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1、,第3章 变电抗式传感器,3.1 自感式传感器3.2 差动变压式传感器3.3 电涡流式传感器3.4 电容式传感器,工作原理,变阻抗式传感器是利用被测量改变磁路的磁阻，导致线圈电感量的变化，或利用被测量改变传感器的电容量，或者利用被测量线圈的等效阻抗等，实现对非电量的检测。种类：电感式传感器、电容传感器、电涡流式传感器和压磁式传感器。,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.1 工作原理,用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按
2、，我们会 发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。,实 验：将一只220V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如下图所示。开始毫安表的示值约为几十毫安。,气隙变小，电感变大，电流变小,3.1.1 工作原理,电磁感应定律(1831年)：当一个线圈中电流i变化时，该电流产生的磁通也随之变化，因而在线圈本身产生感应电势el自感。磁路欧姆定律传感器电感量计算：,自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。,3.1.1 工作原理,自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁
3、芯和衔铁由导磁材料制成。,构 成：,3.1.1 工作原理,3.1.1 工作原理,l i 各段导磁体的长度；U i各段导磁体的磁导率；S i 各段导磁体的截面积；空气隙的厚度；U0 真空磁导率S 空气隙截面积,通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即,变气隙型传感器变截面型传感器,3.1.1 工作原理,3.1.1 工作原理,分 类：,a)变气隙型 b)变面积型 c)螺线管型,线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，构成螺线管型自感传感器。,特 点：结构简单、工作可靠、测量力小分辨率高、能测量0.1um以下的机械位移，能感受0.1角秒的转角位移变化。传感器的输出信号强，有利于信号的
4、传输和放大，一般每毫米的变化可达数百毫伏的输出。重复性能好、线性度宽且较稳定。不宜于高频动态信号的测量。,3.1.1 工作原理,在铁芯和衔铁之间有空气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。,3.1.2 变气隙式自感传感器,原 理：,衔铁移动,气隙改变,磁阻变化,电感值变化,3.1.2 变气隙式自感传感器,3.1.2 变气隙式自感传感器,L与之间是非线性关系,当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,当衔铁上移时，则，代入式（）式并整理得,3.1.2 变气隙式自感
5、传感器,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,3.1.2 变气隙式自感传感器,对式（）（）作线性处理，即忽略高次项后可得,灵敏度为,变间隙式自感传感器的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,3.1.2 变气隙式自感传感器,差动变隙式电感传感器,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、L2,3.1.2 变气隙式自感传感器,（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
6、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。,对上式进行线性处理，即忽略高次项得,灵敏度k0为,3.1.2 变气隙式自感传感器,3.1.3 变面积式自感传感器,传感器气隙长度保持不变，令磁通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：,3.1.3 变面积式自感传感器,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。,3.1.4 螺线管式自感传感器,单线圈螺线管式自感传感器是由多层绕制的细长线圈、铁磁性壳体和可沿线圈轴向移动的活动衔铁组成。线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动
7、时，自感量将相应变化，构成螺线管型自感传感器。,螺线管式自感传感器有单线圈和差动式两种结构形式。,属于开磁路结构形式，由于螺管的长度有限，轴向磁场的不均匀分布造成分析起来比气隙式复杂。,1-螺线管线圈；2-螺线管线圈；3-骨架；4-活动铁芯,差动螺线管式电感传感器结构原理图,L10，L20分别为线圈、的初始电感值；,铁芯初始状态处于对称位置,3.1.4 螺线管式自感传感器,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，符号相反，具有差动特征。,式(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为,3.1.4 螺线管式自感
8、传感器,3.1.5 自感式传感器测量电路,1.调幅电路2.调频电路 3.调相电路 4.自感传感器的灵敏度,3.1.5 自感式传感器测量电路,自感式传感器：把被测量的变化转变为电感量的变化。,为了测出电感量的变化，要用转换电路把电感量的变化转换成电压（或电流）的变化。,转换电路类型：*调幅式：xA 调频式：xf（）调相式：x,3.1.5 自感式传感器测量电路,1.调幅电路,u0,(1)变压器电路,输出空载电压,初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0衔铁偏离中间零点时,使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用,z2,z1,u/2,u/2,图 变压器电桥,3.1.5 自感式传感器测量电路,传感器衔铁移动
9、方向相反时,空载输出电压,两种情况的输出交流电压大小相等，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，为了判别交流信号的相位，需接入专门的相敏检波电路。,3.1.5 自感式传感器测量电路,(2)相敏检波电路,差动衔铁处于中间位置：Z1=Z2=Z,U0=0;Z2增加，Z1减小时，u上正下负（蓝），R2压降大于R1压降；u上负下正（红），R2压降小于R1压降。电压表输出上负下正。,Z2减小，Z1增加时，u上正下负（蓝），R2压降小于R1压降；u上负下正（红），R2压降大于R1压降。电压表输出上正下负。,3.1.5 自感式传感器测量电路,电路作用：辨别衔铁位移方向。U0的大小反
10、映位移的大小，U0的极性反映位移的方向。,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的影响，,3.1.5 自感式传感器测量电路,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。,(3)谐振式调幅电路,谐振点的自感值,3.1.5 自感式传感器测量电路,2.调频电路,传感器自感变化将引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,3.1.5 自感式传感器测量电路,传感电感变化将引起输出电压相位变化,3.调相电路,4.自感传感器的灵敏度,传感器结构灵敏度
11、 转换电路灵敏度,总灵敏度,3.1.5 自感式传感器测量电路,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 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,3.1.5 自感式传感器测量电路,3.1.6 自感式传感器应用举例,1.自感式位移传感器 2.自感式压力传感器,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,1.自感式位移传感器,变隙式自感压力传感器结构图,2.自感式压力传感器,当压力进入膜盒时，膜
12、盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。,变隙差动式电感压力传感器,当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。,2.自感式压力传感器,电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。,差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化
13、。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。变隙式 变面积式 螺线管式,3.2 差动变压器,特点,变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的磁电机构，很像变压器的工作原理，称为变压器式传感器。次级绕组都用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多,有变隙式、变面积式和螺线管式等,但其工作原理基本一样。非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器,它可以测量1100mm范围内的机械位移,并具有测量精度高,灵敏度高,结构简单,性能可靠等优点。,分类,变隙式差动变压器,分类,螺线管式差动变压器,分类,变面积式差动变压器,3.
14、2.1 变隙式差动变压器3.2.2 螺线管式差动变压器3.2.3 差动变压器应用,3.2.1 变隙式差动变压器,由衔铁、初级线圈、次级线圈、线圈框架组成。W1a及W1b为初级绕组，W2a及W2b为次级绕组，C为衔铁。,为反映差值互感，将两个初级绕组的同名端顺向串联，并施加交流电压U1 两个次级绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成电势U2。,1.工作原理,3.2.1 变隙式差动变压器,当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙为a0=b0=0两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将
15、发生相应的变化，使ab，两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压 电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理，使最终输出电压的极性能反映位移的方向。,3.2.1 变隙式差动变压器,.输出特性,在忽略铁耗（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下等效电路。r1a与L1a,r1b与L1b,r2a与L2a,r2b与L2b，分别为W1a,W1b,W2a,W2b绕组的电阻与电感。,3.2.1 变隙式差动变压器,当r1aL1a，r1bL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，得变隙式差动变压器输出电压U2的表达式，即,分析：当衔铁处于初始平衡位置时，
16、因a=b=0，则U2=0。如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动（假设向上移动为正）时，则有a=0-，b=0+，代入上式可得,3.2.1 变隙式差动变压器,变隙式差动变压器输出电压Uo与位移的关系曲线。,零点残余电压：差动变压器可动衔铁处在中间位置时，理想条件下U0=0；而实际U0为几mV到几十mV。,图3.2.3 变隙式差动变压器输出特性 理想特性；实际特性,3.2.1 变隙式差动变压器,（）供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度 K值;（）增加W2/W1的比值和减少0都能使灵敏度K值提高;（）以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得 到的;如果考虑这些影响，将会使传
17、感器性能变差（灵敏度降 低，非线性加大等）。但是，在一般工程应用中是可以忽略（）以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的，而实际上 很难做到这一点;因此传感器实际输出特性存在零点残余电 压Uo（）上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的，但如果直接 配接低输入阻抗电路，须考虑变压器副边电流对输出特性 的影响。,变隙式差动变压器灵敏度K的表达式为,.螺线管式差动变压器,1.工作原理2.基本特性 3.主要性能4.零点残余电压及消除方法5.转换电路,.螺线管式差动变压器,1.工作原理,-活动衔铁；-导磁外壳；-骨架；-匝数为W1初级绕组；-匝数为W2a的次级绕组；-匝数为W2b的次级绕组,.螺线管
18、式差动变压器,1.工作原理,当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1M2，因而E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b 随着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化。,.螺线管式差动变压器,1.工作原理,当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压不等于零。把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作Uo，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。,.螺线管式差动变压器,.基本特性,当次级开路时有,初级线圈激励电流,根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为,次级两
19、绕组反相串联，且考虑到次级开路，则,输出电压有效值,.螺线管式差动变压器,.基本特性,上式说明，当激磁电压的幅值和角频率、初级绕组的电阻r1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。,输出电压的有效值为,.螺线管式差动变压器,.基本特性,（1）当活动衔铁处于中间位置时，M1=M2=M 则 U2=0（2）当活动衔铁向W2a方向移动时，M1=M+M,M2=M-M 故（3）当活动衔铁向W2b方向移动时，M1=M-M，M2=M+M 故,.螺线管式差动变压器,.主要性能,
20、（1）灵敏度（2）线性度,.螺线管式差动变压器,.主要性能,差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以V/mm/V表示。理想条件下，差动变压器的灵敏度KE正比于电源激励频率f.,（1）灵敏度,图3.2.7 KE与f关系曲线,.螺线管式差动变压器,.主要性能,（1）灵敏度,提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。,除了激励频率和输入激励电压对差动变压器灵敏度有影响外，提高线圈品质因数Q值，增大衔铁直径，选择导磁性能好，铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等可以提高灵敏度。,.螺线管式差动变压器,.主要性能,（2）线性度,线性度:传感器实际特性曲线与理论直线
21、之间的最大偏差 除以测量范围（满量程），并用百分数来表示。影响差动变压器线性度的因素:骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。改善差动变压器的线性度:取测量范围为线圈骨架长度的1/10-1/4，激励频率采用中频，配用相敏检波式测量电路,.螺线管式差动变压器,4.零点残余电压及消除方法,零点残余电压危害：使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。,.螺线管式差动变压器,4.零点残余电压及消除方法,零点残余电压产生原因：主要是由传
22、感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。零点残余电压的波形由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波（主要是三次谐波）产生原因：是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。,.螺线管式差动变压器,4.零点残余电压及消除方法,减小零点残余电压措施：,（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈窗口要一致，两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕
23、制也要均匀。（2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。其思路是，由于两个二次侧线圈的等效参数不相等，用拆圈的方法，使两者等效参数相等。（3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。,.螺线管式差动变压器,5.转换电路,能辨别移动方向 消除零点残余电压（1）差动整流电路（2）相敏检波电路（3）直流差动变压器电路,.螺线管式差动变压器,5.转换电路,（1）差动整流电路,(a)、(b)适用于高阻抗负载(c)、(d)适用于低阻抗负载电阻R0用于调整零点残余电压。,.螺线管式差动变压器,5.转换电路,（1）差动整流电路,从图（c）电路结构可知，不论两个次级线圈
24、的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流方向总是从6到8，故整流电路的输出电压为,.螺线管式差动变压器,5.转换电路,（1）差动整流电路,.螺线管式差动变压器,5.转换电路,（2）相敏检波电路,（a）相敏检波电路原理图；（b）us、u2为正半周时等效电路；(c)us、u2为负半周时等效电路,.螺线管式差动变压器,5.转换电路,（2）相敏检波电路,相敏检波电路波形,(a）被测位移变化波形图；(b)差动变压器激励电压波形；(c)差动变压器输出电压波形；(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形,.螺线管式差动变压器,5.转换电路,（3）直流差动变压
25、器电路,应用场合：需要远距离测量，便携，防爆及同时使用若干个差动变压器，且需避免相互间或对其它仪器设备产生干扰的场合。,3.2.3 差动变压器应用,1.力和力矩的测量2.微小位移的测量3.压力测量4.加速度传感器,1.力和力矩的测量,1线圈2衔铁3弹性元件,优点：承受轴向力时应力分布均匀；当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。,2.微小位移的测量,1测端2防尘罩3轴套4圆片簧5测杆6磁筒7磁芯8线圈9弹簧10导线,3.压力测量,微压力传感器 1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔,传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计,4.加速度传感器,1 悬臂梁；2 差动变压器,
