常用传感器工作原理(电感式)

第3章常用传感器的工作原理23.4电感式传感器把被测量转换为电感变化的一种传感器被测信息敏感元件转换元件辅助电源信号调理电路输出信息电感元件电感元件基于电磁感应原理，把被测量转化为电感线圈的自感系数或互感系数变化的装置3【互感M】由于一个电路中电流变化，而在邻近另一个电路中引起感生电动势的现象。用互感系数来表示器件在互感现象方面的特性，代号M。【自感L】电路中因自身电流变化而引起感应电动势的现象。用自感系数来表示器件（如线圈）在自感现象方面的特性，代号L。电感式传感器自感型互感型常为差动变压器式4NΦLIMINΦR两式联立得:2MNLRδ线圈铁芯衔铁ΔδI为线圈中所通交流电的有效值。传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移引气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。1.自感式传感器根据磁路的欧姆定律5mRNL2121122002mllRAAA22121122002mNNLllRAAA如果空气隙较小，且忽略磁路铁损时，磁路总磁阻为：因此有：δ线圈铁芯衔铁Δδ2002NAL由于电感传感器的铁心一般工作在非饱和状态下，其导磁率远大于空气隙的导磁率，因此铁心磁阻远较气隙磁阻小，因此：22121122002mNNLllRAAA6δ123Lδ,AL=f(A)L=f(δ)图4-3电感传感器特性图4-2变面积型电感传感器1-衔铁2-铁芯3-线圈变间隙式变面积式2002NALL与气隙成反比，与气隙导磁面积A0成正比。1）自感传感器类型:72002NdLkdA传感器灵敏度为：变面积型自感传感器的自感与面积成线性关系，但这种传感器的灵敏度较低。变面积式202NAL820022NAdLkd变间隙式传感器灵敏度为：202NALxLL200202NAk气隙愈小，则灵敏度k愈高。由于k不是常数，会产生非线性误差，因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。设气隙变化为（0，0＋），由于气隙变化甚小，即远小于0时（一般要求小于10倍以上），k进一步近似为：此时k可近似为常数。因此，这种传感器一般只适用于大约0.001－1mm范围的小位移测量。9对于变间隙式,改善非线性，提高灵敏度的方法如下:接成差动型螺管式螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。根据结构形式，自感传感器可分为：气隙型、螺线管rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图lrc102c2(1)rrLxLlrXlrNXlSNLrr22c20220)1()1(铁芯可以看出，插入铁芯后，线圈电感的增量和相对增量均与铁芯的插入深度X成正比。如果螺管内磁场强度均匀分布的范围大，就可以获得较大的线性位移传感器。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移测量。为了提高灵敏度和线性度，常采用差动螺管式电感传感器。11变间隙型：气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非线性严重，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，制造装配困难。变面积型：灵敏度较低，截面型的优点是具有较好的线性，因而测量范围可取大些。螺管型：灵敏度比变面积型的更低，但示值范围大，线性也较好，得到广泛应用。三种类型比较：122）差动式自感传感器:在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。13下图是变气隙型及螺管型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆（a）变气隙型31412344（c）螺管型14变气隙型差动式自感传感器10000231......LL20003201......LL衔铁下移：01022()NAL02022()NAL210000352......LLLL2100035002......LLLLL上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在±Δδ工作范围内要比单个自感传感器的小得多。002LK忽略高次项：提高一倍15差动气隙式传感器工作行程很小,若取lδ＝2mm,则行程为(0.2—0.5)mm；较大行程的位移测量,常利用差动螺管式自感传感器3142lcΔlc2l线圈Ⅱ线圈Ⅰrx将两差动电感接入交流电桥的相邻桥臂差动式螺管式传感器是一种开磁路的电感传感器，磁路中相当部分是空气，无明显的边界，因此分析复杂。主要特点是可构成较长的线性区，用于测量大线位移。缺点是灵敏度比变气隙传感器低，体积较大。16前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。3）自感传感器测量电路-交流电桥：ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流电桥原理图USCEZ1Z2IABCD~2ACU2ACU0ULLZ1Z20UACU0U172.互感式传感器（差动变压器式传感器）工作原理：电磁感应中的互感现象。112dieMdt互感M与两线圈的相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，表明两线圈之间的耦合程度。18（一）结构原理与等效电路由右图可见，传感器本身就是一个变压器，在初级线圈接入电源后，次级线圈将感应产生电压输出。当互感系数变化时，输出电压相应地变化。互感型变压器式电感传感器是利用被测量变化改变互感系数来实现的。这种传感器的次级线圈有两个，并接成差动式输出，称为差动变压器式传感器。19其基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器。1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁4123螺管型差动变压器分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。差动变压器的工作原理与一般变压器基本相同。不同之处是：一般变压器是闭合磁路，而差动变压器是开磁路；一般变压器原、副边间的互感是常数，而差动变压器原、副边之间的互感随衔铁移动作相应变化。20设差动变压器一次线圈加励磁电压的角频率为；为一次线圈有效电阻；为一次线圈电感：为一次线圈与二次线圈I之间的互感；为一次线圈与二次线圈Ⅱ之间的互感；为二次线圈I中的感应电动势；为二次线圈Ⅱ中的感应电动势；为一次线圈励磁电流；为二次线圈I的电感；为二次线圈I的有效电阻；为二次线圈Ⅱ的电感；为二次线圈Ⅱ的有效电阻；为空载时差动变压器输出电压。由等效电路可得：1E1R1L1M2M21E22E1I21L21R22L22R0U111210LjREMMjU（二）工作原理21测量前，可动衔铁处于中间位置，由于二次线圈的参数相同，此时＝0，变压器无输出。测量时，可动衔铁偏移，两线圈互感量发生变化，设，由于两者为差动，衔铁在一定范围内有，故在输出端开路情况下，输出为：此式表明：当线圈参数和确定后，变压器的输出电压由二次线圈与一次线圈互感量的差值决定。而与螺管内磁场变化有关，而磁场的变化取决于可移动衔铁的位移量。因此，在衔铁位移的一定范围内，与衔铁位移有近似线性关系21MM0U221,MMMMMMMMM2111102LjREMjUxMM1EM22差动变压器的输出电压为交流，它与衔铁位移成正比。用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。23同时由于两个次级线圈结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材料不均匀、线圈间分布电容等原因，会造成交流电压输出存在一定的零点残余电压。即当衔铁处于中间位置时，输出电压不为零。因此为补偿零点残余电压，同时使输出值能反映铁芯位移的方向，常采用差动整流电路或差动相敏检波电路。0e2x-xe2024（三）测量电路1、差动整流电路～e1RRcabhgfdeUSC衔铁在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位(b)(a)全波整流电路和波形图根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。在f点为“＋”，电流:fgdchef点为“–”，则电流:ehdcgf。252、相敏检波电路容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中调制电压er和e同频，经过移相器使er和e保持同相或反相，且满足ere。调节电位器R可调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。Ri1～e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4e当铁芯下移时，e和er相位相反。同理可得UCD0。当铁芯在中间时,e=0,只有er起作用，输出电压UCD＝0。若铁芯上移，e≠0，设e和er同相位，由于ere，故er正半周时D1、D2仍导通，但D1回路内总电势为er＋(1/2)e，而D2回路内总电势为er–(1/2)e，故回路电流i1＞i2输出电压UCD=R0（i1–i2）0。当er负半周时，UCD=R0(i4-i3)0，因此铁芯上移时输出电压UCD0。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。26相敏检波前后的输出特性曲线x0ULx0UL（a）经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，负位移输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图（a）变成（b），残存电压自动消失。（b）27测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。1.差动变压器式加速度传感器用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.1～5)mm，振动频率为(0～150)Hz。稳压电源振荡器检波器滤波器(b)(a)～220V加速度a方向a输出1211弹性支承2差动变压器（四）应用282.微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。～220V1接头2膜盒3底座4线路板5差动变压器6衔铁7罩壳V振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路1234567293差动式电感液位测量仪当液位不变时，铁芯处中间位置，无输出电压。当液位增加或降低时，铁芯上移或下移，其输出电压经交流放大、相敏检波及相关测量电路处理后，得到液面的高度。30差动变压器式电感传感器具有精度高，线性范围大，稳定度好和使用方便等特点，被广泛用于位移测量。借助弹性元件可以将压力、重量等物理量转换成位移的变化，因此也可用于测量压力、重量等物理量。