电感式传感器

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1、非线性误差,缺点？,上文回顾,应变式电阻式传感器转换电路压阻式电阻传感器原理：特性：,单臂电桥,半桥式差动,交流电桥,带温补的半桥,缺点？,零点漂移,缺点？,温度误差,带温补的差动半桥,带温补的全桥,温度性能、线性度,压阻效应,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量（自感或互感）的一种装置。 可用来测位移、压力、振动等多种非电量，既可用于静态测量，又可用于动态测量。,分类:,电感式传感器,自感型,可变磁阻式,涡流式,互感型,第三章 电感式传感器,第三章 电感式传感器,差动变压器式,第三章 电感式传感器,3-1 自感式传感器,a) 气隙型 b) 截面型 c) 螺管型,原理,结构

2、形式,变间隙式、变面积式和螺管式。,第三章 电感式传感器,归结于三种类型,一、自感式传感器的工作原理,第三章 电感式传感器,铁心的结构和材料确定后，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。,第三章 电感式传感器,螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而变化的基础上。,第三章 电感式传感器,1. 变气隙式自感传感器,气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,L与之间是非线性关系,磁路总的磁阻为,线圈的电感为,第三章 电感式传感器,变间隙式电感传感器L-特性,第三章 电感式传感器,第三章 电感式传感器,2. 变面积式自感传感器,第三章 电感式传感器,第三章 电感式传感器,二、自感传感器的转换电路,转

3、换电路类型：*调幅式：xA 调频式： xf（） 调相式： x,阻抗发生变化,(1) 变压器电桥,输出空载电压,衔铁偏离中间零点时,初始平衡状态，Z1=Z2=Z, u0=0,图 变压器电桥,1、调幅电路,第三章 电感式传感器,传感器衔铁移动方向相反时,空载输出电压,只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相敏检波器。,第三章 电感式传感器,(2) 相敏检波电路,电路作用：辨别衔铁位移方向。 U0的大小反映位移的大小，U0的极性反映位移的方向。消除零点残余电压。使x=0时，U0=0。,A,B,C,第三章 电感式传感器,D,（3）谐振式调幅电路,电路的灵敏度

4、很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。,第三章 电感式传感器,谐振点的自感值,传感器自感变化将引起输出电压频率的变化。,G,C,L,f,2. 调频电路,第三章 电感式传感器,f 较大时有较高的精度。,存在严重非线性。,传感电感变化将引起输出电压相位变化,3.调相电路,图 调相电路,第三章 电感式传感器,第三章 电感式传感器,第三章 电感式传感器,自感传感器的灵敏度：（传感器测头+转换电路）总灵敏度,传感器结构（测头）灵敏度：,转换电路灵敏度：,总灵敏度：,传感器灵敏度单位：mV/（m V）,三、自感式传感器的灵敏度,第三章 电感式传感器,线圈N2中的互感电动势：,二次线圈的开路输出电压：

5、,二次线圈的开路输出电压随互感的变化而变化。,3-2 互感式传感器,一、互感传感器的转换电路,第三章 电感式传感器,二、互感传感器的转换电路,1、反串电路: (二次线圈反相串接),衔铁在平衡位时活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响, 使M1M2 ，反之即：当衔铁位移发生变化时，输出电压会随之发生变化,第三章 电感式传感器,二、互感传感器的转换电路,2、桥路:,桥路的灵敏度为前面反串电路的0.5，但其优点是利用RP可进行调零，不再需要另外配置调零电路。,上文回顾,电感式传感器自感式原理转换电路灵敏度互感式原理转换电路,调幅式,调频式,调相式,反串电路,桥路,变压器电桥,谐振式,2、零残电压过大带来

6、的影响：灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作,1、定义：在调幅式电路中，当u0=0时，应有Z1=Z2=Z，而Z包含两部分R和L，只有两部分分别相等时（即R1=R2，L1=L2），才能保证u0=0。但在实际中很难达到，实际的u0x曲线如图，x=0时， u0=e0，称为零点残余电压。,第三章 电感式传感器,3-3 零点残余电压,1 基波正交分量,(a)残余电压的波形,(b)波形分析,Ui,UZ,图中Ui为差动变压器初级的激励电压，UZ为零点残余电压,2 基波同相分量,3 二次谐波,4 三次谐波,5 电磁干扰,第三章 电感式传感器,

7、基波分量 由于两个电感线圈不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个线圈的感应电动势数值不等。,3、零点残余电压产生原因：,第三章 电感式传感器,第三章 电感式传感器,自感线圈的等效电路,自感线圈不是一个纯电感，除了电感量L之外，还存在线圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。,Rc 铜损电阻；Re 铁心涡流损耗；Rh 铁心的磁滞损耗；C 分布等效电容（线圈 绕组间）。,高次谐波 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外

8、，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。,3、零点残余电压产生原因：,第三章 电感式传感器, 从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。,4、消除零点残余电压方法：,第三章 电感式传感器,采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，产生零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特

9、性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。,相敏检波后的输出特性, 选用合适的测量电路,第三章 电感式传感器,第三章 电感式传感器,实用相敏检波电路, 采用补偿线路,在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。,A、在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并联电阻R是为了利用R的分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。,第三章 电感式传感器,串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。,第三章 电感式传感器,在次级绕组侧并联电位器W用于电气调零，改变

10、两个次级线圈输出电压的相位。电容C可有效的补偿高次谐波。,接入补偿电阻R以避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残存电压。,第三章 电感式传感器,第三章 电感式传感器,电感式传感器一般用于接触测量，它主要用于位移测量，也可以用于振动、压力、流量、液位等参数测量。,3-4 电感式传感器的应用,厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.,可测量的物理量包括,第三章 电感式传感器,板的厚度测量,第三章 电感式传感器,张力测量,第三章 电感式传感器,下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器,旁向式差动电感式传感

11、器,总行程： 1.5mm 测量力：0.40.7N示值变动性：0.2m,轴向式差动电感式传感器,总行程： 3mm 测量力：0.450.65N示值变动性：0.03m,总行程：1.5mm 测量力：0.120.18N示值变动性：0.05m,第三章 电感式传感器,轴向式差动变压器式传感器,总行程： 100mm 线性度：0.15%,总行程： 2 7mm 测量力：0.91.2N示值变动性：0.5m,第三章 电感式传感器,电子卡规、塞规,特点：不仅可以测量微米级直径，而且通过其在孔内旋转和平移可以测量其椭圆度和圆柱度被测孔内径范围:25120mm 测量力：1.30.3N示值变动性：1m,特点：不仅可以测量微米

12、级直径，还可以测量轴的椭圆度和圆柱度被测轴直径范围:25120mm 测量力：41.5N示值变动性：1m,第三章 电感式传感器,特点：可单传感器测量，也可两个传感器进行和差演算测量,指标,电感测微仪,电感测微仪是一种能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器，它由主体和测头两部分组成，配上相应的测量装置（例如测量台架等），能够完成各种精密测量。例如，检查工件的厚度、内径、外径、椭圆度、平行度、直线度、径向跳动等，被广泛应用于精密机械制造业、晶体管和集成电路制造业以及国防、科研、计量部门的精密长度测量。目前，国内常用的电感测微仪有指针式和数字式两种 。,第三章 电感式传感器,轮廓仪,轮廓仪：测量工件表面轮

13、廓状况的仪器,按起伏节距的大小分为：微观不平度、波度、宏观几何形状误差,微观不平度：表面粗糙度，其粗高与粗距都很小。波 度：是一种周期性的起伏，其波距比波高大得多。宏观形状误差： 如直线度、平面度、圆度误差 等，它的波距很大，在一个表面上只有几个起伏，甚至不呈周期性变化。,第三章 电感式传感器,第三章 电感式传感器,典型电动轮廓仪组成框图,第三章 电感式传感器,第三章 电感式传感器,3-5 电涡流式传感器,电涡流传感器可以测量位移、厚度、转速、振动、硬度等参数，还可以进行无损探伤，是一种应用广泛且有发展前途的传感器。 电涡流传感器是利用电涡流效应原理，将位移等非电量转换为阻抗的变化（或电感的变

14、化，或Q值的变化），从而进行非电量电测的。,第三章 电感式传感器,一、高频反射式涡流传感器工作原理,一个通有交变电流 的线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场H1，当被测导体置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流 ，电涡流也将产生一个新磁场H2， H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生改变。, 线圈等效外半径,第三章 电感式传感器,一般地说，传感器线圈的阻抗、电感和品质因数的变化与导体的几何形状、电导率、磁导率有关，也与线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间距离有关。如果控制上述参数中一个变化，其余皆不变化，就可以构成测位移、测

15、温度、测硬度等各种传感器。,下面分析一下电涡流对电路参数的影响。,第三章 电感式传感器,首先把被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环，这样可使得分析问题更简便。这个简化模型可用下面的等效电路图来表示。,假定传感器线圈原有电阻R1，电感L1，则其复阻抗 Z1=R1+jL1,当有被测导体靠近传感器线圈时，则成为一个耦合电感，线圈与导体之间存在一个互感系数M，互感系数随线圈与导体之间距离的减小而增大。短路环可看作一匝短路线圈，电阻为R2，电感为L2。,第三章 电感式传感器,解方程组，可知传感器工作时复阻抗为：,电感为：,电阻为：,品质因数：,涡流环部分阻抗的平方,电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗值与其等效损耗电阻之比,二、高频反射式电涡流传感器的测量电路,若能控制器中大部分参数恒定不变，只改变器中一个参数，则阻抗为该参数的单值函数。,第三章 电感式传感器,电阻率,磁导率,被测物体与线圈距离,电流角频率,常用的电路有：电桥电路、谐振电路、正反馈电路等，本文主要讲谐振电路。,1、调幅式电路,L、C组成谐振电路，谐振频率,第三章 电感式传感器,源极跟踪器,交流放大器,检波滤波器,x,VDC,振荡器,R,