中南大学传感与检测pptch6-电感传感器.

第6章电感式传感器6.电感式传感器（变磁阻）6.1自感式传感器自感传感器原理变气隙自感传感器与差动结构型变面积和罗管型自感传感器测量电路6.2差动变压器结构原理与等效电路误差因素分析测量电路电感传感器的应用6.3电涡流式传感器涡流效应高频反射式电涡流传感器的结构与原理低频透射式涡流传感器测量电路电涡流传感器的应用概述原理：基于电磁感应，将被测量的变化转换为线圈自感或互感或磁路磁阻的变化，再经转换电路变成电压或电流变化。可测量：位移、转角、振动、压力、应变、流量、比重等。种类：自感式与互感式；气隙型、面积型和螺管型优点：①结构简单、可靠，测量力小衔铁为(0.5~200)×10-5N时，磁吸力为(1~10)×10-5N。②分辨力、灵敏度高线位移：0.1m或更小；角位移：0.1角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。③重复性、线性度好在几十m到数百mm位移范围内输出线性度较好，较稳定。不足：存在交流零位信号，不宜用于高频动态测量。6.电感式传感器（变磁阻）6.1自感式传感器1、工作原理当匝数为N的线圈通以电流I产生磁通链为。磁通链与线圈电流之比称为自感系数，简称电感L，即L=/I=N/I式中为穿过每匝线圈的磁通。根据磁路的欧姆定律有：=NI/Rm，式中Rm为磁路的总磁阻。由上两式可得：L=N2/Rm可知，要将被测量变化转化为自感变化，在线圈形状与线圈匝数都不变的情况下，被测量可通过改变磁路的磁阻来改变自感系数。因此这类传感器又称为可变磁阻型自感式传感器。根据结构形式不同，可变磁阻式传感器又分为气隙厚度变化型、气隙面积变化型和螺管型三种类型。6.电感式传感器（变磁阻）6.1自感式传感器2、气隙厚度变化型自感传感器典型组成结构：如图所示，基本由线圈1，衔铁3和铁芯2等构成。图中点划线表磁路，磁路中空气隙总长度为2l。当活动衔铁与被测物相连，并与铁芯保持一定距离。当被测物移动时，气隙变化，引起磁阻变化，从而使线圈电感发生变化。lδ123x(a)气隙式(b)变截面式6.电感式传感器（变磁阻）6.1自感式传感器2、气隙厚度变化型自感传感器设铁芯磁路第i段长为li、导磁率为i、导磁面积为Si；气隙长为l，导磁率0，导磁面积S0。不考虑磁路损失的总磁阻为：通常气隙磁阻远大于铁芯的磁阻，当铁心工作在非饱和状态时，其磁阻可忽略不计，故磁路总磁阻为：Rm=2l/(0S0)。由磁路知识可知，线圈匝数为N匝时，线圈的电感量L为：可知，自感与气隙的大小成反比，与气隙导磁面积成正比。0012SlSlRiiinimlSNRNLm200226.电感式传感器（变磁阻）6.1自感式传感器2、气隙厚度变化型自感传感器若固定S0，改变l，则传感器灵敏度由于灵敏度kL不是常数，因此存在非线性，为减小非线性误差，在实用中，一般规定传感器在较小间隙的变化范围内工作，或者采用差动接法。如图所示，两个传感器件以差动工作方式组配，衔铁最初居中，两侧初始电感为L0，当衔铁位移l时，两线圈的间隙分别为l+l和l-l，即一个线圈自感增，另一个线圈自感减，把两线圈接入电桥相邻臂时，输出灵敏度比单个提高一倍，并可降低非线性误差，消除外界干扰。20022lSNdldLkL6.电感式传感器（变磁阻）6.1自感式传感器3、气隙面积变化型自感传感器如右图所示，固定气隙，改变气隙导磁面积，则自感与成线性关系。4、螺管型自感传感器在螺管线圈中插入一个活动衔铁，衔铁在线圈中运动时，磁阻发生变化，使线圈自感变化。其特点是磁阻高、灵敏度低，在实用中该类传感器常用差动结构(如右下图所示)。将铁芯置于两线圈中间，当铁芯移动时，两线圈的电感产生相反方向的增减，利用电桥将两个电感接入电桥的相邻桥臂，可获得比单个工作方式高的灵敏度和大的线性工作范围。5、测量电路电感传感器常用交流电桥(见电容传感器篇)。6.电感式传感器（变磁阻）6.2互感型变压器式电感传感器1、结构原理与等效电路将被测量的变化转换为互感系数来实现传感。其实质上是一个输出电压可变的变压器，常采用差动形式而称为差动变压器。有气隙型和螺管型，目前多采用螺管型差动变压器式。1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243123(a)气隙型(b)螺管型基本元件与构成:由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等构成。初级线圈作为差动变压器的激励，相当于变压器原边，次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。与变压器的不同处：(a)磁路,(b)副边连接6.电感式传感器（变磁阻）6.2互感型变压器式电感传感器1、结构原理与等效电路理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。初级线圈的复数电流值为1111LjReIe1初级线圈激励电压L1,R1初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻ω—激励电压的角频率；e1—激励电压的复数值；Il在两个次级线圈中产生磁通分别为：11121mRIN21122mRINRm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级线圈匝数。～～～R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1••e26.电感式传感器（变磁阻）12221121IMjeIMje11212121mRNNINM21212222mRNNINM1111122212LjReMMjeeeN2为次级线圈匝数。因此空载输出电压：在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为212112121121211212e2LRΔMLRΔM))(MΔM(MωeLReMMe22212221LLjRRZ2222122221LLRRZ其幅值为：输出阻抗或式中6.电感式传感器（变磁阻）0e2e2e21e22x副Ⅰ副Ⅱ原线圈差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。6.2互感型变压器式电感传感器2、输出特性与误差因素(1)螺管型线位移差动变压器的结构与输出特性结构域输出特性如图所示：6.电感式传感器（变磁阻）6.2互感型变压器式电感传感器2、输出特性与误差因素(2)误差因素分析a)激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。b)温度变化的影响环境温度变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可减少温度影响。6.电感式传感器（变磁阻）6.2互感型变压器式电感传感器(2)误差因素分析c)零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际使用桥式电路时，在零点仍有微小电压(从零点几到数十mV)存在，称之为零点残余电压(零残)。下图为跨大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；其输入到放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。0e2x-xe206.电感式传感器（变磁阻）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ee1e20e2012345(a)残余电压的波形(b)波形分析tt残余电压波形及分析图中e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。6.2互感型变压器式电感传感器(2)误差因素分析6.电感式传感器（变磁阻）6.2互感型变压器式电感传感器(2)误差因素分析零点残余电压产生原因：①基波分量差动变压器两次级绕组不完全一致，因此其等效电路参数(M、L及损耗电阻R)不相同，使两次级绕组的感应电势不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。(主因：次级线圈的电气和结构、材料参数不一致所致)②高次谐波主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致而产生非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这也导致零点残余电压中有高次谐波成分。6.电感式传感器（变磁阻）6.2互感型变压器式电感传感器(2)误差因素分析从设计和工艺上保证结构对称性提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构，以保证线圈和磁路的结构对称性；选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料，并经热处理，消除残余应力，提高磁性能的均匀性和稳定性。选用合适的测量线路采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且消除衔铁在中间位置时因高次谐波引起的零点残余电压。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零残电压。e2+x-x210相敏检波后的输出特性6.电感式传感器（变磁阻）6.2互感型变压器式电感传感器(2)误差因素分析采用补偿线路①两个次级线圈感应电压相位不同，用并联电容可改变其一的相位，也可将电容改电阻。如图a，R的分流，使流入传感线圈的电流变化，从而改变磁化曲线工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图b中串联R调整次级线圈的电阻分量。②并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位。电容C(0.02F)可防止调整电位器时使零点移动。～e1e2CR～e1e2CR(a)(b)调相位式残余电压补偿电路～e1e2CR1R2W(c)电位器调零点残余电压补偿电路6.电感式传感器（变磁阻）R或L补偿电路～e1e2L0W～e1e2R0W(a)(b)③接入R0(几百kΩ)或补偿线圈L0(几百匝)。绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压，避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。6.2互感型变压器式电感传感器(2)误差因素分析采用补偿线路6.电感式传感器（变磁阻）6.2互感型变压器式电感传感器3.测量电路差动变压器输出为调幅波，与衔铁位移成正比。交流电表测其输出只反映衔铁位移大小，不能反映移动方向，因此，常用差动整流电路和相敏检波电路测量。1)差动整流电路基于半导体二级管单向导通原理解调。若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“–”，则电流路径是fgdche（图a）。反之，f点为“–”，e点为“＋”，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，R上的电流总是从d到c。同理，可知另一个次级线圈的情况。总输出电压为USC=eab＋ecd，波形见图（b）。6.电感式传感器（变磁阻）全波整流电路和波形图ttttttttt(b)(a)～e1RRcabhgfdeUSC衔铁在零位以下eabeabeabecdUSCecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位6.2互感型变压器式电感传感器3.测量电路6.电感式传感器（变磁阻）6.2互感型变压器式电感传感器2）相敏检波电路二极管相敏检波电路如图所示。U1为差动变压器输入电压，U2为U1的同频的参考电压，且U2＞U1，它们作用于相敏检波电路中两个变压器B1和B2。衔铁居中U1=0时，在U2的正半周VD3、VD4导通，i3和i4以不同方向流过电表M；因电路对称，输出为0；负半周VD1、VD2导通，i1、i2方向相反，输出为0。6.电感式传感器（变磁阻）6.2互感型变压器式电感传感器2)相敏检波电路如图a所示，若衔铁偏移使U1≠0，当U1和U2同相时，电路正半周时的电压极性如图b所示，U2U1使VD3、VD4导通，VD4的端电压是U’2+U”1，VD3的端电压为U’2−U”1，因此i4较大，i3较小，iM=i4-i30，U”1决定iM的大小；负半周时VD1、VD2导通，类似正半周，U’1和U”2的作用使i1增，i2减，iM=i1−i20。U1和U2同相时，