电感式传感器

湖北汽车工业学院自控教研室第四章电感式传感器本章的主要内容有：1.自感式电感传感器的结构原理；2.互感式电感传感器的结构原理；3.电感传感器的典型测量电路；4.电感传感器的主要应用；湖北汽车工业学院自控教研室电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，导致线圈电感量改变来实现测量的。分类:电感式传感器自感型互感型变面积型电传感器螺线管型电传感器变间隙型电传感器湖北汽车工业学院自控教研室4.1自感式电感传感器自感式电感传感器常见的形式:变隙式变截面式螺线管式湖北汽车工业学院自控教研室4.1自感式电感传感器先看一个实验：将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图4-1所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。电感传感器的基本工作原理演示F220V准备工作电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F湖北汽车工业学院自控教研室4.1自感式电感传感器自感式电感传感器有变间隙型、变面积型和螺管型三种。4.1.1原理分析4.1.1.1变间隙型电感传感器它的结构示意图如右图所示。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的变化，导致了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下式表示：mRNL2湖北汽车工业学院自控教研室线圈的电感值可近似地表示为因此，其灵敏度随气隙的增大而减小。忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为AAlAlRm022112AAlAlNRNLm02211222202ANL因此：湖北汽车工业学院自控教研室铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面改变，导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，见图4.1.2。L与δ是非线性的，但与A成正比，特性曲线参见图4.1.3。δ123Lδ,AL=f(A)L=f(δ)图4.1.3电感传感器特性图4.1.2变面积型电感传感器1-衔铁2-铁芯3-线圈可变导磁面积型4.1.1.2变面积型电感传感器湖北汽车工业学院自控教研室湖北汽车工业学院自控教研室下图为其结构原理图，衔铁随被测物移动，引起磁阻发生变化，导致电感量改变。lrx2ra12图4.1.4螺管型电感传感器1-线圈2-衔铁线圈电感量与衔铁进入线圈的长度可表示为4.1.1.3螺管型电感式传感器通过以上分析可得结论:变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大；变面积型灵敏度较小,但线性较好,量程较大；螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单。22222)1(4aamrllrlNL湖北汽车工业学院自控教研室用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度,减小测量误差。下图是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动结构。l234a)b)l234l34c)图4.1.5差动式电感传感器a)变间隙型b)变面积型c)螺管型1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆4.1.1.4差动式电感传感器湖北汽车工业学院自控教研室湖北汽车工业学院自控教研室4.1.2测量电路差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥大多采用双臂工作形式。下图是交流电桥的几种常用形式。MLLc)紧耦合电感臂电桥U．U/2．U/2．U0．b)变压器式电桥Z1Z2Z1Z2U0．U．R1R2R1ˊU．ˊR2Z1L1L2Z2ZLU0．a)电阻平衡臂电桥湖北汽车工业学院自控教研室当ωL＞＞R’时，上式可近似为：可见:交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量成正比。电阻平衡臂电桥如上图a所示，工作时，Z1=Z+△Z和Z2=Z-△Z，当ZL→∞时，电桥的输出电压为:ZZUURZZZZRRZURRRUZZZU22)()(2..21211.211.2110.LLUU2.0.4.1.2.1电阻平衡臂电桥MLLc)紧耦合电感臂电桥U．U/2．U/2．U0．b)变压器式电桥Z1Z2Z1Z2U0．U．R1R2R1ˊU．ˊR2Z1L1L2Z2ZLU0．a)电阻平衡臂电桥湖北汽车工业学院自控教研室由于Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，故：同理，当衔铁上移时，则有：变压器式电桥如前图b，当负载阻抗无穷大时输出电压为：2112..221...20.222ZZZZUUZZZUUIZUZZUU2.0.ZZUU2.0.4.1.2.2变压器式电桥可见:输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，还需辩向。MLLc)紧耦合电感臂电桥U．U/2．U/2．U0．b)变压器式电桥Z1Z2Z1Z2U0．U．R1R2R1ˊU．ˊR2Z1L1L2Z2ZLU0．a)电阻平衡臂电桥湖北汽车工业学院自控教研室该电桥如前图c所示。它以差动电感传感器的两个线圈作电桥工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。4.1.2.3紧耦合电感臂电桥MLLc)紧耦合电感臂电桥U．U/2．U/2．U0．b)变压器式电桥Z1Z2Z1Z2U0．U．R1R2R1ˊU．ˊR2Z1L1L2Z2ZLU0．a)电阻平衡臂电桥湖北汽车工业学院自控教研室4.2差动变压器1.工作原理:互感现象EwEoutWW1W2Esx-x湖北汽车工业学院自控教研室差动变压器式传感器构成该类型的传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。4.2差动变压器EwEout湖北汽车工业学院自控教研室2.等效电路L21．．E2．～～L22E22E21U1．～R22R21R1M1M21111LjRui1121iMje1222iMje112112121mRNNiNM212212222mRNNiNM1112122212)(LjRuMMjeeu4.2差动变压器L1湖北汽车工业学院自控教研室（3）当衔铁向二次绕组L22一边移动时输出也不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。（1）当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，所以差动输出电动势为零。（2）当衔铁移向二次绕组L21一边时，输出不为零，在量程内移动量越大，输出量就越大。2.等效电路4.2差动变压器1112122212)(LjRuMMjeeu湖北汽车工业学院自控教研室差动变压器的输出特性曲线如左图所示，其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势。零点残余使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，它的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。E2·E2·E22·E21·E0·x04.2差动变压器湖北汽车工业学院自控教研室减小零点残余的方法：尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。采用补偿线路减小零点残余电动势在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。4.2差动变压器E2·E2·E22·E21·E0·x0湖北汽车工业学院自控教研室3常用测量电路测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（幅值），还可以反映位移的方向（相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。4.2差动变压器1112122212)(LjRuMMjeeu湖北汽车工业学院自控教研室差动相敏检波电路3常用测量电路4.2差动变压器图3-7相敏检波输出特性曲线a）非相敏检波b）相敏检波1—理想特性曲线2—实际特性曲线湖北汽车工业学院自控教研室差动相敏检波电路相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。另外还要求比较电压的幅值尽可能大，一般情况下，其幅值应为信号电压的3~5倍。3常用测量电路4.2差动变压器湖北汽车工业学院自控教研室差动整流电路电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。3常用测量电路4.2差动变压器湖北汽车工业学院自控教研室差动整流电路图中的RP是用来微调电路平衡的，VD1~VD4、VD5~VD8组成普通桥式整流电路，Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4组成低通滤波电路，Ａ1及Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23组成差动减法放大器，用于克服a、b两点的对地共模电压。3常用测量电路4.2差动变压器轴向式电感测微器的外形:航空插头红宝石测头4差动变压器式传感器的应用其他电感测微头:4.2差动变压器模拟式及数字式电感测微仪:4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器1—引线电缆2—固定磁筒3—衔铁4—线圈5—测力弹簧6—防转销7—钢球导轨（直线轴承）8—测杆9—密封套10—测端11—被测工件12—基准面轴向式电感测微器的内部结构:4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器(11.11)电感式滚柱直径分选装置图3-14滚柱直径分选装置1—气缸2—活塞3—推杆4—被测滚柱5—落料管6—电感测微器7—钨钢测头8—限位挡板9—电磁翻板10—容器（料斗）4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器电感式滚柱直径分选装置测微仪圆柱滚子4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器电感式滚柱直径分选装置（外形）滑道分选仓位轴承滚子外形（参考中原量仪股份有限公司资料）4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器电感式滚柱直径分选装置外形落料振动台滑道11个分选仓位（参考无锡市通达滚子有限公司资料）废料仓4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器电感式滚柱直径分选装置外形汽缸控制键盘直径测微装置长度测微装置滑道电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器机械及气动元件电感测微器汽缸气水分离器（供气三联件）储气罐导气管气压表（0.4MPa左右）4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器电感传感器在仿形机床中的应用1—标准靠模样板2—测端（靠模轮）3—电感测微器4—铣刀龙门框架5—立柱6—伺服电动机7—铣刀8—毛坯4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器电感传感器在仿形机床中的应用仿形铣床外形仿形机床采用闭环工作方式仿形头主轴4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器电感传感器在仿形机床中的应用仿形车床原理4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器电感式不圆度计原理该圆度计采用旁向式电感测微头4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器电感式不圆度计原理电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器电感式不圆度计原理电感式不圆度测量系统外形（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋转盘测量头4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器不圆度测量打印电感式不圆度计原理4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器压力测量1—压力输入接头2—波纹膜盒3—电缆4—印制线路板5—差动线圈6—衔铁7—电源变压器8—罩壳9—指示灯10—密封隔板11—安装底座4差动变压器式传感器的应用4.2差动变压器压力测量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