第4章-電感傳感器課件

第4章電感式傳感器位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、力、力矩、重量、密度等被測非電量電感變換元件電感變化量DL、DM被測電路可用電量U,I,f電感式傳感器電感式傳感器-實例電感式傳感器-實例

電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)即利用線圈自感或互感的改變來實現(xiàn)非電量測量電感式傳感器-工作原理電感式傳感器的分類電感式傳感器電渦流式傳感器互感式傳感器自感式傳感器線圈中電感：Δδδ線圈匝數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)：線圈、鐵芯和銜鐵三部分。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ傳感器的運動部分與銜鐵相連。磁鏈電流磁通4.1變磁阻感式傳感器4.1.1工作原理銜鐵鐵芯線圈氣隙磁阻銜鐵磁阻鐵芯磁阻磁導(dǎo)率氣隙厚度截面積4.1.1工作原理8L=f(A)L=f(lδ)lδ

，AL4.1.1工作原理氣隙截面積A保持不變，氣隙δ的單值函數(shù)，為變氣隙式自感傳感器。保持氣隙間距δ不變，A隨被測量變化，為變面積式自感傳感器在線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動時，自感量將相應(yīng)變化，就構(gòu)成了螺線管式自感傳感器。δ線圈鐵芯銜鐵Δδ線圈鐵芯銜鐵銜鐵移動方向4.1.1工作原理δ線圈鐵芯銜鐵Δδ氣隙厚度δ0時自感系數(shù)1.當(dāng)銜鐵上移Δδ時，傳感器氣隙為δ=δ0-Δδ，則輸出電感變化量為：4.1.2輸出特性2.當(dāng)銜鐵下移Δδ時，傳感器氣隙為δ=δ0+Δδ，則輸出電感變化量為：4.1.2輸出特性傳感器氣隙變化量Δδ很小，且Δδ<<δ04.1.2輸出特性可忽略總結(jié)1.當(dāng)銜鐵上移Δδ時2.當(dāng)銜鐵下移Δδ時傳感器氣隙變化量Δδ很小，且Δδ<<δ04.1.2輸出特性可忽略電感靈敏度K

電感靈敏度

1.氣隙與靈敏度K忽略高次項線性處理非線性誤差

4.1.2輸出特性2.氣隙與線性度傳感器氣隙變化量Δδ很小，Δδ<<δ0可忽略變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾變間隙式電感式傳感器適用于測量微小位移的場合。動態(tài)測量范圍：0.001~1mm。電感靈敏度

非線性誤差

采用差動結(jié)構(gòu)形式的變氣隙式電感傳感器,改善靈敏度和非線性誤差增加氣隙減小誤差，4.1.2輸出特性減小氣隙，提高靈敏度差動式傳感器線圈中有交流勵磁電流，銜鐵始終承受電磁吸力，會引起振動和附加誤差，非線性誤差較大。外界的干擾、電源電壓頻率的變化、溫度的變化都會使輸出產(chǎn)生誤差。在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構(gòu)成差動式自感傳感器。兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等,方向相反的變化,導(dǎo)致一個線圈的電感量增加,另一個線圈的電感量減小,形成差動形式。4.1.2輸出特性12344差動變氣隙式傳感器1-線圈2-鐵芯3-銜鐵4-導(dǎo)桿差動自感傳感器12344差動變氣隙式傳感器1-線圈2-鐵芯3-銜鐵4-導(dǎo)桿12344電感靈敏度

非線性誤差

優(yōu)點：

①線性好，非線性誤差降低一個數(shù)量級；②靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時，輸出信號大一倍③溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減小；④電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。差動自感傳感器（3）電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。差動結(jié)構(gòu)的特點：（1）改善非線性、提高靈敏度；靈敏度提高一倍，非線性度誤差降低了一個數(shù)量級（2）補償溫度變化、電源頻率變化等的影響，由于能互相抵消而減??；從而減少了外界影響造成的誤差。

224.1.3測量電路1.交流電橋電橋兩橋臂分別為傳感器兩線圈的阻抗，并為差動工作方式;Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，另外兩橋臂分別為兩個電阻高品質(zhì)因數(shù)Q=ωL/R的電感式傳感器，線圈的電感遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線圈的有功電阻，即ωL>>R，則有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)電橋輸出電壓為如為變氣隙結(jié)構(gòu)，則可寫為輸出電壓與Δδ成正比。4.1.3測量電路1.交流電橋曲線1、2為兩線圈各自電感特性；電橋輸出特性：電橋輸出電壓大小與銜鐵位移量Δδ有關(guān)，相位與銜鐵移動方向有關(guān)。若設(shè)銜鐵向上移動Δδ為負(fù)，則U0為負(fù)；銜鐵向下移動Δδ為正，則U0為正，相位差180°。曲線3為兩線圈差接時的電感特性；δU0-ΔδΔδ電橋兩橋臂分別為傳感器兩線圈的阻抗，另外兩橋臂分別為電源變壓器的兩次級線圈，其阻抗為次級線圈總阻抗的一半。2、變壓器式交流電橋測量時被測件與傳感器銜鐵相連，當(dāng)銜鐵處于中間位置，即Z1=Z2=Z時電橋輸出電壓為零，電橋平衡。Z1Z2IABCD~當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時，橋路輸出電壓為

4.1.3測量電路當(dāng)傳感器銜鐵上移時，Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，若線圈的Q值很高，損耗電阻可忽略，則橋路輸出電壓為2、變壓器式交流電橋當(dāng)銜鐵上下移動相同距離時，電橋輸出電壓大小相等而相位相反。要判斷銜鐵方向需要經(jīng)過相敏檢波電路的處理。Z1Z2IABCD~當(dāng)傳感器銜鐵下移時，Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，橋路輸出電壓為4.1.3測量電路27Z1Z2IABCD~A）電橋電路B）輸出特性兩類諧振式測量電路：諧振式調(diào)幅電路；諧振式調(diào)頻電路（1）諧振式調(diào)幅電路傳感器電感L與電容C、變壓器原邊串聯(lián)在一起，接入交流電源，變壓器副邊輸出電壓，電壓的頻率與電源頻率相同，而幅值隨著電感L而變化。輸出電壓與電感的關(guān)系曲線中L0為諧振點的電感值，電路靈敏度很高，但線性差，適用于線性度要求不高的場合。3、諧振式測量電路4.1.3測量電路（2）諧振式調(diào)頻電路調(diào)頻電路的基本原理：傳感器電感L的變化引起輸出電壓頻率的變化。通常傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中，其振蕩頻率為當(dāng)L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)頻率的大小即可測出被測量的值。振蕩頻率與電感變化之間具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系。3、諧振式測量電路4.1.3測量電路4.1.4變磁阻電感式傳感器的應(yīng)用4.1.4變磁阻電感式傳感器的應(yīng)用

互感式傳感器的基本原理結(jié)構(gòu)線圈1為原邊線圈線圈2為副邊線圈由變壓器原理可知：

當(dāng)原邊通過交變電流i1時，在磁通全回路上的磁通存在交變變化在副邊上可感生的感應(yīng)電勢E21為：

互感式傳感器工作原理與結(jié)構(gòu)4.2差動變壓器電感式傳感器4.2差動變壓器電感式傳感器互感式傳感器：被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器。基本結(jié)構(gòu)：主要包括有銜鐵、初級繞組、次級繞組和線圈框架等。次級繞組用差動形式連接，也差動變壓器式傳感器。工作原理類似于變壓器。初、次級繞組的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移的改變而變化。1、工作原理當(dāng)被測體沒有位移時，銜鐵處于初始平衡位置，與兩個鐵芯的間隙相等，則兩繞組的互感相等，則兩個次級繞組的互感電勢相等。因次級繞組反相串聯(lián)，差動變壓器輸出電壓為零。N1aN1bN2aN2b在A、B兩個鐵芯上繞有兩個初級繞組N1a=N1b=N1兩個次級繞組N2a=N2b=N2。兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，兩個次級繞組的同名端則反向串聯(lián)。

銜鐵位于中間位置時，4.2.1變氣隙式變壓器輸出電壓的大小與相位反映出位移的大小和方向。當(dāng)被測體有位移時銜鐵的位置發(fā)生變化，兩次級繞組的互感電勢不相等，即差動變壓器有電壓輸出。上移時：N1aN1bN2aN2bU0>0U0<0下移時：2、輸出特性在忽略鐵損（即渦流與磁滯損耗忽略不計）、漏感以及變壓器次級開路（或負(fù)載阻抗足夠大）的條件下的等效電路。

2、輸出特性1）當(dāng)銜鐵處于初始平衡位置時U2=0。2）若被測體帶動銜鐵向上移動Δδ時有變隙式差動變壓器的輸出電壓與銜鐵位移量成正比。分析：3）若被測體帶動銜鐵向下移動Δδ時有變壓器輸出電壓大小與銜鐵位移大小成正比，相位根據(jù)銜鐵移動方向與輸入電壓同相或反向。輸出電壓靈敏度變隙式差動變壓器靈敏度K的表達(dá)式為（2）增加N2/N1的比值和減小δ0都能使靈敏度K值提高。但N2/N1的比值與變壓器的體積及零點殘余電壓有關(guān)。從靈敏度考慮和從忽略邊緣磁通考慮，均要求變隙式差動變壓器的δ0愈小愈好。為兼顧測量范圍的需要，一般選擇傳感器的δ0為0.5mm。（1）電源幅值的適當(dāng)提高可以提高靈敏度值，但要以變壓器鐵芯不飽和以及允許溫升為條件。輸出電壓靈敏度分析（3）在考慮鐵損和線圈中分布電容等條件下，傳感器的性能變差，但在一般工程應(yīng)用中可以忽略的。（4）變壓器副邊開路條件，對電子線路構(gòu)成的測量電路很容易滿足。但直接配接低輸入阻抗電路，就必須考慮變壓器副邊電流對輸出特性的影響。零點殘余電動勢（1）零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū)；（2）零點殘余電壓影響電路正常工作。零點殘余電動勢產(chǎn)生的危害：(1)兩個二次繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不等(2)初級線圈中銅損電阻，導(dǎo)磁材料的鐵損以及材質(zhì)的不均勻，導(dǎo)致磁芯磁化曲線的非線性；(3)電源電壓中具有高次諧波；(4)線圈的寄生電容，線圈與外殼、磁芯間的分布電容。零點殘余電動勢產(chǎn)生的原因：減小零點殘余電動勢產(chǎn)生的方法：（1）保證傳感器的幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路的對稱；（2）選擇合適的測量電路（3）采用補償線路434.2.2螺管式變氣隙式差動變壓器1工作原理1差動變壓器可動銜鐵的移動，改變其原邊、副邊之間的互感作相應(yīng)的變化2它是建立在互感變化的基礎(chǔ)上工作的常采用三段式結(jié)構(gòu)形式：一個初級線圈，二個次級線圈且反向串接形式形成“差接”方式。4.2.2螺管式變氣隙式差動變壓器螺線管式差動變壓器等效電路在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下等效電路。根據(jù)電磁感應(yīng)原理有變壓器兩次級繞組反向串聯(lián)，則差動變壓器輸出電壓為零。初級線圈的匝數(shù)為N1，兩個次級線圈的匝數(shù)分別為N1a和N1b。當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時，必然會使兩互感系數(shù)相等。當(dāng)銜鐵移向次級繞組L2a邊，互感Ma增大，Mb減小，因而次級繞組L2a內(nèi)的感應(yīng)電動勢大于次級繞組內(nèi)L2b的感應(yīng)電動勢，差動變壓器輸出電動勢不為零。

當(dāng)銜鐵移向次級繞組L2b邊，差動輸出電動勢仍不為零，但移動方向改變，輸出電動勢反相。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動變壓器輸出電動勢就越大。2、基本特性輸出電壓的有效值為差動變壓器輸出電壓是初級繞組與兩個次級繞組之間互感之差的函數(shù)。（1）銜鐵位于中間位置時（3）當(dāng)銜鐵下移時，（2）當(dāng)銜鐵上移時，與輸入電壓同頻同相與輸入電壓同頻反相3.測量電路R2R1abhgcfde3D2u1u2RRLRD3D1D4RRT1T2e1e2相敏檢波電路全波差動整流電路為了辨別移動方向和消除零點殘余電壓，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。1、差動整流電路半波電壓輸出半波電流輸出全波電壓輸出全波電流輸出消除零點殘余誤差2、全波電壓輸出差動整流電路差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別全波整流，整流電壓的差值作為輸出，適用于交流阻抗負(fù)載。電阻R0用于調(diào)整零點殘余電壓。差動整流電路，電壓輸出的，適用于交流阻抗負(fù)載；電流輸出的，適用于低阻抗負(fù)載。從電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，流經(jīng)電容C1的電流方向總是從2到4，流經(jīng)電容C2的電流方向總是從6到8，整流電路的輸出電壓為銜鐵零位時，U24=U68，U2=0；銜鐵上移時，U24>U68，U2>0；銜鐵下移時，U24<U68，U2<0。U2的正負(fù)表示銜鐵位移方向;U2的大小表示銜鐵位移大小。

差動整流電路具有結(jié)構(gòu)簡單,不需要考慮相位調(diào)整和零點殘余電壓的影響,分布電容影響小和便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點，因而獲得廣泛應(yīng)用。2、全波電壓輸出差動整流電路4.2.3差動變壓器電感式傳感器的應(yīng)用一、電渦流式傳感器基本原理渦流式傳感器的基本原理：利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的電渦流效應(yīng)。電渦流：若一金屬板置于一只線圈的附近，當(dāng)線圈輸入一交變電流時，便產(chǎn)生交變磁通量，金屬板在此交變磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱之為電渦流或渦流。若固定某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流的變化測量另一個參數(shù)?！?.3電渦流式傳感器渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度h、金屬板與線圈的距離δ、激勵電流角頻率ω等參數(shù)有關(guān)。激勵線圈金屬導(dǎo)體二、電渦流式傳感器輸出特性被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)中的電流，短路環(huán)可認(rèn)為是一匝短路線圈，電阻為R2、電感為L2。線圈與被測導(dǎo)體等效為兩個相互耦合的線圈。線圈與導(dǎo)體間存在一個互感M，隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。電渦流式傳感器等效電路§4.3電渦流式傳感器根據(jù)基爾霍夫第二定律，有1、等效電路二、電渦流式傳感器輸出特性解方程得等效阻抗的表達(dá)式為線圈受電渦流影響后的等效電感§4.3電渦流式傳感器線圈受電渦流影響后的等效電阻2、等效阻抗與品質(zhì)因數(shù)線圈等效品質(zhì)因數(shù)特性參數(shù)影響因素：

Q：

L2,R2,L1,R1,ω,MReq、Leq、Q是M2的函數(shù)三、電渦流式傳感器的基本類型電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。§4.3電渦流式傳感器高頻信號激勵傳感器線圈產(chǎn)生高頻交變磁場，當(dāng)被測導(dǎo)體靠近線圈時，產(chǎn)生電渦流，而電渦流又產(chǎn)生一交變磁場阻礙外磁場的變化。1、高頻反射式從能量角度分析，被測導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗，使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低。當(dāng)被測體與傳感器間距離改變時，傳感器的Q和Z、電感L均發(fā)生變化，位移量轉(zhuǎn)換成電量。三、電渦流式傳感器基本類型§4.3電渦流式傳感器發(fā)射線圈和接收線圈置于被測金屬板上下方。當(dāng)?shù)皖l電壓加到線圈1的兩端后，產(chǎn)生磁場線的一部分透過金屬板，使線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。但渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動勢減少，當(dāng)金屬板越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢越小。2、低頻透射式電動勢的大小與金屬板的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)。電動勢隨材料厚度的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少。若金屬板材料的性質(zhì)一定，即可測厚度。三、電渦流式傳感器測量電路1、調(diào)頻式電路電渦流傳感器的測量電路主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路和交流電橋等。傳感器線圈接入振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，導(dǎo)致振蕩頻率的變化?！?.3電渦流式傳感器頻率變化是距離的函數(shù)，頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或通過頻率~電壓變換，用電壓表測量對應(yīng)的電壓。三、電渦流式傳感器測量電路2、調(diào)幅式電路傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成石英晶體振蕩電路。當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離傳感器線圈時，諧振回路諧振頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近時，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離的變化而變化。因此，輸出電壓也隨而變化。§4.3電渦流式傳感器石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率f0穩(wěn)定的激勵電流io，LC回路的阻抗為Z時輸出電壓載有交變電流的線圈產(chǎn)生交變磁場Hp，金屬物平面感應(yīng)出電渦流