0第三章 电感式传感器

测量技术2020/2/91第3章电感式传感器2020/2/92测量技术3.1自感式传感器3.2差动变压器式传感器3.3电涡流式传感器2020/2/93测量技术了解三种电感式传感器（自感式传感器、差动变压器、电涡流传感器）的结构、工作原理和测量电路。掌握三类电感式传感器的各自特点、应用范围和典型应用。2020/2/94测量技术3.1自感式传感器3.1.1工作原理自感式传感器是把被测量的变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变截面积式和螺线管式三种。2020/2/95测量技术2020/2/96测量技术特点（1）工作可靠、寿命长；（2）灵敏度高、分辨率高;位移:0.01μm;角度0.1”;输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。（3）精度高、线性好;在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。非线性误差：0.05%~0.1%；（4）性能稳定、重复性好。不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。2020/2/97测量技术1—线圈coil；2—铁芯Magneticcore；3—衔铁Movingcoreself-inductanceofcoilis:式中：N----numberofturnsRM-------reluctance2MMNNINNLIIRR2020/2/98测量技术因为气隙较小(0.1～1mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为:10022nimiiilRSSS铁芯磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小2220022mNSNNLRS线圈自感L为：分类：变气隙厚度δ的电感式传感器；变气隙面积S的电感式传感器；变铁芯磁导率μ的电感式传感器；2020/2/99测量技术在实际使用中，常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器。测量时，衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体移动时，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大小相等，方向相反的变化，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。差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。2020/2/910测量技术3.1.2测量电路变磁阻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。1．交流电桥式测量电路把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替，设Z1=Z+ΔZ1，Z2=Z－ΔZ2，Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，ΔZ1，ΔZ2分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量。2020/2/911测量技术交流电桥式测量电路变压器式交流电桥2020/2/912测量技术其输出电压为:式中：L0——衔铁在中间位置时单个线圈的电感；ΔL——单线圈电感的变化量。o1212()2(Z)2ZZZUUULLZ＝2020/2/913测量技术2．变压器式交流电桥电桥两臂Z1、Z2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。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为112121222ZUZZUUUZZZZ2020/2/914测量技术当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时，有U0=0，电桥平衡。当传感器衔铁上移时，即Z1=Z+ΔZ，Z2=Z−ΔZ，此时o22ZULUUZL2020/2/915测量技术当传感器衔铁下移时，则Z1=Z−ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此时o22ZULUUZL2020/2/916测量技术3.2差动变压器式传感器3.2.1差动变压器式传感器的工作原理差动变压器是把被测的非电量变化转换成绕组互感量的变化。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，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm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。2020/2/917测量技术3.2.1工作原理及特性1.工作原理差动变压器主要由一个绝缘线框、三个线圈(一个初级线圈N1、两个次级线圈N21、N22)和插入线圈中央的圆柱形铁芯组成。在线框上绕有一组一次线圈作为输入线圈，在同一框架上另绕两组二次线圈作为输出线圈，并在线框中央圆柱孔中放入铁芯，如图(a)所示。2020/2/918测量技术1—初级线圆；21，22—次级两差动初线圆；3—线圆绝缘框架；4—活动衔铁2020/2/919测量技术在图(a)中，1表示变压器初级线圈，21和22表示变压器次级两差动线圈，为反向串联。3为线圈绝缘框架，4表示活动衔铁，变量∆X表示活动衔铁的位移变化量。在忽略线圈寄生电容及衔铁损耗的理想情况下，差动变压器的等效电路如图(b)所示，R1、L1为初级线圈1的损耗电阻和自感，R21和R22表示两次级线圈的电阻，L21和L22表示两次级线圈的自感，M1、M2为初级线圈N1与次级线圈N21、N22间的互感系数，e21和e22表示在初级电压u1作用下在两次级线圈上产生的感应动势，图中两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2。2020/2/920测量技术当一次线圈加以适当频率的电压激励时，根据变压器的作用原理，在两个二次线圈中就会产生感应电动势，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，必然会使两次级线圈的互感系数M1=M2。根据电磁感应原理，将有E21=E22，则U2=E21-E22=0，即差动变压器输出电压为0。当铁芯向右移动时，在右边二次线圈内穿过的磁通比左边二次线圈多些，所以互感也大些，感应电动势E21增加；另一个线圈的感应电动势E22随铁芯向右偏离中心位置而逐渐减小；反之，铁芯向左移动时，E21减小，E22增加。两个二次线圈的输出电压分别为U21和U22(空载时即为感应电动势E21，E22)，如果将二次线圈反向串联，则传感器的输出电压U2=U21-U22。2020/2/921测量技术当铁芯移动时，U2就随着铁芯位移x成线形增加，其特性如图所示，形成V形特性。如果以适当方法测量U2，就可以得到与x成正比的线性读数。2020/2/922测量技术从图中可看出，当铁芯位于中心位置，输出电压U2并不是零电位，这个电压就是零点残余电压Ux，它的存在使传感器的输出特性曲线不经过零点，造成实际特性和理论特性不完全一致。产生零点残余电压的原因有很多，不外乎是变压器的制作工艺和导磁体安装等问题，主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的，一般UX在几十毫伏。在实际使用时，必须设法减小，否则将会影响传感器的测量结果。2020/2/923测量技术3.2.2测量电路由于差动变压器的输出电压为交流，用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。另外，其测量值必定含有零点残余电压。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，常采用差动整流电路和相敏检波电路。2020/2/924测量技术1.差动整流电路差动变压器最常用的测量电路是差动整流电路，如图所示，把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。图(a)和图(b)为电压输出型，用于连接高阻抗负载电路，图中的电位器用于调整零点残余电压。图(c)和图(d)为电流输出型，用于连接低阻抗负载电路。采用差动整流电路后，不但可以用0值居中的直流电表指示输出电压或电流的大小和极性，还可以有效地消除残余电压，同时可使线性工作范围得到一定的扩展。2020/2/925测量技术2020/2/926测量技术下面结合图(b)全波电压输出电路，分析差动整流电路的工作原理。全波整流电路，是根据半导体二极管单向导通原理进行解调的。设某瞬间载波为正半周，此时差动变压器两个次级线圈的相位关系为A正B负，C正D负；在上线圈中，电流自A点出发，路径为A→1→2→9→11→4→3→B，流过电容的电流是由2到4，电容C1上的电压为U24。在下线圈中，电流自C点出发，路径为C→5→6→10→11→8→7→D，流过电容C2的电流是由6到8，电容两端的电压为U68。差动变压器的输出电压为上述两电压的代数和，即U2=U24-U68。2020/2/927测量技术同理，当某瞬间载波为负半周时，即两次级线圈的相位关系为A负B正、C负D正，按上述分析可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流方向总是从6到8，可得差动变压器输出电压U2的表达式仍为U2=U24-U68当铁芯在中间位置时，U24=U68，所以U2=0；当铁芯在零位以上时，因为U24U68，则U2＞0；当铁芯在零位以下时，因为U24U68，则U2＜0。2020/2/928测量技术铁芯在零位以上或以下时，输出电压的极性相反，于是零点残余电压会自动抵消。由此可见，差动整流电路可以不考虑相位调整和零点残余电压的影响。此外，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。在远距离传输时，将此电路的整流部分放在差动变压器的一端，整流后的输出线延长，就可避免感应和引出线分布电容的影响。2020/2/929测量技术2.相敏检波电路相敏检波电路的形式很多，过去通常采用分立元件构成的电路，它可以利用半导体二极管或三极管来实现。随着电子技术的发展，各种性能的集成电路相继出现，例如单片集成电路LZX1，就是一种集成化的全波相敏整流放大器，它以开关元件的全波相敏解调器，能完成把输入交流信号经全波整流后变为直流信号，以及鉴别输入信号相位等功能。该器件具有重量轻、体积小、可靠性高、调整方便等优点。2020/2/930测量技术差动变压器和LZX1的连接电路如图所示。u2为信号输入电压，us为参考输入电压，R为调零电位器，C为消振电容，若无C则会产生正反馈，发生振荡。移相器使参考电压和差动变压器次级输出电压同频率，相位相同或相反。