传感器原理及应用(第3版) 王华翔 第4章 电感式传感器

1、第4章 电感式传感器什么是电感式传感器？什么是电感式传感器？电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量测量的装置。测量的非电量：位移、振动、压力、应变等转换后的电量：线圈电感、互感等的变化。汽轮机主轴振动测量自感式接近开关电涡流振动传感器按原理分类自感式互感式（差动，电涡流）按结构分类气隙式螺管型电感式传感器特点：1、结构简单。主要由线圈、衔铁组成。2、分辨力高。能够测量0.1um的微小位移。3、线性度好。在较小的测量范围内，有非常好的线性度。第1节 自感式传感器一、气隙型电感传感器（1）工作原理被测体的位移引起气隙磁阻的变化，从而使线圈电感发生变化。当传感器线圈与测量电路连接后，可将电

2、感的变化转换成电压、电流或频率的变化，完成从非电量到电量的转换结构定量分析由磁路基本原理：线圈电感为：mmRNRNIININIL2磁路的总磁阻由铁心、衔铁和空气间隙三部分组成：SlSlSlRm0222111线圈电感为SlSlSlNRNLm022211122补充知识磁阻定义SlRm磁势定义NIem磁路的欧姆定律mmmRe非导磁材料（空气）的相对磁导率近似为1，而铁芯（如硅钢片）磁导率为700010000。结果：绝大多数磁力线集中在铁芯内部，并沿铁芯方向分布。SlSlSlNRNLm022211122lSNlSfL02),(铁芯的磁导率远远大于空气间隙的磁导率 021,线圈电感L是气隙面积和长度的函

3、数变化，S不变l变隙式S变化， 不变变截面式l（2）特性分析（灵敏度和线性度）分析思路：设气隙变化为 ，求得其引起的电感变化 ，将 展开成级数，求得l1L1L灵敏度：线性度：lLKL级数线性项级数第一个非线性项SlSlSlRm0222111rrrmllSlllSR) 1(1100L磁路总长，铁芯和衔铁为同一导磁材料 rrmllSR011rrrmllKllNSRNL/1/202SNK20测量时，衔铁移动使总气隙长度减少 ，则电感增加l1LrlllKLL/11rllKL/1rrlllllLLL/)(/1rrllllllllLL/1111)/(11121)/(11)/(111)/(11rrrllll

4、llllllllLLx忽略高次项)/(111rllllLL)/(11rLlllLlLK泰勒级数展开灵敏度线性度rlllL/11)/(111rllllLL灵敏度线性度rlllL/11气隙变化越小，线性度越好，测量越准确，一般2 . 01 . 0/lL气隙长度增加 ，l则电感减小2LrlllKLL/1222)/(11)/(111)/(11/rrrrllllllllllllllllLL如何提高自感式传感器的灵敏度和线性度？差动测量方法21)/(11)/(111)/(11rrrllllllllllllLL22)/(11)/(111)/(11rrrllllllllllllLL221/111/112rrl

5、lllllllLLLLLrLlllLlLK/1122/11rlllL灵敏度提高一倍，线性度提高一个数量级二、电感线圈的等效电路Rc线圈铜损电阻Re铁芯涡流损耗电阻C 线圈并联寄生电容并联寄生电容的影响不考虑并联寄生电容C时：LjRZs考虑C后：PPsPLjRLCLjLCRZ)1 ()1 (222)1 (2LCLLPLdLLCLdLPP)1 (12并联C后，灵敏度提高。电缆长度改变时，需校准。ecsRRRCjLjRZsP1/)(三、测量电路三、测量电路（1）交流电桥LZ负载电阻无穷大，开路LjRZZZs21RRR21LLL21采用差动电感线圈，衔铁移动时ZZZ1负载两端的电势差为：ZZZ2LjR

6、LjREZZEZZZERRRZZZZZZEUssSC22212LjRLjREUssSC2输出电压幅值：ELRLELRRLUSSSSC222222222桥路输出阻抗：222LRRZS2RLjRZSSSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222E同相分量E正交分量E正交分量=0SSRRLLsRLQ/LLEUSC2（2）变压器电桥工作电流：21ZZEI输出电压：211222122ZZZZEEZZZEUSC衔铁位于正中：LjRZZZs210SCU衔铁正向偏移：ZZZ1ZZZ2ZZEUSC2与电源电压同相衔铁反向偏移：与电源电压反相ZZZ1ZZZ2ZZEUSC2第2节 差动变压器互感式传感器将

7、被测量的变化转换为变压器的互感系数变化。初级线圈输入交流电压，次级线圈互感应出电动势。由于变压器次级线圈常接成差动形式，因此称为差动变压器。差动变压器测量压力一、结构与工作原理结构：衔铁；初级线圈；次级线圈框架初级线圈：励磁，原边次级线圈：反相串联接成差动形式 输出，副边衔铁：随被测物体移动，改变两个 副边与原边的互感系数。定量分析等效电路初级线圈电流1111LjReI两个次级线圈与初级线圈的互感系数分别为M1, M2。次级线圈感应出的电势为：1121IMje1222IMje次级线圈差动输出：1112122212LjReMMjeee输出电压幅值：21211212LReMMe输出阻抗：)(222

8、12221LLjRRZ1121/mRNNM2122/mRNNM铁芯位移 ，差动变压器输出电压幅值x2e22121xKxKe衔铁位于正中：MMM2102e 衔铁向上移动：MMM1MMM2与 同相衔铁向下移动：与 同相2121122LRMee21eMMM2MMM12121122LRMee22e当铁芯位移很小时xKe12具有很好的线性度，又称LVDT二、误差因素分析零点残余电压：当衔铁处在中间位置，差动变压器输出电压不为零，存在微小的电压值。零点残余电压包含了基波同相分量，基波正交分量，二次、三次和高次谐波。励磁电压温度变化（1）基波分量两个次级线圈的绕组参数（电阻、电感）不完全相同，感应出的电势幅

9、值相位均不同，矢量相减不为零。产生原因（2）高次谐波由导磁材料磁化曲线的非线性引起，导致励磁电流与磁通波形不一致。（励磁电流为正弦，而磁通曲线变形，产生高次谐波）怎样消除零点残余电压？（1）从设计和制造上保证结构对称性保证线圈和磁路的对称性。（2）采用如相敏检波电路等合适的测量线路（3）采用补偿线路通过对次级线圈并（串）联电容或电阻的方法，改变某一次级线圈感应电压的相位，从而使两个次级线圈的感应电压相位相差180，从而消除零点残余电压。并联电阻电容串联电阻电容三、测量电路差动变压器输出 为交流电压，为反映衔铁移动的方向和大小，需采用相敏检波电路。2e （1）差动整流电路全波相敏整流电路，根据半

10、导体二极管单向导通原理解调。+ + +考察次级线圈1某时刻f为“+”，e为“-”，电流路径：f-g-d-cd-c-h-e某时刻e为“+”，f为“-”，电流路径：e-h-d-cd-c-g-f流过电阻R1电流始终为d-cd-c同理同理流过电阻R2电流a-ba-bdcabcdabSCeeeeU（2）相敏检波电路er 与e频率相同，经移相器后两者同相或反相， er e1. 铁芯位于中间位置时，e=0, er起作用。er正半周，“A+”，“B-”，D1，D2导通D3，D4截止，流过 R1 R2电流为i1，I2，压降Ucb,Udb大小相等，方向相反，Ucd=0。er负半周，“B+”，“A-”，D3，D4导

11、通D1，D2截止，流过 R1 R2电流为i3，i4，压降Ubc,Ubd大小相等，方向相反，Ucd=0。+2. 铁芯上移，e与er同相位，er e， 正半周时，D1，D2导通；D3，D4截止，D1回路总电势为 ，D2回路总电势为： 。所以电流i1i2，Ucd=R(i1-i2)0+-eer21eer21负半周时，D3，D4导通；D1，D2截止，D3回路总电为 ，D4回路总电势为： 。所以电流i4i3，Ucd=R(i4-i3)0eer21eer21+四、差动变压器应用第3节 电涡流传感器电涡流传感器利用电涡流效应进行工作，能够进行非接触测量，用于测量位移、振动、厚度、转速、硬度、无损探伤等领域。在电

12、厂汽轮机侧应用广泛。一、工作原理电涡流效应：金属导体置于变化的磁场中，导体内会产生感应电流，此电流在导体内闭合，称为电涡流或涡流，这种现象称为电涡流效应。集肤效应：当金属导体内产生电涡流时，当磁场频率很高时，电流几乎只集中在导体表面很薄的一层。fhr5030电涡流传感器工作原理传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场，当被测导体靠近线圈时，在导体表面产生与磁场相交链的电涡流，而此电涡流又产生一交变磁场阻碍外磁场的变化。因此，在被测导体内存在电涡流损耗，使传感器的品质因数和等效阻抗降低。因此，当被测导体与传感器间距离d发生改变时，传感器Q, Z和电感L均发生变化，将非电量转换为电量，完

13、成测量目的。 二、等效电路线圈和金属导体之间存在互感系数M，其随距离d的减小而增大。02222121111ILjIRMIjEMIjILjIR2222222122222221LRMLLjLRMRRZ22222221)( LRMLLL222212222212011ZMRRZMLLQQ由于有能量损耗品质因数降低互感系数M是距离x的函数，因此)(1xFZ )(2xFL )(3xFQ L的变化与被测金属的材料有关。若金属导体为磁性材料，如铁心，硅钢片。当导体放置到探头附近时，L1增大，从而L增大。若金属导体为非磁性材料（铝合金），当导体放置到探头附近时，L1不变，从而L减小。LCf21三、电涡流传感器测量时需注意的事项1. 线圈外径大，测量线性范围宽，但灵敏度低；线圈外径 小，则相反。2. 被测导体为平面时，被测体直径不小于线圈直径的1.