电感式传感器及应用.

传感器原理与应用1第三章电感式传感器及应用§3-1自感式1.掌握单线圈变隙式和差动变隙式电感传感器的结构、工作原理、测量范围与灵敏度和线性度之间的关系工作原理：传感器工作时，衔铁与被测体连接。当被测体如图示方向产生Δδ的位移时，衔铁与其同步移动，引起磁路中气隙磁阻发生相应的变化，从而导致线圈电感变化。因此，只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁（即被测体）位移量的大小和方向。传感器原理与应用2工作原理：差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈和磁路组成。测量时，衔铁通过导杆与被测体相连，当被测体按图示方向上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移量上下移动，使两个磁回路中的磁阻发生大小相等、符号相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量则减小，形成差动形式。传感器原理与应用3闭磁路变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾。传感器原理与应用42.掌握单线圈螺线管式和差动螺线管式电感传感器的结构（图）、工作原理、优缺点和应用工作原理：进行测量时，活动铁芯的左端与被测体连接。当活动铁芯随被测体移动时，导致线圈电感量发生变化，即线圈电感量与铁芯插入深度X有关。优缺点：优点是测量范围大、线性度好、结构简单和便于制作，缺点是灵敏度低。应用：测量大量程直线位移。传感器原理与应用5工作原理：活动铁芯与被测体连接，铁芯初始状态处于对称位置上，使两边螺线管的初始电感值相等，当被测体带动铁芯移动ΔX（例如右移ΔX）后，使右边电感值增加，左边电感值减小，形成差动特征。传感器原理与应用63.掌握电感式配用测量电路（图）和名称；一般了解电路的工作原理。（1）变压器式交流电桥（2）带有相敏整流的交流电桥iUB22U22UAOCZ1Z2oUUiZ1Z2AD1D2D3D4VZ3Z4ECFDBU0传感器原理与应用7§3-2差动变压器式1.掌握差动变压器式传感器定义、结构种类把被测的非电量的变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。因为这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且其次级绕组都用差动形式连接，所以又叫差动变压器式传感器，简称差动变压器。结构种类：变隙式、变面积式和螺线管式。2.了解变隙式差动变压器传感器的工作原理、输出特性；掌握其灵敏度与初始平衡位置的气隙大小的关系。变隙式差动变压器传感器的灵敏度与初始平衡位置的气隙大小成反比。传感器原理与应用83.掌握螺线管式差动变压器的结构（图）、线圈绕组的排列方式、工作原理、影响灵敏度的因素、改善线性度的方法、零点残余电压（定义、不良影响、基波产生的主要原因及消除方法）1234561.活动衔铁2.导磁外壳3.骨架4.匝数为W1的初级绕组5.匝数为W2a的次级绕组6.匝数为W2b的次级绕组螺线管式差动变压器传感器主要由线圈组合、活动衔铁和导磁外壳三部分组成。线圈绕组排列方式：一节式、二节式、三节式、四节式和五节式。通常多采用二节式和三节式。传感器原理与应用9工作原理：以三节式差动变压器为例，将两个匝数相等的次级绕组的同名端反向串联，当初级绕组W1加以激磁电压时，根据变压器的作用原理在两个次级绕组W2a和W2b中就会产生感应电势和如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，当活动衔铁向某一个次级线圈方向移动时，则该次级线圈内磁通增大，使其感应电势增加，差动变压器有输出电压。其数值反映了活动衔铁的位移。1UaE2bE2baEE220222baEEU传感器原理与应用10影响灵敏度的因素：电源频率和输入激磁电压。改善线性度的方法：①取测量范围为骨架长度的1/10到1/4；②f采用中频（400Hz-10KHz)；③配用相敏检波式测量电路。零点残余电压是差动变压器在零位移时的输出电压，是评定差动变压器性能的主要指标之一。它的存在，会造成传感器在零位附近的灵敏度降低、分辨率变差和测量误差增大。基波产生的原因主要是传感器两个次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称；传感器原理与应用11消除方法（1）工艺上保证两个次级绕组对称（几何尺寸，电气参数，磁路），结构上，可采用可调端盖机构，另外，衔铁和导磁外壳等磁性材料必须经过热处理，消除内部残余应力，使其磁性能具有较好的均匀性和稳定性；（2）采用导磁性能良好的材料制作传感器壳体，兼顾屏蔽作用，以抗外界干扰，设置静电屏蔽层；（3）工作区域设计在铁芯磁化曲线的线性段，减小三次谐波；（4）外电路补偿法；（5）选用相敏检波作为测量电路。传感器原理与应用124.掌握差动变压器可以测量的物理量和配用测量电路的名称及差动半波整流电路（图）差动变压器不仅可以直接用于位移的测量，而且还可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。配用测量电路：差动相敏检波电路和差动整流电路。差动半波整流电路：见P87图3-29（a）5.一般了解差动变压器配用的差动相敏检波电路的工作原理和基本特性、差动整流电路的工作原理。传感器原理与应用13§3-3电涡流式1.了解电涡流式传感器的分类2.掌握电涡流式传感器的基本结构及其与被测体组成测量系统的依赖关系、影响系统性能的主要部件电涡流传感器的基本结构主要由线圈和框架组成，其中激磁线圈是主体，因而它的性能、尺寸、形状对整个测量系统的性能产生重要影响。电涡流传感器测量系统是由传感器和被测体两部分组成，利用两者的磁性耦合程度来实现对被测量的测试任务。因而被测体的材料、形状和大小必将对传感器特性产生影响。传感器原理与应用143.掌握电涡流传感器的工作原理、电涡流强度与距离（线圈与被测体）的关系、测量位移时得到较好线性度和灵敏度的条件工作原理：传感器的激磁线圈通正弦交变电流时，在其周围产生交变磁场，使被测金属导体内产生电涡流。它的存在削弱激磁线圈内磁场的变化。使线圈等效阻抗发生变化（对比无被测金属时变小）。该变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流的强度与被测金属导体的电阻率、磁导率及几何形状有关，又与线圈的几何参数、线圈中激磁电流的频率有关，还与线圈与被测金属导体间的距离等参数有关。如果保持上述中的其它参数不变，而只改变其中的一个参数，则传感器线圈的阻抗就仅仅是这个参数的单值函数。通过测量线圈阻抗的变化量，即可实现对该参数的测量。传感器原理与应用15电涡流强度与距离（线圈与被测体）的关系：非线性，且随着距离的增加，电涡流将迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1（一般取x/ras=0.05-0.15）的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度；即应让线圈与被测体之间的距离大大地小于线圈地半径。4.了解高频反射式电涡流传感器要求被测物体有一定厚度地道理。传感器原理与应用165.掌握被测物体材料电阻率和相对磁导率及被测平面直径大小与电涡流传感器灵敏度的关系、传感器与非被测金属物之间的距离对其测量结果的影响被测体的电阻率ρ和相对磁导率μr愈小，传感器的灵敏度愈高。被测体短路环与线圈外半径之比ra/ras愈大，电涡流效应的利用愈充分，传感器灵敏度愈高。用电涡流传感器进行测量时，不属于被测体的金属物与激磁线圈之间，至少要有一个线圈直径的间隔。6.了解电涡流式传感器配用测量电路的名称；一般了解传感器用于位移测量，并配用定频调幅式测量电路的分析传感器原理与应用17第四章电容式传感器及应用§4-1电容式传感器的工作原理及结构型式1.掌握电容传感器的定义、测量哪些机械和热工参量，变间隙式和变面积式及变介电常数式三种电容传感器的基本测量对象以电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化的传感器称为电容式传感器。变间隙式一般测量微小的线位移，变面积式则用来测角位移或较大的线位移，变介电常数式用于固体或液体的物位测量。传感器原理与应用182.掌握变间隙式电容传感器的工作原理、灵敏度与非线性误差的矛盾关系及解决办法工作原理：变间隙式电容传感器由固定极板和可动极板组成。当可动极板随着被测参数的变化相对固定极板移动时，引起极板间的距离d的变化。从而引起电容量发生变化。测量出电容量，即可推算出位移。变间隙式电容传感器的提高灵敏度和减小非线性误差是相矛盾的。为了解决这一矛盾，大都采用差动式电容传感器3.一般了解部分固体介质的变间隙式和变面积式电容传感器的工作原理。了解部分固体介质的变间隙式电容传感器非线性误差与灵敏度之间的关系传感器原理与应用194.掌握测量介质介电常数变化和介质厚度的变介电常数式电容传感器的原理图传感器原理与应用20§4-2电容式传感器的测量电路及应用1.一般了解电容式传感器的优缺点。了解分布电容对应用的影响2.掌握电容式传感器配用测量电路（图）及电路中各参数的意义（表示什么）（1）交流电桥iUU0UC1C2C3CX传感器原理与应用21差动电桥测量电路C0——电容式传感器初始电容ΔC——电容式传感器的输出电容变化值0UC0+ΔC2/U2/UC0-ΔCiUAB传感器原理与应用22（2）紧耦合电桥电路C0——电容式传感器平衡状态时输出电容值ΔC——电容式传感器的输出电容变化值UC0+ΔCC0-ΔC0UML0L0传感器原理与应用23（3）脉冲电路Cx——电容式传感器电容Ip——充、放电平均电流R2R121KCxD1D2D3D4IpE传感器原理与应用24（4）运算放大器式电路C0——固定电容器电容量Cx——电容式传感器输出电容iUcoIc0cxcxIiI0UA0传感器原理与应用25（5）双T电桥电路eD1D2C1C2R1R2RLAB传感器原理与应用263.了解电容式传感器的几种应用（名称）。掌握差动电容式加速度传感器的结构原理（图）见P118图4-18传感器原理与应用27传感器原理与应用28