传感器与检测技术――第三章 电感式传感器

传感器与检测技术教师：曾晓东电话：[phone]E_mail:[e-mail]:241747139传感器与检测技术第三章电感式传感器第三章电感式传感器第一节自感式传感器第二节互感式传感器第三节电涡流式传感器第四节压磁式传感器传感器与检测技术第三章电感式传感器原理电感式传感器最基本原理是电磁感应原理。传感器电路被测物理量位移振动压力流量比重的变化自感系数L互感系数M的变化电压电流传感器与检测技术第三章电感式传感器电感传感器优点灵敏度高，分辨力高，位移：0.1m；精度高，线性特性好，非线性误差：0.05%0.1%；性能稳定，重复性好；结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、寿命长能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制等。缺点：存在交流零位信号，不适于高频动态信号测量。传感器与检测技术第三章电感式传感器电感式传感器分类自感型——变磁阻式传感器互感型——差动变压器式传感器涡流式传感器——自感型和互感型都有•高频反射式——自感型•低频透射式——互感型传感器与检测技术第三章电感式传感器第一节自感式传感器将被测对象的微小变化(x)电感的变化(L)传感器运动部分与衔铁相连，测物理量时，运动部分位移衔铁位移气隙厚度变化线圈自感系数L变化SSlNLiii022一、工作原理传感器与检测技术第三章电感式传感器自感传感器的三种型式气隙变化型—变气隙的间隙(a)面积变化型—变气隙的截面积S(b)螺管型—变衔铁与线圈重合长度(c)传感器与检测技术第三章电感式传感器第一节自感式传感器二、电感计算及特性分析1．气隙型传感器220202SNSNL000000200200200020)1(LSNSNSNLLLSNL000011LL302000）（）（LL00LL0000/LLLK%1000020传感器与检测技术第三章电感式传感器二、电感计算及特性分析为了减小非线性，可以利用两只完全对称的单个电感传感器合用一个活动衔铁，这样可构成差动式电感传感器，如差动式气隙电感传感器、差动螺管电感传感器等。其测量电路可使用非平衡电桥。00200000000020020022121122)(2)(2LLSNSNSNLLL00002/2LLLK%10020030传感器与检测技术第三章电感式传感器二、电感计算及特性分析2．螺管型电感传感器23002020003htthRNLLLsm00030200000333ttLLttttttLLLLss000300000626ttLLttttLLLLssZ差动螺管式电感传感器的电感相对变化量为006tLtLKsZ传感器与检测技术第三章电感式传感器二、电感计算及特性分析螺管式电感传感器的特点：(1)结构简单，制造装配容易(2)由于空气隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大(3)由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰(4)由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大(5)要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和确定性。传感器与检测技术第三章电感式传感器自感式传感器的分类比较传感器与检测技术第三章电感式传感器第一节自感式传感器三、转换电路和传感器灵敏度（一）转换电路主要有调幅、调频、调相电路1.交流电桥2121RRZZLjRLjREZZERRRZZZZZZEZZZZZZEUssSC221))()(()(433211传感器与检测技术第三章电感式传感器三、转换电路和传感器灵敏度ELRLELRRLUsssSC2222222)(2)(22)()(22LRRZs))(11(111222ssssSCRRLLQjLLRRQQEU(1)当Q值很高时，有LLEUSC2对气隙式差动传感器有0EUSC对螺管型差动传感器有0003ttLLEUsSC传感器与检测技术第三章电感式传感器三、转换电路和传感器灵敏度（2）当Q值很低时电感线圈的电感远小于电阻，电感线圈相当于纯电阻的情况，交流电桥即为电阻电桥。此时输出电压为ssSCRREU2这种电桥结构简单，其电阻可用两个电阻和一个电位器组成，调零方便。传感器与检测技术第三章电感式传感器三、转换电路和传感器灵敏度2.变压器电桥21ZZEI1221122ZZZZEEZIUO双臂工作时，若Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZZZEZZZZEUO221221若Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，可得ZZEZZZZEUO221221传感器与检测技术第三章电感式传感器三、转换电路和传感器灵敏度3.调频电路LCf21LLfLCLCf2434.调相电路RLarctan2LLRLRL212传感器与检测技术第三章电感式传感器三、转换电路和传感器灵敏度（二）传感器灵敏度自感传感器的灵敏度是指传感器结构（测头）和转换电路综合在一起的总灵敏度。传感器结构的灵敏度，即电感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比0000012//2/LLLLKt转换电路的灵敏度，即空载输出电压与电感相对变化之比2221112/))(11(1112/QELLRRLLQjLLRRQQELLUKssssOc传感器与检测技术第三章电感式传感器三、转换电路和传感器灵敏度传感器的灵敏度为EQQEKKKtc20021111121112在工厂生产中测定的传感器的灵敏度是把传感器接入转换电路后进行的，其单位为mv/(μm·V)。传感器与检测技术第三章电感式传感器第一节自感式传感器四、影响传感器精度的因素分析1.电源电压和频率的波动影响电源电压的波动一般允许为5%～10%。严格对称的交流电桥是能够补偿频率波动影响的2.温度变化的影响为了补偿温度变化的影响，在结构设计时要合理选择零件的材料（注意各种材料的膨胀系数之间的配合），在制造和装配工艺上应使差动式传感器的两只线圈的电气参数（电阻、电感、匝数）和几何尺寸尽可能取得一致。这样可以在对称电桥电路中能有效地补偿温度的影响。3.非线性特性的影响除了采用差动式结构之外，还必须限制衔铁的最大位移量传感器与检测技术第三章电感式传感器四、影响传感器精度的因素分析4.输出电压与电源电压之间的相差采用相敏整流电路，以及传感器应有高Q值，一般Q值应不低于3～45.电桥的残余不平衡电压———零点残余电压零点残余电压产生的原因有：(1)差动式两个电感线圈的电气参数以及导磁体的几何尺寸不可能完全对称；(2)传感器具有铁损即磁芯磁化曲线的非线性；(3)电源电压中含有高次谐波；(4)线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁芯间有分布电容；零点残余电压的危害很大，会降低测量精度，削弱分辨力，易使放大器饱和。传感器与检测技术第三章电感式传感器四、影响传感器精度的因素分析减小零点残余电压的措施是减少电源中的谐波成分，减小电感传感器的激磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段。为了消除电桥的零点残余电压，在差动电感电桥的电路中通常再接入两只可调电位器，当电压有零点残余电压时，可以反复调节两只电位器，使电桥实现平衡。传感器与检测技术第三章电感式传感器第一节自感式传感器五、自感式传感器的应用传感器与检测技术第三章电感式传感器第二节互感式传感器将被测量转换为传感器的互感变化量的传感器称为互感传感器一、工作原理dtIdME1设tjMeII11则111IMjeMIjdtIdMEtjM又111LjRUI111LjRUMjIMjEUO因此传感器与检测技术第三章电感式传感器第二节互感式传感器二、互感计算与特性分析当铁芯位于线圈中心位置时,U1=U2,UO=0;当次级开路时，初级线圈的交流电流为111LjRuI次级线圈感应电势为1212IMjeIMjebbaa传感器与检测技术第三章电感式传感器二、互感计算与特性分析差动变压器的空载输出电压为112122)(LjRuMMjweeUbaO其幅值为uLRMMUbaO2121)()(输出阻抗为)()(2222babaLLjRRZ(1)磁芯处于中间平衡位置时Ma=Mb=MUO=0(2)磁芯上升时Ma=M+ΔM,Mb=M-ΔMuLRMUO2121)(2(3)磁芯下降时Ma=M-ΔM,Mb=M+ΔMuLRMUO2121)(2传感器与检测技术第三章电感式传感器二、互感计算与特性分析输出电压还可以写成MMeMMLRMuUsO021212)(2假设：(1)漏磁全部在动铁芯范围内，并忽略铁芯端部效应(2)忽略动铁芯及外层铁磁壳上的磁阻(3)设动铁芯外径近似为ri(4)铁芯及磁屏蔽的磁导率为无穷大传感器与检测技术第三章电感式传感器二、互感计算与特性分析)1(2xkxUO)/ln()(121211112102rrhlhlINfNk21214hl如果用恒压流供电，其线性度可以改善，此时有UxxlhlxhlhNNUO211212212112122343传感器与检测技术第三章电感式传感器二、互感计算与特性分析提高差动变压器的灵敏度的途径：(1)提高线圈的Q值，为此可增大差动变压器的尺寸。一般线圈长度为直径的1.5-2.0倍为恰当。(2)选择较高的激励频率(3)增大铁芯直径，使其接近于线圈架内径，但不触及线圈架。二节式差动变压器的铁芯长度为全长的60%-80%。铁芯采用导磁率高，铁损小，涡流损耗小的材料(4)在不使线圈过热的条件下尽量提高激励电压。传感器与检测技术第三章电感式传感器第二节互感式传感器三、转换电路1．反串电路uLRMeeUbaO212122)(22．桥路2))((22221222babbaOeeeRRReeU传感器与检测技术第三章电感式传感器第二节互感式传感器3．差动整流电路bacdcdabSCUUUUU传感器与检测技术第三章电感式传感器第二节互感式传感器4．相敏检波电路•当差动变压器铁芯在中间位置时，UCD=0若铁芯上移，e≠0，设e和er同相，er正半周时,UCD=R0（i1-i2）0；er负半周时，UCD=R0（i4-i3）0。当铁芯下移时，e和er反相，同理可得UCD0。Ri1～e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4e传感器与检测技术第三章电感式传感器第二节互感式传感器四、零点残余电压的补偿产生零点残余电压的主要原因：（1）两个绕组不能绝对对称。（2）铁芯的磁化曲线的非线性。消除零点残余电压的方法：1．保证对称性2．选用合适的测量线3．用补偿线路传感器与检测技术第三章电感式传感器第二节互感式传感器五、应用举例1、微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。传感器与检测技术第三章电感式传感器1.微压力变送器•这种变送器可分档测量(–5×105～6×105)N/m2压力，输出信号电压为(0～50