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1、传感器与检测技术传感器与检测技术防灾科技学院防灾仪器系防灾科技学院防灾仪器系主讲教师主讲教师: : 姚振静姚振静Sensor & Detecting Technology2主要内容3.1 自感式传传感器3.2 差动变压动变压 器3.3 电电容传传感器3.4 电涡电涡 流式传传感器第三章 变阻抗式传感器原理与应用3第三章 变变阻抗式传传感器原理与应应用变变阻抗式传传感器是利用被测测量改变变磁路的磁阻，导导致线线圈电电感量的变变化，或利用被测测量改变传变传 感器的电电容量，或者利用被测测量改变线变线 圈的等效阻抗等，实现对实现对 非电电量的检测检测 。种类类：电电感式传传感器电电容传传感器电涡电涡
2、 流式传传感器4第3章 变变阻抗式传传感器原理与应应 用电电感式传传感器的分类类：1.按原理分（1）自感应应原理的自感式电电感传传感器（2）互感应应原理的互感式电电感传传感器（差动变压动变压 器）2. 按结结构分（1）变变气隙式电电感传传感器（2）变变面积积式电电感传传感器（3）螺管式电电感传传感器53.1 自感式传传感器 3.1.1 工作原理 3.1.2 变变气隙式自感传传感器 3.1.3 变变面积积式自感传传感器 3.1.4 螺线线管式自感传传感器 3.1.5 自感式传传感器测测量电电路 3.1.6 自感式传传感器应应用举举例63.1.1 工作原理自感式传传感器是把被测测量变变化转换转换
3、成自感L的变变化，通过过一定的转换电转换电 路转换转换 成电压电压 或电电流输输出。分为为变变气隙式、变变面积积式和螺线线管式自感传传感器。特点：结结构简单简单 、工作可靠、测测量力小传传感器的输输出信号强，有利于信号的传输传输 和放大。重复性能好、线线性度宽宽且较稳较稳 定。不宜于高频动态频动态 信号的测测量。 3.1 自感式传传感器7实验实验 ：将一只220V交流接触器线线圈与交流毫安表串联联后，接到变压变压 器的36V交流电压电压 源上，开始毫安表的示值约为值约为 几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁动铁心（称为衔铁为衔铁 ）往下按，我们们会发现发现 毫安表的读读数逐渐渐减小。当衔铁衔铁
4、与固定铁铁心之间间的气隙等于零时时，毫安表的读读数只剩下十几毫安。3.1.1 工作原理3.1 自感式传传感器8 气隙变变小，电电感变变大，电电流变变小F3.1.1 工作原理3.1 自感式传传感器93.1.1 工作原理自感式传传感器由线线圈、铁铁芯和衔铁衔铁 三部分组组成。铁铁芯和衔铁衔铁 由导导磁材料制成。3.1 自感式传传感器磁通：线线圈绕绕在由铁铁磁材料制成的铁铁心上，线线圈通以电电流，便产产生磁通。励磁线线圈励磁电电流磁路：电电流产产生的磁通集中在磁导导率高的铁铁磁材料空间间内，集中的磁通所经过经过的路径称为为磁路。磁阻：表示磁介质对质对 磁通的阻碍作用的大小。103.1.1 工作原理在
5、铁铁芯和衔铁衔铁 之间间有空气隙，传传感器的运动动部分与衔铁衔铁相连连。当衔铁衔铁 移动动时时，气隙厚度发发生改变变，引起磁路中磁阻变变化，从而导导致电电感线线圈的电电感值变值变 化，因此只要能测测出这这种电电感量的变变化，就能确定衔铁衔铁 位移量的大小和方向。 3.1 自感式传传感器113.1.1 工作原理衔铁衔铁 移动动气隙改 变变磁阻变变化电电感值变值变 化3.1 自感式传传感器12由磁路欧姆定律可知，线线圈自感量计计算：线线圈自感线线圈匝数磁路总总磁阻3.1.1 工作原理气隙很小，（一般0.1-1mm）可以认为认为 气隙中的磁场场是 均匀的。 若忽略磁路磁损损， 则则磁路总总磁阻为为
6、各段导导磁体的长长度各段导导磁体的导导磁率气隙厚度真空导导磁率3.1 自感式传传感器133.1.1 工作原理通常气隙磁阻远远大于铁铁芯和衔铁衔铁 的磁阻， 即 0=410-7Hm；：空气隙总长总长 。3.1 自感式传传感器143.1.1 工作原理上式表明：当线线圈匝数N为为常数时时，电电感L仅仅仅仅 是磁路中磁阻Rm的函数，改变变或A0均可导导致电电感变变化。变变磁阻式传传感器又可分为为变变气隙厚度的传传感器和变变气隙面积积A0的传传感器。 线线圈电电感量： 3.1 自感式传传感器153.1.1 工作原理3.1 自感式传传感器163.1.2 变变气隙式自感传传感器忽略磁路磁损时损时 ，线线圈自
7、感量可写为为L与之间间是非线线性关系， 特性曲线线如图图所示。3.1 自感式传传感器173.1.2 变变气隙式自感传传感器当衔铁处衔铁处 于初始位置时时，初始电电感量为为 当衔铁衔铁 上移时时，则则此时输时输 出电电感为为同理，当衔铁衔铁 随被测测物体的初始位置向下移动时动时 ，有3.1 自感式传传感器183.1.2 变变气隙式自感传传感器忽略高次项项后，可得 近似线线性灵敏度为为 线线性度（非线线性误误差）气隙式电电感传传感器的灵敏度与线线性度存在矛盾！3.1 自感式传传感器变变隙式电电感式传传感器适用于测测量微小位移的场场合。 193.1.2 变变气隙式自感传传感器差动变动变 隙式电电感传
8、传感器为为了减小非线线性误误差，实际测实际测 量中采用差动变动变 隙式电电感传传感器。 差动变动变 隙式电电感传传感器是由两个完全相同的电电感线线圈合用一个衔衔铁铁和相应应的磁路组组成。测测量时时，衔铁衔铁 与被测测件相连连，当被测测件上下移动时动时 ，带动衔带动衔铁铁也以相同的位移上下移动动，使两个磁回路中的磁阻发发生大小相等、方向相反的变变化。3.1 自感式传传感器203.1.2 变变气隙式自感传传感器衔铁衔铁 上移：两个线线圈的电电感变变化量L1、L2， 差动传动传感器电电感的总变总变 化量L=L1+L2, 具体表达式为为 对对上式进进行线线性处处理, 即忽略高次项项得 3.1 自感式传
9、传感器213.1.2 变变气隙式自感传传感器灵敏度K0为为 比较单线较单线 圈式和差动动式： 差动动式变间变间 隙电电感传传感器的灵敏度是单线单线 圈式的两倍。 差动动式的非线线性项项(忽略高次项项)：单线单线 圈的非线线性项项（忽略高次项项)：由于/01，因此，差动动式的线线性度得到明显显改善。 3.1 自感式传传感器223.1.3 变变面积积式自感传传感器传传感器气隙厚度保持不变变，令磁通截面积积随被测测非电电量而变变。设铁设铁 芯材料和衔铁衔铁 材料的磁导导率相同，则则此变变面积积自感传传感器自感L为为： 3.1 自感式传传感器233.1.3 变变面积积式自感传传感器灵敏度变变面积积式自
10、感传传感器在忽略气隙磁通边缘边缘 效应应的条件下，输输入与输输出呈线线性关系；因此可望得到较较大的线线性范围围。3.1 自感式传传感器243.1.4 螺线线管式自感传传感器单线单线 圈螺线线管式自感传传感器是由多层绕层绕制的细长细长 线线圈、铁铁磁性壳体和可沿线线圈轴轴向移动动的活动衔铁动衔铁 组组成。线线圈中放入圆圆柱形衔铁衔铁 ，当衔铁衔铁 上下移动时动时 ，自感量将相应变应变 化，构成螺线线管型自感传传感器。螺线线管式自感传传感器有单线单线 圈和差动动式两种结结构形式。3.1 自感式传传感器253.1.4 螺线线管式自感传传感器1-螺线线管线线圈；2-螺线线管线线圈；3-骨架；4-活动铁
11、动铁 芯 差动动螺线线管式电电感传传感器结结构原理图图L10，L20分别为线别为线 圈、的初始电电感值值；铁铁芯初始状态处态处 于对对称位置3.1 自感式传传感器263.1.4 螺线线管式自感传传感器当铁铁芯移动动（如右移）后，使右边电边电 感值值增加，左边电边电 感值值减小 根据以上两式，可以求得每只线线圈的灵敏度为为两只线线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动动特征。 化简简得：3.1 自感式传传感器273.1.5 自感传传感器测测量电电路自感式传传感器：把被测测量的变变化转变为电转变为电 感量的变变化。 为为了测测出电电感量的变变化，要用转换电转换电 路把电电感量的变变化转转换换成电压
12、电压 （或电电流）的变变化。1、变压变压 器电桥电桥2、谐谐振式调调幅电电路3. 调频电调频电 路3.1 自感式传传感器283.1.5 自感传传感器测测量电电路uscz2z1E/2E/2变压变压 器电桥电桥平衡臂为变压为变压 器的两个副边边；Z1、Z2：差动电动电 感传传感器；当负载负载 阻抗为为无穷穷大时时，流入工作臂的电电流为为 1、变压变压 器电桥电桥3.1 自感式传传感器293.1.5 自感传传感器测测量电电路Z1Z2USCE/2E/2E变压变压 器电桥电桥 原理 图图I初始Z1=Z2=Z=RS+jL故平衡时时，USC=0。双臂工作时时，衔铁衔铁 偏离中间间零点，设设Z1=ZZ，Z2=
13、Z+Z，相当于差动动式自感传传感器的衔铁衔铁 向一侧侧移动动，则则同理反方向移动时动时3.1 自感式传传感器302、谐谐振式调调幅电电路电电路的灵敏度很高，但是线线性差，适用于线线性要求不高的场场合。图图 谐谐振式调调幅电电路谐谐振点的自感值值3.1.5 自感传传感器测测量电电路3.1 自感式传传感器31传传感器自感变变化将引起输输出电压频电压频 率的变变化。 震荡电路CLf图图 调频电调频电 路Lf03. 调频电调频电 路3.1.5 自感传传感器测测量电电路3.1 自感式传传感器323.1.6 自感传传感器应应用当压压力进进入膜盒时时，膜盒的顶顶端在压压力P的作用下产产生与压压力P大小成正比
14、的位移，于是衔铁衔铁 也发发生移动动， 从而使气隙发发生变变化， 流过线过线 圈的电电流也发发生相应应的变变化，电电流表A的指示值值就反映了被测压测压 力的大小。 3.1 自感式传传感器33当被测测压压力进进入C形弹弹簧管时时， C形弹弹簧管产产生变变形， 其自由端发发生位移，带动带动 与自由端连连接成一体的衔铁衔铁 运动动，使线线圈1和线线圈2中的电电感发发生大小相等、符号相反的变变化。即一个电电感量增大，另一个电电感量减小。电电感的这这种变变化通过电桥电过电桥电 路转换转换 成电压输电压输 出。由于输输出电压电压 与被测压测压 力之间间成比例关系， 所以只要用检测仪检测仪 表测测量出输输出电压电压 ， 即可得知被测压测压 力的大小。 3.1 自感式传传感器343.1 自感式传传感器小结结 3.1.1 工作原理（掌握） 3.1.2 变变气隙式自感传传感器（掌握） 3.1.3 变变面积积式自感传传感器 3.1.5 自感式传传感器测测量电电路（了解）3.1 自感式传传感器
