传感器cgqb6讲解

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1、第6章 电感式传感器 6.1 电感式传感器 6.2 差动变压器式电感传感器 6.3 电涡流式传感器 6.4 电感式传感器的应用,电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。 将非电量转换成自感系数变化的传感器通常称为自感式传感器（又称电感式传感器），而将非电量转换成互感系数变化的传感器通常称为互感式传感器（又称差动变压器式传感器）。,被测物理量,位移 振动 压力 流量 比重,的变化,传感器,自感系数 L 互感系数 M,的变化,电路,电压 电流,变磁阻式传

2、感器 自感型 差动变压器式传感器 互感型 涡流式传感器 自感型和互感型都有,高频反射式 自感型 低频透射式 互感型,电感式传感器种类很多，本章主要介绍自感式、互感式和涡流式三种传感器。,6.1 电感式传感器 6.1.1 电感传感器的工作原理和等效电路 1工作原理 电感传感器有衔铁、铁芯和匝数为W的线圈三部分构成。传感器测量物理量时衔铁的运动部分产生位移，导致线圈的电感值发生变化，根据定义，线圈的电感为 式中 RM磁阻，它包括铁芯磁阻和空气隙的磁阻，即,铁磁材料各段的磁阻之和，当铁芯一定时，其值为一定； li 各段铁芯长度； mi 各段铁芯的磁导率； Si 各段铁芯的截面积； Rd 空气隙的磁阻

3、，Rd = 2d/m0S。S为空气隙截面积，d为空气隙长度，m0为空气的磁导率。,即可得电感为 因为铁芯由铁磁材料制成，其磁阻与气隙磁阻相比很小，上式分母中右边第一项可忽略。这时有 由上式可知，当线圈及铁芯一定时，W为常数，如果改变d或S时，L值就会引起相应的变化。电感传感器就是利用这一原理做成的。最常用的是变气隙长度d的电感传感器。由于改变d和S都是使气隙磁阻变化，从而使电感发生变化，所以这种传感器也叫变磁阻式传感器。,2、等效电路 电感传感器是一个带铁芯的可变电感，由于线圈的铜耗、铁芯的涡流损耗、磁滞损耗以及分布电容的影响，它并非呈现纯电感。 等效电路如图所示，其中L为电感，Rc为铜损电阻

4、，Re为电涡流损耗电阻， Rh为磁滞损耗电阻，C为传感器等效电路的等效电容。等效电容C主要是由线圈绕组的固有电容和电缆分布电容引起。电缆长度的变化，将引起C的变化。当电感传感器确定后，这些参数即为已知量。,Rc ：是电流流过电感线圈产生的欧姆热， 取决于导线材料及线圈的几何尺寸,Re ：由频率为的交变电流激励产生的交变磁场在线圈铁心中造成涡流损耗。,Rh ：磁力线方向改变，或磁动势发生变化时，分子电流变化时消耗的能量，它是磁芯发热的主要原因,当考虑并联分布电容时，阻抗为Zs,式中，Q品质因数，Q=wL/R。,忽略分布电容，电感传感器阻抗为,其中R为折合有功电阻的总电阻,当电感传感器 Q值高时，

5、即1/Q21，则上式可变为 考虑分布电容时，电感传感器的有效串联电阻和有效电感都增加了，而线圈的有效品质因数却减小。 电感传感器有效灵敏度为 考虑分布电容后，电感传感器的灵敏度增加了。因此，必须根据测试时所用电缆长度对传感器进行标定，或者相应调整并联电容。,6.1.2 自感式传感器的结构类型及特性 常见的自感式传感器有变间隙式、变面积式和螺线管式三类。 1、变间隙式电感传感器,将被测对象的微小变化(x) 电感的变化 (L) 传感器运动部分与衔铁相连，测物理量时，运动部分位移 衔铁位移 气隙厚度变化 线圈自感系数L变化,若使得衔铁向上移动取为- D d ，得此时电感为 则电感增量为 线圈电感的相

6、对变化量为 若D dd0l，则可得,同理可得当衔铁向下移动时的D LL0为 由上式可见，线圈电感与气隙长度的关系为非线性关系，非线性度随气隙变化量的增大而增大，只有当d 很小时，忽略高次项的存在，可得近似的线性关系（这里未考虑漏磁的影响）。所以，单边变间隙式电感传感器存在线性度要求与测量范围要求的矛盾。 电感L与气隙长度d 的关系如图所示。它是一条双曲线，所以非线性是较严重的。为了得到一定的线性度，一般取D d/d0=0.10.2。,差动式变间隙电感传感器，要求上、下两铁芯和线圈的几何尺寸与电气参数完全对称，当衔铁偏离对称位置移动时，使一边间隙增大，而另一边减小，两个线圈电感的总变化量为 忽略

7、高次项，其电感的变化量为 可见，差动式的灵敏度比单边式的增加了近一倍，而且差动式的（D L1+ D L2）L0式中不包含（D dd0）的偶次项，所以在相同的（D dd0）下，其非线性误差比单边的要小得多。所以，实用中经常采用差动式结构。差动变间隙电感传感器的线性工作范围一般取D dd0 = 0.30.4。,2、变面积式电感传感器 对单边式结构，在起始状态时，铁芯与衔铁在气隙处正对着，其截面积为S0=ab。当衔铁随被测量上、下移动时，,则线圈电感L为 线圈电感L与面积S（或x）呈线性关系，其灵敏度k为一常数，即 正确选择线圈匝数、铁芯尺寸，可提高灵敏度，但是采用图（b）差动式结构更好。,3、螺线

8、管式电感传感器 螺线管式电感传感器如图所示。它由螺线管形线圈、磁性材料制成的柱形铁芯和外套组成。螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁长度不同而变化的基础上。设线圈长度和平均半径分别为l和r，铁芯进入线圈的长度和铁芯半径分别为x和ra，铁芯有效磁导率为a 。,当l/rl时，可认为管内磁感应强度为均匀分布，当xl时 ,可推导得出线圈的电感量L为 L与x呈线性关系，其灵敏度K为 实际上，由于漏磁因素等的影响，管内磁场强度B的分布并非完全均匀，故特性具有非线性。但是，在铁芯移动范围内，能够寻找一段非线性误差较小的区域或者采用差动式结构，如图（b）所示，则可得到较理想的改善。,在差动式结构中，由于两线

9、圈部分完全对称，故当铁芯处于中央对称位置时，两线圈电感相等，即,电感传感器的分类比较,6.1.3 电感传感器的测量电路 电感传感器最常用的测量电路是交流电桥式测量电路，它有三种基本形式，即电阻平衡臂电桥、变压器电桥、紧耦合电感比例臂电桥。,1电阻平衡臂电桥 图（a）所示是差动电感传感器所用的电阻平衡臂电桥，它把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另两个相邻的桥臂用纯电阻R代替，对于高Q值的差动电感传感器，其输出为,电桥输出电压与D d 有关，相位与衔铁的移动方向有关。,2、变压器式电桥电路 相邻两工作臂为Z1、Z2，是差动电感传感器的两个线圈的阻抗。另两臂为变压器次级线圈的两半，输出

10、电压取自A、B两点。且传感器线圈为高 Q值，那么我们就可以推导其输出特性公式为,在初始位置，Z1Z2Z，此时桥路平衡，输出电压为0,当衔铁上移时 因为在Q值很高时，线圈内阻可以忽略，所以 同理可推出衔铁下移时 由式可见，衔铁上移和下移时，输出电压相位相反，且随D d 的变化输出电压也相应地改变。由于 是交流电压, 输出指示无法判断位移方向, 必须配合相敏检波电路来解决。,*3、紧耦合电感比例臂电桥（详见教科书） 紧耦合电感比例臂电桥常用于差动式电感或电容传感器，它由以差动形式工作的传感器的两个阻抗作电桥的工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂，组成电桥电路。紧耦合电感及其T型等效变换如图所示。,

11、6.1.4 自感式传感器的误差 一、输出特性的非线性 各种自感式传感器，在原理上或实际上都存在非线性误差。测量电路也往往存在非线性。为了减小非线性，常用的方法是采用差动结构和限制测量范围。 对于螺管式自感传感器，增加线圈的长度有利于扩大线性范围或提高线性度。在工艺上应注意导磁体和线圈骨架的加工精度、导磁体材料与线圈绕制的均匀性，对于差动式则应保证其对称性，合理选择衔铁长度和线圈匝数。另一种有效的方法是采用阶梯形线圈，如图所示。,二、零位误差 差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时，电桥输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出(零位电压)，造成零位误差，如下图(a)所示。过大的零位电压会

12、使放大器提前饱和，若传感器输出作为伺服系统(又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统 )的控制信号，零位电压还会使伺服电机发热，甚至产生零位误动作。 零位电压的组成十分复杂，如下图(b)所示。它包含有基波和高次谐波。,产生基波分量的主要原因是传感器两线圈的电气参数和几何尺寸的不对称，以及构成电桥另外两臂的电气参数不一致。由于基波同相分量可以通过调整衔铁的位置(偏离机械零位)来消除，通常注重的是基波正交分量。 造成高次谐波分量的主要原因是磁性材料磁化曲线的非线性，同时由于磁滞损耗和两线圈磁路的不对称，造成两线圈中某些高次谐波成分不一样，不能对消，于是产生了零位电压的高次谐波。此

13、外，激励信号中包含的高次谐波及外界电磁场的干扰，也会产生高次谐波。应合理选择磁性材料与激励电流，使传感器工作在磁化曲线的线性区。减少激励电流的谐波成分与利用外壳进行电磁屏蔽也能有效地减小高次谐波。,一种常用的方法是采用补偿电路，其原理为： (1)串联电阻消除基波零位电压； (2)并联电阻消除高次谐波零位电压； (3)加并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。 图()为上述原理的典型接法。图中Ra用来减小基波正交分量，作用是使线圈的有效电阻值趋于相等，大小约为0.10.5，可用康铜丝绕制。Rb用来减小二、三次谐波，其作用是对某一线圈(接于A、B间或B、C间)进行分流，以改变磁化曲线的工作点，阻值

14、通常为几百几十k。电容C用来补偿变压器次级线圈的不对称，其值通常为100500F。图(b)示出了一种传感器的实际补偿电路。,三、温度误差 环境温度的变化会引起自感传感器的零点温度漂移、灵敏度温度漂移以及线性度和相位的变化，造成温度误差。 环境温度对自感传感器的影响主要通过： (1)材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化； (2)材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化； (3)磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的介质温度系数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成。 上述因素对单电感传感器影响较大，特别对小气隙式与螺管式影响更大，而第(2)项对低频激励的传感器影响较大。,四、激励电源

15、的影响 大多数自感式传感器采用交流电桥作测量电路，电源电压的波动将直接导致输出信号的波动。因此应按传感器的精度要求选择电源电压的稳定度，电压的幅值大小应保证不因线圈发热而导致性能不稳定。此外，电源电压波动会引起铁心磁感应强度和磁导率的改变，从而使铁心磁阻发生变化而造成误差。因此磁感应强度的工作点要选在磁化曲线的线性段，以免磁导率发生较大变化。,6.2 差动变压器式电感传感器 前面介绍的自感式传感器是把被测位移量转换为线圈的自感变化，这里我们将讨论的互感传感器则是把被测位移量转换为线圈间的互感变化。差动变压器本身是一个变压器，初级线圈输入交流电压，次级线圈感应出电信号，当互感受外界影响变化时，其

16、感应电压也随之起相应的变化，由于它的次级线圈接成差动的形式，故称为差动变压器，也称互感传感器。目前应用最广泛的是螺线管式差动变压器。,(e)、(f) 变面积式差动变压器,(a)、(b) 变隙式差动变压器,(c)、(d) 螺线管式差动变压器,6.2.1 工作原理 差动变压器上下两只铁芯上均有一个初级线圈W1（也称励磁线圈）和一个次级线圈W2（也叫输出线圈）。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源电压Usr，两个次级线圈则按电势反相串联。,当d1 d2 ,Usc=0；当衔铁偏离中间位置时，两边气隙不等，次级线圈中感应的电动势不再相等，Usc不为0,6.2.2 差动变压器式传感器的特性,在理想情况下（忽略线圈寄生电容及衔铁损耗），差动变压器的等效电路如图所示，其中 Usr 初级线圈激励电压； L1、R1 初级线圈电感和电