《傳感器元件與實(shí)驗(yàn)》課件-2.2

2.2電感傳感器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院序言

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院一、單線圈自感傳感器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院1單線圈自感傳感器單線圈自感傳感器1南京理工大學(xué)紫金學(xué)院(1)工作原理單個(gè)線圈氣隙型自感傳感器工作原理如圖所示，圖a)所示為變氣隙長度型，圖b)所示為變氣隙截面積型。a)變氣隙長b)變氣隙截面積根據(jù)磁路知識(shí)，線圈的自感可按下式計(jì)算

式中N——線圈的匝數(shù)；Rm——磁路的總磁阻，即鐵芯、銜鐵和氣隙三部分磁路磁阻之和。單線圈自感傳感器1南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

實(shí)際上由于鐵芯一般工作于非飽和狀態(tài)，此時(shí)鐵芯的導(dǎo)磁率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)磁率，因而磁路的總磁阻主要由氣隙長度決定。即則有顯然改變氣隙的長度或截面積，都可以引起線圈自感的變化。單線圈自感傳感器1南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

單線圈自感傳感器1南京理工大學(xué)紫金學(xué)院2)變氣隙截面積型由式(2.24)可知，變氣隙截面積S型傳感器的自感L與S之間成線性關(guān)系，但其靈敏度為此時(shí)，靈敏度低。實(shí)際上單個(gè)線圈的自感傳感器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但工作性能較差，一般很少采用，工程上廣泛采用兩線圈的自感傳感器。二、差動(dòng)自感傳感器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院2差動(dòng)自感傳感器兩線圈的變氣隙式自感傳感器采用兩個(gè)線圈激磁，工作時(shí)兩線圈的自感呈反相變化，形成差動(dòng)輸出，因而稱之為差動(dòng)自感傳感器。差動(dòng)自感傳感器亦有變氣隙長度型和變氣隙截面積型兩種，圖為變氣隙長度型差動(dòng)自感傳感器原理圖。2差動(dòng)自感傳感器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院2差動(dòng)自感傳感器(1)工作原理1)初態(tài)時(shí)：若結(jié)構(gòu)對(duì)稱，且動(dòng)鐵居中，則

2)動(dòng)鐵上移時(shí)：則此時(shí)

3)動(dòng)鐵下移時(shí)：同理可得由以上分析可得，動(dòng)鐵位移時(shí)，輸出電壓的大小和極性將跟隨位移的變化而變化。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院2差動(dòng)自感傳感器

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院圖2.21差動(dòng)自感傳感器特性曲線

圖2.22基本交流測量電橋三、差動(dòng)自感傳感器測量電路南京理工大學(xué)紫金學(xué)院3差動(dòng)自感傳感器測量電路3差動(dòng)自感傳感器測量電路(1).基本交流測量電橋圖2.22所示為差動(dòng)自感傳感器基本交流測量電橋。阻抗Z1和Z2為傳感器兩線圈的等效阻抗，供橋電源由帶中心抽頭的變壓器次級(jí)線圈供給。由圖2.22所示電路分析可得南京理工大學(xué)紫金學(xué)院圖2.21差動(dòng)自感傳感器特性曲線

圖2.22基本交流測量電橋3差動(dòng)自感傳感器測量電路

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院圖2.21差動(dòng)自感傳感器特性曲線

圖2.22基本交流測量電橋代入式(2.25)得

3差動(dòng)自感傳感器測量電路(3)動(dòng)鐵下移時(shí)：同理可得南京理工大學(xué)紫金學(xué)院圖2.21差動(dòng)自感傳感器特性曲線

圖2.22基本交流測量電橋由上述式子分析可知，基本交流測量電橋輸出電壓的大小可以反映動(dòng)鐵位移的大小，輸出電壓的極性可以反映動(dòng)鐵位移的方向；但由于交流電表不能指示交流電壓的極性，因而實(shí)際上無法判斷動(dòng)鐵位移的方向。3差動(dòng)自感傳感器測量電路用交流電表測得的基本交流測量電橋輸出特性如圖所示，圖中虛線為理想對(duì)稱狀態(tài)下的輸出特性，實(shí)線為實(shí)際輸出狀態(tài)。由于電路結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱，初態(tài)時(shí)電橋不完全平衡，因而產(chǎn)生靜態(tài)零偏壓，稱之為零點(diǎn)殘余電壓。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院四、帶相敏整流的交流電橋南京理工大學(xué)紫金學(xué)院4帶相敏整流的交流電橋4帶相敏整流的交流電橋由于交流電壓表不能直接指示電橋輸出電壓的極J性，即無法確定動(dòng)鐵位移的方向，因而通常在交流測量電橋中引入相敏整流電路，把測量橋的交流輸出轉(zhuǎn)換為直流輸出，而后用零值居中的直流電壓表測量電橋的輸出電壓，原理電路如圖所示。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院圖中Z1，Z2為差動(dòng)線圈等效阻抗，R為平衡電阻，D1~D4組成相敏整流電路，Z1，Z2和兩個(gè)R組成電橋。Ui為供橋交流電壓，Uo為測量電路的輸出電壓，由零值居中的直流電壓表指示輸出電壓的大小和極性。4帶相敏整流的交流電橋(1)初態(tài)時(shí)：由于動(dòng)鐵居中，即Z1=Z2=Z，由于橋路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，此時(shí)UB=UC，即Uo=UB-UC=0。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

指示表指針右偏，讀數(shù)為正，表明動(dòng)鐵在下移。4帶相敏整流的交流電橋由于帶相敏整流的交流測量電橋輸出為直流電壓，用直流電壓表不但可以測量輸出電壓的大小，而且可以測量輸出電壓的極性，如圖所示為帶相敏整流的交流測量電橋的輸出特性。由于電壓輸出特性曲線通過零點(diǎn)，因而不但可以表示輸出電壓的極性隨位移方向而發(fā)生變化，同時(shí)消除了零點(diǎn)殘余電壓，還增加了線性度。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院五、緊耦合測量電橋南京理工大學(xué)紫金學(xué)院5緊耦合測量電橋5緊耦合測量電橋緊耦合測量電橋具有較高的穩(wěn)定性和靈敏度，因而在工程中常被采用。其原理電路如圖所示，Z1和Z2為差動(dòng)兩線圈等效阻抗，兩個(gè)N為兩固定的緊耦合線圈匝數(shù)，M為兩耦合線圈間的互感。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

5緊耦合測量電橋如圖所示為兩緊耦合線圈的T形等效電路，圖中南京理工大學(xué)紫金學(xué)院5緊耦合測量電橋如圖所示為緊耦合測量電橋的等效電路。由此等效電路可以分析緊耦合測量電橋的輸出電壓及其靈敏度。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院六、測量橋輸出電壓南京理工大學(xué)紫金學(xué)院6測量橋輸出電壓6測量橋輸出電壓

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

同理可求得動(dòng)鐵下移時(shí)輸出電壓Uo的表達(dá)式為式中負(fù)號(hào)即表示動(dòng)鐵在向下移。式(2.31)和式(2.32)說明緊耦合轎輸出電壓可以反映動(dòng)鐵位移的大小和方向。七、測量橋靈敏度南京理工大學(xué)紫金學(xué)院7測量橋靈敏度7測量橋靈敏度南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

此時(shí)，測量橋的靈敏度為當(dāng)測量橋無耦合時(shí)，即耦合系數(shù)K=0，此時(shí)可推導(dǎo)其輸出電壓為此時(shí)測量橋的靈敏度為

八、差動(dòng)變壓器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院8差動(dòng)變壓器8差動(dòng)變壓器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

a)結(jié)構(gòu)b)等效電路8差動(dòng)變壓器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院根據(jù)電路原理，初級(jí)線圈的激磁電流為在動(dòng)鐵和次級(jí)線圈中產(chǎn)生的磁通分別為

次級(jí)兩線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為

8差動(dòng)變壓器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院由此可得差動(dòng)變壓器空載輸出電壓其有效值為輸出阻抗為其大小為

8差動(dòng)變壓器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

8差動(dòng)變壓器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

此時(shí)，適當(dāng)增加激勵(lì)頻率，也可以提高靈敏度。8差動(dòng)變壓器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

8差動(dòng)變壓器南京理工大學(xué)紫