第三章 电感式传感器n

第三章电感式传感器电感式传感器是利用线圈自感（self-inductanceofcoils）或互感（mutualinductanceofcoils）的改变来实现测量的一种装置。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有电感绕组。习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器（变磁阻式reluctancevariationsensors），而互感式传感器由于它利用变压器原理，又往往做成差动式，故称作差动变压器（linearvariabledifferentialtransformers(LVDTs)）此外，利用涡流原理的电涡流式传感器（Eddycurrentsensors）、利用材料压磁效应（Piezo-magneticeffect）的压磁式传感器、利用平面绕组互感原理的感应同步器(Inductosyn)等，亦属电感式传感器）（（互感）（自感）、位移、流量、振动）IUMLx(种类定义螺管式变截面式变气隙式互感式电涡流式变截面式螺管式变气隙式自感式电感式传感器特点（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，电压灵敏度高（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。第一节工作原理一、自感式传感器工作原理1线圈自感2/mLNR线圈匝数磁路总磁阻对于变隙式传感器,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02imiiLRSS式中:——各段导磁体的长度;μi——各段导磁体的导磁率;Si——铁芯材料的截面积;δ——气隙的厚度μ0——空气的导磁率;S——空气隙的截面积;iL202/[]iiiLLNSS可得铁心的结构和材料确定后，上式分母第一项为常数，此时，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。（螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而变化的基础上）LRxnimi1自感式电感传感器常见的形式1—线圈coil；2—铁芯Magneticcore；3—衔铁Movingcore变气隙式变截面式螺线管式二、互感式传感器（差动变压器式传感器）工作原理把被测的非电量变化转换为线圈互感量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,并且次级绕组都用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。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,但其工作原理基本一样。非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器,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。原理传感器工作时，被测量的变化将使磁心产生位移，引起磁链和互感系数的变化，最终使输出电压变化。设磁芯上绕制线圈N1，N2，线圈N1通入电流I1，在线圈N1中产生磁通，部分磁通通过N2，在线圈N2中产生互感电动势E1112dtIMdIddtIdddtdE///1111212再设tjeII1112122N121ddIM磁链互感系数...011/()UEjMURjL输出电压：输出电压有效值22011/()UMURL则1IMjEtjeIjdtId11/又因为)/(111LjRUI第二节转换电路和传感器的灵敏度传感器实现了把被测量转变为自感和互感量的变化，如何将电感值随外作用的变化转换成可用的电信号，这是本节研究的内容。原则上讲可将自感的变化转换成电压（电流）的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。调幅电路的一种主要形式是交流电桥，已经在第二章讨论过，不再重复。这里只提一下自感传感器中经常使用的变压器电桥。图中B点的电压为：2BEU212AZUEZZ图中A点的电压为：1.变压器电桥输出电压：201212ABZUUUEZZ讨论：（1）当铁芯处于中间位置时，Z1=Z2=Z，这时U0=0,电桥平衡；（2）当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加，Z2=Z+ΔZ，上面线圈的阻抗减小，Z1=Z-ΔZ得：12222SOSRjLZZZEUEEZZRjL反之，当铁芯向上移动同样大小的距离时，Z2=Z-ΔZ,Z1=Z+ΔZ，得：01222ZZEZUEZZ幅值为：222222222SOSSLRLUEERLRL输出电压幅值为:ELRLUsO222两种情况的输出电压大小相等，方向相反，由于E是交流电压，所以输出电压U0在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。实际应用中，电感式传感器的阻抗变化ΔZ为纯损耗电阻变化ΔR及感抗变化ΔL，则LjRZ22222222222)()()(221)(221LRLLRRZLRLLRRLLRLRLRRLLZRRZdZ即幅值为22)(LRZ求其全微分因此，输出电压为)1()/11(2)()1(2)()()(222222222220LLRRQQuLLQRRQuLLLRLRRLRRuU若非常小时，可以忽略，则RR/LLQuU)/11(220如果，传感器设计成，或Q值较大，则LLRR//LLuU20电感线圈品质因数Q＝RL/2.谐振式测量电路定频调幅电路在调幅电路中,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,变压器副边输出,输出电压的频率与电源频率相同,而幅值随着电感L而变化,图（b）所示为输出电压L的关系曲线,其中L0为谐振点的电感值,串联谐振时，LC输出阻抗最小，输出电压最大。0U0U此电路灵敏度很高,但线性差,适用于线性要求不高的场合。谐振式调频电路调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中,其振荡频率。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（b）表示f与L的特性,它具有明显的非线性关系。LCf211/2fLC对f求导3()211()()22dfLCCdL114dlLLC2fLL调频电路只有在f较大的情况下才能达到较高的精度。调相电路的基本原理是传感器电感变化将引起输出电压相位变化调相电路上图为相位电桥，一臂为传感器L，另一臂为固定电阻R，电感线圈与固定电阻上压降是两个相互垂直的向量当电感L变化时，输出电压幅值不变，相位角随之变化。与L的关系为：2arctan(/)LR为电源角频率当L有了微小变化，求得输出电压相位变化为22(/)1(/)LRLLRLdLd差动变压器输出的是交流电压,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压的目的,实际测量时,常常采用差动整流电路和相敏检波电路。1.差动整流电路根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“＋”，e点为“–”，则电流路径是fgdche（参看图a）。反之，如f点为“–”，e点为“＋”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图（b），其值为USC=eab＋ecd。全波整流电路和波形图～e1RRcabhgfdeUSC衔铁在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位(b)(a)在f点为“＋”，则电流路径是fgdche(参看图a)。反之，如f点为“–”，则电流路径是ehdcgf。2、相敏检波电路容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中调制电压er和e同频，经过移相器使er和e保持同相或反相，且满足ere。调节电位器R可调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。相敏检波电路（1）分析电路的辨向过程。（2）说明电路的作用。+_xttu调幅波位移波设：位移为正弦波txxmsin差动变压器输出为1212)(IMMjE零位上下，次级输出相位有180o变化，因此可以通过判别相位变化来判别位移得极性。yUU0条件：（1）二极管为理想开关；（2），且正位移时，同频同相，负位移时，同频反相。具体分析1）衔铁在零位以上移动时，x(t)0①载波信号在上半周(0～π)yUU与0同频同相A：U1上正下负，U2上正下负；B：U01左正右负，U02左正右负。此时，二极管D1、D4截止，D2、D3导通对于D2回路有：对于D3回路有：+-U01Rfi2RD2-+U2ffRRUUiRi20122从下向上流过+-U02Rfi3RD2-+U2ffRRUUiRi20233从上向下流过通常：U1＝U2，U01＝U02因此：i2i3if＝i2－i30，方向：电流自下向上，设为正向电压为正。yU②载波信号为下半周(π～2π)A：U1上负下正，U2上负下正；B：U01左负右正，U02左负右正。此时，二极管D1、D4导通，D2、D3截止对于D1回路有：对于D4回路有：+-U01Rfi1RD1-+U1+-U02Rfi4RD4-+U1ffRRUUiRi10111从上向下流过ffRRUUiRi10244从下向上流过因此：i4i1if＝i4－i10，方向：电流自下向上，为正向电压为正。yU2）衔铁在零位以下移动时，x(t)0①载波信号在上半周(0～π)yUU与0同频反相A：U1上负下正，U2上负下正；B：U01左正右负，U02左正右负。此时，二极管D1、D4截止，D2、D3导通对于D2回路有：对于D3回路有：+-U01Rfi2RD2-+U2+-U02Rfi3RD3-+U1ffRRUUiRi20122从下向上流过ffRRUUiRi10233从上向下流过因此：i3i2if＝i3－i20，方向：电流自上向下，为反向电压为负。yU②载波信号为上半周(π～2π)同理可得：A：U1上正下负，U2上正下负；B：U01左负右正，U02左负右正。此时，二极管D1、D4导通，D2、D3截止对于D1回路有：对于D4回路有：ffRRUUiRi10111从上向下流过ffRRUUiRi10244从下向上流过因此：i1i4if＝i1－i40，方向：电流自上向下，为反向电压为负。yU结论：(1)衔铁在零位以上移动时，不论载波信号时正半周还是负半周，负载上电压始终为正。(2)衔铁在零位以下移动时，不论载波信号时正半周还是负半周，负载上电压始终为负。（2）U0的大小反映位移的大小，U0的极性反映位移的方向。消除零点残余电压使x=0时，U0=0。以调幅电路为例讨论自感传感器的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定义为电感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，tk(/)/tkLLx转换电路的灵敏度定义为空载输出电压与电感相对变化之比，即ck0u0/(/)ckuLL总灵敏度为：0/ztckkkux差动变压器(互感式传感器)的转换电路1.反串电路：直接把两个次级线圈反向串接，空载输出电压为两个次级线圈的电动势之差。...022abUEE2.桥路转换电路12RR和是桥臂电阻，RP为调零电位器，设12RR和相等，输出电压：....