CH 4-6 电感式传感器

1、第4章 电感传感器,下页,返回,主讲人：李秀媛 2013-8,图库,第二部分 常用传感器,第4章 电感式传感器,下页,返回,图库,电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量转换成线圈的自感系数和互感系数的变化的传感器。 电感式传感器的测量核心是变化的自感或变化的互感，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象，这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。,堡盟测距系列IWFM 08电感式,堡盟的新型高级钢传感器,下页,返回,主流的电感式传感器生产厂家： 1）TURCK（图尔克）是全球著名的自动化品牌，旗下囊括近15000 种丰富多样的传感器产品过程自动化产品和各类接口及接插件产品，为工厂自动化及过程自

2、动化提供了高效率和系统化的全方位解决方案。 2）1952年，在瑞士Frauenfeld成立的制造机电设备的堡盟公司。已经享誉世界50多年。凡是有自动化过程或工业顺控需要高精度监控与反馈的地方，堡盟电子的产品就能够提供所要求的高精度和高效率,图库,电感式传感器的特点： 1）结构简单，无活动电触点-工作可靠，使用寿命长。 2）灵敏度和分辨率高。例如：最小分辨率的线位移0.01um，输出信号强，输入线位移1mm，转换成输出电压数百毫伏。 3）线性度和重复性好。,一、自感式传感器的工作原理,下页,上页,返回,图库,当匝数为N的线圈通以电流I产生磁链 。磁链和线圈电流的比值称为线圈的电感L。,磁通 与电

3、路的总磁阻有关 金属电缆的磁阻很小，空气隙的磁阻较大。 综上分析：电感值与以下几个参数有关：与线圈匝数N平方成正比；与空气隙有效截面积S成正比；与空气隙长度l所反比。u是磁导率。,一、自感式传感器的工作原理,下页,上页,返回,图库,自感式传感器原理图,可变空气隙的厚度,可变空气隙的面积,1、可变空气隙厚度型,下页,上页,返回,图库,从电感量的公式看出，电感L和空气隙截面积S成正比，和厚度x成反比， 是空气的磁导率。,当满足x/x01时，K的值仅与L0和x0有关。,忽略二次项以后的值，,可变空气隙厚度型传感器灵敏度为：,实践意义： 从提高灵敏度的角度看，初始空气隙x0应尽量小。其结果是被测量的范

4、围也变小。同时，灵敏度的非线性也将增加。因此，初始空气隙x0的厚度有一定限度。,下页,上页,返回,图库,1、可变空气隙厚度型,灵敏度,只有满足x/x01时，气隙厚度型传感器的灵敏度为线性，而且值最大。,下页,上页,返回,图库,1、可变空气隙厚度型,差分电路气隙型灵敏度为,忽略二次项，差分电路气隙型灵敏度为：,结论：差分式传感器其灵敏度与单极式比较。其灵敏度提高一倍，非线性大大减小。,下页,上页,返回,图库,2、可变空气隙面积型,电感计算公式：,螺管型自感式传感器是在螺管线圈中插入一个活动衔铁，活动衔铁的运动引起磁阻的变化。这类型传感器常做成差动式。当衔铁在线圈中部，电感为0；.,自感式传感器采

5、用的测量电路一般都采用电桥形式。,固定x,改变s,可得：可变气隙面积型灵敏度为线性。,3、螺管型,下页,上页,返回,下页,上页,返回,二、互感式电感传感器,图3.28 差动变压器输出特性图,下页,上页,返回,（1）工作原理 互感型变压器式电感传感器是利用被测量变化改变互感系数 来实现的，其实质上是一个输出电压可变的变压器，又常采用差动 的形式，故又称为差动变压器。其结构形式有多种，应用较为普遍 的是螺管型，其结构和工作原理如图3.27（a）（b）所示。传感器主要由线圈（包括一个一次线圈和两个二次反接线圈）、铁芯、活动衔铁三部分组成。理想情况下，差动变压器的等效电路如图3.27 （c）所示。差动

6、变压器一次线圈加励磁电压 的角频率为 ； 为 一次线圈有效电阻； 为一次线圈电感： 为一次线圈与二次线圈I之 间的互感； 为一次线圈与二次线圈之间的互感； 为二次线圈I 中的感应电动势； 为二次线圈中的感应电动势； 为一次线圈励 磁电流； 为二次线圈I的电感； 为二次线圈I的有效电阻； 为二次线圈的电感； 为二次线圈的有效电阻； 为空载时差动变压器输出电压。由等效电路可得：,下页,上页,返回,测量前，可动衔铁处于中间位置，由于二次线圈的参数相同， 则 ，此时 0，变压器无输出。测量时，可动衔铁偏 移，两线圈互感量发生变化，设 ，由于两 者为差动，衔铁在一定范围内有 ，故在输出端开路情 况下，输

7、出为： 此式表明：当线圈参数和 确定后，变压器的输出电压由二次线圈与一次线圈互感量的差值 决定。而 与螺管内磁场变化有关，而磁场的变化取决于可移动衔铁的位移量。因此，在衔铁位移的一定范围内， 与衔铁位移 有近似线性关系，输出特性如图3.28所示。,下页,上页,返回,（2）测量电路 差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移动方向，要 进行解调。常用解调电路有：差动相敏检波与差动整流电路。采用 解调电路还可消除零位电压。 1）差动整流电路 图3.29所示为实际的全波相敏整流电路，是根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在 f点为“”，e点为“”，则电

8、流路径是fgdche（如图3.29 (a)）。反之，如f点为“”，e点为“”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图3.29 (b) 。 2）相敏检波电路 二极管相敏检波电路如图3.30所示。U1为差动变压器输入电压，U2为U1的同频的参考电压，且U2U1，它们作用于相敏检波电路中两个变压器B1和B2 。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,下页,上页,返回,3.3.3 电感传感器的应用 差动变压器式传感器的应用非常广泛。凡是与位移有关的物理量均可经过它转换成电量输出。常用于测量振

9、动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。 （1）微压力变送器 将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。图3.32是微压力变送器的结构示意图。,下页,上页,返回,（2）差动式电感测厚仪 差动式电感测厚仪由电桥式相敏检波测量电路组成，如图3.33所示。 （3）差动式电感液位测量仪 图3.34所示为液位测量原理图。当液位不变时，铁芯处中间位置，无输出电压。当液位增加或降低时，铁芯上移或下移，其输出电压经交流放大、相敏检波及相关测量电路处理后，得到液面的高度。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,3.1.3 等效电路,自感式传感器从电路角度来看并非纯电

10、感，它既有线圈的铜耗，又有铁心的涡流及磁滞损耗，这可用折合的有功阻抗Rq表示。此外，无功阻抗除电感之外还包括绕组间分布电容。这部分电容用集总参数C表示，一个电感线圈的完整等效电路可用图3-4表示。 图3-4 电感线圈等效电路 (3-7) 式中 Rm 磁路总磁阻； Zm 铁心部分的磁阻抗； Z0 空气隙的磁阻抗。 图15-9 取样保持原理,下页,上页,返回,图库,3.1.4 转换电路,自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化。为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理，就要用转换电路把电感变化转换成电压(或电流)变化。把传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将电感变化

11、转换成电压(或电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。,下页,上页,返回,图库,3.1.4 转换电路,一、调幅电路 调幅电路的一种主要形式是交流电桥。图3-5(a)所示为交流电桥的一般形式。桥臂Zi可以是电阻、电抗或阻抗元件。当空载时，其输出称为开路输出电压，表达式如下。式中U为电源电压。 图3-5 交流电桥的一般形式及等效电路 (a) 电阻平衡臂电桥 (b)变压器电桥 图3-6 交流电桥的两种实用形式 图3-7 谐振式调幅电路,下页,上页,返回,图库,3.1.4 转换电路,二、调频电路（略） 调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率f的变化。一般是把传

12、感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，如图3-8(a)所示。当L变化时，振荡频率随之变化，根据的f大小即可测出被测量值。当L有了微小变化L后，频率变化f为 图3-8 调频电路,下页,上页,返回,图库,3.1.4 转换电路,三、调相电路（略） 调相电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压相位的变化。图3-9(a)所示是一个相位电桥，一臂为传感器L，另一臂为固定电阻R。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降UL与UR互相垂直，如图3-9(b)所示。当电感L变化时，输出电压U0的幅值不变，相位角随之变化。 与L的关系为 图3-9 调相电路 式中 -电

13、源角频率,下页,上页,返回,图库,当L有微小变化L后，输出电压相位变化为,3.1.5 零点残余电压,电桥预平衡时，实际上并不总是平衡，最后总要存在着某个输出值U0，这称为零点残余电压，如图3一10所示。 图3-10 U0-l 特性,下页,上页,返回,图库,3.1.6 自感式传感器的特点及应用,自感式传感器有如下几个特点： 灵敏度比较好，目前可测0.1m的直线位移，输出 信号比较大，信噪比较好； 测量范围比较小，适用于测量较小位移； 存在非线性； 消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器，这是由于它有较大的电磁吸力的缘故； 工艺要求不高，加工容易。 图3-11 测气体压力的电感传感器 图3-12 压

14、差传感器,下页,上页,返回,图库,3.2变压器式传感器,3.2.1 工作原理 3.2.2 等效电路及其特性 3.2.3 差分变压器式传感器的测量电路 3.2.4 零点残余电压的补偿 3.2.5 变压器式传感器的应用举例,下页,上页,返回,图库,3.2.1 工作原理,变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的一种磁电机构，很像变压器的工作原理，因此常称变压器式传感器。这种传感器多采用差分形式。图3-13所示为典型结构原理。其中：A、B为两个山字形固定铁心，在其窗中各绕有两个线圈，W1a及W1b为一次绕组，W2a及W2b为二次绕组；C为衔铁。图3-14所示为改变气隙有效截面积型差分变压器式传感器

15、。 图3-13 气隙型差分变压器式传感器 图3-14 截面积型差分变压器式传感器,上页,返回,图库,下页,3.2.2 等效电路及特性,图3-15 差分变压器式传感器等效电路 图3-16 输出信号的幅频、相频特性曲线,上页,返回,图库,下页,在工艺严格情况下，两绕组完全对称，电阻、电感、匝数相同，（3-25）可简化为：,3.2.3 差分变压器式传感器的测量电路（略）,差分变压器随衔铁的位移输出一个调幅波，因而用电压表来测量存在下述问题：总有零位电压输出，因而零位附近的小位移量困难。交流电压表无法判别衔铁移动方向，为此常采用必要的测量电路来解决。 一、相敏检测电路 二、差分整流电路 图3-17 差

16、分变压器动态测量时的波形 图3-19 相敏检波前后的输出特性曲线 图3-20 差分整流电路 (a)全波电流输出，(b)半波电流输出 (c)全波电压输出, (d)半波电压输出 图3-21 全波整流电压输出电路的输出波形,上页,返回,图库,下页,3.2.3 差动变压器式传感器的测量电路,二、差分整流电路,上页,返回,图库,下页,3.2.4 零点残余电压的补偿,与电感传感器相似，差分变压器也存在零点残余电压问题。零点残余电压的存在使得传感器的特性曲线不通过原点，并使实际特性不同于理想特性。 图3-22 补偿零点残余电压的电路,上页,返回,图库,下页,3.2.5 变压器式传感器的应用举例,与电感传感器

17、相似，差分变压器也存在零点残余电压问题。零点残余电压的存在使得传感器的特性曲线不通过原点，并使实际特性不同于理想特性。 图3-23 差分变压器式位移传感器 图3-24 差分变压器式压力传感器 图3-25 微压传感器 图3-26 加速度传感器,上页,返回,图库,下页,3.3 涡流式传感器,3.3.1 工作原理 3.3.2 转换电路 3.3.3 涡流式传感器的特性及应用,上页,返回,图库,下页,3.3.1 工作原理,金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。 图3-27 涡流式传感器基本原理图,下

18、页,上页,返回,图库,3.3.2 转换电路,由涡流式传感器的工作原理可知，被测量数变化可以转换成传感器线圈的品质因数Q、等效阻抗Z和等效电感L的变化。转换电路的任务是把这些种参数转换为电压或电流输出。总的来说，利用Q值的转换电路使用较少，这里不作讨论。利用z的转换电路一般用桥路，它属于调幅电路。利用L的转换电路一般用谐振电路，根据输出是电压幅值还是电压频率，谐振电路又分为调幅和调频两种。,下页,上页,返回,图库,3.3.2 转换电路,一、桥路 二、谐振调幅电路 三、谐振调频电路 图3-28 涡流式传感器电桥 图3-29 谐振调幅电路 图3-30 谐振调幅电路特性 图3-31 调频电路原理图,下页,上页,返回,图库,3.3.3 涡流式传感器的特性及应用,涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。 图3-32 低频透射涡流测厚仪原理 图3-33 不同频率下的e=f(h)曲线 图3-34 轨迹仪原理结构,下页,上页,返回,图库,3.4 压磁式传感器,3.4.1 工作原理 3.4.2 结构形式,下页,上页,返回,图库,3.4.1工作原理,某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生应变，从而引起磁导率的改变，这种现象称为“压磁效应”。相反，某些铁磁物