第四章传感器课件.ppt

1、第4章电感式传感器,4.1自感式传感器 4.2差动变压器式（互感式）传感器 4.3电涡流式传感器 4.4电感式传感器的应用 本章小结 习题 实验、 实训建议,4.1 自感式传感器自感式传感器又称为变磁阻式。 结构由线圈、 铁芯、 衔铁三部分组成， 如图4-1所示。 铁芯和衔铁之间有气隙， 气隙厚度为， 传感器运动部分与衔铁相连， 衔铁移动时发生变化， 引起磁路的磁阻Rw变化， 使电感线圈的电感值变化。 因此， 只要测出这种电感量的变化， 就能确定衔铁位移量的大小和方向。,图4-1 变磁阻式传感器,根据磁路知识， 线圈自感量可按下式计算：,（4-1,式中, W为线圈匝数； 0为空气的导磁率； A

2、为气隙的截面积； 为气隙厚度。 由式（4-1）可见， 自感L是气隙截面积A和气隙厚度的函数， 因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器（变气隙型）和变气隙面积A的传感器（截面型）。,4.1.1 变气隙型电感式传感器由式（4-1）可知L与之间是非线性关系， 特性曲线如图4-2所示。 设电感式传感器初始气隙为0， 初始电感量为L0， 衔铁位移引起的气隙变化量为， 当衔铁处于初始位置时， 初始电感量为,（4-2）,图4-2 变气隙型传感器的L-特性,当衔铁上移时， 传感器气隙减小，即=0， 则此时输出电感为L=L0+L， 代入式（4-1）并整理， 得,（4-3）,当时， 可得灵敏度为,（4-4）

3、,差动变气隙型电感式传感器的结构如图4-3所示。 它由两个相同的电感线圈的磁路组成。 测量时， 衔铁与被测物体相连， 当被测物体上下移动时， 带动衔铁以相同的位移上下移动， 两个磁回路的磁阻发生大小相等、 方向相反的变化， 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。,图 4-3 差动变气隙型电感式传感器结构,将两个电感线圈接入交流电桥的相邻桥臂， 另两个桥臂由电阻组成， 电桥的输出电压与电感变化量L有关, 可得灵敏度为,（4-5）,k0=,比较单线圈和差动两种变气隙型电感式传感器的特性可知： （1） 差动型比单线圈的灵敏度提高一倍。（2） 差动型的线性度好。（3） 差动式

4、的两个电感结构可抵消温度、 噪声干扰的影响。,4.1.2 截面型电感式传感器截面型电感式传感器的结构示意图如图4-4所示， 由图可以看出线圈的电感量为L=0AW2/（2）。传感器工作状态下， 当气隙厚度保持不变， 而铁芯与衔铁之间的相对面积因被测量的变化而改变时， 将导致电感量的变化。 由式（4-1）可知， L与A之间是线性关系。,图4-4 截面型电感式传感器,4.1.3 测量电路（1） 交流电桥。 交流电桥测量电路如图4-5所示。Z1=Z2=Z=R+jL，以及R1=R2=R。由于电桥工作臂是差分形式， 因此， 当衔铁上移工作时， Z1=Z+Z，Z2=ZZ，电桥的输出电压为,(4-6),图4-

5、5 交流电,当LR时， 式(4-6)可写为,（4-7）,当衔铁向下移动时， 有,（4-8）,由式（4-7）、 式（4-8）可以看出， 衔铁上移和下移时， 输出电压相位相反， 交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。,（2） 变压器式交流电桥。如图4-6所示， 电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂Z1、 Z2， 另外两个臂是交流变压器次级线圈阻抗的一半， 交流供电。 当负载无穷大时， 桥路输出电压为,（4-9）,图 4-6 变压器式交流电桥,当衔铁处于中间位置时， Z1=Z2=Z， o=0； 当衔铁向上偏移时， Z1=Z+Z， Z2=ZZ， 输出电压为,（4-10）,当衔铁向下偏移时，

6、 有,（4-11）,4.2 差动变压器式（互感式）传感器4.2.1 差动变压器式传感器的结构与工作原理差动变压器式传感器的结构形式有变气隙型、 截面型和螺管型等， 它们的工作原理基本一样。 应用最多的是螺管型差动变压器式传感器。 它可测量1100 mm范围内的机械位移， 并具有测量精度高、 灵敏度高、 结构简单、 性能可靠等优点。,螺管型差动变压器式传感器的线圈排列根据初、 次级排列不同有二节式、 三节式、 四节式和五节式等形式， 如图4-7所示。 三节式的零点电位较小， 二节式比三节式灵敏度高、 线性范围大， 四节式和五节式可改善传感器的线性度。,图4-7 差动变压器式传感器线圈的各种排列形

7、式 (a) 二节式； （b） 三节式； （c） 四节式； （d） 五节式,在理想情况下， 差动变压器式传感器的等效电路如图4-8所示。,图4-8 螺管型差动变压器式传感器的等效电路,当次级开路时， 有,式中：为激励电压Ui的角频率； Ui为初级线圈激励电压； I1为初级线圈激励电流； r1、 L1为初级线圈直流电流电阻和电感。 ,次级绕组的感应电动势为,由于次级绕组方向串联， 因而差动变压器的输出电压为,（4-12）,输出电压的有效值为,（4-13）,4.2.2 差动变压器式传感器的输出特性1. 输出特性曲线与零点残余电压差动变压器式传感器的输出特性曲线如图4-9所示。 图中， x为衔铁偏离中

8、心位置的距离； Uo为差动输出电动势， 其中实线部分表示实际的输出特性， 而虚线表示理想的输出特性； Uz零点残余电压。,图4-9 差动变压器式传感器的输出特性,当差动变压器式传感器的衔铁处于中间位置时， 理想条件下其输出电压为零。 但实际上， 当采用桥式电路时， 在零点仍有一个微小的电压值Uz存在， 称为零点残余电压。 零点残余电压造成零点附近的不灵敏区， 给测量带来误差。 若零点残余电压输入放大器内， 会使放大器末级趋向饱和， 影响电路的正常工作。 因此， 零点残余电压的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。,2. 零点残余电压的产生原因（1） 差动的两个线圈的电气参数及导磁体的集合尺寸

9、不可能完全对称。（2） 线圈的分布电容不对称。（3） 电源电压中含有高次谐波。 （4） 传感器工作在磁化曲线的非线性段。,3. 减小零点残余电压的方法（1） 尽可能保证传感器几何尺寸、 线圈电气参数和磁路的对称。 为了保证线圈的对称性， 首先要求提高加工精度， 线圈选配成对， 采用磁路可调节结构； 其次应选高磁导率、 低剩磁感应的导磁材料， 并应经过热处理， 消除残余应力， 以提高磁性能的均匀性和稳定性。,（2） 选用合适的测量电路。 例如采用相敏检波电路， 既可判别衔铁移动方向，又可改善输出特性， 从而减小零点残余电压。 （3） 采用补偿线路减小零点残余电压。 图4-10是几种减小零点残余电

10、压的补偿电路。 在差动变压器次级绕组侧串、 并联适当数值的电阻、 电容元件， 当调整这些元件时， 可使零点残余电压减小。 图4-10（a）在次级绕组侧并联电容。,由于两个次级线圈的感应电压相位不同， 并联电容可改变绕组的相位， 并联电阻起分流作用， 使流入传感器线圈的电流发生变化， 从而改变磁化曲线的工作点， 减小高次谐波所产生的残余电压。 图4-10（b）中的串联电阻用来调整次级线圈的电阻分量。 图4-10（c）在次级绕组侧并联电位器， 用于电气调零， 改变两个次级线圈输出电压的相位。 电容C可防止调整电位器时使零点移动。 图4-10（d）中接入补偿线圈L， 以避免负载不是纯电阻而引起较大的

11、零点残余电压。,图 4-10 减小零点残余电压电路,4.2.3 差动变压器式传感器的测量电路1. 差动整流电路 差动整流电路是根据二极管的单向导电性原理进行解调的。 它把两个次级电压分别整流， 然后将整流后的电压或电流的差值作为输出。,图4-11所示为电压输出型全波差动整流电路。 若传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性在e点为“+”， f点为“”, 则电流路径是eacdbf； 如e点为“-”， f点为“+”，则电流路径是fbcdae。 可见， 无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何， 通过电阻R1上的电流总是从c到d。 同理， 分析另一个次级线圈的输出情况可知， 通过电阻R2上的电流总是从g到h

12、。,所以， 无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何， 整流电路的输出电压Uo始终等于R1、 R2两个电阻上的电压差， 即Uo=Udc+Ugh=UdcUhg整流电路输出的电压波形如图4-12所示。 当铁芯在零点时， 输出电压Uo=0； 当铁芯在零位以上或零位以下时， 输出电压的极性相反， 零点残余电压自动消除。,图 4-12 全波差动整流电路电压波形,2. 二极管相敏检波电路相敏检波电路要求比较电压与差动变压器次级侧输出电压的频率相同， 相位相同或相反。 另外还要求比较电压的幅值尽可能大， 一般情况下， 其幅值应为信号电压的35倍。 图4-13（a）是差动相敏检波电路的一种形式。 VD1、 VD2、

13、 VD3、 VD4为四个性能完全相同的二极管， 以同一个方向串联成一个闭合回路， R为限流电阻， 避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。,差动变压器输出的调幅波电压U1通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线； 参考电压U2通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线， U2和U1的频率相同（要求U2、 U1在正位移时， 同频同相； 在负位移时， 同频反相）， 且U2U1； RL为负载电阻， 输出电压UL从变压器T1和T2的中心抽头引出。,图4-13 二极管相敏检波电路和波形 (a) U1=0； (b) U10, U1与U2同相位； (c) U1、 U2同相位时的波形,下面分析相敏检波电路的工作

14、原理。 （1） 当衔铁在中间位置时， 传感器输出电压U1=0。 如图4-13（a）所示, 由于U2的作用， 在正半周时， 电流i4自u1的正极出发， 流过VD4， 再经过变压器T1的下部线圈， 自左向右经过负载电阻RL（规定该方向为正方向）后回到u1的负极。 i4的大小为,电流i3自U2的正极出发， 自右向左经过负载电阻RL， 经过变压器T1的下部线圈， 再流过VD3， 然后回到u2。 i3的大小为,因为是从中心抽头， 所以u1=u2， 故i3=i4。 流过RL的电流为两个电流的代数和， 即io=i4i3=0。,在负半周时， 电流i1自u2的正极出发， 流过VD1， 再经过变压器T1的上部线圈

15、， 自左向右经过负载电阻RL（方向为正）后回到u2的负极； 电流i3自u1的正极出发， 自右向左经过负载电阻RL和变压器T1的上部线圈， 再流过VD2， 然后回到u1的负极。,同理可知i1=i2， 电流输出也为零。,（2） 当衔铁在零位以上移动时， U1与U2同频同相。 如图4-13（b）所示， 在正半周时由于U2U1， 电流i4的流向与U1=0时完全相同，只是回路中多了一个与u1同向串联的电压e2， 所以,负半周时， 电流i1的流向与U1=0时完全相同， 只是回路中多了一个与u2同向串联的电压e1， 所以电流i2的流向与U1=0时也一样， 只是回路中多了一个与u1反向串联的电压e1，所以,（

16、3） 当衔铁在零位以下移动时， U1与U2同频反相。 在U2为正半周， U1为负半周时， 由于U2U1， 电流i4的流向与上移时相同， 只是回路中u1与e2是反向串联的， 所以 电流i3的流向与上移时也一样， 只是回路中u2与e2是同向串联的， 所以,综上所述， 经过相敏检波电路后， 正位移输出正电压， 负位移输出负电压。 电压值的大小表明位移的大小， 电压的正负表明位移的方向。 因此， 差动变压器的输出经过相敏检波以后， 特性曲线由图4-14（a）变成4-14（b）， 可见残余电压自动消失。,图4-14 相敏检波前后的输出特性曲线 (a) 经过相敏检波前； (b) 经过相敏检波后,4.3 电

17、涡流式传感器电涡流式传感器是根据电涡流效应制成的传感器。 电涡流效应是指： 根据法拉第电磁感应定律， 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中做切割磁力线运动时， 通过导体的磁通将会发生变化， 产生感应电动势，该电动势在导体内产生电流， 并形成闭合曲线， 形状似水中的涡流， 通常称为电涡流。 所以要形成电涡流必须具备两个条件： 存在交变磁场； 导电体处于交变磁场之中。,4.3.1 电涡流式传感器的基本原理电涡流式传感器的原理如图4-15所示。 它由传感器激励线圈和被测金属体组成。 根据法拉第电磁感应定律， 当传感器激励线圈中通以正弦交变电流时， 线圈周围将发生正弦交变磁场， 使位于该磁场中的金属

18、导体产生感应电流， 该感应电流又产生新的交变磁场。,图 4-15 电涡流式传感器的原理,新的交变磁场的作用是为了反抗原磁场， 这就导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗为Z=F（， ， r, f, x) (4-14)式中： 为被测体的电阻率; 为被测体的磁导率； r为线圈与被测体的尺寸因子； f为线圈中激励磁电流的频率； 触 x为线圈与导体间的距离。,由此可见， 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应， 分别与以上因素有关。如果只改变式（4-14）中的一个参数， 保持其他参数不变， 传感器线圈的阻抗Z就只与该参数有关， 如果测出传感器线圈阻抗的变化，

19、就可确定该参数。 实际应用时通常改变线圈与导体的距离， 而保持其他参数不变。,4.3.2 电涡流式传感器的种类1. 高频反射式电涡流式传感器 高频反射式电涡流式传感器的结构简单， 主要部件是一个固定在框架上的扁平线圈， 线圈可以粘贴在框架的端部， 也可以绕在框架端部的槽内。 图4-16为一个高频反射式电涡流传感器的结构示意图。,图 4-16 高频反射式电涡流传感器,传感器线圈与被测金属导体间是磁性耦合， 电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。 为了充分有效地利用电涡流效应， 对于平板型的被测导体则要求其半径应大于线圈半径的1.8倍， 否则灵敏度要降低。 当被测导体是圆柱时， 其直径

20、必须为线圈直径的3.5倍以上，灵敏度才不受影响。,2. 低频透射式电涡流式传感器 低频透射式电涡流式传感器采用低频激励， 因而有较大的贯穿深度， 适合于测量金属材料的厚度。 图4-17为这种传感器的工作原理图。 传感器有发射线圈L1和接收线圈L2，L1和L2分别位于被测材料的两侧， 由振荡器产生的低频电压u1加到发射线圈L1两端， 接收线圈L2两端产生感应电压u2， u2的大小与u1的幅值、 频率以及两个线圈的匝数、 结构及两者的相对位置有关。,图4-17 低频透射式电涡流式传感器,若两个线圈间无金属导体， 则L1的磁通能较多地穿过L2， 在L2上产生的感应电压u2最大。如果在两个线圈之间放置

21、一块金属板， 由于在金属板内产生电涡流， 消耗了一部分磁场能量， 使到达接收线圈L2的磁通量减少， 从而引起u2下降。 而且， 金属板的厚度越大， 电涡流损耗越大， u2就越小。 可见u2的大小可以反映出金属板的厚度。,一般地说， 测量金属板时， 频率应略高些， 测厚金属板时， 频率应低些。 在测量电阻率较小的材料时， 应选较低的频率（如500 Hz）， 测量较大的材料时， 应选用较高的频率（如2 kHz）， 从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。,4.4 电感式传感器的应用4.4.1 压力测量变气隙型电感式压力传感器的结构如图4-18所示。 它由线圈、 铁芯、 衔铁、 膜盒组成，

22、 衔铁与膜盒上部粘贴在一起。,图 4-18 测气体压力的电感式传感器结构,当压力进入膜盒时， 膜盒的顶端在压力p的作用下产生与压力p大小成正比的位移。 于是衔铁也发生位移， 使气隙发生变化， 流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值将反映被测压力的大小。 图4-19为运用差动变气隙式电感式压力传感器构成的变压器式交流电桥测量电路。它主要由C形弹簧管、 衔铁、 铁芯、 线圈组成。,图 4-19 差动变气隙型电感式压力传感器构成的变压器式交流电桥测量电路,变压器式交流电桥的工作原理如下： 当被测压力进入C形弹簧管时， 使其发生变形， 其自由端发生位移， 带动与之相连的衔铁运动， 使线圈1和线圈

23、2中的电感发生大小相等、 符号相反的变化。 电感的变化通过电桥转换成电压输出， 只要检测出输出电压， 就可确定被测压力的大小。,4.4.2 位移测量图4-20是轴向式电感测微器的结构图。 测量时红宝石（或钨钢）测端10接触被测物，被测物尺寸的微小变化使衔铁3在差动线圈中产生位移， 造成差动线圈电感量的变化。 次电感变化通过电缆接到电桥， 电桥的电压输出反映了被测体尺寸的变化。,图4-20 轴向式电感测微器,4.4.3 电感式圆度计图4-21是测量轴类工件圆度的示意图。 电感测头围绕工件缓慢旋转， 也可让测头固定不动， 工件绕轴心旋转， 耐磨测端（多为钨钢或红宝石）与工件接触， 通过杠杆将工件不

24、圆度引起的位移传递给电感测头中的衔铁， 从而使差动电感有相应的输出。 信号经计算机处理后给出图4-20（b）所示的图形。 该图形按一定的比例放大工件的圆度， 以便用户分析测量结果。,图4-21 圆度的测量 (a) 测量装置； (b) 计算机处理过的结果,本 章 小 结1. 自感式传感器。 自感式传感器主要有两种类型： 变隙式和螺线管式， 每一种又分为单线圈式和差动式。 当衔铁带动被测体产生位移x时， 引起线圈自感的变化， 通过转换测量电路将自感变化转换成电压或电流的变化， 根据所测量的电压或电流的大小与极性来确定被测物理量的大小及方向， 这就是自感式传感器的工作原理。,自感式传感器的测量电路有

25、变压器式交流电桥和带相敏检波的交流电桥。 变压器式交流电桥中用变压器的两个副边绕组作为电桥的两个桥臂， 电桥的另两个桥臂由传感器两个差动线圈的阻抗构成。 这种测量电路结构简单、 易于调整， 但电桥输出电压不能够反映和判别差动线圈中衔铁移动的方向， 而带相敏检波的交流电桥能很好地解决这一问题。,2. 差动变压器式传感器。 差动变压器式传感器的结构类型很多， 较为常用的是螺线管式差动变压器， 当铁芯位于平衡位置时， 次级线圈的输出电压Uo=0； 当铁芯上移或下移时， Uo0， 根据检测的Uo大小， 即可反映出被测位移的大小。,差动变压器式传感器判别被测量的方向由其测量电路完成， 测量电路大多采用差

26、动相敏检波电路和差动整流电路。 差动相敏检波电路不仅可以检测出位移的大小， 还能检测位移的方向， 并且能较好地消除零点残余电压。 差动整流电路是先把差动变压器两个次级线圈的互感电动势分别整流， 再将整流后的电量差动输出。,3. 电涡流式传感器。 激磁线圈和框架组成传感器的自身结构， 它与被测体构成一个完整的测量系统， 简称线圈-导体系统。 激磁线圈通以交变电流， 周围便形成交变磁场， 导体内产生电涡流， 电涡流磁场反抗原磁场， 引起线圈等效阻抗Z发生变化， 其表达式为Z=F(, , r, f, x)。,若只改变上式其中一个参量（其他参量为常数）， 即可建立与Z参量的单值关系， 测量Z值即可求得该参量。 电涡流式传感器的转换