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传感器与测试技术课件第六章电感式传感器-1

时间:2023-01-26 03:36:54  热度:3°C

1、第二篇 常用传感器的原理及应用/1/掌握三种电感式传感器工作原理及结构性能 2/掌握其测量电路 3/了解电感式传感器的应用/第6章 电感式传感器/电感式传感器是基于电磁感应原理,它是把被测量转化为电感量的一种装置。常用来测量位移、压力、流量、振动等物理参数。/分类//6/1 自感式电感传感器/1、工作原理可变磁阻式/原理/电磁感应/自感L与气隙成反比,而与气隙导磁截面积A成正比。/变气隙式自感传感器/输出特性非线性;为获得较高灵敏度,气隙的初始值0不宜过大。 为获得较好的线性关系,须***测量范围,使衔铁位移在较小范围内变化,(0 )/一般取=(0/10/2)0 变气隙式传感器适用于微小位移的测

2、量,测量范围:0/0011mm。/变面积式自感传感器/输出特性为线性,因此测量范围大。 要提高灵敏度,气隙厚度不能过大。/螺管式自感传感器/结构简单、制造容易,但灵敏度低,适用于较大位移(数毫米)测量。/工作原理:当铁芯在线圈中运动时,将改变磁阻,使线圈自感发生变化。/2、差动式自感传感器/两个结构完全相同的自感线圈组合在一起形成差动结构,可提高灵敏度,改善输出特性的非线性,实际中常用。/当/1时,可将上式展开成级数:/差动方式时:/灵敏度:/为原来的两倍。/比较:/显然,若不考虑包括2次项以上的高次项,则 成比例关系,因此高次项的存在是造成非线性的原因。/当气隙相对变化/1时,高次项迅速减小

3、,非线性得到改善。然而,这会使传感器的测量范围变小,因此对输出特性线性的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的。这正是取/ =0/10/2的原因。 当构成差动式电感传感器时,输出与L1+L2有关,它不存在偶次项,因此差动式电感传感器的非线性明显改善。/差动式自感传感器的特性:/将传感器两线圈接于电桥的相邻桥臂时,其输出灵敏度可提高一倍,并改善了非线性特性,补偿干扰影响。/3、测量电路/差动式自感传感器的线圈可以用复阻抗Z等效,常采用交流电桥、谐振电路等测量。/交流电桥/将直流电桥的电阻R用阻抗Z代替,阻抗写成矢量形式,则交流电桥平衡条件为:/若阻抗写成复指数形式时,平衡条件为//交流电桥有不同的组

4、合,常用的有电容、电感电桥,其相邻两臂接入电阻,而另外两臂接入相同性质的阻抗,例如都是电容或电感。/a) 电容电桥 b)电感电桥/图a电容电桥的平衡条件/图b所示的电感电桥,其平衡条件/即使纯电阻交流电桥,导线之间形成的分布电容也会影响桥臂阻抗值,相当于在各桥臂的电阻上并联了一个电容,因此须进行电阻和电容的平衡调节。/交流电阻电桥/直流电桥采用直流电源作激励电源,稳定性好; 电桥的平衡电路简单,其输出为直流量,可用直流仪表测量,精度高; 电桥的连接导线不会形成分布电容,因此对连接导线的方式要求低; 缺点:易引入工频干扰;作直流放大时,由于直流放大器一般比较复杂,且易受零漂和接地电位的影响。 直

5、流电桥适合于静态量的测量。/交流电桥输出为交流信号(调幅波),外界工频干扰不易被引入电路;但要求供桥电源稳定性好。 交流放大电路简单,且没有零漂的影响。/直流电桥/交流电桥/变压器电桥灵敏度和精度高,性能稳定,应用广泛。/变压器电桥(带感应耦合臂的电桥)/变压器电桥的特性/输出电压/输出电压的大小和极性反映了被测量的性质(如位移的大小及方向)。/交流电桥的调制与解调/被测量经传感器变换输出的电信号多为低频缓变的微弱信号,还往往有各种噪声信号。 为了将测量信号从含有噪声的信号中分离出来,往往给被测信号赋予一定特征调制的主要功用。/调制就是用被测信号(称为调制信号)去控制载波信号,让后者的某一特征

6、参数按前者变化。 在将被测信号调制,并将它和噪声分离,放大等处理后,还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号,这一过程称为解调。/1)目的:解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题,提高被测信号抗干扰能力。/常用的调制方法 载波信号为高频正弦信号(幅值、频率、相位)/即调幅、调频和调相; 载波信号为脉冲信号(宽度等),即脉冲调宽。/对应于正弦信号的三要素:幅值、频率和相位,调制可分为调幅AM、调频FM和调相PM;其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。/2)调幅与解调原理/调幅是将一个高频正弦信号(载波)与被测信号相乘,使载波信号的幅值随被测信号的变化而变化。/载波信号/调幅信号/由傅里

7、叶变换的性质:/则/调幅过程/调幅过程相当于“频谱”搬移过程/若调制信号为简谐信号(正弦或余弦,单一频率fs),调幅波的频谱也是离散谱,以载波信号f0为中心,仅仅位于频率f0 fs和f0 fs两个边频处,其幅值等于两个信号幅值乘积的1/2。/若调制信号为一般周期信号,其包含多个频率分量(f1、f2 、),则调幅波的频谱仍为离散谱,谱线以载波信号f0为中心,分别位于f0f1、f0 f2、,即调制信号的每一个频率分量均产生一对边频。/为了正确进行信号调制,调幅信号的频宽(2fm)相对于中心频率(载波频率f0)应越小越好,实际载波频率通常f010fm 解调时,滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开,

8、检出调制信号。但载波频率的提高受到后续放大电路截止频率的***。/若调制信号为瞬态信号(连续谱,信号最高频率fm),则调幅波的频谱也是连续谱,位于f0 fm之间。只有f0fm,频谱不会产生交叠现象。/幅值调制装置实质上是一个乘法器,在实际应用中经常采用交流电桥作调制装置,以高频振荡电源供给电桥作为载波信号,则电桥的输出为调幅波。/被测信号的频率为010Hz/载波的频率为f0 100 Hz; f0 3000 Hz/放大器的通频带应为29903010 Hz/解调原理同步解调/从时域看:/调制与解调的载波信号相同同步解调/幅度调制与解调过程(波形与频谱分析)/幅度调制与解调过程(数学描述)/3)幅值调制信号的解调相敏检波电路/相敏检波电路(与滤波器配合)可以将调幅波还原成原信号波形,起解调作用;并具有鉴别信号相位的能力。/下面给出典型的二极管相敏检波电路及其输入输出关系图。它由四个特性相同的二极管D1D4沿同一方向串联成一个桥式回路,桥臂上有附加电阻,用于桥路平衡。四个端点分别接在变压

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