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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,*,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,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,1,定义：,是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。,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,0.5,20010,-5,N,时，磁吸力为,(110)10,-5,N,。,分辨力高,机械位移：,0.1m,，甚至更小；角位移：,0.1,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。,2,一、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,1,、工作原理,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,。,0.5,l,1,2,3,x,(a),气隙式,(b),变截面式,3,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,0.1,1mm),，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,4,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。,5,2,、特性分析,主要特性,:,灵敏度和线性度。当铁芯和衔铁采用同一种导磁材料，且截面相同时，因为气隙,l,一般较小，故可认为气隙磁通截面与铁芯截面相等，设磁路总长为,l,，则,K,=,0,N,2,S,一般,r,1,，所以,当气隙减少,l,时,6,自感的相对变化,同理，当总气隙长度增加,l,时，自感减小为,L,2,，即,7,若忽略高次项，则自感变化灵敏度为,线性度,l,L,L,1,L,2,L,0,l,0,当气隙,l,发生变化时，自感的变化与气隙变化均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化,l,/,l,的增大而增加；,气隙减少,l,所引起的自感变化,L,1,与气隙增加同样,l,所引起的自感变化,L,2,并不相等，即,L,1,L,2,，其差值随,l,/,l,的增加而增大。,8,差动,变气隙式自感传感器结构由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成。当衔铁,3,移动时，一个线圈的自感增加，另一个线圈的自感减少，形成差动形式。如将这两个差动线圈,E,U,SC,1,3,4,2,R,R,(,l,-,l,)/2,(,l,-,l,)/2,分别接入测量电桥邻臂，则当磁路总气隙改变,l,时，自感相对变化为,9,差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍,差动式自感传感器非线性失真小,如当,l,/,l,=10,时,(,略去,l,l,r,),单线圈,10,；而差动式的,1,。,75,50,25,0,50,75,100,L/,mH,l,/mm,100,25,L,D,4,3,2,1,1,2,3,4,-,l,l,对差动气隙式传感器其,l,/,l,与,l,/(,l,r,),的变化受到灵敏度和非线性失真相互矛盾的制约,因此只能适当选取。一般差动变隙式自感传感器,l,/,l,0.1,0.2,时，可使传感器非线性误差在,3,左右。其工作行程很小,若取,l,2mm,则行程为,(0.20.5)mm,；较大行程的位移测量,常利用螺管式自感传感器,1,线圈,自感特性；,2,线圈,自感特性；,3,线圈,与,差动自感特性；,4,特性曲线,差动式自感传感器的输出特性,10,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,有单线圈和差动式两种结构形式。,单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。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。,11,螺管线圈内磁场分布曲线,r,x,l,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,H,（）,IN,l,x,（,l,）,铁芯在开始插入（,x,=0,）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的,1/2,长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。,12,若被测量与,l,c,成正比，则,L,与被测量也成正比。实际上由于磁场强度分布不均匀，输入量与输出量之间关系非线性的。,为了提高灵敏度与线性度,常采用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,0.6,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,0.5,左右。,2l,c,l,c,2,l,线圈,线圈,r,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,-0.8,0.8,0.4,1.2,-1.2,-0.4,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,),13,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。,14,（三）自感线圈的等效电路,假设自感线圈为一理想纯电感，但实际传感器中包括：,线圈的铜损电阻,（,R,c,）、,铁芯的涡流损耗电阻,（,R,e,）和,线圈的寄生电容,（,C,）。因此，自感传感器的等效电路如图。,C,L,R,c,R,e,15,（四）测量电路,1,、交流电桥,交流电桥是自感传感器的主要测量电路，为了提高灵敏度，改善线性度，自感线圈一般接成差动形式，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,16,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。,17,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，应变测量仪就是如此，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。,18,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,19,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,：这种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,),20,么么么么方面,Sds,绝对是假的,二、,差动变压器,（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。,1,初级线圈,;2.3,次级线圈,;4,衔铁,1,2,4,3,1,2,3,(,a,),气隙型,(,b,),螺管型,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。,22,3,2,1,2,1,2,1,1,2,(,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。,23,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,22,两个次级线圈的电感,R,21,R,22,两个次级线圈的电阻,I,1,激励电压的角频率；,e,1,激励电压的复数值；,由于,I,l,的存在，在次级线圈中产生磁通,R,m1,及,R,m2,分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，,N,1,为初级线圈匝数。,24,N,2,为次级线圈匝数。,因此空载输出电压,在次级线圈中感应出电压,e,21,和,e,22,，其值分别为,其幅数,输出阻抗,或,25,副,0,e,2,e,2,e,21,e,22,x,副,原线圈,差动变压器输出电势,e,2,与衔铁位移,x,的关系。其中,x,表示衔铁偏离中心位置的距离。,26,（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。,27,3,、零点残余电压,当差动变压器
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