电感式位移传感器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,电感式传感器,电感式位移传感器实例,电磁感应,利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量,分为变磁阻式、变压器式、涡流式等,特点：,工作可靠、寿命长,灵敏度高，分辨力高,精度高、线性好,性能稳定、重复性好,变磁阻式传感器,4.1.1,工作原理,4.1,变磁阻式传感器,通常,气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,， 即,分为,变气隙厚度,的传感器和,变气隙面积,的传感器。,目前使用最广泛的是,变气隙厚度式,电感传感器,4.1.2,输出特性,L,与,之间是,非线性,关系， 特性曲线如所示。,变隙式电压传感器的,L-,特性,分析：,当衔铁处于,初始,位置,时，初始电感量为,当衔铁,上移,时，传感器气隙减小,，,即,=,0,，,则,此时输出电感为,灵敏度,为,可见：,变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,，因此变隙式电感式传感器,适用于测量微小位移,的场合。,与,衔铁上移,切线斜率变大,衔铁下移,切线斜率变小,为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用,差动变隙式,电感传感器。,4.1.3,测量电路,交流电桥,式、,变压器,式交流电桥以及,谐振式,等。 ,1.,电感式传感器的等效电路,当,Q,2,LC,且,2,LC,1,时,高,Q,值有,Z,1,+,Z,2,j,(,L,1,+,L,2,),，,则电桥输出电压为,(4-20),2.,交流电桥式测量电路,3.,变压器式交流电桥,使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用,(1),变压器电路,当传感器,衔铁上移：,如,Z,1,=,Z,+,Z,，,Z,2,=,Z,Z,，,当传感器,衔铁下移,：如,Z,1,=,Z,Z,，,Z,2,=,Z,+,Z,，,此时,由于 是交流电压， 输出指示无法判断位移方向，必须配合,相敏,检波电路,来解决。,(2),相敏检波电路,(a),非相敏整流电路；（,b,）,相敏整流电路,使用相敏整流，输出电压,U,0,不仅能反映衔铁位移的大小和方向，,而且还消除零点残余电压的影响，,调幅电路,： 特点：此电路,灵敏度很高， 但线性差，适用于线性度要求不高的场合,。,4.,谐振式测量电路,分为：,谐振式调幅电路,和,谐振式调频电路,。,调频电路,：,传感器电感,L,的变化引起输出电压频率的变化,。 把传感器电感,L,和电容,C,接入一个振荡回路中， 其振荡频率,。当,L,变化时，振荡频率随之变化，根据,f,的大小即可测出被测量的值。,传感器电感,L,变化会引起输出电压相位变化,.,5.,调相式转换电路形式,6.,自感传感器的灵敏度,传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度,总灵敏度,第一项决定于传感器的类型,第二项决定于转换电路的形式,第三项决定于供电电压的大小,气隙型、变压器电桥 传感器,传感器灵敏度的单位为,mV/(,mV),电源电压为,1V,，,衔铁偏移,1,m,时，输出电压为若干毫伏,变磁阻式传感器的应用,变隙电感式压力传感器结构图,差动变压器式传感器,把被测的非电量变化转换为,线圈互感变化,根据变压器的基本原理制成的，次级绕组用差动形式连接。 ,差动变压器结构形式：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,1,100mm,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。,(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,变隙式差动变压器,1.,工作原理,2.,输出特性,在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下,等效电路如下。 图中,r,1,a,与,L,1,a,r,1,b,与,L,1b,r,2a,与,L,2a,r,2b,与,L,2b,，,分别,为,W,1a,W,1b,W,2a,W,2b,绕阻的直流电阻与电感。,当,r,1,a,L,1,a,，,r,1,b,M,2,，,因而,E,2a,增加，而,E,2b,减小。反之，,E,2b,增加，,E,2a,减小。因为,U,o,=,E,2a,-,E,2b,，,所以当,E,2a,、,E,2b,随着衔铁位移,x,变化时，,U,o,也必将随,x,而变化。,2.,零点残余电压,当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移动时的输出电压称为,零点残余电压,，记作,U,o,.,它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。,零点残余电压产生原因,：,主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。,零点残余电压的波形主要由,基波和高次谐波,组成。,基波产生的主要原因,是： 传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称， 导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，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（主要是三次谐波）产生原因,：是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，在实际使用时，应设法减小,Ux,，否则将会影响传感器的测量结果。,减小零点残余电压方法：,1.,尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。,2.,选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。,3.,采用补偿线路减小零点残余电动势。,3.,基本特性,当,初级开路,时,式中：,U,初级线圈激励电压； ,激励电压,U,的角频率； ,I,1,初级线圈激励电流； ,r,1,、,L,1,初级线圈直流电阻和电感。,.,.,根据电磁感应定律， 次级绕组中感应电势的表达式分别为,输出电压的,有效值,为,活动衔铁处于,中间位置,时,M,1,=,M,2,=,M,故,U,o,=0,活动衔铁,向上移动,时,M,1,=,M,+,M,，,M,2,=,M,-,M,故,与,E,2,a,同极性。,.,活动衔铁,向下移动,时,M,1,=,M,-,M,，,M,2,=,M+,M,故,与,E,2,b,同极性。,.,4.,差动变压器式传感器测量电路,问题：,（,1,）差动变压器的输出是,交流电压,(,用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向,);,（,2,）测量值中将包含,零点残余电压,。,常常采用,差动整流电路或相敏检波电路,。 ,(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。,整流电路的输出,电压为,当衔铁在零位时，因为,U,24,=,U,68,，,所以,U,2,=0,；,当衔铁在零位以上时，因为,U,24,U,68,，则,U,2,0,；,而当衔铁在零位以下时， 则有,U,24,U,68,，则,U,2,0,。,U,2,的正负表示衔铁位移的方向。 ,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,5.,差动变压器式传感器的应用,可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、张力等。,(,1),加速度传感器,（,2,）力和力矩的测量,1,线圈,2,衔铁,3,弹性元件,优点,：承受轴向力时应力分布均匀；,当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。,（,3,）微小位移的测量,1,测端,2,防尘罩,3,轴套,4,圆片簧,5,测杆,6,磁筒,7,磁芯,8,线圈,9,弹簧,10,导线,（,4,） 压力测量,微压力传感器,1-,接头；,2-,膜盒；,3-,底座；,4-,线路板；,5-,差动变压器线圈；,6-,衔铁；,7-,罩壳；,8-,插头；,9-,通孔,传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，,可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计,