资源描述
n第三章第三章电感式传感器及其应电感式传感器及其应用用n 以电和磁为媒介，利用磁路磁阻变以电和磁为媒介，利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感或互感）变化引起传感器线圈的电感（自感或互感）变化来检测非电量的机电转换装置。化来检测非电量的机电转换装置。n自感式：自感式：L变化变化n差动变压器式：差动变压器式：M变化变化n电涡流式：电涡流式：L、M变化变化优点：优点：结构简单、工作可靠、测量精度高。结构简单、工作可靠、测量精度高。应用领域：应用领域：常用来检测位移、振动、力、加速度、应变、流量等物理量，是应常用来检测位移、振动、力、加速度、应变、流量等物理量，是应用较广的一类传感器。用较广的一类传感器。不足不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。3.1 自感式传感器自感式传感器 n结结构构组组成成：线圈1、铁芯2和衔铁3三部分 一、结构及工作原理一、结构及工作原理铁芯和衔铁之间铁芯和衔铁之间留有空气隙留有空气隙被测物与衔铁被测物与衔铁相连相连被测物移动衔铁空气隙变化磁路磁阻改变磁路磁阻改变线圈电感量变化输出电压、电流或频率变化实现对被测物位移的检测。工作过程：工作过程：设线圈的匝数为N,流过线圈的电流为I（A）,穿过线圈的磁通为(Wb),则电感量根据磁路定理得：式中,R1、R2和R分别为铁芯、衔铁和空气隙的磁阻，Rm为磁路总磁阻。工作原理工作原理：(导出电感导出电感L与衔铁位移关系与衔铁位移关系)n 一般导磁体的导磁率远大于空气的导磁率(大数千倍乃至数万倍),即有得 结论：结论：线圈匝数线圈匝数N确定之后确定之后,只要气隙长度只要气隙长度和气隙截面和气隙截面A二者之一发生变化二者之一发生变化,传传感器的电感量就会发生变化。感器的电感量就会发生变化。变气隙长度电感传感器：常用来测量线位移变气隙截面电感传感器：常用于测量角位移Aa 变气隙式传感器 b 变截面式传感器图3.1 自感式传感器结构图电感传感器的基本工作原理演示n气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小F F二、自感式传感器灵敏度及特性分析二、自感式传感器灵敏度及特性分析 以变气隙长度传感器为例，以变气隙长度传感器为例，设自感式传感器初始气隙为设自感式传感器初始气隙为0，初始电感量为，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气，衔铁位移引起的气隙变化量为隙变化量为，L与与之间是非线性关系，之间是非线性关系，L与与A之间是线性关系，特性曲线如图表示。之间是线性关系，特性曲线如图表示。衔铁上移衔铁上移时，传感器气隙减小时，传感器气隙减小，即即=0，则此时输出电感为，则此时输出电感为L=L0+L：A忽略高次项得忽略高次项得同理可得，衔铁下移同理可得，衔铁下移时，传感器气隙增大时，传感器气隙增大，即，即=0+，则此时输出电感，则此时输出电感为为L=L0-L，有：，有：综上所述，设气隙式传感器的灵敏度为综上所述，设气隙式传感器的灵敏度为K，则有：，则有：当忽略高次项时当忽略高次项时,L才与才与成线性关系成线性关系变气隙式传感器的输出特性是非线性的变气隙式传感器的输出特性是非线性的，/0 越小越小,高次项迅速减小高次项迅速减小,非线性可得到改非线性可得到改善，而善，而/，非线性增大，非线性增大;非线性与测量范围的要求相矛盾，一般取非线性与测量范围的要求相矛盾，一般取/=0.10.2;增大灵敏度方法：减小增大灵敏度方法：减小0;与与 引起的引起的 L的变化大小不同，且的变化大小不同，且 越大，越大，L相差越大。相差越大。可见：可见：n 两只完全相同的自感线圈合合用用一一个个活活动动衔衔铁铁便构成了差动式电感传感器。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻的两臂,另外两个桥臂由电阻组成。三、差动式电感传感器三、差动式电感传感器 UsrUsc12Z1Z2R3R4UscUsr两只完全对称的简单电感传感器合用一个活动衔铁两只完全对称的简单电感传感器合用一个活动衔铁上、下两个导磁体几何尺寸、形状、材料完全相同上、下两个导磁体几何尺寸、形状、材料完全相同上、下两个的线圈电气参数（上、下两个的线圈电气参数（R、L、W）完全相同。）完全相同。UsrUsc12当当衔衔铁铁偏偏离离中中间间位位置置向向上上或或向向下下移移动动时时,两两边边气气隙隙不不等等,两两只只电电感感线线圈圈的的电电感感量量一一增增一一减减,电电桥桥失失去去平平衡衡。电电桥桥输输出出电电压压的的幅幅值值大大小小与与衔衔铁铁移移动动量的大小成比例量的大小成比例,其相位则与衔铁移动方向有关。其相位则与衔铁移动方向有关。假假定定向向上上移移动动时时输输出出电电压压的的相相位位为为正正,而而向向下下移移动动时时相相位位将将反反向向180为为负负。因因此此,如如果果测测量量出出电电压压的的大大小小和和相相位位,就就能能决决定定衔衔铁铁位位移移量量的的大大小小和和方向。方向。在起始位置时在起始位置时,衔铁处于中间位置衔铁处于中间位置,两边的气隙相等两边的气隙相等,两只线圈的电感两只线圈的电感量相等量相等,电桥处于平衡状态电桥处于平衡状态,电桥电桥的输出电压的输出电压Usc=0。n假定电桥输出端的负载为无穷大,则得输出电压Z1Z2Z3Z4UscUsrn 当某一时刻,设衔铁向上位移,则上下两边气隙不等,阻抗也随之改变,上边增加了1=jL1,下 边 减 少 了 2=jL2,则Z1=Z0+Z1,Z2=Z0-Z2。电桥的另两臂是相同的电阻,即Z3=Z4=R,由得：由于Z1-Z2比Z0小得多,故可略去,则得Z1Z2Z3Z4UscUsrn 可见,电桥的输出与(L1+L2)成比例。提高灵敏度提高灵敏度K的途径：的途径：提高电桥的电压、减小起始气隙差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点：线性好；灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。K=-N20A/02 四、四、测量量电路路1、交流、交流电桥 实际应用中，交流电桥常和差动式自感传感器配合使用实际应用中，交流电桥常和差动式自感传感器配合使用,这样既提高了灵敏度，这样既提高了灵敏度，又改善了线性度又改善了线性度。Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥的平衡臂为电桥的平衡臂 交流电桥原理图起始位置起始位置 衔铁处于中间，气隙相等，电桥平衡。衔铁处于中间，气隙相等，电桥平衡。Z3=RZ4=R当当衔铁偏偏离离中中间位位置置，两两边气气隙隙不不等等，两两只只电感感线圈的圈的电感量一增一减，感量一增一减，电桥失去平衡失去平衡。高高Q值值的的差差动动式式电电感感传传感感器器，其其输输出出电电压为：压为：Z3=RZ4=RL0:衔铁中间位置时单个线圈的电感衔铁中间位置时单个线圈的电感L：单线圈电感的变化量：单线圈电感的变化量因因则则可见电桥输出电压与可见电桥输出电压与有关有关变压器电桥原理图2、变压器器电桥 平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压：平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压：初始初始 Z1=Z2=Z，电桥平衡，电桥平衡，U0=0。同理同理衔铁下移衔铁下移时时Z1Z2U0U/2U/2UI衔铁上移衔铁上移，设，设Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，则，则 可可见见，衔衔铁铁向向不不同同方方向向移移动动时时，产产生生的的输输出出电电压压U0大大小小相相等等、方方向向相相反反，即即相相位位互互差差180，可可反反映映衔衔铁铁移移动动的的方方向向。为为了了判判别别交交流流信信号号的的相相位位，需需接接入入专专门的相敏检波电路。门的相敏检波电路。优优点点：变变压压器器电电桥桥与与电电阻阻平平衡衡电电桥桥相相比比，元元件件少少，输输出出阻阻抗抗小小，桥桥路路开开路路时时电路呈线性；电路呈线性；缺缺点点：变变压压器器副副边边不不接接地地，易易引引起起来来自自原原边边的的静静电电感感应应电电压压，使使高高增增益益放放大大器不能工作。器不能工作。五、自感式电感传感器五、自感式电感传感器 应用应用u变气隙电感式压力传感器：变气隙电感式压力传感器：结构如图，由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起 当液体/气体进入膜盒时，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，电流表指示值就反映了被测压力的大小。u变气隙式差动电感压力传感器：变气隙式差动电感压力传感器：主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。被测压力压力C形弹簧管产生变形自由端发生位移衔铁运动线圈1和线圈2中的电感变化（一个电感量增大，另一个电感量减小）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输出电压，即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输出电压，即可得知被测压力的大小。可得知被测压力的大小。3.2 互感式传互感式传感器感器 n互互感感式式传传感感器器：被测的非电量线圈互感量M变化的传感器基基本本原原理理：根据变压器原理制成，且次级绕组都用差动形式连接，故也称差差动动变变压器式传感器压器式传感器。结构形式：结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等 在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。n 差动变压器式传感器,简称差动变压器,是一个有可动铁芯和两个次级线圈的变压器。n 传感器的可动铁芯和待测物相连可动铁芯和待测物相连,两个两个次级线圈接成差动形式次级线圈接成差动形式,可动铁芯的位移利用线圈的互感互感作用转换成感应电动势的变化,从而得到待测位移。一、差动变压器式传感器结构及原理一、差动变压器式传感器结构及原理 n 由于互感,初级线圈的交流电在两个次级线圈分别产生感应电动势E21和E22。又因接成差动形式,即两个感应电动势反向串联,则输出电压n设两个次级线圈完全相同,当铁芯处在中间位置时,感应电动势E21=E22,此时nUsc=E21-E22=0Uscn 当铁芯向上移动时,次级线圈2中穿过的磁通减少,感应电动势E22也减少,而次级线圈1中穿过的磁通增多,感应电动势E21也增大,则nUsc=E21-E220n 反之,当铁芯向下移动时,则nUsc=E21-E220n 可见,输出电压的大小和符号反映了铁输出电压的大小和符号反映了铁芯位移的大小和方向芯位移的大小和方向。Uscn 差动变压器有多种结构形式。n图(a)是形形结结构构,衔铁为平板形,灵敏度较高,但测量范围较窄,一般用于测量几微米到几百微米的机械位移。n图(b)是衔铁为圆柱形的螺螺管管形形差差动动变变压压器器,可测一毫米至上百毫米的位移。n此外还有衔铁旋转的用来测测量量转转角角的的差差动动变变压压器器,通常可测到几角秒的微小角位移。Uscn二、二、差动变压器的输出特性差动变压器的输出特性 n 图(a)所示形差动变压器,当不考虑铁损、漏感且忽略铁芯和衔铁的磁阻,在次级线圈开路时有 式中,1 和2分别为次级线圈1和2的磁通匝链数,则 式中N2为两次级线圈匝数。磁路定理：n设衔铁向上移动了,则式中除I1外均为已知,为此,需要求出初级线圈中的激磁电流I1。当次级线圈中无电流时(负载为无穷大)n 式中,Z11=R11+jL11,Z12=R12+jL12。R11、R12，L11、L12，Z11、Z12分别表示上下初级线圈的铜电阻,电感和复阻抗,其中该式中含有2项,这是引起非线性的因素。n 如果忽略2项,并设R11=R12=R1,上式可改写为把 代入上式,整理后得式中,Q=L0/R,为品质因数。n 由上式可知,输出电压中包含与电源电压Usr同相的基波分量和相位差90的正交分量。这两个分量都同气隙的相对变化量/0有关。Q值提高,正交分量将减小。因此,希望差动变压器具有高的Q值。Q值很高时,上式可简化成输出电压输出电压Usc与衔铁位移衔铁位移之间是成比例的,其输出特性曲线如图3.12所示。由图可见由图可见,单一线圈的感应电动势单一线圈的感应电动势E21或或E22与铁芯的位移不成线性与铁芯的位移不成线性,两个线圈差接以两个线圈差接以后后,输出电压与铁芯的位移成线性关系了。输出电压与铁芯的位移成线性关系了。负号的意义：负号的意义：当当向上为正时向上为正时,输出电压输出电压Usc与电源电压与电源电压Usr反相反相,当当向下为向下为负时负时,两者同相。两者同相。差动变压器具有高的差动变压器具有高的Q值时值时1、输出特性、输出特性 传传感感器器的的灵灵敏敏度度随随电电源源电电压压Usr和和变变压压比比N2/N1的的增增大大而而提提高高；随随起起始始间间隙隙增增大大而而降降低低。一一般般情情况况下下取取N2/N1=12,太太大大时时,次次级级线线圈圈的的输输出出阻阻抗抗过过高高,易受外部干扰的影响。易受外部干扰的影响。注注意意：位位移移量量要要限限制制在在一一定定范范围围内内,0一一般般在在0.5 mm左左右右。0过过大大,灵敏度要降低灵敏度要降低,而且边缘磁通将增大到不能忽略的程度而且边缘磁通将增大到不能忽略的程度,从而使非线性增大。从而使非线性增大。在实际输出特性中在实际输出特性中,当当0=0时时,还存在着零位电压还存在着零位电压U0。2、灵敏度、灵敏度三、差动变压器传感器应用三、差动变压器传感器应用 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。任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。1.位移的测量位移的测量 差动变压器仍以位移测量位移测量为其主要用途。它可以作为精密测量仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，如内径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏心和椭圆度等；作为轴承滚动自动分选机的主要测量部件，可以分选大、小钢球、圆柱、圆锥等;用于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。测量液位的原理图：当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，差动变压器输出信号Uo=0；当液位上升或下降时，Uo0；通过相应的测量电路便能确定液位的高低。2.振动和加速度测量 差动变压器+悬臂梁弹性支承加速度计：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。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。为了满足测量精度，加速度计的固有频率(）应比被测频率上限大35倍。由于运动系统质量m不可能太小，而增加弹性片刚度k又使加速度计灵敏度受到影响，因此系统固有频率不可能很高。所以，能测量的振动频率上限就受到限制，一般在150Hz以下。下图是这种形式的加速度计的测量电路示意图。高频时加速度测量用压电式传感器。差动变压器输出的交流信号差动变压器输出的交流信号,其其波形是调幅波波形是调幅波,无法鉴别被测位无法鉴别被测位移的方向。移的方向。为了观察衔铁的实为了观察衔铁的实际运动规律际运动规律,可采用差动相敏整可采用差动相敏整流电路。流电路。3.压力测量压力测量 差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力传感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。图是微压力变送器结构示意图及测量电路框图。n 差动变压器从供电方式可分为交交流流式和直流式式和直流式两种。n直流式差动变压器是将直流电通过振荡器变为交流电,并将电子电路与差动变压器封装在一起。这种传感器,供给稳定的直流电,就能获得与位移成正比的直流电压输出。直流式差动变压器 n量程:5、10mm,5 mm、250 mmn线性度:0.1%,0.2%,0.3%,0.5%n供电电压:12 V15 Vn输出方式:A.标准电流型010 mA或010 mAn B.标准电压型 05 V 或05 Vn环境温度:1065n结构型式:回弹式、非回弹式这种传感器主要技术指标：3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 vv 由法拉第电磁感应原理知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场由法拉第电磁感应原理知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场由法拉第电磁感应原理知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场由法拉第电磁感应原理知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做涡流，这种现象叫做涡流，这种现象叫做涡流，这种现象叫做电涡流效应电涡流效应电涡流效应电涡流效应。根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;形成电涡流必须具备两个条件：形成电涡流必须具备两个条件：形成电涡流必须具备两个条件：形成电涡流必须具备两个条件：存在交变磁场存在交变磁场存在交变磁场存在交变磁场 导电体处于交变磁场中导电体处于交变磁场中导电体处于交变磁场中导电体处于交变磁场中 一、电涡流式传感器工作原理一、电涡流式传感器工作原理 按照电涡流在导体内的贯穿情况,此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类,但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量,另外还具有体积小,灵敏度高,频率响应宽等特点,应用极其广泛。当传感器线圈通以正弦交变电流当传感器线圈通以正弦交变电流i1时，时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，金属板在此交变磁场中会产生感应电，金属板在此交变磁场中会产生感应电流流i2（在金属体内是闭合，称之为（在金属体内是闭合，称之为“涡电涡电流流”或或“涡流涡流”）。）。i2又产生新的交变磁又产生新的交变磁场场H2。H2 的作用将反抗原磁场的作用将反抗原磁场H1，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的取决于被测金属导体的电涡流效应。圈阻抗的取决于被测金属导体的电涡流效应。传感器线圈受电涡流影响时的等效等效阻抗阻抗Z的函数关系式为：若改变其中的某两项参数，而固定其它参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。电涡流效应既与被测体的电阻率电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率、磁导率以及几何形状有关，又与线以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关，还与线圈与导体间的距离圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关，还与线圈与导体间的距离x有关。有关。测位移计数测振动测厚度转速测量探伤测温厚度传感器厚度传感器距离、探伤传感器距离、探伤传感器1.低频透射式涡流厚度传感器低频透射式涡流厚度传感器在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1,在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时,则L1上产生交变磁通1,若两线圈间无金属板,则交变磁场直接耦合至L2中,L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间,则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。二、电涡流式传感器的应用二、电涡流式传感器的应用 此时磁场能量受到损耗,到达L2的磁通将减弱,从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚,涡流损失就越大,U2电压就越小。因此,可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度,。透射式涡流厚度传感器检测范围可达1100mm,分辨率为0.1m,线性度为 1%。为克服带材不平整或上下波动影响,在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1、S2。S1、S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变,则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。两传感器的输出电压之和为 2Uo，数值不变。2.高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 如果被测带材厚度改变量为,则两传感器与带材之间的距离也改变了一个,两传感器输出电压此时为2Uo+U。U经放大器放大后,通过指示仪表电路即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽,在距输入表面d0 处设置电涡流传感器,输入轴与被测旋转轴相连。当被测旋转轴转动时,输出轴的距离发生d0+d的变化。由于电涡流效应,这种变化将导致振荡谐振回路的品质因素变化,使传感器线圈电感随d的变化也发生变化,它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此,随着输入轴的旋转,从振荡器输出的信号中包含有与转数成正比的脉冲频率信号。该信号由检波器检出电压幅值的变化量,然后经整形电路输出脉冲频率信号f n。该信号经电路处理便可得到被测转速。本章要点本章要点自感式、互感式传感器的结构组成、工作原理、性能特点及其应用电涡流式传感器的工作原理、结构组成及其应用
展开阅读全文