5.电感式传感器2

第5章电感式传感器5.15.2差动变压器式传感器5.3电涡流式传感器•电感传感器（Inductancesensor）：利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，进而由测量电路转换为电压或电流的变化量。被测量→自感L(互感M)→U（I）•可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量信号。优点：灵敏度高，精度高，可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用；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，不适用于高频快速动态测量。5.1变磁阻式传感器5.1.1结构与工作原理•变磁阻式传感器的结构如图5.1.1所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。图5.1.1变磁阻式传感器S1l1L1W23l2±1—线圈；2—铁芯(定铁芯)；3—衔铁(动铁芯)S2•根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定:5.1变磁阻式传感器IWL式中:I——通过线圈的电流;W——线圈的匝数;Φ——穿过线圈的磁通。•由磁路欧姆定律,得mRIW式中：Rm为磁路总磁阻。两式联立得:mRWL2(5-1)5.1变磁阻式传感器•对于空气间隙很小的时候可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为(5-2)002221112SSlSlRm式中:μ1——铁芯材料的磁导率;μ2——衔铁材料的磁导率;μ0——空气的磁导率;l1——磁通通过铁芯的长度;l2——磁通通过衔铁的长度;S0——气隙的截面积;S1——铁芯的截面积;S2——衔铁的截面积;δ——气隙的厚度。5.1变磁阻式传感器通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即222001110022SlSSlS则式(5-2)可近似为002SRm综上，则(5-1)变为20022SWRWLm5.1变磁阻式传感器上式表明:•当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变δ，μ或S0均可导致电感变化。•因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ，变磁导率μ和变气隙面积S0变气隙厚度5.1变磁阻式传感器5.1变磁阻式传感器变气隙面积式5.1变磁阻式传感器测量原理：•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,因此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。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。5.1变磁阻式传感器5.1.2输出特性分析由式20022sWRWLm可知L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图5.1.2所示。图5.1.2变隙式电压传感器的L-δ特性5.1变磁阻式传感器•设电感传感器初始气隙为δ0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ。当衔铁处于初始位置时，初始电感量为：020002WSL•当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0-Δδ，则此时输出电感为L=L0+ΔL，代入上式5.1变磁阻式传感器整理得00000201)(2LSWLLL当Δδ/δ01时，可将上式用Taylor级数展开成如下的级数形式：30200001LLLL5.1变磁阻式传感器•由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即：(5-3)200002000011LLLL5.1变磁阻式传感器•同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有(5-4)3020000302000011LLLL5.1变磁阻式传感器•对式(5-3)、(5-4)作线性处理，即忽略高次项后，得：00LL•可得灵敏度为000LLK•若只考虑二次项误差，则其线性度为%10005.1变磁阻式传感器•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,所以变隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的。•为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。5.1变磁阻式传感器图5.1.3所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。L1L2RoRo12213sUoU图5.1.3差动变隙式电感传感器1——铁芯2——线圈3——衔铁5.1变磁阻式传感器•由图可知,差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈L1、L2和磁路组成。•测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连,当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。5.1变磁阻式传感器•当衔铁往上移动Δδ时,两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式（5-3）及式（5-4）表示,当差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与ΔL有关,其具体表达式为21LLL...])()(1[2402000L•比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到如下结论:5.1变磁阻式传感器对上式进行线性处理，忽略高次项得002LL灵敏度K0为0002LLK%10020线性度为5.1变磁阻式传感器①差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。②差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（Δδ/δ0）因子,因为（Δδ/δ0）1,所以,差动式的线性度得到明显改善。•为了使输出特性能得到有效改善,构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。5.1变磁阻式传感器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。5.1.3信号调节电路1.电感式传感器的等效电路•从电路角度看，电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电感由有功分量和无功分量两部分组成。5.1变磁阻式传感器•有功分量包括：线圈线绕电阻、涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有功电阻R；•无功分量包含：线圈自感L,线圈绕组的固有电容及电缆分布电容C。综上可得其等效电路如图5.1.4所示。图5.1.4电感式传感器的等效电路RCLZ图5.1.4中，L为线圈的自感，R为折合有功电阻的总电阻，C为并联寄生电容。上图的等效线圈阻抗为CjLjRCjLjRZ)(将上式有理化并应用品质因数Q=ωL/R，可得22222222222)1(1)1(QLCLCQLCLCLjQLCLCRZ5.1变磁阻式传感器表示线圈损耗，Q越高，损耗越小，效率越高则令''LjRZ•从以上分析可以看出，并联电容的存在，使有效串联损耗电阻及有效电感增加，而有效Q值减小。•见书P113的式(6-19)，传感器的有效灵敏度却提高了5.1变磁阻式传感器当品质因数Q较高且ω2LC1LCLL21'22)1('LCRRLCLjLCRZ2221)1(QLCRLQPPP215.1变磁阻式传感器2.交流电桥式测量电路•图5.1.5为交流电桥测量电路，桥臂Z1和Z2是传感器的两个线圈，另外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替。Z1Z2Z3=RZ4=RoUUACbdac图5.1.5交流电桥测量电路5.1变磁阻式传感器•设Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ，Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，ΔZ是衔铁偏离中心位置时单线圈阻抗的变化量。ACACACdbUZZUZZZZZUZZZUUU22122121105.1变磁阻式传感器对于高Q(品质因数)值的差动式电感传感器，有ΔZ≈jωΔL0000222LLULjRLjUZZUUACACAC式中:L0——衔铁在中间位置时单个线圈的电感;ΔL——5.1变磁阻式传感器3.变压器式交流电桥•变压器式交流电桥测量电路如图5.1.6所示，电桥两臂Z1、Z2为差动式传感器线圈阻抗，它的平衡臂为变压器的两个二次绕组。当负载阻抗为无穷大时（开路），桥路输出电压：2221212110UZZZZUZZUZU5.1变磁阻式传感器图5.1.6变压器式交流电桥此时有，电桥平衡。00U•当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z5.1变磁阻式传感器•当传感器衔铁下移时,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此时22ULLUZZUo•当传感器衔铁上移时,则Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此时LLUZZUU2205.1变磁阻式传感器可知：衔铁上下移动相同距离时，产生的输出电压大小相等，但输出相位相反。由于U是交流电压，因此根据输出指示无法判断位移方向（判断不出正负），同样必须配合相敏检波电路来解决。5.1变磁阻式传感器4.谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电路(如图5.1.7所示)和谐振式调频电路(如图5.1.8所示)。①调幅电路的基本原理在调幅电路中,传感器电感L与电容C,变压器原边串联在一起,接入交流电源,变压器副边将有电输出,输出电压的频率与电源频率相同,0U5.1变磁阻式传感器而幅值随着电感L而变化,图5.1.7（b）所示为输出电压与电感L的关系曲线,其中L0为谐振点的电感值。0U•如上所述，此电路的输出电压随电感L变化而变化，当L变到电路的谐振点时，输出最大。该电路灵敏度很高，线性差，适用于线性要求不高的场合，且同一对应两个L。0U0U5.1变磁阻式传感器图5.1.7谐振式调幅电路oUOL0LoUTUCL(a)(b)5.1变磁阻式传感器②调频电路的基本原理•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。通常把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率)2/(1LCf•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5.1.8（b）表示f与L的关系曲线，它具有明显的非线性关系。5.1变磁阻式传感器图5.1.8谐振式调频电路GCLffoL(a)(b)5.1变磁阻式传感器5.1.4应用•一般用于接触测量，可用于静态和动态测量。•主要用于位移测量，也可以用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数的测量。以下是变磁阻式传感器在压力测量方面的例子。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。5.1变磁阻式传感器图5.1.9变隙电感式压力传感器结构图线圈铁芯衔铁膜盒PU~A1变隙电感式压力传感器当压力进入膜盒时，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A的指示值就反映了被测压力的大小。5.1变磁阻式传感器2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。•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。5.1变磁阻式传感器图5.1.8变隙式差动电感压力传感器线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁～输出P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。5.2差动变压器式传感器•互感式传感器：把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。•差动变压器式传感器是根据变压器的基本原理制成的，