第4章电感式传感器及应用.

2020/2/121第4章电感式传感器及应用2020/2/122引言利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。电感式传感器具有结构简单，工作可靠，测量精度高，零点稳定，输出功率较大等一系列优点，其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。这种传感器能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。电感式传感器种类很多，本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式3种传感器2020/2/123主要章节内容4.1自感式传感器4.2差动变压器式传感器4.3电涡流传感器2020/2/1244.1自感式传感器自感式传感器是利用自感量随气隙变化而改变的原理制成的，用来测量位移。自感式传感器主要有闭磁路变隙式和开磁路螺线管式，它们又都可以分为单线圈式与差动式两种结构形式。2020/2/125内容4.1.1基本工作原理4.1.2自感式传感器的测量电路4.1.3自感式传感器应用举例2020/2/126电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F2020/2/1274.1.1基本工作原理线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数，即线圈的自感系数为磁链，为磁通（Wb），I为流过线圈的电流（A），N为线圈匝数。根据磁路欧姆定律：，为磁导率，S为磁路截面积，为磁路总长度。//LININ/NISll2020/2/128线圈的电感量为磁路的磁阻/mRlS22mNNSNLIlR变磁阻式传感器2020/2/129结论只要被测非电量能够引起空气隙长度或等效截面积发生变化，线圈的电感量就会随之变化。电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式和变气隙截面式两种类型，前者常用于测量直线位移，后者常用于测量角位移。2020/2/1210自感式传感器1—线圈2—铁芯3—衔铁4—测杆5—导轨6—工件7—转轴2020/2/12111．变气隙式（闭磁路式）自感传感器由电感式可知，变气隙长度式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。1—线圈2—铁芯3—衔铁2020/2/12122．螺线管式（开磁路式）自感式传感器螺线管式自感式传感器常采用差动式。它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长，一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于1为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率，500Hz以下多用硅钢片，500Hz以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。2020/2/1213结构差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。1—测杆2—衔铁3—线圈2020/2/1214特性从输出特性曲线（如图4-5所示）可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。1、2—L1、L2的特性3—差动特性2020/2/12154.1.2自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器进行放大，然后用测量仪表显示或记录。测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电桥式。交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈Z1和Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。2020/2/12161．变压器交流电桥电桥有两臂为传感器的差动线圈的阻抗，所以该电路又称为差动交流电桥变压器式交流电桥电路图2020/2/1217分析设O点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，可得到电桥输出电压为当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线圈的电感相等，阻抗也相等，即，其中表示活动铁芯处于初始平衡位置时每一个线圈的阻抗。电桥输出电压，电桥处于平衡状态。1oABAB2121()2ZUUVVUZZ2020/2/1218变化时当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加，10ZZZ20ZZZ0o22001()222ZZZUUUZZ2020/2/1219变化后的电压当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小于其感抗当活动铁芯向另一边（反方向）移动时差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与电感变化量呈线性关系。o202LUUL2020/2/12202．带相敏整流的交流电桥上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。常采用带相敏整流的交流电桥.2020/2/1221结构带相敏整流的交流电桥电路2020/2/1222（1）初始平衡位置时当差动式传感器的活动铁芯处于中间位置时，传感器两个差动线圈的阻抗Z1=Z2=Z0，其等效电路如图所示。铁芯处于初始平衡位置时的等效电路2020/2/1223（2）活动铁芯向一边移动时当活动铁芯向线圈的一个方向移动时，传感器两个差动线圈的阻抗发生变化，等效电路如图4-9所示。铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路2020/2/1224结果oDCii20001221()2ZZUVVUUZZZZoDCi200121()2ZUVVUZZZ在Ui的正半周在Ui的负半周2020/2/1225只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值。2020/2/1226（3）活动铁芯向相反方向移动时当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时，用上述分析方法同样可以证明，无论在的正半周还是负半周，电桥输出电压均为负值。2020/2/1227应用采用带相敏整流的交流电桥，其输出电压既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所以应用较为广泛。1—理想特性曲线2—实际特性曲线2020/2/12284.1.3自感式传感器应用举例用于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚度、压力、流量、液位等非电量。2020/2/12291．自感式测厚仪采用差动结构，其测量电路为带相敏整流的交流电桥。当被测物体的厚度发生变化时，引起测杆上下移动，带动可动铁芯产生位移，从而改变了气隙的厚度，使线圈的电感量发生相应的变化。此电感变化量经过带相敏整流的交流电桥测量后，送测量仪表显示，其大小与被测物的厚度成正比。1—可动铁芯2—测杆3—被测物体2020/2/12302．位移测量测量时测头的测端与被测件接触，被测件的微小位移使衔铁在差动线圈中移动，线圈的电感值将产生变化，这一变化量通过引线接到交流电桥，电桥的输出电压就反映被测件的位移变化量。1—引线2—线圈3—衔铁4—测力弹簧5—导杆6—密封罩7—测头2020/2/1231其他电感测微头2020/2/12324.2差动变压器式传感器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。因这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且其二次绕组都用差动形式连接，所以又叫差动变压器式传感器，简称差动变压器。有变隙式、变面积式和螺线管式等在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差动变压器，它可以测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。2020/2/12334.2.1基本工作原理螺线管式差动变压器结构示意图1—一次绕组2—二次绕组3—衔铁4—测杆螺线管式差动变压器原理图2020/2/1234输出特性由于在一定的范围内，互感的变化△M与位移x成正比，所以输出电压的变化与位移的变化成正比。实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压（如图4-15所示Δe）。它的存在使传感器的输出特性曲线不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。零点残余电动势2020/2/1235零点电势零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，为测量带来误差。为了减小零点残余电动势，可采用以下方法。（1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。（2）选用合适的测量电路。（3）采用补偿线路减小零点残余电动势。2020/2/12364.2.2测量电路差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电动势目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。2020/2/12371．差动整流电路是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，这样二次电压的相位和零点残余电压都不必考虑。差动整流电路同样具有相敏检波作用，图中的两组（或两个）整流二极管分别将二次线圈中的交流电压转换为直流电，然后相加。由于这种测量电路结构简单，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，且具有分布电容小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛的应用。但是，二极管的非线性影响比较严重，而且二极管的正向饱和压降和反向漏电流对性能也会产生不利影响，只能在要求不高的场合下使用。一般经相敏检波和差动整流后的输出信号还必须经过低通滤波器，把调制的高频信号衰减掉，只允许衔铁运动产生的有用信号通过。2020/2/1238典型电路差动整流电路2020/2/12392．差动相敏检波电路差动相敏检波电路等效电路2020/2/1240（2）工作原理传感器衔铁上移传感器衔铁下移L21L(2)LRuunRRL21L(2)LRuunRR2020/2/1241（3）波形图相敏检波电路波形图2020/2/12424.2.3差动变压器式传感器的应用差动变压器不仅可以直接用于位移测量，而且还可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、压力、张力、比重和厚度等。2020/2/12431．振动和加速度的测量衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧联接的衔铁的位移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小。振动传感器及其测量电路1—弹性支撑2—差动变压器2020/2/12442．力和压力的测量当力作用于传感器时，弹性元件产生变形，从而导致衔铁相对线圈移动。线圈电感量的变化通过测量电路转换为输出电压，其大小反映了受力的大小。差动变压器式力传感器1—上部2—衔铁3—线圈4—变形部5—下部2020/2/1245微压力传感器在无压力作用时，膜盒在初始状态，与膜盒联接的衔铁位于差动变压器线圈的中心部位。当压力输入膜盒后，膜盒的自由端产生位移并带动衔铁移动，差动变压器产生一正比于压力的输出电压。1—差动变压器2—衔铁3—罩壳4—插头5—通孔6—底座7—膜盒8—接头9—线路板电感式微压力传感器2020/2/12464.3电涡流传感器根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，这种现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点，应用极其广泛。2020/2/12474.3.1电涡流传感器的工作原理线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效