第6章 电感式传感器.

1传感器原理与应用第6章电感式传感器2第6章电感式传感器电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感的改变来实现测量的一种装置。它可对直线位移和角位移进行直接测量，也可通过一定的敏感元件把振动、压力、应变、流量等转换成位移量而进行测量。通常可由下列方法使线圈的电感变化：(1)改变几何形状；(2)改变磁路的磁阻；(3)改变磁芯材料的导磁率；(4)改变一组线圈的两部分或几部分间的耦合度。3第6章电感式传感器电感式传感器分类:电感式传感器涡流式自感型互感型压磁式传感器可变磁阻型差动变压器感应同步器4第6章电感式传感器电感式传感器的优点：1.结构简单。工作中没有活动电接触点，因而比电位器工作可靠，寿命长。2.灵敏度高，分辨力大。能测出0.1mm甚至更小的机械位移变化，能感受小至0.1角秒的微小角度变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米可达数百毫伏，因此有利于信号的传输与放大。5第6章电感式传感器3.重复性好，线性度优良。在一定位移范围（最小几十微米，最大达数十甚至数百毫米）输出特性的线性度好，并且比较稳定，高精度的变磁阻式传感器，非线性误差仅0.1%。4.输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高。电感式传感器的缺点：频率响应差，不宜于快速动态测量，并存在交流零位信号。6第6章电感式传感器磁路与电路的对比：电路电动势E电流I电导率s电阻R=l/(sS)电位降落RI磁路磁动势Em磁通量f磁导率m0mr磁阻l/(m0mrS)磁位降落fl/(m0mrS)7第6章电感式传感器6.1自感式传感器6.2差动变压器式传感器6.3电涡流式传感器6.4应用举例86.1自感式传感器自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心和线圈。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的有变气隙型、变面积型与螺管型三种；按磁路的结构型式又有P型、E型或槽型等等；按组成方式分，有单一式与差动式两种。6.1.1自感式传感器的工作原理6.1.2变面积型自感传感器6.1.3螺管型自感传感器6.1.4等效电路6.1.5测量电路6.1.6自感式传感器的零位残余电压96.1.1自感式传感器的工作原理1.工作原理如图所示，当衔铁上下移动时，磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈自感的变化，这种变化与气隙大小相对应。只要能测出自感量的变化，就能判定位移量的大小。102.自感的计算及特性分析(1)自感的计算根据电感的定义，线圈的电感量可由下式确定：INLf式中：I——通过线圈的电流；N——线圈的匝数；f——穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得MRNIfM2RNL所以6.1.1自感式传感器的工作原理116.1.1自感式传感器的工作原理假设：①铁心磁路中的磁滞及涡流损耗不计；②不考虑集肤效应及边缘效应，认为铁心中和气隙中磁场是均匀分布的，同时忽略绕组的漏磁。则总磁阻为：)1.6(20222111MSSLSLRmmm式中m1、m2、m0分别为铁心、衔铁和真空的导磁率；L1、L2分别为磁通通过铁心和衔铁的长度；S1、S2、S分别为铁心、衔铁和空气气隙的截面积。m=m0mr，mr则为相对导磁率。空气相对导磁率≈1。126.1.1自感式传感器的工作原理由于m1、m2m0，所以：)2.6(20MSRm)3.6(220M2mSNRNL所以：136.1.1自感式传感器的工作原理（2）自感的特性分析图示是由式(6.3)作出的变气隙长度型自感传感器的特性曲线。传感器的初始气隙记作0，衔铁的位移量即气隙变化量记作D，与之相对应的自感的变化量记作DL1（或DL2），衔铁处于起始位置时的电感值为)4.6(20200mSNL当衔铁上移D时,传感器气隙减小D，即=0-D，则此时电感为L1=L0+DL1：146.1.1自感式传感器的工作原理当D/0＜1时，可将上式展开成级数形式：)5.6(1)(200002101mDDD--LSNLLL)6.6(...])()()(1[302000101DDDDLLLL由上式可求得电感增量DL1和相对增量DL1/L0的表达式为：...])()(1[200001DDDDLL...])()(1[200001DDDDLL156.1.1自感式传感器的工作原理DL1和D的关系是非线性的，减少非线性的方法：①减少D，但测量范围也减少；②增加0，但灵敏度降低。仅取线性项，得：)7.6(001DDLL灵敏度为：)8.6(001LLSnDD166.1.1自感式传感器的工作原理当0增加时，灵敏度下降。由此可见,变间隙式电感传感器的非线性与测量范围和灵敏度相矛盾。所以变隙式电感式传感器一般用于测量微小位移，通常取D/0=0.1~0.2。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变间隙式电感传感器。176.1.1自感式传感器的工作原理差动变间隙式电感传感器如图所示。UsR0R0U0L1L212123..当衔铁向上移动D时，上面线圈的电感L1由式（6.6）给出，下面线圈的电感则为：186.1.1自感式传感器的工作原理在差动使用时，两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另两个桥臂由电阻组成，电桥输出电压与DL有关。DL的具体表达式为：)9.6(...])()()(1[302000202--DDDDLLLL)10.6(])()(1[24020002121--DDDDDDLLLLLL仅取线性项，得：)11.6(200DDLL196.1.1自感式传感器的工作原理灵敏度为：)12.6(200LLSnDD与单线圈变气隙式电感传感器相比：①灵敏度高一倍。②线性度得到明显改善。为了使输出特性得到有效改善，构成差动的两个变间隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。20变气隙长度型自感传感器的特性曲线LL0L0+DL1L0+DL2216.1.2变面积型自感传感器变面积型自感传感器如图所示。其气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测量而变（衔铁水平方向移动），即构成变面积型自感传感器。226.1.2变面积型自感传感器由式（6.3）得：)13.6(202M2SNRNLm可见，变面积型传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出特性呈线牲，因此可望得到较大的线性范围。与变气隙型相比较，其灵敏度较低。欲提高灵敏度，需减小气隙长度和增加线圈匝数N，但同样受到工艺和结构的限制，气隙长度的选取与变气隙型相同。23单线圈螺管型传感器结构图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和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。6.1.3螺管型自感传感器rx螺旋管铁心l24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。6.1.3螺管型自感传感器rxl螺管线圈内磁场分布曲线1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H（）INlx（l）25-llrrlWrLLLccr22022010011mmL10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值；差动螺管型传感器1-螺线管线圈Ⅰ；2-螺线管线圈Ⅱ；3-骨架；4-活动铁芯6.1.3螺管型自感传感器26当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小D--lxlrrlWrLccr2202111mmD-lxlrrlWrLccr2202211mm根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为222021211lrWdxdLdxdLkkcr---mm6.1.3螺管型自感传感器27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。差动螺旋管式自感传感器磁场分布曲线0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4lx(l)6.1.3螺管型自感传感器28综上所述，螺管式自感传感器的特点：①结构简单，制造装配容易；②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大；③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。6.1.3螺管型自感传感器296.1.3螺管型自感传感器306.1.4等效电路研究其等效电路的目的是为了分析铁心线圈的电气参数及它们对线圈特性的影响，对了解与分析变磁阻式传感器以及选择传感器参数有帮助。将传感器线圈等效成图示电路：Rc——线圈的铜耗电阻。Rv——涡流损耗电阻。Rh——磁滞损耗电阻。C——线圈的匝间电容和电缆分布电容。316.1.4等效电路4/π2cdNlR（1）铜损电阻Rc设导线直径为d、电阻率为、线圈匝数为N，平均匝长为l，当忽略导线趋肤效应与邻近效应时，线圈电阻为：326.1.4等效电路（2）涡流损耗电阻涡流损耗电阻Rv是因为频率为f的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流损耗。根据经典的涡流损耗计算公式知，为降低涡流损耗，叠片式铁心的片厚应薄；高电阻率有利于损耗的下降，而高磁导率却会使涡流损耗增加。（3）磁滞损耗电阻磁滞损耗电阻Rh是因为铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转需要克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。336.1.4等效电路（4）并联寄生电容主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。为便于分析，先不考虑寄生电容C，并将等效电路中的线圈电感与并联铁损电阻(Re=Rh//Rv)等效为串联铁损电阻Re´与串联电感L´的等效电路，如图所示。346.1.4等效电路根据：LRLRLRjjjeee得：2e2eee)/(1)/(1RLLLLRRR上式表明，铁损的串联等效电阻Re´与L有关。因此，当被测非电量的变化引起线圈电感量改变时，其电阻值亦发生不希望有的变化。要减少这种附加电阻变化的影响，比值Re/(L)应尽量小，以使Re´L´，从而减小附加电阻变化的影响。另外，在设计传感器时应尽可能减少铁损Re。356.1.4等效电路当考虑实际存在并联寄生电容C时，阻抗为：22222222222S)/()1(]/)1[(j)/()1()j/(1j)j/()j(QLCLQCLCLLQLCLRCLRCLRZ----式中，总的损耗电阻R´=Re´+Rc，品质因数Q=L´/R´。当Q1时，1/Q2可以忽略，上式可简化为222S1j)1(CLLCLRZ--36则RS和LS相对于R´和L´都增加了。有效品质因数为：6.1.4等效电路写成：SSSjLRZQCLRLQ)1(/2SSS-下降了。电感的相对变化为：LLCLLL-d11d2SS增加了。376.1.4等效电路由此可知，并联电容C的存在，使有效串联损耗电阻与有效电感均增加，有效Q值下降并引起电感的相对变化增加，即灵敏度提高。因此，从原理而言，按规定电缆校正好的仪器，如更换了电缆，则应重新校正或采用并联电容加以调整。38等效电路396.1.51.变压器电桥图示为变压器电桥。Z1、Z2为差动传感器两线圈的阻抗，另两臂为电源变压器次级线圈。输出空载电压为：)21.6(222121121oZZZZUUZZZUU--Z1Z2U/2U/2UoU406.1.5测量电路初始时电桥