传感器第5章

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1、第5章 电感式传感器 第5章 电感式传感器 5.1 自感式传感器 5.2 差动变压器式传感器 5.3 电涡流式传感器 5.4 感应同步器 思考题与习题 第5章 电感式传感器 5.1 自感式传感器 5.1.1 工作原理 自感式传感器是把被测量转换成线圈的自感L变化，通 过一定的电路转换成电压或电流输出，图5.1所示为自感式 传感器的原理图。 第5章 电感式传感器 图5.1 自感式传感器原理图 第5章 电感式传感器 尽管在铁芯与衔铁之间存在一个空气间隙，但由于其 值不大，所以磁路是封闭的。根据电感的定义，线圈中的自 感可由下式确定 式中：、N线圈的总磁链和匝数； I流过线圈的电流； Rm磁路的总磁

2、阻。 (5.1) 第5章 电感式传感器 由于空气间隙d较小，可认为气隙磁场是均匀的，如果 忽略磁路铁损，那么总磁阻为 式中：li、 mi、Ai各段导磁体的长度、磁导率和截面积 ； d 、 m0、A空气间隙的长度、磁导率(m0=4p107 H/m)和截面积。 (5.2) 第5章 电感式传感器 将磁阻Rm代入式(5.1)中可得 由于铁芯和衔铁通常是用高导磁材料制成的，如电工纯 铁、镍铁合金或硅铁合金等，而且工作在非饱和状态下，其 磁导率远大于空气间隙的磁导率，故式(5.3)可简化为 (5.3) (5.4) 第5章 电感式传感器 5.1.2 结构类型 1. 变气隙式自感传感器 如果保持气隙磁通截面积

3、A不变，则自感L为气隙长度 的单值函数，可构成变气隙式自感传感器，其特性曲线如图 5.2所示。设初始状态气隙长度为0，则自感为 当衔铁向上移动d时，气隙减少为d=d0d，则自感变为 (5.5) (5.6) 第5章 电感式传感器 图5.2 变气隙式自感传感器特性曲线 第5章 电感式传感器 自感变化量为 当 时，将式(5.7)展开成泰勒级数形式，即 (5.7) (5.8) 第5章 电感式传感器 同理，当衔铁向下移动时，气隙增大为d=d0+d。自感 变化量为 若忽略式(5.8)和式(5.9)中的高次项, 则DLL0(d/d0)， L与d成正比，因此高次项的存在是产生非线性误差的主 要原因。其灵敏度S

4、为 (5.9) (5.10 ) 第5章 电感式传感器 为了减小非线性误差，在实际测量中多采用差动式结构 ，如图5.3所示。由两个完全相同的电感线圈共用一个衔铁 及相应磁路组成。衔铁与被测件相连，测量时被测件上下移 动，带动衔铁以相同的位移上下移动，使两个磁回路中的磁 阻发生大小相等、方向相反的变化，线圈的自感量一个增加 ，另一个减小，形成差动式结构。使用时，两个电感线圈接 在交流电桥的相邻桥臂上，另外两个桥臂上接固定电阻R1和 R2。 第5章 电感式传感器 图5.3 差动式变气隙自感传感器 第5章 电感式传感器 当衔铁向上下移动时，两个线圈的自感变化量L1与 L2大小相等、符号相反，总自感变化

5、量L=L1L2=L1+ L2，即 差动式结构的灵敏度S为 (5.11 ) (5.12 ) 第5章 电感式传感器 比较以上各式可得出如下结论： (1) 差动式结构比单个线圈的灵敏度提高一倍； (2) 差动式结构的非线性误差小，比单个线圈的线性度 提高约一个数量级。 变气隙式自感传感器的灵敏度高，对电路的放大倍数要 求低。但是非线性严重，为了减小非线性，量程必须限制在 较小范围内，通常为气隙长度的1/5以下，并且这种传感器 制造装配比较困难。 第5章 电感式传感器 2. 变面积式自感传感器 变面积式自感传感器的结构如图5.4所示。气隙长度保 持不变，铁芯与衔铁之间的相对覆盖面积(即磁通截面)随被

6、测量的改变而改变，从而引起线圈的自感量变化。 第5章 电感式传感器 图5.4 变面积式自感传感器 第5章 电感式传感器 设初始磁通截面(即铁芯截面)的面积为A=ab(a、b为铁 芯截面的长度和宽度)，当衔铁沿铁芯截面长度方向上下移 动x时，自感量L为 灵敏度S为 (5.13) (5.14) 第5章 电感式传感器 3. 螺管式自感传感器 图5.5所示为螺管式自感传感器的结构原理图。在线圈 中放入圆柱形衔铁，当衔铁左、右移动时，自感量也将发生 相应变化。 第5章 电感式传感器 图5.5 螺管式自感传感器 第5章 电感式传感器 单线圈螺管式传感器的自感变化量可近似表示为 式中：lc、rc、lc衔铁的

7、长度、半径和位移量； l、r线圈的长度和半径(通常要求螺管线圈 )； r导磁体相对磁导率。 (5.15) 第5章 电感式传感器 为了提高灵敏度与线性度，多采用差动螺管式自感传感 器，其结构如图5.5(c)所示，磁场强度分布曲线如图5.5(d)所 示。设衔铁长度为2lc、半径为rc，线圈长度为2l、半径为r， 当衔铁向左或向右移动lc时，两个线圈的自感变化量L1与 L2大小相等、符号相反，总自感变化量为 (5.16) 第5章 电感式传感器 差动螺管式自感传感器的自感变化量L与衔铁的位移 量lc成正比，其灵敏度比单线圈螺管式提高一倍。它具有 以下特点： (1) 线性范围和量程较大，但空气隙大、磁路

8、磁阻大， 其灵敏度较低； (2) 磁路大部分为空气，易受外界磁场干扰； (3) 为达到一定的自感量，线圈的匝数较多，线路分布 电容大； (4) 线圈的骨架尺寸和形状必须稳定，否则会影响其线 性和稳定性； (5) 制造装配方便，批量生产的互换性强，应用越来越 多。 第5章 电感式传感器 5.1.3 信号调理电路 1. 调幅电路 1) 变压器电桥 图5.6(a)所示为变压器电桥原理图，Z1和Z2为传感器两 个线圈的阻抗，接在电桥的相邻两臂，另外两臂为电源变压 器次级线圈的一半，电压为u/2。输出空载电压为 (5.17) 第5章 电感式传感器 图5.6 变压器电桥 第5章 电感式传感器 初始平衡状态

9、下Z1=Z2=Z0，uo=0。当衔铁偏离中间位置 时，设Z1=Z0Z，代入式(5.17)得 (5.18) 第5章 电感式传感器 2) 相敏整流电桥 图5.7(a)所示是一种带相敏整流的电桥电路，电桥由差 动式自感传感器Z1、Z2和平衡电阻R1、R2(R1=R2)组成，VD1 VD4构成相敏整流器。电桥的一个对角线接交流电源u， 另一个对角线接电压表V，当衔铁处于中间位置时，Z1=Z2= Z0，输出电压uo=0，消除了零点残余电压的影响，其输出特 性曲线如图5.7(b)所示。 第5章 电感式传感器 图5.7 相敏整流电桥 第5章 电感式传感器 2. 调频电路 调频电路也是一种常用的信号调理电路，

10、如图5.8(a)所 示。把传感器电感线圈L和固定电容C接入振荡回路中，其 振荡频率 ，当L发生变化时振荡频率也随之变 化，根据f的大小即可测出衔铁的位移量。当自感L发生的微 小变化量为L时，频率变化量f为 (5.19) 第5章 电感式传感器 图5.8 调频电路 第5章 电感式传感器 5.1.4 自感式传感器的应用 1. 自感式压力传感器 图5.9所示为自感式压力传感器的结构原理图，主要由C 形弹簧管、铁芯、衔铁和线圈等构成。当被测压力进入C形 弹簧管1时，弹簧管发生变形，其自由端产生位移，带动与 自由端刚性连接的衔铁2发生移动，使传感器线圈中的自感 量一个增加另一个减小，产生大小相等、符号相反

11、的变化量 。自感量的变化通过电桥电路转化为电压输出，并经相敏检 波电路处理，使输出信号与被测压力成正比，即传感器输出 信号的大小取决于衔铁位移量的大小，输出信号的相位取决 于衔铁移动的方向。 第5章 电感式传感器 图5.9 BYM型自感式压力传感器 第5章 电感式传感器 2. 螺管式位移传感器 图5.10所示为螺管式位移传感器，测杆7可在滚动导轨6 上作轴向移动，测杆上固定着衔铁3。当测杆移动时，带动 衔铁在电感线圈4中移动，线圈放在圆筒形铁芯2中，线圈配 置成差动式结构，当衔铁由中间位置向左移动时，左线圈的 自感量增加，右线圈的自感量减少。两个线圈分别用导线1 引出，接入测量电路。另外，弹簧

12、5施加测量力，密封套8防 止尘土进入，可换测头9用螺纹固定在测杆上。 第5章 电感式传感器 图5.10 螺管式位移传感器 第5章 电感式传感器 5.2 差动变压器式传感器 5.2.1 工作原理 差动变压器的结构如图5.11(a)所示, 主要由线圈、衔铁 和绝缘框架组成，绝缘框架上绕一组初级线圈和两组次级线 圈，并在中间圆柱孔中放入衔铁。当初级线圈加入适当频率 的激励电压u1时，两个次级线圈中就会产生感应电势，感应 电势的大小与线圈之间的互感M成正比。若两个次级线圈的 感应电势分别为e21和e22，输出接成反极性串联，如图 5.11(b)所示，则传感器总输出电压u2=e21e22。 第5章 电感

13、式传感器 图5.11 差动变压器原理及特性 第5章 电感式传感器 5.2.2 信号调理电路 1. 差动整流电路 差动整流电路是对差动变压器两个次级线圈的输出电压 分别整流后进行输出，典型电路如图5.12所示。图5.12(a)和 (b)用于低负载阻抗的场合，分别为全波和半波电流输出。 图5.12(c)和(d)用于高负载阻抗的场合，分别为全波和半波 电压输出。可调电阻Rp调整零点输出电压。 第5章 电感式传感器 图5.12 差动整流电路 第5章 电感式传感器 2. 相敏检波电路 相敏检波电路是利用参考信号来鉴别被测信号的极性， 参考信号与传感器的激励电压由同一振荡器供电，保证两者 同频同相(或反相

14、)。当传感器信号与参考信号同相时，相敏 检波电路的输出电压为正，反相时输出电压为负。相敏检波 电路输出电压的大小仅与传感器信号成比例，而与参考信号 无关。这种检波方法既反映被测信号的大小，又可以辨别其 极性，常采用半波相敏检波和全波相敏检波电路。 图5.13(a)为开关式全波相敏检波电路。 第5章 电感式传感器 图5.13 开关式全波相敏检波电路 第5章 电感式传感器 若ur0，则u为低电平， 为高电平，V1截止，V2导通， 运算放大器A2的反相输入端接地，传感器信号u2从A2的同相 输入端输入，输出电压uo为 若ur0，则u为高电平， 为低电平，V1导通，V2截止， 运算放大器A2的同相输入

15、端接地，传感器输出电压u2从A2的 反相输入端输入，输出电压uo为 (5.21) (5.20) 第5章 电感式传感器 5.2.3 零点残余电压 1. 零点残余电压产生的原因 (1) 基波分量主要是传感器两次级线圈的电气参数和几 何尺寸不对称，以及构成电桥另外两臂的电器参数不一致， 从而使两个次级线圈感应电势的幅值和相位不相等，即使调 整衔铁位置，也不能同时使幅值和相位都相等； (2) 高次谐波主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。 当磁路工作在磁化曲线的非线性段时，激励电流与磁通的波 形不一致，导致了波形失真；同时，由于磁滞损耗和两个线 圈磁路的不对称，造成了两线圈中某些高次谐波成分，于是 产生

16、了零位电压的高次谐波； (3) 激励电压中包含的高次谐波及外界电磁干扰，也会 产生高次谐波。 第5章 电感式传感器 2. 零点残余电压的消除 根据零点残余电压产生的原因，可以从以下几方面进行 消除： (1) 从设计工艺上保证结构对称性。首先，要保证线圈 和磁路的对称性，要求提高衔铁、骨架等零件的加工精度， 线圈绕制要严格一致，必要时可选配线圈。采用磁路可调式 结构，保证磁路的对称性。其次，铁芯和衔铁材料要均匀， 应选高导磁率、低矫顽磁力、低剩磁的导磁材料，如根据需 要选用磁滞小的硅钢片、铁镍合金等材料外(根据激励电压 频率选定)，还要经过热处理消除残余机械应力，以提高磁 性能的均匀和稳定性。另外，减小激励电压的谐波成分或利 用外壳进行电磁屏蔽，也能有效地减小高次谐波； 第5章 电感式传感器 (2) 选用合适的信号调理电路。消除零点残余电压的最 有效的方法是在放大电路前加相敏检波电路，不仅使输出电 压能反映衔铁移动的大小和方向，而且使零点残余电压减小 到可以忽略不计的程度； (3)