傳感器與檢測(cè)技術(shù)5.2力敏傳感器.ppt

1、第二節(jié) 電感式傳感器（變磁阻）,自感式傳感器 氣隙型自感傳感器 螺管型自感傳感器 自感線圈的等效電路 測(cè)量電路 差動(dòng)變壓器 結(jié)構(gòu)原理與等效電路 誤差因素分析 測(cè)量電路 應(yīng)用 電渦流式傳感器,定義：是一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置。 感測(cè)量：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。 種類(lèi)：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式和互感式兩種； 根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型、面積型和螺管型。 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量力小 銜鐵為0.520010-5N時(shí)，磁吸力為(110)10-5N。 分辨力高 機(jī)械位移：0.1m，甚至更?。唤俏灰疲?.1角秒。 輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm 。 重復(fù)性好，

2、線性度優(yōu)良 在幾十m到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。 不足：存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。,一、 自感式傳感器 有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu)。 （一）氣隙型自感傳感器 1、工作原理 組成：線圈1，銜鐵3和鐵芯2等。 圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長(zhǎng)度為l 。,0.5l,1,2,3,x,(a)氣隙式,(b)變截面式,N：線圈匝數(shù)；Rm：磁路總磁阻(鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻) 氣隙式自感傳感器，因?yàn)闅庀遁^小(l為0.11mm)，所以，認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為 l1：鐵芯磁路總長(zhǎng)；l2：銜鐵的磁路長(zhǎng)；S：隙磁通截面積； S1：鐵芯橫截面

3、積；S2：銜鐵橫截面積；1：鐵芯磁導(dǎo)率； 2：銜鐵磁導(dǎo)率；0：真空磁導(dǎo)率，0=410-7Hm； l：空氣隙總長(zhǎng)。,由磁路基本知識(shí)知，線圈自感為,由于自感傳感器的鐵芯一般在非飽和狀態(tài)下，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，所以上式可簡(jiǎn)化為,可見(jiàn)，自感L是氣隙截面積和長(zhǎng)度的函數(shù)，即Lf(S,l) 如果S保持不變，則L為l的單值函數(shù)，構(gòu)成變隙式自感傳感器；若保持l不變，使S隨位移變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器。其特性曲線如圖。,L=f（S）,L=f（l）,l,L,S,L=f(l)為非線性關(guān)系。當(dāng)l0時(shí)，L為，考慮導(dǎo)磁體的磁阻，當(dāng)l0時(shí)，并不等于，而具有一定的數(shù)值，在l較小時(shí)其特性

4、曲線如圖中虛線所示。如上下移動(dòng)銜鐵使面積S改變，從而改變L值時(shí),則Lf(S)的特性曲線為一直線。,2、特性分析 主要特性:靈敏度和線性度。當(dāng)鐵芯和銜鐵采用同一種導(dǎo)磁材料，且截面相同時(shí)，因?yàn)闅庀秎一般較小，故可認(rèn)為氣隙磁通截面與鐵芯截面相等，設(shè)磁路總長(zhǎng)為 l ，則,K=0N 2S,一般r1，所以,當(dāng)氣隙減少l時(shí),自感的相對(duì)變化,同理，當(dāng)總氣隙長(zhǎng)度增加l時(shí)，自感減小為L(zhǎng)2，即,若忽略高次項(xiàng)，則自感變化靈敏度為,線性度,當(dāng)氣隙l發(fā)生變化時(shí)，自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系，其非線性程度隨氣隙相對(duì)變化l/l的增大而增加； 氣隙減少l所引起的自感變化L1與氣隙增加同樣l所引起的自感變化L2并不相等，即

5、L1L2，其差值隨l/l的增加而增大。,差動(dòng)變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成。當(dāng)銜鐵3移動(dòng)時(shí)，一個(gè)線圈的自感增加，另一個(gè)線圈的自感減少，形成差動(dòng)形式。如將這兩個(gè)差動(dòng)線圈,E,USC,1,3,4,2,R,R,(l- l)/2,(l- l)/2,分別接入測(cè)量電橋鄰臂，則當(dāng)磁路總氣隙改變l時(shí)，自感相對(duì)變化為,差動(dòng)式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍 差動(dòng)式自感傳感器非線性失真小,如當(dāng)l/l=10時(shí) (略去llr), 單線圈10；而差動(dòng)式的1。,75,50,25,0,50,75,100,L/mH,l/mm,100,25,LD,4,3,2,1,1,2,3,4,- l,

6、l,對(duì)差動(dòng)氣隙式傳感器其l/l與l/(lr)的變化受到靈敏度和非線性失真相互矛盾的制約,因此只能適當(dāng)選取。一般差動(dòng)變隙式自感傳感器l/l0.10.2時(shí)，可使傳感器非線性誤差在3左右。其工作行程很小,若取l2mm,則行程為(0.20.5)mm；較大行程的位移測(cè)量,常利用螺管式自感傳感器,1 線圈自感特性； 2 線圈自感特性；3 線圈與差動(dòng)自感特性；4 特性曲線,差動(dòng)式自感傳感器的輸出特性,r,x,螺旋管,鐵心,單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖,l,（二） 螺管型自感傳感器 有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。 單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時(shí)，因鐵芯在線圈中伸入長(zhǎng)度的變

7、化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。,螺管線圈內(nèi)磁場(chǎng)分布曲線,r,x,l,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,H（ ）,IN,l,x（l）,鐵芯在開(kāi)始插入（x=0）或幾乎離開(kāi)線圈時(shí)的靈敏度，比鐵芯插入線圈的1/2長(zhǎng)度時(shí)的靈敏度小得多。這說(shuō)明只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。,若被測(cè)量與lc成正比，則L與被測(cè)量也成正比。實(shí)際上由于磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻，輸入量與輸出量之間關(guān)系非線性的。 為了提高靈敏度與線性度,常采用差動(dòng)螺管式自感傳感器。圖(b)中H=f(x)曲線表明：為了得到較好

8、的線性,鐵芯長(zhǎng)度取0.6l時(shí),則鐵芯工作在H曲線的拐彎處,此時(shí)H變化小。這種差動(dòng)螺管式自感傳感器的測(cè)量范圍為(550)mm,非線性誤差在0.5左右。,2lc,lc,2l,線圈,線圈,r,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,-0.8,0.8,0.4,1.2,-1.2,-0.4,x,H（ ）,IN,l,差動(dòng)螺旋管式自感傳感器 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)磁場(chǎng)分布曲線,x(l),(a),(b),綜上所述，螺管式自感傳感器的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易； 由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大； 由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾； 由于磁阻高，為了達(dá)到

9、某一自感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大； 要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性。,（三）自感線圈的等效電路,假設(shè)自感線圈為一理想純電感，但實(shí)際傳感器中包括：線圈的銅損電阻（Rc）、鐵芯的渦流損耗電阻（Re）和線圈的寄生電容（C）。因此，自感傳感器的等效電路如圖。,C,L,Rc,Re,（四）測(cè)量電路 1、交流電橋 交流電橋是自感傳感器的主要測(cè)量電路，為了提高靈敏度，改善線性度，自感線圈一般接成差動(dòng)形式，如圖。Z1、Z2為工作臂，即線圈阻抗，R1、R2為電橋的平衡臂,電橋平衡條件： 設(shè)Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=L E

10、為橋路電源，ZL是負(fù)載阻抗。工作時(shí)，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z,ZL,R1,R2,Z2,Z1,L1,L2,RS1,RS2,交流電橋原理圖,USC,E,其輸出電壓幅值,當(dāng)ZL時(shí),輸出阻抗,為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。,橋路輸出電壓Usc包含與電源E同相和正交兩個(gè)分量。 在實(shí)際測(cè)量中，只希望有同相分量，如能使 或Q值比較大，均能達(dá)到此目的。但在實(shí)際工作時(shí)， RS/RS一般很小，所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù)。 當(dāng)Q值很高時(shí)，Usc ；,當(dāng)Q值很低時(shí)，自感線圈的電感遠(yuǎn)小于電阻，電感線圈相當(dāng)于純電阻(ZRs)，交流電橋即為電阻電橋。例 如，應(yīng)變測(cè)量?jī)x就是如此，此時(shí)輸出電壓Usc= 。 該電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其電阻R1

11、、R2可用兩個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成，調(diào)零方便。,Z1,Z2,USC,E/2,E/2,E,變壓器電橋原理圖,I,2、變壓器電橋 平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊，當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，流入工作臂的電流為,初始Z1=Z2=Z=RS+jL，故平衡時(shí)，USC=0。雙臂工作時(shí)，設(shè)Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相當(dāng)于差動(dòng)式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動(dòng)，則,同理反方向移動(dòng)時(shí),可見(jiàn)，銜鐵向不同方向移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓Usc大小相等、方向相反，即相位互差180，可反映銜鐵移動(dòng)的方向。但是，為了判別交流信號(hào)的相位，需接入專(zhuān)門(mén)的相敏檢波電路。,優(yōu)點(diǎn)：這種電橋與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出阻抗小，橋路開(kāi)路時(shí)電路呈線性； 缺點(diǎn)：

12、變壓器副邊不接地，易引起來(lái)自原邊的靜電感應(yīng)電壓，使高增益放大器不能工作。,變壓器電橋的輸出電壓幅值,輸出阻抗為(略去變壓器副邊的阻杭，它遠(yuǎn)小于電感的阻抗),二、 差動(dòng)變壓器 （一）結(jié)構(gòu)原理與等效電路 分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。,1 初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵,1,2,4,3,1,2,3,(a)氣隙型,(b)螺管型,其基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。

13、,3,2,1,2,1,2,1,1,2,(a),(b),(c),(d),1,2,1,1,2,差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式 1 初級(jí)線圈；2 次級(jí)線圈；3 銜鐵,3,三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。,在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖。 初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為,e2,R21,R22,e21,e22,e1,R1,M1,M2,L21,L22,L1,e1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓 L1,R1初級(jí)線圈電感和電阻 M1,M1分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1,2間的互感 L21,L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感 R21,R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻,

14、I1,激勵(lì)電壓的角頻率； e1激勵(lì)電壓的復(fù)數(shù)值；,由于Il的存在，在次級(jí)線圈中產(chǎn)生磁通,Rm1及Rm2分別為磁通通過(guò)初級(jí)線圈及兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻，N1為初級(jí)線圈匝數(shù)。,N2為次級(jí)線圈匝數(shù)。 因此空載輸出電壓,在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為,其幅數(shù),輸出阻抗,或,副,0,e2,e2,e21,e22,x,副,原線圈,差動(dòng)變壓器輸出電勢(shì)e2與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。,（二） 誤差因素分析 1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響 激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢(shì)。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。 2、溫度變化的影

15、響 周?chē)h(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。,3、零點(diǎn)殘余電壓 當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在，稱(chēng)為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作等。,0,e2,x,-x,e20,1 基波正交分量 2

16、 基波同相分量 3 二次諧波 4 三次諧波 5 電磁干擾,圖中e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。,零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因： 基波分量。由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。,高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是

17、三次諧波)磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì)。另外，激勵(lì)電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。,消除零點(diǎn)殘余電壓方法： 1從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性 為保證線圈和磁路的對(duì)稱(chēng)性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對(duì)，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過(guò)熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。 2選用合適的測(cè)量線路,采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反

18、行程時(shí)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。,3采用補(bǔ)償線路 由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。,調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路,并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02F)可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。,e1,e2,C,R1,R2,W,電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路,R或L補(bǔ)償電路,e1,e2,L0,W,e1,e2,R0,W,(a),(b)

19、,接入R0(幾百k)或補(bǔ)償線圈L0(幾百匝)。繞在差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈上以減小負(fù)載電壓，避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘余電壓。電路如圖。,（三）測(cè)量電路 差動(dòng)變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向，因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量。 1、差動(dòng)整流電路 根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性，在f點(diǎn)為“”，e點(diǎn)為“”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點(diǎn)為“”，e點(diǎn)為“”，則電流路徑是ehdcgf?？梢?jiàn)，無(wú)論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，通過(guò)電阻R的

20、電流總是從d到c。同理可分析另一個(gè)次級(jí)線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見(jiàn)圖（b），其值為USC=eabecd。,全波整流電路和波形圖,e1,R,R,c,a,b,h,g,f,d,e,USC,銜鐵在 零位以下,eab,t,t,t,eab,t,t,t,eab,t,ecd,t,USC,t,ecd,USC,USC,ecd,銜鐵在 零位以上,銜鐵在 零位,(b),(a),在f點(diǎn)為“” ，則電流路徑是fgdche (參看圖a)。反之，如f點(diǎn)為“” ，則電流路徑是ehdcgf。,2、相敏檢波電路 容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調(diào)制電壓er和e同頻，經(jīng)過(guò)移相器使er和e保持同相或反相，且滿足ere。調(diào)節(jié)電位

21、器R可調(diào)平衡，圖中電阻R1=R2=R0，電容C1=C2=C0，輸出電壓為UCD。 當(dāng)鐵芯在中間時(shí),e=0,只有er起作用，輸出電壓UCD0。若鐵芯上移，e0，設(shè)e和er同相位，由于ere，故er正半周時(shí)D1、D2仍導(dǎo)通，但D1回路內(nèi)總電勢(shì)為ere，而D2回路內(nèi)總電勢(shì)為ere，故回路電流i1i2輸出電壓UCD=R0（i1i2）0。當(dāng)er負(fù)半周時(shí)，,UCD=R0(i4-i3)0，因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓UCD0。當(dāng)鐵芯下移時(shí)，e和er相位相反。同理可得UCD0。 由此可見(jiàn)，該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向。,（四）應(yīng)用 測(cè)量振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。 1. 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器 用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上，才能得到精確的測(cè)量結(jié)果。可測(cè)量的振幅為(0.15)mm，振動(dòng)頻率為(0150)Hz。,穩(wěn)壓電源,振蕩器,檢波器,濾波器,(b),(a),220V,加速度a方向,a,輸出,1,2,1,1 彈性支承 2 差動(dòng)變壓器,2. 微壓力變送器 將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式的壓力傳感器。,220V,1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動(dòng)