傳感器與檢測技術

1、1傳感器與檢測技術 同濟大學電子與信息工程學院控制科學與工程系同濟大學電子與信息工程學院控制科學與工程系主講教師：蘇永清 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系4-1 自感式傳感器2氣隙型電感傳感器工作原理？測量交流電橋有什么特點？變壓器電橋的特點？第4章 電感式傳感器 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系定義：定義：是一種利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的裝置。是一種利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的裝置。感測量感測量：位移、振動、壓力、應變、流量、比重等。：位移、振動、壓力、應變、流量、比重等。種類種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理

2、，分自感式和互感式兩種；：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。根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型、面積型和螺管型。優(yōu)點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量力小結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量力小銜鐵為銜鐵為0.520010-5N時，磁吸力為時，磁吸力為(110)10-5N。分辨力高分辨力高機械位移：機械位移：0.1m，甚至更??；角位移：，甚至更??；角位移：0.1角秒。角秒。輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm 。重復性好，線性度優(yōu)良重復性好，線性度優(yōu)良在幾十在幾十m到數(shù)百到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好

3、，且比較穩(wěn)定。比較穩(wěn)定。不足不足：存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)測量。：存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)測量。 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系4123(a)氣隙式 (b)變截面式一、氣隙型電感傳感器工作原理12ll銜鐵移動 改變磁阻變化電感值變化lSlSlSlRm0222111221211220mNlllLNSSSRlSNL02 l1：鐵芯磁路總長；l2：銜鐵的磁路長；S：氣隙磁通截面積； S1：鐵芯橫截面積；S2：銜鐵橫截面積；1：鐵芯磁導率；2：銜鐵磁導率；0：真空磁導率，0=410-7Hm； l：空氣隙總長。 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子

4、與信息工程學院控制科學與工程系5 可見，自感可見，自感L是氣隙截面積和長度的函數(shù)，即是氣隙截面積和長度的函數(shù)，即Lf(S,l) 如果如果S保持不變，則保持不變，則L為為l的單值函數(shù)，構(gòu)成的單值函數(shù)，構(gòu)成變隙式自感傳變隙式自感傳感器感器；若保持；若保持l不變，使不變，使S隨位移變化，則構(gòu)成隨位移變化，則構(gòu)成變截面式變截面式自感傳感器自感傳感器。其特性曲線如圖。其特性曲線如圖。lSNL02 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系2 2、特性分析、特性分析主要特性:靈敏度和線性度。當鐵芯和銜鐵采用同一種導磁材料，且截面相同時，因為氣隙l一般較小，故可認為氣隙磁通截面與鐵

5、芯截面相等，設磁路總長為 l ，則 rrrmllSlllSR11100rrmllSR01rrmllKllNSRNL1202K=0N 2S一般r1，所以rlllKLL11當氣隙減少l時 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系 rrlllllLLL1rrllllllllLL1111111自感的相對變化211111111rrrllllllllllllLL同理，當總氣隙長度增加l時，自感減小為L2，即rllllLL221111111rrrllllllllllll 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系若忽略高次項，則自感變化靈敏度為 rLll

6、lLlLK11rllll11線性度lLL1L2 L0l0當氣隙l發(fā)生變化時，自感的變化與氣隙變化均呈非線性關系，其非線性程度隨氣隙相對變化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L1L2，其差值隨l/l的增加而增大。 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系差動差動變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)由兩個電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成。當銜鐵3移動時，一個線圈的自感增加，另一個線圈的自感減少，形成差動形式。如將這兩個差動線圈221111112rrllllllllLLLLLEUSC1342RR(l- l)/2(l- l)

7、/2分別接入測量電橋鄰臂，則當磁路總氣隙改變l時，自感相對變化為rLlllLlLK1122)(11rllll 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系差動式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍差動式自感傳感器非線性失真小,如當l/l=10時 (略去llr), 單線圈10；而差動式的1。75502505075100L/mHl/mm10025LD43211234- l l對差動氣隙式傳感器其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,因此只能適當選取。一般差動變隙式自感傳感器l/l0.10.2時，可使傳感器非線性誤差在3左右。其工作行程很小,若取

8、l2mm,則行程為(0.20.5)mm；較大行程的位移測量,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 線圈與差動自感特性；4 特性曲線差動式自感傳感器的輸出特性 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系（二）測量電路（二）測量電路1 1、交流電橋、交流電橋交流電橋是自感傳感器的主要測量電路，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Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=LE為橋路電源，ZL是負載阻抗。工作時，Z1

9、=Z+Z和Z2=Z-ZZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流電橋原理圖USCE2121RRZZZRZZZZEULLSC2 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系其輸出電壓幅值 LjRLjREZZEUSSSC22當ZL時ELRLELRRLUSSSSC2222222222)(22LRRZS輸出阻抗 SSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222SRLQ為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系橋路輸出電壓Usc包含與電源E同相和正交兩個分量。在實際測量中，只希望有同相分量，如能使 或Q值比較大，均能達到

10、此目的。但在實際工作時，RS/RS一般很小，所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù)。當Q值很高時，Usc ； SSRRLLLLE 2當Q值很低時，自感線圈的電感遠小于電阻，電感線圈相當于純電阻(ZRs)，交流電橋即為電阻電橋。例如，應變測量儀就是如此，此時輸出電壓Usc= 。 該電橋結(jié)構(gòu)簡單，其電阻R1、R2可用兩個電阻和一個電位器組成，調(diào)零方便。 SSRRE 2 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系Z1Z2USCE/2E/2E變壓器電橋原理圖I2 2、變壓器電橋、變壓器電橋平衡臂為變壓器的兩個副邊，當負載阻抗為無窮大時，流入工作臂的電流為 21ZZEI212122122ZZZZEEZZZEUSC初始Z1=Z2=Z=RS+jL，故平衡時，USC=0。雙臂工作時，設Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相當于差動式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動，則ZZEUSC2同理反方向移動時ZZEUSC2 電子與信息工程學院控制科學與工程系電子與信息工程學院控制科學與工程系可見，銜鐵向不同方向移動時，產(chǎn)生的輸出電壓Usc大小相等、方向相反，即相位互差180，可反映銜鐵移動的方向。但是