电感式传感器幻灯片

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1、第4章 电感式传感器,第一节 变磁阻式传感器,第二节 互感式传感器,第三节 电涡流式传感器,第一节 变磁阻式传感器,一、变隙式自感传感器,1、结构和工作原理,由磁路基本知识知，线圈自感为,N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻),l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；S：气隙磁通截面积；S1：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积；1：铁芯磁导率；2：衔铁磁导率；0：真空磁导率， 0=410-7Hm； ：空气隙厚度。,由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为,由上式可见, 线圈匝数确定之后, 只要气隙长度和

2、气隙截面S二者之一发生变化, 传感器的电感量就会发生变化。 因此, 有变气隙长度和变气隙截面电感传感器之分, 前者常用来测量线位移, 后者常用于测量角位移。,设衔铁处于起始位置时, 传感器的初始气隙为0。 初始电感为,当衔铁向上移动时, 传感器的气隙长度将减少, 即为=0-, 这时的电感量为,相对变化量为,2、输出特性,当 时, 可将上式展开成级数,同理, 如衔铁向下移动时, 传感器气隙将增大, 即为=0+, 电感量的变化量为,相对变化量为,可以看出, 当忽略高次项时, L才与成线性关系。 当然, /0 越小, 高次项迅速减小, 非线性可得到改善。 然而, 这又会使传感器的量程变小。 所以,

3、对输出特性线性度的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的, 一般对变气隙长度的传感器, 取/0=0.10.2。,二、变面积自感传感器,x,a,铁心与衔铁间气隙厚度忽略。,三、螺管式自感传感器,铁 芯,传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。,四、差动自感传感器,1、变隙式差动自感传感器,在起始位置时, 衔铁处于中间位置, 两边的气隙相等, 两只线圈的电感量相等, 电桥处于平衡状态, 电桥的输出电压Us=0。 当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时, 两边气隙不等, 两只电感线圈的电感量一增一减, 电桥失去平衡。 电桥输

4、出电压的幅值大小与衔铁移动量的大小成比例, 其相位则与衔铁移动方向有关。 假定向上移动时输出电压的相位为正, 而向下移动时相位将反向180为负。 因此, 如果测量出电压的大小和相位, 就能决定衔铁位移量的大小和方向。,铁 芯,2、螺管式差动自感传感器,五、测量电路,1. 电感式传感器的等效电路,从电路角度看，电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电感由有功分量和无功分量两部分组成。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，这些都可折合成为有功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L, 绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。,L为线圈的自感，R为折合有功电

5、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Q=L/R，可得,当Q2LC且2LC1时，上式可近似为,则,令,从以上分析可以看出，并联电容的存在，使有效串联损耗电阻及有效电感增加，在有效阻抗不大的情况下，它会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。因此在测量中若更换连接电缆线的长度，在激励频率较高时则应对传感器的灵敏度重新进行校准。,2. 交流电桥式测量电路 把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替。设Z1=Z+Z1, Z2=Z-Z2，Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗， Z1, Z2分别是衔铁偏离中心位置时两线圈

6、阻抗的变化量。对于差动式电感传感器， 有Z1+Z2j(L1+L2)， 则电桥输出电压为,变隙式差动自感传感器忽略高次项得,整理得,电桥输出电压与成正比关系。,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。 当负载阻抗为无穷大时， 桥路输出电压,当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z，此时有 ， 电桥平衡。,当传感器衔铁上移时，如Z1=Z+Z，Z2=Z-Z时，,当传感器衔铁下移时，如Z1=Z-Z，Z2=Z+Z， 此时,可知， 衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于 是交流电压， 输出指示无法判断位移方向

7、，必须配合相敏检波电路来解决。,六、变磁阻式传感器的应用,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，于是衔铁也发生移动， 从而使气隙发生变化， 流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。,它主要由C形弹簧管、 衔铁、 铁芯和线圈等组成。,当被测压力进入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。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系， 所以只要用检测仪表测量出

8、输出电压， 即可得知被测压力的大小。,第二节 互感式传感器,一、结构及等效电路,初级线圈激励电压Lp,Rp初级线圈电感和 电阻M1,M2分别为初级与次 级线圈1,2间的互 感系数Ls1,Ls2两个次级线圈的 电感Rs1,Rs2两个次级线圈的 电阻 输出电压,初级线圈中交流电流,因此空载输出电压,在次级线圈中感应出电压为,Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级线圈匝数, N2为次级线圈匝数。 。,输出电压有效值,当磁芯平衡时,当磁芯上升时,当磁芯下降时,二、 误差因素分析1、激励电压幅值与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

9、电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。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。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响

10、电路正常工作等。,1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波 5 电磁干扰,图中e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。,零点残余电压产生原因：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。,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影响，使得激励电流

11、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。,消除零点残余电压方法：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。 2选用合适的测量线路,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

12、消除掉。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。,3采用补偿线路由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图(a)。由于R的分流作用将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。图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。,调相位式残余电压补偿电路,并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位，如图所示。电容C(0.02F)可防止调整电位器时使零点移动。,接入R0(几百k)或补偿线圈L0(几百匝)。绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压，避免负载不是纯电阻

13、而引起较大的零点残余电压。电路如图。,三、测量电路(相敏检波电路),图中D1、 D2、D3、D4为四个性能相同的二极管，以同一方向串联接成一个闭合回路， 形成环形电桥。输入信号 (差动变压器式传感器输出的调幅波电压)通过变压器B1加到环形电桥的一个对角线上。参考信号 通过变压器B2加到环形电桥的另一个对角线上。 输出信号从变压器B1与B2的中心抽头引出。 的幅值要远大于输入信号 的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且 和差动变压器式传感器激磁电压 由同一振荡器供电， 保证二者同频同相（或反相）。,当 时，由于 的作用，在正半周时，D3、D4 处于正向偏置，电流 ， 以不同方向流过电表M，

14、只要 ，且D3、D4 性能相同，通过电表的电流为0，所以输出为0 。在负半周时，D1、D2 导通， 相反，输出电流为0。,由于 ，D3、D4 仍然导通，D4 两端信号是,增加，而作用于D3两端的电压为 ， 减小，则为正。,正半周时,负半周时,D1、D2 导通，此时在 和 作用下， 增加，而减小， 。,所以，上述相敏检波电路可以由流过电表的平均电流的大小和方向来判断差动变压器的位移大小和方向。,在 为正半周， 为负半周时，D3、D4仍然导通，但 将赠机， 将减小，通过M的电流 不为零时，而且是负的。 为负半周时， 也是负的。,四、互感式传感器的应用测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。

15、1. 差动变压器式加速度传感器,用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.15)mm，振动频率为(0150)Hz。 差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。它由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连， 此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。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。,2. 微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。,