第4章-电感传感器课件

第4章电感式传感器位移、振动、压力、应变、流量、力、力矩、重量、密度等被测非电量电感变换元件电感变化量DL、DM被测电路可用电量U,I,f电感式传感器电感式传感器-实例电感式传感器-实例

电感式传感器的工作基础：电磁感应即利用线圈自感或互感的改变来实现非电量测量电感式传感器-工作原理电感式传感器的分类电感式传感器电涡流式传感器互感式传感器自感式传感器线圈中电感：Δδδ线圈匝数传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部分。铁芯和衔铁由导磁材料制成在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ传感器的运动部分与衔铁相连。磁链电流磁通4.1变磁阻感式传感器4.1.1工作原理衔铁铁芯线圈气隙磁阻衔铁磁阻铁芯磁阻磁导率气隙厚度截面积4.1.1工作原理8L=f(A)L=f(lδ)lδ

，AL4.1.1工作原理气隙截面积A保持不变，气隙δ的单值函数，为变气隙式自感传感器。保持气隙间距δ不变，A随被测量变化，为变面积式自感传感器在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管式自感传感器。δ线圈铁芯衔铁Δδ线圈铁芯衔铁衔铁移动方向4.1.1工作原理δ线圈铁芯衔铁Δδ气隙厚度δ0时自感系数1.当衔铁上移Δδ时，传感器气隙为δ=δ0-Δδ，则输出电感变化量为：4.1.2输出特性2.当衔铁下移Δδ时，传感器气隙为δ=δ0+Δδ，则输出电感变化量为：4.1.2输出特性传感器气隙变化量Δδ很小，且Δδ<<δ04.1.2输出特性可忽略总结1.当衔铁上移Δδ时2.当衔铁下移Δδ时传感器气隙变化量Δδ很小，且Δδ<<δ04.1.2输出特性可忽略电感灵敏度K

电感灵敏度

1.气隙与灵敏度K忽略高次项线性处理非线性误差

4.1.2输出特性2.气隙与线性度传感器气隙变化量Δδ很小，Δδ<<δ0可忽略变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾变间隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。动态测量范围：0.001~1mm。电感灵敏度

非线性误差

采用差动结构形式的变气隙式电感传感器,改善灵敏度和非线性误差增加气隙减小误差，4.1.2输出特性减小气隙，提高灵敏度差动式传感器线圈中有交流励磁电流，衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动和附加误差，非线性误差较大。外界的干扰、电源电压频率的变化、温度的变化都会使输出产生误差。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。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。4.1.2输出特性12344差动变气隙式传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆差动自感传感器12344差动变气隙式传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆12344电感灵敏度

非线性误差

优点：

①线性好，非线性误差降低一个数量级；②灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍③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；④电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。差动自感传感器（3）电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。差动结构的特点：（1）改善非线性、提高灵敏度；灵敏度提高一倍，非线性度误差降低了一个数量级（2）补偿温度变化、电源频率变化等的影响，由于能互相抵消而减小；从而减少了外界影响造成的误差。

224.1.3测量电路1.交流电桥电桥两桥臂分别为传感器两线圈的阻抗，并为差动工作方式;Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，另外两桥臂分别为两个电阻高品质因数Q=ωL/R的电感式传感器，线圈的电感远远大于线圈的有功电阻，即ωL>>R，则有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)电桥输出电压为如为变气隙结构，则可写为输出电压与Δδ成正比。4.1.3测量电路1.交流电桥曲线1、2为两线圈各自电感特性；电桥输出特性：电桥输出电压大小与衔铁位移量Δδ有关，相位与衔铁移动方向有关。若设衔铁向上移动Δδ为负，则U0为负；衔铁向下移动Δδ为正，则U0为正，相位差180°。曲线3为两线圈差接时的电感特性；δU0-ΔδΔδ电桥两桥臂分别为传感器两线圈的阻抗，另外两桥臂分别为电源变压器的两次级线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。2、变压器式交流电桥测量时被测件与传感器衔铁相连，当衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时电桥输出电压为零，电桥平衡。Z1Z2IABCD~当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为

4.1.3测量电路当传感器衔铁上移时，Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则桥路输出电压为2、变压器式交流电桥当衔铁上下移动相同距离时，电桥输出电压大小相等而相位相反。要判断衔铁方向需要经过相敏检波电路的处理。Z1Z2IABCD~当传感器衔铁下移时，Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，桥路输出电压为4.1.3测量电路27Z1Z2IABCD~A）电桥电路B）输出特性两类谐振式测量电路：谐振式调幅电路；谐振式调频电路（1）谐振式调幅电路传感器电感L与电容C、变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边输出电压，电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化。输出电压与电感的关系曲线中L0为谐振点的电感值，电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。3、谐振式测量电路4.1.3测量电路（2）谐振式调频电路调频电路的基本原理：传感器电感L的变化引起输出电压频率的变化。通常传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率为当L变化时，振荡频率随之变化，根据频率的大小即可测出被测量的值。振荡频率与电感变化之间具有严重的非线性关系。3、谐振式测量电路4.1.3测量电路4.1.4变磁阻电感式传感器的应用4.1.4变磁阻电感式传感器的应用

互感式传感器的基本原理结构线圈1为原边线圈线圈2为副边线圈由变压器原理可知：

当原边通过交变电流i1时，在磁通全回路上的磁通存在交变变化在副边上可感生的感应电势E21为：

互感式传感器工作原理与结构4.2差动变压器电感式传感器4.2差动变压器电感式传感器互感式传感器：被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器。基本结构：主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。次级绕组用差动形式连接，也差动变压器式传感器。工作原理类似于变压器。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。1、工作原理当被测体没有位移时，衔铁处于初始平衡位置，与两个铁芯的间隙相等，则两绕组的互感相等，则两个次级绕组的互感电势相等。因次级绕组反相串联，差动变压器输出电压为零。N1aN1bN2aN2b在A、B两个铁芯上绕有两个初级绕组N1a=N1b=N1两个次级绕组N2a=N2b=N2。两个初级绕组的同名端顺向串联，两个次级绕组的同名端则反向串联。

衔铁位于中间位置时，4.2.1变气隙式变压器输出电压的大小与相位反映出位移的大小和方向。当被测体有位移时衔铁的位置发生变化，两次级绕组的互感电势不相等，即差动变压器有电压输出。上移时：N1aN1bN2aN2bU0>0U0<0下移时：2、输出特性在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下的等效电路。

2、输出特性1）当衔铁处于初始平衡位置时U2=0。2）若被测体带动衔铁向上移动Δδ时有变隙式差动变压器的输出电压与衔铁位移量成正比。分析：3）若被测体带动衔铁向下移动Δδ时有变压器输出电压大小与衔铁位移大小成正比，相位根据衔铁移动方向与输入电压同相或反向。输出电压灵敏度变隙式差动变压器灵敏度K的表达式为（2）增加N2/N1的比值和减小δ0都能使灵敏度K值提高。但N2/N1的比值与变压器的体积及零点残余电压有关。从灵敏度考虑和从忽略边缘磁通考虑，均要求变隙式差动变压器的δ0愈小愈好。为兼顾测量范围的需要，一般选择传感器的δ0为0.5mm。（1）电源幅值的适当提高可以提高灵敏度值，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。输出电压灵敏度分析（3）在考虑铁损和线圈中分布电容等条件下，传感器的性能变差，但在一般工程应用中可以忽略的。（4）变压器副边开路条件，对电子线路构成的测量电路很容易满足。但直接配接低输入阻抗电路，就必须考虑变压器副边电流对输出特性的影响。零点残余电动势（1）零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；（2）零点残余电压影响电路正常工作。零点残余电动势产生的危害：(1)两个二次绕组的电气参数与几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电动势不等(2)初级线圈中铜损电阻，导磁材料的铁损以及材质的不均匀，导致磁芯磁化曲线的非线性；(3)电源电压中具有高次谐波；(4)线圈的寄生电容，线圈与外壳、磁芯间的分布电容。零点残余电动势产生的原因：减小零点残余电动势产生的方法：（1）保证传感器的几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称；（2）选择合适的测量电路（3）采用补偿线路434.2.2螺管式变气隙式差动变压器1工作原理1差动变压器可动衔铁的移动，改变其原边、副边之间的互感作相应的变化2它是建立在互感变化的基础上工作的常采用三段式结构形式：一个初级线圈，二个次级线圈且反向串接形式形成“差接”方式。4.2.2螺管式变气隙式差动变压器螺线管式差动变压器等效电路在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下等效电路。根据电磁感应原理有变压器两次级绕组反向串联，则差动变压器输出电压为零。初级线圈的匝数为N1，两个次级线圈的匝数分别为N1a和N1b。当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两互感系数相等。当衔铁移向次级绕组L2a边，互感Ma增大，Mb减小，因而次级绕组L2a内的感应电动势大于次级绕组内L2b的感应电动势，差动变压器输出电动势不为零。

当衔铁移向次级绕组L2b边，差动输出电动势仍不为零，但移动方向改变，输出电动势反相。在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动变压器输出电动势就越大。2、基本特性输出电压的有效值为差动变压器输出电压是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。（1）衔铁位于中间位置时（3）当衔铁下移时，（2）当衔铁上移时，与输入电压同频同相与输入电压同频反相3.测量电路R2R1abhgcfde3D2u1u2RRLRD3D1D4RRT1T2e1e2相敏检波电路全波差动整流电路为了辨别移动方向和消除零点残余电压，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。1、差动整流电路半波电压输出半波电流输出全波电压输出全波电流输出消除零点残余误差2、全波电压输出差动整流电路差动变压器的两个次级输出电压分别全波整流，整流电压的差值作为输出，适用于交流阻抗负载。电阻R0用于调整零点残余电压。差动整流电路，电压输出的，适用于交流阻抗负载；电流输出的，适用于低阻抗负载。从电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流方向总是从6到8，整流电路的输出电压为衔铁零位时，U24=U68，U2=0；衔铁上移时，U24>U68，U2>0；衔铁下移时，U24<U68，U2<0。U2的正负表示衔铁位移方向;U2的大小表示衔铁位移大小。

差动整流电路具有结构简单,不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响,分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛应用。2、全波电压输出差动整流电路4.2.3差动变压器电感式传感器的应用一、电涡流式传感器基本原理涡流式传感器的基本原理：利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。电涡流：若一金属板置于一只线圈的附近，当线圈输入一交变电流时，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，这种电流在金属体内是闭合的，称之为电涡流或涡流。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电涡流式传感器涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h、金属板与线圈的距离δ、激励电流角频率ω等参数有关。激励线圈金属导体二、电涡流式传感器输出特性被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可认为是一匝短路线圈，电阻为R2、电感为L2。线圈与被测导体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，随线圈与导体间距的减小而增大。电涡流式传感器等效电路§4.3电涡流式传感器根据基尔霍夫第二定律，有1、等效电路二、电涡流式传感器输出特性解方程得等效阻抗的表达式为线圈受电涡流影响后的等效电感§4.3电涡流式传感器线圈受电涡流影响后的等效电阻2、等效阻抗与品质因数线圈等效品质因数特性参数影响因素：

Q：

L2,R2,L1,R1,ω,MReq、Leq、Q是M2的函数三、电涡流式传感器的基本类型电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。§4.3电涡流式传感器高频信号激励传感器线圈产生高频交变磁场，当被测导体靠近线圈时，产生电涡流，而电涡流又产生一交变磁场阻碍外磁场的变化。1、高频反射式从能量角度分析，被测导体内存在着电涡流损耗，使传感器的Q值和等效阻抗Z降低。当被测体与传感器间距离改变时，传感器的Q和Z、电感L均发生变化，位移量转换成电量。三、电涡流式传感器基本类型§4.3电涡流式传感器发射线圈和接收线圈置于被测金属板上下方。当低频电压加到线圈1的两端后，产生磁场线的一部分透过金属板，使线圈2产生感应电动势。但涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势越小。2、低频透射式电动势的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。电动势随材料厚度的增加按负指数规律减少。若金属板材料的性质一定，即可测厚度。三、电涡流式传感器测量电路1、调频式电路电涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式电路和交流电桥等。传感器线圈接入振荡回路，当传感器与被测导体距离改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，导致振荡频率的变化。§4.3电涡流式传感器频率变化是距离的函数，频率可由数字频率计直接测量，或通过频率~电压变换，用电压表测量对应的电压。三、电涡流式传感器测量电路2、调幅式电路传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成石英晶体振荡电路。当金属导体远离传感器线圈时，谐振回路谐振频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，输出电压降低，L的数值随距离的变化而变化。因此，输出电压也随而变化。§4.3电涡流式传感器石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率f0稳定的激励电流io，LC回路的阻抗为Z时输出电压载有交变电流的线圈产生交变磁场Hp，金属物平面感应出电涡流