間隙式電容傳感器的提高靈敏度和減小非線性誤差是相矛盾的。為了解決這一矛盾，大都采用差動(dòng)式電容傳感器3.一般了解部分固體介質(zhì)的變間隙式和變面積式電容傳感器的工作原理。了解部分固體介質(zhì)的變間隙式電容傳感器非線性誤差與靈敏度之間的關(guān)系194.掌握測(cè)量介質(zhì)介電常數(shù)變化和介質(zhì)厚度的變介電常數(shù)式電容傳感器的原理圖204-2 電容式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用1.一般了解電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。了解分布電容對(duì)應(yīng)用的影響2.掌握電容式傳感器配用測(cè)量電路（圖）及電路中各參數(shù)的意義（表示什么）（1）交流電橋iUU0UC1C2C3CX21差動(dòng)電橋測(cè)量電路C0電容式傳感器初始電容C電容式傳感器的輸出電容變化值0UC0+C 2/U2/UC0-C iUAB22（2）緊耦合電橋電路C0電容式傳感器平衡狀態(tài)時(shí)輸出電容值C電容式傳感器的輸出 電容變化值UC0+CC0-C0UML0L023