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1、,自感式传感器 Self Inductive Sensors,工作原理变气隙式自感传感器变面积式自感传感器螺线管式自感传感器自感式传感器测量电路自感式传感器应用举例,One of many advantages of using magnetic field for sensing position and distance is that any nonmagnetic material can be penetrated by the field with no loss of position accuracy.,Another advantage is the magnetic sen
2、sors can work in severe environments and corrosive situations because the probes and targets can be coated with inert materials that will not adversely affect the magnetic fields,工作原理,线圈自感 Coil self induction,线圈总磁链flux linkage,单位：韦伯；I通过线圈的电流circuit，单位：安培；W线圈的匝数number of turns；Rm磁路总磁阻reluctance，单位：1/
3、亨。,a)气隙型 b)截面型 c)螺管型air-gap cross-sectional area solenoid自感式传感器原理图,上一页,返 回,下一页,l i 各段导磁体的长度；U i各段导磁体的磁导率permeability；S i 各段导磁体的截面积；空气隙的厚度；thickness U0 真空磁导率S 空气隙截面积,变气隙型传感器变截面型传感器,线圈中放入圆形衔铁 可变自感 螺管型传感器。,上一页,返 回,下一页,For a simple coil with no magnetic material in the vicinity,this value is proportiona
4、l to the current through the coil:,变气隙variable air gap式自感传感器,通常气隙的磁阻远大于铁芯core和衔铁armature的磁阻,L与之间是非线性关系,上一页,返 回,下一页,当衔铁处于初始位置initial position时，初始电感量为,当衔铁上移时，则，代入式（3.1.6）式并整理得,上一页,返 回,下一页,上式用泰勒级数展开成如下的级数形式,同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有,上一页,返 回,下一页,对式（3.1.11）（3.1.13）作线性处理，即忽略高次项后可得,灵敏度为sensitivity,变间隙式自感传感器的
5、测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器,上一页,返 回,下一页,差动differential变隙式电感传感器,1-铁芯；2-线圈；3-衔铁,当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2,上一页,返 回,下一页,对上式进行线性处理，即忽略高次项得,灵敏度k0为,（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）单线圈是忽略 以上高次项，差动式是忽略 以上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。,上一页,返 回,下一页,变面积式variable area自感传感器,传感器
6、气隙长度保持不变，令磁通magnetic flux截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为,灵敏度,变面积式自感传感器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；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。,上一页,返 回,下一页,螺线管式solenoid自感传感器,1-螺线管线圈；2-螺线管线圈；3-骨架；4-活动铁芯,L10，L20分别为线圈、的初始电感值；,上一页,返 回,下一页,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,两只线圈的灵敏度大小相等，
7、符号相反，具有差动特征。,式(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为,上一页,返 回,下一页,自感式传感器测量电路,1.调幅电路amplitude modulation circuit 2.调频电路frequency-modulation circuit3.调相电路 phase modulation circuit4.自感传感器的灵敏度sensitivity of self inductive sensor,上一页,返 回,下一页,1.调幅电路,u0,(1)变压器电路power transformer,输出空载电压no-load potential,初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0衔
8、铁偏离中间零点时,使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用,z2,z1,u/2,u/2,上一页,返 回,下一页,传感器衔铁移动方向相反时,空载输出电压,两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器phase sensitive rectifier来解决,上一页,返 回,下一页,(2)相敏检波电路 phase sensitive rectifier,当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+Z增加，则Z2=Z-Z减少。这时当电源u上端为正，下端为负时，电阻R1上的压降大于R2上的压降；当u上端为负，下端为正时，R2上压降则大于R1上
9、的压降，电压表V输出上端为正，下端为负。,上一页,返 回,下一页,非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路,使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压residual voltage at zero的影响，,上一页,返 回,下一页,(3)谐振式调幅电路resonance amplitude modulation circuit,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。,上一页,返 回,下一页,上一页,返 回,下一页,2.调频电路 frequency-modulation circuit,传感器自感变化将引
10、起输出电压频率的变化,灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合,3.调相电路 phase modulation circuit,传感电感变化将引起输出电压相位变化,上一页,返 回,下一页,4.自感传感器的灵敏度sensitivity of self inductive sensor,上一页,返 回,下一页,传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度,总灵敏度,第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小,气隙型、变压器电桥(power transformer bridge)传感器,传感器灵敏度的单位为 mV/(mV)电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏
11、,上一页,返 回,下一页,自感式传感器应用举例,1.自感式位移传感器 displacement sensor 2.自感式压力传感器 pressure sensor,上一页,返 回,下一页,1.自感式位移传感器self inductive displacement sensor,1 传感器引线 2 铁心套筒 3 磁芯 4 电 感 线 圈 5 弹 簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测 杆 9 密封件 10玛瑙测端,上一页,返 回,下一页,2.自感式压力传感器 self inductive pressure sensor,变隙式自感压力传感器结构图,变隙差动式电感压力传感器,上一页,返 回,output impedance Zout,The output impedance Zout is important to know to better interface a sensor with the electronic circuit.This impedance is connected in parallel with the input impedance Zin of the circuit(voltage connection),
