电感传感器课件

1、第3章 电感传感器 掌握自感式电感传感器的结构、原理及其相应的测量电路和应用。掌握差动变压器（互感式电感传感器）的原理、特点、工作特性及零点残压的消除方法。掌握高频发射式及低频透射式电涡流传感器的工作原理。上一页下一页返 回第3章 电感传感器3.1 自感式传感器3.2 差动变压器3.3 电涡流式传感器3.4 电感传感器的应用上一页下一页返 回电感传感器电感传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量测量的。应用电磁感应原理将非电量参数转换为电感量的变化（包括自感和互感）根据工作原理不同，可分为自感式、互感式和涡流式三种类型，可用来测量位移、振动、转速、流量等非电信号。主要优点是： 结构简单（线圈

2、、铁芯、衔铁），工作可靠，寿命长； 灵敏度高，传感器的输出信号强，有利于信号的传输和放大，能分辩0.01m的位移变化，一般每毫米的变化可达数百毫伏的输出； 精度高，重复性好，线性好，非线性误差一般为0.050.1 主要缺点有： 灵敏度、线性度和测量范围相互制约； 传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。上一页下一页返 回3.1 自感式传感器 3.1.1 气隙型自感传感器3.1.2 差动自感传感器3.1.3 差动自感传感器测量电路3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例按原理分：自感式传感器、互感式传感器（差动传感器）按结构分：闭磁路气隙

3、型；开磁路电涡流式自感式传感器 上一页返 回下一页自感式传感器亦称变隙式自感传感器，它是根据铁芯线圈磁路气隙的改变，引起滋路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小。气隙是磁路与磁路之间的空气间隔 ，是以空气为介质的间隙，其变化可以引起磁路和磁阻的变化 。气隙参数的改变分变气隙长度和变气隙截面积S两种方式传感器线圈又分单线圈和双线圈两种。 3.1.1 气隙型自感传感器 上一页返 回下一页（a）变气隙长度（b）变气隙截面积工作原理由线圈、铁芯、衔铁三部分组成上一页返 回下一页根据磁路知识，线圈的自感为：N线圈的匝数Rm磁路的总磁 在气隙较小的情况下（一般l在0.11mm），可以认为气隙磁场均匀分布，同

4、时忽略磁路铁损，则有：l1、l2、l0铁芯、衔铁和气隙的长度S1、S2、S0铁芯、衔铁和气隙的截面积1、 2、 0铁芯、衔铁和气隙的导磁率即磁路总磁为铁芯、衔铁和气隙三部分磁路磁阻之和上一页返 回下一页 实际上由于铁芯一般工作于非饱和状态，此时铁芯的导磁率远远大于空气的导磁率，因而磁路的总磁阻主要由气隙长度决定，即 显然在气隙型传感器中移动衔铁的位置，即可改变气隙的长度图(a)或截面积图(b)， 从而引起线圈自感的变化。 上一页返 回下一页（1）变气隙长度型2. 工作特性 主要分析变气隙式传感器的线性度和灵敏度。变气隙长度型传感器的自感L与呈非线性关系灵敏度：灵敏度高，线性度差（2）变气隙截面

5、积型变气隙截面积S型传感器的自感L与S之间呈线性关系灵敏度：灵敏度低，线性度高上一页返 回下一页结论：L=f（l0）在S0不变的情况下，为非线性反比例函数；L=f（S0）在l0不变的情况下，为线性正比例函数；如图：分别通过改变l0或改变S0，均可以获得L的变化。3.1.2 差动变隙式电感传感器 1-铁芯；2-线圈；3-衔铁上一页返 回下一页两线圈变气隙式自感传感器采用两个线圈激磁，工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动输出，因而称之为差动自感传感器。差动自感传感器亦有变气隙长度型和变气隙截面积型由两个相同线圈，一个可动衔铁组成：1.工作原理 初态时：若结构对称，且动铁居中，则上一页返 回下一页

6、动铁上移时，则动铁下移时，则结论：输出电压的大小和极性随位移变化而变化2.特性分析 （1）输出电压不但能反映位移量的大小，而且能反映位移的方向。（2）输出电压正比于2I，因而灵敏度较高。 （3）输出电压非线性减小。（4）可获得温度自补偿。 上一页返 回下一页结论：当位移控制在 ，输出电压Uo与位移近似线性关系3.1.3 差动自感传感器测量电路1. 基本交流测量电桥2. 带相敏整流的交流电桥 上一页返 回下一页测量电路作用： 将电感传感器的电感量L的变化转换成电压或电流形式的变化量输出。1.基本交流测量电桥 （1）初始平衡状态，Z1=Z2=Z, U0=0（2）动铁上移：上一页返 回下一页令ZR+

7、jL,Z= R+j L,且R L， R L，则（3）动铁下移：上一页返 回下一页结论：输出电压的大小反映动铁位移的大小，输出电压的极性反映动铁位移的方向两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180o为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决 2. 带相敏检波电路 由于交流电压表不能直接指示电桥输出电压的极性，即无法确定动铁位移的方向，因而通常在交流检测电桥中引入相敏整流电路，把测量电桥的交流输出转换为直流输出，而后用零值电压表测量电桥的输出电压。上一页返 回下一页2. 带相敏检波电路Z1、Z2为差动线圈等效阻抗R为平衡电阻，与Z1、Z2 组成电桥DlD

8、4组成相敏整流电路Uo为测量电路的输出电压零值居中的直流电压表指示输出电压的大小和极性上一页返 回下一页上一页返 回下一页（1）初态时：由于动铁居中，即Z1Z2Z，由于桥路结构对称，此时UB UC，即Uo=UB-UC=0。（2）动铁上移时：Z1Z十Z，Z2ZZ，即Z1Z2I1I2，此时 UoUBUCUBD+UDC=I1R-I2R=R(I1-I2)0在电源Ui的正半周和负半周，I1、I2的方向均变为相反，但Uo都0，指示表指针反偏，读数为负，表示动铁在上移。 （3）动铁下移时：Z1ZZ ， Z2Z十Z ，即Z2Z1I1 I2，此时UoUBUCR(I1-I2) 0指示表指针右偏，读数为正，表明动铁

9、在下移。非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路非相敏整流电路：电路结构不完全对称，初态时电桥不平衡，因而产生静态零偏压，称为零点残余电压。相敏整流电路具备以下优点： 过零输出 改善线性度 识别极性 上一页返 回下一页返 回3.2 差动变压器差动变压器是互感式传感器，是把被测量的位移量转换成传感器线圈间互感量的变化。其原理类似于变压器。不同的是：后者为闭合磁路，前者为开磁路；后者初、次级间的互感为常数，前者初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压器。它与自感式传感器统称为电感式传感器。 变隙式变面积式 螺线管式一般

10、采用螺线管式，因为气隙式结构复杂，行程小。下一页返 回(a)、(b) 变隙式差动变压器；(c)、(d) 螺线管式差动变压器；(e)、(f) 变面积式差动变压器 上一页返 回下一页差动变压器3.2.1 工作原理3.2.2 工作特性3.2.3 测量电路 上一页返 回下一页3.1 工作原理 -活动衔铁；-导磁外壳；-骨架；-匝数为N1初级绕组；-匝数为N21的次级绕组；-匝数为N22的次级绕组上一页返 回下一页上一页返 回下一页R1和L1表示初级线圈的电阻和自感R21和R22表示两次级线圈 的电阻L21和L22表示两次级线圈的自感M1和M2表示初级线圈分别与两次级线团间的互感e2l和e22表示在初级

11、电压u1作用下在两次线圈上产生的感应电动势两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2。 常采用三段式结构形式，即一个初级线圈，两个次级线圈，且反向串接形成“差接”方式。如图为等效电路图：输入电压通过互感，感应到感应电压e21和e22，通过移动衔铁，可以改变其原边、副边之间的互感。上一页返 回下一页初级线圈的激磁电流为:动铁和次级线圈中产生的磁通分别为:Nl为初级线圈的匝数，次级线圈的匝数为N11N21N2，R21和R22 分别通道磁阻。此时初级线圈与两次级线圈的互感为： 可见，可以通过移动衔铁，改变M1、M2，从而改变U2.上一页返 回下一页结论： 当动铁处于中间位置时，磁阻Rm1Rm2，即互感

12、M1M2，故此时输出 电压U20。 当动铁上移时，磁阻Rm1Rm2，则M1=M+MM2=M- M ，此时输出电压U20。 当动铁下移时，磁阻Rm1Rm2，则M1=M-MM2=M+M ，此时输出电压U20。 因而差动变压器可以用来测量动铁位移的大小和方向。 3.2.2 工作特性输出电压特性灵敏度线性度温度特性零点残余电压消除方法上一页返 回下一页（1）输出电压特性上一页返 回下一页由图可见：完全耦合时：该线圈磁路的磁阻最小，因而互感M 最大，感应电动势e最大，因而其输出电压达到最大值Um。完全不耦合时：输出电压Uo，称之为残余电压。x表示动铁与次级线圈实际位移的范围 单个线圈变压器输出电压特性上

13、一页返 回下一页结论：相对于次级单个线圈，差动两线圈输出电压线性工作范围大大增加。改善差动变压器输出电压特性的方法：提高次级两线圈磁路和电路的对称性采用相敏整流电路对输出电压进行处理差动两线圈变压器输出电压特性上一页返 回下一页 理想的差动变压器输出电压与位移成线性关系，但实际上由于线圈、铁芯、骨架的结构形状、材质等诸多因素的影响，不可能达到完全对称，使得实际输出电压呈非线性状态。但在变压器中间部分磁场是均匀且较强的，因而具有较好的线性段。一般x为线圈骨架1/101/4。改善差动变压器输出电压特性的方法：提高次级两线圈磁路和电路的对称性采用相敏整流电路对输出电压进行处理（2）灵敏度定义：差动变

14、压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激励下，动铁芯移动单位距离时的输出电压。单位为mV/mmV上一页返 回下一页 KE与f关系曲线上一页返 回下一页当f较低时，L1传感 线圈的平面面积：Kr不变； 涡流平面线圈平面: Kr随被测体平面的减小而下降； 涡流平面只有传感线圈平面面积一半：灵敏度也减小一半。 圆柱体：圆柱体的直径D是传感线圈外圈直径d的3.5倍以上，Kr较稳定；Dd时：Kr降至70左右。 平面形：厚度要有0.2mm以上，否则 由于电涡流穿透作用的影响，将引起Kr下降。 测试现场周围的附加电场或磁场的存在，也导致Kr下降。 上一页下一页返 回（4）非线性 一船来说，灵敏度越高，线性度越

15、差(仅指未采取补偿措施时)。 电涡流传感 器线性工作范围一般为传感线圈外径的 l513 线圈外径越大，线性范围越 大。 为此，电涡流传感器的线圈通常都采用窄而扁的结构。 4. 测量电路 谐振法 正反馈电路法 电桥法上一页下一页返 回1 谐振式上一页下一页返 回 谐振法是依据电路谐振原理,实现对电涡流传感器输出信号测量的方法。根据LC谐振电路的幅值及频率特性(Frequency response),又分为调幅法和调频法。上一页下一页返 回（1）调幅法是以传感线圈与调谐电容组成并联LC谐振回路，由石英震荡器提供高频激磁电流，测量电路的输出电压正比于LC谐振电路的阻抗Z，激磁电流和谐振阻抗Z越大，输

16、出电压越高。初态时，传感器远离被测体，调整LC回路谐振频率等于石英晶体振荡器即 此时LC并联谐振回路的等效阻抗Z最大，即 式中R是谐振回路的等效电阻，式中的L即为传感线圈自感L1.在谐振频率以外，LC回路的等效阻抗将显著减少，如图。上一页下一页返 回当被测体为软磁材料时，由于导磁率增加，谐振回路的等效电感L增加，LC回路谐振频率减小，谐振曲线左移，谐振阻抗由初态最大值降至Z1，对应的谐振频率为f1。当被测体为硬磁或非硬磁材料时，由于导磁率减小，等效电感L减小，LC回路谐振频率增大，谐振曲线右移，谐振阻抗由初态最大值降至Z2。对应的谐振频率为f2。由于并联谐振电路输出电压u0=i0Z，因而传感线

17、圈与被测体之间距离的变化，引起Z的变化，使输出电压跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法。上一页下一页返 回（2）调频法 调频法是以LC谐振回路的频率作为输出量，直接用频率计测量；或通过测量LC回路等效电感L，间接测量频率变化量。 稳定性差，不常用。2 正反馈电路法上一页下一页返 回Zr为一固 定的线圈阻抗，ZL为传感线圈电涡流效应的等效阻抗工作原理：变化 ZL变化运算放大器输出电压变化经检波和放大后使测量电路输出电压uo变化。 3 电桥法上一页下一页返 回静态时：电桥平衡，桥路输出uAB0。工作时：传感器接近被测体，电涡流效应等效电感L发生变化，测量电桥失去平衡，即 uAB 0，经线性放

18、大后送检波器检波后输出直流电压U，其大小正比于传感器线圈的移动量，以实现对位移量的测量。L1和L2为传感器两线圈电感，分别与选频电容C1和C2并联组成两桥臂，电阻R1和R2组成另外两桥臂。3.3.2 低频透射式电涡流传感器上一页下一页返 回 当传感线圈激磁频率在1KHz以下时，电涡流的趋肤效应大大减弱，穿透能力大大加强，由式（325）可知，此时可用来检测金属板厚度，故称之为低频透射式电涡流传感器。 透射式涡流传感器原理 线圈感应电势与厚度关系曲线测厚的依据: E的大小间接反映了M的厚度t上一页下一页返 回发射线圈接收线圈因为M的厚度可影响到达L2的磁通的大小。t22当选用不同的测试频率时，渗透

19、深度Q渗的值是不同的，从而使Et曲线的形状发生变化。 在t较小的情况下，Q大曲线的斜率大于Q小曲线的斜率；而在t较大的情况下，Q小曲线的斜率大于Q大曲线的斜率。 测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低的频率。上一页下一页返 回3.4 电感传感器应用3.4.1 自感式传感器的应用 3.4.2 差动变压器的应用3.4.3 电涡流传感器的应用上一页返 回下一页3.4.1 自感式传感器应用举例1. 自感式位移传感器 2. 自感式压力传感器上一页返 回下一页1. 自感式位移传感器1 传感器引线 2 铁心套筒 3 磁芯 4 电 感 线 圈 5 弹 簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测 杆 9

20、密封件 10玛瑙测端 上一页返 回下一页2.自感式压力传感器变隙式自感压力传感器结构图变隙差动式电感压力传感器上一页返 回3.4.2 差动变压器应用 1. 力和力矩的测量2. 微小位移的测量3. 压力测量4. 加速度传感器上一页返 回下一页1. 力和力矩的测量1线圈2衔铁3弹性元件优点：承受轴受力时应力分布均匀； 当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。 上一页返 回下一页2. 微小位移的测量1测端2防尘罩3轴套4圆片簧5测杆6磁筒7磁芯8线圈9弹簧10导线上一页返 回下一页3. 压力测量 微压力传感器 1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计 上一页返 回下一页4.