第3章电感式传感器

1变磁阻式传感器电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器电感式接近传感器2电感式传感器的优缺点优点：结构简单，工作可靠；测量精度高，零点稳定；灵敏、分辨率高（位移变化可达0.01m)；输出功率较大等。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。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。存在交流零位信号。3主要内容3.1电感式传感器3.2差动式变压器3.3电涡流式传感器43.1.1气隙型电感式传感器一、工作原理RRRRm211111AlR2222AlRAR002RRR2102022AWRWLL0mRWL2总磁阻线圈匝数02022AWRWL空气导磁率磁导率导磁率H/m502002AWL衔铁下移0,0200200112)(2AWAWLLL1)(22200020AW00L)(1100001LL二、自感传感器的结构1、变气隙式自感传感器LLL06忽略高次项：001LL00LLS......3020001LL时，当10动态测量范围：0.001~1mm衔铁上移0,0200200222)(2AWAWLLL00L......3020002LL时，当10忽略高次项：002LL灵敏度......11132xxxx时，当1x72、差动自感传感器......13020001LL......13020002LL衔铁下移：)(20201AWL)(20202AWL002LS忽略高次项：提高一倍......250300012LLLL83.1.2螺管式电感传感器l)(10472HlAWL特点：测量范围大，数百毫米，灵敏度低，大量程直线位移。差动螺管式自感传感器测量范围1~200mm线性度0.1%~1%分辨率0.01um93.1.3电感线圈的等效电路电感线圈的等效电路（如图）式中，Rc为铜耗电阻；Re为涡流损耗电阻；Rh为磁滞损耗电阻；C为线圈的匝间电容和分布电容。103.1.4测量电路ZZUUAC2000022LLULjRLjUACAC1、交流电桥式测量电路00ACUU差动自感传感器：002LL112212ACACBAABUUZZZUUU21122ZZZZUAC初始位置ZZZ210ABU衔铁下移ZZZ2ZZZ1)()()()(2ZZZZZZZZUUACAB000222LLULjRLjUZZUACACAC2、变压器式交流电桥CDAB2ACU2ACU12衔铁上移ZZZ1ZZZ2022LLUZZUUACACAB02LLUUACAB衔铁下移02LLUUACAB133.1.4.2交流电桥的平衡交流电桥要完全平衡，必须同时满足两个条件，即输出电压的实部和虚部均为零几种常用的电阻—电容调平衡的桥路形式由图可见，调节电位器RW的触点或可调电容C1和C2，将改变相应的桥臂阻抗，从而达到电桥电路的实部和虚部完全平衡的目的。以图(a)为例，移动电位器RW的触点，就改变了桥臂上R1和R2的并联容抗值，使它与L1和L2相平衡。平衡调节范围与C0有关，C0越大，平衡调节范围越大。143.1.5电感式传感器的设计原则电感式传感器设计时应考虑给定的技术指标，如量程、准确度、灵敏度和使用环境等。传感器的灵敏度实际上常用单位位移所引起的输出电压变化来衡量，是传感器和测量电路的综合灵敏度，在确定设计方案时必须综合考虑传感器和测量电路。传感器的量程是指其输出信号与位移量之间成线性关系(允许有一定误差)的位移范围。它是确定传感器结构形式的重要依据。153.1.5电感式传感器的设计原则单线圈螺管式用于特大量程，一般常用差动螺管式。差动螺管式传感器的结构简图为了满足当铁芯移动时线圈内部磁通变化的均匀性，保持输出电压与铁芯位移量之间的线性关系，传感器必须满足三个要求：铁芯的加工精度；线圈架的加工精度；线圈绕制的均匀性。改变铁芯长度传感器的输出特性改变线圈匝数传感器的输出特性163.1.6电感式传感器误差因素分析影响传感器精度的因素主要分为两个方面：一是外界工作环境条件的影响，如温度变化、电源电压和频率的波动等；二是传感器本身特性所固有的影响，如线圈电感与衔铁位移之间的非线性、交流零位信号的存在等。主要误差：1．激励电源电压和频率的影响2．温度变化的影响3．非线性特性的影响4．输出电压与电源电压之间的相位差5．零位误差——电桥的残余不平衡电压173.1.7电感式传感器的应用电感式传感器—般用于接触测量，可用于静态和动态测量。测量的基本量是位移，也可以用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数测量。电感测微仪典型框图除螺管式电感传感器外，还包括测量电桥、交流放大器、相敏检波器、振荡器、稳压电源及显示器等，它主要用于精密微小位移测量。图(b)为变气隙差动式电感压力传感器结构图。183.1.7电感式传感器的应用1、电感测微仪探头测量电桥交流放大相敏检波指示器振荡器19变气隙式电感测微仪动态测量范围：±1mm分辨率：1um精度：3%20PALF2、电感压力传感器——变气隙式结构21P变气隙式差动压力传感器22CTkHzf3020电感式油压传感器——液压传动的各种机械装置233.1.7电感式传感器的应用传感器3与精密主轴2一起回转，主轴2精度很高，在理想情况下可认为它回转运动的轨迹是“真圆”。当被测件1有圆度误差时，必定相对于“真圆”产生径向偏差，该偏差值被传感器感受并转换成电信号。载有被测件半径偏差信息的电信号，经放大、相敏检波、滤波、A／D转换后送入计算机处理，最后数字显示出圆度误差；或用记录仪器记录下被测件的轮廓图形(径向偏差)。电感式圆度仪原理图1-被测工件；2-精密主轴：3-传感器；4-工作台　　　　　计算机放大相敏检波滤波器录记仪A/D24§3-2差动变压器21UUUSC0,,2121SCUUUMM当衔铁在中间位置时，当衔铁向上移动时，0,,2121SCUUUMM当衔铁向下移动时，0,,2121SCUUUMM3.2.1结构和工作原理1234xM互感式传感器253.2差动变压器差动变压器式传感器的结构主要为螺管型（如图所示）线圈由初级线圈(激励线圈．相当于变压器原边)P和次级线圈(相当于变压器的副边)S1、S2组成；线圈中心插入圆柱形铁芯(衔铁)b。其中，图(a)为三段式差动变压器，(b)为两段式差动变压器。26差动变压器的应用1．位移测量差动变压器测量的基本量仍然是位移。它可以作为精密测量仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，如内径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏心和椭圆度等；作为轴承滚动自动分选机的主要测量部件，可以分选大、小钢球、圆柱、圆锥等；用于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。图为测量液位的原理图。当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，差动变压器输出信号Uo=0；当液位上升或下降时，Uo0，通过相应的测量电路便能确定液位的高低。浮子铁芯液罐27差动变压器的应用2．振动和加速度测量利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。为了满足测量精度，加速度计的固有频率应比被测频率上限大3~5倍。由于运动系统质量m不可能太小，而增加弹性片刚度k又使加速度计灵敏度受到影响，因此系统固有频率不可能很高。所以，能测量的振动频率上限就受到限制，一般在150Hz以下。高频时加速度测量用压电式传感器。差动变压器加速度计结构及其测量电路框图(a)结构；(b)测量电路框图1-弹性支承；2-差动变压器输出　　被测加速度方向　振荡器稳压电源检波器滤波器28差动变压器的应用3．压力测量差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力传感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。(a)微压变送器；(b)测量电路框图1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔这种微压力变送器，经分档可测(4~+6)104N/m2的压力，输出信号电压为0~50mV，精度1.0级、1.5级。29放大器加法器交流电源直流电源跟随器跟随器减法器低通滤波器磁芯差动变压器的应用4．差动变压器测速差动变压器测速装置原理框图303.3电涡流式传感器成块的金属导体置于变化着的磁场中时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属导体内自动闭合，通常称为电涡流。电涡流式传感器(线圈-金属导体系统)就是一种基于电涡流效应原理的传感器。电涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率厚度t以及线圈与金属之间的距离x、线圈的激磁电流角频率等参数有关。若保持其中若干参数恒定，就能按电涡流大小对线圈的作用的差异来测量另外某一参数。313.3电涡流式传感器电涡流传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大，而且又具有非接触测量的优点，因此广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域。电涡流传感器可以测量位移、振动、厚度、转速、温度等参数，并且还可以进行无损探伤和制作接近开关。电涡流传感器主要有两种类型：高频反射式（应用广泛）和低频透射式32高频反射式低频透射式电涡流式传感器金属导体：线圈：线圈与金属导体间的距离电阻率、相对导磁率、厚度大小线圈激励信号频率fhr50303.3电涡流式传感器333.3电涡流式传感器3.3.1.1基本原理如图：当线圈通交变电流i1交变磁场H1金属板中将产生感应电动势电涡流i2磁场H2H2对线圈的反作用(减弱线圈原磁场),从而导致线圈的电感量L、阻抗Z或品质因数Q发生变化。显然，线圈的阻抗Z可以用一个函数表达式来描述：电涡流传感器实质是一个线圈-导体系统。系统中，线圈的阻抗是一个多元函数，若激励线圈和金属导体材料确定后，可使，，t，r，I及等参数不变，则此时线圈的阻抗Z就成为距离x的单值函数，即：Z=f(x)线圈金属导体Z=Fσ,μ,t,r,x,I,ω)(xfZ)(xfZ343.3.1.2等效电路分析由线圈—金属导体系统构成的电涡流传感器可以用右图所示的等效电路来分析。根据基尔霍夫定律，可以列出电路方程组为:联立解得：线圈金属导体11112122220RIjLIjMIEjMIRIjLI122222212222222221212122222221EEIZMRMLRjLRLRLMIMLIjMRIIjRjLRL353.3.1.2等效电路分析由此可得传感器线圈由于受金属导体中电涡流效应影响的复阻抗为:得出线圈的等效电阻和等效电感分别为:2222221122222222SSMRMLZRjLRjLRLRL22121222222212122