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1、第5章 电感式传感器,自感式传感器,1.2,第5章 电感式传感器,互感式传感器,5.3,电涡流式传感器,5.4,压感式传感器,第5章 电感式传感器,图5.1为一种简单的自感式传感器，它由线圈、铁心和衔铁等组成。当衔铁随被测量变化而上、下移动时，铁心气隙、磁路磁阻随之变化，引起线圈电感量的变化，然后通过测量电路转换成与位移成比例的电量，实现了非电量到电量的变换。可见，这种传感器实质上是一个具有可变气隙的铁心线圈。,第一节 传感器线圈的电器参数分析,第5章 电感式传感器,类似于上述自感式传感器，电感式传感器通常都具有铁心线圈或空心线圈(后者可视作前者的特例)。因此，分析铁心线圈的电气参数与它们对线
2、圈特性的影响，对了解与分析电感式传感器以及选择传感器参数有帮助。为此，我们将传感器线圈等效成图5.2所示的等效电路，并对电路参数及其影响一一进行讨论。 1.线圈电感L由磁路基本知识可知，匝数为W的线圈电感为,(5-1),式中 Rm磁路总磁阻。,第5章 电感式传感器,当线圈具有闭合磁路时 式中 RF导磁体总磁阻。 当线圈磁路具有小气隙时 式中 R气隙总磁阻。,(5-2),(5-3),第5章 电感式传感器,为了分析方便，需要将各种形式的线圈的电感L用统一的式子表达。为此，引入等效磁导率概念，即将线圈等效成一封闭铁心线圈，其磁路等效磁导率为，磁通截面积为S，磁路长度为，于是式(5-1)变为 (5-4
3、) 式中 真空磁导率，410-7(H/)。,第5章 电感式传感器,2.铜损电阻Rc取决于导线材料及线圈的几何尺寸 3.涡流损耗电阻R 由频率为的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流及磁滞损耗。根据经典的涡流损耗计算公式知，为降低涡流损耗，叠片式铁心的片厚应薄；高电阻率有利于损耗的下降，而高磁导率却会使涡流损耗增加。 4.磁滞损耗电阻Rh铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转而要克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。 5.并联寄生电容C的影响并联寄生电容主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。,第5章 电感式传感器,图5.3线圈等效电路的变换形式,为便于分析，先不考虑寄生电容C，并
4、将图5.2中的线圈电感与并联铁损电阻等效为串联铁损电阻Re与串联电感L的等效电路，如图5.3所示。这时Re和L的串联阻抗应该与Re和L的并联阻抗相等，即,第5章 电感式传感器,(5-5),(5-6),第5章 电感式传感器,一.工作原理与输出特性 如前所述，自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变面积式与螺管式三种；按磁路的结构型式又有型、E型或罐型等等；按组成方式分，有单一式与差动式两种。,第二节 自感式传感器,第5章 电感式传感器,1.变气隙式自感传感器 变气隙式自感传感器的结构原理:由于变气隙式传感器的气隙通常较小，可以认
5、为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则传感器的磁路总磁阻为,(5-11),式中 1,2铁心和衔铁的磁路长度()； S1，S2铁心和衔铁的截面积(2)； 1、2铁心和衔铁的磁导率(H/)； S、气隙磁通截面积(2)和气隙总长()。,第5章 电感式传感器,将式(5-11)代入式(5-1)，可得,(5-12),由式(5-12)可知，当铁心、衔铁的材料和结构与线圈匝数确定后，若保持S不变，则L即为的单值函数，这就是变气隙式传感器的工作原理。 为了精确分析传感器的特性，利用前述等效磁导率e的概念，由式(5-4)可得,(5-13),第5章 电感式传感器,同时，由式(5-11),(5-14),式中 铁心和衔
6、铁的相对磁导率，通常1。 所以,(5-15),代入式(5-4)可得带气隙铁心线圈的电感为,第5章 电感式传感器,(5-16),式中 ，为一常数。 对式(5-16)进行微分可得传感器的灵敏度为,(5-17),由上式可知，变气隙式传感器的输出特性是非线性的，式中负号表示灵敏度随气隙增加而减小，欲增大灵敏度，应减小，但受到工艺和结构的限制。为保证一定的测量范围与线性度，对变气隙式传感器，常取/20.10.5，(1/51/10)。,第5章 电感式传感器,2.变面积式自感传感器 若图5.1所示传感器的气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变(衔铁水平方向移动)，即构成变面积式自感传感器。此时由式(
7、5-16),(5-18),式中 ，为一常数。 对式(5-33)微分得灵敏度为,(5-19),第5章 电感式传感器,可见，变面积式传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出特性呈线性，因此可望得到较大的线性范围。与变气隙式相比较，其灵敏度较低。欲提高灵敏度，需减小，但同样受到工艺和结构的限制。值的选取与变气隙式相同。 3.螺管式自感传感器 图5.4为螺管式自感传感器结构原理图。它由平均半径为r的螺管线圈、衔铁和磁性套筒等组成。随着衔铁插入深度的不同将引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。,第5章 电感式传感器,图5.4 螺管式自感传感器原理图,4.差动式自感传感器 绝大多数自感式
8、传感器都运用与电阻差动式类似的技术来改善性能：由两单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器。,第5章 电感式传感器,采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。图5.5表示传感器非线性改善的情况。,第5章 电感式传感器,二.测量电路 1.电桥电路 自感式传感器常用的交流电桥有以下几种。,图5.6 输出端对称电桥 ()一般形式；()变压器电桥,第5章 电感式传感器,(1)输出端对称电桥 图5.6(a)为输出端对称电桥的一般形式。图中Z1、Z2为传感器两线圈阻抗， 为外接电阻，通常 。设工作时， ，电源电势为E
9、，于是,(5-20),第5章 电感式传感器,2.相敏检波电路 相敏检波电路是常用的判别电路。下面以带二极管式环形相敏检波的交流电桥为例介绍该电路的作用。,图5.11相敏检波电路 ()带相敏检波的交流电桥；()实用电路,第5章 电感式传感器,如图5.11(a)所示，Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗，Z3Z4构成另两个桥臂，U为供桥电压，U为输出。当衔铁处于中间位置时，Z1Z2Z，电桥平衡，U0。若衔铁上移，Z1增大，Z2减小。如供桥电压为正半周，即A点电位高于B点，二极管D1、D4导通，D2、D3截止。在AECB支路中，C点电位由于Z1增大而降低；在AFDB支路中，D点电位由于Z2减小而增高。因此
10、D点电位高于C点，输出信号为正,第5章 电感式传感器,如供桥电压为负半周，B点电位高于A 点，二极管D2、D3导通，D1、D4截止。在BCFA支路中，C点电位由于Z2减小而比平衡时降低；在BDEA支路中，D点电位则因Z1增大而比平衡时增高。因此D点电位仍高于C点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信号总为负。于是，输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。 实际采用的电路如图5.11(b)所示。L1、L2为传感器的两个线圈，C1、C2为另两个桥臂。电桥供桥电压由变压器B的次级提供。R1、R2、R3、R4为四个线绕电阻，用于减小温度误差。C3为滤波电容，Rw1为调零电位器，Rw2为调倍率电位
11、器，输出信号由电压表V指示。,第5章 电感式传感器,三.自感式传感器的误差 1.输出特性的非线性 各种自感式传感器，都在原理上或实际上存在非线性误差。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。,图5.12 阶梯形线圈,第5章 电感式传感器,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5.12所示。 2.零位误差 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
12、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，如图5.13(a)所示。过大的零位电压会使放大器提前饱和，若传感器输出作为伺服系统的控制信号，零位电压还会使伺服电机发热，甚至产生零位误动作。,第5章 电感式传感器,有效的方法是采用外接测量电路来减小零位电压。如前述的相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。 此外还可采用磁路调节机构(如可调端盖)保证磁路的对称性，来减小零位电压。 3.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。,第5章 电感式传感器,环境温
13、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。,第5章 电感式传感器,对于高精度传感器，特别是小量程传感器，如果结构设计不合理，即使是差动式，温度影响也不容忽视。 对于高精度传感器及其测量装置，其材料除满足磁性能要求外，还应注意线膨胀系数的大小与匹配。为此，有些传感器采用了陶瓷、聚砜、夹布胶木、弱磁不锈
14、钢等材料作线圈骨架，或采用脱胎线圈。,第5章 电感式传感器,4.激励电源的影响 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。采用差动工作方式，其影响将能得到补偿。但需注意，频率的高低应与铁心材料相匹配。 对于谐振式与恒流源式测量电路，电源频率与电流的稳定度将直接引起测量误差。对于调频式测量电路，则应保证直流电源的稳定度。,第5章 电感式传感器,互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的电感式传感器。其原理类似于变压器。不同的是：后者为闭合磁路，前者为开磁路；后者初、次级间的互感为常数，前者初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又
15、称为差动变压器。它与自感式传感器统称为电感式传感器。本节在叙述差动变压器工作原理的基础上，将着重介绍它与自感式传感器的不同。,第三节 互感式传感器,第5章 电感式传感器,一.工作原理与类型 在忽略线圈寄生电容与铁心损耗的情况下，差动变压器的等效电路如图5-15所示。,图5.15差动变压器的等效电路,第5章 电感式传感器,图中U，I初级线圈激励电压与电流(频率为)；L1，R1初级线圈电感与电阻； M1，M2分别为初级与次级线圈1，2间的互感； L21，L22和R21，R22分别为两个次级线圈的电感和电阻。 根据变压器原理，传感器开路输出电压为两次级线圈感应电势之差：,(5-29),第5章 电感式
16、传感器,当衔铁在中间位置时，若两次级线圈参数与磁路尺寸相等，则M1M2M，U00。当衔铁偏离中间位置时，M1M2，由于差动工作，有M1M+M1，M2M-M2。在一定范围内，M1M2M，差值(M1-M2)与衔铁位移成比例。于是，在负载开路情况下，输出电压及其有效值分别为,(5-30),(5-31),第5章 电感式传感器,式中 ESO衔铁在中间位置时，单个次级线圈的感应电势,输出阻抗,(5-32),差动变压器也有变气隙式、变面积式与螺管式三种类型.图5.16所示为变气隙式，灵敏度较高，但测量范围小，一般用于测量几到几百的位移.,第5章 电感式传感器,由式(5-29)可知，差动变压器的输出特性与初级线圈对两个次级线圈的互感之差有关。结构型式不同，互感的计算方法也不同。型差动变压器的输出特性为：,图5.16 变气隙式,第5章 电感式传感器,式中 为初始气隙；W1为初级线圈匝数；W2为次级线圈匝数；为衔铁上移量 上式表明，输出电压U0与衔铁位移成比例，输出特性曲线如图5.17所示。式中负号表明向上为正时，输
