第3章 电感式传感器

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电感式传感器的应用电感式传感器的种类很多，本章主要介绍利用自感原理的自感式传感器(通常称为电感式传感器)，利用互感原理的互感式传感器(通常称为差动变压器式传感器)，利用涡流原理的电涡流式传感器。电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或互感的改变来实现非电量的检测。3.1自感式传感器3.1.1工作原理自感式传感器是把被测量的变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变截面积式和螺线管式三种。自感式传感器的原理图如果空气隙δ较小，且不考虑磁路的铁损，则线圈的自感可按下式计算：因为导磁体的磁导率远大于空气磁导率，即气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，所以线圈的自感为21ii02niiNLlSS220022NSNLS差动变隙式电感传感器的原理结构图①初态时：若结构对称，且动铁居中，则差动变隙式自感传感器的工作原理如下:②动铁上移时：则︱动铁位移时，输出电压的大小和极性将跟随位移的变化而变化。输出电压不但能反映位移量的大小，而且能反映位移的方向。输出电压正比于2△I，因而灵敏度较高，非线性减小。③动铁下移时：同理可得LLOIZIZU23.1.2电感计算及输出特性分析设电感式传感器初始气隙为，初始电感量为，衔铁位移引起的气隙变化量为，则初始电感量为为了保证一定的测量范围和线性度，一般取20002NSL0)2.0~1.0(00L电感的变化量为电感的相对变化量为220000020000002()2(1)2NSNSLLLNSL000011LL忽略高次项，可得式中，负号表示若气隙增大，则电感减小；若气隙减小，则电感增大。气隙型电感传感器的灵敏度为当时，用泰勒级数展开级数形式，即1023000001LL（）（）00LL00/1LLK实际上，高次项是造成非线性的主要原因。当越小时，则高次项迅速减小，非线性得到改善。由此可见，变气隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变气隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动式电感传感器。2000100%非线性误差与的大小有关，其表达式为0电感的相对变化量为22001200200000002002()2()()2121()NSNSLLLNSL2000121()LL差动式电感传感器的电感变化量为忽略高次项，可得其灵敏度为非线性误差为当时，上式用泰勒级数展开成级数形式为102480000021()LL（）（）002LL00/2LLK32000100%差动式比单线圈式的灵敏度高1倍。差动式的非线性得到明显改善。比较单线圈和差动两种变隙式电感传感器的特性，可以得到如下结论：3.1.3测量电路自感式传感器实现了把被测量的变化转变为自感的变化，为了测出自感的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理，就要用转换电路把自感转换为电压或电流的变化。一般，可将自感变化转换为电压(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。在自感式传感器中一般采用调幅电路，调幅电路的主要形式有变压器电桥和交流电桥。1.变压器电桥oABUUU1121212122ZUZZZZUZZ①初态时：由于动铁居中即，，说明电桥处于平衡状态。12ZZZo0U②动铁芯上移时：则代入式得③动铁芯下移时：同理可得o122ZZZUUUZZZZZo122ZZZUUUZZZZZ输出电压的大小反映动铁位移的大小，输出电压的极性反映动铁位移的方向。基本测量电桥输出特性曲线接成差动形式的电桥，当铁心处于平衡位置时，输出电压不为零，而是一个很小的数值ΔU0，这个值称为零点残余电压。2.带相敏整流的交流电桥零点残余电压形成的原因：两线圈等效参数（R、L）不对称；工作电压中含有高次谐波；磁路本身存在非线性（铁心材料磁化曲线弯曲部分）；存在寄生参数；工频干扰危害：灵敏度↓非线性误差↑放大器饱和零点残余电压的消除：提高线圈及其骨架的对称性；减少电源中的谐波成分；选择理想的磁性材料，适当降低线圈的激励电流，使衔铁尽可能工作在磁化曲线的线性区；采用适当的补偿电路（Rp、RC等)；零点残余电压补偿电路带相敏整流的交流电桥为了既能判别衔铁位移的大小，又能判断出衔铁位移的方向，通常在交流测量电桥中引入相敏整流电路，把测量桥的交流输出转换为直流输出，而后用零值居中的直流电压表测量电桥的输出电压。②当衔铁上移时，Z1增大，Z2减小，即Z1=Z+∆Z，Z2=Z-∆Z。如果输入交流电压为正半周，电路中二极管VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，电流方向I1和I2，因Z1＞Z2，所以I1＜I2，此时①当衔铁处于中间位置时，即Z1=Z2=Z，由于桥路结构对称，此时UB=UC，即Uo=UB－UC=0。同理，如果输入交流电压为负半周，U0＜0可见无论电源正半周或负半周，测量桥的输出状态不变，输出均为U0＜0，此时直流电压表反向偏转，读数为负，表明衔铁上移。③当衔铁下移时，Z1减小，Z2增大，即Z1=Z－∆Z，Z2=Z+∆Z当输入交流电压为正半周时，因为Z2＞Z1，所以I1＞I2，此时当输入交流电压为负半周时，同理可分析出U0＞0。这说明无论电源正半周或负半周，测量桥的输出状态不变，输出均为U0＞0，此时直流电压表正向偏转，读数为正，表明衔铁下移。可见采用带相敏整流的交流电桥，得到的输出信号既能反映位移大小，也能反映位移的方向，其输出特性如图所示。由图可知，测量电桥引入相敏整流后，输出特性曲线通过零点，输出电压的极性随位移方向而发生变化，同时消除了零点残余电压，还增加了线性度。3.2差动变压器式传感器将被测量的非电量转换为互感变化量的传感器称为互感式传感器。这种互感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，简称差动变压器。在这种传感器中，一般将被测量的变化转换为变压器的互感变化，变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则互感应出电动势。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式。1—初级线圆；21，22—次级两差动初线圆；3—线圆绝缘框架；4—活动衔铁3.2.1工作原理及特性当一次线圈加以适当频率的电压激励时，在两个二次线圈中就会产生感应电动势，如果变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，两次级线圈的互感系数M1=M2，将有E21=E22，则U2=E21-E22=0，即差动变压器输出电压为0。当铁芯向右移动时，在右边二次线圈内穿过的磁通比左边二次线圈多些，所以互感也大些，感应电动势E21增加；另一个线圈的感应电动势E22逐渐减小；反之，铁芯向左移动时，E21减小，E22增加。设两个二次线圈的输出电压分别为U21和U22，如果将二次线圈反向串联，则传感器的输出电压U2=U21-U22。当铁芯移动时，U2就随着铁芯位移x成线形增加，其特性如图所示，形成V形特性。如果以适当方法测量U2，就可以得到与x成正比的线性读数。当次级开路时，初级线圈的交流电流为次级线圈的感应电动势为差动变压器的空载输出电压为其有效值为1111jUIRL21112221jjEMIEMI1221222111jjUUEEMMRL21212211MMUURL2.等效电路分析由以上分析可得：①当活动衔铁处于中间位置时M1=M2，故此时输出电压U2=0。②当活动衔铁上移时，M1＞M2，此时输出电压U2＜0。21222122jjZRRLL2221222122ZRRLL2122112()MUURL输出阻抗为其复阻抗的模为③当活动衔铁下移时，M1＜M2，此时输出电压U2＞0。输出电压还可以写成2222112()MUURL12s0221122()MUMMUEMMRL1.差动整流电路3.2.2测量电路差动变压器的输出电压为上述两电压的代数和，即U2=U24-U68。对于图(b)全波电压输出电路：当铁芯在中间位置时，U24=U68，所以U2=0；当铁芯在零位以上时，因为U24U68，则U2＞0；当铁芯在零位以下时，因为U24U68，则U2＜0。可见铁芯在零位以上或以下时，输出电压的极性相反，于是零点残余电压会自动抵消。此外，该电路还具有结构简单、分布电容影响小和便于远距离传输等优点，获得广泛的应用。差动变压器和LZX1（相敏整流放大器）的连接电路如图所示。u2为信号输入电压，us为参考输入电压，R为调零电位器，C为消振电容，移相器使参考电压和差动变压器次级输出电压同频率，相位相同或相反。2.相敏检波电路3.3电涡流式传感器根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈漩涡状流动的感应电流，称之为电涡流，这种现象称为电涡流效应。涡流的大小与金属体的电阻率ρ、磁导率μ、金属板的厚度以及产生交变磁场的线圈与金属导体的距离x、线圈的励磁电流频率f等参数有关。3.3.1工作原理1.高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器解此方程组可得电涡流传感器的等效阻抗为电涡流传感器的等效阻抗可表示为等效电阻等效电感22221121222222212222j[]UMMZRRLLIRLRLjZRL221222222MRRRRL221222222MLLLRL11112122221jjjj0RILIMIURILIMI根据等效电路，可列出电路方程组为由此可见，被测量数变化可以转换成传感器线圈的等效阻抗Z、等效电感L及品质因素Q等的变化。通过转换电路可把这些种参数转换为电压或电流输出。线圈的品质因数由无涡流时的下降为2222221122222122212211LMLLRLLQRMRRRRL11RLQ传感器的结构示意图1—线圈；2—框架；3—框架衬套；4—支架；5—电缆；6—插头2.低频透射式电涡流传感器根据接受线圈感应电压u2的大小得到被测金属板得厚度。频率越低（f1＜f2＜f3）磁通穿透能力越强，在接受线圈上感应的电压u2也越高，且频率较低时，线性较好，因此要求线性好时应选择较低的激励频率(通常为1kHz左右)d较小时，f3曲线的斜率较大，因此测薄板时应选较高的激磁频率，测厚板时应选较低的激磁频率。低频透射式涡流传感器的检测范围可达1mm～100mm，分辨率为0.1。3.3.2测量电路根据电涡流测量的基本原理和等效电路，传感器线圈与被测金属导体间距离的变化可以转化为传感器线圈的品质因数Q、等效阻抗Z和等效电感L的变化。测量电路的任务是把这些参数的变化转换为电压或电流输出，可以用三种类型的电路：电桥电路谐振电路调幅调频正反馈电路1.电桥电路电桥将线圈阻抗的变化转换成电压幅值的变化。这种电路结构简单，主要用于差动式电涡流传感器。2.谐振电路这种方法是把传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振电路。并联谐振电路的谐振频率为012fLC0LZRC谐振时LC并联谐振回路的等效阻抗最大，等于式中，R’为谐振回路的等效电阻；L为传感器线圈的自感。当传感器