第3章 电感式传感器-3(西理工传感器原理及应用课件)

1、第八节 感应同步器又名测量（或精密）位移变压器（Inductosyn) 它是一种电磁感应式多极位置传感器元件。由于多极结构在电与磁两方面对误差起补偿作用，所以具很高的精度。一概述1. 定义：感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。2.直接测量的量： 直线位移（长感应同步器） 转角位移（圆感应同步器）3.组成： 长感应同步器由定尺和滑尺组成； 圆感应同步器由转子和定子组成。径向导线数径向导线数,也称极数也称极数,有有60、720、1080、512等。等。 4.制造方法： 首先将铜箔粘牢在金属（或玻璃）基板上，然后采用印刷电路工艺将定尺和滑尺，定子和转子印制成不同的分布绕

2、组（平面）。 一般在定尺和转子上是连续绕组，在滑尺和定子上是分段绕组。（正、余弦绕组，空间差90） 5.安装： 安装时，定尺和滑尺，转子和定子上的平面绕组面对面地放置。由于其间气隙的变化要影响到电磁耦合度的变化，因此，气隙一般必须保持在0.250.05mm范围内。 6.工作过程： 工作时，一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺和滑尺（或转子和定子）的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过对此信号的检测处理，便可测出直线或角位移。7.优点：1）具有较高精度和分辨力：圆（d=300mmd=300mm）：精度11 ，分辨力0.050.05；长（25

3、0mm250mm）：精度1.51.5 m m，分辨力0.05 0.05 m m；2）抗干扰能力强；3）使用寿命长，维护简单；（定、滑尺不接触）4）可作长距离位移测量；（可拼接，精度仍保持原单个定尺的精度）5）工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。广泛应用于大位移静态和动态测量中。例如三坐标测量机、数控机床中。二工作原理 感应电势随着滑尺相对定尺位置的移动而呈周期性变化，可将机械位置和电周期联系起来。 绕组的电阻一般要比绕组的电感大很多，因此绕组中的电流基本上与激励电压同相。脉振磁场 当一个矩形线圈通以电流I后，两根竖直部分的单元导线周围空间将形成环形封闭磁力线，此封闭磁力线在该矩形内产生一个

4、近似均匀的磁场，而它的幅值则按激励电流的瞬时值以正弦规律变化。这种在空间位置固定，而大小随时间变化的磁场称为脉振磁场。 对对矩形磁场矩形磁场采用谐波采用谐波分析的方法分析的方法又可分解又可分解为基波、三次、五次为基波、三次、五次等等。因此在下面等等。因此在下面的讨论中将只考虑基的讨论中将只考虑基波部分。波部分。二工作原理)bcos(tsinIk)(Bm1 2/bx2/bxAd)(B设感应线圈A的中心从激励线圈中心右移x，则穿过线圈A的磁通为这样，磁通密度B( )将按位置 做余弦规律变化，而且幅值与电流i=Imsin t成正比，即 x x x x x x eIxV由此可见感应线圈电势为bxcos

5、tsinIkb2m1A b2dsinxbcostsinIkb2)b2dxbsin()b2dxbsin(tsinIkb)2dx(bsin)2dx(bsintsinIkbbsinbtsinIkdbcostsinIkm1m1m12/dx2/dxm12/dx2/dxm1A bxcostcosIkb2dtdem1A 当b=d时bd x x x x x x eIxV k 常称为电磁耦合系数。 W=2b为绕组节距，又称感应同步器的周期。 上式表明，感应同步器可以看作一个耦合系数随相对位移变化的变压器，其输出电势与位移x具有正弦余弦的关系。 利用电路对感应电势进行适当的处理，就可以把被测位移显示出来。tcos

6、Wx2cosUkem tsinUum tsinIim tcosWx2sinUkem 在实际应用中，设激励电压为： 电流为：则感应电势：若将激磁线圈的原始位置移动90的空间角，则W=2b1.定尺：连续绕组，W2=2（a2+b2）2.滑尺：W和U形的断续绕组，且为空间上差90的正、余弦部分。W1=2（a1+b1）三结构空间空间上差上差9090 四信号处理方式1.从激励方式来说,可分为：(目前采用较多的是前一种。)a.以滑尺(或定子)激励，由定尺（或转子）取出感应信号。b.以定尺(或转子)激励，由滑尺（或定子）取出感应信号。2.从信号处理方式来说,可分为：鉴相方式和鉴幅方式。它们的特征是用输出感应电

7、势的相位或幅值来进行处理。（一）鉴相方式式中的 称为感应电动势的相位角，它在一个节距W之内与定尺和滑尺的相对位移x有一一对应关系，(且线性关系)每经过一个节距，变化一个周期（2 ）。tcosUutsinUumcms tsin)W/x2cos(Uketcos)W/x2sin(Ukemcms )tsin(Ukeeexmcs W/x2x 在滑尺的正、余弦绕组上供给频率相同，相位差90的交流电压激励信号，即两个激励绕组分别在定尺绕组上感应出电势，其值分别为按叠加原理求得定尺上总感应电动势为：感应同步器鉴相方式下工作,也可以定尺绕组激磁, 从滑尺两绕组取出感应电势,为再相加后得到以上同样结果。tcos)

8、W/x2cos(Uketcos)W/x2sin(Ukemcms tsinUum tsin)W/x2cos(Ukemc )tsin(Uktsin)W/x2cos(Uktcos)W/x2sin(Ukexmmm 例： x=1.8 ,W=2mm,则x=(1.8/360) 2=0.01mm,它表明相对于节距为零的位置移动了0.01mm。正弦绕组：余弦绕组：将余弦绕组输出电压移相90 后得（二）鉴幅方式该式把感应同步器定尺滑尺间的相对位移角 x与励磁电压的电相角 d联系了起来。tsinUutsinUuccss tcos)W/x2cos(Uketcos)W/x2sin(Ukeccss )cosUsinU(

9、tcoskeeexcxscs )sin(tcosUkedxm dmcdmssinUUcosUU 加在滑尺两绕组的交流激磁电压为：分别在定尺绕组上感应电动势为定尺的总感应电动势为采用函数变压器使励磁电压幅值为：式中 d为励磁电压的电相角，则感应电动势可写为实际中采用了这样的电路系统，每当位移 x超过一定值（例如0.01mm），就使 e的幅值超过某一预先设定的门槛电平，发出一个脉冲，并利用这个脉冲去自动地改变激磁电压Us和Uc，使新 d的跟上 x，这样便将位移信号变成了脉冲量。此外还有使用方波进行激励,用数字正、余弦函数发生器进行数模转换的另一种鉴幅方式,称为脉冲调宽鉴幅方式。tcosxW2Ukt

10、cossinUkemxm 设原始状态时 d= x ，则e=0，然后滑尺相对定尺有一位移，使 x x +x ，则感应电势增量为五设计举例基本要求：应使输出的感应电动势是被测量位移（或转角）的正、余弦函数这个关系的准确度越高越好。具体地说：1）正、余弦绕组应正交，即在空间相差90电气角；2）要尽量消除感应耦合中的高次谐波；3）尽可能减小环流电势（绕组横向段中产生的电势），它影响感应同步器的精度；4）要尽量减小安装误差对测量精度的影响等。六感应同步器的接长 直线感应同步器的定尺长度一般为175mm，当需要增加测量范围时，可将定尺加以拼接。 对3m3m以下的接长，一般采用定尺绕组串联接线的办法。 对3

11、m3m以上的大行程接长，如采用串联，会使接长后的电阻过大，往往采用分段串联后再并联的接线方法。这样可以保证信噪比不致降低。七应用举例：1）感应同步器在镗床上的使用2）数显刻划尺休息休息休息休息Thanks螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器 1. 工作原理工作原理 5461231活 动 衔 铁 ；2导 磁 外 壳 ；3骨 架 ；4匝 数 为 W1的 初 级 绕 组 ；5匝 数 为 W2a的 次 级 绕 组 ；6匝 数 为 W2b的 次 级 绕 阻 差动变压器式传感器中的两个次级线圈反相串联，并且在差动变压器式传感器中的两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下忽

12、略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下, 其等效电其等效电路如图所示。路如图所示。 当初级绕组加以激励电压当初级绕组加以激励电压U时时, 根据变压器的工作根据变压器的工作原理原理,在两个次级绕组在两个次级绕组W2a和和W2b中便会产生感应电势中便会产生感应电势E2a和和E2b。 如果工艺上保证变压器结构完全对称如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平则当活动衔铁处于初始平衡位置时衡位置时, 必然会使两互感系数必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理。根据电磁感应原理, 将将有有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联。由于变压器两次级绕组反相串联, 因而因而Uo

13、=E2a-E2b=0 , 即差动变压器输出电压即差动变压器输出电压为零。为零。 .当活动衔铁向上移动时当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于中磁通将大于W2b，使使M1M2，因而，因而E2a增加，而增加，而E2b减小。反之，减小。反之，E2b增加，增加，E2a减小。减小。因为因为Uo=E2a-E2b，所以当，所以当E2a、E2b 随着衔铁位移随着衔铁位移x变化时，变化时， Uo也必也必将随将随x而变化。由图而变化。由图 可以看出，当衔铁位于中心位置时，差动变可以看出，当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出压器输出电

14、压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作电压称为零点残余电压，记作Uo，它的存在使传感器的输出特，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。理论特性不完全一致。在零点总是有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为在零点总是有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压。零点残余电压。零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要表示之一。零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要表示之一。 . 零点残余电压零点残余电压主要主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和是由传感器的两次级绕组的电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。零点残余几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。零点残余电压的波形十分复杂，主要由电压的波形十分复杂，主要由基波基波和和高次谐波高次谐波组成。基波产生组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因此不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因此不论怎样