传感器原理及电路设计第9讲课件.ppt
前言,电感式传感器是建立在电磁感应基础上的，具体为利用被测量(位移、振动、压力、流量、比重)的变化引起线圈自感系数L或互感系数M的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。根据转换原理的不同，电感式传感器可分为自感式(变磁阻式)和互感式(变压器式、涡流式)两大类。,0.差动变压器,差动变压器式传感器,把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。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形式连接，故称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，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。,1.变隙式差动变压器,差动变压器式传感器,1. 工作原理初级绕组W1a=W1b=W1次级绕组W2a=W2b=W2初级绕组的同名端顺向串联次级绕组的同名端反相串联,变隙式差动变压器,差动变隙式电感,注意区别,1.变隙式差动变压器,差动变压器式传感器,1. 工作原理初级绕组W1a=W1b=W1，初级绕组的同名端顺向串联次级绕组W2a=W2b=W2，次级绕组的同名端反相串联,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有a0=b0=0，则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压Uo=e2a-e2b=0。,1.变隙式差动变压器,差动变压器式传感器,1. 工作原理初级绕组W1a=W1b=W1，初级绕组的同名端顺向串联次级绕组W2a=W2b=W2，次级绕组的同名端反相串联,当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使ab，互感MaMb，两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压Uo=e2a-e2b0，即差动变压器有电压输出， 此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。,1.变隙式差动变压器,差动变压器式传感器,2. 输出特性在忽略铁损(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绕阻的直流电阻与电感。,当r1aL1a，r1bL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，可得变隙式差动变压器输出电压Uo的表达式,1.变隙式差动变压器,差动变压器式传感器,分析：衔铁于初始平衡位置，a=b=0，则Uo=0。衔铁移动(设向上为正)时，有a=0-，b=0+，可得：,“”号的意义：当衔铁向上移动时，/0定义为正，变压器输出电压Uo与输入电压Ui反相(相位差180)；而当衔铁向下移动时，/0则为-|/0|，表明Uo与Ui同相。,上式表明：变压器输出电压Uo与衔铁位移量/0成正比。,1.变隙式差动变压器,差动变压器式传感器,灵敏度K的表达式为：,输出特性曲线,1.理想特性2.实际特性,结论： 首先，供电电源Ui要稳定（获取稳定的输出特性）；其次，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件；增加W2/W1的比值和减小0能使灵敏度K提高。(W2/W1影响变压器的体积及零点残余电压。一般选择0为0.5 mm。)；以上结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容等条件下得到的，如考虑这些影响，将会使传感器性能变差(灵敏度降低，非线性加大等)。但在一般工程应用中可以忽略； 以上结果是在假定工艺上严格对称的前提下得到的，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；变压器副边开路的条件对由电子线路构成的测量电路来讲容易满足，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。,2.螺线管式差动变压器,差动变压器式传感器,1. 工作原理,两次级线圈反相串联，且忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容。当初级绕组加以激励电压U时，在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势E2a和E2b。如果保证变压器结构完全对称，则当衔铁处于初始平衡位置时，两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理, 将有E2a=E2b。由于两次级绕组反相串联, 因而Uo=E2a-E2b=0，即差动变压器输出电压为零。,等效电路图,结构图,2.螺线管式差动变压器,差动变压器式传感器,当衔铁向上移动时，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。而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。当衔铁位于中心位置时，输出电压并不等于零，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，它的存在使传感器输出特性不经过零点，造成实际与理论特性不完全一致。,2.螺线管式差动变压器,差动变压器式传感器,2. 基本特性根据等效电路，当次级开路时,根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势分别为：,2.螺线管式差动变压器,差动变压器式传感器,次级两绕组反相串联且开路，有：,上式说明，当激磁电压的幅值U和角频率、 初级绕组的直流电阻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：,2.螺线管式差动变压器,差动变压器式传感器, 活动衔铁处于中间位置时,M1=M2=M,故,Uo=0, 活动衔铁向上移动时,M1 =M+M， M2 =M-M,故, 活动衔铁向下移动时,M1 =M-M， M2 =M+M,故,2.螺线管式差动变压器,差动变压器式传感器,3. 测量电路根据等效电路，当次级开路时,（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向);（2）测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。 以下以差动整流电路为例,2.螺线管式差动变压器,差动变压器式传感器,差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。,当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0；当衔铁在零位上时，因为U24 U68 ，则U2 0；当衔铁在零位下时， 则有U24 U68，则U2 0。U2的正负表示衔铁位移的方向。,3.差动变压器式传感器的应用,差动变压器式传感器,可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。,测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连， 此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。,差动变压器式加速度传感器,悬臂梁,差动变压器,3.差动变压器式传感器的应用,差动变压器式传感器,3-HSS三坐标数控机床运动学标定,
