第三章-电感式传感器

2020/2/221本章学习自感式传感器和差动变压器的结构、工作原理、测量电路以及他们的应用，掌握一一、二次仪表的相关知识。第三章电感式传感器2020/2/222电感式传感器主要特点：•结构简单、工作可靠•灵敏度高，能分辨0.01μm的位移变化•测量精度高、零点稳定、输出功率较大•可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制•在工业自动控制系统中被广泛采用主要缺点•灵敏度、线性度和测量范围相互制约•传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量2020/2/223第一节自感式传感器先看一个实验：将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图4-1所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。2020/2/224电感传感器的基本工作原理演示F220V准备工作2020/2/225电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F2020/2/226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，导致线圈电感量改变来实现测量的。分类:电感式传感器自感型互感型变面积型电传感器螺线管型电传感器变间隙型电传感器2020/2/227自感式电感传感器的基本工作原理当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL较小，所以电流I较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。(31)2LUUUIZXfL2020/2/228自感式电感传感器常见的形式2020/2/229变间隙型电感传感器2020/2/22101、变间隙型电感传感器S1l1L1W23l2±1—线圈；2—铁芯(定铁芯)；3—衔铁(动铁芯)S22020/2/2211线圈的电感值可近似地表示为因此，其灵敏度随气隙的增大而减小。忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为AAlAlRm022112AAlAlNRNLm02211222202ANL因此：2020/2/2212L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图4-2所示。2022ANRNLmL＋－oL0L0＋LL0－L图4-2变隙式电压传感器的L-δ特性2022ANddLk2020/2/2213图4-3差动变隙式电感传感器sUL1L2RoRooU122131—铁芯；2—线圈；3—衔铁为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。2020/2/2214铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面改变，导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，见图4.1.2。L与δ是非线性的，但与A成正比，特性曲线参见图4.1.3。δ123Lδ,AL=f(A)L=f(δ)图4.1.3电感传感器特性图4.1.2变面积型电感传感器1-衔铁2-铁芯3-线圈可变导磁面积型2）变面积型电感传感器2020/2/22152020/2/2216下图为其结构原理图，衔铁随被测物移动，引起磁阻发生变化，导致电感量改变。lrx2ra12图4.1.4螺管型电感传感器1-线圈2-衔铁线圈电感量与衔铁进入线圈的长度可表示为3）螺管型电感式传感器通过以上分析可得结论:I.变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大；II.变面积型灵敏度较小,但线性较好,量程较大；III.螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单。22222)1(4aamrllrlNL2020/2/2217差动电感传感器的特点请分析：灵敏度、线性度有何变化曲线1、2为L1、L2的特性，3为差动特性在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件2020/2/2218变磁阻式传感器输出特性020002wsL初始电感量：初始点衔铁上移Δδ，δ＝δ0－Δδ00000201)(2LswLLL...])()()(1[3020000LLLL...])()(1[20000LL同理，衔铁下移Δδ，δ＝δ0＋Δδ...])()(1[20000LL忽略高价项：00LL灵敏度为：0001LLK（表明？）2020/2/2219由此可见，变隙式传感器的测量范围与灵敏度及线性度之间存在矛盾，因此，变隙式电感传感器用于测量微小位移量的场合。为减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式自感传感器。sUL1L2RoRooU122131—铁芯2—线圈3—衔铁图5-2差动变隙式电感传感器2412120002[1()()...]LLLLLL002LL0002LLK差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。差动式变间隙电感传感器的非线性项次数高，线性度得到明显改善。2020/2/2220差动式电感传感器的特性从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。2020/2/22212测量电路差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥大多采用双臂工作形式。下图是交流电桥的几种常用形式。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2020/2/2222变压器式交流电桥62221212110UZZZZUZZUZU当传感器衔铁上移时,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此时220ULLUZZU220ULLUZZU当传感器衔铁下移时,即Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此时2020/2/2223第二节差动变压器式传感器电源中用到的“单相变压器”有一个一次线圈（又称为初级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈加上交流激磁电压Ui后，将在二次线圈中产生感应电压UO。在全波整流电路中，两个二次线圈串联，总电压等于两个二次线圈的电压之和。请将单相变压器二次线圈N21、N22的有关端点按全波整流电路的要求正确地连接起来。＋2020/2/2224差动变压器式传感器的工作原理差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。差动变压器的结构原理如图3-8所示。在线框上绕有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），它们反向串联，组成差动输出形式。理想差动变压器的原理如图3-9。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗说法是指线圈的“头”。2020/2/2225螺线管式差动变压器2020/2/2226差动变压器式传感器的等效电路结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。请将二次线圈N21、N22的有关端点正确地连接起来，并指出哪两个为输出端点。2020/2/22272）等效电路等效电路如上图所示，输出采用差动结构，随着被测物的变化而改变。Ur1L1aL2aL2baE2bE2r2ar2boURLI1＋－＋－＋－＋－2020/2/22283)差动变压器等效电路如图4-16所示。当次级开路111LjrUI(4-30)式中：U——初级线圈激励电压；ω——激励电压U的角频率；I1——初级线圈激励电流；r1、L1——初级线圈直流电阻和电感。..2020/2/2229根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为122112IMjEIMjEba(4-31)(4-32)由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得112122)(LjrUMMjEEUbao(4-33)2020/2/2230上式说明，当激磁电压的幅值U和角频率ω、初级绕组的直流电阻r1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，再代入式（4-33）即可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。2020/2/2231输出电压的有效值为212121)()(LrUMMUo(4-34)分析……2020/2/2232①活动衔铁处于中间位置时M1=M2=M故Uo=0②活动衔铁向上移动M1=M+ΔM，M2=M-ΔM故22112()oMUUrL与E2a同极性。.2020/2/2233③活动衔铁向下移动时M1=M-ΔM，M2=M+ΔM故2121)(2LrMUUo与E2b同极性。.2020/2/22343.差动变压器的输出特性曲线如左图所示，其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势。零点残余使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，它的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。E2·E2·E22·E21·E0·x02020/2/2235减小零点残余的方法：I.尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。II.选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性，减小零点残余电动势。Ⅲ.采用补偿线路减小零点残余电动势在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。2020/2/2236灵敏度与线性度差动变压器的灵敏度一般可达0.5~5V/mm，行程越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源频率以1~10kHz为好。差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。2020/2/22374差动变压器式传感器测量电路问题：（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向);（2）测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。(1)差动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。2020/2/2238图4-18（a）半波电压输出；（b）半波电流输出；（c）全波电压输出；（d）全波电流输出1UR02U(a)x1UR0(b)xTT2U2UR011abcdC1C21UxT14235687910(c)T1Ux2UR0(d)2020/2/2239测量电路（以差动整流为例）Ｃ1、Ｃ2虚焊，Uao、Ubo将变成什么波形？图中的RP起什么作用？2020/2/2240从图4-18（c）电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流方向总是从6到8，故整流电路的输出电压为68242UUU(4-35)当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0；当衔铁在零位以上时，因为U24U68，则U20；而当衔铁在零位以下时，则有U24U68，则U20。U2的正负表示衔铁位移的方向。..........2020/2/2241差动整流的特点电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。上图中的RP是用来微调电路平衡的，VD1~VD4、VD