變阻抗式傳感器

8.1電感傳感器

8.2電容傳感器8.1.1自感傳感器8.1.2差動(dòng)變壓器8.1.3渦流傳感器第8章變阻抗式傳感器

8.1

電感傳感器

8.1.1自感傳感器F220V被測量線圈自感量磁電作用自感傳感器的工作原理F氣隙變小，電感變大，電流變小銜鐵線圈鐵心電流線圈置于磁場中，鐵心和銜鐵之間有一個(gè)空氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，當(dāng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生位移時(shí)，空氣隙厚度或面積發(fā)生變化，從而使線圈電感值發(fā)生變化：W：線圈匝數(shù)；S

：氣隙的有效截面積；

0：真空磁導(dǎo)率；：氣隙厚度。

氣隙變小，電感變大，電流變小思考：L和S及之間線性度靈敏度變間隙式自感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，因此變隙式自感式傳感器適用于測量微小位移場合。變隙式自感傳感器的L與的關(guān)系如圖所示自感式電感傳感器常見的形式變隙式變截面式螺線管式

差動(dòng)自感傳感器曲線1、2為L1、L2

的特性，3為差動(dòng)特性在差動(dòng)自感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測量移動(dòng)而偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形成差動(dòng)形式。1-差動(dòng)線圈2-鐵心3-銜鐵4-測桿5-工件

分析：靈敏度、線性度有何變化例如，差動(dòng)變隙式自感傳感器的測量電路如下：將兩個(gè)電感線圈接在交流電橋的相鄰橋臂，另兩個(gè)橋臂接電阻。測量電橋的輸出電壓即可獲得位移值。圖

相敏檢波電路測量轉(zhuǎn)換電路——相敏檢波電路測量轉(zhuǎn)換電路（差動(dòng)形式）的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。圖

相敏檢波輸出特性曲線a）非相敏檢波

b）相敏檢波1—理想特性曲線

2—實(shí)際特性曲線

實(shí)測得到的

相敏檢波電路的特性曲線

通過調(diào)零電路，可使輸出曲線平移到原點(diǎn)。標(biāo)定位移時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線＋8.1.2差動(dòng)變壓器根據(jù)變壓器的基本原理制成,并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接,故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。被測量線圈互感量磁電作用兩個(gè)二次線圈反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。

兩者間的互感量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。等效電路螺線管式差動(dòng)變壓器等效電路如上圖所示螺線管式差動(dòng)變壓器的輸出電壓為當(dāng)激勵(lì)電壓的幅值U1和角頻率ω、初級(jí)繞組的直流電阻R1及電感L1為定值時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組之間互感之差的函數(shù)。分析：當(dāng)活動(dòng)銜鐵在中心、上移、下移時(shí)輸出電壓的有效值……差動(dòng)變壓器的工作原理有效值＋當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零。把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作ΔUo，一般在幾十毫伏以下。零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的二次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等引起的。問題：（1）差動(dòng)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(dòng)的方向);（2）測量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路或相敏檢波電路。差動(dòng)變壓器的測量電路以兩個(gè)橋路整流后的直流電壓之差作為輸出。＋8.1.3渦流傳感器電渦流式傳感器原理圖（a）傳感器激勵(lì)線圈;（b）被測金屬導(dǎo)體Z=f(ρ,μ,w,x)

傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為：一般用于測量x，也有用于測量ρ,μρ——被測材料電阻率；μ——被測材料磁導(dǎo)率；w——傳感器勵(lì)磁頻率；x——傳感器與被測材料間距離；激勵(lì)線圈的阻抗若將金屬導(dǎo)體看作一個(gè)短路線圈，則傳感器激勵(lì)線圈與金屬導(dǎo)體間的等效電路如右圖所示：傳感器線圈原阻抗為：電渦流影響后傳感器等效阻抗為：(1)由于電渦流的影響，線圈復(fù)阻抗的實(shí)部(等效電阻)增大、虛部(等效電感)減小，因此，線圈的等效品質(zhì)因數(shù)下降，即：(2)被測參數(shù)可轉(zhuǎn)化為傳感器線圈的品質(zhì)因數(shù)Q、等效阻抗Z和等效電感的變化，利用轉(zhuǎn)換電路將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。(3)電渦流式傳感器的等效電氣參數(shù)都是互感系數(shù)M2的函數(shù)。通?？偸抢闷涞刃щ姼蠰的變化組成測量電路，因此，電渦流式傳感器屬于(互感式)電感式傳感器。分析：利用等效電感L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路，主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。

1.調(diào)頻式電路當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x改變時(shí)，傳感器的電感變化將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)LC振蕩回路渦流傳感器的測量電路

2.調(diào)幅式電路石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率（f0）穩(wěn)定的激勵(lì)電流io，LC回路輸出電壓當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。因此，輸出電壓也隨x而變化。除此之外，交流電橋也是渦流傳感器常用的測量電路。渦流傳感器最大的特點(diǎn)是可以進(jìn)行非接觸測量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度較高。1、位移測量2、振幅測量3、轉(zhuǎn)速測量4、無損探傷渦流傳感器的應(yīng)用（a)振幅測量電渦流式傳感器被測體（b)轉(zhuǎn)速測量（c)無損探傷電渦流式傳感器被測體被測體裂紋位移方向

8.2

電容傳感器

δSε由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為被測量電容

S——極板相對(duì)覆蓋面積；

d

——極板間距離；

εr——相對(duì)介電常數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)；

ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。S，d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。工作原理圖

電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式變極距(δ）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)(ε)型:（i）～(l)變極距型電容傳感器

變極距型電容式傳感器的原理。Serd

C與Δd不是線性關(guān)系，只有在Δd/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。變面積型電容傳感器

變面積型電容式傳感器的原理。傳感器電容量C與水平位移Δx呈線性關(guān)系。變介質(zhì)型電容傳感器

變介質(zhì)型電容式傳感器的原理。電容變化量與被測電介質(zhì)進(jìn)入極板間深度呈線性關(guān)系。電容式液位傳感器變極距型電容傳感器電容的相對(duì)變化量ΔC/C0與輸入位移Δd之間成非線性關(guān)系，當(dāng)|Δd/d0|<<1時(shí)可得到近似的線性關(guān)系：電容傳感器的靈敏度為電容傳感器的靈敏度大小與d0呈反比關(guān)系，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。電容傳感器的靈敏度和線性度在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，變極距式和變面積型電容傳感器大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極板位移Δd時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-Δd，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+Δd,則圖

差動(dòng)平板式電容傳感器靈敏度，非線性度電容傳感器的測量電路(1)調(diào)頻電路(2)運(yùn)算放大器電路(3)雙T型電橋電路(4)脈寬調(diào)制電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。振蕩回路的總電容C=C1+C2+Cx，其中C1為振蕩回路固有電容,C