第5章电感式传感器(1).ppt

1、在第5章，感应传感器，1，感应传感器利用电磁感应原理转换测量的物理量，如位移，压力，流量，振动等。转换成线圈的自感系数或互感系数的变化，然后通过测量电路将其转换成电压或电流的变化，再输出，从而实现从非电到电的转换。按结构可分为变磁阻式、变压器式和涡流式三种。5.1可变磁阻传感器(自感)，2。可变磁阻传感器通过测量来改变磁路的磁阻，从而改变线圈的电感。自感传感器的常见形式：3，5.1.1工作原理，1。磁路和磁路定理磁通量的闭合路径称为磁路。图为交流接触器磁路，磁通通过铁芯和气隙闭合。根据安培开关定理，线圈匝数、磁势、磁路平均长度、磁通量、磁阻和磁势是产生磁通量的激励，磁阻是描述阻碍磁通量的物理量

2、。这种关系也称为磁路欧姆定律，简称为磁路欧姆定律。4.磁路的欧姆定律在电路形式上与欧姆定律相似，比较如下：磁路、电路、磁动势F、磁通量、磁感应强度B、磁阻电流I、电流密度J、电阻R=L/s。如果磁路不均匀，由不同的材料制成，磁路的磁阻应由几个不同的部分串联而成，即类似于磁路KVL，由结构线圈、铁芯和电枢组成。铁芯和电枢由硅钢片或坡莫合金等导磁材料制成，铁芯和电枢之间有气隙，气隙的厚度为0，传感器的运动部分与电枢相连。可变磁阻传感器的工作原理、磁路组成和磁阻由铁芯、气隙和电枢组成。总磁阻是，因为铁磁材料的磁导率远大于真空的磁导率，根据磁路的欧姆定律，可以看出当气隙的厚度或面积s改变时，电感L也改

3、变。当传感器线圈连接到测量电路时，电感的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化，从而实现从非电量到电量的转换。5.1.2输出特性，6，以可变间隙传感器为例。改变电枢与铁芯之间的间隙厚度，可变磁阻传感器的输出特性曲线如图所示。可变间隙电压传感器的特性，7。当电枢向上移动时，传感器的气隙减小，即=0-，那么输出电感为L=L0，其排序如下：假设电感传感器的初始气隙为0，初始电感为L0，电枢位移引起的气隙变化为。当衔铁处于初始位置时，初始电感为：当/01时，上述公式可以用泰勒级数展开成级数形式，由上述公式可以得到电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即：9。类似地，当电枢随着被测物体的初始位置向下移动

4、时，传感器的气隙增大，即=0，则输出电感为L=L0-L，然后为10。灵敏度是单位间隙变化引起的电感变化，即：如果只考虑二次非线性项，忽略其他高阶项，将会得到非线性误差：可变间隙电感传感器的测量范围与灵敏度和线性度相冲突，因此适用于测量小位移。一般情况下，测量范围为=0.10.2毫米.5.1.3差动可变间隙传感器11的结构原理。差动变间隙自感传感器的结构原理如下：当电枢向上运动时，两个线圈的电感分别变为：总电感变为12。对上述公式进行线性处理，即忽略高阶项得到3360，灵敏度k0为：总电感的相对变化为，如果只有三个ti根据第三章的知识，电桥的输出电压是，其中铜线的内阻是，因此，交流电桥的特性如下

5、：1)电桥的输出与气隙的变化有关，并有正比关系；2)电桥输出与电桥电压UAC有关，电桥电压增加，输出U0增加；3)电桥的输出与初始气隙0相关。初始间隙越小，输出越大。初始电感，16，2。变压器交流电桥，图中所示电路是变压器交流电桥的测量电路，电桥的两臂是传感器两个线圈的阻抗，另外两臂是电力变压器的两个次级线圈，匝数比为1/2。当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为：当传感器衔铁处于中间位置时，即Z1=Z2=Z，17，当传感器衔铁向上移动时，如Z1=Z，Z2=Z-Z，当传感器衔铁向下移动时，如Z1=Z-Z，Z2=Z-Z。这时，从上述分析可以看出，这两种由于是交流电压，输出指示不能判断位移方向，必

6、须用相敏检测电路解决。18、谐振测量电路分类：谐振调幅电路和谐振调频电路。3。谐振型(调幅和调频)，调幅电路由传感器电感L和电容C组成，变压器初级绕组串联形成串联谐振电路，与交流电源相连。变压器次级侧输出电压的频率与电源的频率相同，其幅值随初级绕组中电感的变化而变化。图中L0是谐振点的电感值，表明此时电路的输出幅度最大。该电路灵敏度高，线性度差，适用于线性度要求低的场合。调频电路形成传感器电感l，电容c并联形成振荡电路。调频原理，LC振荡电路的振荡频率是，当L变化时，振荡频率也变化，测量值可以根据f的大小来测量。f与L的关系曲线如图所示，具有明显的非线性关系。电路输出频率的变化与传感器电感值的

7、变化之间的关系如下：谐振调频电路的输出特性具有严重的非线性，因此这种传感器仅限于在小动态范围内使用。因此，调频电路只有在谐振频率较大时才能达到较高的精度。5.1.5可变磁阻传感器20的应用。当压力进入波纹管时，波纹管的顶部在压力P的作用下产生与压力P成比例的位移，因此电枢也移动，从而气隙改变，流过线圈的电流也相应改变。电流表A的指示值反映了测得的压力。2020/8/4/21，当测量的压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管变形，其自由端移位，这驱动与自由端相连的电枢运动，从而线圈1和线圈2中的电感以相同的幅度和相反的符号变化。也就是说，一个电感增加，另一个电感减少。电感的这种变化通过桥式电路转换成电压

8、输出。因为输出电压和测量的压力之间存在比例关系，所以只要输出电压由测量仪器测量，就可以知道测量的压力。22，游标卡尺分辨率为0.02毫米；微米的分辨率为0.01毫米；电感传感器的分辨率可达0.01米.新量具23、5.2差动变压器传感器(互感型)-自学习、互感型传感器设计及结构示意图：一种将被测非电量转化为线圈互感变化的传感器。基本结构主要包括电枢、初级绕组、次级绕组和线圈架。次级绕组以差动方式连接，也是差动变压器传感器。工作原理绕组之间的互感随着测量位移的变化而变化。基本类型有可变间隙型、可变面积型和螺线管型。螺线管差动变压器被广泛使用。(a)两段式(b)三段式(c)四段式(d)五段式，25。

9、等效电路的两个次级线圈反相串联。在理想条件下，等效电路如左图所示。电枢位于中间位置，初级绕组充有电压，次级绕组产生感应电动势和。假设差动变压器线圈完全对称，两个线圈的互感系数相等。因此，当电枢运动时，两个线圈的互感系数沿相反方向变化，因此输出将随着电枢的位移而变化。5.2.2基本特性，26。当次级开路时，次级绕组中感应电动势的表达式。可移动电枢向下移动，然后，它具有与相同的极性。2020/8/4，28，差动变压器输出电压特性曲线，5.2.3零剩余电压，29，当差动变压器电枢在中间位置时，其输出电压在理想情况下为零。但是实际上，当使用桥式电路时，在零点仍然有一个微小的电压值(从几毫伏到几十毫伏)

10、，这被称为零残余电压。30，零残余电压的原因，基波分量，由于差动变压器的两个次级绕组不能完全一致，其等效电路参数(互感m，自感l和损耗电阻r)不能相同，从而使两个次级绕组的感应电动势值不同。由于初级线圈中的铜损耗电阻、导磁材料和不均匀材料的铁损、线圈匝间电容的存在等因素，励磁电流与产生的磁通量在相位上是不同的。高次谐波和高次谐波分量主要是由导磁材料磁化曲线的非线性引起的。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，由于励磁电流和磁通波形不一致，产生非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组中感应出非正弦电势。此外，激励电流波形失真，因为它包含高次谐波分量，这也将导致零残余电压中的高次谐波分量。31、降低零

11、点残余电压的措施，并保证设计和工艺中结构的对称性。选择合适的测量线。采用相敏检测电路不仅可以识别电枢的运动方向，还可以消除电枢处于中间位置时高次谐波引起的零残留电压。使用补偿电路。(a)可调电阻RP改变两个次级绕组的电阻，从而消除两个绕组基波分量的幅度差。(b)根据图A并联电容器，调整次级绕组的相位，消除基波分量的相位差。32，(c)可调电阻器R串联连接到上部次级绕组，以消除两个绕组的基波分量的幅度差。补偿电容c调节次级绕组的相位，以消除基波分量的相位差。(d)串联电阻R串联，可调电阻RP串联，以消除两个绕组基波分量的幅度差。5.2.4测量电路，33，差动变压器的输出是交流电压，如果用交流模拟

12、电压表测量，只能反映电枢的位移，不能反映运动方向。此外，测量值将包含零误差。在实际测量中，为了区分运动方向和消除零残余电压，通常采用两种测量电路：相敏检测电路和差动整流电路。34，1。差分整流器电路，当点e为且点f为 时，则电流路径为eacdbf。工作原理，当e点为且f点为 时，则电流路径为fbcdae。不管次级线圈输出瞬时电压的极性如何，通过电阻r的电流总是从c到D.整流电路的输出电压u，波形，36，2。二极管相敏检波电路，电路组成，D1D4是四个性能相同的二极管，它们串联在一起，37，工作原理，iL，iL，i=iL，iL=0，T2是中间抽头，u1=u2，流经RL的电流为0。类似地，当用户界

13、面和用户界面都是负半周期时，相应的D1和D2将被打开，i=iL iL=0。当电枢位于中间位置时，位移x(t)=0。然后，i 0，当电枢位于零位置之上时，位移为x(t) 0，传感器的输出电压ui与us的频率和相位相同，设计要求us的幅度远大于ui的幅度。正半周，负半周，-，-，然后i 0，39，-，39，il，il，然后I 0，当电枢低于零时，位移x(t) 0，传感器输出电压ui和us当电枢移动到零位置以上时，负载RL上的输出电压总是正的，而不管参考电压是正的还是负的。当电枢移动到零位置以下时，负载R1上的输出电压总是负的，不管参考电压是正的还是负的。因此，电路可以辨别铁芯的运动方向。应用实例4

14、1，1，感应测厚仪，42，2，感应测微计，43，44，3，感应压力计，4，张力测量控制系统，5.3涡流传感器，45，根据法拉第电磁感应定律，当块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时，根据涡流效应制成的传感器称为涡流传感器。涡流传感器具有结构简单、频响宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围宽和非接触测量等优点。涡流传感器可以测量位移、振动、厚度、转速、温度等参数，还可以进行无损检测和制作接近开关。工作原理，交变磁场存在，1。涡流形成，导体处于交变磁场中。影响涡流的因素，金属板的电阻率和磁导率，金属板的厚度h，金属板和线圈之间的距离，激励电流的角频率，5.3.2等效电路分析表明，导体

15、上形成的涡流等效于短路环中的电流，可以是1。等效电路，线圈和导体等效于两个相互耦合的线圈。线圈和导体之间的互感m随着线圈和导体之间的距离x的减小而增加。2.等效电路分析：根据KVL公式，可以列出以下等式：通过求解该等式得到的等效阻抗表达式为：可以看出，所有引起次级电路变化的物理量R2、L2和M都会引起传感器线圈的等效阻抗Z1的变化。导体的电阻率和磁导率、线圈和被测物体之间的距离x以及激励线圈的角频率都通过涡流效应和磁效应影响Z1。控制一些参数不变，并且只改变其中的一个，使得线圈阻抗Z1成为该参数的单值函数。从而实现该参数的测量。5.3.3涡流的分布和强度，49.1。涡流的分布，由于金属的趋肤效应，涡流只存在于金属导体表面的薄层中，并且存在一个涡流区。涡流区各处的涡流密度不同，有径向分布和轴向分布。如图所示，涡流范围与线圈外径成固定的比例关系。r=ro s线圈外径处的金属涡流密度最高；在r=0的线圈中心，涡流密度为零(j=0)；在0.4圈以内基本上没有涡流；在r=1