第6章電感式傳感器

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：6.16.1變磁阻式電感傳感器變磁阻式電感傳感器 6.26.2差動變壓器式電感傳感器差動變壓器式電感傳感器6.36.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器 各種電感式傳感器各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器電感式傳感器電感式傳感器v 只要改變氣隙厚只要改變氣隙厚 度或氣隙截面積度或氣隙截面積 就可以改變電感。就可以改變電感。線圈自感可按下式計算：線圈自感可按下式計算：式中：式中： N 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù) ； Rm 磁路總磁阻；磁路總磁阻； S0 氣隙的截面積；氣隙的截面積； 氣隙厚度；氣隙厚度； 0 導磁率（真空、空氣）導磁率（真空、空氣） 2200

2、2NSNLRm銜鐵位移銜鐵位移引起的電感變化為：引起的電感變化為：20020000000022()(1)1NSNSLLLL 電感初始氣隙電感初始氣隙0 0處初始電感量為處初始電感量為L L0 0 200002NSL0LL0L0+L0L0L0/1 1時，時，用泰勒級數(shù)展開用泰勒級數(shù)展開23000001()()LLLL 22300000001()()()LL 銜鐵銜鐵下移時下移時 銜鐵銜鐵上移時上移時 22300000001()()()LL 對上式作線性處理忽略高次項時對上式作線性處理忽略高次項時00LL討論：討論： 傳感器測量范圍與靈敏度和線性度相矛盾；傳感器測量范圍與靈敏度和線性度相矛盾； 變

3、間隙式電感傳感器用于小位移比較精確；變間隙式電感傳感器用于小位移比較精確； 一般一般/= 0.1-0.2/= 0.1-0.2； 為減小非線性誤差，實際測量中多采用差動式。為減小非線性誤差，實際測量中多采用差動式。0001LLku 定義靈敏度定義靈敏度 v 差動式原理：差動式原理：差動變隙式由兩個相差動變隙式由兩個相同的線圈和磁路組成。同的線圈和磁路組成。當被測量通過導桿使當被測量通過導桿使銜鐵上下位移時，兩銜鐵上下位移時，兩個回路中磁阻發(fā)生大個回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的小相等、方向相反的變化，形成差動形式。變化，形成差動形式。 對上式進行線性處理并忽略高次項：對上式進行線性處理并忽略高

4、次項：v 差動式靈敏度為：差動式靈敏度為： 002LL0002LLK2412000021()()LLLL 電感的變化為：電感的變化為：討論：討論： 比較單線圈，差動式的靈敏度提高了一倍；比較單線圈，差動式的靈敏度提高了一倍； 差動式非線性項比單線圈多乘了差動式非線性項比單線圈多乘了( (/) )因子；因子； 不存在偶次項，因不存在偶次項，因/1/1，線性度得到改善。，線性度得到改善。 差動式的兩個電感結(jié)構(gòu)，可抵消溫度、噪聲干擾差動式的兩個電感結(jié)構(gòu)，可抵消溫度、噪聲干擾 的影響。的影響。兩個橋臂由相同線圈組成，另外兩個為平衡電阻兩個橋臂由相同線圈組成，另外兩個為平衡電阻 等效電路等效電路1012

5、02340,ZZjL ZZjL ZZR因因102000222ACACACUUUZjLLUZRj LL輸出電壓為：輸出電壓為： 可見電橋輸出電壓可見電橋輸出電壓U UACAC與氣隙變量與氣隙變量有關(guān)有關(guān) 002LL 00()ACUU代入代入 電橋輸出為：電橋輸出為： 電橋的兩臂是傳感器線圈電橋的兩臂是傳感器線圈阻抗臂、另外兩個臂是交流阻抗臂、另外兩個臂是交流變壓器次級線圈各占變壓器次級線圈各占1 12 2，交，交流供電。流供電。 橋路輸出電壓為：橋路輸出電壓為：1201121222ZZUUUUZZZZZu銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓大小相等方銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓大小相等方 向相差

6、向相差180 ，要判斷銜鐵方向就是判斷信號相位。，要判斷銜鐵方向就是判斷信號相位。 當銜鐵在中間位置當銜鐵在中間位置 Z1=Z2=Z U0=0 022UZULUZL當銜鐵偏移時輸出電壓當銜鐵偏移時輸出電壓02ULUL 當銜鐵偏向另一方向當銜鐵偏向另一方向被測壓力經(jīng)位移被測壓力經(jīng)位移電壓兩次轉(zhuǎn)換輸出電壓兩次轉(zhuǎn)換輸出v 把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成為把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成為線圈互感量的變化的傳感器稱為線圈互感量的變化的傳感器稱為互感式傳感器?；ジ惺絺鞲衅鳌?這種傳感器根據(jù)變壓器的基本這種傳感器根據(jù)變壓器的基本原理制成，并將次級線圈繞組用原理制成，并將次級線圈繞組用差動形式連接。差動形式連接。 差動變

7、壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，應用最多的是螺線管式差動變壓應用最多的是螺線管式差動變壓器。它可測量器。它可測量1100mm1100mm范圍內(nèi)的范圍內(nèi)的機械位移。機械位移。次次級級次次級級骨架骨架初初級級銜銜鐵鐵次次級級次次級級初初級級 等效電路：等效電路： 兩個次級線圈必須反相串聯(lián)接，保證差動形式。兩個次級線圈必須反相串聯(lián)接，保證差動形式。 如果線圈完全對稱并且銜鐵處于中間位置時兩線圈如果線圈完全對稱并且銜鐵處于中間位置時兩線圈 互感系數(shù)相等互感系數(shù)相等 電動勢相等電動勢相等 abMM22abEE0220abUEE差動輸出電壓為零：差動輸出電壓為零：u 可見可見: : 輸出電壓

8、大小和符號反映了輸出電壓大小和符號反映了 鐵心位移的大小和方向。鐵心位移的大小和方向。當銜鐵上下移動時，輸出電壓隨銜鐵位移變化。當銜鐵上下移動時，輸出電壓隨銜鐵位移變化。22abEE00U 若銜鐵上移若銜鐵上移 22abEE00U 若銜鐵下移若銜鐵下移 由此得到輸出電壓有效值為由此得到輸出電壓有效值為 ：02211()()iabUMMURLv 可見輸出電壓與互感的差值有關(guān)可見輸出電壓與互感的差值有關(guān)21aaEj M I 21bbEj M I 根據(jù)電磁感應定律，次級感應電動勢分別為根據(jù)電磁感應定律，次級感應電動勢分別為 鐵芯向右移，鐵芯向右移， 輸出與輸出與E2a同極性；同極性； 鐵芯向左移，鐵

9、芯向左移， 輸出與輸出與E2b同極性；同極性；u輸出電壓的幅值取決于線圈輸出電壓的幅值取決于線圈 互感即銜鐵在線圈中移動的互感即銜鐵在線圈中移動的 距離距離X X。UoUo與與Ui的相位由銜的相位由銜 鐵的移動方向決定。鐵的移動方向決定。 差動變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系差動變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系差動變壓器結(jié)構(gòu)形式差動變壓器結(jié)構(gòu)形式差動變壓器傳感器的應用差動變壓器傳感器的應用v 由于兩個次級線圈繞組電由于兩個次級線圈繞組電氣系數(shù)氣系數(shù) （M M互感互感 L L電感電感 R R內(nèi)內(nèi)阻）不同，幾何尺寸工藝上阻）不同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同。實際的很難保證完全相同。實際的特性曲線，在零點上

10、總有一特性曲線，在零點上總有一個最小的輸出電壓，這個鐵個最小的輸出電壓，這個鐵芯處于中間位置時最小不為芯處于中間位置時最小不為零的電壓稱為零的電壓稱為零點殘余電壓零點殘余電壓。 為減小零點殘余電壓的影響，一般要用電路進行補為減小零點殘余電壓的影響，一般要用電路進行補 償償, ,電路補償?shù)姆椒ㄝ^多電路補償?shù)姆椒ㄝ^多, ,可采用以下方法。可采用以下方法。 串聯(lián)電阻：消除兩次級繞組基波分量幅值上的差異；串聯(lián)電阻：消除兩次級繞組基波分量幅值上的差異； 并聯(lián)電阻電容：消除基波分量相差，減小諧波分量；并聯(lián)電阻電容：消除基波分量相差，減小諧波分量； 加反饋支路：初次級間反饋，減小諧波分量；加反饋支路：初次級

11、間反饋，減小諧波分量； 相敏檢波對零點殘余誤差有很好的抑制作用。相敏檢波對零點殘余誤差有很好的抑制作用。串串聯(lián)聯(lián)電電阻阻并并聯(lián)聯(lián)電電阻阻 差動變壓器輸出交流信號。為正確反映銜鐵位移差動變壓器輸出交流信號。為正確反映銜鐵位移 大小和方向，常采用差動整流電路和相敏檢波電路。大小和方向，常采用差動整流電路和相敏檢波電路。（1 1）差動整流電路）差動整流電路 ，輸入一交流信號時輸入一交流信號時差動整流電路分析動畫演示：差動整流電路分析動畫演示：差分整流上線圈上半周差分整流上線圈上半周差分整流上線圈下半周差分整流上線圈下半周差分整流下線圈上半周差分整流下線圈上半周差分整流下線圈下半周差分整流下線圈下半周

12、 鐵芯上移鐵芯上移 鐵芯下移鐵芯下移U0U0（2 2）集成相敏檢波電路）集成相敏檢波電路: :由施密特開關(guān)電路及運放組成 ，具有鑒別調(diào)制信號相位和選頻能力。 v 輸出正負電壓的結(jié)果由相敏檢波后反行程旋轉(zhuǎn)輸出正負電壓的結(jié)果由相敏檢波后反行程旋轉(zhuǎn) 由由，工作曲線為過零點的直線。，工作曲線為過零點的直線。 相敏檢波前后輸出特性相敏檢波前后輸出特性 差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量，差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量， 也可以用來測量與位移有關(guān)的任何機械量，也可以用來測量與位移有關(guān)的任何機械量， 如振動，加速度，應變等等。如振動，加速度，應變等等。（1）壓差計）壓差計 當壓差變化時，腔內(nèi)當壓差變化時，腔內(nèi)膜片位移使差動變壓器次膜片位移使差動變壓器次級電壓發(fā)生變化，輸出與級電壓發(fā)生變化，輸出與位移成正比，與壓差成正位移成正比，與壓差成正比。比。 沉筒式液位計將水位變沉筒式液位計將水位變化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)換化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)換為電感的變化，差動變壓器為電感的變化，差動變壓器的輸出反映液位高低。的輸出反映液位高低。10 110 121R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij L I2221102222()MLLLRL222212211010222212222()()UM RM LZRjLIRL