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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主要内容主要内容3.1 自感式传感器自感式传感器3.2 差动变压器差动变压器3.3 电容传感器电容传感器3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器第三章第三章 变阻抗式传感器变阻抗式传感器原理与应用原理与应用3第三章第三章 变阻抗式传感器原理与应用变阻抗式传感器原理与应用变阻抗式传感器变阻抗式传感器是利用被测量改变是利用被测量改变磁路的磁阻磁路的磁阻，导致，导致线圈电感量的变化线圈电感量的变化，或利用被测量改变传感器的，或利用被测
2、量改变传感器的电容电容量量，或者利用被测量改变线圈的等效阻抗等，实现对，或者利用被测量改变线圈的等效阻抗等，实现对非电量的检测。非电量的检测。种类：种类：电感式传感器电感式传感器电容传感器电容传感器电涡流式传感器电涡流式传感器4第第3章章 变阻抗式传感器原理与应用变阻抗式传感器原理与应用电感式传感器的分类：电感式传感器的分类：1.按原理分按原理分（1）自感应原理的自感式电感传感器）自感应原理的自感式电感传感器（2）互感应原理的互感式电感传感器（差动变压器）互感应原理的互感式电感传感器（差动变压器）2. 按结构分按结构分（1）变气隙式电感传感器）变气隙式电感传感器（2）变面积式电感传感器）变面积
3、式电感传感器（3）螺管式电感传感器）螺管式电感传感器53.1 自感式传感器自感式传感器 3.1.1 工作原理工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例自感式传感器应用举例63.1.1 工作原理工作原理自感式传感器自感式传感器是把被测量变化转换成是把被测量变化转换成自感自感L的变化，通过的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。一定的转换电路转换成电压或电流输出。分为分为变气隙式、变面积式
4、和螺线管式自感传感器。变气隙式、变面积式和螺线管式自感传感器。特点：特点：结构简单、工作可靠、测量力小结构简单、工作可靠、测量力小传感器的输出信号强，有利于信号的传输和放大。传感器的输出信号强，有利于信号的传输和放大。重复性能好、线性度宽且较稳定。重复性能好、线性度宽且较稳定。不宜于高频动态信号的测量。不宜于高频动态信号的测量。 3.1 自感式传感器自感式传感器7 实验：实验：将一只将一只220V交流接触器线圈交流接触器线圈与与交流毫安表交流毫安表串联后，接到变压串联后，接到变压器的器的36V交流电压源交流电压源上，开始上，开始毫安表的示值约为几十毫安。毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触
5、器的用手慢慢将接触器的活动铁心活动铁心（称为衔铁）（称为衔铁）往下按往下按，我们会，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。下十几毫安。3.1.1 工作原理工作原理3.1 自感式传感器自感式传感器8 气隙气隙变变小，电感变大，电流变小小，电感变大，电流变小F F3.1.1 工作原理工作原理3.1 自感式传感器自感式传感器93.1.1 工作原理工作原理自感式传感器自感式传感器由由线圈、铁芯和衔铁线圈、铁芯和衔铁三部分组成。三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。铁芯
6、和衔铁由导磁材料制成。3.1 自感式传感器自感式传感器磁通：磁通：线圈绕在由铁磁材料制成的铁心线圈绕在由铁磁材料制成的铁心上，线圈通以电流，便产生磁通。上，线圈通以电流，便产生磁通。励磁线圈励磁线圈励磁电流励磁电流磁路：磁路：电流产生的磁通集中在磁导率高电流产生的磁通集中在磁导率高的铁磁材料空间内，集中的磁通所经过的铁磁材料空间内，集中的磁通所经过的路径称为磁路。的路径称为磁路。磁阻：磁阻：表示磁介质对磁通的阻碍作用的表示磁介质对磁通的阻碍作用的大小。大小。103.1.1 工作原理工作原理在铁芯和衔铁之间有在铁芯和衔铁之间有空气隙空气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。传感器的运动部分与衔铁相连。
7、当当衔铁移动衔铁移动时，时，气隙厚度气隙厚度发发生改变，引起生改变，引起磁路中磁阻变化磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的从而导致电感线圈的电感值变电感值变化化，因此只要能测出这种电感，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。量的大小和方向。 3.1 自感式传感器自感式传感器113.1.1 工作原理工作原理衔铁移动衔铁移动 气隙改变气隙改变磁阻变化磁阻变化电感值变化电感值变化3.1 自感式传感器自感式传感器12由磁路欧姆定律可知，由磁路欧姆定律可知，线圈自感量计算：线圈自感量计算：线圈自感线圈自感线圈匝数线圈匝数磁路总磁阻磁路总磁阻3.1.1 工
8、作原理工作原理气隙很小，（一般气隙很小，（一般0.1-1mm）可以认为）可以认为气隙中的磁场是气隙中的磁场是均匀的。均匀的。 若忽略磁路磁损，若忽略磁路磁损， 则磁路总磁阻为则磁路总磁阻为 各段导磁体的长度各段导磁体的长度各段导磁体的导磁率各段导磁体的导磁率气隙厚度气隙厚度真空导磁率真空导磁率3.1 自感式传感器自感式传感器133.1.1 工作原理工作原理通常通常气隙磁阻气隙磁阻远大于远大于铁芯和衔铁的磁阻铁芯和衔铁的磁阻， 即即 0=410-7Hm； ：空气隙总长。：空气隙总长。3.1 自感式传感器自感式传感器143.1.1 工作原理工作原理上上式式表表明明：当当线线圈圈匝匝数数N为为常常数
9、数时时，电电感感L仅仅仅仅是是磁磁路路中中磁阻磁阻Rm的函数，的函数，改变改变或或A0均可导致电感变化均可导致电感变化。变变磁磁阻阻式式传传感感器器又又可可分分为为变变气气隙隙厚厚度度的的传传感感器器和和变变气气隙面积隙面积A0的传的传感器。感器。 线圈电感量：线圈电感量： 3.1 自感式传感器自感式传感器153.1.1 工作原理工作原理3.1 自感式传感器自感式传感器163.1.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器忽略磁路磁损时，线圈自感量可写为忽略磁路磁损时，线圈自感量可写为L与与之间之间是非线性是非线性关系，关系， 特性曲线如图所示。特性曲线如图所示。3.1 自感式传感器自感式传感器
10、173.1.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器当当衔衔铁铁处处于于初初始始位位置置时时，初初始始电电感感量量为为 当衔铁上移当衔铁上移时，时，则此时输出电感为则此时输出电感为同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有3.1 自感式传感器自感式传感器183.1.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器忽略高次项后，可得忽略高次项后，可得 近似线性近似线性灵敏度为灵敏度为 线性度（非线性误差）线性度（非线性误差）气隙式电感传感器的灵敏度与线性度存在矛盾！气隙式电感传感器的灵敏度与线性度存在矛盾！3.1 自感式传感器自感式传感器变隙式电感式传感
11、器适用于变隙式电感式传感器适用于测量微小位移测量微小位移的场合。的场合。 193.1.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器为了减小非线性误差，为了减小非线性误差，实际测量中采用实际测量中采用差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器。 差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器是由是由两个两个完全相同的电感线圈合用一个衔完全相同的电感线圈合用一个衔铁铁和相应的磁路组成。和相应的磁路组成。测量时，测量时，衔铁与被测件相连衔铁与被测件相连，当，当被测件上下移动时，带动衔铁也被测件上下移动时，带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个以相同的位移上下移动，使两个磁
12、回路中的磁回路中的磁阻发生大小相等、磁阻发生大小相等、方向相反的变化方向相反的变化。3.1 自感式传感器自感式传感器203.1.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器衔铁上移衔铁上移：两个线圈的电感变化量：两个线圈的电感变化量L1、L2， 差动传感差动传感器电感的总变化量器电感的总变化量L=L1+L2, 具体表达式为具体表达式为 对上式进行线性处理对上式进行线性处理, 即忽略高次项得即忽略高次项得 3.1 自感式传感器自感式传感器213.1.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器灵敏度灵敏度K0为为 比较单线圈式和差动式：比较单线圈式和差动式： 差动式变间隙电感传感器的差动式变间隙电感传感
13、器的灵敏度灵敏度是单线圈式的是单线圈式的两倍两倍。 差动式的非线性项差动式的非线性项(忽略高次项忽略高次项)：单线圈的非线性项（单线圈的非线性项（忽略高次项忽略高次项)：由于由于/01，因此，因此，差动式的线性度得到明显改善。差动式的线性度得到明显改善。 3.1 自感式传感器自感式传感器223.1.3 变面积式自感传感器变面积式自感传感器传传感感器器气气隙隙厚厚度度保保持持不不变变，令令磁磁通通截截面面积积随随被测非电量而变被测非电量而变。设设铁铁芯芯材材料料和和衔衔铁铁材材料料的的磁磁导导率率相相同同，则则此此变面积自感传感器自感变面积自感传感器自感L为：为： 3.1 自感式传感器自感式传感
14、器233.1.3 变面积式自感传感器变面积式自感传感器灵敏度灵敏度变面积式自感传感器变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。因此可望得到较大的线性范围。3.1 自感式传感器自感式传感器243.1.4 螺线管式自感传感器螺线管式自感传感器单单线线圈圈螺螺线线管管式式自自感感传传感感器器是是由由多多层层绕绕制制的的细细长长线线圈圈、铁铁磁磁性性壳壳体体和和可可沿沿线线圈圈轴向移动的轴向移动的活动衔铁活动衔铁组成。组成。线线圈圈中中放放入入圆圆柱柱形形衔衔铁铁，当当衔衔铁铁上上下下移移动动
15、时时，自自感感量量将将相相应应变变化化，构构成成螺螺线线管管型自感传感器。型自感传感器。螺线管式自感传感器螺线管式自感传感器有有单线圈单线圈和和差动式差动式两种结构形式。两种结构形式。3.1 自感式传感器自感式传感器253.1.4 螺线管式自感传感器螺线管式自感传感器1-螺线管线圈螺线管线圈；2-螺线管线圈螺线管线圈；3-骨架；骨架；4-活动铁芯活动铁芯 差动螺线管式电感传感器结构原理图差动螺线管式电感传感器结构原理图L10，L20分别为线圈分别为线圈、的初始电感值；的初始电感值；铁芯初始状态处于对称位置铁芯初始状态处于对称位置3.1 自感式传感器自感式传感器263.1.4 螺线管式自感传感器
16、螺线管式自感传感器当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小 根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。 化简得：化简得：3.1 自感式传感器自感式传感器273.1.5 自感传感器测量电路自感传感器测量电路自感式传感器：把被测量的变化转变为电感量的变化。自感式传感器：把被测量的变化转变为电感量的变化。为为了了测测出出电电感感量量的的变变化化，要要用用转转换换电电路路把把电电感感量量的的变变
17、化化转转换换成电压（或电流）的变化成电压（或电流）的变化。1、变压器电桥、变压器电桥2、谐振式调幅电路、谐振式调幅电路3. 调频电路调频电路3.1 自感式传感器自感式传感器283.1.5 自感传感器测量电路自感传感器测量电路uscz2z1E/2E/2变压器电桥变压器电桥平衡臂为变压器的两个副边；平衡臂为变压器的两个副边；Z1、Z2：差动电感传感器；：差动电感传感器；当负载阻抗为无穷大时，当负载阻抗为无穷大时，流入工作臂的电流为流入工作臂的电流为 1、变压器电桥、变压器电桥3.1 自感式传感器自感式传感器293.1.5 自感传感器测量电路自感传感器测量电路Z1Z2USCE/2E/2E变压器电桥原
18、理图变压器电桥原理图I初始初始Z1=Z2=Z=RS+jL故平衡时，故平衡时，USC=0。双臂工作时，衔铁偏离中间零点，双臂工作时，衔铁偏离中间零点，设设Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相相当当于于差差动动式式自自感感传传感感器器的的衔衔铁铁向向一侧移动，则一侧移动，则同理反方向移动时同理反方向移动时3.1 自感式传感器自感式传感器302、谐振式调幅电路、谐振式调幅电路电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。图图 谐振式调幅电路谐振式调幅电路谐振点的自感值谐振点的自感值3.1.5 自感传感器测量电路自感传感器测量电路3.1 自感式
19、传感器自感式传感器31传感器自感变化将引起输出电压频率的变化。传感器自感变化将引起输出电压频率的变化。 震荡电路CLf图图 调频电路调频电路Lf03. 调频电路调频电路3.1.5 自感传感器测量电路自感传感器测量电路3.1 自感式传感器自感式传感器323.1.6 自感传感器应用自感传感器应用当当压压力力进进入入膜膜盒盒时时，膜膜盒盒的的顶顶端端在在压压力力P的的作作用用下下产产生生与与压压力力P大大小小成成正正比比的的位位移移，于于是是衔衔铁铁也也发发生生移移动动， 从从而而使使气气隙隙发发生生变变化化， 流流过过线线圈圈的的电电流流也也发发生生相相应应的的变变化化，电电流流表表A的的指指示示
20、值值就就反反映映了了被被测测压压力力的的大大小小。 3.1 自感式传感器自感式传感器33当当被被测测压压力力进进入入C形形弹弹簧簧管管时时， C形形弹弹簧簧管管产产生生变变形形， 其其自自由由端端发发生生位位移移，带带动动与与自自由由端端连连接接成成一一体体的的衔衔铁铁运运动动，使使线线圈圈1和和线线圈圈2中中的的电电感感发发生生大大小小相相等等、符符号号相相反反的的变变化化。即即一一个个电电感感量量增增大大，另另一一个个电电感感量量减减小小。电电感感的的这这种种变变化化通通过过电电桥桥电电路路转转换换成成电电压压输输出出。由由于于输输出出电电压压与与被被测测压压力力之之间间成成比比例例关关系系， 所所以以只只要要用用检检测测仪仪表表测测量量出出输输出出电电压压， 即即可可得得知知被测压力被测压力的大小。的大小。 3.1 自感式传感器自感式传感器343.1 自感式传感器小结自感式传感器小结 3.1.1 工作原理工作原理（掌握）（掌握） 3.1.2 变气隙式自感传感器（掌握）变气隙式自感传感器（掌握） 3.1.3 变面积式自感传感器变面积式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路（了解）自感式传感器测量电路（了解）3.1 自感式传感器自感式传感器
