第3篇电感式传感器

第3章电感式传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。闭磁路型电感式传感器自感型涡流式互感型开磁路型差动变压器3.1自感式传感器本章内容：3.2互感式传感器3.3电涡流式传感器（互感类）3.5感应同步器（互感类）3.4压磁式传感器（自感类）直线式感应同步器电感式传感器与其它传感器相比，具有以下优点：1)结构简单，工作可靠，测量力小。2)分辨率高。能测量0.1μm甚至更小的机械位移，能感受0.1角秒的微小角位移；3)输出信号强。电压灵敏度一般可达数百毫伏每毫米，因此，有利于信号的传输和放大。4)重复性好，线性度高。在一定位移范围(最小几十微米，最大可达数十至数百毫米)内，输出线性度可达±0.1%，且比较稳定。主要缺点：1）存在零点残余电压；2）灵敏度、线性度和测量范围相互制约；3）传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。3.1自感式传感器3.1.1闭磁路自感式传感器1．工作原理该类传感器的原理结构如右图所示。由线圈L、衔铁（可动铁芯）B，铁芯A组成。衔铁和铁芯一般为硅钢片或坡莫合金叠片。衔铁B用拉簧定位，使A、B间保持一个初始距离l0，在铁心A上绕有W匝线圈。图3.1闭磁路自感式传感器WLII自感式传感器分：闭磁路和开磁路自感式传感器。则线圈自感量的表达式为：（3.1）式中：li、Si、µi----分别为铁芯和衔铁磁路上第i段的长度、截面积及磁导率；l0、S0、µ0----分别为磁路上空气隙的长度、等效截面积及空气磁导率。式中：ψ----链过线圈的总磁链；I----线圈中流过的电流；φ----穿过线圈的磁通，其值为：(3.2)mRWI其中磁路磁阻Rm按下式计算：(3.3)20001SlSlRniiiim一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，可推导出线圈的自感值近似计算式：(3.4)200020lSWL由此可知：线圈自感量与线圈匝数W的平方成正比，与磁导率µ0成正比，与空气隙有效截面积S0成正比，与空气隙长度l0成反比。当线圈匝数W一定时，有。当固定其中任意两个参数而改变另一个变量时，可制成一种自感式传感器----即有三种类型：变气隙型、变截面型和变磁导率型。),,(SlfL设气隙减少△l，自感值变化量为△L，则：2.变气隙型自感式传感器保持磁导率μ和气隙有效截面积S不变，只改变气隙长度l，即以气隙长度l为传感器的输入量，可制成变气隙型自感式传感器，常用于微小线位移的测量。变气隙型自感式传感器的转换关系是非线性的，即L与l成反比。下面对其特性进行分析。1）灵敏度(3.6)22000200lSWlLKl根据灵敏度定义，有:(3.5)...)(1100200000000llLllllllLllllLLLL2）非线性误差200[()]100%llrll若用式(3.5)近似求取灵敏度，由于忽略了式中的高次非线性项，会产生非线性误差。其大小为:（3.7）由式(3.6)和式(3.7)分析可知：要提高灵敏度，气隙初始距离l0应尽量小。但l0减小，为使灵敏度非线性误差不变，必使测量的范围△L变小。一般对于变气隙型自感传感器，常取：△L/l0=0.1~0.2。与变截面型自感式传感器相比，变气隙型自感式传感器的灵敏度较高；但其非线性严重，自由行程小，制造装配困难。图3.2变截面型自感式传感器3.变截面型自感式传感器保持磁导率μ和气隙长度l不变，只改变气隙有效截面积S，即以气隙有效截面积S作为传感器的输入量，便形成了变截面型自感式传感器，常用于角位移的测量。其结构原理如图3.2所示。变截面型自感式传感器其转换关系是线性的；同时，其灵敏度Ｋs为常数。常数0022lWKs对变间隙型差动式自感传感器，其灵敏度为图3.3差动式自感传感器图3.3差动式自感传感器4．闭磁路差动式自感传感器右图为差动结构形式。常数002lWKs(3.8)2...)(12002000lLlllLKS与单极式自感传感器比较，差动式灵敏度提高一倍，非线性大大减小。对变截面型差动式自感传感器，其灵敏度比单极式提高了一倍。3.1.2开磁路自感式传感器1．螺线管式自感传感器结构：右图为该种传感器的结构原理图。由螺管线圈、铁芯及磁性套筒等组成。铁心随外作用插入螺线管时，将引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈的电感发生变化。图3.4螺管式自感传感器的结构原理lrP插棒式铁芯螺管式线圈特性分析（简要介绍）设螺线管长为l，内径为r，线圈总匝数为Ｗ，线圈总电流强度为Ｉ。根据磁路结构，磁路磁通主要由两部分组成：主磁通和漏磁通（或称侧磁通）。为研究方便，设rl，且认为线圈磁路上磁感应强度Ｂ均匀分布。当线圈空心时，其电感值可近似为：(3.12))(2200主磁通引起lrWL当半径为rc，磁导率为μm的铁芯插入螺管线圈时，插入部分（长度为lcl）的磁阻下降，磁感应强度增大，从而使电感值增加。增加值LFe可用式（3.13）计算。最后，螺管总的自感量为：因此，当传感器结构和材料确定以后，即有L∝f（lc）。(3.15))(m222200ccFelrlrlWLLLlcΔlcΔlc图3.5差动螺线管式传感器rrc线圈2线圈1铁心2．螺线管差动式自感传感器由螺线管式自感传感器的工作原理可知，由于线圈电流的存在，因此铁芯受到单向电磁力的作用，而且易受电源电压和频率及温度变化等因素的影响，测量精度较低。为改善其性能，常用差动技术：由两个单一结构对称组合就构成了螺线管差动式自感传感器，如右图所示。3.1.3转换电路把被测量的变化转变为自感的变化后，需在转换电路中进行处理。转换电路把自感变化转换成电压（或电流）变化。转换电路的功能：转换电路△V=Asin(ωt+ψ1)i=Bsin(ωt+ψ2)把传感器自感接入转换电路后，原则上可将自感变化转换成电压（电流）的幅值、频率或相位的变化----分别称调幅、调频、调相电路。1．调幅电路142301234()()ZZZZUUZZZZ调幅电路的主要形式是交流电桥，下图（a）所示为交流电桥的一般形式。桥臂Zi可以是电阻、电抗或阻抗元件。电源电压为U，当负载端空载时，输出电压为开路电压U0U0.U.U0.Z2Z1Z2Z3Z4(a)(b)～Z3Z4Z1ZLUL.图3.6交流电桥的一般形式及等效电路在实际应用中，交流电桥常和差动式自感传感器配用，传感器的两个电感线圈作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，或者是变压器的两个二次侧线圈。如下图（a）是电阻平衡臂电桥，（b）是变压器电桥。MLLc)紧耦合电感臂电桥U．U/2．U/2．U0．b)变压器式电桥Z1Z2Z1Z2U0．U．R1R2R1ˊU．ˊR2Z1L1L2Z2ZLU0．a)电阻平衡臂电桥图4.1.6交流电桥的几种形式图3.8调频电路其基本原理是传感器自感L变化将引起输出电压频率f的变化。一般是把传感器自感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，如图3-17所示。图中G表示振荡回路，其振荡频率，。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量△L之值。2、调频电路图3.9调相电路3．调相电路RLarctan2其基本原理是：传感器电感L变化将引起输出电压相位φ的变化。若ω为电源的角频率，则与L的关系为：3.1.4零点残余电压1、零残现象及定义在差动式自感传感器及差动式变压器中。若采用交流桥路（如变压器电桥）为变换电路，当线圈的设计阻抗相同时，在其零点的附近位置，有输出电压，该微小电压称零点残余电压。2、造成零点残余电压的主要原因（1）差动式自感传感器的两个线圈不完全对称。如几何尺寸不对称、电气参数不对称及磁路参数不对称；（2）存在寄生参数；（3）供电电源中有高次谐波，而电桥只能对基波较好地预平衡；（4）供电电源很好但磁路本身存在非线性；（5）工频干扰。零点残余电压的大小是判断传感器质量的重要标志之一。因为零残电压过大，会使灵敏度下降，灵敏阈值增大，非线性误差增大。①设计时，尽量使上、下磁路对称；并提高线圈的品质因素Q=ωL/R；3、抑制零残的措施②制造时，上、下磁性材料性能一致，线圈松紧、每层匝数一致等。③采用试探法。在桥臂上串/并电位器，或并联电容等进行调整，调试使零残最小后，再接入阻止相同的固定电阻和电容。④采用带相敏整流的电桥电路。⑤拆圈法：通过实验，依次拆除二次线圈1~2圈，调整线圈的感抗。方法麻烦，但行之有效。3.1.5自感式传感器的应用自感式传感器有如下几个特点：1）灵敏度比较好，目前可测0.1μm的直线位移，输出信号比较大、信噪比较好；2）测量范围比较小，适用于测量较小位移；3）存在非线性；4）功耗较大，尤其是单极式自感传感器，这是由于它有较大的电磁吸力的缘故；5）工艺要求不高，加工容易。电感式传感器主要用于测量微位移，凡是能转换成位移量变化的参数，如压力、力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感式传感器来进行测量。应用示例图3.11为测气体压力的传感器原理图。图3.12为压差传感器的原理结构示意图。附图1为位移传感器的外形图。附图1p7654321图3-28压力传感器1-弹簧管2-螺钉3、7-铁芯4、6-线圈5-衔铁附图2附图2为压力传感器的原理图。3.2互感式传感器3.2.1螺线管式互感传感器546123图3.13螺线管式互感传感器结构图互感式传感器是把被测非电量转换为线圈间互感系数M变化的一种磁电机构。又称变压器式传感器。1．结构与工作原理螺线管式互感传感器结构如右图所示，由初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。其中1是活动衔铁；2是导磁外壳；3是骨架；4是匝数为W1的初级绕组；5是匝数为W2a的次级绕组；6是匝数为W2b的次级绕组。工作原理：互感传感器中两个次级线圈反向串接，其等效电路如图所示。当初级绕组加以激励电压时，在两个次级绕组中便会产生感应电动势E2a和E2b。当活动衔铁处于中心位置时，两互感系数M1=M2。因两个次级线圈反向串接，传感器输出为零。图3.14螺线管互感传感器等效电路当活动衔铁向上移动，由于磁阻影响，使M1M2，因而E2a增加，而E2b减小；反之，E2a减小，E2b增加。因为，所以当E2a、E2b随着衔铁位移x变化时，互感传感器输出电压也必将随x变化。baEEU2221111jUIrL2．基本特性当次级开路时，初级线圈激励电流为：根据电磁感应定律，次级绕组中感应电动势的表达式分别为：122112IMjEIMjEba由此可求得次级线圈反向串接时输出：1121222)(LjrUMMjEEUba其输出特性曲线如右图所示。图3.16互感式加速度传感器的示意图3.2.2互感式传感器的应用A112△x(t)B右图为互感式加速度传感器的示意图。由臂梁1和互感式传感器2构成。测量时，将臂梁底座及互感式传感器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以x(t)运动时，互感式传感器的输出电压也按相同规律变化。3.3电涡流式传感器基本概念电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。涡流效应：金属导体置于变化的磁场中，在金属导体内会产生感应电流—涡电流，这种电流在金属体内是闭合的。形成涡电流的两个条件：①有交变磁场；②导电体位于交变磁场中。涡流传感器主要由产生交变磁场的通电线圈和置于线圈附近的金属导体（可以是被测物）两部分组成。电涡流传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干忧能力强，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。DO-2型电涡流传感器DO-2型电涡流传感器由DO型前置放大器和电涡流探头组合构成。电涡流传感器实物图片3.3.1工作原理定性分析：如图3-17