8第3章 电感式传感器

第3章电感式传感器3.1自感式传感器3.2变压器式传感器3.3涡流式传感器本章要点下页返回电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时。一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。3.1自感式传感器3.1.1自感式传感器的工作原理3.1.2自感计算及特性分析3.1.3等效电路3.1.4转换电路3.1.5零点残余电压3.1.6自感式传感器的特点及应用下页上页返回3.1.1自感式传感器的工作原理下页上页返回AAlAlARm022110磁路中的磁阻为(R空气R铁芯)线圈中的自感量为),(02022AfLANANRNLm下页下页3.1.1自感式传感器的工作原理下页上页返回下页下页3.1.1自感式传感器的工作原理下页上页返回下页下页3.1.2自感计算及特性分析气隙型面积A不改变气隙δ改变截面型面积A改变气隙δ不改变螺线管型下页上页返回下页下页3.1.2自感计算及特性分析下页上页返回1、气隙型（1）原理推导设,21lllA=A1=A2，,021r有空隙的磁路↔闭合的磁路：为等效磁导率e)1()1(rrrrrrellllll（3-2）AlAlllAAlAAlAlARerrm1)1(00022110（3-1）则下页下页3.1.2自感计算及特性分析下页上页返回（3-1）代入（3-2）得Lδ通过测量（2）灵敏度计算根据灵敏度定义，利用（2-3）式有)(202rrLlLlANddLK)1(022rmlANRNL（3-3）1LK小的引起大的∆L下页下页3.1.2自感计算及特性分析下页上页返回2、截面型AKAlNlANRNLLrrm02022由（3-3）式rLlNdAdLK02LA且线性好，但灵敏度低下页下页3.1.2自感计算及特性分析下页上页返回3、螺线管型设：一个管线有N匝线圈是铁芯的截面，是螺线管的截面是铁芯的1/2长度L1是空心线圈自感，L2是铁芯磁化使线圈产生附加自感aAallA2202aeaalAlNdldLdldLK)(2200221aaaellAllNlANLLL灵敏度为下页下页3.1.2自感计算及特性分析下页上页返回螺线管型特点：（1）当磁场均匀时，线性范围大；（2）空气间隙大，磁阻力大，灵敏度低。下页下页3.1.3等效电路自感式传感器从电路角度来看并非纯电感，它既有线圈的铜耗，又有铁芯的涡流及磁滞损耗，这可用折合的有功电阻抗Rq表示。此外，无功阻抗除电感之外还包括绕组间分布电容。这部分电容用集总参数C表示，一个电感线圈的完整等效电路可用图3-4表示。图3-1电感线圈等效电路(3-4)式中Rm---磁路总磁阻；Za---铁芯部分的磁阻抗；Z0--空气隙的磁阻抗。上页返回022zzWRmWLm下页下页3.1.4转换电路上页返回1、转换电路转换电路的作用•把传感器采集的信号转换成所需的电压、电流或其它电信号常用的电路：•调幅：把L信号变成电压/电流的幅值信号---常用的方法之一•调相：把L信号变成电压/电流的相位信号•调频：把L信号变成电压/电流的频率信号控制显示电路处理计算机其它电流电压转换电路Lx下页下页3.1.4转换电路上页返回1.1交流电桥（调幅式）开路输出电压为UZZZZZZZZU))((4321324103241ZZZZ当电桥平衡时有（铁芯在平衡位置）.00,0LUU则Z设Z1—Z4均为自感式传感器，当铁芯移动时，每个阻抗都有一个变化下页下页3.1.4转换电路上页返回空载时，电压输出特性：)1)(1()1)(1(34213322431244110ZZZZZZZZZZZZZZZZUU)1)(1(4312110ZZZZZZUU))(())(()1)(1()(21134342431211ZZZZZZZZZZZZZZZZUULLL带负载时4321,0ZZZZ讨论两种特殊情况：（1）单臂工作（即）空载时下页下页3.1.4转换电路上页返回LjRZω222)ω(ωLRLLRRZZZZZZZZZZRZZ21201043,,,221210UZZUZZZUU（2）差动双臂工作)1ω,1(2))ω((2220RLQRRULLLLLRRUU则下页下页3.1.4转换电路上页返回（3）变压器电桥特点：线性好，元件少，工作稳定。设：ZZZZZZ21,0000221210ZZUZZUZZZUULLfLCLCf2)(4123LCf21LC电路振荡频率1.2调频电路0Z0Z正向运动，反向运动。下页下页3.1.4转换电路上页返回1.3调相电路电路特点:一臂为传感器,另一臂为固定电阻R。工作条件:电感线圈与固定电阻上压降UL与UR互相垂直。L变化时输出电压U。的幅值不变而相位角随之变化。相位角与L的关系:RLωarctan2XLLKt)(2、测量系统的灵敏度传感器的灵敏度定义：电感值相对变化与引起该变化的位移之比：下页下页3.1.5零点残余电压它表现在电桥预平衡时，无法实现平衡，最后总要存在着某个输出值ΔU0，这称为零点残余电压，如图所示。上页返回原因－复阻抗不容易达到真正平衡：–磁化曲线的非线性产生高次波；–各种损耗；–分布电容的影响下页下页3.1.5零点残余电压质量标准：给出的上限,如在放大200倍后，有引起的问题:•零点附近灵敏度下降;•限制分辨率提高;•线性度变差;•堵塞有用信号。解决的办法:•设计与工艺上力求磁路与线圈对称；•拆线圈法来调整；•电路补偿(后面详细介绍)上页返回mv800e0e下页下页3.1.6自感式传感器的特点以及应用自感式传感器有如下几个特点：①灵敏度比较好，目前可测0.1μm的直线位移，输出信号比较大、信噪比较好；②测量范围比较小，适用于测量较小位移；③存在非线性；④消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器，这是由于它有较大的电磁吸力的缘故；⑤工艺要求不高，加工容易。⑥适合于几何量（机械量）的测量和可以转化为几何量的非几何量的测量。如：位移，压力，加速度等。图3-2测气体压力的电感传感器下页上页返回下页3.1.6自感式传感器的特点以及应用下页上页返回举例下页3.2变压器式传感器3.2.1工作原理3.2.2特性分析3.2.3差动变压器式传感器的测量电路3.2.4零点残余电压的补偿3.2.5变压器式传感器的应用举例下页上页返回3.2.1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的一种磁电机构，很象变压器的工作原理，因此常称变压器式传感器。这种传感器多采用差动形式。下页上页返回根据电磁感应原理),(ωω)(ωω,ω,1112201212babababbaaMMLjRUjMMIjEEUIMjEIMjEdtdIMe（2-4）3.2.1工作原理下页上页返回当衔铁在中央时0MMMba当衔铁偏离中央时MMMMMMMMMbaba2,,00由（2-4）得：),(ω2ω)(ωω11110MMLjRUjMMLjRUjUba这样0UMX3.2.2特性分析一、线性度下页上页返回alBBB是一次空心线圈磁场，是铁芯磁化产生附加磁场。lBaB由电磁理论有,,1212iMiMbbaa1212ω,ωIMjEIMjEbbaa)ω()(ω221220bababaMMIjEEU下页下页3.2.2特性分析下页上页返回又n为是二次线圈单位长度的匝数，A为螺线管磁通截面积。BAndx)(ωnmnm0BdxBdxnAU从图上看是l1和l2段的曲线面积。当铁芯在中央时（x=0），两曲线面积相等（U=0）。下页下页3.2.2特性分析下页上页返回当衔铁偏离中央时，设位置为x0x1，x２，x３，相应有B1，B2，B3，B4，和∆A1，∆A2，∆A3，显然，由于的非线性∆A1≠∆A2，∆A2≠∆A3，平坦，线性好。下页下页3.2.2特性分析下页上页返回二、灵敏度–定义：输出电压与衔铁位移之比。–相关因素：•与二次线圈匝数N2成正比。N2=(1~2)N1•与激励电压幅值成正比。•在低频时(ωL1R1),与频率成正比。),ω(2ωω2ω1110MRUjMLjRUjUCLMUMLjUjMLjRUjU111102ω2ωω2ω低频时高频时(常数)下页下页3.2.3差动变压器式传感器的测量电路下页上页返回一、反串电路把二次线圈反串连接：ω2ω110MLjRUjU二、桥式电路Ra、Rb为桥臂，Rw为调零。ωω)(21)(11222220ULjRUjEEERRREEUbabbbaba特点：可以调零，但灵敏度低。问题：灵敏度低，不能判断方向，消除零点残余电压。下页下页3.2.3差动变压器式传感器的测量电路下页上页返回相移－改变相位,90o或180o三、相敏检波电路特点：灵敏度高，能判断方向。原理：把AC信号变成DC信号。下页下页3.2.3差动变压器式传感器的测量电路下页上页返回分析:(1)当•在正半波时0x21UU021UUVVcadbVV则D3、D4导通。下页下页EaU1-2U01U02FcRGIGdb3.2.3差动变压器式传感器的测量电路下页上页返回分析:在正半波时IFE=(U01-U1-2)/RG,IEF=(U02+U1-2)/RGIFE,电流走向：E→F→b→c→a→E。下页下页3.2.3差动变压器式传感器的测量电路下页上页返回•在负半波时，,031UUVVcadbVV则D1、D2导通。下页下页EaU2-1U01U02FcRGIGdb3.2.3差动变压器式传感器的测量电路下页上页返回•分析:在负半波时,IFE=(U02-U1-2)/RG,IEF=(U01+U1-2)/RGIFE,电流走向：E→F→d→a→c→E。故，当负载（检流计）Ig的方向－－向上。0x下页下页3.2.3差动变压器式传感器的测量电路下页上页返回(２)当•在正半波时0x21UUdbVV031UUVVca则D3、D4导通。下页下页EaU1-2U01U02FcRGIGdb3.2.3差动变压器式传感器的测量电路下页上页返回分析:•在正半波时IFE=(U01+U2-1)/RG,IEF=(U02-U2-1)/RGIFE,电流走向：F→E→a→c→d→E。下页下页3.2.3差动变压器式传感器的测量电路下页上页返回•在负半波时，,则D1、D2导通。dbVV下页下页EaU2-1U01U02FcRGIGdb3.2.3差动变压器式传感器的测量电路下页上页返回)(2URURUUiGGFEL•分析:在负半波时，电流走向：F→E→c→a→b→F。负载（检流计）Ig的方向－－向下。IFE=(U02+U2-1)/RG,IEF=(U01-U2-1)/RGIFE,下页下页3.2.3差动变压器式传感器的测量电路下页上页返回四、差动整流电路特点：消除零点残余电压，电路简单，稳定性好。分为半波电压输出，半波电流输出，全波电压输出和全波电流输出等四种。下页下页3.2.3差动变压器式传感器的测量电路下页