第三章电感式传感器2011

第三章电感式传感器信息获取技术主讲教师：应捷办公室：光电学院309Email:[e-mail]2主要内容电感式传感器的工作原理*电感式传感器的转换电路*零点残余电压及传感器的应用*电涡流式传感器*3电感式传感器自感式互感式气隙型截面型螺管形气隙型截面型螺管形定义：利用线圈的自感和互感的变化来实现非电量电测的一种装置。电感式传感器分为自感式和互感式两大类。优点：结构简单、可靠、零点稳定、精度高、输出功率大。电感式传感器4一、自感式传感器AlAlAlRom222111磁路总磁阻为:lAflANRNLm,2022线圈的电感:式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；A为截面积；µ1为铁心磁导率；µ2为衔铁磁导率；µ0为空气磁导率；lδ为空气隙厚度。lfLconstA则当气隙型AfLconstl则当截面型第一节工作原理5电感量L与气隙l是非线性的,只能用于微小位移测量.1.气隙型电感传感器工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。rlllLlLK11灵敏度6差动气隙型电感传感器灵敏度：rLlllLlLK112结论：ａ．差动式比单线圈的灵敏度提高一倍ｂ．差动比单线圈的非线性失真小72.截面型电感传感器气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称为变面积型电感传感器.线圈电感量L与磁通截面积A成正比，是一种线性关系。202ANL83.螺管型电感传感器螺管线圈中圆柱形衔铁左右位移，磁场改变，自感量相应变化，可构成螺管型传感器。三种形式的电感式传感器比较:1.气隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难。2.截面型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛。3.螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器。灵敏度aeoaAlNdldLK22成正比与衔铁伸入量传感器电感alL9旁向式差动电感式传感器总行程：1.5mm测量力：0.4～0.7N示值变动性：0.2µm轴向式差动电感式传感器总行程：3mm测量力：0.45～0.65N示值变动性：0.03µm总行程：1.5mm测量力：0.12～0.18N示值变动性：0.05µm电感式传感器10二、互感式传感器互感式传感器：当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。一般这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器。11互感式传感器：差动变压器互感随衔铁左右移动而变化。等效电路212差动变压器的输出特性12由变压器原理，输出电压：12122212IMMjEEE衔铁位置居中时：0221＝　则　　EMMM衔铁偏离中间时：MMMMMMMMM212211,,1111222LjREMjIMjE差动变压器的等效电路此时，输出电压：互感式传感器工作原理13轴向式差动变压器式传感器总行程：100mm线性度：0.15%总行程：2～7mm测量力：0.9～1.2N示值变动性：0.5µm差动变压器式传感器14被测量xL(M)转换电路及信号调节电量传感器第二节转换电路和传感器的灵敏度转换电路调幅电路调频电路调相电路151.交流电桥（1）电压输出：LoZZZZZZZZZZZZZZZZZEZZZZU43243142132143213241一、转换电路a.当满足平衡条件：3241ZZZZ0oUb.电桥输出与桥臂阻抗的相对变化成正比：443322110ZZZZZZZZU16（2）变压器电桥a.平衡臂为变压器两个副边，工作臂为Z1,Z2输出电压:2112121022ZZZZuuZZZuu12b.差动工作：ZZZZZZ21,ZZuu20当衔铁反移时，ZZZZZZ21,所以：输出电压的极性可反映衔铁移动的方向。ZZuu20c.桥路输出电压幅值：222LRLuuso172、谐振式调幅电路谐振式调幅电路输出电压频率与电源频率相同，幅度随L变化。特点：灵敏度很高，但线性差183、调频电路L的变化引起输出电压频率f的变化调频电路LCf21LLff2194、调相电路)/arctan(2RL电感线圈与固定电阻上的压降相位垂直。电感L变化时，输出电压幅值不变，相位角随之变化。20第三节零点残余电压一、定义：指衔铁处于中间位置时，存在的最小输出电压，用e0表示。零点残余电压大小一般为几毫伏到几十毫伏。21二、零点残余电压产生的原因（1）由于两个二次线圈不完全相同，导致两个二次线圈相位不同。（2）一次线圈中存在铜损，铁损，电容等，损耗使电流与磁通不同相，这些相位不同产生残余电压。Rc-铜损电阻re-铁心涡流损耗电阻Rh-磁滞损耗电阻C-线圈电容（一般可忽略，高频时必须考虑）222、高次谐波：主要由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生非正弦波。1.基波分量：两个二次线圈参数不对称，导磁材料不均质等，使得二次线圈相位不同，一次线圈损耗，激励电流与磁通不同相。e1-电源电压e20-零点残余电压1-基波正交分量2-基波同相分量3-二次谐波4-三次谐波5-电磁干扰零点残余电压产生的原因23U．U０．R0a)U．U０．R0b)U．U０．R0c)C0C图4.2.4减小零点电路下图是几种补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。三、零点残余电压的消除方法ａ.保证线圈和磁路对称b.采用相敏检波电路c.选用补偿电路24第四节电感式传感器的应用举例2526第五节电涡流式传感器一.工作原理：电涡流效应及其等效电路电涡流效应：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。形成涡流的条件存在交变磁场导电体处于交变磁场中27电涡流效应等效电路),,,(xfZ线圈系统金属导体28022121111ILjIMjUIMjILjIRZULLRMLjRLRMRUI22222221222222211LjRZ)(222222221LRMRRR)(222222221LRMLLL间距x减小时，R增大，L减小等效电感等效电阻电涡流传感器工作原理29二、电涡流形成的范围1.电涡流随间距x增大而减小15.0~05.0osrxx/rosj2/j130j0是r=r0s处的最大电涡流密度距离x一定时，电涡流密度是半径r的函数。2.径向形成范围:二、电涡流形成的范围313.轴向贯穿深度htoxejjfhrot二、电涡流形成的范围32三.转换电路两个传感器线圈ZCLZCLZ//,//221101221uRZRZ电桥输出　平衡时：当被测体靠近线圈时，0,uxfZ测量时电桥失衡，经放大输出。L1与L2差接1.电桥电路（用于差动式电涡流传感器）332．谐振法谐振频率LCfo21谐振阻抗LCLjZo21ZZZfffLLLoooo'''时，当将线圈电感Ｌ与固定电容并联成谐振电路。34无被测体时，谐振状态LCfo21接近被测体时，由L而失谐，振幅下降oU，曲线向左右移动。(a)若磁性材料，曲线左移LcLLfo21(b)若非线性材料，曲线右移LcLLfo212．谐振法（1）调幅法35（2）调频法ufcLLfLx频率－电压转换频率计0021调幅法的输出电压调幅法的输出电压与x成正比。2．谐振法36四、电涡流式传感器的应用电涡流传感器具有结构简单，可实现非接触测量，灵敏度较高等优点，广泛用于位移、振动、转速、厚度、表面不平度等物理量的检测。P591、线性范围：0~0.5-----0~40（mm)2、线性误差：0.6%――3.0%3、探头外径：6――63（mm)37P59板厚d＝D－(x1+x2);板厚不变时，(x1+x2)为常值；板厚改变时，(x1+x2)所反映的输出电压变化。举例：1、测厚度38电涡流测厚仪A、测量范围：0-1000/3000umB、测量精度：±1%-3%C、分辨率：0.1um/1um39液位监控系统通过浮子3与杠杆带动涡流板1上下位移，由电涡流式传感器2发出信号控制电动泵的开启而使液位保持一定举例：2、测液位举例：3、偏心和振动探测40举例：4、大直径电涡流探雷器41举例：5、电涡流齿轮转速测量4243第三章电感式传感器本节介绍了电感式传感器，电涡流式传感器压磁式传感器和感应同步器。通过学习，应该掌握以下内容：电感式传感器的分类和工作原理电感式传感器的转换电路零点残余电压及其补偿电涡流式传感器的工作原理电涡流分布特点及转换电路小结第三章电感式传感器