传感器原理及应用第4章 电感式传感器

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1、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,4 电感式传感器,4.1 电感式传感器,利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出, 这种装置称为电感式传感器。 自感式、互感式和电涡流式三种传感器,概述,各种电感式传感器,概述 电感式传感器应用,电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装筛选,4.1 变磁阻式传感器,4.1 工作原理 由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 当衔铁移动时, 气隙厚度发生改变, 引起磁路中磁阻变化, 导致电感线圈的电感值变化, 测出电感量的变化, 就能确定衔铁位

2、移量的大小和方向。,1线圈； 2铁芯（定铁芯）；3衔铁（动铁芯）,图4-1 变磁阻式传感器, 总磁链; I 电流; w 匝数; 磁通。 磁路欧姆定律, 得 ,电感定义, 线圈中电感量为:,Rm总磁阻。忽略磁路磁损, 总磁阻为 Rm= 1铁芯导磁率; 2衔铁导磁率; L1铁芯的长度; ,L2衔铁的长度; S1铁芯的截面积; S2衔铁的截面积; S0气隙的截面积; 气隙的厚度。 0 空气的导磁率;,气隙磁阻大于铁芯和衔铁的磁阻, Rm可近似为Rm =, 电感L是磁阻Rm的函数, 改变或S0可导致电感变化.变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积0的传感器。变气隙厚度式电感传感器使用最广

3、泛。 ,可得,4.1.2 输出特性 设初始气隙为0, 初始电感量为L0, 衔铁位移引起的气隙变化量为, L 与之间是非线性关系.,图4-2 变隙式电感传感器的L-特性,当衔铁上移时, 传感器气隙减小, 即=0-, 输出电感为L = L0+L, 得,初始电感量为,当/01时, 用台劳级数展开成级数形式为 L = L0+L =,可求得电感增量L和相对增量L/ L0的表达式,衔铁下移时, 传感器气隙增大, 即=0+, 输出电感为L = L0-L, 这时有:,经过作线性处理，忽略高次项, 可得 灵敏度为 ,单线圈式变间隙式电感传感器用于测量微小位移时比较精确。,差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈

4、、和磁路组成, 测量时, 衔铁通过导杆与被测位移量相连, 当被测体上下移动时, 导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动。,使两个磁回路中磁阻发生大小相等, 方向相反的变化, 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。,图4-3 差动变隙式电感传感器,当差动使用时, 两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂, 另两个桥臂由电阻组成, 电桥输出电压与L有关. 表达式为 L = L1+L2,进行线性处理，忽略高次项得,灵敏度K0为,可以得到如下结论: 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。 差动式的线性度得到明显改善。构成差动 的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、 材 料、电气参数等方面均应

5、完全一致。,4.1.3 测量电路 测量电路有交流电桥式、 交流变压器式以及谐振式等。,1电感式传感器的等效电路 线圈电感：有功分量和无功分量. 有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电 阻及磁滞损耗电阻。 无功分量包含：线圈的自感L，绕线间分布电 容C。,图4-4 电感式传感器的等效电路,图4-4中,L为线圈的自感,R为折合有功电阻的总电阻 ,C为并联寄生电容 . 上图的等效线圈阻抗为,将上式有理化并应用品质因数 , 可得,当 且 时,上式可近似为,则 并联电容的存在，使有效串联损耗电阻及有效电感增加，有效Q值减小.,2. 交流电桥式测量电路 传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2, 另外

6、二个相邻的桥臂用纯电阻代替, 其输出电压 ,将 代入 得, 电桥输出电压与 有关.,图4-5 交流电桥测量电路 图46 变压器式交流电桥,3. 变压器式交流电桥 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。负载阻抗为无穷大时, 桥路输出电压,传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z时有=0, 电桥平衡。 传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此时,传感器衔铁下移时, 则Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此时 ,衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大小相等, 但方向相反. 由于 是交流电压,输出指示无法判断位移方向, 配合相敏检波电路来解

7、决。,4. 谐振式测量电路 有谐振式调幅电路、谐振式调频电路.,图4-7 谐振式调幅电路 图4-8 谐振式调频电路,调幅电路，电感L与电容C, 变压器原边串联在一起, 接入交流电源, 变压器副边有电压输出, 幅值随着电感L变化。,调频电路的传感器电感L变化引起输出电压频率的变化。电感L和电容C接入振荡回路中, 振荡频率,当L变化时, 振荡频率随之变化, 根据f的大小可测出被测量的值。,4.1.4 应用 变隙式电感压力传感器: 由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成.,当压力进入膜盒时, 膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。衔铁也发生移动, 使气隙发生变化, 流过线圈的电流发生相应的

8、变化, 电流表指示值反映了被测压力的大小。,图4-9 变隙电感式传感器结构图,变隙式差动电感压力传感器由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。,图4-10 变隙式差动电感压力传感器,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,一个电感量增大,另一个电感量减小。 ,输出电压与被测压力之间成比例关系,只要检测仪表测量出输出电压,即可得知被测压力的大小。,4.1.2 差动变压器式传感器,把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。 次级绕组用差动形式连接,差动变压器结构形

9、式,有变隙式、变面积式和螺线管式 一、螺线管式差动变压器工作原理 由初级线圈, 两个次级线圈和铁芯等组成。 ,分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型. 一节式灵敏度高, 三节式零点残余电压较小, 常采用的是二节式和三节式两类。,图4-11 差动变压器式传感器的结构示意图 （a）、（b）变隙式差动变压器 （c）、（d）螺线管式差动变压器 （e）、（f）变面积式差动变压器,1-活动衔铁；2导磁外壳； 3骨架；4匝数为w1的初级绕组；5匝数为w2a的次级绕组；6匝数为w2b的次级绕组 图4-12 螺线管式差动变压器结构,图413 线圈排列方式 (a)一节式；(b)二节式；(c)三节式；(d)四节式

10、；(e)五节式,差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联, 当初级绕组w1加以激励电压 时,在两个次级绕组w2a和w2b中便会产生感应电势和 。,活动衔铁处于初始平衡位置时,两互感系数M1=M2。有 变压器两次级绕组反向串联, 因而 差动变压器输出电压为零。 ,图4-14 差动变压器等效电路,活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响, w2a中磁通将大于w2b, 使M1M2,因而增加, 而减小。反之, 增加, 减小。因为 , 所以当、 随着衔铁位移x变化时, 也必将随x变化。 ,当衔铁位于中心位置时, 差动变压器输出电压并不等于零,在零位移时的输出电压 称为零点残余电压: ,4-15 差动变压器的输

11、出电压特性曲线,零点残余电压是由于几何尺寸不对称，材料的非线性。 由基波和高次谐波组成: 基波产生的原因是：两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，感应电势的幅值不等、相位不同.,高次谐波中起主要作用的是三次谐波， 原因是由于材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。,二、 基本特性 次级开路时有 次级绕组中感应电势的表达式分别为:,两绕组反向串联, 次级开路, 可得: 输出电压的有效值为 ,(1) 活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M,故 (2) 活动衔铁向上移动时 M1=M+M M2=M-M 故, 与 同极性。 , (3) 活动衔铁向下移动时 M1=M-M M2=M+M 故 , 与 同极性。,

12、三、差动变压器式传感器测量电路 输出的是交流电压, 交流电压表测量, 只能反映衔铁位移的大小, 不能反映移动方向。 采用差动整流电路和相敏检波电路。 ,1. 差动整流电路 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,图3-16 差动整流电路,流经电容C1的电流方向总是从2到4,流经电容C2的电流方向从6到8,整流电路的输出电压为 ,U2=U24-U68,衔铁在零位时,因为U24=U68 ,所以U2=0; 衔铁在零位以上时,因为U24U68,则U20; 衔铁在零位以下时,则有U24U68,则U20 。 U2的正负表示衔铁位移的方向。,差动整流电路 ，输入一交流

13、信号时,差动整流电路分析动画演示： 差分整流上线圈上半周 差分整流上线圈下半周 差分整流下线圈上半周 差分整流下线圈下半周,2. 相敏检波电路 VD1、VD2、VD3、VD4为四个性能相同的二极管,以同一方向串联成一个闭合回路,形成环形电桥。 输入信号u2通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线。,参考信号us通过变压器T2加入环形电桥的另一个对角线。 输出信号uL从变压器1与2的中心抽头引出。 平衡电阻R起限流作用, 避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。,图4-17 相敏检波电路,当位移x0时,u2与us同频同相, 当位移x0时,u2与us均为正半周时,环形电桥中二极管VD1、D4截止,

14、VD2、VD3导通,则可得图（b）的等效电路。,图418 波形图,则有 us1= us2= u21= u22= 输出电压u0的表达式:,当u2与us均为负半周时, 二极管VD2、VD3截止, VD1、 VD4导通。 等效电路如图（c）所示, 输出电压uL 表达式与前式相同, 只要位移x0, 不论u2与us是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压uL始终为正。,当x0时,u2与us为同频反相。不论u2与us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,uL的值反映位移x的大小, 极性则反映了位移x的方向。,4、差动变压式传感器的应用 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。 ,1悬梁臂；2差动变压器 图4-19 差动变压器式加速度传感器原理图,差动变压器传感器的应用,差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。,（1）压差计 当压差变化时，腔内膜片位移使差动变 器次级电压发生变化，输出与位移成正 比，与压差成正比。,（2）液位测量 沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。,（3）电感测厚仪 L1、L2是电感器传感器的两个线圈作为 两个桥臂； 四只二极管D1-D4组