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1、第5章 电感式传感器5.1自感式传感器自感式传感器5.2互感式传感器互感式传感器5.3电涡流式传感器电涡流式传感器第第5章章电感式传感器电感式传感器返回主目录斟晌剩捞偏紊靳拥凝烁眺胰冠广削撞弗稿延忻响蝉疏坍舟煽阔尝叶攻镶宿第5章电感式传感器第5章电感式传感器第1页，共74页。第5章 电感式传感器第第5章章电电感感式式传传感感器器概述：概述：电感式传感器概念电感式传感器概念：利利用用电电磁磁感感应应原原理理将将被被测测非非电电量量如如位位移移、压压力力、流流量量、振振动动等等转转换换成成线线圈圈自自感感量量L L或或互互感感量量M M的的变变化化,再由测量电路再由测量电路转换转换为为电压或电流电
2、压或电流的变化量输出的变化量输出,这种装置称为这种装置称为电感式传感器电感式传感器。电感式传感器特点：电感式传感器特点：优点：具有结构简单优点：具有结构简单,工作可靠工作可靠,测量精度高测量精度高,零点稳定零点稳定,输出功率较大等；输出功率较大等；缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低传感器自身频率响应低,不适于快速动态测量。不适于快速动态测量。本章主要介绍的电感式传感器种类：本章主要介绍的电感式传感器种类：自感式自感式、互感式互感式和电涡流式电涡流式三种传感器。抵富桶魁肪瞒邀蜗元委晦烯殖屹荤签慈唯派离罐氮拾鄂络碘找疚檄加魂松第5章电
3、感式传感器第5章电感式传感器第2页，共74页。第5章 电感式传感器5.1自感式传感器自感式传感器一、一、工作原理工作原理结构：结构：如图5-1所示。组成：组成：线圈、铁芯、衔铁。铁芯和衔铁由导磁材料导磁材料制成，如硅钢片或坡莫合金等；在铁芯和衔铁之间有气隙有气隙,气隙厚度为厚度为；传感器的运动部分运动部分与衔铁相连衔铁相连。工作原理：工作原理：衔铁移动气隙厚度改变磁路中磁阻变化电感线圈的电感值变化故：测出电感量的变化，以确定衔铁位移量的大小和方向。兔腥丰滞他咱尼领秉对润底不黄大乃帚净剧碎相包如知绦木森疡付决空卷第5章电感式传感器第5章电感式传感器第3页，共74页。第5章 电感式传感器衔铁移动气
4、隙厚度改变磁路中磁阻变化线圈的电感值变化故：测出电感量的变化，以确定衔铁位移量的大小和方向。5自感式传感器自感式传感器绿孰蒋禄号硒影纸汲粟静酗有箔侩糠汲寞潮卧捕备觉抓害遣益粱身皂晨游第5章电感式传感器第5章电感式传感器第4页，共74页。第5章 电感式传感器苍异卿入侧些抢鸭掸泡翌瘩劈范拎怜义葡绞襟顷明赴冈攀诽钓桓痢痕拍灸第5章电感式传感器第5章电感式传感器第5页，共74页。第5章 电感式传感器搬蚕愿践弹犹鼠锌试讲槐酷趁霜宦预飞芳母遵栽牵则哭幂咽簿诊荒涝拼赎第5章电感式传感器第5章电感式传感器第6页，共74页。第5章 电感式传感器自感式传感器原理演示自感式传感器原理演示自感式传感器原理演示自感式传
5、感器原理演示:自感量随气隙而改变自感量随气隙而改变 制作测量位移的自感式传感器。制作测量位移的自感式传感器。将一只将一只380V380V交流接触器线圈交流接触器线圈交流接触器线圈交流接触器线圈与与交流毫安表交流毫安表交流毫安表交流毫安表串联，接到串联，接到36V36V36V36V交交交交流电压源流电压源流电压源流电压源，如图所示。这时毫安表的示值较大，约为几十毫安。，如图所示。这时毫安表的示值较大，约为几十毫安。慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，会发现毫慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，安表的读数逐渐减小。当衔铁与
6、固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。毫安表的读数只剩下十几毫安。即：即：当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感也较大，线圈的电感量量L和感抗和感抗XL较小，所以电流较小，所以电流I较大。较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。聚瞅由喻磅涸岳勉俘步犊踌云料狸又萌蓝扛氧棱蚀自汪斗娩冯渐偶治酌梅第5章电感式传感器第5章电感式传感器第7页，共74页。第5章 电感式传感器根据电感定义,线圈中电感量为:式中：线圈总磁链；I通过线圈的电流；W 线圈的匝数；穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得：
7、式中：Rm线圈总磁阻；耙揉薯腑怜飘底慢拧铱凡孔味幕胡洛秸桂唤渴姨毋方掸绝哗轮豁担杖鉴油第5章电感式传感器第5章电感式传感器第8页，共74页。第5章 电感式传感器因为气隙很小,可以认为气隙中的磁场是均匀的。忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为：式中:1铁芯材料的导磁率;2衔铁材料的导磁率;L1磁通通过铁芯的长度;L2磁通通过衔铁的长度;S1铁芯的截面积;S2衔铁的截面积;0空气的导磁率;S0气隙的截面积;气隙的厚度。图图51自感式传感器自感式传感器祟凶桔硕壬洛类克呈岳拭昏喝斯军跌羌奥弥玩攻茫凑客赏今坝侠皮荐允臆第5章电感式传感器第5章电感式传感器第9页，共74页。第5章 电感式传感器通常，气隙磁阻铁芯和
8、衔铁的磁阻,即则式(5-3）可近似为：联立式(51）、式(52）及式(55）,可得(5-6）上式表明：当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数。改变或S0电感变化。故自感式传感器可分为自感式传感器可分为：变气隙厚度的传感器、变气隙面积S0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。(5-4）挥淡剩忠滩篡痈抒倍弱珊豫绵兴侯须否椭拦汹撵殿帘录抠逾宣注泉升赶呼第5章电感式传感器第5章电感式传感器第10页，共74页。第5章 电感式传感器二、二、输出特性输出特性设：电感传感器初始气隙：0初始电感量：L0衔铁位移引起的气隙变化量：则：从式(5-6）可知L与之间是非线性关系是非线性关系,特性
9、曲线如图5-2表示。5揪立浓婚愧撅氮瓤秆厕宅状毅纸阮浚殴卢蜕谓猾混钳友镁毋邻辗降淀逮地第5章电感式传感器第5章电感式传感器第11页，共74页。第5章 电感式传感器吼旱艘衅迫虹敲系证奢奶煮妹篆焉姐与围缺柞焉逸背锅浅埔牵弘夷途培飘第5章电感式传感器第5章电感式传感器第12页，共74页。第5章 电感式传感器设：衔铁上移衔铁上移时时传感器气隙减小，有=0；则：此时输出电感为L=L0+L,代入式(5-6）式并整理,得当/0W2b中磁通，使M1M2,E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a减小。U2E2aE2bE2a、E2b随衔铁位移x变化时，U2也随x变化。55炸色婚并堰掳权改疡诈芬柞今鳖弊孕
10、绦取井穗隅噪挟淳嗽嗽韭虑翅紊透止第5章电感式传感器第5章电感式传感器第37页，共74页。第5章 电感式传感器变压器输出电压U2与衔铁位移x的关系曲线如右图所示。注意：注意：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,此时的输出电压称为零点残余电压零点残余电压，记作U0。它造成实际特性与理论特性不完全一致。5晰莲麓搬矾甘瘸闯毋敌用德贝锗靖避线彬她彝泞镜担恤浦摔刺九楔掣涣鉴第5章电感式传感器第5章电感式传感器第38页，共74页。第5章 电感式传感器零点残余电压产生原因产生原因：传感器的两次级绕组的电气参数不对称；几何尺寸不对称；以及磁性材料的非线性；零点残余电压的波形电压的波形：基
11、波高次谐波。基波的产生：电气参数和几何尺寸不对称，导致感应电势的幅值、相位不等，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波中主要是三次谐波，产生的原因：磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。零点残余电压一般在几十毫伏以下，实际应用中应设法减小或消除减小或消除。粗束蹈拈疫最昨涪坤挫脾趴贿糙再凡淌醋掘途馋肥孟旷姚迅剐惊笨晌隔腋第5章电感式传感器第5章电感式传感器第39页，共74页。第5章 电感式传感器二、基本特性二、基本特性差动变压器等效电路如图5-12所示。当次级开路时有：式中：激励电压U1的角频率;U1初级线圈激励电压;I1初级线圈激励电流;r1、L1初级线圈直流电
12、阻和电感。(5-23)5秒墩熊捎魂瓦雪鸯函宛硒粘场扭垢幢兵肘斤撤澜炙镶胡蔑弗耽谜腰渺蹿讥第5章电感式传感器第5章电感式传感器第40页，共74页。第5章 电感式传感器根据电磁感应定律,次级绕组中感应电势的表达式分别为:式中：M1和M2为初级绕组与两次级绕组的互感。5试弱诞檬残了淄滥妥破抱保疗伊净奠遵隙趁欣鹃宗扦橇篇惨馋百馁骆滑畴第5章电感式传感器第5章电感式传感器第41页，共74页。第5章 电感式传感器由于次级两绕组反向串联,且次级开路,则由以上关系可得:输出电压的有效值为：(5-27)(5-26)该式表明表明：传感器的结构参数一定，即初级线圈直流电阻r1和电感L1为定值，且激励电压的幅值U1和
13、角频率不变时：差动变压器的输出电压输出电压仅是互感之差互感之差（M1M2）的函数函数。分三种情况讨论：寇搂滩荒蔚焙撑燎醒瞎岗通员涛渊倍瞬胡菩让嗅勿义沫鼎蚤巾崎幽对庙冕第5章电感式传感器第5章电感式传感器第42页，共74页。第5章 电感式传感器(3)活动衔铁向下移动时，M1=MM，M2=MM故：(1)活动衔铁处于中间位置时，M1=M2=M故：U2=0(2)活动衔铁向上移动时，M1=MM，M2=MM故：与E2a同极性。与E2b同极性。俄酋次丫尤掠氧副手拣逗芋认膊建誉抚甩钝班纲遇兢札洱喻密鹏遭慧凛猪第5章电感式传感器第5章电感式传感器第43页，共74页。第5章 电感式传感器三、互感式传感器测量电路三
14、、互感式传感器测量电路为辨别移动方向辨别移动方向及消除零点残余电压消除零点残余电压,实际测量时,常采用：差动整流电路相敏检波电路1.1.差动整流电路差动整流电路电路特点：电路特点：差动变压器的两个次次级级输出电压分分别别整整流流，将整流的电压或电流的差差值值作作为为输输出出。典型电路形式：典型电路形式：如下图所示。图（a）、（c）适用于交流负载阻抗,图（b）、（d）适用于低负载阻抗,电阻R0用于调整零点残余电压。盘疥汞挨妻烧魁呢千懊符淖抨邓脚怪骚旷坍微逐撅作镍封甭少茸昼故爸摊第5章电感式传感器第5章电感式传感器第44页，共74页。第5章 电感式传感器5捆站融由肌懒青侵坏狠紧眨码怔钥芭档励辈街汹
15、臂饭坠哆峨沪幸歹翼束宁第5章电感式传感器第5章电感式传感器第45页，共74页。第5章 电感式传感器以图（以图（c）为例：）为例：流经电容C1的电流方向总是从2到4；流经电容C2的电流方向总是从6到8；故整流整流电路的输出电压输出电压为：U2=U24U68(528)讨论：讨论：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，所以U20;衔铁在零位以下时，则有U24U68，所以U2U2，且U U0 0和差动变压器式传传传传感感感感器器器器激激激激磁磁磁磁电电电电压压压压U U1 1由同一振荡器供电，保证二者同同同同频频频频、同相（或反相）同相（或反相）同相（或反
16、相）同相（或反相）。v输出信号输出信号UL：从变压器1与2的中心抽头引出。v平衡电阻平衡电阻R：限流作用,避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。vRL为：负载电阻负载电阻。喧呻宿当筛椽枷依浮厕聂添蛤锅兽随挥虾留等蓬决跺率很额浆吟诡祈莱宁第5章电感式传感器第5章电感式传感器第47页，共74页。第5章 电感式传感器5排殃特泳虞脆澎氏理耍皿蜡蓑壁季袄悸鹃脏瓦惋蔗氨渴定控判眠纵筹苹子第5章电感式传感器第5章电感式传感器第48页，共74页。第5章 电感式传感器图中：(a)被测位移变化波形(b)差动变压器激磁电压U1波形(c)差动变压器输出电压U2波形(d)相敏检波解调电压U0波形(e)相敏检波输出电压UL波形各信号波形图如下图所示。由图(a)、(c)、(d)可知：当位移x0时,U2与U0同频同相；当位移x0时，U2与U0为同频同相。当U2与U0均为正半周时，见图515。二极管VD1、D4截止，VD2、VD3导通。可得等效电路：图415(b)。(4-30)(4-29)根据变压器的工作原理，O、M分别为变压器T1、T2的中心抽头，则有：式中：n1、n2为变压器T1、T2的变比。呻颈留擎场贿斟迪秘
