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1、第三章 常用传感器 3 3电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理 它是把被测量转化为电感量的一种装置 分类 电感式传感器 3 3电感式传感器 1 自感型 1 可变磁阻式 可变磁阻式传感器典型结构方案 线圈 铁芯 衔铁 可变磁阻式传感器的结构 它由线圈 铁芯及衔铁组成 在铁芯和衔铁之间有空气隙 根据电磁感应定律 当线圈 匝数W 中通以电流i时 产生磁通 m 其大小与电流i成正比 即根据磁路欧姆定律 磁通 m为所以线圈电感 自感 可用下式计算 磁路总磁阻 不考虑磁路的铁损时 则磁路总磁阻为因此 自感L可写为上式表明 自感L与空气隙 成反比 而与空气隙导磁截面积S0成正比 S0变化 L变化 当
2、固定S0不变 变化 时 L与 呈非线性 双曲线 关系 传感器的灵敏度为 呈非线性 灵敏度S与气隙长度的平方成反比 愈小 灵敏度愈高 由于S不是常数 故会出现非线性误差 为了减小这一误差 通常规定 在较小的范围内工作 例如 若间隙变化范围为 0 0 则灵敏度为由上式可以看出 当 0时 为常数 近似线性 由上式可以看出 当 0时输出与输入近似成线性关系 实际应用中 一般取 0 0 1这种传感器适用于较小位移的测量 一般约为0 001 1mm 线性关系 如将 固定 变化空气隙导磁截面积S0时 自感L与S0呈线性关系如下图所示 几种常用可变磁阻式传感器的典型结构有 可变导磁面积型 差动型 单螺管线圈型
3、 双螺管线圈差动型 双螺管线圈差动型 较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性 被用于电感测微计上 其测量范围为0 300 m 最小分辨力为0 5 m 这种传感器的线圈接于电桥上 构成两个桥臂 线圈电感L1 L2随铁芯位移而变化 其输出特性如下图所示 测量电路 交流电桥 L Z 电感式接近传感器 金属 3 3电感式传感器 教学用低成本四线制无二次仪表传感器 3 3电感式传感器 2 涡流式 原理 涡流效应 3 3电感式传感器 涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应 如图所示 金属板置于一只线圈的附近 它们之间相互的间距为 当线圈输入一交变电流i时 便产生交变磁通量 金属板在此交变
4、磁场中会产生感应电流i1 这种电流在金属体内是闭合的 所以称之为 涡电流 或 涡流 i i1 线圈 金属板 涡流式传感器的变换原理 涡电流效应 3 3电感式传感器 涡流的大小与金属板的电阻率 磁导率 厚度h 金属板与线圈的距离 激励电流角频率 等参数有关 若改变其中的某两项参数 而固定其它参数不变 就可根据涡流的变化测量该参数 涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种 高频反射式涡流传感器 如图所示 高频 lMHz 激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面 在金属板表面将形成涡电流 与此同时 该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈 引起线圈自感L或阻抗Z的变化 线圈自感L或阻抗Z的变化与距离该
5、金属板的电阻率 磁导率 激励电流i及角频率 等有关 若只改变距离 而保持其它参数不变 则可将位移的变化转换为线圈自感的变化 通过测量电路转换为电压输出 高频反射式涡流传感器多用于位移测量 原线圈的等效阻抗Z变化 低频透射涡流式传感器 低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示 发射线圈 1和接收线圈 2分别置于被测金属板材料G的上 下方 由于低频磁场渦电流小 渗透深 当低频 音频范围 电压e1加到线圈 1的两端后 所产生磁力线的一部分透过金属板材料G 使线圈 2产生感应电动势e2 但由于涡流消耗部分磁场能量 使感应电动势e2减少 当金属板材料G越厚时 损耗的能量越大 输出电动势e2越小 因此 e2
6、的大小与G的厚度及材料的性质有关 试验表明 e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少 如图所示 因此 若金属板材料的性质一定 则利用e2的变化即可测量其厚度 低频透射式涡流传感器可用于金属板材厚度 e2 金属板厚度h 涡流式传感器的应用 涡流式电感传感器主要用于位移 振动 转速 距离 厚度等参数的测量 3 3电感式传感器 3 3电感式传感器 产品 3 3电感式传感器 案例 连续油管的椭圆度测量 3 3电感式传感器 案例 无损探伤 原理裂纹检测 缺陷造成涡流变化 火车轮检测 油管检测 3 3电感式传感器 2互感型 差动变压器工作原理 互感现象 3 3电感式传感器 互感型电感传感器是利用互感M的变化
7、来反映被测量的变化 这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器 当变压器初级线圈输入稳定交流电压后 次级线圈便会有感应电压输出 该电压随被测量的变化而变化 两次级线圈 什么引起互感M的变化呢 一初级线圈 3 3电感式传感器 常用的互感型传感器是差动变压器式电感传感器 两次级线圈反接 3 3电感式传感器 传感器主要由线圈 铁芯和活动衔铁三部分组成 线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈 当初级线圈输入交流激励电压时 次级线圈将产生感应电动势e1和e2 由于两个次级线圈极性反接 因此 传感器的输出电压为两者之差 即ey e1 e2 活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度 输出ey的大小随活动衔铁的位置
8、而变 当活动衔铁的位置居中时 e1 e2 ey 0 当活动衔铁向上移时 e1 e2 ey 0 当活动衔铁向下移时 e1 e2 ey 0 活动衔铁的位置往复变化 其输出电压也随之变化 值得注意的是 首先 差动变压器式传感器输出的电压是交流量 如用交流电压表指示 则输出值只能反应铁芯位移的大小 而不能反应移动的方向 其次 交流电压输出存在一定的零点残余电压 零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称 以及初级线圈铜损电阻 铁磁材质不均匀 线圈间分布电容等原因所形成的 所以 即使活动衔铁位于中间位置时 输出也不为零 鉴于这些原因 差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性 又能补偿零点残
9、余电压的差动相敏检波直流输出电路 差动相敏检波电路 下图所示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理 当没有信号输入时 铁芯处于中间位置 调节电阻R 使零点残余电压减小 当有信号输入时 铁芯移上或移下 其输出电压经交流放大 相敏检波 滤波后得到直流输出 由表头指示输入位移量的大小和方向 差动变压器位移传感器 3 3电感式传感器 案例 板的厚度测量 3 3电感式传感器 案例 张力测量 3 3电感式传感器 差动变压器式微位移测量头 有精度高 达0 l m量级 线圈变化范围大 可扩大到 l00mm 视结构而定 结构简单 稳定性好等优点 被广泛应用于直线位移测量及其它压力 振动等参量的测量 这种传感器
10、经分挡可测量 4 104 6 104Pa的压力 精度为1 5 微压传感器 利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可以构成振动测量加速度计 如图所示 由于结构上的限制 该加速度计能测量的振动频率上限一般在150Hz以下 1 悬臂梁 2 差动变压器差动变压器式加速度传感器 第三章 常用传感器 3 4电容式传感器 变换原理 将被测量的变化转化为电容量变化 以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理 在忽略边缘效应的情况下 平板电容器的电容量为 式中 0 真空的介电常数 0 8 854 10 12F m A 极板的遮盖面积 m2 极板间介质的相对介电系数 在空气中 1 两平行极板间的距离 3 4电容式传感器
11、 A或 发生变化时 都会引起电容的变化 上式表明 当被测量 A或 发生变化时 都会引起电容的变化 如果保持其中的两个参数不变 而仅改变另一个参数 就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化 再通过配套的测量电路 将电容的变化转换为电信号输出 电容式传感器的类型 根据电容器参数变化的特性 电容式传感器可分为极距变化型 面积变化型和介质变化型三种 其中极距变化型和面积变化型应用较广 3 4电容式传感器 a 极距 变化型 如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变 则当两极板在被测对象作用下发生位移变化时所引起的电容量变化为由此可得到传感器的灵敏度为 非线性 由于灵敏度K与极距 呈非线性关系 故将引起非线性
12、误差 灵敏度K与极距平方成反比 极距愈小 灵敏度愈高 一般通过减小初始极距来提高灵敏度 为了减小这一非线性误差 通常规定测量范围 0 一般取极距变化范围为 0 0 1 此时 传感器的灵敏度近似为常数 极距变化型电容传感器的特点优点 1 动态非接触测量 2 灵敏度高 适用于较小位移测量 0 01 m 数百微米 缺点 传感器的杂散电容对灵敏度和测量精度有影响 后续电子线路要求较高 3 4电容式传感器 电容式传声器 3 4电容式传感器 电容式传声器 b 面积变化型 3 4电容式传感器 改变极板间覆盖面积的电容式传感器 S C常用的有角位移型和线位移型两种 3 4电容式传感器 当动板有一转角时 与定板
13、之间相互覆盖的面积就发生变化 因而导致电容量变化 当覆盖面积对应的中心角为a 极板半径为r时 覆盖面积为电容量为其灵敏度为 角位移型 线位移型电容式传感器有平面线位移型和圆柱线位移型两种 平面线位移型 3 4电容式传感器 对于平面线位移型电容式传感器 当宽度为b的动板沿箭头x方向移动时 覆盖面积变化 电容量也随之变化 电容量为变换关系 X C其灵敏度为 柱面线位移型 3 4电容式传感器 对于圆柱线位移型电容式传感器 当覆盖长度x变化时 电容量也随之变化 其电容为r1 r2 外圆筒内半径与内圆筒外半径 x 外圆筒与内圆筒覆盖部分长度其灵敏度为 面积变化型电容传感器无论是角位移型 平面线位移型 柱
14、面线位移型特点 输出与输入成线性关系 但与极距变化型电容式传感器相比 灵敏度较低 适用于较大量程范围的角位移和直线位移的测量 产品 陶瓷电容压力传感器 液体压力作用在陶瓷膜片的表面 使膜片产生位移 3 4电容式传感器 c 介质变化型 3 4电容式传感器 这种传感器大多用于测量电介质的厚度 图a 位移 图b 液位 图c 还可根据极板间介质的介电常数随温度 湿度 容量改变而改变来测量温度 湿度 容量 图d 等 产品 电容式液位传感器 液位计 料位计 3 4电容式传感器 其它 电容式接近开关 测量头构成电容器的一个极板 另一个极板是物体本身 当物体移向接近开关时 物体和接近开关的介电常数发生变化 使
15、得和测量头相连的电路状态也随之发生变化 接近开关的检测物体 并不限于金属导体 也可以是绝缘的液体或粉状物体 3 4电容式传感器 3 4电容式传感器 电容传感器测量电路 将电容量转换成电量 电压或电流 的电路称作电容式传感器的转换电路 它们的种类很多 目前较常采用的有电桥电路 谐振电路 调频电路及运算放大电路等 a 电桥电路 3 4电容式传感器 b 谐振电路 3 4电容式传感器 电容传感器的电容Cx作为谐振回路 L2 C2 Cx 调谐电容的一部分 谐振回路通过电感藕合 从稳定的高频振荡器取得振荡电压 当传感器电容发生变化时 使得谐振回路的阻抗发生相应的变化 而这个变化被转换为电压或电流 再经过放
16、大 检波即可得到相应的输出 为了获得较好的线性关系 一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内最大振幅70 附近的地方 且工作范围选在BC段内 c 运算放大器电路 3 4电容式传感器 变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系 这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的限制 采用比例运算放大器电路 可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系 c 运算放大器电路 3 4电容式传感器 反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路 采用固定电容C0 u0为稳定的工作电压 由于放大器的高输入阻抗和高增益特性 比例器的运算关系为代入 得 运算放大器电路常被用于极距变化型位移测量电容传感器 使输出电压与位移的关系转换为线性关系 差动式电容压力传感器 分辨率很高 可以测量0 0 75Pa的小压力 响应速度为100ms 空气阻尼加速度计 精度较高 频率响应范围大 量程范围大 电容式振动位移传感器应用示意图 思考题 1 电感式传感器是能量控制型还是能量转换型传感器 是物性型还是结构型传感器 2 电感式传感器有哪几种 各有什么特点 3 变极距型电容位移式传感器的工作量程较小的原因是什么 4
