《电感式传感器》PPT课件.ppt

第四章 电感式传感器,电感式传感器,定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非 电量电测的装置。 感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重 等。 种类：根据转换原理，分自感式、互感式、电涡 流式三种； 根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管 型。,优点： 结构简单、可靠，测量力小 分辨力高 机械位移0.1m，甚至更小；角位移0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 重复性好，线性度优良 在几十m到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。 能实现远距离传输、记录、显示和控制。 不足：存在交流零位信号，不宜高频动态测量。,4.1 自感式传感器,4.1.1 自感式传感器的工作原理,总磁阻,线圈匝数,两式联立得:,图4-1 变磁阻式传感器,I为线圈中所通交流电的有效值。,空气导磁率,而,其中,如果A保持不变，则L为的单值函数，构成变气隙式自感传感器,若保持不变，使A随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器，,图4-1 变磁阻式传感器,图4-2 变截面式传感器,图4-3 电感传感器特性,衔铁下移,4.1.2 变气隙式自感传感器的输出特性,忽略高次项：,衔铁上移,忽略高次项：,4.1.3 差动式自感传感器,在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。,差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈、和磁路组成, 测量时, 衔铁通过导杆与被测位移量相连, 当被测体上下移动时, 导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动, 使两个磁回路中磁阻发生大小相等, 方向相反的变化, 导致一个线圈的电感量增加, 另一个线圈的电感量减小, 形成差动形式。,图4-4是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。,图4-4 差动式自感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆,（a） 变气隙型,（b） 变面积型,（c） 螺管型,变气隙型差动式自感传感器,衔铁下移：,忽略高次项：,提高一倍,上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在工作范围内要比单个自感传感器的小得多。,差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点： 线性好； 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍； 温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小； 电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。,三种类型比较： 气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非线性严重，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，制造装配困难。 截面型自感传感器灵敏度较低，截面型的优点是具有较好的线性，因而示但范围可取大些。 螺管型自感传感器的灵敏度比截而型的更低，但示值范围大，线性也较好，得到广泛应用。,螺管式自感传感器,特点：测量范围大，数百毫米，灵敏度低，大量程直线位移。,差动螺管式自感传感器,测量范围 1 200mm 线性度 0.1% 1% 分辨率 0.01um,4.1.4 自感式传感器的等效电路,实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线圈的铜损电阻RC ；铁芯的涡流损耗电阻Re ；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数C表示。,图4-6 等效电路,1. 交流电桥式测量电路 图6-4所示为交流电桥测量电路, 把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2, 另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替, 对于高Q值（Q = L/R）的差动式电感传感器, 其输出电压 式中: L0衔铁在中间位置时单个线圈的电感; L单线圈电感的变化量。,4.1.5 自感式传感器的测量电路,2. 变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量电路如图所示, 电桥两臂Z1、 Z2为传感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷大时, 桥路输出电压,当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z时有=0, 电桥平衡。 当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此时,当传感器衔铁下移时, 则Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此时 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大小相等, 但方向相反, 由于 是交流电压, 输出指示无法判断位移方向, 必须配合相敏检波电路来解决。 ,当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动， 从而使气隙发生变化， 流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。 图4-10为变隙式差动电感压力传感器。它主要由C形弹簧管、 衔铁、 铁芯和线圈等组成。,当被测压力进入C形弹簧管时， C形弹簧管产生变形， 其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系， 所以只要用检测仪表测量出输出电压， 即可得知被测压力的大小。,4.2.1 互感式传感器的结构与工作原理 分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。,4.2 互感式传感器-差动变压器,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,(e)、(f) 变面积式差动变压器,(a)、(b) 变隙式差动变压器,(c)、(d) 螺线管式差动变压器,工作原理类似于变压器。主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。初、次级绕组的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的改变而变化。,初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，且以差动方式输出，相当于变压器的副边。所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称为差动变压器。,螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。,图4-10 差动变压器线圈各种排列形式 1 初级线圈；2 次级线圈；3 衔铁,(a) 二节式 (b) 三节式 (c) 四节式 (d) 五节式,三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。,差动变压器的等效电路,差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：,M1、M2初级绕组与两个次级绕组间的互感； LP、RP初级绕组的电感和有效电阻； LS1、LS2两个次级绕组的电感； RS1、RS2两个次级绕组的有效电阻；,当衔铁移向次级绕组LS1一边，互感M1增大，M2减小，因而次级绕组LS1内的感应电动势大于次级绕组LS2内的感应电动势，这时差动变压器输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。 当衔铁移向次级绕组LS2一边，差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。 因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。,当次级开路时，初级绕组的交流电流为：,次级绕组的感应电动势为：,由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为,e21,e22,差动变压器输出电势与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。,图4-12 差动变压器输出特性,1、激励电压幅值与频率的影响 激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。,4.2.2 影响差动变压器的输出特性的因数,2、温度变化的影响 周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。,3、零点残余电压 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。,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。,消除零点残余电压方法：,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。,相敏检波后的输出特性,2选用合适的测量线路,4.2.3 差动变压器的测量电路,1. 差动整流电路,图4-14 全波差动整流电路,无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压U0始终等于R1、R2两个电阻上的电压差。,根据半导体二级管单向导通原理。 若传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性在e点为“”，f点为“”，则电流路径是eacdbf。反之，如e点为“”，f点为“”，则电流路径是fbcdae。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R1上的电流总是从c到d 。同理，分析另一个次级线圈的输出情况可知：通过电阻R2上的电流总是从g到h 。 输出电压U0始终等于R1、R2两个电阻上的电压差。,铁芯在零位以上,铁芯在零位,铁芯在零位以下,图4-14 全波差动整流电路,结论： 铁芯在零位以上或零位以下时，输出电压的极性相反，。,容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电压和同频，经过移相器使和保持同相或反相，且满足 。,2 二级管相敏检波电路,当衔铁在中间位置时，位移x（t）= 0，传感器输出电压=0,只有起作用。,正半周时,因为是从中心抽头，所以u1= u ，故i= i。流经RL的电流为 i= i i =,负半周时,同理可知 i= i，所以流经RL的电流为 i= i i =,正半周时,故i i，流经RL的电流为 i= i i ,当衔铁在零位以上时，位移x（t） 0，与同频同相。,D2,负半周时,故i i，流经RL的电流为 i= i i ,i1,u1,u2,+,R,-,RL,R,D3,D1,D4,R,R,T1,T2,i2,-,+,e1,e2,+,-,+,-,正半周负半周,故i i。流经RL的电流为 i= i i ,当衔铁在零位以下时，位移x（t） 0，与同频反相。,同理:在负半周正半周时：,i i。流经RL的电流为 i= i i 表示i0的方向也与规定的正方向相反。,结论： 衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上的输出电压始终为0 衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为正。 衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为负。 由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。,图4-17 相敏检波前后的输出特性曲线,（a）,经过相敏检波电路后，正位移输出正电压， 负位移输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图4-17的（a）变成（b），残存电压自动消失。,（b）,4. 差动变压器式传感器的应用 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。 图4-21为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。 它由悬臂梁和差动变压器构成。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。,4.3 电涡流式传感器,4.3.1 电涡流式传感器的基本原理,涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。若一金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为，当线圈输入一交变电流i 时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为电涡流或涡流。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。,4.3.2 电涡流传感器的种类,电涡流在金属导体内的渗透深度为:,说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关。故电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。,电涡流传感器的等效电路,把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R1、电感为L1。这样线圈与被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距x的减小而增大。,图4-19 电涡流传感器等效电路,根据基尔霍夫定律，可列出下面的方程：,传感器线圈的等效阻抗为：,线圈的等效电阻和电感为：,当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流式传感器线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q发生变化，通过测量Z、L或Q就可求出被测量参数的变化。,高频(lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关，若只改变距离而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。 高频反射式涡流传感器多用于位移测量。,1. 高频反射式电涡流传感器,主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。,1 线圈 2 框架 3 衬套 4 支架 5 电缆 6 插头,电涡流传感器原理图,传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场i，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场e阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。,2. 低频透射式电涡流传感器,发射线圈L1和接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压u1加到线圈L1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板,使线圈L2产生感应电动势u2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势u2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势u2越小。因此，u2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关.试验表明u2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,因此，若金属板材料的性质一定，则利用u2的变化即可测厚度。,线圈L2 的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，即,式中 被测金属板的厚度； h贯穿深度。,测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为1kHz左右。 测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测量电阻率较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量较大的材料时，应选用较高的频率（如2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。,4.3.4 电涡流传感器的转换电路,电涡流传感器转换电路的作用就是将Z、L或Q转换为电压或电流的变化。阻抗Z