第3章 电感式传感器传感器

第3章电感式传感器11第3章电感式传感器InductiveSensors主要内容：•自感式传感器结构、原理及其基本特性；自感式传感器的电桥测量电路的输出特性；•差动变压器组成、结构、工作原理、输出特性及其差动整流电路和相敏检波电路的工作原理；•高频反射式电涡流式传感器的结构、工作原理及基本特性；•各类电感式传感器的典型应用（位移型传感器）。第3章电感式传感器电感式传感器就是利用线圈自感或互感随被测量变化来实现测量的一种装置。传感器的结构特征：具有线圈绕组自感式传感器（变自感L）类型：差动变压器（变互感M）电涡流式传感器（变自感L）特点：灵敏度高、输出功率大、测量范围宽。但存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。概述第3章电感式传感器§3.1自感式传感器§3.2差动变压器式传感器§3.3电涡流式传感器§3.4电感式传感器应用举例第3章电感式传感器§3.1自感式传感器工作原理及其特性分析变气隙式自感式传感器的结构原理图（a）单边式结构：由2铁芯、1线圈、3衔铁及弹簧等组成。原理：当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的电感值变化。3.1.1工作原理：式中：N---线圈匝数RM---磁路总磁阻MRIN（磁路欧姆定律）线圈自感为:MMRNRINININIL2第3章电感式传感器000022211122SSSlSlRM若很小，且不考虑磁路铁损，则磁路总磁阻为:铁芯磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小则线圈自感L为：分类：变气隙厚度δ的电感式传感器；变气隙面积S的电感式传感器；202SNL第3章电感式传感器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第3章电感式传感器L=f（S）L=f（δ）δL(S)当δ＝0时，L为∞，考虑导磁体的磁阻，L并不等于∞，而具有一定的数值。考虑导磁体的磁阻时特性曲线如图中虚线所示。3.1.2电感计算与输出特性分析220SNLL=f(δ)为非线性关系L＝f(S)的特性曲线为一直线。第3章电感式传感器1.变气隙式自感传感器初始电感量为：02002SNL若衔铁下移∆δ：δ=δ0+∆δ2200000002()2SNSNLLLL自感的相对变化量为：000011LL则电感减小，变化量为ΔL：第3章电感式传感器一般10，则上式可由泰勒级数展开成级数形式为...13020000LL忽略高次项，可得自感变化与气隙变化成近似线性关系：00LL变气隙式自感传感器的灵敏度为：001LLK灵敏度K随初始气隙的增大而减小。。第3章电感式传感器非线性误差为:%1000020可见非线性误差随的增大而增大因此：线性度小、灵敏度高因此变隙式常用于测量微小位移的场合，并且通常采用差动式100小0测量范围小第3章电感式传感器采用差动变隙式，可以减小非线性，提高灵敏度。220012020000122()2()1()SNSNLLLL差动变隙式的电感变化量为：2.差动变气隙式自感传感器第3章电感式传感器差动式电感传感器的电感相对变化量为：2000)(112LL当10，上式展开成泰勒级数：24000021...LL忽略高次项，可得:002LL差动变隙式灵敏度为：002LLK非线性误差为：%10020030第3章电感式传感器①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍②差动式自感传感器非线性失真减小。如当Δδ/δ=10％时,单线圈γ＜10％；而差动式的γ＜1％③采用差动式传感器，还能抵消温度变化、电源波动、电磁吸力等因素对传感器的影响。结论：线圈电感电感线圈气隙1线圈Ⅰ自感特性曲线；2线圈Ⅱ自感特性曲线；3线圈Ⅰ负自感特性曲线；4差动特性曲线第3章电感式传感器δLΔL1ΔL2L0δ0注意！①当气隙δ发生变化时，自感的变化与气隙变化呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化Δδ/δ的增大而增加；②气隙减少Δδ所引起的自感变化ΔL1与气隙增加同样Δδ所引起的自感变化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值随Δlδ/lδ的增加而增大。第3章电感式传感器单线圈螺管型传感器结构图3.螺管型电感传感器有单线圈和差动式两种结构形式。单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈一根圆柱形铁芯及磁性套筒。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈自感发生变化。rx螺管线圈铁芯l第3章电感式传感器x螺管线圈内磁场分布曲线rl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H（）INlx（l）螺管式自感传感器根据其磁路结构，磁通主要由两部分组成：磁通沿轴向贯穿整个线圈后闭合的为主磁通；另外经铁芯侧面气隙闭合的侧磁通称为漏磁通。铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。第3章电感式传感器12PBxxlr设螺管线圈全长为l,内径为r,匝数为N,通电电流强度为I。沿轴线任意一点P的磁场强度H为：))((22222rxxrxlxllINHl为简化分析，设螺管线圈的长径比/1lrlINH圈内磁场强度分布均匀，线圈中心处的磁场强度为：，则可认为螺管线则空心螺管线圈的电感为：2200NrNNBSLIIl第3章电感式传感器当线圈插有铁芯时，由于铁芯是铁磁性材料，使插入部分的磁阻下降，故磁感强度B增大，电感值增加。设铁芯长度与线圈长度相同，铁芯半径为，线圈所包围横截面上的磁通量由两部分组成：铁芯所占截面的磁通量和气隙的磁通量，总磁通量为:er22222000()[(1)]areereHrHrrHrr线圈电感增大为：lrrNINLera])1([2220如果铁芯长度小于线圈长度l，则线圈电感为el22220])1([lrllrNLeer第3章电感式传感器22220]))(1([lrlllrNLLeeer当增加时，线圈电感增大ΔL，则elel电感变化量为2220)1(llrNLere电感的相对变化量为21111eereerrllllLL可以看出，若被测量与成正比，则ΔL与被测量也成正比。实际中，由于线圈长度有限，线圈磁场强度分布并不均匀，输入量与输出量之间的关系是非线性的。el第3章电感式传感器0.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.42lcΔlc2l线圈Ⅰ线圈Ⅱr0.8xH（）INlx(l)(a)(b)差动螺管型传感器结构图第3章电感式传感器1）具有线性度差、示值范围窄、自由行程小、在小位移下灵敏度很高的特点。因此，常用于直线小位移的测量，以及结合弹性敏感元件构成压力传感器、加速度传感器等。2）具有线性度良好、自由行程大、示值范围宽、灵敏度较低的特点，通常用来测量比较大的直线位移和角位移。3）螺管式自感式传感器灵敏度低，但示值范围大，自由行程大，且其主要优点是结构简单，制造装配容易三种自感传感器比较：第3章电感式传感器3.1.3传感器的信号调节电路图中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第3章电感式传感器反之，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。第3章电感式传感器2.带相敏整流的交流电桥由于电路结构不完全对称,当输入电压中包含有谐波时，输出端在铁芯位移为零时将出现残余电压，称之为零点残余电压。第3章电感式传感器带相敏整流的交流电桥采用相敏整流电路可以消除零点残余电压、判别衔铁位移的方向、改善线性度。第3章电感式传感器3.1.4影响传感器精度的因素分析1.电源电压和频率波动的影响2.温度变化的影响3.非线性特性的影响4.输出电压与电源电压之间的相位差5.零位误差的影响第3章电感式传感器自感式压力传感器PA自感式电感传感器应用第3章电感式传感器P变气隙式差动压力传感器第3章电感式传感器用于工件直径等尺寸测量的电感式传感器1—引线电缆2—固定磁筒3—衔铁4—线圈5—测力弹簧6—防转销7—钢球导轨（直线轴承）8—测杆9—密封套10—测端11—被测工件12—基准面第3章电感式传感器电感测微头第3章电感式传感器§3.2差动变压器式传感器(linearvariabledifferentialtransformers(LVDTs))1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243123(a)气隙型(b)螺管型变互感量的传感器。根据变压器的基本原理制成，次级绕组都用差动形式连接，故称为差动变压器.分为气隙式和螺管式两种。因为变隙式行程很小，结构也很复杂。目前多采用螺管式。第3章电感式传感器1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁4123(b)螺管型基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。第3章电感式传感器321212112(a)(b)(c)(d)121121初级线圈；2次级线圈；3衔铁3三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。第3章电感式传感器3.2.1螺管形差动变压器1.工作原理副Ⅰ0EsEs1Es2x副Ⅱ原线圈差动变压器输出电势与衔铁位移的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。～～～EsRs1Rs2Es1Es2EpRpM1M2Ls1Ls2LpIp第3章电感式传感器2.基本特性分析～～～EsRs1Rs2Es1Es2EpRpM1M2Ls1Ls2LpIp（1）输出特性初级线圈的复数电流值为:PPPPEIRjL输出电压：1212PPSSSdIdIEEEMMdtdt将电流写成复指数形式：PIjtPPMIIe则jtPPMPdIjIejIdt第3章电感式传感器1212PSPPPjMMEEjMMIRjL则输出电压为：讨论:1）磁芯处于中间平衡位置时，互感M1=M2=M，则Es=0；2）磁芯上升时，M1=M+ΔM，M2=M-ΔM，则222PPPSLRMEE3)磁芯下降时，M1=M-ΔM，M2=M+ΔM，则222PPPSLRMEE看出输出电压ES大小与极性反映衔铁位移的大小和方向。但由于ES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、检波等。第3章电感式传感器3-1