第四章 电感式传感器
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第四章 电感式传感器. 电磁感应. 测量电路. 被测非电量. 自感系数 L. U 、 I 、 f. 互感系数 M. 自感式传感器. 电感式传感器. 互感式传感器. 电涡流式传感器. §4.1 自感式传感器. 线圈. 铁芯. δ. Δ δ. 衔铁. §4.1.1 自感式传感器的工作原理. 线圈匝数. I 为线圈中所通交流电的有效值。. 总磁阻. 图 4-1 变磁阻式传感器. 两式联立得 :. 2. 导磁率 H/m. 磁导率. 而. 其中. 空气导磁率.

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Presentation Transcript

电磁感应

测量电路

被测非电量

自感系数L

U、I、f

互感系数M

自感式传感器

电感式传感器

互感式传感器

电涡流式传感器


§4.1 自感式传感器

线圈

铁芯

δ

Δδ

衔铁

§4.1.1 自感式传感器的工作原理

线圈匝数

I 为线圈中所通交流电的有效值。

总磁阻

图4-1 变磁阻式传感器

两式联立得:

2


导磁率H/m

磁导率

其中

空气导磁率

如果A保持不变,则L为δ的单值函数,构成变气隙式自感传感器

若保持δ不变,使A随被测量(如位移)变化,则构成变截面式自感传感器


L

L= f (A)

L= f (δ)

δ,A

图4-3 电感传感器特性


F

实验:

220V



线圈

铁芯

δ

Δδ

衔铁

§4.1.2 变气隙式自感传感器的输出特性

衔铁下移



衔铁上移

忽略高次项:


§4.1.3 差动式自感传感器

在实际使用中,常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式自感传感器,两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外,对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿,从而减少了外界影响造成的误差。


3

1

4

4

3

4

3

1

2

4

2

1

图4-4是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时,一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减少,形成差动形式。

(a) 变气隙型

(b) 变面积型

(c) 螺管型

图4-4 差动式自感传感器

1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆


L1

R1

δ

R2

L2

衔铁

变气隙型差动式自感传感器

衔铁下移:


上式中不存在偶次项,显然差动式自感传感器的非线性误差在上式中不存在偶次项,显然差动式自感传感器的非线性误差在±Δδ工作范围内要比单个自感传感器的小得多。

忽略高次项:

提高一倍


差动式上式中不存在偶次项,显然差动式自感传感器的非线性误差在与单线圈电感式传感器相比,具有下列 优点:

① 线性好;

② 灵敏度提高一倍,即衔铁位移相同时,输出信号大一倍;

③ 温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响,由于能互相抵消而减小;

④ 电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。


R上式中不存在偶次项,显然差动式自感传感器的非线性误差在c

C

Z

Re

L

§4.1.4 自感式传感器的等效电路

实际传感器中,线圈不可能是纯电感,它包括线圈的铜损电阻RC;铁芯的涡流损耗电阻Re;由于线圈和测量设备电缆的接入,存在线圈固有电容和电缆的分布电容,用集中参数C表示。

图4-6 等效电路


Z上式中不存在偶次项,显然差动式自感传感器的非线性误差在1

R1

ZL

R2

Z2

§4.1.5 自感式传感器的测量电路

1. 电阻平衡臂交流电桥

差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作臂(Z1、Z2为两个差动传感器线圈的复阻抗),另两个桥臂用平衡电阻R1、R2代替。

图4-7 交流电桥

设初始时 Z1= Z2= Z = RS+jωL;

R1 = R2 = R ;L1= L2= L0 。


对差动变气隙式自感传感器:上式中不存在偶次项,显然差动式自感传感器的非线性误差在

可见,电桥输出电压与Δδ有关,相位与衔铁移动方向有关。由于是交流信号,还要经过适当电路(如相敏检波电路)处理才能判别衔铁位移的大小及方向。


L/上式中不存在偶次项,显然差动式自感传感器的非线性误差在mH

100

75

50

25

0

25

50

75

100

δ/mm

1

3

4

2

1、2为两线圈的电感特性,

1

3为两线圈差接时的电感特性,

2

图线4为差接后电桥输出电压与位移间的特性曲线。

说明:电桥输出电压的大小与衔铁的位移量Δδ有关,相位与衔铁的移动方向有关。

4

-Δδ

Δδ

若设衔铁向上移动Δδ为负,则U0为负;衔铁向下移动Δδ为正,则U0为正,相位差180°。

3


~上式中不存在偶次项,显然差动式自感传感器的非线性误差在

电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗

I

C

电桥A点的电位为:

Z1

A

C点为正

Z2

D

D点为正

B

图4-8 变压器交流电桥

B点电位为


上式中不存在偶次项,显然差动式自感传感器的非线性误差在

初始位置

衔铁下移


衔铁上移 上式中不存在偶次项,显然差动式自感传感器的非线性误差在

若线圈的Q值很高,损耗电阻可忽略,则

由上式可知,当衔铁向上、向下移动相同的距离时,产生的输出电压大小相等,但极性相反。由于是交流信号,要判断衔铁位移的大小及方向同样需要经过相敏检波电路的处理。


变压器电桥与电阻平衡臂电桥相比,具有元件少,输出阻抗小,桥路开路时电路呈线性的优点,但因为变压器副边不接地,易引起来自原边的静电感应电压,使高增益放大器不能工作。变压器电桥与电阻平衡臂电桥相比,具有元件少,输出阻抗小,桥路开路时电路呈线性的优点,但因为变压器副边不接地,易引起来自原边的静电感应电压,使高增益放大器不能工作。


交流电桥的不平衡状态变压器电桥与电阻平衡臂电桥相比,具有元件少,输出阻抗小,桥路开路时电路呈线性的优点,但因为变压器副边不接地,易引起来自原边的静电感应电压,使高增益放大器不能工作。

① 单臂交流电桥

② 半桥差动电路

③ 全桥差动电路


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