传感器第四章电感式传感器

1、第四章第四章 电感式传感器电感式传感器& 第一节第一节 变磁阻式传感器变磁阻式传感器& 第二节第二节 互感式传感器互感式传感器第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器内容提要内容提要学习目标学习目标 掌握变隙式、变面积式、差动自感传感器掌握变隙式、变面积式、差动自感传感器原理；理解测量电路原理；了解互感传感器工原理；理解测量电路原理；了解互感传感器工作原理；掌握相敏检波原理；掌握电涡流传感作原理；掌握相敏检波原理；掌握电涡流传感器原理及其种类；了解电感传感器应用。器原理及其种类；了解电感传感器应用。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 被测非电量被测非电量自感系数自感系数L

2、 L互感系数互感系数M M U U、I I、f f定义：定义：是一种利用线圈是一种利用线圈自感自感和和互感互感的变化实现非电量电的变化实现非电量电测的装置。测的装置。应用：应用：测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等。测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等。种类：种类：根据转换原理分：根据转换原理分：自感式自感式、互感式互感式、电涡流式电涡流式； 根据结构型式分：根据结构型式分：气隙型气隙型、面积型面积型和和螺管型螺管型。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器优点：优点：结构简单、可靠，测量力小结构简单、可靠，测量力小灵敏度和分辨率高灵敏度和分辨率高机械位移机械位移0.01m0.01m，甚

3、至更小；，甚至更小；输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm mV/mm 。重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良在几十在几十mm到数到数mmmm的位移范围内，输出特性的线性的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。度较好，且比较稳定。能实现远距离传输、记录、显示和控制。能实现远距离传输、记录、显示和控制。不足：不足：存在交流零位信号，频率响应较低，不宜存在交流零位信号，频率响应较低，不宜高频动态测量。高频动态测量。 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器第一节第一节 变磁阻式传感器变磁阻式传感器一、变隙式自感传感器一、变隙式自感传感器二、变面积自感传感器

4、二、变面积自感传感器三、螺管式自感传感器三、螺管式自感传感器四、差动自感传感器四、差动自感传感器六、变磁阻式传感器的应用六、变磁阻式传感器的应用五、测量电路五、测量电路第四章第四章 电感式传感器电感式传感器一、变隙式自感传感器一、变隙式自感传感器1 1、结构和工作原理、结构和工作原理线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁MRNL2L1：铁芯磁路总长；铁芯磁路总长；L2：衔铁的磁路长；衔铁的磁路长；A：气隙磁通截面积；气隙磁通截面积；A1：铁芯横截面积；铁芯横截面积；A2：衔铁横截面积；衔铁横截面积；0=410-7Hm； ：空气隙厚度。空气隙厚度。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 2202ANRNL 空

5、气磁导率空气磁导率 RRRFM RRF 222111ALALRF AR02 铁芯与衔铁磁阻铁芯与衔铁磁阻空气隙磁阻空气隙磁阻第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 2202ANRNL 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 2202ANRNL 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 ，A AL 2202ANRNL 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器2 2、变气隙式输出特性、变气隙式输出特性00220 ANL 衔铁下移衔铁下移 0000111 LL线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁 0, 00000112222 ANANLLL 00000122202LAN第四章第四章 电感式传感器电感式传感器001

6、LL时时，当当 1 0 .LL 3020001 0000111 LL0010LLK第四章第四章 电感式传感器电感式传感器时，当 10002 LL 0, 0022200000222LANANLLL.LL 3020002 0010LLK第四章第四章 电感式传感器电感式传感器二、变面积自感传感器二、变面积自感传感器衔铁移动位移衔铁移动位移x,则则 xabxARM00 axLaxabNxANRNxLM11002022电感变化与移动位移电感变化与移动位移x成线性关系。成线性关系。x xa a第四章第四章 电感式传感器电感式传感器三、螺管式自感传感器三、螺管式自感传感器 铁铁 芯芯位移位移x0lAxlRM

7、00 00002211lxLxlANRNxLM 铁芯在线圈中伸入长度变化，引起螺管线圈自感铁芯在线圈中伸入长度变化，引起螺管线圈自感值变化。值变化。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 当衔铁当衔铁3 3移动时，一个线圈的电感量增加，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。另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。1-1-线圈线圈 2-2-铁芯铁芯 3-3-衔铁衔铁 4-4-导杆导杆1 12 23 34 44 4四、差动自感传感器四、差动自感传感器第四章第四章 电感式传感器电感式传感器43 32 21 13 31 14 41-1-线圈线圈 2-2-铁芯铁芯 3-3-衔

8、铁衔铁 4-4-导杆导杆第四章第四章 电感式传感器电感式传感器变气隙式差动自感传感器变气隙式差动自感传感器衔铁衔铁R1R2L2L1ACU0U .LL32000011 .LL30200021 )(ANL 00122)(ANL 002220LL0K第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 .LLLL530000122 .LLLLL5300000122 0002LLK%100%100|/|2|)/( |220030r002LL第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 差动式差动式与与单线圈单线圈电感式传感器相比电感式传感器相比: : 线性度较好；线性度较好； 灵敏度提高一倍；灵敏度提高一倍； 温度变化、

9、电源波动、外界干扰等对传感器温度变化、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；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电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。消而减小。 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器五、测量电路五、测量电路1. 1. 电感式传感器的等效电路电感式传感器的等效电路RC:线圈的线圈的铜损电阻铜损电阻； Re : :铁芯的铁芯的涡流损耗电阻涡流损耗电阻 ； C线圈线圈固有电容和电缆的分布电容固有电容和电缆的分布电容. .ZCLRcRe第四章第四章 电感式传感器电感式传感器上图的等效线圈阻抗为上图的等效线圈阻抗为

10、 CjLjRCjLjRZ )(将上式有理化并应用品质因数将上式有理化并应用品质因数Q=L/R，可得，可得 22222222222)1 (1)1 (QLCLCQLCLCLjQLCLCRZ第四章第四章 电感式传感器电感式传感器当当Q2LC且且2LC 0 0，与与同频同相同频同相时：时： 正半周时正半周时LRReui214L2RReui23i3故故i i，流经，流经RL的电流为的电流为i= i i e1e2-+-+RL第四章第四章 电感式传感器电感式传感器-+-u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+01U2U负半周时负半周时L121RReuiL112RReui故故i i，流经流经RL的电流

11、为的电流为i= i i i2i1e1+e2RL第四章第四章 电感式传感器电感式传感器u1u2-R+RD3D2D1D4RRT1T2+-01U2U正半周正半周负半周负半周LRReui214L2RReui23故故i i i i。流经。流经R RL L的电流为的电流为i i= = i i i i 衔铁在零位以下，衔铁在零位以下，x(t)0 x(t)0，与与同频反相时：同频反相时： e1e2+-+-i4i3RL第四章第四章 电感式传感器电感式传感器u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+01U2U同理同理: :负半周负半周正半周时正半周时i i i i。流经。流经R RL L的电流为的电流为i

12、i= = i i i i 表示表示i i0 0的方向也与规定的正方向相反。的方向也与规定的正方向相反。L121RReuiL112RReuii2i1RL-+-e1e2第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 结论：结论： 衔铁在中间位置时，无论参考电压是正衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载半周还是负半周，在负载R RL L上的输出电压始终为上的输出电压始终为0 0。 衔铁在零位以上移动时，无论参考电压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，在负载是正半周还是负半周，在负载R RL L上得到的输出电压上得到的输出电压始终为正。始终为正。 衔铁在零位以下移动时，无论

13、参考电压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，在负载是正半周还是负半周，在负载R RL L上得到的输出电压上得到的输出电压始终为负。始终为负。 由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器tttttt1U2U2i1i4i3iMit第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，负位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，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（特性曲线由图（a a）变成（）变成（b b），残存

14、电压自动消失。），残存电压自动消失。 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 三、三、 误差因素分析误差因素分析 1 1、激励电压幅值与频率的影响、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。适当地选择频率，其影响不大。 2 2、温度变化的影响、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。当线圈变化，从

15、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，品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激采用恒流源激励比恒压源激励有利励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并。适当提高线圈品质因数并采用差采用差动电桥动电桥可以减少温度的影响。可以减少温度的影响。 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 3 3、零点残余电压、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，其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值点仍有一个微小的电压值( (从零

16、点几从零点几mVmV到数十到数十mV)mV)存在，存在，称为零点残余电压。称为零点残余电压。0 x第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 零点残余电压产生原因：零点残余电压产生原因： 基波分量基波分量 由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的因此它的等效电路参数等效电路参数（互感互感M、自感自感L及损耗电及损耗电阻阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电动势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材动势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等料的铁损和材质的不

17、均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 高次谐波高次谐波 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦流与磁通波形不一致产生了非正弦( (主要是三次谐波主要是三次谐波) )磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将励电流波形失真，因其内

18、含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。导致零点残余电压中有高次谐波成分。 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器（1 1）从设计和工艺上保证结构对称性）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，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。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

19、可知，磁路工匀性和稳定性。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。作点应选在磁化曲线的线性段。 消除零点残余电压方法：消除零点残余电压方法：第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而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特性曲线由1 1变到变到2 2，从而消除了零点残余电压。，从而消除了零点残余电压。U0+x-x210相敏检波后相敏检波后的

20、输出特性的输出特性 （2 2）选用合适的测量线路）选用合适的测量线路 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器（3 3）、采用补偿线路）、采用补偿线路CR1U0U第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 四、互感式传感器的应用四、互感式传感器的应用 测量振动、厚度、应变、压力、加速度等测量振动、厚度、应变、压力、加速度等 1. 1. 差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器稳压电源稳压电源振荡器振荡器检检波波器器滤滤波波器器220Va输出输出1 1 悬臂梁；悬臂梁；2 2 差动变压器；差动变压器；3 3 衔铁衔铁1 12 2a3 3 用于测定振动物体的频率用于测定振动物体的频率和振幅时其激

21、磁频率必须是振和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振精确的测量结果。可测量的振幅为幅为(0.1(0.15)mm5)mm，振动频率为，振动频率为(0(0150)Hz150)Hz。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器1 1 接头；接头；2 2 膜盒；膜盒；3 3 底座；底座；4 4 线路板；线路板；5 5 差动变压器；差动变压器；6 6 衔铁；衔铁；7 7 罩壳罩壳1 12 23 34 45 56 67 7 2. 2. 微压力变送器微压力变送器可分档测量可分档测量(5(510105 56 610105 5)N/m)N/m2 2压力

22、，输压力，输出信号电压为出信号电压为(0(050)mV50)mV，精度为，精度为1.51.5级。级。将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器3 3、电感测微仪、电感测微仪探头探头测量测量电桥电桥交流交流放大放大相敏相敏检波检波指示器指示器振荡器振荡器第四章第四章 电感式传感器电感式传感器4 4、测量力或压力、测量力或压力例：例：张力测量张力测量第四章第四章 电感式传感器电感式传感器第二节第二节 电涡流式传感器电涡流式传感器

23、一、基本工作原理一、基本工作原理 二、电涡流传感器等效电路二、电涡流传感器等效电路三、电涡流传感器的种类三、电涡流传感器的种类四、电涡流传感器测量电路四、电涡流传感器测量电路五、电涡传感器的应用五、电涡传感器的应用第四章第四章 电感式传感器电感式传感器一、基本工作原理一、基本工作原理 1 1、电涡流效应、电涡流效应 根据法拉第定律，块状金属导体置于变化的磁场中根据法拉第定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部将产生漩或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部将产生漩涡状的感应电流，称为电涡流，这种现象称为涡状的感应电流，称为电涡流，这种现象称为“电涡电涡流效应流效应

24、”。 特点：特点：能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。材料损伤等进行非接触式连续测量。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器2 2、工作原理、工作原理 1I1H传感器激励线圈(a)(b)2H2I被测金属导体传感器激励电流 涡流的大小与金涡流的大小与金属板的电阻率属板的电阻率、磁、磁导率导率、厚度、厚度h h、金、金属板与线圈的距离属板与线圈的距离、激励电流角频率激励电流角频率等等参数有关。参数有关。若固定某若固定某些参数，就可根据涡些参数，就可根据涡流的变化测量另一个流的变化测量另一个参数。参数。 第四章第四章 电感式传感

25、器电感式传感器 3 3、电涡流强度与距离的关系、电涡流强度与距离的关系22121DxxIII1：线圈激励电流：线圈激励电流 I2：金属导体中等效电流：金属导体中等效电流 x：线圈到金属导体表面距离：线圈到金属导体表面距离D：线圈外径：线圈外径 以上分析表明：以上分析表明： 电涡流强度与距离电涡流强度与距离x呈非线性关系，且随着呈非线性关系，且随着x/D的增加而迅速减小。的增加而迅速减小。 当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/DlMHz)(lMHz)高频激励电流产生的高频磁场高频激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集作用于金属板的表面，由于集

26、肤效应，在金属板表面将形成肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感引起线圈自感L或阻抗或阻抗ZL的变的变化。线圈自感化。线圈自感L或阻抗或阻抗ZL的变的变化与距离该金属板的电阻率化与距离该金属板的电阻率、磁导率磁导率、激励电流、激励电流i及角频率及角频率等有关，若只改变距离等有关，若只改变距离而而保持其它参数不变，则可将保持其它参数不变，则可将位位移移的变化转换为线圈的变化转换为线圈自感自感的变的变化，通过测量电路转换为电压化，通过测量电路转换为电压输出。输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量高频反射式涡流传感器多用于位移测量第四章第四章 电感式传感器电感式传感器iedMe工作原理图工作原理图第四章第四章 电感式传感器电感式传感器高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 厚度给定系统S1检波比较电压检波S2加法器指示仪表带材xx1x2第四章第四章 电感式传感器电感式传感器四、电涡流传感器测量电路四、电涡流传感器测量电路1. 1. 调频式电路调频式电路频 率 计f-V电 压 表振荡器CLx(a