电感式传感器2

第3章电感式传感器3.2变压器式传感器一、差动变压器概述二、差动变压器式传感器的工作原理三、差动变压器式传感器的测量电路四、变压器式传感器的应用举例S&MCh33.2变压器式传感器定义：把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。变压器式传感器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。结构形式：差动变压器结构有气隙式、截面积型等。S&MCh3一、气隙式差动变压器的工作原理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为一次绕组，W2a及W2b为二次绕组，C为衔铁。气隙型差动变压器当没有非电量输入时，，则绕组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。abMMbaS&MCh3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U，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***W1bW2aW2bUE2E2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、气隙式差动变压器的工作原理S&MCh3图3-14截面积型差动变压器式传感器S&MCh3二、等效电路及其输出特性在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下，图3-13的等效电路可用图3-15表示。图中r1a与L1a,r1b与L1b,r2a与L2a,r2b与L2b，分别为W1a,W1b,W2a,W2b绕阻的直流电阻与电感。S&MCh3图3-15变隙式差动变压器等效电路二、等效电路及其输出特性S&MCh3根据电磁感应定律和磁路欧姆定律，当r1aωL1a，r1bωL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，对图3-15所示的等效电路进行分析，可得变隙式差动变压器输出电压E2的表达式，.1122UWWEabab01212WWUE(3-28)由上式可知，当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δ0，则Uo=0。但是如果被测体带动衔铁移动，例如向下移动Δδ时，则有δa=δ0+Δδ，δb=δ0-Δδ，代入上式可得.二、等效电路及其输出特性S&MCh3上式即为闭磁路变气隙型差动变压器的输出特性。它表明变压器输出信号E2与衔铁位移量Δδ成正比。公式的意义是，当衔铁向下移动时，Δδ为正，变压器输出电压E2与输入电压U1同相；而当衔铁向上移动时，Δδ则为-|Δδ|，表明E2与U1反相（相位差180°）。下图所示为变隙式差动变压器输出电压E2与位移Δδ的关系曲线。.....二、等效电路及其输出特性01212WWUE(3-28)S&MCh3图变气隙型差动变压器输出特性S&MCh3由式（3-28）可得变隙式差动变压器灵敏度SE01122UWWESE(3-31)二、等效电路及其输出特性综合以上分析，可得到如下结论：①首先，供电电源U1要稳定，以便使传感器具有稳定的输出特性；其次，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度SE值，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。②增加W2/W1的比值和减小δ0都能使灵敏度SE值提高。然而，W2/W1的比值与变压器的体积及零点残余电压有关，不论从灵敏度考虑，还是从忽略边缘磁通考虑，均要求变隙式差动变压器的δ0愈小愈好。S&MCh3③以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容等条件下得到的，如果考虑这些影响，将会使传感器性能变差（灵敏度降低，非线性加大等）。但是，在一般工程应用中是可以忽略的。④以上结果是在假定工艺上严格对称的前提下得到的，而实际上很难做到这一点，因此传感器实际输出特性如图中曲线2所示，存在零点残余电压ΔUo。⑤进行上述推导的另一个条件是变压器副边开路，对由电子线路构成的测量电路来讲，这个要求很容易满足，但如果直接配接低输入阻抗电路，就必须考虑变压器副边电流对输出特性的影响。S&MCh3差动变压器传感器的应用S&MCh3三、零点残余电压由于两个次级线圈绕组电气系数（M互感L电感R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同。实际的特性曲线，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。零点残余电压的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。S&MCh3四、差动变压器式传感器的测量电路问题提出：（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向);（2）测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差分整流电路和相敏检测电路来解决。S&MCh3四、差动变压器式传感器的测量电路差分整流电路整流原理把差动变压器的两个次级绕组线圈的感应电动势分别整流,然后再把两个整流后的电压或电流的差值作为输出。整流器件二极管及由它们组成的电桥。S&MCh3四、差动变压器式传感器的测量电路差动整流电路适用于高负载阻抗适用于低负载阻抗电阻R0用于调整零点残余电压S&MCh3对于图(c)全波电压输出电路：分析差动整流工作原理不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何,流经电容C1的电流方向总是从2到4,流经电容C2的电流方向从6到8,故整流电路的输出电压为U2=U24-U68差动整流电路S&MCh3当铁芯在中间位置时，因为|Eab|=|Ecd|，U24=U68，所以U2=0；当铁芯在零位以上时，因为|Eab||Ecd|，U24U68，则U2＞0；当铁芯在零位以下时，因为|Eab||Ecd|，U24U68，则U2＜0。差动整流电路S&MCh3此外，该电路还具有结构简单、分布电容影响小和便于远距离传输等优点，获得广泛的应用。差动整流电路结论：铁芯在零位以上或以下时，输出电压的极性相反，于是就能判别衔铁位移的方向。S&MCh3差动变压器式加速度传感器原理图11B2Ax(t)1—悬臂梁；2—差动变压器1、差动变压器式加速度传感器:由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以Δx(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。五、变压器式传感器的应用举例S&MCh3左图所示差动变压器式力传感器：外力作用下，变形使差动变压器的衔铁移动，便产生输出电压，其大小反映了受力的大小。2.差分变压器式力传感器S&MCh33.微压力传感器S&MCh3S&MCh33.3涡流式传感器一、电涡流效应二、涡流式传感器的工作原理三、涡流式传感器的等效电路四、涡流式传感器的特点及应用S&MCh3电涡流的应用——在我们日常生活中经常可以遇到干净、高效的电磁炉S&MCh3电磁炉内部的励磁线圈S&MCh3电磁炉的工作原理高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。S&MCh3一、电涡流效应电涡流效应演示S&MCh3根据法拉第电磁感应原理，金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流,，以上现象称为电涡流效应。一、电涡流效应S&MCh3电涡流式传感器：根据电涡流效应制成的传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。电涡流式传感器最大的特点：是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。S&MCh3二、涡流式传感器的工作原理S&MCh3电涡流的分布：fhr0S&MCh3（补充）集肤效应集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。S&MCh3二、涡流式传感器的工作原理工作原理：高频交变电流产生交变磁场，在金属导体内引发电涡流。涡流将产生反向交变磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。I1U1H1H2I2x这些参数变化与导体的几何形状、电导率ρ，磁导率μ、线圈的几何参数、电源的频率以及线圈到被测导体间的距离x有关。金属导体S&MCh3传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为Z=f（ρ,μ,ω,x）测量方法：如果保持上式中其它参数不变,而只改变其中一个参数,传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量,就可以构成测位移、测温度、测硬度等各种传感器。二、涡流式传感器的工作原理以阻抗为例说明S&MCh3涡流式传感器基本原理图电涡流短路环传感器线圈三、涡流式传感器的等效电路首先把被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环，这样可使得分析问题更简便。这个简化模型可用下面的等效电路图来表示。分析一下电涡流对电路参数的影响S&MCh3解此方程组可得电涡流传感器的等效阻抗为电涡流传感器的等效阻抗可表示为等效电阻等效电感2222121222222212222j[]UMMZRRLLIRLRLjZRL221222222MRRRRL221222222MLLLRL1111222221jjjj0RILIMIURILIMI根据等效电路，可列出电路方程组为US&MCh3线圈的品质因数由无涡流时的下降为11RLQ2222221122222122212211LMLLRLLQRMRRRRL三、涡流式传感器的等效电路221222222MRRRRL221222222MLLLRL等效电阻等效电感S&MCh3由此可见，被测量数变化可以转换成传感器线圈的等效阻抗Z、等效电感L及品质因素Q等的变化。通过转换电路可把这些种参数转换为电压或电流输出。2222121222222212222j[]UMMZRRLLIRLRL221222222MLLLRL2222221122222122212211LMLLRLLQRMRRRRLS&MCh3（补充）电涡流传感器结构电涡流探头外形交变磁场S&MCh3（补充）电涡流探头内部结构1—电涡流线圈2—探头壳体3—壳体上的位置调节螺纹4—印制线路板5—夹持螺母6—电源指示灯7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头S&MCh3四、涡流式传感器的特点及应用涡流式传感器的特点是结构简单、易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。大直径电涡流探雷器S&MCh3案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测四、涡流式传感器的特点及应用S&MCh3案例：测厚案例：零件计数四、涡流式传感器的特点及应用S&MCh3S&MCh3S&MCh3S&MCh3S&MCh3S&MCh3S&MCh3（补充）低频透射式涡流传感器S&MCh3（补充）低频透射式涡流传感器当在发射线圈L1上加音频电压U1时，则L1产生交变磁场。无金属板时，直接耦合至接收线圈L2中，在L2中产生感应电压E。放入金属板后，则在金属板中产生电涡流i，引起E的下降。t越大，E就越小。这就是测厚依据。透射式涡流厚度传感器检测范围可达1~100mm，分辨率为0.1mm，线性度为1%。EU1L1L2MitS&MCh3下一章：电容