傳感器與測(cè)試技術(shù)課件第六章電感式傳感器-1

1、第二篇 常用傳感器的原理及應(yīng)用,1.掌握三種電感式傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)性能 2.掌握其測(cè)量電路 3.了解電感式傳感器的應(yīng)用,第6章 電感式傳感器,電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。常用來(lái)測(cè)量位移、壓力、流量、振動(dòng)等物理參數(shù)。,分類:,6.1 自感式電感傳感器,1、工作原理可變磁阻式,原理:電磁感應(yīng),自感L與氣隙成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積A成正比。,變氣隙式自感傳感器,輸出特性非線性；為獲得較高靈敏度，氣隙的初始值0不宜過(guò)大。 為獲得較好的線性關(guān)系，須限制測(cè)量范圍，使銜鐵位移在較小范圍內(nèi)變化，(0 ),一般取=(0.10.2)0 變氣隙式傳感器適用于微小位移的測(cè)

2、量，測(cè)量范圍：0.0011mm。,變面積式自感傳感器,輸出特性為線性，因此測(cè)量范圍大。 要提高靈敏度，氣隙厚度不能過(guò)大。,螺管式自感傳感器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移(數(shù)毫米)測(cè)量。,工作原理：當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。,2、差動(dòng)式自感傳感器,兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的自感線圈組合在一起形成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，可提高靈敏度，改善輸出特性的非線性，實(shí)際中常用。,當(dāng)/1時(shí)，可將上式展開(kāi)成級(jí)數(shù)：,差動(dòng)方式時(shí)：,靈敏度：,為原來(lái)的兩倍。,比較：,顯然，若不考慮包括2次項(xiàng)以上的高次項(xiàng)，則 成比例關(guān)系，因此高次項(xiàng)的存在是造成非線性的原因。,當(dāng)氣隙相對(duì)變化/1時(shí)，高次項(xiàng)迅速減小

3、，非線性得到改善。然而，這會(huì)使傳感器的測(cè)量范圍變小，因此對(duì)輸出特性線性的要求和對(duì)測(cè)量范圍的要求是相互矛盾的。這正是取/ =0.10.2的原因。 當(dāng)構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器時(shí)，輸出與L1+L2有關(guān)，它不存在偶次項(xiàng)，因此差動(dòng)式電感傳感器的非線性明顯改善。,差動(dòng)式自感傳感器的特性：,將傳感器兩線圈接于電橋的相鄰橋臂時(shí)，其輸出靈敏度可提高一倍，并改善了非線性特性，補(bǔ)償干擾影響。,3、測(cè)量電路,差動(dòng)式自感傳感器的線圈可以用復(fù)阻抗Z等效，常采用交流電橋、諧振電路等測(cè)量。,交流電橋,將直流電橋的電阻R用阻抗Z代替，阻抗寫成矢量形式，則交流電橋平衡條件為：,若阻抗寫成復(fù)指數(shù)形式時(shí)，平衡條件為:,交流電橋有不同的組

4、合，常用的有電容、電感電橋，其相鄰兩臂接入電阻，而另外兩臂接入相同性質(zhì)的阻抗，例如都是電容或電感。,a) 電容電橋 b)電感電橋,圖a電容電橋的平衡條件,圖b所示的電感電橋，其平衡條件,即使純電阻交流電橋，導(dǎo)線之間形成的分布電容也會(huì)影響橋臂阻抗值，相當(dāng)于在各橋臂的電阻上并聯(lián)了一個(gè)電容，因此須進(jìn)行電阻和電容的平衡調(diào)節(jié)。,交流電阻電橋,直流電橋采用直流電源作激勵(lì)電源，穩(wěn)定性好； 電橋的平衡電路簡(jiǎn)單，其輸出為直流量，可用直流儀表測(cè)量，精度高； 電橋的連接導(dǎo)線不會(huì)形成分布電容，因此對(duì)連接導(dǎo)線的方式要求低； 缺點(diǎn)：易引入工頻干擾；作直流放大時(shí)，由于直流放大器一般比較復(fù)雜，且易受零漂和接地電位的影響。 直

5、流電橋適合于靜態(tài)量的測(cè)量。,交流電橋輸出為交流信號(hào)（調(diào)幅波），外界工頻干擾不易被引入電路；但要求供橋電源穩(wěn)定性好。 交流放大電路簡(jiǎn)單，且沒(méi)有零漂的影響。,直流電橋,交流電橋,變壓器電橋靈敏度和精度高，性能穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛。,變壓器電橋（帶感應(yīng)耦合臂的電橋）,變壓器電橋的特性,輸出電壓,輸出電壓的大小和極性反映了被測(cè)量的性質(zhì)（如位移的大小及方向）。,交流電橋的調(diào)制與解調(diào),被測(cè)量經(jīng)傳感器變換輸出的電信號(hào)多為低頻緩變的微弱信號(hào)，還往往有各種噪聲信號(hào)。 為了將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)，往往給被測(cè)信號(hào)賦予一定特征調(diào)制的主要功用。,調(diào)制就是用被測(cè)信號(hào)（稱為調(diào)制信號(hào)）去控制載波信號(hào)，讓后者的某一特征

6、參數(shù)按前者變化。 在將被測(cè)信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程稱為解調(diào)。,1)目的：解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問(wèn)題，提高被測(cè)信號(hào)抗干擾能力。,常用的調(diào)制方法 載波信號(hào)為高頻正弦信號(hào)（幅值、頻率、相位）,即調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相； 載波信號(hào)為脈沖信號(hào)（寬度等），即脈沖調(diào)寬。,對(duì)應(yīng)于正弦信號(hào)的三要素：幅值、頻率和相位，調(diào)制可分為調(diào)幅AM、調(diào)頻FM和調(diào)相PM；其波形分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。,2)調(diào)幅與解調(diào)原理,調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)(載波)與被測(cè)信號(hào)相乘，使載波信號(hào)的幅值隨被測(cè)信號(hào)的變化而變化。,載波信號(hào),調(diào)幅信號(hào),由傅里

7、葉變換的性質(zhì)：,則,調(diào)幅過(guò)程,調(diào)幅過(guò)程相當(dāng)于“頻譜”搬移過(guò)程,若調(diào)制信號(hào)為簡(jiǎn)諧信號(hào)（正弦或余弦，單一頻率fs），調(diào)幅波的頻譜也是離散譜，以載波信號(hào)f0為中心，僅僅位于頻率f0 fs和f0 fs兩個(gè)邊頻處，其幅值等于兩個(gè)信號(hào)幅值乘積的1/2。,若調(diào)制信號(hào)為一般周期信號(hào)，其包含多個(gè)頻率分量(f1、f2 、)，則調(diào)幅波的頻譜仍為離散譜，譜線以載波信號(hào)f0為中心，分別位于f0f1、f0 f2、，即調(diào)制信號(hào)的每一個(gè)頻率分量均產(chǎn)生一對(duì)邊頻。,為了正確進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，調(diào)幅信號(hào)的頻寬（2fm）相對(duì)于中心頻率（載波頻率f0）應(yīng)越小越好，實(shí)際載波頻率通常f010fm 解調(diào)時(shí)，濾波器能較好地將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)分開(kāi)，

8、檢出調(diào)制信號(hào)。但載波頻率的提高受到后續(xù)放大電路截止頻率的限制。,若調(diào)制信號(hào)為瞬態(tài)信號(hào)(連續(xù)譜，信號(hào)最高頻率fm)，則調(diào)幅波的頻譜也是連續(xù)譜，位于f0 fm之間。只有f0fm，頻譜不會(huì)產(chǎn)生交疊現(xiàn)象。,幅值調(diào)制裝置實(shí)質(zhì)上是一個(gè)乘法器，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常采用交流電橋作調(diào)制裝置，以高頻振蕩電源供給電橋作為載波信號(hào)，則電橋的輸出為調(diào)幅波。,被測(cè)信號(hào)的頻率為010Hz,載波的頻率為f0 100 Hz； f0 3000 Hz,放大器的通頻帶應(yīng)為29903010 Hz,解調(diào)原理同步解調(diào),從時(shí)域看：,調(diào)制與解調(diào)的載波信號(hào)相同同步解調(diào),幅度調(diào)制與解調(diào)過(guò)程（波形與頻譜分析）,幅度調(diào)制與解調(diào)過(guò)程（數(shù)學(xué)描述）,3)幅值調(diào)制信號(hào)的解調(diào)相敏檢波電路,相敏檢波電路(與濾波器配合)可以將調(diào)幅波還原成原信號(hào)波形，起解調(diào)作用；并具有鑒別信號(hào)相位的能力。,下面給出典型的二極管相敏檢波電路及其輸入輸出關(guān)系圖。它由四個(gè)特性相同的二極管D1D4沿同一方向串聯(lián)成一個(gè)橋式回路，橋臂上有附加電阻，用于橋路平衡。四個(gè)端點(diǎn)分別接在變壓