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1、第四章 电感传感器,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，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）。,优点,结构简单，工作可靠，寿命长,灵敏度高，分辨率高，测量精度高，线性好,性能稳定，重复性好,输出阻抗小，输出功率大，抗干扰能力强，适合在恶略环境中工作,缺点,频率低，动态响应慢，不宜作快速动态测量,存在交流零位信号，要求附加电源的频率和幅值的稳定
2、度高,灵敏度、线性度和测量范围相互制约，测量范围大，灵敏度低,F,220V,实验：,4.1自感式传感器,气隙变小，电感变大，电流变小,F,4.1.1 自感传感器的工作原理和结构,磁路欧姆定律,线圈中的感生电势为,线圈中的电感为,线圈匝数,I 为线圈中所通交流电的有效值。,总磁阻,空气导磁率,而,其中,如果A保持不变，则L为的单值函数，构成变气隙式自感传感器,若保持不变，使A随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器，,自感系数L与气隙厚度 成反比，灵敏系数K高，但有非线性误差，,自感系数L与截面积A成正比，呈线性关系，但灵敏系数K低,利用某些铁磁材料的压磁效应改变磁导率 ，可构成压磁式传
3、感器,当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,4.1.2 变气隙厚度式自感传感器,变气隙厚度式传感器的气隙较小气隙中的磁场分布是均匀的,上式表明，当传感器的匝数为常数，电感L仅是磁阻Rm的函数，自感式传感器又称为变磁阻式传感器,若使得衔铁从初始位置向上移动 ，得此时电感为,则电感增量为,线圈电感的相对变化量为,若 ，则可得,非线性关系,对式作线性处理，即忽略高次项后可得,只有当 很小时，忽略高次项的存在，可得近似的线性关系。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 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,差动变气
4、隙厚度式电感传感器,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，,当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2,衔铁下移：,上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在工作范围内要比单个自感传感器的小得多。,对上式进行线性处理，即忽略高次项得,灵敏度kL为,（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）单线圈是忽略 以上高次项，差动式是忽略 以上高次项， 因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。,4.1.3 变气隙面积式自感传感器,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S=ab，此时电感：,电感值减小
5、为,电感相对变化量为,灵敏度为,线圈电感L与面积S（或 ）呈线性关系，其灵敏度k为一常数，正确选择线圈匝数、铁芯尺寸，可提高灵敏度，采用差动式结构更好。,差动式气隙面积自感传感器,初始时,衔铁上移，则上气隙的电感值变化量,下气隙的电感值变化量,两线圈方向相反，故总的电感变化量为,电感的相对变化,灵敏度,差动式结构灵敏度提高一倍，输出信号增加一倍；,螺线管式电感传感器由螺线管形线圈、沿轴向移动的活动衔铁和外壳组成。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rc，铁芯有效磁导率为r 。,4.1.4 螺管式自
6、感传感器,L与位移x呈线性关系,空心线圈的电感,当衔铁插入线圈深度x，可求得长度为x的螺线管在未插入衔铁的电感,此段螺线管全部插入衔铁后,电感增量,相对导磁率， 为衔铁面积， 衔铁半径， 为活动衔铁覆盖部分的线圈匝数,实际上，由于漏磁因素等的影响，管内磁场强度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，则可得到较理想的改善,总的电感值为,传感器电感的相对增量为,单线圈螺管式传感器的灵敏度为,差动螺管式自感传感器,1-螺线管线圈；2-螺线管线圈；3-骨架；4-活动铁芯,L10，L20分别为线圈、的初始电感值；,当铁芯移动（如右
7、移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小,根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为,两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。,上述式子可简化为,4.1.5 测量电路,（1）交流电桥电路,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，,交流电桥,设初始时 Z1= Z2= Z = RS+jL； R1 = R2 = R ； L1= L2= L0,工作时,对差动变气隙式自感传感器：,可见，电桥输出电压与有关，相位与衔铁移动方向有关。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。,1、2为两线圈的电感特性， 3为两线圈差
8、接时的电感特性，图线4为差接后电桥输出电压与位移间的特性曲线。,说明：电桥输出电压的大小与衔铁的位移量有关，相位与衔铁的移动方向有关。,若设衔铁向上移动为负，则U0为负；向下为正，则U0为正，相位差180。,(2) 变压器电桥电路,电桥A点的电位为：,C点为正,D点为正,B点电位为,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,初始位置,衔铁下移,衔铁上移,若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则,由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大小相等，但极性相反。由于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向同样需要经过相敏检波电路的处理。,4.2 互感式电感传感器（差动变压器）,4.2.1 结
9、构和工作原理,把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。,这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。,差动变压器的结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等,应用最多的是螺线管式差动变压器。它可测量1-100mm范围内的机械位移。,差动变压器结构形式,差动变压器与普通变压器的区别,？,相同点,结构相同：都有铁芯，骨架和原、副边线圈；,工作原理相同：利用电磁感应定律，将线圈互感转换为电压输出,不同点,磁路不同：普通变压器的磁路在铁芯内形成闭合回路，分别与原、副边形成回路；差动变压器的磁路不在贴心内形成闭合回路，而是经铁芯、空气隙与原、副边形成
10、闭合回路，分别与原、副边线圈耦合；,互感系数M不同：普通变压器原、副边线圈的互感系数M是常数，而差动变压器的原、副边线圈的互感系数M是变量，随铁芯位置变化而变化,副边线圈不同：普通变压器的副边线圈有一组或多组，彼此独立，而差动变压器的副边线圈只有两组，彼此反接,初始时，M1=M2,工作时，M1M2,等效电路,M1,M2,当次级开路时有 ,初级线圈激励电流,根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为,次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则,输出电压有效值,1）当活动衔铁处于中间位置时,M1= M2=M,（2）当活动衔铁向W2a方向移动时,M1= M+M, M2= M-M,1、激励电压幅值与
11、频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。,4.2.2 差动变压器的输出特性,2、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。,3、零点残余电压,当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。,图中Ui为差动变
12、压器初级的激励电压，UZ包含基波同相分量、基波正交分量，二次及三次谐波（高次谐波）和幅值较小的电磁干扰等。,1 基波正交分量,(a)残余电压的波形,(b)波形分析,2 基波同相分量,3 二次谐波,4 三次谐波,5 电磁干扰,基波分量 由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电动势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。,零点残余电压产生原因：,高次谐波 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的
13、影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。,1从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。,消除零点残余电压方法：,采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消
14、除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。,相敏检波后的输出特性,2选用合适的测量线路,3采用补偿线路,C,R,(a),在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。,在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并联电阻R是为了利用R的分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。,串联电阻R可以消除基波同相分量。,并联电阻R可以消除基波正交分量。,并联电阻R可以消除高次谐波分量。,4.2.4 差动变压器式传感器测
15、量电路,差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。另外，其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，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。,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，如图所示为全波差动整流电桥。,全波差动整流电路,R2,R1,a,b,h,g,c,f,d,e,+,+,无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压U0始终等于R1、R2两个电阻上的电压差。,全波差动整流电路电压波形,结论：铁芯在零位以上或零位以下时，输出电压的极性相反，零点残存电压自动抵消。,容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电压和同频，经过移相器使和保持同相或反相，且满足 。,2 二级管相敏检波电路,当衔铁在中间位置时，位移x（t）= 0，传感器输出电压=0,只有起作用。,正半周时,因为是从中心抽头，所以u1= u ，故i= i。流经RL的电流为i= i i =,i4,i3,负半周时,同理可知i= i，所以流经RL的电流为i= ii =,当衔铁在零位以上时，位移x（t） 0，与同频同相。,正半周时,故ii，流经RL的电流为i= ii,
