电感式传感器模板

第3章电感式传感器资料来源于互联网宋玉宏整理修改2009年8月第3章电感式传感器3.1变磁阻式传感器13.2互感式传感器3.3电涡流式传感器324概述概述电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、重量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。优点:结构简单，工作可靠寿命长，测量精度高，零点稳定，输出功率较大等。缺点:灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。概述电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式传感器，利用互感原理做成的差动变压器式传感器，还有利于涡流原理的涡流式传感器、利用压磁原理的压磁式传感器等本章主要介绍自感式(变磁阻式)、互感式和电涡流式三种传感器。3.1变磁阻式传感器3.1变磁阻式传感器（自感式）•有变间隙型、变面积型和螺管型三种类型•从结构上看都包含线圈、铁芯和活动衔铁三部分3.1变磁阻式传感器1-线圈；2-铁芯（定铁芯）；3-衔铁（动铁芯）3.1变磁阻式传感器气隙式传感器又称为变间隙型电感式传感器。工作时，衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气气隙的长度发生变化，使磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈的电感变化。0.5lδ123x(a)气隙式3.1变磁阻式传感器1-线圈；2-铁芯（定铁芯）；3-衔铁（动铁芯）3.1变磁阻式传感器变截面型传感器工作时气隙长度不变，铁芯与衔铁之间相对覆盖面积随被测位移量的变化而改变，从而导致线圈电感发生变化。123(b)变截面式3.1变磁阻式传感器3.1变磁阻式传感器由柱型衔铁插入螺管圈内构成，其衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径的的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。rx螺旋管铁心（C）单线圈螺管型l3.1变磁阻式传感器1-线圈；2-铁芯（定铁芯）；3-衔铁（动铁芯）3.1.1工作原理以变气隙式为例进行分析3.1变磁阻式传感器铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。电路的磁阻指由于电流引起的链合磁通量。根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定：NLII3.1变磁阻式传感器上式中：Ψ——线圈总磁链；I——通过线圈的电流；N——线圈的匝数；Φ——穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得磁通表达式：——磁路总磁阻。对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。mINRmR3.1变磁阻式传感器通过理论推导可得：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻的函数，只要改变δ或均可导致电感变化。0SmR2200mS2NNLR3.1变磁阻式传感器3.1.2等效电路传感器线圈的等效电路L-电感；-铜耗电阻；Re-铁心涡流损耗电阻；-磁滞损耗电阻；C-寄生电容CRhR3.1变磁阻式传感器变磁阻式传感器通常都具有铁心线圈或空心线圈。将传感器线圈等效成上图所示电路:1．铜损电阻：取决于导线材料及线圈几何尺寸。2．涡流损耗电阻Re：由频率为f的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流。3．磁滞损耗电阻：铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。4．并联寄生电容C的影响：并联寄生电容主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。!!!!!!第2、3项的损耗总称为铁损(涡流损耗为主)hRCR3.1变磁阻式传感器为便于分析，先不考虑寄生电容C，并将上图中的线圈电感与并联铁损电阻等效为串联铁损电阻Re′与串联电感L′的等效电路，如下图所示。这时Re′和L′的串联阻抗应该与Re和L的并联阻抗相等，即：eeeRjLRjLRjL线圈等效电路的变换形式3.1变磁阻式传感器可见，铁损的串联等效电阻Re′与L有关。当被测非电量的变化引起线圈电感量改变时，其电阻值亦发生不希望有的变化。要减少这种附加电阻变化的影响，比值应尽量小，以使，从而减小了附加电阻变化的影响。可见，在设计传感器时应尽可能减少铁损。21(/)eeeRRRL=11+2(/)eLLRL其中：/eRLeRL3.1变磁阻式传感器当考虑实际存在并联寄生电容C时，阻抗Z为：式中，总的损耗电阻，品质因数有效值Q为：电感的相对变化：22222222222()/++1/(1-)/(1)(/)(1-)(/)RjLjCZRjLjCLLCLCQRjLCLQLCLCQceRRR/Q=LR2SSS/1QLRLCQ（）S2Sd1d1LLLLCL3.1变磁阻式传感器由上述三式知，并联电容C的存在，使有效串联损耗电阻与有效电感均增加，有效品质因素Q值下降并引起电感的相对变化增加，即灵敏度提高。因此从原理而言，按规定电缆校正好的仪器，如更换了电缆，则应重新校正或采用并联电容加以调整。实际使用中因大多数变磁阻式传感器工作在较低的激励频率下()，上述影响常可忽略，但对于工作在较高激励频率下的传感器（如反射式涡流传感器），上述影响必需引起充分重视。10fKHz3.1变磁阻式传感器3.1.3输出特性设电感传感器初始气隙为，初始电感量为，衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ，可知L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图所示，初始电感量为：200002SNL00L变隙式电感传感器的L-δ特性3.1变磁阻式传感器灵敏度为：由此可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。0001LLk3.1变磁阻式传感器•相对于变截面型和螺管型，有如下结论：•变间隙式灵敏度最高，且随气隙的增大而减小，线性误差大，适用于微小位移的测量，一般为0.001~1mm，制作装配困难；•变截面型灵敏度比变间隙型小，但线性较好，量程较大，使用比较广泛；•螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单，易于制作和批量生产，使用最广泛。3.1变磁阻式传感器•前述三种类型的传感器，线圈中存在起始电流，非线性大，电磁吸力作用于衔铁；易受外界干扰使输出产生误差，如电源电压和频率的波动、温度变化，不适用于精密测量。•实际应用中，广泛应用两个电感式传感器组合在一起，形成差动式传感器。3.1变磁阻式传感器3.1.4差动式电感传感器常采用两个相同的自感式线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器。可以提高灵敏度，减小测量误差。ⅠⅠⅠEUSC1342ⅡRR(l-Δlδ)/2(l-Δlδ)/21线圈2铁芯3衔铁4导杆3.1变磁阻式传感器3.1.5测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。3.1变磁阻式传感器1．交流电桥式测量电路图为输出端对称交流电桥测量电路，把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂和，另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替。1Z2Z交流电桥式测量电路3.1变磁阻式传感器对于高Q值()的差动式电感传感器，其输出电压为：其中：——衔铁在中间位置时，单个线圈的电感;R0为其损耗。——单线圈电感的变化量。将代入上式得：000222oUZUjLULUZRjLL0LLQLR00()LL002UU3.1变磁阻式传感器2．变压器式交流电桥变压器式交流电桥测量电路如图所示，电桥两臂、为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。1Z2Z变压器式交流电桥3.1变磁阻式传感器当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压当传感器的衔铁处于中间位置，即时有，电桥平衡。当传感器衔铁上移时，上面线圈的阻抗增加，而下面线圈的阻抗减小，即，此时：112o121222ZUZZUUUZZZZ12ZZZ0oU1ZZZ2ZZZ22oUZUjLUZRjL3.1变磁阻式传感器当传感器衔铁下移时，则，此时：设线圈Q值很高，省略损耗电阻，则式上两式可写为：从上式可知，衔铁上下移动相同距离时，输出电压的大小相等，但方向相反，由于是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。1ZZZ2ZZZ22oUZUjLUZRjL2oULULoU3.1变磁阻式传感器3．谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电路和谐振式调频电路两种，分别如下图所示：(a)(b)谐振式调幅电路3.1变磁阻式传感器在调幅电路中，传感器电感L与电容C和变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边将有电压输出，输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化。图b所示为输出电压与电感L的关系曲线，其中为谐振点的电感值。该测量电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。oUoU0L3.1变磁阻式传感器调频电路的基本原理是传感器电感L的变化将引起输出电压频率的变化。其振荡频率。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。图b表示f与L的特性，它具有明显的非线性关系。(a)(b)谐振式调频电路12fLC3.1变磁阻式传感器变隙电感式传感器结构图3.1.6变磁阻式传感器的应用3.1变磁阻式传感器它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。3.1变磁阻式传感器变隙式差动电感电压传感器变隙式差动电感压力传感器。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。3.1变磁阻式传感器当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。3.2互感式传感器互感式传感器是把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器。它根据变压器的基本原理制成，并且次级绕组都用差动形式连接，故又称为差动变压器式传感器。3.2互感式传感器差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。3.2互感式传感器3.2.1工作原理螺线管式差动变压器结构如下图所示。它由一个初级线圈，两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。１-活动衔铁；２-导磁外壳；３-骨架；４-匝数为的初级绕组；５-匝数为的次级绕组；６-匝数为的次级绕组螺线管式差动变压器结构图1W2aW2bW3.2互感式传感器螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同，可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型，如图所示。一节式灵敏度高，三节式零点残余电压较小，通常采用的是二节式和三节式两类。(a)(b)(c)(d)(e)线圈排列方式图（a）一节式；（b）二节式（c）三节式；（d）四节式；（e）五节式3.2互感式传感器差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如下图所示。差动变压器等效电路3.2互感式传感器当初级绕组加以激励电压时，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组和中便会产生感应电势和。如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两互感系数。根据电磁感应原理，将有变压器两次级绕组反向串联，因而即差动变压器输出电压为零