《传感器原理与应用 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 王长涛 尚文利 夏兴华 韩忠华 候静 第五章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器原理与应用 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 王长涛 尚文利 夏兴华 韩忠华 候静 第五章（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。 电感式传感器的优点是结构简单可靠、输出功率大、测量力小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、分辨力较高，分辨率高，能测量0.1m以下的机械位移，能感受0.1red/s的转角位移变化、稳定性好、示值误差一般为0.1%0.5%，其缺点是频率响应低，不宜用于快速、动态测量。一般来说，电感式传感器的分辨能力和示值误差与示值范围有关，示值范围大时，分辨能力和示值精度将会相应降低。 电感式传感器的种类很多，根据转换原理不同，可分为自感式和互感式（又称差动变压器式）两种；根据结构形式
2、不同，可分为气隙型和螺管型两种。主要包括线圈、铁芯和衔铁三部分。,5.1 自感式传感器,5.1.1 气隙型电感传感器,2气隙式电感传感器的输出特性,5.1.2 螺管型电感式传感器,1工作原理,螺管型电感传感器分为单线圈和差动式两种结构。,2电感等效电路,电感传感器实质上是反应了铁芯线圈的自感随衔铁位移变化的情况，但实际的应用中，电感传感器线圈显然不是一个理想的纯电感，在应用电路中还包括线圈的电阻Rc、铁芯的涡流效应损耗电阻Re、磁阻损耗电阻Rh，可以忽略）和线圈的寄生电容C等，传感器的等效电路如图5-9所示。,结论： 等效电感L_p=L/(1-2 LC) 。L因为并联寄生电容C之后灵敏度提高了
3、(1/(1-2 LC)1)； 在实际测量中，若改变电缆引线的长度，即改变寄生电容C（主要是电缆的电容）的大小，则电感传感器的发生变化Lp。即灵敏度将发生变化。需要重新校准。,3测量电路,（1）交流电桥,（2）交流变压器,5.2 差动变压器式传感器,5.2.1 工作原理,差动变压器的上下两个铁芯均有一个初级线圈（又称为励磁线圈）和一个次级线圈（又称为输出线圈），衔铁置于两铁芯的中间，上下两个初级线圈串联后接交流励磁电压，作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边；次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反向串接而成，相当于变压器的副边。铁芯的作用是提供闭合回路、磁屏蔽和机械保护；活动衔铁和铁芯用同种
4、材料制成，通常选用电阻率大、导磁率高、饱和磁感应强度大的材料，如纯铁、钋镆合金、铁氧体等。铁氧体适用于高频工作的铁芯，但尺寸精度受到限制，所以高精度差动变压器一般采用高镍钋镆合金。铁芯和衔铁要经过适当热处理，去除应力，以改进其磁性能。,5.2.2 特性分析,1灵敏度（K） （1）灵敏度与一次电压E _1的大小有关，|E _1 | 增大，则K提高，但E _1不能过大，否则引起差动变压器发热； （2）灵敏度K与二次绕组匝数有关，N2增加，则K提高； （3）灵敏度K与一次电压E _1的角频率(=2f)有关，如图5-15所示。,总结： （1）选择较高的励磁频率； （2）增大铁芯直径，使其接近于线圈内径
5、，但不能触及线圈架，铁芯采用导磁率高、铁损小、涡流损耗小的材料； （3）在不使初级线圈过热的条件下尽量提高励磁电压。,2线性范围 理想差动变压器次级输出电压与活动衔铁位移成线性关系。实际上，由于铁芯的直径、长度、材质的不同和线圈骨架的形状、大小的不同等都会对变压器的线性关系有直接的影响，所以，一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的1/101/4。 通常所说的差动变压器的线性度不仅是指衔铁位移与输出电压的关系，还要求输出电压的相位角为一定值，另外，线性度好坏与励磁频率、负载电阻等都有关系。最佳线性度的励磁频率会随着铁芯的长度不同而变化。 如果利用差动整流电路对差动变压器的交流输出电压进行整流
6、，能使输出电压线性度得到改善，也可以依靠测量电路来改善差动变压器的线性度和扩展线性范围。,3误差分析 差动变压器误差来源主要有如下： （1）一次电压 E _1（激励电压）的幅值，频率 的影响 （2）温度（环境温度）变化的影响 （3）零点残余电压（E20）,残余电压产生的原因如下： （1）基波分量因素 （2）高次谐波分量因素 消除零点残余电压一般可以采用如下方法： （1）工艺制作上保证对称性（结构上的对称）。为了保证线圈和磁路的对称性，要提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构；应选高导磁率、低矫顽磁力、低剩磁感应的导磁材料，并经过热处理，消除参与应力，一提高磁性能的均匀性和稳定性； （2
7、）选择合适的测量电路。如采用整流电路，相敏检波电路等，不仅可以鉴别衔铁移动方向，而且可以将衔铁在中间置位时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。 （3）采用补偿方法。在传感器输出回路串、并联电阻、电容器件已达到次级线圈的感应电压的相位、幅值变化补偿。一般原则，串联电阻可以减少零点电位、实现调零；并联电容可以改变零点电位的相位。,5.2.3 测量电路,1差动整流电路（全波整流电路）,2相敏检波电路,5.3 电涡流式传感器,电涡流式传感器是利用电涡流效应将位移等非电被测参量转换为线圈的电感或阻抗变化的变磁阻式传感器。涡流传感器可以对振动、位移、厚度、转速、温度和硬度等参数实现非接触式测量，还可以进
8、行无损探伤，具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、体积小等优点。 电涡流传感器的敏感元件是线圈，当给线圈通以交变电流并使它接近金属导体时，线圈产生的磁场就会被导体电涡流产生的磁场部分抵消，使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这种变化与导体的几何尺寸、导电率、导磁率有关，也与线圈的几何参量、电流的频率和线圈到被测导体间的距离有关。如果使上述参量中的某一个变动，其余皆不变，就可制成各种用途的传感器，能对表面为金属导体的物体进行多种物理量的非接触测量。,5.3.1 工作原理,5.3.2 等效电路,5.3.3 结构特点,高频反射式电涡流传感器结构比较简单，主要由一个安置
9、在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。线圈采用高强度漆包线或银线绕制而成，用粘合剂粘在框架端部或绕制在框架槽内。线圈架应采用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料，一般常用高频陶瓷、聚酰亚胺、环氧玻璃纤维等。由于励磁频率高，要选用同轴电缆和高质量插头。,5.3.4 测量电路,1定频调幅测量电路,2调频测量电路,课堂互动内容 课堂提问 试比较差动传感器与简单电感传感器的电感量随气隙变化的特性曲线？ 试列举螺管型电感传感器主要特性。 电源频率波动对电感传感器的灵敏度有何影响？如何确定传感器的最佳电源频率？ 从电涡流式传感器的基本工作原理出发，简要说
10、明它的各种应用？ 试比较电涡流传感器的几种测量电路的各自优缺点，并指出它们的应用场合。,习 题,1什么是电感式传感器？电感式传感器分为几类？ 2差动变压器零点残余电压产生的原因？说出几种消除残余电压的方法？ 3如何提高差动变压器的灵敏度？ 4电涡流传感器有何特点？ 5螺线管型差动电感传感器如图1（a）所示，传感器线圈铜电阻R1=R2=40，电感L1=L2=30mH，现用两只匹配电阻设计成4臂等阻抗电桥，如图5-28（b）所示。试求：（1）匹配电阻R3和R4值多大时才能使电压灵敏度达到最大值？（2）当Z=10时， 电源电压为4，频率f=400Hz，求电桥输出电压值Usc？,6 一个铁氧体环形铁芯
11、，平均长度为12cm，截面积为1.5cm2，平均相对磁导率r=2000，试求：（1）在铁芯上均匀缠绕N=500匝线圈时，电感值L1=？（2）若匝数N增加一倍时，电感值L2=？ 7 如图2所示，差动螺管式电感传感器，图中参数如下：l=80mm，r=4mm，铁芯rc=2.5mm，lc=48mm，导线直径d=0.25mm，电阻率=1.7510(-6) cm，线圈匝数N1=N2=3000匝，铁芯相对磁导率r=30，激励电源频率f=3KHz。试求：（1）估算单个线圈的电感值L=？直流电阻R=？品质因数Q=？（2）当铁芯移动5mm时，线圈电感的变化量L=？（3）当采用交流不平衡电桥检测时，其桥路电源电压有
12、效值E=6V，要求设计电桥电路具有最大输出电压值，画出相应桥路原理图，并求出输出电压值。,8如图3所示，差动电感传感器测量电路。L1、L2 是差动电感，D1D4是检波二极管（设其正向电阻为零，反向电阻为无穷大），C1为滤波电容，其阻抗很大，输出端电阻R1=R2=R，输出端电压由C、D引出为eCD，Up为正弦波信号源。试求：（1）分析电路工作原理，即指出铁芯移动方向与输出电压极性的关系？（2）分别画出铁芯上移和下移时，流经电阻R1和R2 的电流i1和i2以及输出端电压eCD的波形图。,9差动电感位移传感器如图3所示，已知电源电压Uin=4V，频率f=400Hz，传感器线圈铜电阻与电感量分别为R=400，L=30mH，用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥，试求：（1）匹配电阻R3和R4的值？（2）当Z=10时，分别接成单臂和差动电桥后的输出电压值？（3）用矢量图表明输出电压Uout与输入电压Uin之间的相位关系？（4）设传感器的两个线圈铜电阻不相等，即R_1R_(2 )，在机械零位时便存在零点电压，用矢量图分析能否用调整衔铁位置的方法使Uout=0？,
