1、,Chapter 4 电感式传感器及其应用,L、M-sensors,nonelectric,L or M,特征：以磁场为媒介 Nonelectric：位移、振动、压力、加速度、液位、物料面等 特点：结构简单、Ro小、Pout大、线性好、灵敏、可靠、稳定、寿命长。 缺陷：存在AC零点残余、动态响应慢。 种类：自感式、互感式、电涡流、压磁式,41自感式传感器 Lsensor,磁路定律：iN/Rm 感生电动势： L= -Ldi/dt = -Nd/dt 即 Li N ,问题1：磁路定律？,L是 、 S的函数 ,变气隙式： L与成反比，非线性，但灵敏 变面积式： L与S成正比，线性，但灵敏度差,L/L=
2、 ( / ) / (1 / ),A 考虑线性项L/L= /,B 考虑二次项L/L= /(1 / ),非线性误差 / （0.10.2）,一、变气隙Lsensor,灵敏度KL (L/L)/ =1/,二、差动变气隙Lsensor,灵敏度KL (L/L)/ =2/ 提高1倍 非线性误差 （/）减少近1个数量级,3,问题2：差动两个线圈如何连接？,三、变面积Lsensor,灵敏度KL (L/L)/a =1/a,差动形式（大间隙漏磁）,L/L= b /b,差动： L/L= 2b /b,灵敏度KL (L/L)/b =2/b,灵敏度KL (L/L)/b =1/b,b,b,另外，对外界干扰、环境温度变化、电源波
3、动磁力等相互抵消，测量精度提高。,其中g20/ln(d2/d1)柱面间的比磁导,四、Lsensor等效电路,R使电感的有效品质因数Q减小，耗损D增大,问题3：Q如何定义？其意义？,五、 Lsensor输出电路,半桥差动输出 u0 =u/2 * Z /Z,u0 =u/2 * L /L,Circuit KC u0 / (L/L),Sensor KL (L/L)/ =2/O,Total K KL KC = u0 / 单位：mV/m,六、Lsensor零点残余电压,产生的原因：两线圈的等效参数不完全相等引起的谐波干扰。 若太大，会引起末级放大器饱和，是出厂时的重要指标，要求：200倍放大后 80mV，
4、即e040uV,42互感式传感器 Msensor,互感式传感器是互感线圈随铁芯位置变化而变化的变磁阻装置，类似变压器，但有不同。,常接为差动形式又称差动变压器 有变气隙、面积，螺线管形式，其原理相近，下面以螺线管为例：,一、 Msensor 结构和工作原理,当原边加某一频率的正弦AC电压i时，则输出为：o 1 2,1)当铁芯位于中心位置时, M1=M2, 1 2，输出为：o 1 2 0,2)当铁芯上移时，M1 M2, 1 2 ，输出为：o 1 2， o 0,3)当铁芯下移时，M1M2, 1 2 ，输出为：o 1 2， o 0,问题4：这样的测量电路能否判断移动方向？,零点残余电压Ux 电桥平衡
5、时的输出电压,产生的原因：变压器制作、线圈和导磁体安装不对称。 若太大，会引起末级放大器饱和，要减少,方法：1）从结构上：coils和磁路对称2）从电路上：差动整流（最彻底）,二、 Msensor 等效电路,o 1 2 = -jM1p (-jM2p) 大小为：,三、 Msensor 测量电路,UoUaUd UabUcd,1)当铁芯位于中心位置时,UabUcd，Uo 0,2)当铁芯上移时，M1 M2, UabUcd ，输出为： Uo 0,2)当铁芯下移时，M1 M2, UabUcd ，输出为： Uo0,1、全桥差动整流电路,1 为差动变压器的输出电压， 2为同频参考电压，一般U2U1 ， U2=
6、(35)U1,2、二极管相敏检波电路,1)当10时， 2正半周 D4、D3导通，i4i3 ，I i4i3 0,2负半周 D1、D2导通，i2i1 ，I i2i1 0,2)当10时， （1）1 、 2同相， 2正半周 D4、D3导通，D4回路M端电压2 1” ，D3回路M端电压， 2 - 1” ,2负半周 D1、D2导通，,2)当10时， （2）1 、 2反相时， 2正半周 D4、D3导通，D4端电压2 1 ，D3端电压， 2 1 ,2负半周 D1、D2导通，,43 电涡流式传感器,一、电涡流效应：,产生电涡流的2个条件： 1）大块导体 2）变化的磁场,金属或导体在交变的磁场中，导体内部产生的感
7、生电流。,问题5：何为电涡流？,二、 基本结构和工作原理,1、构成1）探头：偏平线圈骨架,高频反射式低频透射式,2）类型,L=L(, f, x) Z=Z(, f, x) Q=Q (, f, x),2、工作原理,3、等效电路,设导体上的电涡流与coil的互感系数为M，则,M是,f,x的函数,L =L(,f,x) Q =Q(,f,x) Z=Z(,f,x),Coil的等效电阻 和等效电感为：,（unloaded ）,问题6：M增大，L、Q、Z如何变化？,三、 测量电路,1、调频式电路,克拉勃电容三点式振荡器,问题7：L、Q、Z如何变为V、I、f？,2、定频调幅电路,问题8：LC并联谐振时，阻抗max
8、 or min？,3、变频调幅电路,电容三点式振荡器输出电压幅值、频率均发生变化，此电路只考虑幅值变化、电路简单，成本低，而且灵敏度高、线性范围宽，被广泛使用。,44 压磁式传感器,利用铁磁材料的压磁效应（磁弹性）原理设计的sensor,一、压磁效应 铁磁材料在磁场中（磁化）沿磁场方向伸长或缩短的现象磁致伸缩效应。 铁磁材料在外力作用下，其磁学性质变化的现象压磁效应。,压磁效应具体内容： 材料受到压力，在平行于作用力方向 减小，在垂直于作用力方向增加； 材料受到拉力，在平行于作用力方向 增加，在垂直于作用力方向减小。 外力撤除后，复原。 压磁效应与外磁场相关。,主要的压磁材料有： 坡莫合金Sn
9、含量高，较贵 铁氧体Sn含量较高，易脆 硅钢片 Sn含量较高，常用,二、 压磁sensor的结构和工作原理,1、单方向磁导率变化的压磁sensor补充,2、双方向磁导率变化的压磁sensor,问题9：不受作用力时3、4有输出否？,双向压磁sensor的结构和工作原理,45 电感式传感器的应用,一、测气体压力,二、 加速度计,什么类的传感器？,三、 测厚仪,d,d愈大，电涡流损耗愈大，u2愈小,测量范围：1-100 mm 分辨力：100 nm 线性度：1,四、 温度计,感温元件（导体）,隔热衬底,电涡流coil,管架,补偿coil,原理： 对导体,随温度变化，导致电涡流传感器的L或Q发生变化，通过测量电路检测f或V来判断温度变化。,五、测液位,测液位,电涡流传感器,张力传感器,作 业,4-3 4-5,
