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1、2018/9/24,1,第4章 电感式传感器,把被测参量转换为 电感变化的传感器,自感式电感传感器 互感式传感器 电涡流式传感器,inductance,2018/9/24,2,电感传感器的基本工作原理演示,F,220V,准备工作,2018/9/24,3,电感传感器的基本工作原理演示,气隙变小，电感变大，电流变小,F,2018/9/24,4,第四章 电感式传感器,原理：利用磁路磁阻变化，引起传感器线圈的电感（自感L或互感M）的变化。,inductor,2018/9/24,5,按磁路几何参数变化变气隙式、变面积式、螺管式 按线圈组成方式 单一式，差动式,电感式 传感器 种类,自感式传感器,互感式传
2、感器,电涡流式传感器,分 类,今日要点,电涡流式传感器,自感式传感器,互感式传感器,实际工程应用案例,今日要点,测量电路 交流电桥式测量电路 变压器式交流电桥 谐振式测量电路,自感式传感器 变气隙式自感传感器 变面积式自感传感器 螺 旋 型 自感传感器,2018/9/24,8,4.1 自感式传感器 (变磁阻式传感器),一、变气隙式自感传感器,单一式,1线圈，2铁心 3衔铁,线圈自感：,W线圈的匝数，Rmii段的磁阻 RM磁路总磁阻,第i段磁路的平均长度,第i段磁路的横截面积,第i段磁路的导磁率,又,self-inductor,2018/9/24,9,当,时,所以：,：气隙的厚度 ：磁路导磁率
3、：磁路相对导磁率 ：空气的导磁率,d,磁 阻,铁芯衔铁磁阻,气隙磁阻,2018/9/24,10,一般情况下：, 要改变 L, 气隙厚度S0 气隙截面积气隙导磁率,在,中,2018/9/24,11,（i）当衔铁下移：,L0,当,单一变气隙式自感传感器输出特性,2018/9/24,12,当衔铁上移,同理,灵敏度：,2018/9/24,13,由此可见, 变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差, 实际测量中广泛采用差动变间隙式电感传感器。,2018/9/24,14,灵敏度：,差动式传感器 结构图, 差动式比单线圈式的
4、灵敏度高一倍。 差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（/0）因子, 线性度得到明显改善。,差动变气隙式自感传感器输出特性,L1,L2,结论,2018/9/24,15,例题分析,已知变气隙电感传感器的铁心截面积S=1.5cm2，磁路长度L=20cm，相对磁导率r=5000，气隙厚度0=0.5cm，=0.1mm，真空磁导率0=410-7H/m，线圈匝数w=3000，单一式传感器的灵敏度L/，若做成差动结构形式，其灵敏度将如何变化？,解：,2018/9/24,16,二、变面积型自感传感器,单一式,忽 略 RF,初始电感：,单一式变面积型,+,2018/9/24,17,差动式,差动式变截面积,+,2
5、018/9/24,18,三、螺旋型自感传感器,1螺管线圈 2衔铁 3磁性套筒,假设线圈的长径比 L/r 1,线圈内部的磁场认为是均匀的,则：空心线圈的电感,l0 线圈的长度， r 线圈的半径 W线圈的匝数,+,2018/9/24,19,插入后其覆盖的那部分线圈局部电感增大,据推导,WX ：线圈覆盖匝数,式中 SC： 衔铁面积,2,rc,x ： 衔铁插入线圈的长度,联系L0和 L表达式得,+,2018/9/24,20,单一式,线圈沿轴向位置移动,差动式,令衔铁处于线圈1，2的中间位置,+,2018/9/24,21,当衔铁处于中间位置时，x1=x2=x0 ,L1=L2 若偏离中心位置 时：,三种自
6、感传感器的比较,变面积式、螺旋式传感器线性度好，示值范围大 变气隙式传感器非线性强，示值范围小 变气隙式传感器灵敏度高，螺旋式传感器最低 螺旋式比变面积式传感器互换性好,+,2018/9/24,22,上面分析时，将自感线圈看成理想的纯电感，实际上存在损耗。 RC 线圈铜耗电阻 Re 铁心涡流损耗电阻 Rh 磁滞损耗电阻 C 线圈的寄生电容,更换电缆后必须重新校准或采用并联电容调准,等效电路,四、等效电路,2018/9/24,23,交流电桥测量电路,五、测量电路,交流电桥式测量电路交流电桥测量电路,电源电压为UAC、输出电压为U0 。把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2, 另外二个相邻
7、的桥臂用纯电阻代替。当：电桥平衡时U0=0,2018/9/24,24,1. 交流电桥式测量电路对于高Q值（Q=L/R）的差动式电感传感器, 其输出电压：,将L=2L0（/0）代入，得出 电桥输出电压与有成正比。,2018/9/24,25,2018/9/24,26,2. 变压器式交流电桥变压器式交流电桥测量电路如图所示, 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。当负截阻抗为无穷大时, 桥路输出电压,变压器式电桥 测量电路,2018/9/24,27,当传感器的衔铁处于中间位置，即：Z1= Z2=Z时有=0, 电桥平衡。 当传感器衔铁上移时，即Z1=Z
8、-Z, Z2=Z+Z, 此时,当传感器衔铁下移时,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。,2018/9/24,28,3. 谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电路、谐振式调频电路如图所示。,谐振式调幅电路,谐振式调频电路,2018/9/24,29,在调幅电路中, 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, 而电压幅值随着电感L而变化。 关系曲线表明, 其中L0为谐振点的电感值, 此电路灵敏度很高, 但线性差, 适用于线性要求不高的场合。,谐振式调幅电路,2018/9/24,30
9、,调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中。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。特性曲线表明, 它具有明显的非线性关系。,谐振式调频电路,今日要点,测量电路 差动整流电路 相敏检波电路,互感式传感器（差动变压器式） 工作原理 输出特性 测量电路,2018/9/24,32,4.2 互感式传感器(差动变压式),被测量使衔铁移动，引起初次级线圈间的互感变化，形成输出电压的变化。,M1,M2,差动变压器等效电路,mutual-inductor,2018/9/24,33,一、工作原理,输出电压,输出阻抗
10、,M1,M2,差动变压器等效电路,2018/9/24,34, 当衔铁处中间位置, 当衔铁偏离中间位置,2018/9/24,35,理论特性 曲 线,零 点 残余电压,差动变压器 输出电压特性曲线,+,2018/9/24,36,实际上, 当衔铁位于中心位置时, 差动变压器输出电压并不等于零, 我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。 零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。 零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小。,2018/9/24,37,(a,b,c)变气隙式、 (d,e)变面积式、 (f)螺旋式 差动
11、变压器结构,2018/9/24,38,二、测量电路：,差动变压器输出的是交流电压, 若用交流电压表测量, 只能反映衔铁位移的大小, 而不能反映移动方向。 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。,09:41,39,桥路联接,桥路的灵敏度是反串联接法的一半，由于有R，则无需调零电路。,结论,1. 差动整流电路,反串联接,+,2018/9/24,40,全波电流输出,当衔铁位于零位,当衔铁位于零位以上,当衔铁位于零位以下,IabI1I2,I1I2 Iab0,I1 I2 Iab0,I1 I2 Iab Ubc Ua
12、b 0,Uac Ubc Uab 0u2与u0同频同相 若 u2与u0均为正半周VD1、D4截止VD2、VD3导通可得等效电路：(n1,2是T1,2的变压比),2018/9/24,44,当 u2、u0均为负半周VD2、VD3截止VD1、VD4导通,只要位移x0, 不论u2与u0是正半周还是负半周, 负载RL两端得到的电压uL均为正。,结论：,2018/9/24,45,同理，当x0时,u2与u0为同频反相。采用上述相同的分析方法不难得到当x0时, 不论u2与u0是正半周还是负半周, 负载电阻RL两端得到的输出电压uL表达式总是为负。,所以上述相敏检波电路输出电压uL的变化规律充分反映了被测位移量的
13、变化规律, 即uL的值反映位移x的大小, 而uL的极性则反映了位移x的方向。,2018/9/24,46,优点：实现非接触式测量,4.3 电涡流式传感器,eddy current,今日要点,电涡流式传感器 1、工作原理 2、电涡流传感器分类 3、应用举例,2018/9/24,48,一、基本原理,1.电涡流效应,成块的金属置于激励线圈产生的交变磁场中，金属体内则产生感应电流，电流流线呈闭合的水涡曲线电涡流效应。,D,d,金属导体,2R,2r,h,2018/9/24,49,I2金属导体上的电涡流强度 I1激励线圈中的电流 X 金属导体表面至线圈的距离 D激励线圈的外直径,2.金属导体上的电涡流强度与
14、距离的关系：,I2正比于I1 I2随X/D的增加而减少,式中,X/D=0.025-0.075时线性好，灵敏度高,2018/9/24,50,3.由于趋肤效应，电涡流只能在金属导体靠近激励线圈的表面薄层形成，电涡流的轴向渗透深度：,金属导体的电阻率 金属导体的导磁率 f 激磁频率,2R1.39D 2r0.525D,其中：,2018/9/24,51,4.电涡流传感器分类：,I 透射式电涡流传感器,工作过程：,金属板越厚,U2越小,涡流损失大,d金属板的厚度 h涡流贯穿深度 k比例常数,2018/9/24,52,II 反射式电涡流传感器：,（i）工作过程,（ii）等效电路,互感M与线圈至 导体的距离X成反比,方向相反,+,2018/9/24,53,iii）等效电路的电压平衡方程,Q0L1 /R1,Q0为品质因素,式中： Z R+jL为等效阻抗，即,
