3、电感式传感器

哈尔滨工业大学非线性误差缺点？上文回顾•应变式电阻式传感器•转换电路•压阻式电阻传感器•原理：•特性：(12)(12)dRddldRl单臂电桥半桥式差动交流电桥带温补的半桥缺点？零点漂移缺点？温度误差带温补的差动半桥带温补的全桥温度性能、线性度压阻效应哈尔滨工业大学电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。可用来测位移、压力、振动等多种非电量，既可用于静态测量，又可用于动态测量。第三章电感式传感器第三章电感式传感器分类:电感式传感器自感型可变磁阻式涡流式互感型差动变压器式哈尔滨工业大学a)可变导磁面积型b）差动型c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动0l第三章电感式传感器§3-1自感式传感器哈尔滨工业大学a)气隙型b)截面型c)螺管型(xLUI位移、流量、振动）（自感/互感）（）原理结构形式变间隙式、变面积式和螺管式。第三章电感式传感器归结于三种类型哈尔滨工业大学一、自感式传感器的工作原理21nmiiNLR第三章电感式传感器IN线圈通以有效值为的交流电，产生磁通为，线圈匝数为。NULRII则（类似）1nmmiiNINIRR由磁路欧姆定律哈尔滨工业大学3121112200001112222,,,,,,miillRSSSSlSlS总磁阻分别为气隙的磁导率、气隙和截面积。分别为铁心的磁导率、长度和截面积。分别为衔铁的磁导率、长度和截面积。铁心的结构和材料确定后，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。第三章电感式传感器2231211122002()miiNNLllRSSS0S哈尔滨工业大学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。,LfS2LfS1Lf变气隙型传感器变截面型传感器第三章电感式传感器哈尔滨工业大学变气隙式/变截面积自感传感器002221112sslslRm气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻002sRm22002mNsNLRL与δ之间是非线性关系，与s0之间是线性关系。磁路总的磁阻为线圈的电感为第三章电感式传感器哈尔滨工业大学第三章电感式传感器δ，SLL=f(S)L=f(δ)电感传感器特性变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围哈尔滨工业大学衔铁上移变气隙式自感传感器的输出特性0,220000100022sNsNLLL000020002122sNL第三章电感式传感器0S2002NsL000011LL哈尔滨工业大学忽略高次项：200001...LL第三章电感式传感器011用泰勒级数展开定义变气隙自感传感器的灵敏度：变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器01当时，00LL001LLK哈尔滨工业大学变气隙型差动式自感传感器衔铁下移：δ衔铁R1R2L2L1ACU0U102002()sNL202002()sNL第三章电感式传感器200002100000021111sNLLLL哈尔滨工业大学提高一倍上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在±Δδ工作范围内要比单个自感传感器的小得多。2100035002.....LLLLL忽略高次项：变气隙差动自感传感器的灵敏度：第三章电感式传感器002LLK哈尔滨工业大学差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点：①线性好；②灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；③温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；第三章电感式传感器哈尔滨工业大学第三章电感式传感器二、自感传感器的转换电路被测量xL转换电路及信号调节电量传感器转换电路类型：*调幅式：x——A调频式：x——f（）调相式：x——阻抗发生变化哈尔滨工业大学(1)变压器电桥输出空载电压2121121022ZZZZuuZZZuu衔铁偏离中间零点时，、ZZZZZZΔΔ21)/(Δ)2/(0ZZuuu0z2z1u/2u/2初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0图变压器电桥1、调幅电路第三章电感式传感器哈尔滨工业大学传感器衔铁移动方向相反时，、ZZZZZZΔΔ21空载输出电压)/(Δ)2/(0ZZuu只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相敏检波器。第三章电感式传感器哈尔滨工业大学(2)相敏检波电路电路作用：辨别衔铁位移方向。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。ABC第三章电感式传感器D哈尔滨工业大学（3）谐振式调幅电路电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。01TTjLUUjLjLjC第三章电感式传感器谐振点的自感值哈尔滨工业大学传感器自感变化将引起输出电压频率的变化。GCLf3/2Δ()Δ/4(/2)(Δ/)fLCCLfLLLf0LCf2/12.调频电路第三章电感式传感器f较大时有较高的精度。存在严重非线性。哈尔滨工业大学传感电感变化将引起输出电压相位变化3.调相电路第三章电感式传感器Lu/2u/2RφLφ-πRULUU哈尔滨工业大学22/1(/)LRLLRL第三章电感式传感器0()22()uuuRjLuRjLRRjL202LarctgRUUe2LarctgR哈尔滨工业大学第三章电感式传感器自感传感器的灵敏度:(传感器测头+转换电路)总灵敏度xLLkt/)/()//(0LLukcxukkkctz/0传感器结构（测头）灵敏度：转换电路灵敏度：总灵敏度：传感器灵敏度单位：mV/（mV）三、自感式传感器的灵敏度当电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为多少mV。哈尔滨工业大学第三章电感式传感器线圈N2中的互感电动势：121EddtMdIdt122212:NN穿过的磁链，1212:MNNddI线圈对的互感系数，11jtMIIe设：11dIdtjI则：1EjMI111()IURjL二次线圈的开路输出电压：11()oUEjMURjL二次线圈的开路输出电压随互感的变化而变化。§3-2互感式传感器一、互感传感器的转换电路1N磁芯e11122Nu1I哈尔滨工业大学0UU第三章电感式传感器二、互感传感器的转换电路1、反串电路:(二次线圈反相串接)1M2M2aE2bE22oabUEE铁芯在平衡位时……活动铁芯向上移动时,由于磁阻的影响,使M1M2，……反之……即：当铁芯位移发生变化时，输出电压会随之发生变化哈尔滨工业大学第三章电感式传感器二、互感传感器的转换电路2、桥路:22()2oabUEE2aEU0U1R2RRP2bE12RRRP设：，不计，有：桥路的灵敏度为前面反串电路的0.5，但其优点是利用RP可进行调零，不再需要另外配置调零电路。哈尔滨工业大学上文回顾•电感式传感器•自感式•原理•转换电路•灵敏度•互感式•原理•转换电路2231211122002()miiNNLllRSSS调幅式调频式调相式11()oUEjMURjL反串电路桥路变压器电桥谐振式哈尔滨工业大学2、零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作1、定义：在调幅式电路中，当u0=0时，应有Z1=Z2=Z，而Z包含两部分R和L，只有两部分分别相等时（即R1=R2，L1=L2），才能保证u0=0。但在实际中很难达到，实际的u0—x曲线如图，x=0时，u0=e0，称为零点残余电压。第三章电感式传感器§3-3零点残余电压零点残余电压0Ｕ０xe0哈尔滨工业大学1基波正交分量(a)残余电压的波形(b)波形分析13245UZtUiUZUt图中Ui为差动变压器初级的激励电压，UZ为零点残余电压2基波同相分量3二次谐波4三次谐波5电磁干扰第三章电感式传感器哈尔滨工业大学①基波分量由于两个电感线圈不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个线圈的感应电动势数值不等。3、零点残余电压产生原因：第三章电感式传感器哈尔滨工业大学第三章电感式传感器自感线圈的等效电路自感线圈不是一个纯电感，除了电感量L之外，还存在线圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。ReRhCLIoRc自感线圈等效电路Rc——铜损电阻；Re——铁心涡流损耗；Rh——铁心的磁滞损耗；C——分布等效电容（线圈绕组间）。哈尔滨工业大学②高次谐波高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。3、零点残余电压产生原因：第三章电感式传感器哈尔滨工业大学①从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。4、消除零点残余电压方法：第三章电感式传感器哈尔滨工业大学采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，产生零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。U0+x-x210相敏检波后的输出特性②选用合适的测量电路第三章电感式传感器哈尔滨工业大学第三章电感式传感器实用相敏检波电路限流电阻，防止流入线圈的电流过大调零电阻，减小零点残余电压调倍率的电位器哈尔滨工业大学③采用补偿线路在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。A、在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并联电阻R是为了利用R的分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。CR(a)第三章电感式传感器哈尔滨工业大学串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。CR(a)(b)CR第三章电感式传感器哈尔滨工业大学在次级绕组侧并联电位器W用于电气调零，改变两个次级线圈输出电压的相位。电容C可有效的补偿高次谐波。接入补偿电阻R以避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残存电压。R2WR1C(c)第三章电感式传感器RW(d)哈尔滨工业大学第三章电感式传感器电感式传感器一般用于接触测量，它主要用于位移测量，也可以用于振动、压力、流量、液位等参数测量。§3-4电感式传感器的应用厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.可测量的物理量包括哈尔滨工业大学第三章电感式传感器板的厚度测量~哈尔滨工业大学第三章电感式传感器张力测量变频器相敏检波放大功率放大n1n2N21N22u21u22u01u02哈尔滨