第6章电感式传感器.

第6章电感式传感器主要内容：6.1变磁阻式电感传感器6.2差动变压器式电感传感器6.3电涡流式传感器第6章电感式传感器概述电感式传感器是一种机电转换装置，特别是在自动控制设备中广泛应用。电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量（如位移、压力、流量、振动）转换为电感或互感的变化。按传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式。第6章电感式传感器概述各种电感式传感器第6章电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电感粗糙度仪接近式传感器概述电感式传感器应用电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装塞选第6章电感式传感器6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.1工作原理结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为σ;传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时σ发生变化，引起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈的电感值L变化；只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感。第6章电感式传感器6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.1工作原理线圈自感可按下式计算：式中：N线圈匝数；Rm磁路总磁阻；S0气隙的截面积；σ气隙厚度；μ0导磁率（真空、空气）22002NSNLRm第6章电感式传感器6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.2输出特性衔铁位移Δσ引起的电感变化为：20020000000022()(1)1NSNSLLLL第6章电感式传感器电感初始气隙σ0处初始电感量为L0200002NSLσ0LσL0L0+ΔL0L0－ΔL06.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.2输出特性Δσ/σ《1时，用泰勒级数展开2300000[1()()]LLLL2230000000[1()]()()LL衔铁下移时衔铁上移时2230000000[1()]()()LL第6章电感式传感器6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.2输出特性对上式作线性处理忽略高次项时00LL讨论：•传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾；•变间隙式电感传感器用于小位移比较精确；一般Δσ/σ=0.1-0.2；•为减小非线性误差，实际测量中多采用差动式。第6章电感式传感器0001LLk定义灵敏度6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.2输出特性差动式原理：差动变隙式由两个相同的线圈和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁上下位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。第6章电感式传感器6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.2输出特性对上式进行线性处理并忽略高次项：差动式灵敏度为：002LL0002LLK241200002[1()()]LLLL电感的变化为：第6章电感式传感器6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.2输出特性讨论：•比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；•差动式非线性项比单线圈多乘了(Δσ/σ)因子；•不存在偶次项，因Δσ/σ1，线性度得到改善。•差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰的影响。第6章电感式传感器6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.3测量电路（转换电路）（1）交流电桥式两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻第6章电感式传感器交流电桥结构示意图等效电路6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.3测量电路（转换电路）第6章电感式传感器101202340,,ZZjLZZjLZZR因102000222ACACACUUUZjLLUZRjLL输出电压为：可见电桥输出电压UAC与气隙变量Δσ有关002LL00()ACUU代入电桥输出为：6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.3测量电路（2）变压器式交流电桥电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占1∕2，交流供电。桥路输出电压为：1201121222ZZUUUUZZZZZ第6章电感式传感器6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.3测量电路衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向相差180º，要判断衔铁方向就是判断信号相位。第6章电感式传感器当衔铁在中间位置Z1=Z2=ZU0=0022UZULUZL当衔铁偏移时输出电压02ULUL当衔铁偏向另一方向6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.3测量电路（3）谐振式（调幅、调频、调相）调幅式电路输出幅值随电感L变化调频电路电感L变化时谐振频率变化第6章电感式传感器6.1变磁阻式传感器（自感式）6.1.4变磁阻式传感器的应用压力测量第6章电感式传感器被测压力经位移——电压两次转换输出6.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.1工作原理把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。差动变压器的结构形式较多，应用最多的是螺线管式差动变压器。它可测量1—100mm范围内的机械位移。第6章电感式传感器次级次级骨架初级衔铁次级次级初级6.2差动变压器式传感器（互感式）等效电路：两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。•如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈互感系数相等电动势相等abMM22abEE第6章电感式传感器0220abUEE差动输出电压为零：6.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.1工作原理可见:输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。第6章电感式传感器当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。22abEE00U若衔铁上移22abEE00U若衔铁下移6.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.2基本特性由此得到输出电压有效值为：02211()()iabUMMURL可见输出电压与互感的差值有关第6章电感式传感器21aaEjMI21bbEjMI根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为6.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.2基本特性•铁芯向右移，输出与E2a同极性；•铁芯向左移，输出与E2b同极性；输出电压的幅值取决于线圈互感即衔铁在线圈中移动的距离X。Uo与Ui的相位由衔铁的移动方向决定。第6章电感式传感器6.2差动变压器式传感器（互感式）第6章电感式传感器磁芯中央磁芯向左磁芯向右磁芯的位移差动输出电压V差动变压器输出电压和位移的关系6.2差动变压器式传感器（互感式）第6章电感式传感器差动变压器结构形式6.2差动变压器式传感器（互感式）第6章电感式传感器差动变压器传感器的应用6.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.3零点残余电压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。第6章电感式传感器6.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.3零点残余电压为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补偿,电路补偿的方法较多,可采用以下方法。串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；加反馈支路：初次级间反馈，减小谐波分量；相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。串联电阻并联电阻第6章电感式传感器6.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.3零点残余电压不同形式的零点残余电压补偿电路第6章电感式传感器6.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.4差动变压器式传感器及测量电路差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。（1）差动整流电路，输入一交流信号时第6章电感式传感器6.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.4差动变压器式传感器及测量电路差动整流电路分析动画演示：差分整流上线圈上半周差分整流上线圈下半周差分整流下线圈上半周差分整流下线圈下半周第6章电感式传感器铁芯上移铁芯下移U0U06.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.4差动变压器式传感器及测量电路（2）集成相敏检波电路:由施密特开关电路及运放组成，具有鉴别调制信号相位和选频能力。第6章电感式传感器6.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.4差动变压器式传感器及测量电路输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转由①→②，工作曲线为过零点的直线。相敏检波前后输出特性第6章电感式传感器6.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.5应用举例差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。第6章电感式传感器（1）压差计当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。6.2差动变压器式传感器（互感式）6.2.5应用举例第6章电感式传感器（2）液位测量沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。6.3电涡流式传感器由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。•根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;•电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;•形成电涡流必须具备两个条件：①存在交变磁场②导电体处于交变磁场中第6章电感式传感器6.3电涡流式传感器6.3.1工作原理把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生反抗H1的交变磁场H2。第6章电感式传感器4.3电涡流式传感4.3.2等效电路分析根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路次级线圈。当线圈靠近金属导体时，次级线圈通过互感M对初级作用。第4章电感式传感器10110121RIjLIjMIU122220jMIRIjLI等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：4.3电涡流式传感器4.3.2等效电路分析等效电感为：2221102222()MLLLRL第4章电感式传感器222212211010222212222[]()()UMRMLZRjLIRLRL解方程得到传感器的等效阻抗2221102222()MRRRRL等效电阻为：4.3电涡流式传感器4.3.2等效电路分析结论：•凡是能引起R2L2M变化的物理量均可以引起传感器线圈R1、L1的变化。•被测体（金属）的电阻率ρ导磁率μ厚度d，线圈与被测体间的距离X，激励线圈的角频率ω等都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系第4章电感式传感器R2L2ML1R1Xωμρd6.3电涡流式传感器6.3.2等效电路分析结论：•ρ、μ、d、X、ω的变化使R1、L1发生变化，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗Z成为这个参数的单值函数。第6章电感式传感器(,,,,)Zfd等效阻抗与这些参数有函数关系：6.3电涡流式传感器6.3.3涡流的分布和强度涡流的分布：因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，实际上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。第6章电感式传感器金属扁平线圈涡流区r/ros1hrosj6.3电涡流式传感器6.3.3涡流的分布和强度径向分布：涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系，线圈外径确定后涡流范围也就确定了。•线圈外径处，r=ros金属涡流密度最大；•线圈中心处，r=0涡流密度为零(j=0)；•r0.4ros处（以内）基本没有涡流；•r=1.8ros线圈外径处涡流密度衰减到最大值的5%。涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内第6