第三章电感式.

传感器与检测技术天津工业大学电气工程与自动化学院主讲王红一内容回顾（一）BEC+-DA11ΔRR22ΔRR3R4R0U电阻应变式传感器内容回顾（二）0rAACdd电容式传感器电容式传感器的分类变极距型变面积型变介质型单一变极距型差动变极距型平板式直线位移圆柱式直线位移角位移式内容回顾（二）（1）紧耦合电感电桥电容式传感器的测量电路（3）变压器式交流电桥（2）二极管双T形交流电桥（4）运算放大器电路第三章电感式传感器3.1自感式传感器及其应用3.2互感式传感器及其应用3.3涡流式传感器及其应用第三章电感式传感器电感式传感器（inductancetypetransducer）是利用电磁感应原理，将被测非电量，如位移、压力、振动、流量等，转换为线圈自感系数L或互感系数M的变化，然后经测量电路转换为相应的电压或电流输出，实现非电量到电量的变化。电感式传感器与其它传感器相比，具有结构简单、工作可靠、测量精度高、零点漂移少、线性度好、输出功率较大等优点，其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率较低，不适用于快速动态测量。根据转换方式的不同，电感式传感器可以分为自感型和互感型两大类；根据结构的不同可以分为变磁阻型、变压器型（互感型）和涡流型三种。第三章电感式传感器电感线圈3.1自感式传感器及其应用第三章电感式传感器自感式传感器是利用自感量随气隙变化而改变的原理制成的，主要用来测量位移。自感式传感器按照结构可分为气隙式和螺管式两种。1.气隙式自感传感器1—线圈2—铁心3—衔铁图3-1气隙式传感器的结构MRNL2线圈中的电感为：N：线圈匝数；RM磁路中的总磁阻，1/H3.1自感式传感器及其应用12m1122002LLRSSS磁路总磁阻为：为铁心材料的导磁率；为衔铁材料的导磁率；为磁通通过铁心的长度；为磁通通过衔铁的长度；为铁心的截面积；为衔铁的截面积；为空气的导磁率；为气隙的截面积；为气隙的厚度。121L2L1S2S00S0m002RS202NSL因为，所以3.1自感式传感器及其应用上式表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变或S均可导致电感变化。因此，气隙式传感器又分为变气隙厚度的变间隙式传感器和变气隙面积S的变面积式传感器。因为变化的都是磁阻，所以气隙式传感器又称为变磁阻式传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度的变间隙式电感传感器。202NSL下面，以变间隙式传感器为例介绍其工作原理。3.1自感式传感器及其应用变间隙式传感器工作原理初始电感00202SNL当衔铁上移Δδ时：0202SNL........30200000LLLLL同理衔铁下移Δδ时：........302000LL000LL3.1自感式传感器及其应用其灵敏度为0001LLK由此可见，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，所以变间隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的。00LL3.1自感式传感器及其应用当衔铁上移Δδ时：........30200000LLLLL同理衔铁下移Δδ时：........302000LL........2503000LL差动式结构：差动式变间隙式传感器工作原理3.1自感式传感器及其应用其灵敏度为：002LL忽略高次项：002KLL差动式电感传感器的线性较好，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。3.1自感式传感器及其应用2.螺线管式自感传感器（2）螺线管差动式结构1—线圈2—衔铁3—测杆4—被测物220cc01020r[11]NrlLLLlrl2220cc1r11rNrlxLlrl2220cc2r11rNrlxLlrl当衔铁位于中间时：当衔铁向下移动后：lc3.1自感式传感器及其应用3.自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路，主要有交流电桥、变压器式交流电桥和谐振式。（1）交流电桥UZZZZURRUZZZU)(2221212110ZZZ1ZZZ2因为：LLUZZUU220所以：002UU交流电桥的特点是：1)电桥输出与间隙变化量有关，并有正比关系；2)桥路输出与电桥电压U有关，桥压U升高，输出U0增加；3)桥路输出与初始间隙有关，初始间隙越小输出越大。3.1自感式传感器及其应用可见，电桥输出电压是的函数，并且为线性关系。002UU03.1自感式传感器及其应用（2）变压器式交流电桥121121222oZZUUUUZZZZZ1ΔZZZ2ΔZZZ时，桥路输出电压为当衔铁偏移时阻抗变化为，LLUZZUU220当衔铁偏向另一方向时，桥路输出电压为LLUU20变压器式交流电桥的特点是：1)衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等，方向相反，相差180度。判断衔铁方向，实际上就是判断信号相位，因此判断位移的方向可用相敏检波器解决。2)该电路最大特点是输出阻抗较小，其输出阻抗为。22()/2ZRL3.1自感式传感器及其应用（3）紧耦合电感臂电桥（4）谐振式（调幅、调频）+LVTUC-0U3.1自感式传感器及其应用4.自感式传感器的应用举例线圈铁心衔铁膜盒PA~U图3-12变隙电感式压力传感器结构3.1自感式传感器及其应用4.自感式传感器的应用举例衔铁P弹簧管电源1L2LΔx0U图3-13导管端血压传感器结构3.2互感式传感器及其应用3.2互感式传感器及其应用互感式传感器是把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器。这种传感器主要包括衔铁、一次绕组和二次绕组等。是根据变压器的基本原理制成的，采用两个二次绕组的同名端反向串接，以差动形式输出，故又称差动变压器式传感器。一、二次绕组间的互感随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。1-一次绕组，2-二次绕组3-衔铁，4-测杆1.互感式传感器的工作原理与结构理想条件下：当活动衔铁处于初始平衡位置时，2221EE022210EEU当活动衔铁向二次绕组方向（向上）移动时，中的磁通将大于中的磁通，，21N21N22N12MM21E22E1222102IMjEEU3.2互感式传感器及其应用12MM10MMM使增加，减小，20MMM1211EjMI1222EjMI2.互感式传感器的输出特性（零点残余电压）：零位移时的输出电压，一般在几十毫伏以下，使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，带来测量误差。xU减小零点残余电动势的方法：(1)尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。(2)选用合适的测量电路。(3)采用补偿线路减小零点残余电动势。3.2互感式传感器及其应用3.2互感式传感器及其应用3.互感式传感器的测量电路辨别衔铁移动方向消除零点残余电压差动整流电路/相敏检波电路(1)差动整流电路举例当衔铁在零位时，2468UU20U当衔铁在零位以上时，2468UU20U当衔铁在零位以下时，2468UU20U(2)差动相敏检波电路举例3.互感式传感器的测量电路处于正半周时，、导通，和截止，形成两条电流通路：当与同处于负半周时，和导通，和截止，同样有两条电流通路：(2)差动相敏检波电路举例3.互感式传感器的测量电路0u1VD4VD2VD3VDo122222Lo1uCVDBuuRuo2L22223o2uRuuBVDDu2u0u1VD4VD2VD3VDo1L21211o1uRuuARVDCuo242121Lo2uDRVDAuuRu传感器衔铁上移：L2L1L(2)RuunRR传感器衔铁下移：L2L1L(2)RuunRR4.互感式传感器的应用举例3.2互感式传感器及其应用互感式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。液位测量工作原理图3.3涡流式传感器及其应用根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，称为电涡流，该现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况，电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。1.涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器最大特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。3.3涡流式传感器及其应用若把导体等效成一个短路线圈，则有等效电路如下图所示：111121122220RIjLIjMIUjMIRIjLI222211212epep222222221[]()()UMMZRRjLLRjLRLRLI求解得传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z为：线圈的等效品质因数Q值为：epepLQR2.电涡流式传感器的特性3.3涡流式传感器及其应用（1）电涡流的径向形成范围线圈—导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。当x一定时，有：1)电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径ras的1.8~2.5倍范围内，且分布不均匀。2)电涡流密度在短路环半径r=0处为零。3)电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。4）可以用一个平均半径为ras的短路环来集中表示分散的电涡流(图中阴影部分)。1as/rrrJhx1rarasr1.00.60.2-3-2-120123iaas2rrr图3-25电涡流密度J与半径r的关系曲线2.电涡流式传感器的特性3.3涡流式传感器及其应用（2）电涡流强度与距离的关系当x改变时，电涡流密度发生变化，即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈—导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度为2122as1xIIxrI1-为线圈激励电流；I2-为金属导体中等效电流；x-为线圈到金属导体表面距离；ras-为线圈外径。5021/IIas/xr1.00.60.213图3-26电涡流强度与距离归一化曲线2.电涡流式传感器的特性3.3涡流式传感器及其应用5021/IIas/xr1.00.60.213图3-26电涡流强度与距离归一化曲线分析：1)电涡强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。2)当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1(一般取0.05~0.15)的范围，才能得到较好的线性度和较高的灵敏度。（2）电涡流强度与距离的关系2.电涡流式传感器的特性3.3涡流式传感器及其应用（2）电涡流的轴向贯穿深度由于趋肤效应，电涡流沿金属导体纵向的分布是不均匀的，其分布按指数规律衰减，可用下式表示d0dhJJed为金属导体中某一点至表面的距离；Jd为沿H1轴向d处的电涡流密度；J0为金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值；h为电涡流轴向贯穿深度(趋肤深度)。显然磁场变化频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小。其穿透深度h可表示为0rhfρ为导体电阻率；μr为导体相对磁导率；f为交变磁场频率。涡流穿透深度h和激励电流频率f有关。3.3涡流式传感器及其应用2.涡流式传感器的测量电路（1）电桥电路静态时电桥平衡，桥路输出。AB0U工作时，电涡流效应等效电感L