電感式傳感器教學用市公開課獲獎?wù)n件

1、4.1 自感式電感傳感器4.2 差動變壓器式傳感器4.3 電渦流式傳感器 第4章 電感式傳感器第1頁第1頁第4章 電感式傳感器電感式傳感器工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)即利用線圈電感或互感改變來實現(xiàn)非電量測量。分為自感式、互感式、電渦流式等特點：工作可靠、壽命長靈敏度高，分辨力高精度高、線性好性能穩(wěn)定、重復性好第2頁第2頁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靠近式傳感器第3頁第3頁4.1 自感式電感傳感器一、工作原理 變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)以下圖所表示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成。第4頁第4頁 在鐵芯和銜鐵之間有氣隙, 氣隙厚度為, 傳感器運

2、動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時, 氣隙厚度發(fā)生改變, 引起磁路中磁阻改變, 從而造成電感線圈電感值改變, 因此只要能測出這種電感量改變, 就能擬定銜鐵位移量大小和方向。第5頁第5頁上式中: L該元件自感或電感； 線圈總磁鏈; I 通過線圈電流; W線圈匝數(shù); 穿過線圈磁通。由磁路歐姆定律, 得： 依據(jù)電感定義, 線圈中電感量可由下式擬定:式中: Rm磁路總磁阻。引入知識 環(huán)形線圈以下圖，其中媒質(zhì)是均勻，磁導率為，試計算線圈內(nèi)部磁通 。 第6頁第6頁依據(jù)安培環(huán)路定律，有設(shè)磁路平均長度為l，則有SxHxIW匝 環(huán)形線圈以下圖，其中媒質(zhì)是均勻，磁導率為，試計算線圈內(nèi)部磁通 。 式中：F=WI磁通勢，

3、由其產(chǎn)生磁通；Rm 磁阻，表示磁路對磁通阻礙作用；l為磁路平均長度；S為磁路截面積。即有：第7頁第7頁2.磁路歐姆定律 若某磁路磁通為，磁通勢為F，磁阻為Rm，則此即磁路歐姆定律。 磁路磁通勢F磁通磁阻電路電動勢 E電流密度 J 電阻磁場強度H電流 IWI+_EIR第8頁第8頁 對于變隙式傳感器, 由于氣隙很小, 因此能夠認為氣隙中磁場是均勻。若忽略磁路磁損, 則磁路總磁阻為 式中: 1鐵芯材料導磁率; 2銜鐵材料導磁率; L1磁通通過鐵芯長度; L2磁通通過銜鐵長度; A1鐵芯截面積; A2銜鐵截面積;0空氣導磁率; 由磁路歐姆定律, 得：式中: Rm磁路總磁阻。A0氣隙截面積; 氣隙厚度。

4、第9頁第9頁 通常氣隙磁阻遠不小于鐵芯和銜鐵磁阻, 即： 則上式可近似為： 又由于： 因此：并且第10頁第10頁 上式表明, 當線圈匝數(shù)為常數(shù)時, 電感L僅僅是磁路中磁阻Rm函數(shù), 只要改變或A0均可造成電感改變, 因此自感式傳感器又可分為變氣隙厚度傳感器和變氣隙面積A0傳感器。 使用最廣泛是變氣隙厚度式電感傳感器。 二、 輸出特性 由上式可知，變氣隙厚度（變隙）式電感傳感器L與之間是非線性關(guān)系，特征曲線以下圖所表示。第11頁第11頁 設(shè)電感傳感器初始氣隙為0, 初始電感量為L0, 銜鐵位移引起氣隙改變量為, 當銜鐵處于初始位置時,初始電感量為： 當銜鐵上移時, 傳感器氣隙減小, 即=0-,

5、則此時輸出電感為L = L0+L, 則：電感改變量為：第12頁第12頁電感改變量為：則：，當時，可將上式展開成泰勒級數(shù)形式：同理，當銜鐵向下移動時，傳感器氣隙將增大，即為： 第13頁第13頁同理，當銜鐵向下移動時，傳感器氣隙將增大，即為： 這時電感量為： 電感改變量為：則：，當可將上式展開成級數(shù)：第14頁第14頁當銜鐵上移時：當銜鐵向下移動時： 對上兩式作線性處理，即忽略高次項后，可得 則L與近似成百分比關(guān)系，因此高次項存在是造成非線性原因。第15頁第15頁忽略高次項后，可得 則L與近似成百分比關(guān)系，因此高次項存在是造成非線性原因。 但是，當氣隙相對改變/0很小時，高次項將快速減小，非線性能夠

6、得到改進，然而這又會使傳感器測量范圍（即銜鐵允許工作位移）變小，因此，對輸出特性線性度要求和對測量范圍要求是互相矛盾。 因此變隙式電感式傳感器適合用于測量微小位移場合，普通對于變氣隙長度電感傳感器，為了得到較好線性特性，取/0=0.10.2，這時L=f()可近似看作一條直線。第16頁第16頁忽略高次項后，可得： 靈敏度為： 第17頁第17頁 為了減小非線性誤差, 實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。 差動變隙式電感傳感器 由上圖可知, 差動變隙式電感傳感器由兩個相同電感線圈1、2合用一個銜鐵和相應(yīng)磁路構(gòu)成, 測量時, 銜鐵通過導桿與被測位移量相連。第18頁第18頁 當被測體上下移動時, 導

7、桿帶動銜鐵也以相同位移上下移動, 使兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等, 方向相反改變, 造成一個線圈電感量增長, 另一個線圈電感量減小, 形成差動形式。差動變隙式電感傳感器第19頁第19頁 當銜鐵往上移動時, 兩個線圈電感改變量L1、L2分別是：差動變隙式電感傳感器第20頁第20頁 當差動使用時, 兩個電感線圈接成交流電橋相鄰橋臂, 另兩個橋臂由電阻構(gòu)成, 電橋輸出電壓與L相關(guān), 其詳細表示式為：對上式進行線性處理，忽略高次項得：靈敏度K0為: 第21頁第21頁對上式進行線性處理，忽略高次項得：靈敏度K0為： 比較單線圈和差動兩種變間隙式電感傳感器特性, 能夠得到下列結(jié)論: 差動式比單線圈式靈敏度

8、高一倍。 差動式非線性項等于單線圈非線性項乘以（/0）因子, 由于（/0）2LC（即2fcR1）且2LCR，其輸出電壓為：式中:Z0銜鐵在中間位置時單個線圈復阻抗；Z銜鐵偏離中心位置時兩線圈阻抗改變量；L0銜鐵在中間位置時單個線圈電感; L單線圈電感改變量。交流電橋式測量電路第31頁第31頁 由前面對差動變隙式電感傳感器原理簡介可知，忽略高次項后：又則 電橋輸出電壓與成正比關(guān)系。3. 變壓器式交流電橋交流電橋式測量電路變壓器式交流電橋 變壓器式交流電橋測量電路如右圖所表示，電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗, 另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈1/2 阻抗。當負截阻抗為無窮大時, 橋路輸出電壓為：

9、第32頁第32頁3. 變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋 變壓器式交流電橋測量電路如右圖所表示，電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗, 另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈1/2 阻抗。當負截阻抗為無窮大時, 橋路輸出電壓為： 測量時被測件與傳感器銜鐵相連，當傳感器銜鐵處于中間位置, 即Z1=Z2=Z時，有=0, 電橋平衡。 當傳感器銜鐵上移時, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此時第33頁第33頁變壓器式交流電橋 當傳感器銜鐵下移時, 則 Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此時 當傳感器銜鐵上移時, 即 Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此時： 由以上分析可知, 銜鐵上下移動相同距離時, 輸出電壓大小相

10、等, 但方向相反, 由于 是交流電壓, 輸出批示無法判斷位移方向, 因此必須配合相敏檢波電路來處理。 第34頁第34頁 諧振式測量電路有諧振式調(diào)幅電路友好振式調(diào)頻電路。 4. 諧振式測量電路（1） 諧振式調(diào)幅電路 在調(diào)幅電路中，傳感器電感L與電容C，變壓器原邊串聯(lián)在一起, 接入交流電源 , 變壓器副邊將有電壓 輸出, 輸出電壓頻率與電源頻率相同。諧振式調(diào)幅電路第35頁第35頁 下圖（b）中曲線1為圖（a）回路諧振曲線，其中L0為諧振點電感值。若激勵源頻率為f，則可擬定其工作在A點。當傳感器線圈電感量發(fā)生改變時，諧振曲線將左右移動，工作點就在一頻率縱坐標直線上移動（比如移至B點），于是輸出電壓幅

11、值就發(fā)生相應(yīng)改變。 此電路靈敏度很高，但線性差，適合用于線性度要求不高場合。諧振式調(diào)幅電路第36頁第36頁（2） 諧振式調(diào)頻電路 調(diào)頻電路基本原理是傳感器電感L改變將引起輸出電壓頻率改變。普通是把傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中, 其振蕩頻率為 。當L改變時, 振蕩頻率隨之改變, 依據(jù)f大小即可測出被測量值。下圖表示f與L特性, 它含有明顯非線性關(guān)系。 諧振式調(diào)頻電路第37頁第37頁四、零點殘余電壓 理論上，當傳感器銜鐵處于中間位置，即兩線圈阻抗相等，即Z1=Z2時，電橋平衡，輸出電壓為零。因為傳感器線圈阻抗是一個復阻抗，因此為了達到電橋平衡，就要求兩線圈電阻相等，兩線圈電感也相等。 實

12、際上這種情況是不能準確達到，因而在傳感器輸入量為零時，電橋有一個不平衡輸出電壓UO。零點殘余電壓波形 右圖給出了橋路輸出電壓與活動銜鐵位移關(guān)系曲線。圖中虛線為理論特性曲線，實線為實際特性曲線。 傳感器在零位移時輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作UO。第38頁第38頁零點殘余電壓波形 零點殘余電壓主要由基波分量和高次諧波分量組成。產(chǎn)生零點殘余原因大致有以下兩點：因為兩電感線圈電氣參數(shù)及導磁體幾何尺寸不完全對稱，因此在兩電感線圈上電壓幅值和相位不同，從而形成了零點殘余電壓基波分量。因為傳感器導磁材料磁化曲線非線性（如鐵磁飽和、磁滯損耗）使得激勵電流與磁通波形不一致，從而形成了零點殘余電壓高次諧波分量。

13、 零點殘余電壓存在，使得傳感器輸出特性在零點附近不靈敏，限制了分辨率提升。第39頁第39頁零點殘余電壓波形 零點殘余電壓太大，將使線性度變壞，靈敏度下降，甚至會使放大器飽和，堵塞有用信號通過，致使儀器不再反應(yīng)被測量改變。 為減小電感式傳感器零點殘余電壓，可采用下列辦法：在設(shè)計和工藝上，力爭做到磁路對稱，鐵芯材料均勻；要通過熱處理以除去機械應(yīng)力和改進磁性；兩線圈繞制要均勻，力爭做到幾何尺寸與電氣特性保持一致。在電路上進行補償。第40頁第40頁五、自感式電感傳感器應(yīng)用 下圖是變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。它由膜盒、 鐵芯、 銜鐵及線圈等構(gòu)成, 銜鐵與膜盒上端連在一起。 當壓力進入膜盒時, 膜盒頂端在壓力P作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比位移。于是銜鐵也發(fā)生移動, 從而使氣隙發(fā)生改變, 流過線圈電流也發(fā)生相應(yīng)改變, 電流表批示值就反應(yīng)了被測壓力大小。變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖第41頁第41頁 下圖所表示為變隙式差動電感