第4章电感式传感器课件

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4章 电感式传感器,4.1 自感式电感传感器,4.2 差动变压器式传感器,4.3 电涡流式传感器,第4章 电感式传感器,4.1 自感式电感传感器第4章 电感式传感器,1,第4章 电感式传感器,电感式传感器的工作基础：,电磁感应,即利用,线圈电感或互感的改变,来实现非电量测量。,分为,自感式、互感式、电涡流式,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,第4章 电感式传感器电感式传感器的工作基础：电磁感应分为自,2,各种电感式传感器,非接触式位移传感器,测厚传感器,电,感,粗,糙,度,仪,接近式传感器,各种电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电接近式传感器,3,4.1 自感式电感传感器,一、工作原理,变磁阻式传感器的结构如下图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。,4.1 自感式电感传感器一、工作原理,4,在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度发生改变,引起,磁路中磁阻变化,从而导致,电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。,在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为,传感器的运,5,上式中:,L该元件的自感或电感；,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：,根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定:,式中:R,m,磁路总磁阻。,引入知识,环形线圈如下图，其中媒质是均匀的，磁导率为,，,试计算线圈内部的磁通,。,上式中:L该元件的自感或电感；根据电感定义,6,根据安培环路定律，有,设磁路的平均长度为l，则有,S,x,H,x,I,W,匝,环形线圈如下图，其中媒质是均匀的，磁导率为,，,试计算线圈内部的磁通,。,式中：,F=WI磁通势，由其产生磁通；,R,m,磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；,l为磁路的平均长度；,S为磁路的截面积。,即有：,根据安培环路定律，有设磁路的平均长度为l，则有SxHxIW,7,2.磁路的欧姆定律,若某磁路的磁通为,，,磁通势为F，磁阻为R,m,，则,此即,磁路的欧姆定律,。,磁路,磁通势F,磁通,磁阻,电路,电动势 E,电流密度 J,电阻,磁场强度H,电流 I,W,I,+,_,E,I,R,2.磁路的欧姆定律 若某磁路的磁通为，磁通势为F,8,对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损,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;L,1,磁通通过铁芯的长度;L,2,磁通通过衔铁的长度;A,1,铁芯的截面积;A,2,衔铁的截面积;,0,空气的导磁率;,由磁路欧姆定律,得：,式中:R,m,磁路总磁阻。,A,0,气隙的截面积;气隙的厚度。,对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以可以认为气隙,9,通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即：,则上式可近似为：,又因为：,所以：,并且,通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即：所以：并且,10,上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻R,m,的函数,只要改变或A,0,均可导致电感变化,因此自感式传感器又可分为,变气隙厚度的传感器,和,变气隙面积A,0,的传感器,。,使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。,二、输出特性,由上式可知，变气隙厚度（变隙）式电感传感器的L与之间是非线性关系，特性曲线如下图所示。,上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁,11,设电感传感器初始气隙为,0,初始电感量为L,0,衔铁位移引起的气隙变化量为,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,L=L,0,+L,则：,电感的变化量为：,设电感传感器初始气隙为0,初始电感量为L0,衔,12,电感的变化量为：,则：,，当,时，,可将上式展开成泰勒级数形式：,同理，当衔铁向下移动,时，传感器的气隙将增大，即为：,电感的变化量为：则：，当时，可将上式展开成泰勒级数形式：同理,13,同理，当衔铁向下移动,时，传感器的气隙将增大，即为：,这时的电感量为：,电感的变化量为：,则：,，当,可将上式展开成级数：,同理，当衔铁向下移动时，传感器的气隙将增大，即为：这时,14,当衔铁上移时：,当衔铁向下移动,时：,对上两式作线性处理，即忽略高次项后，可得,则,L与近似成比例关系,，因此高次项的存在是造成非线性的原因。,当衔铁上移时：当衔铁向下移动时：对上两式作线性处理,15,忽略高次项后，可得,则,L与近似成比例关系,，因此高次项的存在是造成非线性的原因。,但是，当气隙相对变化/,0,很小时，高次项将迅速,减小，非线性可以得到改善，然而这又会使传感器的测量范围（即衔铁的允许工作位移）变小，所以，对输出特性线性度的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的。,因此,变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合,，一般对于变气隙长度电感传感器，为了得到较好的线性特性，取/,0,=0.10.2，这时L=f()可近似看作一条直线。,忽略高次项后，可得 则L与近似成比例关系，因此,16,忽略高次项后，可得：,灵敏度为：,忽略高次项后，可得：灵敏度为：,17,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,。,差动变隙式电感传感器,由上图可知,差动变隙式电感传感器由,两个相同的电感线圈,1、2合用一个衔铁和相应的磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连。,为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变隙式电,18,当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等,方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。,差动变隙式电感传感器,当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下,19,当衔铁往上移动时,两个线圈的电感变化量L,1,、L,2,分别是：,差动变隙式电感传感器,当衔铁往上移动时,两个线圈的电感变化量L1、,20,当差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与L有关,其具体表达式为：,对上式进行线性处理，忽略高次项得：,灵敏度K,0,为:,当差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,21,对上式进行线性处理，忽略高次项得：,灵敏度K,0,为：,比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到如下结论:,差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。,差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（/,0,）因子,因为（/,0,）,2,LC（即2fcR1）且,2,LC2LC（即2fcR1）且2LCR，其输出电压为：,式中:Z,0,衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗；,Z衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量；,L,0,衔铁在中间位置时单个线圈的电感;,L单线圈电感的变化量。,交流电桥式测量电路,因此在测量中若更换连接电缆线的长度，在激励频率,31,由前面对差动变隙式电感传感器的原理的介绍可知，忽略高次项后：,又,则,电桥输出电压与成正比关系。,3.变压器式交流电桥,交流电桥式测量电路,变压器式交流电桥,变压器式交流电桥测量电路如右图所示，电桥两臂Z,1,、Z,2,为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压为：,由前面对差动变隙式电感传感器的原理的介绍可知，忽略高,32,3.变压器式交流电桥,变压器式交流电桥,变压器式交流电桥测量电路如右图所示，电桥两臂Z,1,、Z,2,为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压为：,测量时被测件与传感器衔铁相连，当传感器的衔铁处于中间位置,即Z,1,=Z,2,=Z时，有=0,电桥平衡。,当,传感器衔铁上移,时,即Z,1,=Z+Z,Z,2,=Z-Z,此时,3.变压器式交流电桥变压器式交流电桥 变压器式交流,33,变压器式交流电桥,当,传感器衔铁下移,时,则,Z,1,=Z-Z,Z,2,=Z+Z,此时,当,传感器衔铁上移,时,即,Z,1,=Z+Z,Z,2,=Z-Z,此时：,由以上分析可知,衔铁上下移动相同距离时,输出电压的大小相等,但方向相反,由于 是交流电压,输出指示无法判断位移方向,因此必须配合相敏检波电路来解决。,变压器式交流电桥 当传感器衔铁下移时,则 当传,34,谐振式测量电路有,谐振式调幅电路,和,谐振式调频电路,。,4.谐振式测量电路,（1）谐振式调幅电路,在调幅电路中，传感器电感L与电容C，变压器原边串联在一起,接入交流电源 ,变压器副边将有电压 输出,输出电压的频率与电源频率相同。,谐振式调幅电路,谐振式测量电路有谐振式调幅电路和谐振式调频电路。4,35,下图（b）中曲线1为图（a）回路的谐振曲线，其中L,0,为谐振点的电感值。若激励源的频率为f，则可确定其工作在A点。当传感器线圈电感量发生变化时，谐振曲线将左右移动，工作点就在一频率的纵坐标直线上移动（例如移至B点），于是输出电压的幅值就发生相应变化。,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。,谐振式调幅电路,下图（b）中曲线1为图（a）回路的谐振曲线，其中L0,36,（2）谐振式调频电路,调频电路的基本原理是,传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化,。一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中,其振,荡频率为 。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。下图表示f与L的特性,它具有明显的非线性关系。,谐振式调频电路,（2）谐振式调频电路 调频电路的基本原理是传感器电,37,四、零点残余电压,理论上，当传感器的衔铁处于中间位置，即两线圈的阻抗相等，即Z,1,=Z,2,时，电桥平衡，输出电压为零。由于传感器线圈阻抗是一个复阻抗，因此为了达到电桥平衡，就要求两线圈的电阻相等，两线圈的电感也相等。,实际上这种情况是不能精确达到的，,因而在传感器输入量为零时，电桥有一个不平衡输出电压U,O,。,零点残余电压波形,右图给出了,桥路输出电压与活动衔铁位移关系的曲线,。图中虚线为理论特性曲线，实线为实际特性曲线。,传感器在零位移时的输出电压称为,零点残余电压,，记作U,O,。,四、零点残余电压 理论上，当传感器的衔铁处于中间位置，,38,零点残余电压波形,零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。产生零点残余的原因大致有如下两点：,由于两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，因此在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成了零点残余电压的基波分量。,由于传感器导磁材料磁化曲线的非线,性（如铁磁饱和、磁滞损耗）使得激励电流与磁通波形不一致，从而形成了零点残余电压的高次谐波分量。,零点残余电压的存在，使得传感器输出特性在零点附近不灵敏，限制了分辨率的提高。,零点残余电压波形 零点残余电压主要由基波分量和高次谐波,39,零点残余电压波形,零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。,为减小电感式传感器的零点残余电压，可采取以下措施：,在设计和工艺上，力求做到磁路对称，铁芯材料均匀；要经过热处理以除去机械应力和改善磁性；两线,圈绕制要均匀，力求做到几何尺寸与电,气特性保持一致。,在电路上进行补偿。,零点残余电压波形 零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵,40,五、自感式电感传感器的应用,下图是,变隙电感式压力传感器,的结构图。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成,衔铁与膜盒的上端连在一起。,当压力进入膜盒时,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。,变隙电感式压力传感器结构图,五、自感式电感传感器的应用 下图是变隙电感式压力,41