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1、传感器与检测技术传感器与检测技术防灾科技学院防灾仪器系防灾科技学院防灾仪器系主讲教师主讲教师:姚振静姚振静Sensor&Detecting Technology2主要内容主要内容3.1 自感式传感器自感式传感器3.2 差动变压器差动变压器3.3 电容传感器电容传感器3.4 电涡流式传感器电涡流式传感器第三章第三章 变阻抗式传感器变阻抗式传感器原理与应用原理与应用33.2 差动变压器差动变压器互感式传感器互感式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器。变化的传感器。差动变压器式传感器差动变压器式传感器次级绕组用差动形式次级绕组用差动形式结构：结构：变隙式
2、、变面积式、变隙式、变面积式、螺线管式螺线管式优点：优点：测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠43.2.1 变隙式差动变压器变隙式差动变压器3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2.3 差动变压器应用差动变压器应用3.2 差动变压器3.2 差动变压器差动变压器53.2.1 变隙式差动变压器变隙式差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈、由衔铁、初级线圈、次级线圈、线圈框架组成。线圈框架组成。W1a及及W1b为初级绕组，为初级绕组，W2a及及W2b为次级绕组，为次级绕组，C为衔铁。为衔铁。为反映差值互感，将两个初级为反映差值互感，将两个初级绕
3、组的绕组的同名端顺向串联同名端顺向串联，并施，并施加交流电压加交流电压U1两个次级绕组的两个次级绕组的同名端反向串同名端反向串联联，同时测量串联后的合成电，同时测量串联后的合成电势势U2。1.工作原理工作原理3.2 差动变压器差动变压器6当当没有位移没有位移时，衔铁时，衔铁C处于初始处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙平衡位置，它与两个铁芯的间隙有有a0=b0=0。则绕组则绕组W1a和和W2a间的互感间的互感Ma与与绕组绕组W1b和和W2b的互感的互感Mb相等，相等，致使两个次级绕组的互感电势相致使两个次级绕组的互感电势相等，即等，即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联，由于次级绕组反相串联，
4、差动变差动变压器输出电压：压器输出电压：U2=e2a-e2b=0。3.2 差动变压器差动变压器3.2.1 变隙式差动变压器变隙式差动变压器7当当被被测测体体有有位位移移时时，与与被被测测体体相相连连的的衔衔铁铁的的位位置置将将发发生生相相应应的的变变化化，使使ab，互互感感MaMb，两两次次级级绕绕组组的的互互感感电电势势e2ae2b，输输出出电电压压U2=e2a-e2b0，即即差差动动变变压压器器有有电电压压输输出，出，此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。向。3.2 差动变压器差动变压器3.2.1 变隙式差动变压器变隙式差动变压器83.2.
5、1 变隙式差动变压器变隙式差动变压器2.输出特性输出特性在在忽忽略略铁铁耗耗（即即涡涡流流与与磁磁滞滞损损耗耗忽忽略略不不计计）、漏漏感感以以及及变变压压器器次次级级开开路路（或或负负载载阻阻抗抗足足够够大大）的的条条件件下下等等效效电电路。路。r1a与与L1a,r1b与与L1b,r2a与与L2a,r2b与与L2b，分分别别为为W1a,W1b,W2a,W2b绕组的电阻与电感。绕组的电阻与电感。3.2 差动变压器差动变压器9当当r1aL1a，r1bM2，因因而而E2a增增加加，而而E2b减小减小。反反之之，E2b增增加加，E2a减减小小。因因为为Uo=E2a-E2b，所所以以当当E2a、E2b
6、随随着着衔衔铁铁位位移移x变变化化时时，Uo也也必将随必将随x而变化。而变化。3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器183.2.2 螺线管式差动变压器3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器193.2.2 螺线管式差动变压器当当衔衔铁铁位位于于中中心心位位置置时时，差差动变压器输出电压不等于零动变压器输出电压不等于零。把把差差动动变变压压器器在在零零位位移移时时的的输输出出电电压压称称为为零零点点残残余余电电压压，记记作作Uo，它它的的存存在在使使传传感感器器的的输输出出特特性性不不经经过过零零点点，造造成成实实际际特特
7、性性与与理理论论特特性性不不完完全一致。全一致。3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器203.2.2 螺线管式差动变压器零零点点残残余余电电压压产产生生原原因因：主主要要是是由由传传感感器器的的两两次次级级绕绕组组的的电电气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。参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。基基波波产产生生的的主主要要原原因因是是：传传感感器器的的两两次次级级绕绕组组的的电电气气参参数数、几几何何尺尺寸寸不不对对称称，导导致致它它们们产产生生的的感感应应电电势势幅幅值值不不等等、相相位位不不同同，因因此此不不论论怎怎样
8、样调调整整衔衔铁铁位位置置，两两线线圈圈中中感感应应电电势势都都不不能完全抵消。能完全抵消。高高次次谐谐波波（主主要要是是三三次次谐谐波波）产产生生原原因因：是是磁磁性性材材料料磁磁化化曲曲线线的的非非线线性性（磁磁饱饱和和、磁磁滞滞）。磁磁化化曲曲线线是是表表示示物物质质中中的的磁磁场场强强度度H与所感应的与所感应的磁感应强度磁感应强度B或或磁化强度磁化强度M之间的关系。之间的关系。3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器213.2.2 螺线管式差动变压器 2.基本特性基本特性根据差动变压器等效电路。根据差动变压器等效电路。当次级开路时当次级开路时 U初级
9、线圈激励电压；初级线圈激励电压；激励电压激励电压U的角频率；的角频率；I1初级线圈激励电流；初级线圈激励电流；r1、L1初级线圈电阻和电感。初级线圈电阻和电感。.3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器223.2.2 螺线管式差动变压器根据电磁感应定律，根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为次级绕组中感应电势的表达式分别为 由由于于次次级级两两绕绕组组反反相相串串联联，且且考考虑虑到到次次级级开开路路，则则由由以以上上关关系可得系可得 3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器233.2.2 螺线管式差动变压器上
10、上式式说说明明，当当激激磁磁电电压压的的幅幅值值和和角角频频率率、初初级级绕绕组组的的电电阻阻r1及及电电感感L1为为定定值值时时，差差动动变变压压器器输输出出电电压压仅仅仅仅是是初初级级绕绕组组与两个次级绕组之间互感之差的函数。与两个次级绕组之间互感之差的函数。只只要要求求出出互互感感M1和和M2对对活活动动衔衔铁铁位位移移x的的关关系系式式，可可得得到到螺螺线管式差动变压器的基本特性表达式。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输出电压的有效值为 3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器243.2.2 螺线管式差动变压器 活动衔铁处于中间位
11、置时活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M Uo=0 活动衔铁向上移动时活动衔铁向上移动时 M1=M+M M2=M-M 与与E2a同极性。同极性。.3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器253.2.2 螺线管式差动变压器 活动衔铁向下移动时活动衔铁向下移动时 M1=M-M，M2=M+M 与与E2b同极性。同极性。.3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器263.2.2 螺线管式差动变压器 3.主要性能主要性能 （1）灵敏度）灵敏度差差动动变变压压器器在在单单位位电电压压激激励励下下，铁铁芯芯移移动动一一个个单单位位距距离
12、离时时的的输出电压，以输出电压，以(V/mm)/V表示。表示。OA段段:kE随随f的增加而增加的增加而增加AB段：段：kE 趋于定值。趋于定值。BC段段：铁铁芯芯有有效效阻阻值值增增大大，铁铁芯发热，芯发热，kE随随f的增加而下降。的增加而下降。3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器273.2.2 螺线管式差动变压器（2）线性度）线性度线线性性度度:传传感感器器实实际际特特性性曲曲线线与与理理论论直直线线之之间间的的最最大大偏偏差差除除以测量范围（满量程），并用百分数来表示。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影响差动变压器线
13、性度的因素:骨骨架架形形状状和和尺尺寸寸的的精精确确性性，线线圈圈的的排排列列，铁铁芯芯的的尺尺寸寸和和材材质质，激励频率和负载状态等。激励频率和负载状态等。改善差动变压器的线性度改善差动变压器的线性度:取测量范围为线圈骨架长度的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。，激励频率采用中频。3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器283.2.2 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及消除方法零点残余电压危害：零点残余电压危害：使使传传感感器器输输出出特特性性在在零零点点附附近近的的范范围围内内不不灵灵敏敏，限限制制分
14、分辨力的提高。辨力的提高。零零点点残残余余电电压压太太大大，将将使使线线性性度度变变坏坏，灵灵敏敏度度下下降降，甚甚至至会会使使放放大大器器饱饱和和，堵堵塞塞有有用用信信号号通通过过，致致使使仪仪器器不不再再反映被测量的变化。反映被测量的变化。3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器293.2.2 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及消除方法产生零点残余电压的原因：产生零点残余电压的原因：（1）由由于于两两个个二二次次测测量量线线圈圈的的等等效效参参数数不不对对称称，使使其其输输出出的的基基波波感感应应电电动动势势的的幅幅值值和和相相
15、位位不不同同，调调整整磁磁芯芯位位置置时，也不能达到幅值和相位同时相同。时，也不能达到幅值和相位同时相同。（2）由由于于铁铁芯芯（导导磁磁材材料料）的的磁磁化化曲曲线线的的非非线线性性，产产生生高次谐波不同，不能互相抵消。高次谐波不同，不能互相抵消。3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器30（1）差差动动变变压压器器的的输输出出是是交交流流电电压压(用用交交流流电电压压表表测测量量，只只能能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向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）测量值中将包含零点残余电压为为了了达达到到能能辨辨别别移
16、移动动方方向向和和消消除除零零点点残残余余电电压压的的目目的的，实实际际测量时，常常采用测量时，常常采用差动整流电路差动整流电路和相敏检波电路。和相敏检波电路。(1)差动整流电路差动整流电路 把把差差动动变变压压器器的的两两个个次次级级输输出出电电压压分分别别整整流流，然然后后将将整整流流的的电压或电流的差值作为输出。电压或电流的差值作为输出。3.2.2 螺线管式差动变压器 5.转换电路转换电路3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器313.2.2 螺线管式差动变压器 5.转换电路转换电路3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动
17、变压器323.2.2 螺线管式差动变压器 5.转换电路转换电路从从图图（c）电电路路结结构构可可知知，不不论论两两个个次次级级线线圈圈的的输输出出瞬瞬时时电电压压极极性性如如何何，流流经经电电容容C1的的电电压压是是U24，流流经经电电容容C2的的电电压压U68，故故整整流流电电路的输出电压为路的输出电压为 3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器333.2.2 螺线管式差动变压器 5.转换电路转换电路 当当衔衔铁铁在在零零位位时时，因因为为U24=U68，所所以以U2=0；当当衔衔铁铁在在零零位位以以上上时时，因因为为U24 U68，则则U2 0；而而当当
18、衔衔铁铁在在零零位位以以下下时时，则则有有U24 U68，则，则U2 0。U2的正负表示衔铁位移的方向。的正负表示衔铁位移的方向。3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2 差动变压器差动变压器343.2.1 变隙式差动变压器变隙式差动变压器3.2.2 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器3.2.3 差动变压器应用差动变压器应用3.2 差动变压器差动变压器3.2 差动变压器差动变压器353.2.3 差动变压器应用可可直直接接用用于于位位移移测测量量，也也可可以以测测量量与与位位移移有有关关的的任任何何机机械械量量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。如振动、加速度、应变、比重
19、、张力和厚度等。测测量量时时，将将悬悬臂臂梁梁底底座座及及差差动动变变压压器器的的线线圈圈骨骨架架固固定定，而而将将衔衔铁铁的的A端端与与被被测测振振动动体体相相连连，此此时时传传感感器器作作为为加加速速度度测测量量中中的的惯惯性性元元件件，它它的的位位移移与与被被测测加加速速度度成成正正比比，使使加加速速度度测测量量转转变变为为位位移移的的测测量量。当当被被测测体体带带动动衔衔铁铁以以x(t)振振动动时时，导导致致差差动动变变压压器器的的输输出出电电压压也也按按相同规律变化。相同规律变化。3.2.3 差动变压器应用差动变压器应用3.2 差动变压器差动变压器差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器363.2 差动变压器差动变压器37383940413.2.1 变隙式差动变压器（掌握）变隙式差动变压器（掌握）3.2.2 螺线管式差动变压器（掌握）螺线管式差动变压器（掌握）3.2.3 差动变压器应用（了解）差动变压器应用（了解）3.2 差动变压器3.2 差动变压器小结差动变压器小结3.2 差动变压器差动变压器