第3章--电感式传感器

传感器原理与应用第3章电感式传感器第3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。可以对线位移或角位移直接进行测量。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。第3章电感式传感器电感式传感器分类电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型压磁式传感器差动变压器感应同步器第3章电感式传感器电感式传感器的优点如下(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，分辨力高。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；第3章电感式传感器(3)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如下(1)频率响应差，不宜于快速动态测量；(2)存在交流零位信号(零位残余电压)。第3章电感式传感器磁路与电路的对比如下表所示。电路电动势E电流I电导率s=1/r电阻R=l/(sS)电位降落RI磁路磁动势Em磁通f磁导率m=m0mr磁阻Rm=l/(mS)磁位降落Rmf电感式接近开关第3章电感式传感器电感式位移传感器第3章电感式传感器3.1自感式传感器3.2差动变压器式传感器3.3电涡流式传感器3.4压磁式传感器3.5应用举例第3章电感式传感器3.1自感式传感器自感式传感器按磁路几何参数变化形式分类变气隙型螺管型按磁路的结构型式分类按组成方式分类P型E型自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心和线圈，其分类如下。变面积型槽型单一式差动式3.1自感式传感器3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理3.1.2变面积型自感传感器3.1.3等效电路3.1.4螺管型自感传感器3.1.5测量电路3.1.6自感式传感器的零位残余电压3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理1.工作原理当衔铁上下移动时，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。3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理2.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=MMMRNIRE==fM2RNL=所以另有3.1.1变气隙型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；③忽略绕组的漏磁。则总磁阻为)1.3(20222111MSSLSLRmmm=导磁率m＝m0mr，m0为真空的磁导率，而空气的相对磁导率mr≈1。S为空气隙的截面积。3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理由于m1、m2m0，所以)2.3(20MSRm=)3.3(202M2mSNRNL==所以)1.3(20222111MSSLSLRmmm=3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理(2)自感的特性分析特性曲线如图所示。初始气隙记作0，衔铁的位移量即气隙变化量记作D，对应的自感变化量记作DL1(或DL2)，衔铁处于起始位置时的电感值为)4.3(20020mSNL=3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理当衔铁上移D时，传感器气隙减小D，即＝0－D，则此时电感为)5.3(1)(200002101mD=D=D=LSNLLL当D/0＜1时，可将上式展开成级数形式)6.3(...1302000101DDD=D=LLLL3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理由上式可求得电感增量DL1和相对增量DL1/L0的表达式为DDD=D...1200001LLDDD=D...1200001LL)6.3(...1302000101DDD=D=LLLL3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理DDD=D...1200001LLDL1和D的关系是非线性的。减小非线性的方法如下①减小D，但测量范围也减小；②增加0，但灵敏度降低。仅取线性项，得)7.3(001D=DLL3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理当0增加时，灵敏度下降。即非线性与灵敏度相矛盾，也就与测量范围相矛盾。所以变气隙式电感传感器一般用于测量微小位移，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气隙式电感传感器。)8.3(1/0010=DD=LLS得(相对)灵敏度为)7.3(001D=DLL3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理当衔铁向上移动D时，上面线圈的电感L1由式(3.6)给出，下面线圈的电感则为UsR0R0U0L1L212123..)9.3(...1302000202DDD=D=LLLL在差动使用时，电桥输出与DL有关。DL的表达式为3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理)10.3(1240200021DDD==DLLLL仅取线性项，得)11.3(200D=DLL)6.3(...1302000101DDD=D=LLLL)9.3(...1302000202DDD=D=LLLL3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理灵敏度为)12.3(2/000=DD=LLS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(因忽略的是更高阶项)。为此，两个变气隙式电感传感器在结构尺寸、电气参数、材料等方面均应完全一致。3.1自感式传感器3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理3.1.2变面积型自感传感器3.1.3等效电路3.1.4螺管型自感传感器3.1.5测量电路3.1.6自感式传感器的零位残余电压√3.1.2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，磁通截面积随被测量而变。3.1.2变面积型自感传感器通过设计合理的结构，由式(3.3))13.3(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和增加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。3.1自感式传感器3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理3.1.2变面积型自感传感器3.1.3等效电路3.1.4螺管型自感传感器3.1.5测量电路3.1.6自感式传感器的零位残余电压√√3.1.3等效电路前面认为线圈是一个纯电感，实际上它不是，可以等效成图示电路。3.1.3等效电路(1)线圈的铜损电阻Rc应尽量小。(2)涡流损耗电阻Rv它是因为交变电流产生的交变磁场会在铁心中造成涡流而损耗能量，应尽量小。3.1.3等效电路(3)磁滞损耗电阻Rh它是因为铁磁物质在交变磁化时磁分子来回翻转需克服阻力引起能量损耗，应尽量小。(4)并联寄生电容C主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。按规定电缆校准好的仪器，如更换了电缆，则应重新校准或采用并联电容加以调整。3.1.3等效电路例3.1图示为变气隙型电感式传感器，衔铁截面积S、气隙总长度l、衔铁最大位移Dl、线圈匝数N、导线直径d、电阻率r已知。当激励电源频率f＝4000Hz时，忽略漏磁及铁损(包括涡损与磁滞损耗)，计算1l/2x23①线圈电感值；②电感的最大变化量；③当线圈外截面为11mm×11mm时，求其直流电阻值；④线圈品质因数；⑤当线圈存在200pF分布电容时其等效电感变化多大？3.1.3等效电路解①根据变气隙型电感的计算公式及图示结构，可知其初始电感为mH157δ020==lSNLm②当衔铁位移Dl＝＋0.08mm时的电感值L1为mH1312δδ021=D=llSNLm1l/2x233.1.3等效电路当衔铁位移Dl＝－0.08mm时的电感值L2为mH1962δδ022=D=llSNLm所以，当衔铁最大位移Dl＝±0.08mm时，相应的电感最大变化量为mH6512==DLLL3.1.3等效电路③铁心横截面为4mm×4mm，线圈外截面为11mm×11mm，取平均值，按横截面为7.5mm×7.5mm计算每匝总长，得l＝4×7.5＝30mm。所以1l/2x23==4644/π2cdlNRr3.1.3等效电路④线圈的品质因数为5.8π2c0c0===RfLRLQ⑤当线圈存在C＝200pF的分布电容时，如上图所示，其等效电路如下图所示。等效条件为它们的阻抗相等，即3.1.3等效电路得202202202020202202c0c0cee)/()1(]/1[j)/()1()j/(1j)j/()j(jQCLCLQCLCLLQCLCLRCLRCLRLR==202202202020e)/()1(]/1[QCLCLQCLCLLL=3.1.3等效电路当Q1时，有CLLQCLCLQCLCLLL020202202202020e1)/()1(]/1[=所以，等效电感变化量为mH2.3100200ee===DLCLLLLL3.1自感式传感器3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理3.1.2变面积型自感传感器3.1.3等效电路3.1.4螺管型自感传感器3.1.5测量电路3.1.6自感式传感器的零位残余电压√√√3.1.4螺管型自感传感器螺管型自感传感器由线圈、衔铁和磁性套筒组成。随着衔铁插入线圈深度的不同将引起线圈漏磁路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。但理论推导复杂，且理论结果与实践相差很多。DxrDra衔铁磁性套筒线圈xlla螺管式自感传感器与前两种相比有以下特点(1)由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两种低。(2)从磁通分布看，只要满足主磁通不变、线圈绕组排列均匀等条件，可望得到较大的线性范围。3.1.4螺管型自感传感器3.1.4螺管型自感传感器3.1自感式传感器3.1.1变气隙型自感式传感器的工作原理3.1.2变面积型自感传感器3.1.3等效电路3.1.4螺管型自感传感器3.1.5测量电路3.1.6自感式传感器的零位残余电压√√√√1.变压器电桥Z1、Z2为差动式电感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)21.3(222121121oZZZZUUZZZUU==Z1U/2U/2UoZ2～3.1.5测量电路3.1.5测量电路初始时电桥处于平衡状态，Z1＝Z2＝Z0，输出为零。当铁心偏离平衡位置时，Z1＝Z0＋DZ，Z2＝Z0－DZ，则)22.3(20oZZUUD=当传感器铁心的移动方向改变时，输出电压的相位随之反相，由此可判别衔铁移动的方向。直接整流后的输出为||||20oZZUUD=)21.3(22121oZZZZUU=3.1.5测量电路当Q＝L/R很大且DR可以忽略时，上式可写成)24.3(2|j||j|2oLLULRLUUD=D=变压器电桥使用元件少，输出阻抗小(变压器次级线圈的阻抗可忽略，输出阻抗为传感器两线圈阻抗的并联)，因而获得了广泛应用。3.1.5测量电路特性曲线如图所示。3.1.5测量电路2.调幅电路传感器电感L与一个固定电容C和一个变压器T串联在一起。输出电压的频率将与电源频率相同，幅度随L变化。L0为谐振点的电感值。这种电路灵敏度很高，但线性较差。CLUTUoUoOLL03.1