传感器原理及其应用 第3章 电感式传感器

武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器第3章电感式传感器InductiveSensors武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器绪论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，亦属电感式传感器武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器特点（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，电压灵敏度可达数百mV/mm。（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。武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器3.1自感式(变磁阻)传感器3.1.1工作原理1—线圈coil；2—铁芯Magneticcore；3—衔铁Movingcoreself-inductanceofcoilis:式中：N----numberofturnsRM-------reluctance2MMNNINNLIIRRΔxΔδΔRMΔL武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器因为气隙较小(0.1～1mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为:10022nimiiilRSSS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2220022mNSNNLRS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；变铁芯磁导率μ的电感式传感器；武汉理工大学机电工程学院第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武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器L=f（S）L=f（δ）δLSL=f(δ)为非线性关系。当δ＝0时，L为∞，考虑导磁体的磁阻，当δ＝0时，并不等于∞，而具有一定的数值，在δ较小时其特性曲线如图中虚线所示。如移动衔铁使面积S改变，从而改变L值时,则L＝f(S)的特性曲线为一直线。3.1.2电感计算与输出特性分析220SNL武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器1.变气隙式自感传感器如图，传感器初始电感量为：02002SNL传感器工作时，若衔铁移动使气隙增加Δδ，则电感减小，变化量为ΔL：2200000002()2SNSNLLLL自感的相对变化量为：000011LL武汉理工大学机电工程学院第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将上式作线性处理，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可见，灵敏度K随初始气隙的增大而减小。武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器非线性误差为:%1000020非线性误差随的增大而增大0采用图示差动变隙式电感传感器，可以减小非线性，提高灵敏度。220012020000122()2()1()SNSNLLLL差动变隙式自感传感器的电感变化量为：武汉理工大学机电工程学院第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差动变隙式自感传感器的灵敏度为002LLK非线性误差为%10020030武汉理工大学机电工程学院第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、外界干扰、电磁吸力等因素对传感器的影响75502505075100L/mHδ/mm10025LD4321ⅠⅡ12341线圈Ⅰ自感特性曲线；2线圈Ⅱ自感特性曲线；3线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性曲线；4差动电桥输出电压－位移特性曲线武汉理工大学机电工程学院第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均呈非线性关系，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。武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器rx螺管线圈铁芯单线圈螺管型传感器结构图l2.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。武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器螺管线圈1铁芯差动螺管型传感器结构图螺管线圈2磁性套筒主磁通漏磁通武汉理工大学机电工程学院第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。武汉理工大学机电工程学院第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武汉理工大学机电工程学院第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武汉理工大学机电工程学院第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武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器为了提高灵敏度与线性度,常采用差动螺管式自感传感器。图(b)中H=f(x)曲线表明：为了得到较好的线性,铁芯长度取0.6l时,则铁芯工作在H曲线的拐弯处,此时H变化小。这种差动螺管式自感传感器的测量范围为(5～50)mm,非线性误差在0.5％左右。2lcΔlc2l线圈Ⅰ线圈Ⅱr0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（）INlx(l)(a)(b)武汉理工大学机电工程学院第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武汉理工大学机电工程学院第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。武汉理工大学机电工程学院第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。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。武汉理工大学机电工程学院第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5.零位误差的影响武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器6.2差动变压器式传感器(linearvariabledifferentialtransformers(LVDTs))分气隙型和差动变压器两种。目前多采用螺管型差动变压器。1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243123(a)气隙型(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。武汉理工大学机电工程学院第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。武汉理工大学机电工程学院第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武汉理工大学机电工程学院第3章电感式传感器2.基本特性分析～～～EsRs1Rs2Es1Es2EpRpM1M2Ls1Ls2LpIp（1）输出特性初