同濟大學(xué)蘇永清_傳感器與檢測技術(shù)第4章-B自感式傳感器

1、1傳感器與檢測技術(shù) 同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系主講教師：蘇永清 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系二、 差動變壓器（一）結(jié)構(gòu)原理與等效電路 分氣隙型和差動變壓器兩種。目前多采用螺管型差動變壓器。1 初級線圈;2.3次級線圈;4銜鐵1243123(a)氣隙型(b)螺管型其基本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動變壓器根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)

2、式等形式。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系321212112(a)(b)(c)(d)12112差動變壓器線圈各種排列形式1 初級線圈；2 次級線圈；3 銜鐵3三節(jié)式的零點電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動變壓器的等效電路如圖。初級線圈的復(fù)數(shù)電流值為1111LjReIe2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1 e1初級線圈激勵電壓L1,R1初級線圈電感和電阻M1,M1分別為初級與

3、次級線圈1,2間的互感L21,L22兩個次級線圈的電感R21,R22兩個次級線圈的電阻I1激勵電壓的角頻率； e1激勵電壓的復(fù)數(shù)值；由于Il的存在，在次級線圈中產(chǎn)生磁通11121mRIN21122mRINRm1及Rm2分別為磁通通過初級線圈及兩個次級線圈的磁阻，N1為初級線圈匝數(shù)。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12221121IMjeIMje11212121mRNNINM21212222mRNNINM1111122212LjReMMjeeeN2為次級線圈匝數(shù)。因此空載輸出電壓在次級線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為21211212LReMMe22

4、212221LLjRRZ2222122221LLRRZ其幅數(shù)輸出阻抗或 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系副0e2e2e21e22x副原線圈差動變壓器輸出電勢e2與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系（二）（二） 誤差因素分析誤差因素分析1 1、激勵電壓幅值與頻率的影響、激勵電壓幅值與頻率的影響激勵電源電壓幅值的波動，會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。而頻率的波動，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。2 2、溫度變化的影響、溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化，引起線

5、圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵比恒壓源激勵有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動電橋可以減少溫度的影響。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系3 3、零點殘余電壓、零點殘余電壓 當(dāng)差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，當(dāng)使用橋式電路時，在零點仍有一個微小的電壓值(從零點幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點殘余電壓零點殘余電壓。如圖是擴大了的零點殘余電壓的輸出特性。零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū)；零點殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和，影

6、響電路正常工作等。 0e2x-xe20 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次諧波 4 三次諧波 5 電磁干擾ee1e20e2012345(a)殘余電壓的波形 (b)波形分析tt圖中e1為差動變壓器初級的激勵電壓，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系零點殘余電壓產(chǎn)生原因：零點殘余電壓產(chǎn)生原因：基波分量基波分量。由于差動變壓器兩個次級繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）

7、不可能相同，從而使兩個次級繞組的感應(yīng)電勢數(shù)值不等。又因初級線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。 高次諧波高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線非線性性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級繞組感應(yīng)出非正弦電勢。另外，激勵電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點殘余電壓中有高次諧波成分。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系消除零點殘余電壓方法：消除零點殘余電壓方法：1 1從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性

8、從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性 為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點應(yīng)選在磁化曲線的線性段。 2 2選用合適的測量線路選用合適的測量線路 采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到2，從而消除了零點殘余電壓。e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)

9、院控制科學(xué)與工程系3 3采用補償線路采用補償線路由于兩個次級線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級線圈的電阻分量。 e1e2CRe1e2CR(a)(b)調(diào)相位式殘余電壓補償電路 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02F)可防止調(diào)整電位器時使零點移動。e1e2CR1R2W電位器調(diào)零點殘余電壓補償電路 電子與

10、信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系R或L補償電路e1e2L0We1e2R0W(a)(b)接入R0(幾百k)或補償線圈L0(幾百匝)。繞在差動變壓器的初級線圈上以減小負(fù)載電壓，避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點殘余電壓。電路如圖。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系（三）測量電路（三）測量電路 差動變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向，因此常采用差動整流電路和相敏檢波電路進行測量。1 1、差動整流電路、差動整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級管單向?qū)ㄔ磉M行解調(diào)的。如傳感器

11、的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性，在f點為“”，e點為“”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點為“”，e點為“”，則電流路徑是ehdcgf?？梢姡瑹o論次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，通過電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個次級線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見圖（b），其值為USC=eabecd。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系全波整流電路和波形圖e1RRcabhgfdeUSC銜鐵在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd銜鐵在零位以上銜鐵在零位(b)(a)在f點為“” ，則電流路徑是fgdche

12、 (參看圖a)。反之，如f點為“” ，則電流路徑是ehdcgf。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系2 2、相敏檢波電路、相敏檢波電路 調(diào)節(jié)電位器R可調(diào)平衡，圖中電阻R1=R2=R0，電容C1=C2=C0，輸出電壓為UCD。 當(dāng)鐵芯在中間時,e=0,只有er起作用，輸出電壓UCD0。若鐵芯上移，e0，設(shè)e和er同相位，由于ere，故er正半周時D1、D2仍導(dǎo)通，但D1回路內(nèi)總電勢為ere，而D2回路內(nèi)總電勢為ere，故回路電流i1i2輸出電壓UCD=R0（i1i2）0。當(dāng)er負(fù)半周時，Ri1e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3

13、i2i4eUCD=R0(i4-i3)0，因此鐵芯上移時輸出電壓UCD0。當(dāng)鐵芯下移時，e和er相位相反。同理可得UCD0。由此可見，該電路能判別鐵芯移動的方向。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系（四）應(yīng)用（四）應(yīng)用測量振動、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。1. 1. 差動變壓器式加速度傳感器差動變壓器式加速度傳感器用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié)果。可測量的振幅為(0.15)mm，振動頻率為(0150)Hz。 穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)(a)220V加速度a方向a輸出1211 彈性支承 2 差

14、動變壓器 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系2. 微壓力變送器微壓力變送器 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系將差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式的壓力傳感器。220VV振蕩器穩(wěn)壓電源差動變壓器相敏檢波電路這種變送器可分檔測量( (5 510105 56 610105 5)N/m)N/m2 2壓力，輸出信號電壓為(0(050)mV50)mV，精度為1.5級。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與

15、工程系 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系三、三、 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場或在磁場中運動時，導(dǎo)體上引起感生電流ie，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合，稱為渦流。渦流大小與導(dǎo)體電阻率導(dǎo)體電阻率、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率

16、以及產(chǎn)生交變磁場的線圈與被測體之間距離距離x，線圈激勵電流的頻率頻率f有關(guān)。顯然磁場變化頻率愈高，渦流的集膚效應(yīng)愈顯著。即渦流穿透深度愈小，其穿透深度h可表示 導(dǎo)體電阻率(cm)；r導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率； f交變磁場頻率(Hz)?？梢?，渦流穿透深度h和激勵電流頻率f有關(guān)，所以渦流傳感器根據(jù)激勵頻率：高頻反射式高頻反射式或低頻透射低頻透射式兩類。 目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用廣泛。 fhr5030 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系第一節(jié)第一節(jié) 電渦流傳感器工作原理電渦流傳感器工作原理 電渦流效應(yīng)演示電渦流效應(yīng)演示 當(dāng)電渦流線當(dāng)電渦流線圈與金屬板的距圈與金屬板的距離

17、離x 減小時，電減小時，電渦流線圈的等效渦流線圈的等效電感電感L 減小，等減小，等效電阻效電阻R 增大。增大。感抗感抗XL 的變化比的變化比 R 的變化的變化 大大 得得 多，流過電渦流多，流過電渦流線圈的電流線圈的電流 i1 增增大。大。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系（一） 結(jié)構(gòu)和工作原理主要由一個安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開一條槽溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。 1234561 線圈 2 框架 3 襯套4 支架 5 電纜 6 插

18、頭 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系iedM電渦流傳感器原理圖傳感器線圈由高頻信號激勵，使它產(chǎn)生一個高頻交變磁場i，當(dāng)被測導(dǎo)體靠近線圈時，在磁場作用范圍的導(dǎo)體表層，產(chǎn)生了與此磁場相交鏈的電渦流ie，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場e阻礙外磁場的變化。從能量角度來看，在被測導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗（當(dāng)頻率較高時，忽略磁損耗）。能量損耗使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此當(dāng)被測體與傳感器間的距離d改變時，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。這便是電渦流傳感器的基本原理。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系32121111UIMjILjIR012222IMjILjIR等效電路模型：線圈的等效阻抗：)()(222222