3.3 电感式传感器

现代测试技术一二三第三节电感式传感器现代测试技术利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为电感式传感器。电感式传感器具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,其主要缺点是灵敏度、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。这种传感器能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。电感式传感器种类很多,本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。现代测试技术电感传感器的基本工作原理演示F220V现代测试技术1、工作原理变磁阻式传感器的结构如图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成,在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为δ,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度δ发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。一变磁阻式传感器现代测试技术电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小现代测试技术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公式现代测试技术现代测试技术由电工知识可知，线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数，即线圈的自感系数为)H(INΦIL式中，ψ=NФ为磁链；Ф为磁通（Wb）；I为流过线圈的电流（A），N为线圈匝数。根据磁路欧姆定律知：mRINlNISΦ式中，μ为磁导率；S为磁路截面积；l为磁路总长度。现代测试技术式中:Rm——磁路总磁阻。对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为Rm=式中:μ1——铁芯材料的导磁率;μ2——衔铁材料的导磁率;L1——磁通通过铁芯的长度;L2——磁通通过衔铁的长度;S1——铁芯的截面积;S2——衔铁的截面积;μ0——空气的导磁率(约为);002221112SSLSLm/H1047现代测试技术S0——气隙的截面积;δ——气隙的厚度。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即则近似地00msu2R111002suLsu222002suLsu现代测试技术上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变δ或S0均可导致电感变化,因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积Ｓ0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。2、输出特性设电感传感器初始气隙为δ0,初始电感量为L0,衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ。已知L与δ之间是非线性关系,特性曲线如图表示：2sNRNL002m2现代测试技术现代测试技术020002NsL当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0-Δδ,则此时输出电感为L=L0+ΔL,代入并整理,得00000201L)(2sNLLL当Δδ/δ0《1时,可将上式用台劳级数展开成级数形式为...])()()(1[LLLL3020000初始电感量为现代测试技术作线性处理，忽略高次项,可得灵敏度为00LL0001LLK由此可见,变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变隙式电感式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变隙式电感传感器。现代测试技术差动优点：改善线性，减小线性误差；使灵敏度提高一倍。为了增加灵敏度，改善线性，往往做差动式结构现代测试技术自感式电感传感器的分类比较现代测试技术差动自感式传感器差动互感式传感器相同的两线圈1、2，当磁铁在中位时L1=L2，UL=0。当磁铁上下移动时L1L2，UL也变化，测定UL就可测定A的位移。现代测试技术由差动变隙式电感传感器的原理结构图可知,差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连,当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等#,方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。当衔铁往上移动Δδ时,两个线圈的电感变化量分别用ΔL1、ΔL2表示,当差动使用时,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ΔL有关,其具体表达式为...])(1[L2LLL00021现代测试技术对上式进行线性处理，忽略高次项得002LL灵敏度K0为0002LLK比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到：差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。现代测试技术3、测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。现代测试技术图所示为交流电桥测量电路,把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替,对于高Q值（Q=ωL/R）的差动式电感传感器,其输出电压式中:L0——衔铁在中间位置时单个线圈的电感;ΔL——单线圈电感的变化量。将ΔL=L0（Δδ/δ0）代入式得（Δδ/δ0）,电桥输出电压与Δδ有关。0AC00AC11ACoLL2UjwLRLjw2UZZ2UUoU现代测试技术变压器式交流电桥测量电路如图所示,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压222121211UZZZZUZZUZU当传感器的衔铁处于中间位置,即Z1=Z2=Z=0,电桥平衡。当传感器衔铁上移时,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,0ULL2UZZ2UUo现代测试技术当传感器衔铁下移时,则Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此时可知,衔铁上下移动相同距离时,输出电压的大小相等,但方向相反,由于是交流电压,输出指示无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决。oULLUZZUU220现代测试技术谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电路及谐振式调频电路如图所示。现代测试技术相敏检波电路当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+ΔZ增加，则Z2=Z-ΔZ减少。这时当电源u上端为正，下端为负时，电阻R1上的压降大于R2上的压降；当u上端为负，下端为正时，R2上压降则大于R1上的压降，电压表V输出上端为正，下端为负。现代测试技术非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响，现代测试技术4、变磁阻式传感器的应用下图所示是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成,衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时,膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动,从而使气隙发生变化,流过线圈的电流也发生相应的变化,电流表指示值就反映了被测压力的大小。现代测试技术变隙式自感压力传感器结构图变隙差动式电感压力传感器现代测试技术现代测试技术图所示为变隙式差动电感压力传感器。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。当被测压力进入C形弹簧管时,C形弹簧管产生变形,其自由端发生位移,带动与自由端连接成一体的衔铁运动,使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化,即一个电感量增大,另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系,所以只要用检测仪表测量出输出电压,即可得知被测压力的大小。现代测试技术二差动变压器式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种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。,有变隙式、变面积式和螺线管式等,但其工作原理基本一样。非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器,它可以测量1～100mm范围内的机械位移,并具有测量精度高,灵敏度高,结构简单,性能可靠等优点。现代测试技术差动变压器结构形式较多,有变隙式、变面积式和螺线管式等,但其工作原理基本一样。非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器,它可以测量1～100mm范围内的机械位移,并具有测量精度高,灵敏度高,结构简单,性能可靠等优点。1、螺线管式差动变压器结构如图所示,它由初级线圈#,两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型,如图所示。一节式灵敏度高,三节式零点残余电压较小,通常采用的是二节式和三节式两类。现代测试技术现代测试技术现代测试技术差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联,并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路如图所示。当初级绕组w1时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组w2a和w2b中便会产生感应电势和。如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理,将有。由于变压器两次级绕组反向串联,因而,即差动变压器输出电压为零。aE2bE21UbaEE220222baEEU现代测试技术现代测试技术2、基本特性式中:ω——激励电压的角频率;——初级线圈激励电压;——初级线圈激励电流;r1、L1——初级线圈直流电阻和电感。根据电磁感应定律,次级绕组中感应电势的表达式分别为:1111jwLrUI1U1U1I现代测试技术现代测试技术由于次级两绕组反向串联,且考虑到次级开路,则由以上关系可得:输出电压的有效值为1121222)(jwLrUMMjwEEUba2121211212])([)(jwLrUMMwU下面分三种情况进行分析。(1)活动衔铁处于中间位置时M1=M2=M现代测试技术故=0(2)M1=M+ΔMM2=M-ΔM故=2ωΔM/［r21+（ωL1）2］1/2,。(3)活动衔铁向下移动时M1=M-ΔMM2=M+ΔM故,与。2U1U2UaE221212112])(/[2wLrUMwUbE2现代测试技术把位移的变化转换为互感器互感的变化。W为初级线圈，W1、W2为对称的两个次级线圈，W输入一个稳定的交流电压e1时，W1、W2感应出电动势e21、e22，二者按极性反向串接，大小与铁芯的位置A有关，则输出电压U=e21-e22差动自感式传感器差动互感式传感器现代测试技术差动自感式传感器差动互感式传感器铁芯位于中间时，e21=e22，U=0铁芯上移W1W互感e21W2W互感e22U铁芯下移W1W互感e21W2W互感e22U测定就可测定之位移。用于位移传感器。现代测试技术3、差动变压器式传感器测量电路差动变压器输出的是交流电压,若用交流电压表测量,只能反映衔铁位移的大小,而不能反映移动方向。另外,其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及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。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,下图给出了几种典型电路形式。图中（a）、（c）适用于交流负载阻抗,（b）、（d）适用于低负载阻抗,电阻R0用于调整零点残余电压。下面结合图（c）,分析差动整流工作原理。现代测试技术现代测试技术从图（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的电流方向从6到8,U2