第5章 电感式传感器.ppt

传感器原理及应用第5章电感式传感器先看一个实验•电感式传感器:是利用线圈的自感或互感变化实现非电量转换的一种装置•电感式传感器的工作原理及作用如下框图位移、振动、压力、应变、流量、力、力矩、重量、密度等被测非电量电感变换元件（确定关系）电感变化量DL、DM被测电路（确定关系）可用电量U,I,f电感式传感器各种电感式传感器传感器原理及应用第5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电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装塞选传感器原理及应用第5章电感式传感器电感式传感器是一种机电转换装置，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量（如位移、压力、流量、振动）转换为电感的自感或互感的变化。按结构原理电感式传感器可分为：自感式互感式电涡流式主要内容：5.1变磁阻式电感传感器(自感式）5.2差动变压器式电感传感器（互感式）5.3电涡流式传感器5.4电感式传感器的应用传感器原理及应用第5章电感式传感器5.1变磁阻式传感器（自感式）1.组成由线圈、铁芯及衔铁三部分组成DxDdDRmDL标度变换2工作原理S1l1L1W23l2±Ddd1—线圈；2—铁芯(定铁芯)；3—衔铁(动铁芯)S2线圈中电感量mRWIIWILΨ——线圈总磁链,单位：韦伯；I——通过线圈的电流，单位：安培；W——线圈的匝数；——穿过线圈的磁通IW——磁动势Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨。mRWL2(5-1)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。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为002221112SSlSlRmd式中：μ1——铁芯材料的导磁率；μ2——衔铁材料的导磁率；l1——磁通通过铁芯的长度；l2——磁通通过衔铁的长度；S1——铁芯的截面积；S2——衔铁的截面积；μ0——空气的导磁率；S0——气隙的截面积；δ——气隙的厚度。(5-2)通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即222001110022SlSSlSdd（5-3）则式（5-2）可写为002SRmd（5-4）联立式（5-1）及式（5-4），可得d20022SWRWLm（5-5）a)气隙型b)截面型c)螺管型电感式传感器原理图S,fLdSfL2d1fL变气隙型传感器变截面型传感器线圈中放入圆形衔铁可变自感螺管型传感器。变磁阻式传感器又分为:5.1.2输出特性(变气隙式）002221112sslslRmd通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻111002slsd222002slsd002sRmdd20022sWRWLmL与δ之间是非线性关系5.1.2输出特性(变气隙式）(续）衔铁位移Δδ引起的电感变化为220000000000/22()(1/)1/NSNSLLLLdddddddDDDD气隙厚度变化时，L与δ为反比关系200002NSLdδ0LδL0L0+ΔLL0-ΔL22002NSNLRmd电感初始气隙δ0处,初始电感量为特性曲线非线性Δδ/δ1时，用泰勒级数展开。5.1.2输出特性(变气隙式）(续）Δδ/δ1时，可将前式用泰勒级数展开,求出电感增量2300000[1()()]LLLLddddddDDDD2230000000[1()]()()LLddddddddddddDDDDDDD衔铁下移时电感的相对增量增大衔铁上移时电感的相对增量减小2230000000[1()]()()LLddddddddddddDDDDDDD•对上式作线性处理5.1.2输出特性(变气隙式）(续）Δδ/δ1时，忽略高次项（非线性项），电感相对变化量与气隙变化成正比关系00LLddDD000/1LLkddDD定义变磁阻式传感器的灵敏度为20000[1()]LLddddddDDDD非线性误差DD3020ddddd0↓→K0↑，而d0↓→↑（不利）差动变隙式电感传感器差动式原理差动变隙式由两个相同的线圈L1、L2和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁（左右）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。220000[1()]LLddddddDDDD210000[1()]LLddddddDDDD当衔铁移动时，两个电感一个增加另一个减小变化时差动变隙式电感传感器（续）对上式进行线性处理，忽略高次项得：002LLddDD000/2LLkddDD241200002[1()()]LLLLddddddDDDDDD差动变隙式总的电感变化为：差动形式的灵敏度为差动变隙式电感传感器（续）2400002[1()()]LLddddddDDDD1.比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；2.差动式非线性项与单线圈相比，多乘了(Δδ/δ)因子；不存在偶次项使Δδ/δ0进一步减小，线性度得到改善。3.差动式的两个电感结构可抵消部分温度、噪声干扰。000/2LLkddDD差000/1LLkddDD单20000[1()]LLddddddDDDD☻结论：差动形式与单线圈比较5.1.3测量电路•电感式传感器的等效电路•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有功分量包括：线圈线绕电阻和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，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L,绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。电感式传感器的等效电路RCLZCjLjRCjLjRZ)((5-6)电感式传感器的等效电路（续）将(5-6)有理化并应用品质因数Q=ωL/R，可得22222222222)1(1)1(QLCLCQLCLCLjQLCLCRZ当Qω2LC且2LC12222)1()1(LCLjLCRZ(5-8)电感式传感器的等效电路（续）2222)1(';)1('LCLLLCRR''LjRZ并联电容的存在C↑→R’↑，L’↑，Q↓考虑R，L，C等影响后的灵敏度为LdLLCLdLKL2''11C↑→KL↑在测量中若更换连接电缆线的长度，在激励频率较高时则应对传感器的灵敏度重新进行校准。令则5.1.3测量电路（转换电路）两个桥臂由相同线圈组成差动形式，另外两个为平衡电阻交流电桥结构示意图等效电路（1）交流电桥式检测电路1012020c0340,,cRZZjLZZjLZRjLZZRDD为线圈铜阻142301234ACZZZZUUZZZZ5.1.3测量电路（续）☻电桥输出电压U0与气隙变量Δδ有正比关系，与输入桥压有关，桥压UAC升高输出电压U0增加；桥路输出电压与初始气隙δ0有关，δ0越小输出越大。000222ACACACcUUUZjLLUZRjLLDDD交流电桥电压输出：线圈品质因素Q较高(LRc)时可以消除正交分量（参见3章交流电桥，输出电压一个与电源同相的分量，另一个与电源相差900的正交分量），输出可写为0000/2//ACLLUUddddDDD由有变压器式交流电桥检测电路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当衔铁在中间位置：Z1=Z2=Z，U0=0变压器式交流电桥检测电路（续）☻衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向相反，相差180º，要判断衔铁方向就是判断信号相位，可采用相敏检波电路解决。该电路最大特点是输出阻抗较小，其输出阻抗为当衔铁偏移时，Z1Z2，输出电压为02ULULD当衔铁偏向另一方向Z1Z2，输出电压为120112122222ZZUUUUZULUZZZZZZLDD22()/2ZRL02ULULD谐振式调幅测量电路输出电压的频率与电源频率相同，幅值随着电感L而变化。L0为谐振点的电感值，此电路灵敏度高，但线性差，适合于对线性度要求不高的场合。谐振式调频测量电路传感器电感的变化将引起输出电压频率的变化。根据频率的大小可测出被测量的值。LCf215.1.4变磁阻式传感器的应用•变隙式原始气隙δ0可取得很小,δ0=0.1～0.5mm,当Δδ=1μm时，ΔL/L0可达1/100～1/500。•变隙式传感器灵敏度高，缺点是非线性严重,自由行程小，工艺制作难。压力测量图5-10变隙电感式压力传感器结构图线圈铁芯衔铁膜盒PdU～A压力测量（续）线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁～输出P图5-11变隙式差动电感压力传感器被测压力经过位移、电压两次转换输出5.1.4变磁阻式传感器的应用（续）•游标卡尺分辨率为0.02mm;千分尺分辨率为0.01mm;•现代机械加工要求测量工具的分辨率高于公差的一个数量级，传统工具无法实现，电感传感器的分辨率可达0.01μm,可优于要求公差。新型测量工具设计结构示意图5.2差动变压器式传感器（互感式）•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。•这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。–变隙式–变面积式–螺线管式次级次级骨架初级衔铁次级次级初级变隙式差动变压器图5-14差动变压器式传感器的结构示意图(a)(b)变隙式差动变压器;iUBdbdaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)螺线管式差动变压器图4-11差动变压器式传感器的结构示意图(c)、(d)螺线管式差动变压器;变面积式差动变压器图4-11差动变压器式传感器的结构示意图(e)、(f)变面积式差动变压器2U1Ud01U2U(e)(f)螺线管式差动变压器结构和工作原理•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(介绍三节式)，可测量1—100mm范围内机械位移。次级次级骨架初级衔铁次级次级初级5.2.1工作原理初级线圈L1，次级线圈L2a、L2b须反相连接，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abMM22abEE0220abUEE差动输出电压为零：并且有两线圈电动势相等线圈同名端连接5.2.1工作原理（续）☻差动变压器的输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。当衔铁上下移动时，输出电压大小、极性随衔铁位移变化22abEE若衔铁上移22abEE若衔铁下移输出电压与输入同相输出电压与输入反相5.2.2基本特性由此得到输出电压有效值为：02211()()abiMMUUrL☻差动变压器输出电压与互感的差值成正比。21aaEjMI21bbEjMI根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为输出电压次级开路时，初级电流代入上式0221ababUEEjMMI111/iIUrjL5.2.2基本特性（续）022112,()iabUMMMUrLD022112,()iabUMMMUrLD•铁芯在中间位置时•铁芯向上移（右移）输出与E2a同极性；0,0abMMU02211()()abiMMUUrL差动变压器输出交流电压，存在相位问题，负-表示反相。•铁芯向下移（左移）输出与E2b同极性；5.2.2基本特性（续）差动变压器输出电压和位移的关系1.差动变压器输出电压幅值取决于线圈互感△M，即衔铁在线圈中移动的距离X，而U0与Ui的相位决定衔铁的移动方向；2.输出电压