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传感器原理及应用第3章 电感式传感器幻灯片
第3章 电感式传感器 Inductive Sensors 绪 论 电感式传感器是利用线圈自感(self-inductance of coils ) 或互感(mutual inductance of coils)的改变来实现测量的一种装置。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。 电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感,在将被测量转换成线圈自感或互感的变化时,一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有电感绕组。 反之,当铁芯向上移动同样大小的距离时,Z2=Z-ΔZ, Z1=Z+ΔZ,得: (4)线性度 一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的1/10~1/4。 (5)温度特性 差动变压器的使用温度通常为80℃ 3.2.2差动变压器的测量电路 1.差动整流电路 根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性,在f点为“+”,e点为“–”,则电流路径是fgdche(参看图a)。反之,如f点为“–”,e点为“+”,则电流路径是ehdcgf。可见,无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何,通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图(b),其值为USC=eab+ecd。 全波整流电路和波形图 ~ e1 R R c a b h g f d e USC 衔铁在 零位以下 eab t t t eab t t t eab t ecd t USC t ecd USC USC ecd 衔铁在 零位以上 衔铁在 零位 (b) (a) 在f点为“+” ,则电流路径是fgdche (参看图a)。反之,如f点为“–” ,则电流路径是ehdcgf。 2、相敏检波电路 容易做到输出平衡,便于阻抗匹配。图中调制电压er和e同频,经过移相器使er和e保持同相或反相,且满足ere。调节电位器R可调平衡,图中电阻R1=R2=R0,电容C1=C2=C0,输出电压为UCD。 当铁芯在中间时,e=0,只有er起作用,输出电压UCD=0。若铁芯上移,e≠0,设e和er同相位,由于ere,故er正半周时D1、D2仍导通,但D1回路内总电势为er+e,而D2回路内总电势为er-e,故回路电流i1>i2输出电压UCD=R0(i1–i2)0。当er负半周时, R i1 ~ e1 R1 R2 e21 e22 C2 C1 er 移相器 D1 D4 D3 D2 C D A B i3 i2 i4 e UCD=R0(i4-i3)0,因此铁芯上移时输出电压UCD0。当铁芯下移时,e和er相位相反。同理可得UCD0。 由此可见,该电路能判别铁芯移动的方向。 3.零位残余电压的补偿 当差动变压器的衔铁处于中间位置时,理想条件下其输出电压为零。但实际上,当使用桥式电路时,在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在,称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区;零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和,影响电路正常工作等。 0 u0 x -x u00 零点残余电压产生原因: ①基波分量。由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致,因此它的等效电路参数(互感M、自感L及损耗电阻R)不可能相同,从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀,线圈匝间电容的存在等因素,使激励电流与所产生的磁通相位不同。 ②高次谐波。高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响,使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通,从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外,激励电流波形失真,因其内含高次谐波分量,这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。 消除零点残余电压方法: 1.从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性,首先,要求提高加工精度,线圈选配成对,采用磁路可调节结构。其次,应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理,消除残余应力,以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知,磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。 2.选用合适的测量线路 采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向,而且把衔铁在中间位置时,因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图,采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2,从而消除了零点残余电压。 u0 +x -x 2 1 0 相敏检波后的输出特性 3.采用补偿线路 ①由于两个次级线圈感应电压相位不同,并联电容可改变其一的相位,也可将电容C改为电阻,如图(a)。由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化,从而改变磁化曲线的工作点,减小
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