传感器第四章 电感式传感器

传感器第四章电感式传感器第1页，课件共87页，创作于2023年2月由磁路基本知识可知，线圈电感考虑气隙中磁场强度均匀，忽略铁损，则总磁阻为考虑，空气的磁导率远远小于铁芯的磁导率，因此于是第2页，课件共87页，创作于2023年2月（二）特性分析分析灵敏度和线性度。设磁路总长为，则总磁阻为考虑，得到第3页，课件共87页，创作于2023年2月设衔铁移动使气隙长度减少，则电感增加，于是得电感的相对变化考虑第4页，课件共87页，创作于2023年2月令将上式展开为级数形式，得同样，当气隙长度增加时，有第5页，课件共87页，创作于2023年2月忽略高次项，则电感变化灵敏度为其线性度为由以上分析，知1.电感变化与气隙变化非线性；2.气隙增大和减小并不对称。第6页，课件共87页，创作于2023年2月对于差动式电感传感器，其电感的相对变化第7页，课件共87页，创作于2023年2月电感变换灵敏度可以写为其线性度由上分析知：1.差动式灵敏度提高一倍；2.线性失真减小。第8页，课件共87页，创作于2023年2月二、螺线管型电感传感器螺线管型电感传感器分为单线圈和差动式两种结构。单螺线管传感器结构见下图。2006.9.29JC204->第9页，课件共87页，创作于2023年2月参见下图，螺线管线圈在轴向产生的磁场，其磁场强度第10页，课件共87页，创作于2023年2月上式中将上式改用轴向的位置表示，则为通常，忽略螺线管内磁场强度的不均匀性，磁场强度和磁场感应强度可近似为螺线圈的自感磁通自感磁链第11页，课件共87页，创作于2023年2月第12页，课件共87页，创作于2023年2月有电感的定义有对于插入铁芯的线圈，如果插入长度与线圈长度相等，铁芯半径为，则线圈的自感磁通第13页，课件共87页，创作于2023年2月于是因此，电感第14页，课件共87页，创作于2023年2月如果插入铁芯的长度小于线圈长度，可以把线圈看作两个线圈的串联。见下图。第15页，课件共87页，创作于2023年2月考虑线圈均匀绕制，有于是若增加，则第16页，课件共87页，创作于2023年2月于是相对变化量由上式可见，输出与铁芯位移量成线性关系。以上分析基于磁场均匀分布，实际磁场强度分布不均匀，因此输出量与输入量之间具有非线性。为了提高线性度和灵敏度，常采用差动螺线管式电感传感器。结构参见图。第17页，课件共87页，创作于2023年2月图中沿轴向的磁场强度分布为第18页，课件共87页，创作于2023年2月上式曲线如下图。第19页，课件共87页，创作于2023年2月由曲线可看出当铁芯长度取时，线性最好。对于差动电感，其差动输出为由上式可见，差动电感灵敏度提高一倍。为了提高灵敏度应使线圈与铁芯在长度和半径上尽量接近。并且选用导磁率大的材料。第20页，课件共87页，创作于2023年2月螺线管式电感传感器的主要特点有：1.结构简单；2.灵敏度低、线性范围大；3.易受外部磁场干扰；4.线圈匝数多，分布电容大；5.线圈尺寸形状必须稳定。三、电感线圈的等效电路实际电感线圈不可能为纯电感，它包括铜损电阻、铁芯的涡流损耗电阻、线圈的寄生电容。其等效电路见图。第21页，课件共87页，创作于2023年2月（一）铜损电阻铜损电阻即电线的铜电阻，当忽略趋肤效应时，铜损电阻（二）涡流损耗电阻由于铁芯内产生电涡流而导致的能量损耗，称为涡流损耗，将它等效为一电阻消耗电功率，其电阻值定义为涡流损耗电阻。第22页，课件共87页，创作于2023年2月如果铁芯有磁性材料叠压而成，每片叠片的厚度为，涡流穿透深度为，则通常第23页，课件共87页，创作于2023年2月当涡流穿透深度小于叠片厚度一半时，涡流损耗电阻公式可简化为将铁芯电感公式代入得取得第24页，课件共87页，创作于2023年2月（三）并联寄生电容并联寄生电容有线圈的固有电容及电缆的分布电容组成。没有并联寄生电容时，等效阻抗可以表示为为总的等效损耗电阻。考虑并联寄生电容时，总的等效阻抗为第25页，课件共87页，创作于2023年2月上式化简得式中，称为品质因数。当时，上式简化为第26页，课件共87页，创作于2023年2月等效品质因数

为其电感相对变化前面结果表明，品质因数在并入电容后减小，传感器灵敏度提高了。因此测量中改变电缆长度后，由于分布电容改变，因此必须重新标定传感器。2007.9.27JGLX303->第27页，课件共87页，创作于2023年2月四、测量电路（一）交流电桥如图，电桥平衡条件为设电桥平衡时第28页，课件共87页，创作于2023年2月工作时考虑，得到电桥输出其输出幅值输出阻抗第29页，课件共87页，创作于2023年2月将前面输出，经整理变换后得当值很高时，上式简化为第30页，课件共87页，创作于2023年2月（二）变压器电桥如图，考虑负载阻抗为无穷大时，流入工作臂的电流为输出电压第31页，课件共87页，创作于2023年2月初始平衡时有，故双臂工作时输出输出幅值第32页，课件共87页，创作于2023年2月输出阻抗这种电桥，元件少，输出阻抗小，输出负载趋于无穷大时，输出呈线性。2006.10.8JC204->第33页，课件共87页，创作于2023年2月一、结构原理与等效电路差动变压器分为气隙式和螺线管式两种。LVDT（LinearVariableDifferentialTransformer）4.2差动变压器第34页，课件共87页，创作于2023年2月差动变压器有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈架等组成。差动变压器工作原理与一般变压器基本相同。差动变压器的线圈有多种排列方式。见图。第35页，课件共87页，创作于2023年2月第36页，课件共87页，创作于2023年2月忽略线圈寄生电容及衔铁损耗，差动变压器的等效电路如图。第37页，课件共87页，创作于2023年2月有图知，初级线圈电流初级线圈电流在次级线圈内产生的磁通为于是次级线圈中的感应电压为式中第38页，课件共87页，创作于2023年2月因此空载输出输出幅度输出阻抗阻抗幅值第39页，课件共87页，创作于2023年2月输出电势与衔铁位移关系如图。第40页，课件共87页，创作于2023年2月二、变换特性（略）三、误差分析（一）激励电压的幅值与频率差动变压器的激磁频率一般从50Hz到10kHz较为适当。频率太低时差动变压器的灵敏度显著降低，温度误差和频率误差增加。但频率太高，前述的理想差动变压器的假定条件就不能成立。因为随着频率的增加，铁损和耦合电容等的影响也增加了。因此具体应用时，在400Hz到5kHz的范围内选择。激励电压幅值的波动直接影响到差动变压器的输出。可以采用交流稳压技术和测量输出与激励电压比的方式加以解决。采用数字合成波形方式可以保证激磁电压频率和幅值的稳定。第41页，课件共87页，创作于2023年2月（二）温度变化的影响温度变化引起线圈及导磁体导磁率的变化。从而使线圈磁场发生温度漂移。（三）零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零，但实际使用中，其输出电压有一个微小的电压从零点几毫伏到几十毫伏不等。第42页，课件共87页，创作于2023年2月零点残余电压产生的原因有1.基波分量由于次级两个绕组不可能完全一致，因此它的等效参数不可能相同，从而使得两个绕组输出电压的幅值不等。由于线圈的损耗以及分布电容的不同，导致输出电压相位不同。上述两个不同，导致零点残余电压。第43页，课件共87页，创作于2023年2月下图为两次级绕组相位差不等于180度时的差动输出。2.高次谐波高次谐波分量组要由导磁材料磁化曲线的非线性引起的。第44页，课件共87页，创作于2023年2月导磁材料磁化曲线的非线性引起高次谐波机理参见下图。第45页，课件共87页，创作于2023年2月消除零点残余电压可以采用以下方法。1.从设计和工艺上保证从结构上和工艺上保证两个次级绕组的对称性。选用磁化曲线线性度好的磁性材料。2.选用相敏检波电路采用相敏检波电路可以消除因高次谐波引起的零点残余电压。第46页，课件共87页，创作于2023年2月3.采用补偿电路a.并联电容调节两次级线圈输出电压的相位。通过并联电容改变一个次级的相位，可变电阻用于调节相位。第47页，课件共87页，创作于2023年2月b.并联电位器调零电位器的并入，改变两次级线圈的输出电压和相位。电容C（0.02μF）隔直电容，防止调节电位器时使零点移动。第48页，课件共87页，创作于2023年2月c.接入电阻或补偿线圈接入几百千欧的电阻或补偿线圈，可以避免非纯电阻引起较大的零点残余电压。第49页，课件共87页，创作于2023年2月四、测量电路（一）差动整流电路差动整流电路见图。第50页，课件共87页，创作于2023年2月（二）相敏检波电路相敏检波电路见图。第51页，课件共87页，创作于2023年2月1.当衔铁处于中间位置时++--第52页，课件共87页，创作于2023年2月2.当衔铁上移时设和同相，由于有，所以不影响二极管的导通。++--+-+-第53页，课件共87页，创作于2023年2月3.当衔铁下移时则和反相，由于有，所以不影响二极管的导通。++--+-+-第54页，课件共87页，创作于2023年2月（三）专用集成电路下面介绍AD公司的LVDT和HBT信号调理专用集成电路AD598。AD598内部框图及与LVDT相连如下。第55页，课件共87页，创作于2023年2月AD598内部框图及与HBT相连如下。HBT：HALF-BRIDGETRANSDUCERHBT第56页，课件共87页，创作于2023年2月该IC最有特色的A-B/A+B电路原理框图如下。ABdddddddd第57页，课件共87页，创作于2023年2月上图中，设初始占空比为，则比较器前积分电路的输入平均电流为由于比较与积分器前面的减法器构成一负反馈，因此积分器输入被钳位到零，即所以输出部分滤波器的输入为第58页，课件共87页，创作于2023年2月经输出部分的积分电路和减法器构成的负反馈电路的转换，输出电压为V-I转换电路的转换比。与AD598类似的IC电路还有AD698，其功能框图如下。第59页，课件共87页，创作于2023年2月AD698内部框图如下。第60页，课件共87页，创作于2023年2月五、应用1.加速度传感器第61页，课件共87页，创作于2023年2月2.电子秤第62页，课件共87页，创作于2023年2月3.微压力变送器2007.9.29JGLX303->第63页，课件共87页，创作于2023年2月一、结构和工作原理高频反射式电涡流传感器结构见下图。4.3电涡流式传感器第64页，课件共87页，创作于2023年2月电涡流传感器的原理参见下图。当线圈通以高频电流时产生一交变磁通，当线圈靠近导体时在导体中产生电涡流，而此电涡流又产生一交变磁场，该磁场反过来阻碍外磁场的变化。导致线圈的电感，Q值，等效阻抗发生变化，这一变化是距离的函数。第65页，课件共87页，创作于2023年2月二、等效电路电涡流传感器的等效电路见下图。根据克希荷夫定律和定义的电流方向，有第66页，课件共87页，创作于2023年2月解上面方程组得线圈的等效阻抗第67页，课件共87页，创作于2023年2月等效电感为线圈的等效Q值为式中第68页，课件共87页，创作于2023年2月由前面式子可看出都是互感系数的平方的函数，从互感系数的公式可知，互感系数是距离的非线性函数，因此均是非线性函数。等效电感表达式中项与静磁效应有关，当金属导体为磁性材料时，随距离减小而增大。若金属导体为非磁性材料，则不变。等效电感表达式中第二项为电涡流回路的反射电感，它使传感器的等效电感值减小。因此，靠近非磁性材料或硬磁材料时，传感器线圈的等效电感减小；靠近软磁材料时，等效电感增大。第69页，课件共87页，创作于2023年2月通常测量中用一电容与传感器线圈并联，构成并联谐振回路。在无被测导体时，传感器调谐到某频率，当靠近被测导体时，回路将失谐。谐振回路的谐振曲线与靠近的导体类型关系参见下图。在输入频率一定的情况下，传感器LC回路的阻抗变化既反映电感的变化，同时又反映Q值的变化。第70页，课件共87页，创作于2023年2月三、线圈形状、尺寸对性能的影响单匝圆导线在中心轴上的磁感应强度，为设为常数，下图反映了与在不同圆导线半径下的关系曲线。第71页，课件共87页，创作于2023年2月对于多匝线圈，可以认为是多个圆导线磁场的叠加。参见下图，设线圈共匝，电流为，则线圈截面电流密度为如图在线圈截面上取微元环形电流其电流为第72页，课件共87页，创作于2023年2月该微元环形电流产生的磁感应强度，由前面公式得对上式积分得到整个线圈所产生的磁感应强度为因为第73页，课件共87页，创作于2023年2月积分后得第74页，课件共87页，创作于2023年2月取不同的的值，绘出上式的曲线，如下。第75页，课件共87页，创作于2023年2月四、测量电路根据涡流传感器原理，当距离改变时，传感器的Q值，等效阻抗Z，等效电感L的三个参数都将改变。测量这三个参数中的任意一个即可换算出距离来。（一）载波频率改变的调幅法和调频法该电路的核心是一个电容三点式振荡器，传感器线圈作为振荡回路的一个电感元件。电路参见下图。当无被测导体时，回路谐振于，此时Q值最大，对应输出电压也最大。当被测导体接近时，振荡器的谐振频率改变，谐振曲线中心向两边移动，并且变平坦。参见后图。通过测量幅度或频率可以计算出位移量。2006.10.9JC204->第76页，课件共87页，创作于2023年2月第77页，课件共87页，创作于2023年2月软磁材料非磁、硬磁材料第78页，课件共87页，创作于2023年2月（二）调频式测量电路该电路的测量原理是利用距离的变化导致线圈电感的变化，线圈电感的变化引起振荡频率的变化，通过测量振荡频率，计算出距离。电路由克拉泼电容三点式振荡器和射极跟随器构成。振荡器的振荡频率射极跟随器起隔离（防止负载对振荡频率的影响）和阻抗匹配作用。为了消除分布电容对振荡频率的影响，通常将电容C与传感器封装在一起。第79页，课件共87页，创作于2023年2月第80页，课件共87页，创作于2023年2月钢板铜板第81页，课件共87页，创作于2023年2月五、应用