第三章电感式传感器.

山东理工大学机械学院第三章电感式传感器传感器机械工程学院仪器系李云雷Tel:2786982办公室：12#527山东理工大学机械学院第三章电感式传感器第三章电感式传感器定义：是一种利用线圈自感或互感的变化实现非电量电测的装置。被测量：位移、加速度、压力、应变等。分类：根据转换原理，分自感式和互感式两种；根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。此外，利用电涡流原理的电涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器，利用平面绕组互感原理的感应同步器等，亦属此类。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器电感式传感器自感式（气隙型、面积型、螺管型）互感式（气隙型、面积型、螺管型）电涡流式传感器压磁式传感器感应同步器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器优点：①结构简单可靠，输出功率大、输出阻抗小；②分辨力高机械位移：0.1μm，甚至更小；角位移：0.1角秒。③重复性好，线性度优良在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。缺点：频率响应低，不宜于高频动态测量。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器第一节工作原理一、自感式传感器组成：线圈1，铁芯2和衔铁3等。图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为2δ,可以认为磁路封闭。线圈自感计算公式：mRNL2N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器图示自感传感器，因为气隙较小(δ为0.1～1mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为li：各段导磁体的长度；μi：各段导磁体的磁导率；Si：各段导磁体的截面积；μ0：真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m；S：空气隙截面积（图3－1b，S=a×b）SSlRiiim02山东理工大学机械学院第三章电感式传感器代入L，得SSlNRNLiiim0222结论：自感L是气隙截面积和长度的函数，即L＝f(δ,S)；若S保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙型传感器；若保持δ不变，使S随位移变化，则构成变截面型传感器；线圈中放入圆形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位移，自感量将相应变化，这就可构成螺管型传感器。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器★差动式自感传感器，如图。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器图中有两个电感线圈，当衔铁由原始平衡位置变动时，一个线圈电感量增加，一个线圈电感量减少，电感总变化量为差动式的与单线圈的相比，有下列优点：1、线性好；2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同，输出信号大一倍；山东理工大学机械学院第三章电感式传感器截面型自感传感器：山东理工大学机械学院第三章电感式传感器差动式螺管型自感传感器：山东理工大学机械学院第三章电感式传感器了解内容：气隙型、截面型和螺管型的比较。线性度；灵敏度；示值范围；生产中的互换性等。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器二、互感式传感器组成：基本元件有磁心、初级线圈、次级线圈和线圈框架。一般形式：这种传感器的二次侧线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。基本原理：一次侧线圈通入激励电流时它将产生磁通（线圈N1所链磁通），其中将有一部分磁通将穿过匝数为N2的二次侧线圈，从而在线圈N2中产生互感电动势，其表达式为1I1112E山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器111111122112212212112IMjEeIjdtIdeIIIddMNNMNNdtIMddtdEtjMtjM，则设的互感系数，和－线圈；＝磁链，－穿过山东理工大学机械学院第三章电感式传感器因为，其中为激励电压，为一次侧线圈的有效电阻，为一次侧线圈的电感，则二次侧线圈开路输出电压及其有效值为212111)()(LRMUULjRUMjEUoo结论：输出电压信号将随互感变化而变化;传感器工作时，被测量的变化将使磁芯位移，后者引起磁链ψ12和互感M变化，最终使输出电压变化。0U山东理工大学机械学院第三章电感式传感器实例：螺管型差动变压器式传感器螺管型差动变压器类型：根据一次侧、二次侧线圈排列形式不同有二节式、三节式、四节式和五节式，如图3-10所示。三节式的组成：磁芯1、磁筒2、骨架3、一次侧线圈N1、二次侧线圈N2a和N2b。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器3－10山东理工大学机械学院第三章电感式传感器上下山东理工大学机械学院第三章电感式传感器三节式的工作原理：在理想情况下，忽略铁心损耗及线圈寄生电容等因素的影响，其等效电路可以画成如图3-11b所示的形式。图中e2a和e2b是单个二次侧线圈的感应电动势，当磁芯位于一次侧线圈和某个二个侧线圈的中间位置时，该二次侧线圈绕组的感应电动势达到最大值Emax。当磁芯远离，接近空心状态时，其感应电动势呈现最小值Emin。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器当两个二次侧线圈反向串接时，空载输出电压u0=e2a-e2b呈V形特性，如图3-11c所示。图中x表示磁芯偏离中心位置的距离。二次侧线圈感应电动势e2a和e2b分别为111221212/LjRMMUjMMIjEEUIMjEIMjEababbaobbaa空载输出电压山东理工大学机械学院第三章电感式传感器第三节转换电路和传感器灵敏度被测量→自感（互感）→转换电路→后级电路转换电路的作用：把自感变化转换为电压（或电流）的变化；转换电路的形式：调幅电路、调频电路和调相电路，其中调幅电路应用较多。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器一、调幅电路1、变压器电桥基本结构：Z1、Z2为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次侧线圈的两半，每半的电压为u/2。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器输出空载电压：初始平衡，Z1=Z2=Z，u0=0。磁芯偏离中间零点，Z1=Z＋ΔZ，Z2=Z－ΔZ，输出电压变为输出阻抗值较小，为，因而应用较广。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器磁芯移动方向相反时，Z1=Z－ΔZ，Z2=Z＋ΔZ，输出电压变为结论：两种情况的输出电压相等，方向相反，相位差180°。若用示波器显示，两交流电压波形相同，为判断磁芯移动方向，可在后续电路配置相敏检波器。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器Ri1～e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4e相敏检波电路山东理工大学机械学院第三章电感式传感器线圈的阻抗变化，线圈的品质因数为Q=ωL/R，则输出电压表达式可变为：若ΔR/R可以忽略，有山东理工大学机械学院第三章电感式传感器若设计成ΔL/L＝ΔR/R，或要求线圈具有较高Q值，此时山东理工大学机械学院第三章电感式传感器2、谐振式调幅电路基本组成：传感器自感L、固定电容C、变压器T。工作原理：接入外接电源u后，变压器的二次侧将有电压u0输出，输出电压频率与电源频率相同，幅度随L变化。图3-16b所示为输出电压u0与自感L的关系曲线，其中L0为谐振点的自感值。实际应用时可以使用特性曲线一侧接近线性的一段。优缺点：这种电路的灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器二、调频电路基本原理:传感器自感L变化将引起输出电压频率f的变化。振荡回路的振荡频率为当L发生微小变化ΔL，频率变化Δf为特点：非线性比较严重，用于动态范围很小的情况或要求后续电路作适当的处理。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器三、调相电路基本原理：传感器电感L的变化引起输出电压相位φ的变化。结构如图：相位电桥一臂为L,一臂为R。电感线圈与固定电阻上的压降互相垂直。电感变化，输出电压幅值不变，相位变化。电感L变化ΔL，相位变化RL/arctan2山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器四、自感传感器的灵敏度定义：自感传感器的灵敏度是指传感器结构和转换电路综合在一起的总灵敏度。传感器结构的灵敏度kt：自感值的相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，公式如下转换电路的灵敏度kc：空载输出电压与自感相对变化之比，公式如下xLLkt/)/()//(0LLukc山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器自感传感器的灵敏度kz:实例分析：差动气隙型自感传感器的灵敏度计算xukkkctz/021221000000ukukLLuukLLzct敏度则气隙型传感器的总灵山东理工大学机械学院第三章电感式传感器结论：传感器类型和转换电路不同，灵敏度表达式不同。供电电源的电压u要稳定，它直接影响传感器的灵敏度。传感器灵敏度的单位为mv/(μm﹒V)，意思是当电源电压为1V，衔铁偏移1μm时，输出电压为若干毫伏。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器五、差动变压器的转换电路1、反串电路～～～u0R2be2ae2buR1MaMbL2aL2bL1i1R2a空载输出电压：baEEU220山东理工大学机械学院第三章电感式传感器2、桥路其中是桥臂电阻，是供调零用的电位器。暂不考虑电位器，并设，则输出电压为山东理工大学机械学院第三章电感式传感器19山东理工大学机械学院第三章电感式传感器第三节零点残余电压一、差动式自感型传感器的零残电压1、零残电压的产生若桥路中两线圈的阻抗相等，包括电阻相等和电感相等，则电桥平衡输出电压为零，但桥路的绝对平衡难以实现。画出衔铁位移x与电桥输出电压U0有效值的关系曲线，则如图3-20所示，虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压，并用e0表示。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器2、零残电压的形式及其对测量的影响示波器上观察到的波形见图示。其中u代表电源电压，e0代表零点残余电压的波形。零残电压包含基波和高次谐波两个部分。基波一般为与电源电压相正交的正交分量，还包括基波同相成分。高次谐波中有二次、三次谐波和幅值较小的外界电磁干扰波。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器1基波正交分量2基波同相分量3二次谐波4三次谐波5电磁干扰波uue0e012345(a)零残电压的波形(b)波形分析tt山东理工大学机械学院第三章电感式传感器零残电压的影响：零点残余电压过大，会使灵敏度下降，非线性误差增大，不同档位的放大倍数有显著差别，甚至造成放大器末级趋于饱和，致使仪器电路不能正常工作，甚至不再反映被测量的变化。零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要标志之一。在制造传感器时，要规定其零点残余电压不得超过某一定值。例如某自感测微仪的传感器，经200倍放大后，在放大器末级测量，零点残余电压不得超过80mV。仪器在使用过程中，若有迹象表明传感器的零点残余电压太大，就要进行调整。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器3、零残电压产生的电路分析造成零残电压的原因，总的来说，是两电感线圈的等效参数不对称。自感线圈的等效电路如图a。其中与L串联的Rc是铜损电阻，与其并联的Re和Rh则分别代表铁心的涡流损失及磁滞损失；与L及Rc并联的电容C则反映了线圈的自身电容，这在高频时必须给以特别考虑，一般可以忽略。各处电压、电流的矢量图如图b所示。山东理工大学机械学院第三章电感式传感器山东理工大学机械学院第三章电感式传感器——流入线圈的总电流；——流入自感的电流；——铜损电阻上的电位降；——电感上的电位降；——整个线圈上的电位降，且；——损耗角，；——各参数的含义：山东理工大学机械学院第