第03章电感式传感器课件

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1、,第三章 电感式传感器,电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。,电感传感器的主要特征是具有电感绕组。,3.1工作原理,1.变间隙型,结构示意图如右图所示,原理分析,工作时衔铁与被测物体连接，被测 物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。,3.1.1 自感式传感器,2.变面积型,气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图见下图。

2、,3.螺管型,如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位移，自感量将相应变化，这就可构成螺管型传感器。,通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论: 1. 变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难。 2. 变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛。 3.螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最 广泛的一种电感式传感器。,3.1.2 互感式传感器,互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。一般，这种传感器的二次线圈

3、有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。 这种传感器的工作原理如右图所示。,3.2 转换电路和传感器灵敏度,被测量,x,L(M),转换电路及信号调节,电量,传感器,自感传感器的灵敏度是指传感器结构(测头)和转换电路综合在一起的总灵敏度。,传感器的灵敏度(单位：mV/（m V）),传感器结构灵敏度kt定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即 (1式) 转换电路的灵敏度kc定义为空载输出电压uo与自感相对变化之比，即 (2式) 由式(1式)和式(2式)可得总灵敏度为,3.3 零点残余电压,衔铁位移x与电桥输出电压Uo有效值的关系曲线，如右图所示。 虚线为理想特性曲线，

4、实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压，并用e0表示。,零残电压过大带来的影响： 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。,产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称,减小零点残余电压方法： 1. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。 2.选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性，减小零点残余电动势。 3. 采用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小零点残余电动势的补

5、偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。,3.4 应用举例,下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器,测头,测杆,电感线圈,磁芯,下图是气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图,气体压力传感器 加速度计用传感器,旁向式差动电感式传感器,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,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

6、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,电子卡规、塞规,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,3.5 电涡流式传感器,涡流效应：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。,3.5.1 工作原理,如下图a所示，一个扁平线圈置于金

7、属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，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，使通电线圈的有效阻抗发生变化。 我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图b的等效电路。,a)电涡流传感器原理图b)电涡流传感器等效电路图,3.5.2 转换电路,（一）电桥电路法,图中A、B为传感器线圈，它们与电容C1、C2，电阻R1、R2组成电桥的四个臂。当传感器线圈的阻抗变化时，电桥失去平衡。电桥的不平衡输出经线性放大和检波，这种方法电路简单，主要用在差动式电涡流传感器中。,（二）谐振电

8、路法,调幅法,调频法,下图a是调幅法测量电路的 原理图,下图b调频法测量电路的原理图。,b),a),（三）正反馈法,正反馈法的测量原理如右图所示，其特点是放大器的反馈回路是由电涡流传感器的线圈组成。线圈阻抗变化时，反馈放大电路的放大倍数发生变化，从而引起输出电压的变化。因此，可以由输出电压的变化来检测传感器与被测体之间距离的变化。,3.5.3 低频透射式电涡流传感器,这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。右图所示为这种传感器的原理图和输出特性。,传感器包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。由振荡器产生的低频电压u1加到发射线圈L1两端，于是在接收

9、线圈L2两端将产生感应电压u2，它的大小与u1的幅值、频率以及两个线圈的匝数、结构和两者的相对位置有关。若两线圈间无金属导体，则L2的磁力能较多穿过L2，在L2上产生的感应电压u2最大.,3.6 压磁式传感器,铁磁材料的压磁效应的具体内容为： 材料受到压力时，在作用力方向磁导率减小，而在作用力相垂直方向，略有增大；作用力是拉力时，其效果相反； 作用力取消后，磁导率复原； 铁磁材料的压磁效应还与外磁场强度有关。,右图所示为压磁式压力传感器(又称为磁弹性传感器)结构简图示例。 它由压磁元件1、弹性支架2、传力钢球3组成,压磁式传感器结构简图,压磁元件(如下图所示)的中间部分开有四个对称的小孔1、2

10、、3和4，在孔1、2间绕有励磁绕组N12、孔3、4间绕有输出绕组N34。,3.7 感应同步器,原理,两个平面形绕组的互感随位置不同而变化,长感应同步器 - 测量直线位移 圆感应同步器 - 测量转角位移,组成=定尺+滑尺（如图）,组成=转子+定子（如图）,长感应同步器示意图 a）定尺 b)转尺,圆感应同步器示意图 a）定子 b)转子,感应同步器的优点,具有较高的精度与分辨力。 抗干扰能力强。 使用寿命长，维护简单。 可以作长距离位移测量。 工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。,由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中 ;圆感应同步器则被广泛地用于机床和

11、仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。,指纹识别传感器,指纹识别传感器,电容式指纹识别传感器,指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。 下图为指纹经过处理后的成像图：,电容式指纹识别传感器,电容式指纹识别传感器,指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面,电容式指纹识别传感器,当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。,电容式指纹识别传感器,它的优点： 体积小 成本低 成像精度高 耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。

12、,4.1 电容传感器原理,电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。 实际上,它本身（或和被测物）就是一个可变电容器,4.1 电容传感器原理,平行板电容器的电容为：,(4-1),上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？,4.2 电容传感器分类,根据其改变参数不同，可将电容式传感器分为下三种： 改变极板间距离()的极距型传感器 改变极板遮盖面积（ A ）的面积型传感器 改变电介质介电常数（0）的介质型传感器,4.2 电容传感器分类,电容传感器分类结构图如下,4.2.1 极距式电容传感器,极距式电容传感器,当传感器的r和A为常数,初始极距为0时,

13、由式(4-1)可知其初始电容量C0为,(4-2),+ + +,4.2.1 极距式电容传感器,若电容器极板间距离由初始值0缩小, 电容量增大C, 则有,(4-3),4.2.1 极距式电容传感器,由式（4-3）可知, 传感器的输出特性C = f ()不是线性关系,而是双曲线关系 此时C1与近似呈线性关系, 所以变极距型电容式感器只有在 / 0很小时, 才有近似的线性输出,4.2.1 极距式电容传感器,另外, 由式（4 - 3）可以看出, 在0较小时, 对于同样的变化所引起的C可以增大, 从而使传感器灵敏度提高。 但0过小, 容易引起电容器击穿或短路。 为此, 极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑

14、料膜等）作介质,4.2.1 极距式电容传感器,此时电容C变为:,(4-4),4.2.1 极距式电容传感器,式中: g云母的相对介电常数,g= 7 0空气的介电常数, 0= 1 d0空气隙厚度 dg云母片的厚度,4.2.1 极距式电容传感器,云母片的相对介电常数是空气的7倍, 其击穿电压不小于1000kV/mm, 而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母片, 极板间起始距离可大大减小。 同时, 式（4-4）中的(dg/0g)项是恒定值, 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。,4.2.1 极距式电容传感器,一般变极板间距离电容式传感器 起始电容在 20100pF之间, 极板间距离在25200m的

15、范围内, 最大位移应小于间距的1/10, 故在微位移测量中应用最广,4.2.2 变面积型电容式传感器,改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型和线位移型两种。 图为典型的角位移型电容式传感器 当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。,4.2.2 变面积型电容式传感器,4.2.2 变面积型电容式传感器,线位移型电容式传感器 平面线位移型和圆柱线位移型两种。,4.2.3 变介电常数型电容传感器,变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示,4.2.3 变介电常数型电容传感器,这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c) 还可根据极板

16、间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。,4.3 电容式传感器的常用测量电路,用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有:,运算放大器测量电路 双T电桥电路,此外电容式传感器的测量电路还有普通交流电桥电路变压器电桥电路和紧耦合电感臂电桥电路等,调频电路 脉冲调制电路,4.3.1 调频测量电路,调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率就发生变化。,高频、低频激励电压作用下电容传感器的等效电路,4.3.1 调频测量电路,虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来 调频测量电路原理框图如图所示：,4.3.1 调频测量电路,图中调频振荡器的振荡频率为：,（4-13）,4.