3、电感式传感器详解

电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量（自感或互感）的一种装置。可用来测位移、压力、振动等多种非电量，既可用于静态测量，又可用于动态测量。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型第三章电感式传感器第三章电感式传感器a)可变导磁面积型b）差动型c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动0l第三章电感式传感器§3-1自感式传感器a)气隙型b)截面型c)螺管型(xLUI位移、流量、振动）（自感）（）原理结构形式变间隙式、变面积式和螺管式。第三章电感式传感器归结于三种类型一、自感式传感器的工作原理121nmmiinmiiINULRIININIRRNLR线圈通以有效值为的交流电，产生磁通为，线圈匝数为N。则（类似）由磁路欧姆定律第三章电感式传感器螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而变化的基础上。LRxnimi1,LfS2LfS1Lf变气隙型传感器变截面型传感器第三章电感式传感器331211112200001112222231211122002,,,,,,2()imiiiiimiilllRsSSSSlSlSNNLllRSSS总磁阻分别为气隙的磁导率、气隙和截面积。分别为铁心的磁导率、长度和截面积。分别为衔铁的磁导率、长度和截面积。铁心的结构和材料确定后，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。第三章电感式传感器1.变气隙式自感传感器002221112sslslRm气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻002sRm22002mNsNLRL与δ之间是非线性关系磁路总的磁阻为线圈的电感为第三章电感式传感器变间隙式电感传感器L-δ特性第三章电感式传感器第三章电感式传感器（1）当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0－Δδ,则此时输出电感为L=L0+ΔL,当Δδ/δ1时,可将上式用泰勒级数展开...])()()(1[3020000LLLL20000002()1NsLLLL...])()(1[20000LL第三章电感式传感器...])()(1[20000LL（2）当衔铁下移Δδ时,传感器气隙增大Δδ,即δ=δ0＋Δδ,则此时输出电感为L=L0－ΔL。...])()(1[20000LL...])()(1[20000LL00LL0001LLK第三章电感式传感器差动变隙式电感传感器1-铁芯；2-线圈；3-衔铁当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2第三章电感式传感器...])()()(1[302000101LLLL衔铁上移42002130200020212...])()()(1[LLLLLLLL差动输出第三章电感式传感器000022LLLLK结论：①差动式为简单式电感传感器灵敏度的2倍；②非线性减小。简单式电感传感器非线性误差③克服温度等外界共模信号干扰。0，差动电感传感器非线性误差为；20第三章电感式传感器2.变面积式自感传感器22000/rrNNLsKsllllssKdsdLk0灵敏度2rl1气隙不变，输入与输出呈线性关系，得到较大的线性范围，灵敏度较低。特点第三章电感式传感器第三章电感式传感器3.螺线管式自感传感器1-螺线管线圈Ⅰ；2-螺线管线圈Ⅱ；3-骨架；4-活动铁芯22200102011ccrrNrlLLLlrlL10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值图差动螺线管式电感传感器结构原理图第三章电感式传感器220122rcNrkkl220010202rccNrlLLLl1r22200102011ccrrNrlLLLlrl第三章电感式传感器当铁芯右移后，使右边电感值增加，左边电感值减小2220111ccrrNrlxLlrl2220211ccrrNrlxLlrl每只线圈的灵敏度为220121221rcNrdLdLkkdxdxl两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。,,rcNrk第三章电感式传感器第三章电感式传感器二、自感线圈的等效电路自感线圈不是一个纯电感，除了电感量L之外，还存在线圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。ReRhCLIoRc自感线圈等效电路Re——铜损电阻；Rc——铁心涡流损耗；Rh——铁心的磁滞损耗；C——分布等效电容（线圈绕组间）。第三章电感式传感器1、铜损电阻24CNlRdCCLQR无功功率有功功率1CCCCRKDQLf2CCRKL导线直径为d，电阻率为ρ，匝数为N的线圈电阻值为：l——线圈平均匝长。线圈铜损电阻仅取决于导线材料及线圈的几何尺寸，与频率无关。对于串联电阻Rc的线圈，在特定频率f下的品质因数Qc：损耗因数损耗因数与激励频率成反比。当Rc、L一定时，为一常数。第三章电感式传感器2、涡流损耗电阻Re由于交变磁场的存在将使铁心中产生涡流，并造成涡流损耗。涡流损耗的平均功率为：2222memfaBVPKf——交变磁化频率；Bm——磁感应强度幅值；V——铁心体积；K——与铁心形状有关的系数；ρm——铁磁材料电阻率；a——单片厚度或直径。因Re为一个与电感L并联的电阻，因此：222LeeefLIUPRR第三章电感式传感器222224mLeemLIKURPaBV24()emmHlINRLKa22eemmeDLRafKKfI——流过电感电流有效值。m——铁心磁导率。由铁心涡流损耗引起的损耗因数：Ke——与铁心材料、形状有关。涡流损耗引起的损耗因数与频率f成正比。3、磁滞损耗电阻Rh铁心磁滞损耗功率：3043hmPSlHf（近似经验公式）——与材料有关的瑞利系数；0——空气磁导率；S——铁心截面积；l——铁心长度；Hm——磁强度幅值；第三章电感式传感器第三章电感式传感器2222303LhhmULIfRPSlH23hhmrhDLRHKr——铁心材料的相对磁导率。磁滞损耗因数：磁滞损耗因数是一个与频率无关的常数，一般很小。第三章电感式传感器4、总损耗因数及品质因数cehcehDDDDKfKfK电感线圈总的损耗因数为：DDeffmDhDCDC+DeDC+De+Dh可见，fm是对应于最小的总损耗因数时的最佳频率，且Dc=De。mcefKKmin2hceDKKK第三章电感式传感器铁心线圈电感的品质因数为总损耗因数的倒数。11cehQDKfKfK在fm处，品质因数的极大值为：max12hceQKKK第三章电感式传感器5、并联电容C的影响一般在高频时考虑，可以忽略。第三章电感式传感器三、自感传感器特点总结1、闭磁路电感传感器特点（1）灵敏度高。目前可测0.1μm的直线位移，输出信号比较大，信噪比较好。（2）全量程范围小，只适于测量较小位移。（3）存在非线性。（4）消耗功率大（有较大的电磁吸力的缘故）。（5）工艺要求不高，加工容易。2、开磁路电感传感器特点（螺线管中间插入可动铁心）（1）灵敏度比闭磁路电感传感器低，易受干扰。（2）全量程范围较大，达200~300mm。（3）线性差，低于1%，必须做成差动形式。第三章电感式传感器第三章电感式传感器四、自感传感器配用电路被测量xL(M)转换电路及信号调节电量传感器转换电路类型：*调幅式：x——A调频式：x——f（）调相式：x——(1)变压器电路输出空载电压2121121022ZZZZuuZZZuu衔铁偏离中间零点时，、ZZZZZZΔΔ21)/(Δ)2/(0ZZuuu0z2z1u/2u/2初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0图变压器电桥1、调幅电路第三章电感式传感器传感器衔铁移动方向相反时，、ZZZZZZΔΔ21空载输出电压)/(Δ)2/(0ZZuu只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相敏检波器。第三章电感式传感器（2）谐振式调幅电路电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。图谐振式调幅电路01TTjLUUjLjLjC第三章电感式传感器谐振点的自感值传感器自感变化将引起输出电压频率的变化。GCLf图调频电路3/2Δ()Δ/4(/2)(Δ/)fLCCLfLLLf0LCf2/12.调频电路第三章电感式传感器f较大时有较高的精度。传感电感变化将引起输出电压相位变化3.调相电路图调相电路第三章电感式传感器0202()22()222/1(/)LarctgRuuuRjLuRjLRRjLUUeLarctgRLRLLRL第三章电感式传感器第三章电感式传感器自感传感器的灵敏度：（传感器测头+转换电路）总灵敏度xLLkt/)/()//(0LLukcxukkkctz/0传感器结构（测头）灵敏度：转换电路灵敏度：总灵敏度：传感器灵敏度单位：mV/（mV）五、传感器的灵敏度当电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为多少mV。在调幅式电路中，当u0=0时，应有Z1=Z2=Z，而Z包含两部分R和L，只有两部分分别相等时（即R1=R2，L1=L2），才能保证u0=0。但在实际中很难达到，实际的u0—x曲线如图，x=0时，u0=e0，称为零点残余电压。零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。产生的原因：①两电感线圈的等效参数（电感、电阻）不对称；②铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。第三章电感式传感器七、零点残余电压减小的措施：设计上：使上、下磁路对称，尽量减小铜损电阻Rc，增大铁心的涡流损Re及磁滞损Rh以提高线圈的品质因数；制造上：使上、下磁性材料一致。零部件配套挑选，线圈排列均匀、一致。调整方法：串（并）接电阻、并联电容方法。电路上：利用相敏检波可以减小零残。第三章电感式传感器RcuLuRuZReh电感的等效电路第三章电感式传感器第三章电感式传感器§3-2变压器式传感器一、工作原理变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的磁电机构，很象变压器的工作原理，称为变压器式传感器，多采用差动结构。第三章电感式传感器δaδbABCW2aW2bW1aW1bA、B为两个‘山’字形固定铁心，在其窗中各绕有两个线圈，W1a及W1b为1次绕组，W2a及W2b为2次绕组，C为衔铁。当没有非电量输入时，，绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b间的互感Mb相等。00ab当衔铁位置改变时，则，此互感的差值即可反映被测量的大小。00()ababMM第三章电感式传感器为反映差值互感，将两个一次绕组的同名端顺向串联，并施加交流电压Ua，而两个二次绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成电势E2。*W1a***W1bW2aW2bUaE2E2值的大小决定于被测位移的大小，E2的方向决定于位移的方向。222abEEE——二次绕组W2a的互感电势；——二次绕组W2b的互感电势。2aE2bE二、结论1、供电电源必须是稳幅和稳频的