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传感器;第三章 电感式传感器;第一节 工作原理;第一节 工作原理;图示自感传感器,因为气隙较小(δ为0.1~1mm),所以,认为气隙磁场是均匀的,若忽略磁路铁损,则磁路总磁阻为
li: 各段导磁体的长度;
μi:各段导磁体的磁导率;
Si: 各段导磁体的截面积;
μ0:真空磁导率,μ0=4π×10-7H/m;
S: 空气隙截面积;代入L,得
;*;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。;差动式与单线圈电感式传感器相比,具有下列优点:
① 非线性误差减小一个数量级;
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、外界干扰等环境因素对传感器精度的影响,能互相抵消,起到补偿作用。
;二、 互感式传感器
组成:基本元件有磁心、初级线圈、次级线圈和线圈框架。
一般形式:这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且传感器的二次侧线圈有两个,接线方式又是差动的,故常称之为差动变压器式传感器。
;基本原理:
一次线圈通入激励电流I1时,它将产生磁通Φ11(线圈N1所链磁通),其中将有一部分磁通Φ12将穿过匝数为N2的二次线圈,从而在线圈N2中产生互感电动势E 。
则二次线圈开路输出电压的表达式和其有效值为:
;结论:
输出电压信号将随互感M变化而变化;
传感器工作时,被测量的变化将使磁芯位移,后者引 起磁链ψ12和互感M变化,最终使输出电压变化。; 差动变压器的结构形式多种,按工作方式分为变气隙式、变面积式和螺管式;按结构形式分为五段式、四段式、三段式和两段式。
目前多采用螺管型差动变压器,可测量0-100mm的机械位移。;*;铁芯;螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二段式、三段式、四段式和五段式等形式。;第二节 转换电路和传感器灵敏度;
1、调幅电路
1.1、交流电桥
在第二章的电阻式传感器中已讨论。
1.2、变压器电桥
基本结构:Z1、Z2为传感器两个线圈的阻抗,另两臂为电源变压器二次侧线圈的两半,每半的电压为u/2。
;输出空载电压:
初始平衡, Z1=Z2=Z,u0=0。磁芯偏离中间零点,Z1=Z+ΔZ, Z2=Z-ΔZ,输出电压变为
;;1.3、谐振式调幅电路
基本组成:传感器自感L、固定电容C、变压器T。
;工作原理:
接入外接电源u后,变压器的二次侧将有电压 u0输出,输出电压频率与电源频率相同,幅度随L变化。
右图所示为输出电压u0与自感L的关系曲线,其中L0为谐振点的自感值。实际应用时可以使用特性曲线一侧接近线性的一段。;2、调频电路
基本结构:传感器自感L和一个固定电容C接入 一个震荡回路中(图中G表示振荡回路),其振荡频率为
当L变化时,振荡频率随之发生变化,根据f的大小可计算出被测量。;2、调频电路
基本原理:
振荡回路的振荡频率为
当L发生微小变化ΔL,频率变化Δf为
下图为L和f的特性曲线。;2、调频电路
从L和f的特性曲线可以看出,非线性严重,因此只能在动态范围很小的情况下或要求后续电路作适当处理的时候才能使用。
电路只有f较大的情况下,才能达到较高的精度。;;;4、自感传感器的灵敏度
定义:自感传感器的灵敏度是指传感器结构和转换电路综合在一起的总灵敏度。
传感器结构的灵敏度kt:自感值的相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比,
转换电路的灵敏度kc :空载输出电压与自感相对变化之比,
自感传感器的灵敏度kz:
;4、自感传感器的灵敏度
传感器的类型不同、转换电路不同,其灵敏度的表示式也不同。
;1、反串电路
直接把两个二次线圈反向串联,这时空载输出电压等于两个二次绕组感应电动势之差:;2、桥路;第三节 零点残余电压;第三节 零点残余电压;2、零残电压的形式及其对测量的影响
示波器上观察到的波形见图示。其中u代表电源电压,e0代表零点残余电压的波形。
零残电压包含基波和高次谐波两个部分。基波一般为与电源电压相正交的正交分量,还包括基波同相成分。高次谐波中有二次、三次谐波和幅值较小的外界电磁干扰波。
;1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波 5 电磁干扰波;零残电压的影响:零点残余电压过大,会使灵敏度下降,非线性误差增大,不同档位的放大倍数有显著差别,甚至造成放大器末级趋于饱和,致使仪器电路不能正常工作,甚至不再反映被测量的变化。在仪器放大倍数较大的时候,更要注意这个问题。
零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要标志之一。在制造传感器时,要规定其零点残余
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