第5章電感式傳感器

1、第5章 電感式傳感器第五章電感式傳感器第五章電感式傳感器n電感式傳感器利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量如位移、壓力、流量、振動等轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量的輸出。優(yōu)缺點(diǎn)？n變磁阻式傳感器自感式n差動變壓器式傳感器互感式n電渦流式傳感器電渦流式第5章 電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠靈敏度高，能分辨靈敏度高，能分辨0.01m的位移變化的位移變化測量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定、輸出功率較大測量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定、輸出功率較大可實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制可實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中被廣泛采用在工業(yè)自動控制系

2、統(tǒng)中被廣泛采用靈敏度、線性度和測量范圍相互制約靈敏度、線性度和測量范圍相互制約傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動態(tài)測量傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動態(tài)測量第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器變磁阻式傳感器工作原理銜鐵移動改變磁阻變化電感值變化002221112SSLSLRm)2(00SRm220 02mWsWLR第5章 電感式傳感器根據(jù)式(3-19)可以形成三種類型的自感式傳感器改變氣隙厚度 (a)改變導(dǎo)磁面積 S0 (b)利用鐵芯在螺管線圈中的直線位移改變總的磁阻(c) 也可認(rèn)為是改變有效線圈匝數(shù) N三種傳感器均可用以測量變換為直線位移的物理參量由公式(3-19)可見，L 與各參

3、數(shù)的變化關(guān)系并不相同 如改變氣隙類型，L 與 不是線性關(guān)系與電容傳感器類似 220 0(55)2mWsWLR第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器變磁阻式傳感器輸出特性020002wsL 初始電感量：初始點(diǎn)銜鐵上移，000000201)(2LswLLL.)()()(1 3020000LLLL.)()(1 20000LL同理，銜鐵下移，0.)()(1 20000LL忽略高價項(xiàng)： 00LL靈敏度為： 0001LLK（表明？）第5章 電感式傳感器由此可見，變隙式傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度之間存在矛盾，因此，變隙式電感傳感器用于測量微小位移量的場合。為減小非線性誤差，實(shí)際測量中廣泛采用差動變隙

4、式自感傳感器。sUL1L2RoRooU122131鐵芯2線圈 3銜鐵圖5-2 差動變隙式電感傳感器24121200021()().LLLLLL 002LL0002LLKn差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是 單線圈式的兩倍。n差動式變間隙電感傳感器的非線性項(xiàng) 次數(shù)高， 線性度得到明顯改善。第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器交流電橋式測量電路50n電橋平衡條件：Z1 = Z2 ; Z3 = Z4n平衡狀態(tài)下：U00n銜鐵偏離中心位置后：(假設(shè)Z1=Z+Z1; Z2=Z-Z2 ;還假設(shè)傳感器線圈具有高品質(zhì)因數(shù))又忽略高次項(xiàng)得故（注：此圖中的電橋輸入輸出端口與上一章中的位置剛好

5、相反）)()(22121210LLUZZZZU.)()(1 240200021LLLL002LL0002 LU第5章 電感式傳感器n交流電橋式測量電路靈敏度分析n靈敏度K0為n兩點(diǎn)結(jié)論：n差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。n差動式變間隙電感傳感器的非線性項(xiàng)次數(shù)高，線性度得到明顯改善。002LL0002LLK第5章 電感式傳感器變壓器式交流電橋62221212110UZZZZUZZUZU當(dāng)傳感器銜鐵上移時, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此時220ULLUZZU220ULLUZZU當(dāng)傳感器銜鐵下移時, 即Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此時第5章 電感式傳感器諧振式測量電路78

6、)2(1LCf第5章 電感式傳感器差動變壓器式傳感器n互感式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器n差動變壓器式傳感器次級繞組用差動形式n結(jié)構(gòu)：變隙式、變面積式、螺線管式n優(yōu)點(diǎn)：測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠第5章 電感式傳感器螺線管式差動變壓器第5章 電感式傳感器螺線管差動變壓器工作原理14第5章 電感式傳感器螺線管式差動變壓器工作原理16（兩次級線圈反相串聯(lián)，忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容）n銜鐵在平衡位置時n活動銜鐵向上移動時,由于磁阻的影響, w2a中磁通將大于w2b, 使M1M2 ，n反之n即：當(dāng)銜鐵位移發(fā)生變化時，輸出電壓會隨之發(fā)生變化baEEU220第5

7、章 電感式傳感器螺線管式差動變壓器基本特性16（兩次級線圈反相串聯(lián)，忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容）1111LjrUI112IMjEa122IMjEb11121222)(LjrUMMjEEUba2121211212)()(LrUMMUn銜鐵在中間位置時，M1=M2=M，故U2=0 n活動銜鐵向上移動時, M1=M+M M2=M-M 與同極性n活動銜鐵向下移動時, M1=M-M M2=M+M 與同極性n輸出特點(diǎn)：輸出（交流電壓）幅值與銜鐵偏移量成正比；銜鐵過平衡點(diǎn)時，相位改變180度。 21212112)(/2LrMUUaE221212112)(/2LrMUUbE2第5章 電感式傳感器零點(diǎn)殘

8、余電壓及補(bǔ)償17零點(diǎn)殘余電壓U0零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。（基波、高次諧波）rCW1W2輸出圖1 零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償（直接補(bǔ)償）輸出rCW1W2交流輸入圖2 零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償?shù)牧硪环N方法（間接補(bǔ)償）第5章 電感式傳感器差動式變壓器測量電路n兩個目的：n辨別移動方向n消除零點(diǎn)殘余電壓n兩種方法：n差動整流電路n相敏檢波電路第5章 電感式傳感器差動整流電路18第5章 電感式傳感器 相敏檢波電路19第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感

9、器第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器電渦流式傳感器n工作原理221I1H2I2H傳感器等效阻抗發(fā)生變化電渦流效應(yīng)塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時, 導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流。),(xfrFZ一般用于測量x，也有用于測量、第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器電渦流傳感器基本特性121111UIMjILjIR012222IMjILjIR等效電路模型：線圈的等效阻抗：)()(222222212222221112LLRMLjRLRMRIUZeqeqLjR第5章 電感式傳感器電渦流的徑向形成范圍25n電渦流徑向形成的范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.82.5 倍范圍內(nèi), 且分布不均勻n電渦流密度在短路環(huán)半徑r=0處為零n電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)n可以用一個平均半徑為ras（ras=（ri+ra）/2）的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）第5章 電感式傳感器電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系n電渦強(qiáng)度與距離x