第4章电感式传感器模板

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1、第4章 电感式传感器,4.1变磁阻式传感器 4.2 差动变压器式传感器 4.3 电涡流式传感器,本章知识要点,掌握电感式传感器的工作原理。 变隙式传感器的测量电路。 差动变压器式传感器的工作原理、基本特性和测量电路。 差动整流电路和相敏检波电路。 电涡流效应及电涡流传感器的应用。,工作基础：电磁感应定律 定义：是利用线圈自感或互感的变化实现测量的装置。 应用：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 种类：根据工作原理，分为变磁阻式、变压器式、涡流式； 根据结构不同，分为变隙式、变面积式、螺线管式。 优点： 结构简单、可靠 分辨力高 机械位移：0.1m，甚至更小；角位移：0.1角秒。 输出信号强

2、，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 重复性好，线性度优良 不足：存在零点残余电压，不宜于高频动态测量。,4.1 变磁阻式电感传感器,4.1.1 工作原理,传感器的运动部分与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。,线圈,铁芯,衔铁,气隙,变磁阻式电感传感器是利用线圈自感量的变化实现测量。,（自感式）,根据电感定义：,由磁路欧姆定律， 得 ：,磁路 总磁阻,磁路总磁阻为,铁芯材料的导磁率,铁芯的截面积,磁通通过铁芯的长度,气隙的厚度,气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,表明：当W为常数

3、时，电感L是磁阻Rm的函数，改变或A0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积A0的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。,4.1.2 输出特性,非线性关系,变隙式电压传感器的L-特性,当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,当衔铁上移时，,当/01时，用台劳级数展开：,电感增量L和相对增量L/L0为,忽略高次项,同样，当衔铁下移时，,电感增量L和相对变化量L/L0为,忽略高次项,灵敏度为,因此，灵敏度的大小取决于气隙的初始厚度，是一个定值。注意：若没有线性化，则灵敏度大小取决于气隙的实际厚度。,与,衔铁上移,衔铁下移,灵敏度增大,灵敏度减小,与线性度,

4、衔铁上移：,衔铁下移：,如何减小非线性误差？,无论上移或下移， 增加都导致非线性增大。,变隙式电感传感器适用于测量微小位移。,动态测量范围：0.001 1mm,测量时，衔铁与被测件相连，当被测件上下移动时，带动衔铁也以相同的位移上下移动，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。,铁芯,线圈,衔铁,为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。,衔铁上移,对上式进行线性处理, 即忽略高次项得:,灵敏度K0为,比较单线圈式和差动式： 差动式变阻电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。 差动式的非线性项(忽略高次项)： 单线圈的非线性项（忽略高次项)： 由于/01，

5、因此，差动式的线性度得到明显改善。,4.1.3 测量电路 自感式传感器的测量电路有交流电桥、变压器式交流电桥以及谐振式等。,1. 交流电桥式测量电路,当衔铁上移时：,将 代入,输出电压与成正比，负号表示与电源反相。,当衔铁下移时，同理可得：,开路时，桥路输出电压,当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时有 ，电桥平衡。,2. 变压器式交流电桥测量电路,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。,当传感器衔铁上移时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z,当传感器衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z,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

6、来解决。,大小相等 方向相反,谐振点的 电感值,谐振式调幅电路,工作原理：传感器电感L与电容C、 变压器原边串联在一起， 接入交流电源，变压器副边将有电压输出，输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化。,特点：敏感度高，非线性差,3. 谐振式测量电路调幅电路、调频电路,基本原理： 传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中， 其振荡频率 。当L变化时，振荡频率随之变化，根据 f 的大小即可测出被测量的值。,f与L的关系曲线,测量原理图,非线性,谐振式调频电路,4.1.4 变磁阻式电感传感器的应用,变隙电感式压力传感器结构图,原理：当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生位移，于

7、是衔铁也发生移动， 从而使气隙发生变化， 流过线圈的电流也发生相应的变化。电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。,变隙式差动电感压力传感器,电桥,当被测压力进入C形弹簧管时， C形弹簧管产生变形， 其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系， 所以只要用检测仪表测量出输出电压， 即可得知被测压力的大小。,电感测微仪,变气隙式电感测微仪,动态测量范围：1mm 分辨率：1um 精度：3%,4.2 差动变压器（互感）式传感

8、器,把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。,差动变压器的工作原理与一般变压器基本相同，且二次绕组采用差动连接。变压器初级线圈接入交流电源时，次级线圈因互感作用产生感应电动势，当互感变化时，输出电势也发生变化。由于它的两个次级线圈常接成差动的形式，故又称为差动变压器式电感传感器，简称差动变压器。 差动式变压器的结构形式较多，有变间隙式、变面积式和螺线管式，螺线管式差动变压器应用最多，可测1100mm机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，性能可靠等优点。,与差动式自感传感器的区别： 差动变压器上下两只铁心上各有一个初级线圈和一个次级线圈。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源

9、电压，两个次级线圈则按电势反相串联。,与差动式自感传感器的的区别,4.2.1 变隙式差动变压器 1. 工作原理,在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组顺向串联， 而两个次级绕组则反相串联。,没有位移时,有位移时,差动变压器有电压输出， 此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。,2. 输出特性,变隙式差动变压器等效电路,4.2.1 螺线管式差动变压器 1. 工作原理,当衔铁在中间位置，,当衔铁向上移动时，,当衔铁向下移动时，,两个次级绕组的同名端反相串联，, 其等效电路如图。,当次级开路时有,2.基本特性,次级绕组中感应电势

10、分别为,次级开路,上式说明，当电压的幅值U和角频率、 初级绕组的直流电阻r1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。,输出电压的有效值为,(1)活动衔铁处于中间位置时,(2)活动衔铁向上移动,输出电压与输入电压同频同相。,(3)活动衔铁向下移动,输出电压与输入电压同频反相。,输出电压的特性曲线,零点残余电压,零点残余电压产生原因：主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。,4.2.3. 差动变压器式传感器测量电路,问题： (1)差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移

11、动的方向); (2)测量值中将包含零点残余电压。 为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常采用差动整流电路和相敏检波电路。,(1) 差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出，电阻R0用于调整零点残余电压。,电压输出型 全波整流电路, 当衔铁在中间位置时，, 当衔铁向上移动时，, 当衔铁向下移动时，,电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。,相敏检波电路中VD1、 VD2、VD3、VD4为四个性能相同的二极管，以同一方向串

12、联接成一个闭合回路， 形成环形电桥。输入信号 U2(差动变压器式传感器输出的调幅波电压)通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上。参考信号us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。 u0的幅值要远大于输入信号u21+u22的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且us和差动变压器式传感器激磁电压u2由同一电源供电， 中间通过适当的移相电路保证二者同相或反相。,(2) 相敏检波电路,已知：向上移动时同相；向下移动时反相。,usu2,相敏检波电路波形,(a）被测位移变化波形图； (b)差动变压器激励电压波形； (c) 差动变压器输出电压波形； (d)相敏检波解调电压波形； (e)相敏检波输

13、出电压波形,Ui与Uj同相,分析并画出相敏检波电路在Ui与Uj反相时的波形。 Ui、Uj、i1、i2、i3、i4、im,课堂练习,4.2.4. 差动变压器式传感器的应用 差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。,差动变压器式加速度传感器原理图,原理：将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。,悬臂梁,差动变压器,将差动变压器

14、和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。,1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳,1,2,3,4,5,6,7,这种变送器可分档测量(51056105)N/m2压力，输出信号电压为(050)mV，精度为1.5级。,由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变成衔铁的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反映了液位的变化值。,液位测量,4.3 电涡流式传感器（互感式）,电磁炉的工作原理,高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。,导磁锅体,电涡流效应演示,

15、电涡流效应根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体大块导体置于变化的磁场中或在磁场中切割磁力线运动时，通过导体的磁通将发生变化，产生感应电动势，该电动势在导体表面形成电流并自行闭合，状似水中的涡流，称为电涡流。,注：被测导体产生的电涡流i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，只集中在金属导体的表面，这一现象称为趋肤效应。集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率 等有关。频率f 越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。,法拉第定律,愣次定律,4.3.1 工作原理,阻抗 Z=F(, , r, f, x) 被测体的电阻率 被测体的磁导率 r线圈与被测体的尺寸因子 f线圈中激磁电流的频率 x

16、线圈与导体间的距离,如果能控制上述参数中的一个参数改变，其余的不变，就能构成测量该参数的传感器。,基于变压器原理，把高频导电线圈看成变压器原边，金属导体（短路环）中涡流回路看成副边。,品质因素,等效电阻,等效电感,讨论：,（1）,（2）Z、L、Q值都是M2(x) 的函数,低频透射式,发射线圈L1和接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈L1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板，使线圈L2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。试验表明e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测厚度。,4.3.3 电涡流传感器测量电路,1. 调频式电路,传感器线圈接入LC振荡