第4章电感式

第4章电感式传感器主要内容：4.1变磁阻式电感传感器4.2差动变压器式电感传感器4.3电涡流式传感器要点：了解掌握自感式、互感式、电涡流式传感器的工作原理、基本特征以及这些传感器的测量电路、使用方法。概述：电感式传感器是一种机电转换装置，特别是在自动控制设备中广泛应用。传感器利用电磁感应定律将被测非电量（如位移、压力、流量、振动）转换为电感或互感的变化。按传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式。变磁阻式传感器（自感式）4.1.1工作原理传感器结构由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。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Rm变化，使电芯线圈的电感值L变化。根据磁路知识，线圈自感可按下式计算：定义线圈中的电感量：图4-1变磁阻式传感器结构=式中：N线圈匝数；Rm磁路总磁组；导磁率（真空、空气）；气隙的截面积；气隙厚。公式的定义表示：当N为常数时，电感L仅仅是磁路中Rm的函数。只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感L。因此变磁阻式又可分为:变气隙厚度（）—气隙型传感器、变气隙截面积（）—截面型传感器。输出特性从上面线圈的电感量定义式可见：L—之间是非线性关系，如图4-2所示。设电感初始气隙为，电感量为：图4-2变磁阻式传感器输出特性结构由图4-1可见，衔铁位移引起气隙的变化量为，衔铁↓，气隙减小此时输出的电感为：当1时，用泰勒级数展开后：电感的相对增量为：（下移时）（上移时）对上式作线性处理（忽略高次项时，才与成比例关系）有：定义灵敏度讨论：传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾，↑，↓；所以变间隙式电感传感器用于小位移比较精确。一般取=0.1~0.2mm。为减小非线性误差，实际测量中多采用差动变间隙式传感器。差动变间隙式结构原理：差动变隙式由两个相同的线圈L1、L2和磁路组成。当被测量通过导杆衔铁左右位移时，两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变化。一个电感量增加，另一个减小，形成差动形式。衔铁左移。、分别为：=+L图4-3差动变隙式电感传感器结构=-L电感的变化：对上式线性处理忽略高次项：灵敏度：讨论：差动变隙式比较单线圈灵敏度提高一倍；差动变隙式非线性等于单线圈非线性项多乘()因子，不存在偶次项，因1，所以线性度得到明显改善；差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰的影响4.1.3测量转换电路电感式传感器的测量电路有：交流电桥、交流变压器、谐振式等。图4-3交流电桥结构示意图图4-4交流电桥等效电路（1）交流电桥式：现有两个桥臂由线圈组成、，另外两个为电阻（前面以叙述过两个电抗的计算方法），输出电压为：代入讨论：电桥输出与气隙变量有关，成正比关系：∝；桥路输出灵敏度与电桥电压有关，↑，增加；桥路输出与初始气隙有关，↑，↓。（2）变压器式交流电桥电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、（半桥）,另外两个臂是交流变压器次级线圈各占1∕2，交流供电。当负载无穷大时，桥路输出电压为：当衔铁出于中间位置时：；当衔铁偏移时：；输出电压为：当衔铁偏向另一方向时讨论：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。要判断衔铁方向，就是判断信号相位，可用相敏检波器解决。该电路特点是输出阻抗较小，（3）谐振式（调幅、调频、调相）调幅电路传感器L与电容C变压器初级串联。当有交流电压输入时，变压器次级有输出幅度随电感L变化。为谐振点的电感值。调频电路的电感L与电容C并联组成振荡回路。谐振频率，当L变化时由由f—L特性曲线看出f—L有严重的非线性，只用于动态范围较小的情况。调频电路只有在f较大情况下才能达到较高的精度。图4-8振式调频电路4.1.4变磁阻式传感器的应用压力传感器图为1943年Welter叙述的第一个导管端血压传感器结构。C形弹簧管（波登管）作为一次换能元件将位移转换为电压。测量电路原用变压器交流电桥。当被测压力P变化时，弹簧管的自由端产生位移，带动自由端刚性连接的衔铁位移变化，差动线圈阻抗一个增加一个减少，电桥输出电压大小、方向与P压力状态有关。被测压力经位移——电压两次转换输出。液位测量沉筒式液位计：液位变化时，沉筒受到浮力作用变化，并带动差动变压器的铁芯位移变化，差动变压器输出电压也随互感发生变化，这种变化反应液面的变化。测量工具（机械）传统的测量工具是游标长尺和千分尺，游标长尺分辨率为0.02mm，千分尺0.01mm。现代机械加工要求测量工具的分辨率可达0.01，远远优于要求公差。这种新型量具的设计思想是将传统测量方法与传感器相结合。主体结构是由长尺演变而来，不测量时，弹簧及测量头接触气隙与，测量时测量臂张开，测量工作直径为：。4.2差动变压器式传感器（互感式）把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接，所以称差动变压器式传感器。差动变压器的结构形式较多，应用最多的是螺线管式差动变压器。它可测量1~100mm范围内的机械位移。4.2.1工作原理结构：初级线圈（中），两次级线圈（分别在两边）铁心在骨架中间可上下移动，称三节式。等效电路：初级，次级，并且有，线圈匝数相同，同名端相连，两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。当初级加激励电压时，次级线圈会产生感应电动势。图4-11差动变压器式传感器结构如果线圈完全对称，衔铁处于中间位置时两线圈互感系数相等，电动势相等，输出电压（差动输出为零）。当衔铁上下移动时，由于磁通量的变化使互感大小向反方向变化，输出电压随衔铁位移变化。若；。若衔铁右移，若衔铁左移，可见，输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。图4-13差动变压器输出特性4.2.2基本特性由等效电路图给出，当次级开路时，初级电路方程为根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为；有效值为：可见输出电压与互感差值有关衔铁位于中间位置；衔铁右移（向上），，衔铁左移（向下），讨论：向右移，输出与同极性。左移，输出与同极性。输出电压的幅值取决于互感，取决于衔铁在线圈中移动的距离。，而与的相位由衔铁的移动方向决定。输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转由①→②，工作曲线为过零点的直线，如图4-13。输出电压与初级激励电压、电流、有关，尽可能大。与频率成正比，中频应用在范围。灵敏度可达，工厂测定灵敏度是将传感器接入转换电路。规定：电源电压1V，衔铁位移，输出电压=？（）主要包括三个内容：即传感器的类型、转换电路、电源。4.2.3零点残余电压理论上讲，铁芯处于中间位置时，输出电压应为零，而实际上，差动变压器输出电压并不等于零，（），实际的特性曲线，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压就称为零点残余电压。如图4-14。图4-14实际差动变压器输出特性产生零点残余电压的主要原因是：由于两个次级线圈绕组电气系数（互感M电感L内阻R）不完全相同，几何尺寸也不完全相同，工艺上很难保证完全一致。用示波器观察残余电压波形复杂，主要由频率、幅值不同的基波、谐波成份组成，一般在n+mv以上。零点残余电压过大会使灵敏度下降（K↘）非线性误差增大（）。放大器末级饱和而不反映被测量，因此残余误差的大小是传感器质量好坏的重要参数。为减小零点残余电压的影响，除工业上采取措施外，一般要用电路进行补偿。电路补偿的方法较多，基本方法是：串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异。并联电阻，电容：消除基波分量的相位差异，减小谐波分量。加反馈支路：初次级间反馈，减小谐波分量。相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。图4-15零点残余电压补偿电路以上电路补偿可以单个使用，也可综合使用，必须经过具体试验通过实际测量得到最佳效果。4.2.4差动变压器式传感及测量电路差动变压器输出交流信号，为正确反映衔铁位移大小和方向，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。图4-16差动整流电路差动整流电路把差动变压器的两个次级输出电压分别整流（整流电路可不考虑相位差异），无论次级输出的瞬时电压极性如何，电容C上的电流总是从2→4，6→8衔铁T在中间：，；衔铁T上移：，；衔铁T下移：，。用于调整零点残余电压，差动整流电路结构简单分布电容影响小。集成相敏检波电路图4-17集成相敏检波电路原理图OSC振荡电路为差动变压器提供交流电压源，为检波提供相位信号；A1运放、A2反相、A3同相输入，A2A3相位检波；A4差动放大，抵消振荡信号，放大差动变压器的输出信号。4.2.5应用举例图4-18电感测厚仪电路原理图差动变压器式传感器可直接用于位移测量（测微仪），也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等。电感测厚仪是电感传感器的两个线圈作为两个相邻桥臂。是另外两个桥臂。四只二极管~组成相敏整流器。调零电位器，调电流表M满度，起滤波作用，变压器提供桥压接在a.b两端，初级与、组成磁饱和交流稳压器。被测厚度正常时电桥平衡，M中无电流流过，被测厚度变化时，设，，，不论电源极性如何a(+),b(-)时，、导通，a(-),b(+)时、导通；d点电位总是高于c点电位，；当时，，;根据M的偏转方向，确定衔铁移动方向。压差计当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。图4-19电感压差计结构示意图（3）电感测微仪差动变压器式电感传感器常用来进行位移测量。如长度、内径、外径、不平度、不垂直度、偏心、椭圆等；还可用来测量零件的膨胀伸长、应变、移动。电感测微仪常用差动变压的形式，桥路输出的不平衡电压与衔铁位移成正比，相敏输出与交流放大器输出信号成正比，相位反映位移的方向。4.3电涡流式传感器由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。这种电流像水中旋涡称涡流。根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器。电涡流传感器的最大特点是能够对被测量进行非接触测量。形成涡流必须具备两个条件：图4-20电涡流式传感器原理图①存在交变磁场②导电体处于交变磁场中4.3.1电涡流式传感器工作原理电涡流式传感器结构：通电线圈产生交变磁场，金属导体置于线圈附近。把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生交变磁场H2。H2与H1的方向相反（H2反抗H1），由于H2的反作用使线圈的等效电感和等效阻抗（L，Z）发生变化，使流过线圈的电流大小、相位都发生变化。涡流线圈（传感器）结构虽然简单，但要定量分析是很困难的，一般可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路。4.3.2等效电路分析根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路线圈，单匝线圈的尺寸近似为，内径rb=0.0025ros，外径ra≈1.30ros，ros是激励线圈外径。等效电路：R2L2单匝短路线圈的电阻、电感；当线圈（传感器）远离被测体时，次级开路线圈的电压和电阻为L10、R10，阻抗：Z10=R10+jwL0当线圈靠近金属导体时，导体中产生涡流I2，并产生磁场H2对涡流线圈产生反作用，次级通过互感M对初级作用。等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：图4-21电涡流传感器等效电路解方程得到传感器的等效阻抗等效电阻为：等效电感为：结论：凡是能引起R2,L2,M变化的物理量，均可以引起传感器线圈R1L1的变化。被测体（金属）的电阻率ρ，导磁率μ，厚度d，线圈与被测体之间的距离X，激励线圈的角频率都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系，使R1L1变化，等效阻抗与这些参数有函数关系：，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，便可使阻抗Z为这个参数的单值函数。4.3.3涡流的分布和强度涡流分布：因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内，存在一个涡流区实际上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡流密度不同，存