3.1 自感式传感器

电感式不圆度计原理该圆度计采用旁向式电感测微头电感式不圆度测量系统外形测量头旋转盘不圆度测量打印电感式传感器电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。种类：根据转换原理，分自感式、互感式、电涡流式三种；根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。电感式传感器电感式传感器优点：①结构简单、可靠，测量力小②分辨力高机械位移0.1μm，甚至更小；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。④能实现远距离传输、记录、显示和控制。不足：存在交流零位信号，不宜高频动态测量。3.1自感式传感器3.1.1工作原理3.1.2变气隙式自感传感器3.1.3变面积式自感传感器3.1.4螺线管式自感传感器3.1.5自感式传感器测量电路3.1.6自感式传感器应用举例3.1自感式传感器3.1.1自感式传感器的工作原理INΦL总磁阻线圈匝数MRINΦ两式联立得:MRNL2δ线圈铁芯衔铁Δδ图3-1变磁阻式传感器I为线圈中所通交流电的有效值。RRRFM222111ALALRFAR02RRF2202ANRNL空气导磁率磁导率导磁率H/m而其中如果A保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙式自感传感器若保持δ不变，使A随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器3.1.2变气隙式自感传感器002221112sslslRm通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻111002sls222002sls002sRm20022sWRWLmL与δ之间是非线性关系上一页返回下一页当衔铁处于初始位置时，初始电感量为000202sWL当衔铁上移Δδ时，则，代入式（3.1.6）式并整理得00000201)(2LsWLLL0LLL0上一页返回下一页1/0上式用泰勒级数展开成如下的级数形式200001LLLL200001LL200001LL30200001LL302000001LL同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有：上一页返回下一页对式（3.1.11）（3.1.13）作线性处理，即忽略高次项后可得00LL灵敏度为0001/LLk变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。上一页返回下一页图3-4是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。图3-4差动式自感传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆（a）变气隙型432131412344（b）变面积型（c）螺管型差动式电感传感器差动变隙式电感传感器1-铁芯；2-线圈；3-衔铁4020002112LLLL当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2上一页返回下一页对上式进行线性处理，即忽略高次项得002LL灵敏度k0为0002/LLk（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）单线圈是忽略以上高次项，差动式是忽略以上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。（3）温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；（4）电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。2030上一页返回下一页差动电感传感器的特点请分析：灵敏度、线性度有何变化曲线1、2为L1、L2的特性，3为差动特性在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件3.1.3变面积式自感传感器传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为sKsllWslslWLrr/02002灵敏度KdsdLk0变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。上一页返回下一页3.1.4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llrrlWrLLLccr22022010011L10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值；特点：测量范围大，数百毫米，灵敏度低，大量程直线位移。测量范围1~200mm线性度0.1%~1%分辨率0.01um差动螺管式自感传感器：当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小lxlrrlWrLccr2202111lxlrrlWrLccr2202211根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为222021211lrWdxdLdxdLkkcr两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。式(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为222020100llrWLLLccr222021lrWkkcr上一页返回下一页三种类型比较：气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非线性严重，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，制造装配困难。截面型自感传感器灵敏度较低，截面型的优点是具有较好的线性，因而示但范围可取大些。螺管型自感传感器的灵敏度比截而型的更低，但示值范围大，线性也较好，得到广泛应用。3.1.5自感式传感器测量电路1.调幅电路2.调频电路3.调相电路4.自感传感器的灵敏度上一页返回下一页1.调幅电路u0(1)变压器电路输出空载电压2121121022ZZZZuuZZZuu初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0衔铁偏离中间零点时0021uZZZ，，、ZZZZZZΔΔ21)/(Δ)2/(0ZZuu使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用z2z1u/2u/2上一页返回下一页传感器衔铁移动方向相反时，、ZZZZZZΔΔ21空载输出电压)/(Δ)2/(0ZZuu两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决上一页返回下一页(2)相敏检波电路当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+ΔZ增加，则Z2=Z-ΔZ减少。这时当电源u上端为正，下端为负时，电阻R1上的压降大于R2上的压降；当u上端为负，下端为正时，R2上压降则大于R1上的压降，电压表V输出上端为正，下端为负。上一页返回下一页ABCD非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响，上一页返回下一页当衔铁上移，Z1=Z+△Z，Z2=Z-△Z。如果输入交流电压为正半周，则A点电位为正，B点电位为负，V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高，所以D点电位高于C点，直流电压表正向偏转。如果输入交流电压为负半周，A点电位为负，B点电位为正，V2、V3导通，V1、V4截止，则在A-F-C-B支中中，C点电位由于Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即B点电位为正，A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Z2减少时，C点电位更负）；而在A-E-D-B支路中，D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是D点电位高于C点，电压表正向偏转。可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。(3)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。上一页返回下一页上一页返回下一页2.调频电路传感器自感变化将引起输出电压频率的变化GCLf灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合)/(Δ)2/(4/Δ)(Δ2/3LLfLCLCfLf0LCf2/13.调相电路传感电感变化将引起输出电压相位变化)/(tg21RLLLRLRLΔ)/(1)/(2Δ2上一页返回下一页4.自感传感器的灵敏度上一页返回下一页传感器结构灵敏度转换电路灵敏度xLLktΔ/)/(Δ)//(Δ0LLukc总灵敏度xukkkctzΔ/0第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小气隙型、变压器电桥传感器2)()(12220uLRLkz传感器灵敏度的单位为mV/(μm·V)电源电压为1V，衔铁偏移1μm时，输出电压为若干毫伏上一页返回下一页3.1.6自感式传感器应用举例1.自感式位移传感器2.自感式压力传感器上一页返回下一页1.自感式位移传感器1传感器引线2铁心套筒3磁芯4电感线圈5弹簧6防转件7滚珠导轨8测杆9密封件10玛瑙测端上一页返回下一页电感测微头红宝石测头2.自感式压力传感器变隙式自感压力传感器结构图变隙差动式电感压力传感器上一页返回压力测量用的膜盒膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为直线位移。某压力变送器的测量电路图示的压力变送器将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，在工业中被称为一次仪表。一次仪表输出信号可以是电压，也可以是电流。由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑线路压降），所以在一次仪表中多采用电流输出型。4~20mA二线制输出方式1.新的国家标准规定电流输出为4~20mA；电压输出为1~5V(旧国标为0~10mA或0~2V)。4mA对应于零输入，20mA对应于满度输入。不让信号占有0~4mA这一范围的原因，一方面是有利于判断线路故障（开路）或仪表故障；另一方面，这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA，因此还能利用0~4mA这一部分“本底”电流为一次仪表的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制仪表。2.所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根（红色）为+24V电源线，另一根（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线。在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。4~20mA二线制仪表接线方法4~20mA4~20mA二线制数显表外形及计算在上一张图中，若取样电阻RL=500.0，则对应于4~20mA的