《传感器原理及应用全套配套课件ppt动画教学大纲第5章电感式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器原理及应用全套配套课件ppt动画教学大纲第5章电感式传感器（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第5章 电感式传感器,传感器原理与应用,主要内容： 5.1 变磁阻式电感传感器 5.2 差动变压器式电感传感器 5.3 电涡流式传感器,电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装塞选,用电感传感器实现的自动检测控制装置,各种电感式传感器,非接触式位移传感器,测厚传感器,电 感 粗 糙 度 仪,接近式开关,概述,电感式传感器利用电磁感应定律将被测量（如位移、压力、振动）转换为电感的自感或互感的变化。 电感式传感器是一种机电转换装置，特点是体积大，灵敏度高，输出信号大，在自动控制设备中广泛应用。,电感式传感器按结构可分为： 自感式电感传感器 互感式电感传感器 电涡流式电感传感器,5.1 （自感式）变磁
2、阻式电感传感器 5.1.1 工作原理,传感器结构: 铁芯、线圈、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为0 ; 传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时发生变化引起磁路的磁阻 Rm 变化，使电感线圈的电感值 L变化。,Rm ：磁路总磁组； RF ：铁芯磁阻; R ：气隙磁阻; : 隙厚度； S0 : 气隙的截面积；0 : 真空导磁率。,由于磁路的气隙磁阻远大于铁心磁阻，可近似为气隙磁阻：,5.1.1 工作原理,线圈电感量可按下式计算：,式中：N 为线圈匝数 ； 变磁阻式传感器又分为： 变气隙厚度型（） 变气隙截面积型（S0）,可见只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变磁路的气隙磁阻。,5.
3、1.1 工作原理,角度,截面积,厚度,下面以变气隙厚度型进行讨论,5.1.2 输出特性 （变气隙厚度）,衔铁位移引起的电感变化为,气隙厚度变化时，L与为反比关系,电感初始气隙0 处，初始电感量为,特性曲线非线性,0 ,5.1.2 输出特性,/ 1 时，可将前式用泰勒级数展开,求出电感增量,衔铁下移时电感的相对增量增大,衔铁上移时电感的相对增量减小,5.1.2 输出特性,满足/ 1时，忽略高次项（非线性项）， 有：电感相对变化量与气隙变化成正比关系,定义变磁阻式传感器的灵敏度为：,对上式作线性处理,即，衔铁的气隙变化 引起的电感相对变化量,5.1.2 输出特性,讨论： 传感器测量范围与灵敏度k0
4、相矛盾；与线性度/0 相矛盾； /0 越小高次项迅速减小，非线性误差越小，但传感器量程变小； 变间隙式电感传感器用于小位移比较精确，一般取/0 = 0.10.2 ，（12mm/10mm）； 为减小非线性误差实际测量中多采用差动形式。,5.1.2 输出特性,差动式原理 差动变隙式由两个相同的线圈L1、L2 构成磁路。 当被测量通过导杆使衔铁（左右）位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。,当衔铁移动时，两个电感一个增加另一个减小变化时,两个电感量产生相对变化为总的电感变化,5.1.2 输出特性,对上式进行线性处理，忽略高次项得到： 气隙相对变化引起的电感的相对变化为,差
5、动变隙式总的电感变化为：,差动形式的电感输出灵敏度为单线圈的两倍,5.1.2 输出特性,1） 比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍； 2） 差动式非线性项与单线圈相比，多乘了(/)因子； 不存在偶次项使/0 进一步减小，线性度得到改善。 3） 差动式的两个电感结构可抵消部分温度、噪声干扰。,差动形式与单线圈比较,结论：,传 感 器 线 圈 结 构,5.1.3 （L-U 转换）测量电路,两个桥臂由相同线圈组成差动形式，另外两个为平衡电阻,差动变隙式交流电桥结构示意图 等效电路,（1）交流电桥式检测电路,差动变隙式,5.1.3 测量电路,电桥输出电压U0与气隙变量有正比关系， 与输入桥压有关，桥压
6、UAC 升高输出电压U0 增加； 桥路输出电压与初始气隙0 有关，0 越小输出越大。,交流电桥电压输出：线圈品质因素Q 较高时可以消除正交分量（参见3章交流电桥，输出电压一个与电源同相的分量） 电桥输出为：,5.1.3 测量电路,电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占1/2，交流供电。 桥路输出电压为：,（2）变压器式交流电桥检测电路,5.1.3 测量电路,衔铁移动相同距离时，输出电压大小相等方向相反，相差180，要判断衔铁方向就是判断信号相位，可采用相敏检波电路解决。该电路最大特点是输出阻抗较小，其输出阻抗为,当衔铁偏移时， Z1 Z2，输出电压为正,当衔铁偏向另一
7、方向 Z1 Z2，输出电压为负,当衔铁在中间位置：Z1 = Z2 ， U0 = 0,5.1.3 测量电路,调幅式电路,调频电路,输出幅值随电感L变化， L0 为谐振点的电感值；,电感L变化时谐振频率 f0 变化， f0 = 1/（2（LC）1/2） 线性范围小,（3）谐振式（调幅、调频、调相）,5.1.4 变磁阻式传感器的应用,被测压力经过位移、电压两次转换输出,差动变隙式电感传感器压力测量原理,5.1.4 变磁阻式传感器的应用,变隙式压力测量原理,5.1.4 变磁阻式传感器的应用,游标卡尺分辨率为0.02mm; 千分尺分辨率为0.01mm。现代机械加工要求测量工具的分辨率高于公差的一个数量级
8、（m），传统工具无法实现，电感传感器的分辨率可达0.01m，可优于要求公差。,变隙式原始气隙0可取得很小, 0 = 0.10.5mm, 当 =1m 时，L / L0可达 1/100 1/500。 变隙式传感器灵敏度高； 缺点是非线性严重，自由行程小，工艺制作难。,5.1.4 变磁阻式传感器的应用,测量工具结构示意图,测量工具结构示意图,电感式游标卡尺、千分尺、深度尺、高度尺,5.2 （互感式）差动变压器式传感器 5.2.1 工作原理,结构 塑料骨架上绕制线圈,中间初级，两边次级,铁芯在骨架中间可上下移动; 这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。 差动变压器的结构形
9、式较多,应用最多的是螺线管式差动变压器(介绍三节式),可测量1100mm 范围内机械位移。,把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。,5.2.1 工作原理,等效电路 初级线圈L1，次级线圈L2a、L2b须反相连接，保证差动形式 如果线圈完全对称，并且铁芯处于中间位置时两线圈互感系数相等,差动输出电压为零：,并且有两线圈电动势相等,次级线圈同名端反向连接,5.2.1 工作原理,差动变压器的输出电压大小和符号 反映了铁心位移的大小和方向。,当铁芯上下移动时，输出电压大小、极性随铁芯位移变化,若铁芯上移,若铁芯下移,输出电压与输入同相位,输出电压与输入反相,5.2.2 基
10、本特性,由此得到差动变压器输出电压有效值为 ：,差动变压器输出电压与互感的差值成正比。,根据电磁感应定律，次级感应电动势与互感关系分别为：,输出电压 次级开路时，初级电流 代入上式,5.2.2 基本特性,铁芯向上移（右移）输出与E2a同极性；,差动变压器输出是被互感大小调制的交流电压，存在相位问题，有正负变化。,铁芯向下移（左移）输出与E2b同极性；,铁芯在中间位置时,1.差动变压器输出电压幅值取决于互感M， 即铁芯在线圈中移动的距离X，U0与Ui的相 位决定铁芯的移动方向； 2.输出电压的正、负（反相）结果，经相敏 检波后输出曲线反行程翻转为过零直线； 3.输出电压U0与激励电压Ui有关，应
11、尽可能大； U0与激励频率成正比，中频在4001000Hz；,差动变压器灵敏度可达 0.15V/mm； 性能包括三个内容: 传感器类型、转换电路、电源。 出厂标定灵敏度规定：输出电压U0 /1V/衔铁位移1m,讨论,差动变压器输出 电压和位移的关系,5.2.3 零点残余电压,理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零，而实际输出 U00，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。,产生零点残余电压的原因是： 1. 由于两个次级线圈绕组电气参数（M互感；L电感；R内阻）不 同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同， 2. 电源中高次谐波，线圈寄生电容的存在
12、等，使实际的特性曲线总有最小输出。 零点残余电压主要成分是频率、幅度不同 的基波、谐波.零点残余电压过大会使灵敏 度下降，非线性误差增大，放大器末级饱和， 因此是直接影响传感器质量的参数。 为减小零点残余电压的影响 变压器工艺上采取措施，电路补偿等.,5.2.3 零点残余电压,为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补偿,电路补偿的方法较多,可采用以下方法。 串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异； 并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量； 加反馈支路：初、次级间反馈，减小谐波分量； 相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。 这些电路可单个使用也可综合使用，需要通过实验证实效
13、果,5.2.3 零点残余电压,不同形式的零点残余电压补偿电路,哪个部分是传感器？ 二极管组成的是什么电路? 电阻R0、电容C有什么作用？ 已知初级信号为正弦波（上+下-），画出次级信号波形； 分析整流电路的输出电流电压是方向，（上半周下半周）； 如果铁芯上移，分析输出电压 U0 = UAO-UBO的极性。,讨论差动整流电路 （请同学回答问题）,5.2.4 测量电路,（1）差动整流电路,5.2.4 测量电路,差动变压器输出交流信号,为正确反映位移大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。 差动整流电路输入一交流 信号时，无论极性如何，整 流电路的输出电压始终为 U0 = UAO-UBO 上绕
14、组输出始终为 U24 下绕组输出始终为 U68 R0为调零电阻,（1）差动整流电路,5.2.4 测量电路,整流电路的输出电压大小极性与铁心位置有关： 铁心T在中间位置时，U24 = U68 ， U0 = 0 ; 铁心T上移， U24 U68 ，U0 0 ； 铁心T下移， U24 U68 ， U0 0 。,（1）差动整流电路,5.2.4 测量电路,差动整流电路分析动画演示： 差分整流上线圈上半周 差分整流上线圈下半周 差分整流下线圈上半周 差分整流下线圈下半周,铁芯上移 铁芯下移,差动整流电路的特点：结构简单，可以不考虑相位调整 和零点残余电压的影响,分布电容影响小，便于远距离 传输。,5.2.
15、4 测量电路,（2）集成相敏检波电路 差动变压器输出与差动放大器连接,5.2.4 测量电路,（2）集成相敏检波电路 输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转 由，工作曲线为过零点的直线。,相敏检波前后输出特性,L1、L2传感器作两个桥臂；C1、C2为另外两个桥臂； D1 D4组成相敏整流器；磁饱和变压器T提供桥压。,被测厚度正常时，L1= L2，Uc=Ud，IM= 0； 设厚度变化，T上移，L1L2，Z1Z2 正半周（a+，b-）时，D1、D4导通， I1I4 ； 负半周（a-，b+）时，D2、D3导通， I3I2 ；,3.电感测厚仪（二极管相敏检波电路),无论极性如何始终有 UdUc ,电流方向 若T下移，L1 L2， Z1 Z2， UdUc ， 电流方向。,5.2.5 差动变压器式传感器应用,差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。,压差计 当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。,液位测量 沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。,变压器与被测件固定，铁心连接在悬臂弹簧的自由端。,差动变压器结构形式,5. 2. 5 差动变压器式传感器应用,电感测厚仪,电感位移测量仪,差动变压器式压力传感器,
