電感式傳感器介紹課件

電感式傳感器介紹電感式傳感器介紹1緒論

電感式傳感器是利用線圈自感（self-inductanceofcoils

）

或互感（mutualinductanceofcoils）的改變來實(shí)現(xiàn)測量的一種裝置?？梢詼y量位移、振動(dòng)、壓力、流量、比重等參數(shù)。電感式傳感器的核心部分是可變的自感或互感，在將被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí)，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有電感繞組。

習(xí)慣上講的電感式傳感器通常指自感式傳感器（變磁阻式reluctancevariationsensors），而互感式傳感器由于它利用變壓器原理，又往往做成差動(dòng)式，故稱作差動(dòng)變壓器（linearvariabledifferentialtransformers(LVDTs)）此外，利用渦流原理的電渦流式傳感器（Eddycurrentsensors

）、利用材料壓磁效應(yīng)（Piezo-magneticeffect）的壓磁式傳感器、利用平面繞組互感原理的感應(yīng)同步器(Inductosyn)等，亦屬電感式傳感器緒論電感式傳感器是利用線圈自感（self2

特點(diǎn)（1）工作可靠、壽命長；（2）靈敏度高、分辨率高;

位移:0.01μm;角度0.1”;輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm。（3）精度高、線性好;

在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。非線性誤差：0.05%~0.1%；（4）性能穩(wěn)定、重復(fù)性好。不足：存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測量。特點(diǎn)不足：存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測量33.1自感式(變磁阻)傳感器3.1.1工作原理1—線圈coil

；2—鐵芯Magneticcore

；3—銜鐵Movingcoreself-inductanceofcoilis:

式中：N----線圈的匝數(shù)

RM-------總磁阻ΔxΔδΔRMΔL3.1自感式(變磁阻)傳感器3.1.1工作原理1—線圈coi4

因?yàn)闅庀遁^小(0.1～1mm)，所以，認(rèn)為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為:鐵芯磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小線圈自感L為：分類：變氣隙厚度δ的電感式傳感器；變氣隙面積S的電感式傳感器；變鐵芯磁導(dǎo)率μ的電感式傳感器；

5自感式電感傳感器常見的形式

1—線圈coil

；2—鐵芯Magneticcore

；3—銜鐵Movingcore變氣隙式變截面式螺線管式自感式電感傳感器常見的形式1—線圈coil；2—鐵芯Ma6L=f（S）L=f（δ）δLSL=f(δ)為非線性關(guān)系。當(dāng)δ＝0時(shí)，L為∞，考慮導(dǎo)磁體的磁阻，當(dāng)δ＝0時(shí)，并不等于∞，而具有一定的數(shù)值，在δ較小時(shí)其特性曲線如圖中虛線所示。如移動(dòng)銜鐵使面積S改變，從而改變L值時(shí),則L＝f(S)的特性曲線為一直線。

3.1.2電感計(jì)算與輸出特性分析L=f（S）L=f（δ）δLSL=f(δ)為非線性關(guān)系。當(dāng)δ7變氣隙式自感傳感器如圖，傳感器初始電感量為：

傳感器工作時(shí)，若銜鐵移動(dòng)使氣隙增加Δδ，則電感減小，變化量為ΔL：自感的相對(duì)變化量為：

變氣隙式自感傳感器如圖，傳感器初始電感量為：傳感器工作時(shí)，8一般，

，則上式可由泰勒級(jí)數(shù)展開成級(jí)數(shù)形式為將上式作線性處理，忽略高次項(xiàng)，可得自感變化與氣隙變化成近似線性關(guān)系：

變氣隙式自感傳感器的靈敏度為可見，靈敏度K隨初始?xì)庀兜脑龃蠖鴾p小。一般，，則上式可由泰勒級(jí)數(shù)展開成級(jí)數(shù)形式為將上式作線性9非線性誤差為:非線性誤差隨的增大而增大

采用圖示差動(dòng)變隙式電感傳感器，可以減小非線性，提高靈敏度。差動(dòng)變隙式自感傳感器的電感變化量為：非線性誤差為:非線性誤差隨的增大而增大采用圖示差動(dòng)10差動(dòng)式電感傳感器的電感相對(duì)變化量為：當(dāng)，上式展開成泰勒級(jí)數(shù)：忽略高次項(xiàng)，可得:差動(dòng)變隙式自感傳感器的靈敏度為非線性誤差為差動(dòng)式電感傳感器的電感相對(duì)變化量為：當(dāng)，上式展開成泰勒級(jí)數(shù)：11①差動(dòng)式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍②差動(dòng)式自感傳感器非線性失真小,如當(dāng)Δδ/δ=10％時(shí),單線圈γ＜10％；而差動(dòng)式的γ

＜1％③采用差動(dòng)式傳感器，還能抵消溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾、電磁吸力等因素對(duì)傳感器的影響

75502505075100L/mHδ/mm10025LD4321ⅠⅡ12341線圈Ⅰ自感特性曲線；2線圈Ⅱ自感特性曲線；3線圈Ⅰ與Ⅱ差動(dòng)自感特性曲線；4差動(dòng)電橋輸出電壓－位移特性曲線①差動(dòng)式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍75502512δLΔL1ΔL2L0δ0

注意?、佼?dāng)氣隙δ發(fā)生變化時(shí)，自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系，其非線性程度隨氣隙相對(duì)變化Δδ/δ的增大而增加；②氣隙減少Δδ所引起的自感變化ΔL1與氣隙增加同樣Δδ所引起的自感變化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值隨Δlδ/lδ的增加而增大。δLΔL1ΔL2L0δ0注意！133.1.3傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路圖中B點(diǎn)的電壓為：圖中A點(diǎn)的電壓為：變壓器電橋輸出電壓：討論：（1）當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，Z1=Z2=Z，這時(shí)U0=0,電橋平衡；（2）當(dāng)鐵芯向下移動(dòng)時(shí)，下面線圈的阻抗增加，Z2=Z+ΔZ，上面線圈的阻抗減小，Z1=Z-ΔZ得：3.1.3傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路圖中B點(diǎn)的電壓為：圖中A點(diǎn)的電14反之，當(dāng)鐵芯向上移動(dòng)同樣大小的距離時(shí)，Z2=Z-ΔZ,Z1=Z+ΔZ，得：

幅值為：輸出電壓幅值為:兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，由于E是交流電壓，所以輸出電壓U0在輸入到指示器前必須先進(jìn)行整流、濾波。電阻式橋路輸出電壓幅值為:反之，當(dāng)鐵芯向上移動(dòng)同樣大小的距離時(shí)，Z2=Z-ΔZ,Z1153.1.4影響傳感器精度的因素分析1.電源電壓和頻率波動(dòng)的影響2.溫度變化的影響3.非線性特性的影響4.輸出電壓與電源電壓之間的相位差5.零位誤差的影響3.1.4影響傳感器精度的因素分析1.電源電壓和頻率波動(dòng)的影166.2差動(dòng)變壓器式傳感器(linearvariabledifferentialtransformers(LVDTs))分氣隙式、變面積和螺線管等。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。1初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵24123螺管型基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。6.2差動(dòng)變壓器式傳感器分氣隙式、變面積和螺線管等。目前多采173.2.1螺管形差動(dòng)變壓器1.工作原理副Ⅰ0EsEs1Es2x副Ⅱ原線圈差動(dòng)變壓器輸出電勢與銜鐵位移的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。

～～～EsRs1Rs2Es1Es2EpRpM1M2Ls1Ls2LpIp3.2.1螺管形差動(dòng)變壓器1.工作原理副Ⅰ0EsEs1Es2182.基本特性分析～～～EsRs1Rs2Es1Es2EpRpM1M2Ls1Ls2LpIp（1）輸出特性初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為:輸出電壓：將電流寫成復(fù)指數(shù)形式：

則

2.基本特性分析～～～EsRs1Rs2Es1Es2EpRpM19則輸出電壓為：討論:（1）磁芯處于中間平衡位置時(shí)，互感M1=

M2=M，則Es=0；（2）磁芯上升時(shí)，M1=

M+ΔM，M2=

M-ΔM，則(3)磁芯下降時(shí)，M1=

M-ΔM，M2=

M+ΔM，則則輸出電壓為：討論:（1）磁芯處于中間平衡位置時(shí)，互感M120（2）靈敏度定義：差動(dòng)變壓器在單位電壓激勵(lì)下，鐵芯移動(dòng)單位距離時(shí)的輸出電壓；單位：V/mm/V；（3）頻率和相位特性應(yīng)用時(shí)激磁頻率一般在400Hz到5kHz的范圍內(nèi)選擇。（a）頻率特性（b）負(fù)載對(duì)頻率特性的影響

差動(dòng)變壓器的輸出特性與激勵(lì)頻率、負(fù)載電阻大小有關(guān)

（2）靈敏度定義：差動(dòng)變壓器在單位電壓激勵(lì)下，鐵芯移動(dòng)單位距21

設(shè)差動(dòng)變壓器的負(fù)載電阻為，感應(yīng)電勢在上產(chǎn)生的輸出電壓為

式中，,。則則輸出電壓的幅值和相位分別為設(shè)差動(dòng)變壓器的負(fù)載電阻為，感應(yīng)電勢在上產(chǎn)生22(4)線性度一般差動(dòng)變壓器的線性范圍約為線圈骨架長度的1/10~1/4。(5)溫度特性差動(dòng)變壓器的使用溫度通常為80℃3.2.2差動(dòng)變壓器的測量電路1.差動(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性，在f點(diǎn)為“＋”，e點(diǎn)為“–”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點(diǎn)為“–”，e點(diǎn)為“＋”，則電流路徑是ehdcgf?？梢?，無論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，通過電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個(gè)次級(jí)線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見圖（b），其值為USC=eab＋ecd。(4)線性度(5)溫度特性3.2.2差動(dòng)變壓器的測量電路1.23全波整流電路和波形圖～e1RRcabhgfdeUSC銜鐵在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd銜鐵在零位以上銜鐵在零位(b)(a)在f點(diǎn)為“＋”，則電流路徑是fgdche(參看圖a)。反之，如f點(diǎn)為“–”

，則電流路徑是ehdcgf。全波整流電路和波形圖～e1RRcabhgfdeUSC銜鐵在e243.3渦流式傳感器(Eddycurrentsensors)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，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(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀流動(dòng)的感應(yīng)電流，稱之為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。渦流的大小與金屬的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、幾何尺寸、產(chǎn)生磁場的線圈與金屬的距離x，線圈的激磁電流及其頻率等參數(shù)有關(guān)。若固定其中的若干參數(shù)，就能按渦流的大小測量出另外某一參數(shù)。電渦流式傳感器是一種建立在電渦流效應(yīng)原理上的傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量線性范圍大、抗干擾能力強(qiáng)以及體積較小等一系列優(yōu)點(diǎn)。電渦流式傳感器可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、位移、尺寸、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度等參數(shù)的非接觸測量，并且還可以進(jìn)行無損探傷。3.3渦流式傳感器(Eddycurrentsensors251.高頻反射式電渦流傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理1234561-線圈2-框架3-襯套4-支架5-電纜6-插頭1.高頻反射式電渦流傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理1234561-線26測量時(shí)線圈的等效阻抗為：

測量時(shí)線圈阻抗隨金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、線圈激勵(lì)電流的角頻率ω以及線圈與金屬導(dǎo)體的距離x等參數(shù)變化，即：

若能控制式中其它參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，這樣阻抗就能成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)該參數(shù)的測量。測量時(shí)線圈的等效阻抗為：測量時(shí)線圈阻抗隨金屬導(dǎo)體的電阻率ρ272.測量電路（1）調(diào)頻式電路

（2）調(diào)幅式電路

（a）調(diào)幅式電路原理圖（b）輸出特性2.測量電路（1）調(diào)頻式電路28自感式壓力傳感器3.4電感式傳感器應(yīng)用舉例3.4電感式傳感器應(yīng)用舉例29變氣隙式差動(dòng)壓力傳感器變氣隙式差動(dòng)壓力傳感器30

微壓力變送器將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式的壓力傳感器。～220V1接頭2膜盒3底座4線路板5差動(dòng)變壓器6銜鐵7罩殼V振蕩器穩(wěn)壓電源差動(dòng)變壓器相敏檢波電路1234567這種變送器可分檔測量(–5×105～6×105)N/m2壓力