第二章力传感器优秀文档

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,*,1,第二节,电感式传感器（变磁阻）,自感式传感器,气隙型自感传感器,螺管型自感传感器,自感线圈的等效电路,测量电路,自感式传感器应用,差动变压器,结构原理与等效电路,误差因素分析,测量电路,应用,电涡流式传感器,Inductive Transducer/sensor,2,定义：,是一种利用线圈自感或互感的变化实现非电量电测的装置，是一种机电转换装置。,感测量,：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。,种类,：根据转换原理，分自感式和互感式两种；,根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。,优点,：,结构简单、可靠，测量力小,衔铁为,200)10,-4,N,时，磁吸力为,(110)10,-4,N,。,分辨力高,机械位移：，甚至更小；角位移：角秒。,输出信号强，电压灵敏度可达数百,mV/mm,。,重复性好，线性度优良,在几十,m,到数百,mm,的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。,不足,：,存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。,3,一、自感式传感器,有气隙型和螺管型两种结构。,（一）气隙型自感传感器,组成：线圈,1,，衔铁,3,和铁芯,2,等。,图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为,l,。,传感器运动部分与衔,铁相连，衔铁移动时,l,发生变化，引起磁,路的磁阻,R,m,变化，使,电芯线圈的电感值,L,变化；只要改变气隙,厚度或气隙截面积就,可以改变电感。,0.5,l,1,2,3,x,(a),气隙式,(b),变截面式,4,电感传感器的基本工作原理演示,气隙变小，电感变大，电流变小,F,5,N,：线圈匝数；,R,m,：磁路总磁阻,(,铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻,),气隙式自感传感器，因为气隙较小,(,l,为,1mm),，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为,l,1,：铁芯磁路总长；,l,2,：衔铁的磁路长；,S,：隙磁通截面积；,S,1,：铁芯横截面积；,S,2,：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,=4,10,-7,H,m,；,l,：空气隙总长。,由磁路基本知识知，线圈自感为,6,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,可见，自感,L,是气隙截面积和长度的函数，即,L,f,(,S,l,),如果,S,保持不变，则,L,为,l,的单值函数，构成,变隙式自感传感器,；若保持,l,不变，使,S,随位移变化，则构成,变截面式自感传感器,。其特性曲线如图。,L=f,（,S,）,L=f,（,l,）,l,L,S,L,=,f,(,l,),为非线性关系。当,l,0,时，,L,为，考虑导磁体的磁阻，当,l,0,时，并不等于，而具有一定的数值，在,l,较小时其特性曲线如图中虚线所示。如上下移动衔铁使面积,S,改变，从而改变,L,值时,则,L,f,(,S,),的特性曲线为一直线。,7,r,x,螺旋管,铁心,单线圈螺管型传感器结构图,l,（二）,螺管型自感传感器,工作原理是基于线圈磁力线泄漏路径上的磁阻的变化。属于大气隙传感器，分单线圈和差动式两种结构形式。,组成：螺管线圈和圆柱形铁芯。,传感器工作时，通过改变磁芯在线圈中的相对位置，引起螺管线圈自感量的变化。当用恒流源激励时，假定线圈内磁场强度是均匀的，且磁芯插入线圈的长度小于线圈本身的长度，则此时线圈的输出的自感量为,8,L,线圈的自感量；,N,线圈的匝数；,r,c,磁芯半径；,r,线圈的平均半径；,l,螺管线圈长度；,l,c,磁芯插入线圈的长度；,r,铁心相对磁导率。,根据传感器灵敏度的定义，可得单线圈螺管型自感传感器灵敏度,或,可见，在线圈和磁芯长度一定时，自感相对变化量与磁芯插入长度的相对变化量成正比，但由于线圈内磁场强度的不均匀性，实际单线圈螺管型自感传感器的输出特性并非线性。而差动螺管型自感传感器较单线圈螺管型的非线性有所改善。,9,为了提高灵敏度与线性度,常采用由两个线圈组成的差动螺管式自感传感器。图,(b),中,H=f(x),曲线表明：为了得到较好的线性,铁芯长度取,l,时,则铁芯工作在,H,曲线的拐弯处,此时,H,变化小。这种差动螺管式自感传感器的测量范围为,(5,50)mm,非线性误差在左右。,2l,c,l,c,2,l,线圈,线圈,r,x,H,（）,IN,l,差动螺旋管式,自感,传感器,(a),结构示意图,(b),磁场分布曲线,x,(,l,),(a),(b),Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻),调相位式残余电压补偿电路,其线性和稳定性。,(3)当被测量方向变化使衔铁下移时，输出电压U0 的相位与衔铁上移时相反。,要求提高衔铁等重要零件的加工精度，两次级线圈绕法要完全一致，必要时对两次级线圈进行选配，把电感和电阻值十分接近的两线圈配对使用。,桥路输出电压Usc包含与电源E同相和正交两个分量。,当Q值 很高时，Usc ；,工作时，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z,组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。,1 弹性支承 2 差动变压器,优点：变压器电桥与电阻平衡电桥相比，元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；,图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。,（二）误差因素分析,零点残余电压使得传感器输出特性不过零点。,l1：铁芯磁路总长；,有气隙型和螺管型两种结构。,组成：螺管线圈和圆柱形铁芯。,10,综上所述，螺管式自感传感器的特点：,结构简单，制造装配容易；,由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度,低，但线性范围大；,由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；,由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线,圈匝数多，因而线圈分布电容大；,要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响,其线性和稳定性。,11,（三）自感线圈的等效电路,实际传感器中包括：,铜损电阻,（,R,c,）,N,为线圈匝数，,l,cp,为平均每匝长度,d,为线径、,c,为导线电阻率,C,L,R,c,R,e,涡流损耗电阻,（,R,e,）,并联分布电容,（,C,）,由线圈绕组的分布电容及电缆引线电容组成。并联电容后，传感器的灵敏度提高了。因此在测量中若需要改变电缆长度时，则应对传感器的灵敏度重新校准。,12,（四）测量电路,1,、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,这样既提高了灵敏度，又改善了线性度,，如图。,Z,1,、,Z,2,为工作臂，即线圈阻抗，,R,1,、,R,2,为电桥的平衡臂,电桥平衡条件：,设,Z,1,=,Z,2,=,Z,=,R,S,+j,L,；,R,1,=,R,2,=,R,R,S1,=,R,S2,=,R,S,；,L,1,=,L,2,=,L,E,为桥路电源，,Z,L,是负载阻抗。工作时，,Z,1,=,Z,+,Z,和,Z,2,=,Z,-,Z,Z,L,R,1,R,2,Z,2,Z,1,L,1,L,2,R,S1,R,S2,交流电桥原理图,U,SC,E,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。,缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。,根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;,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，直接影响输出电势。,激励电压的角频率；,l1：铁芯磁路总长；,RS1=RS2=RS；,初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。,并联电容后，传感器的灵敏度提高了。,（一）气隙型自感传感器,(2)若衔铁向上移动：,1 弹性支承 2 差动变压器,S1：铁芯横截面积；,选用合适的测量线路可减小零点残余电压输出。,(1)衔铁在中间位置时，U0=0，电流表中无读数。,把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生反抗H1的交变磁场H2。,13,其输出电压幅值,当,Z,L,时,输出阻抗,为自感线圈的品质因数。,教材中有误,14,桥路输出电压,U,sc,包含与电源,E,同相和正交两个分量。,在实际测量中，只希望有同相分量，如能使,或,Q,值比较大，均能达到此目的。但在实际工作时，,R,S,/,R,S,一般很小，所以要求线圈有高的品质因数。,当,Q,值 很高时，,U,sc,；,当,Q,值很低时，自感线圈的电感远小于电阻，电感线圈相当于纯电阻,(,Z,R,s,),，交流电桥即为电阻电桥。例如，应变测量仪，此时输出电压,U,sc=,。,该电桥结构简单，其电阻,R,1,、,R,2,可用两个电阻和一个电位器组成，调零方便。,15,Z,1,Z,2,U,SC,E/,2,E/,2,E,变压器电桥原理图,I,2,、变压器电桥,平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷大时，流入工作臂的电流为,初始,Z,1,=,Z,2,=,Z,=,R,S,+j,L,，故平衡时，,U,SC,=0,。双臂工作时，设,Z,1,=,Z,Z,，,Z,2,=,Z,+,Z,，相当于差动式自感传感器的衔铁向一侧移动，则,同理反方向移动时,16,可见，衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压,U,sc,大小相等、方向相反，即相位互差,180,，可反映衔铁移动的方向。但是，为了判别交流信号的相位，需接入专门的相敏检波电路。,优点,：,变压器,电桥与电阻平衡电桥相比，元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；,缺点,：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。,变压器电桥的输出电压幅值,输出阻抗为,(,略去变压器副边的阻杭，它远小于电感的阻抗,),17,（五）自感式传感器的应用,主要应用于测量位移和尺寸，也可以测量能够转换为位移量的其他参数，如力、压力、压差、张力、加速度、扭矩、应变等。,轴向自感式传感器,压力传感器,组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。,当Q值 很高时，Usc ；,e1激励电压的复数值；,缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。,（二）误差因素分析,RS1=RS2=RS；,当Q值 很高时，Usc ；,1、激励电源电压幅值与频率的影响,特点：做非接触式测量。,单线圈螺管型传感器结构图,如果S保持不变，则L为l的单值函数，构成变隙式自感传感器；,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,零点残余电压使得传感器输出特性不过零点。,18,二、差动变压器,(,Differential Transformer Sensor,),（一）结构原理与等效电路,分气隙型和差动变压器两种。目前多采用螺管型差动,变压器，可测量,1,100mm,范围内的机械位移。,其基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。,次,级,次,级,骨架,初,级,衔,铁,次,级,次,级,初,级,19,3,2,1,2,1,2,1,1,2,(,a,),(,b,),(,c,),(,d,),1,2,1,1,2,差动变压器线圈各种排列形式,1,初级线圈；,2,次级线圈；,3,衔铁,3,三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。,20,在理想情况下,(,忽略线圈寄生电容及衔铁损耗,),，差动变压器的等效电路如图。,初级线圈的复数电流值为,e,2,R,21,R,22,e,21,e,22,e,1,R,1,M,1,M,2,L,21,L,22,L,1,e,1,初级线圈激励电压,L,1,R,1,初级线圈电感和电阻,M,1,M,1,分别为初级与次级线圈,1,2,间的互感,L,21,L,22,两个次级线圈的