第4章电感式传感器1.ppt

《第4章电感式传感器1.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章电感式传感器1.ppt（61页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、 电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。被测物理量被测物理量位移位移振动振动压力压力流量流量比重比重的变化的变化线圈线圈自感系数自感系数 L互感系数互感系数 M的变化的变化电路电路电压电压电流电流电感传感器的电感传感器的主要特征主要特征是是具有电感绕组具有电感绕组。4.1工作原理工作原理1.变间隙型变

2、间隙型结构示意图如右图所示结构示意图如右图所示原理分析原理分析 工作时衔铁与被测物体工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。了线圈电感量的变化。4.1.1 自感式传感器自感式传感器线圈的电感可用下式表示：线圈的电感可用下式表示：2mNLR式中，式中，N为线圈匝数；为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。为磁路总磁阻。对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为式中，式中，l1为铁心磁路长；为铁心

3、磁路长；l2为衔铁磁路长；为衔铁磁路长；A为截面积；为截面积；1 1为铁心磁导率；为铁心磁导率；2 2为衔铁磁导率；为衔铁磁导率；0 0为空气磁导率；为空气磁导率；为空气隙厚度。为空气隙厚度。因此有：因此有：一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为 121202mllRAAAAAlAlNRNLm02211222202ANL 2.变面积型变面积型 气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变

4、，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器变面积型电感传感器，其结构示意，其结构示意图见下图。图见下图。通过对式通过对式 的分析可知，线圈电感量的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积磁通截面积A却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图4.1.3。202ANL 3.螺管型螺管型 如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁，如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁左右位移，自感也是一个可变自感。使衔铁左右位移，自感量将相应变化，这就可构

5、成量将相应变化，这就可构成螺管型传感器螺管型传感器。通过以上三种形式的电感式传感器的分析通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论可以得出以下几点结论:1.变间隙型灵敏度较高变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大但非线性误差较大,且制作装配比较困难。且制作装配比较困难。2.变面积型灵敏度较前者小变面积型灵敏度较前者小,但线性较好但线性较好,量程较大量程较大,使用比较广泛。使用比较广泛。3.螺管型灵敏度较低螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最是使用最 广泛的一种电感式传感器。广泛的一种电感式传感器。4.1.2 互感式传

6、感器互感式传感器 互感式传感器本身是其互感系数可变的互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。一般，这种传感器的出电压将作相应变化。一般，这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。常称之为差动变压器式传感器。这种传感器的工作原理如右图所示。这种传感器的工作原理如右图所示。12212N12dMdI12ddIeMdtdt1j tMII e若1ej I M 在初级线

7、圈中111LjREeIItjM次级线圈中的感应电势次级线圈中的感应电势 112IMjdtIdMEaaa12IMjEbb1111222)()(LjREMMjIMMjEEEbababa感应电势的有效值感应电势的有效值 2112211()()()ababMMEEk MMERL 初始位置，衔铁处于中间位置初始位置，衔铁处于中间位置 02022EMMMlllbaba当衔铁上升当衔铁上升 L MMMlllaa02MMMlllbb0211222lEKMEkE当衔铁下降当衔铁下降 L MMMlllaa02MMMlllbb0211222lEKMEkEE2与与E2a同相同相 E2与与E2b同相同相 各种差动变压器

8、各种差动变压器4.2 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度被测量被测量 x L(M)转换电路及转换电路及信号调节信号调节电量电量传感器转换电路调幅电路调频电路调相电路调幅式转换电路形式：调幅式转换电路形式：1、交流电桥：（电阻式传感器）、交流电桥：（电阻式传感器）电桥平衡条件：电桥平衡条件：Z1 Z4=Z2Z3 1+4=2+3输出电压：输出电压：UZZZZZZZZU)(4321324102121121022ZZZZuuZZZuu)/()2/(0ZZuu输出空载电压：输出空载电压：设初始平衡状态（理想情况磁芯在中间位置），设初始平衡状态（理想情况磁芯在中间位置），Z1=Z2=Z，u0=0

9、，当磁芯，当磁芯偏离中间位置时，偏离中间位置时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，有：，有：2、变压器电桥、变压器电桥：（：（右图所示）右图所示）)/()2/(0ZZuu当磁芯反向偏离时，当磁芯反向偏离时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，有：，有：阻抗阻抗 Z的变化取决于损耗电阻变的变化取决于损耗电阻变化化 R及感抗变化及感抗变化 L两部分。两部分。222)(/)(LRLLRRZRcReh自感线圈的等效电路如右图所示自感线圈的等效电路如右图所示此时，输出电压可写成下式，此时，输出电压可写成下式，Q为品质因数为品质因数RLQ/)(1)/11(2220RRQLLQuu)/()2/(0LLuu当品质因数很大，

10、当品质因数很大，R/R可以忽略时：可以忽略时：调频电路的基本原理是传感器自感调频电路的基本原理是传感器自感L的变化引起输出电压频率的变化引起输出电压频率f的变化。一的变化。一般是把传感器自感般是把传感器自感L和一个固定电容和一个固定电容C接接入一个振荡回路中，如右图入一个振荡回路中，如右图a所示。图所示。图中中G表示振荡回路，其振荡频率，当表示振荡回路，其振荡频率，当L变变化时，振荡频率随之变化，根据化时，振荡频率随之变化，根据f的大小的大小即可算出被测量。图即可算出被测量。图b给出了给出了f与与L的特的特性曲线，它存在严重的非线性。性曲线，它存在严重的非线性。调频式转换电路形式：调频式转换电

11、路形式：调相电路的基本原理是传感器电感调相电路的基本原理是传感器电感L变化会引起输出电压相位变化，变化会引起输出电压相位变化，下图下图a所示是一个相位电桥，一臂为传感器所示是一个相位电桥，一臂为传感器L，一臂为固定电阻，一臂为固定电阻R。设计。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降二个向量是互相垂直的，如下图阻上压降二个向量是互相垂直的，如下图b所示。当电感所示。当电感L变化时，输出变化时，输出电压的幅值不变，相位角随之变化电压的幅值不变，相位角随之变化。调相式转换电路形式：调相式转换电路形式：自

12、感传感器的自感传感器的灵敏度灵敏度是指传感器结构是指传感器结构(测头测头)和转换电路综合在一起的总灵敏度。和转换电路综合在一起的总灵敏度。传感器的灵敏度传感器的灵敏度(单位：单位：mV/（m V）)传感器结构灵敏度传感器结构灵敏度kt定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即 转换电路的灵敏度转换电路的灵敏度kc定义为空载输出电压定义为空载输出电压uo与自感相对变化之比，即与自感相对变化之比，即 由式由式(1式式)和式和式(2式式)可得可得总灵敏度总灵敏度为为 xLLkt/)/()/(oLLukcxukkkctZ/o4.3 零点残余

13、电压零点残余电压 衔铁位移衔铁位移x与电桥输出电压与电桥输出电压Uo有效值的关系有效值的关系曲线，如右图所示。曲线，如右图所示。虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为个最小的输出电压称为零点残余电压零点残余电压，并用，并用e0表表示。示。零残电压过大带来的影响：零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电

14、路后级饱和，仪器不能正常工作。工作。产生的原因产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称：两电感线圈的等效参数不对称减小零点残余电压方法：减小零点残余电压方法：1.尽可能保证传感器几何尺寸，线圈电气参数和磁路尽可能保证传感器几何尺寸，线圈电气参数和磁路 的对称。的对称。2.选用导磁性能好的材料制作保护外壳，这同时可起选用导磁性能好的材料制作保护外壳，这同时可起到磁屏蔽罩的作用。到磁屏蔽罩的作用。3.控制铁心的最大工作磁感强度，以便使磁路工作在控制铁心的最大工作磁感强度，以便使磁路工作在磁化曲线的线性段，减小高次谐波。磁化曲线的线性段，减小高次谐波。4.选用合适的测量电路可减小零位电压输出，如相敏选

15、用合适的测量电路可减小零位电压输出，如相敏检波电路。这样不仅可判别衔铁的移动方向，还可检波电路。这样不仅可判别衔铁的移动方向，还可减小零点残余电压。减小零点残余电压。5.采用补偿线路减小零点残采用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小余电动势。下图是几种减小零点残余电动势的补偿电路。零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。点残余电动势减小。UUR0a)UUR0b)UUR0c)C0C图4.2.4 减小零点电路 补偿电路基本原则：补偿电路基本原

16、则：串联电阻可以减小零点串联电阻可以减小零点残余电压的基波份量；残余电压的基波份量；并联电阻电容可以减小并联电阻电容可以减小谐波分量；加反馈支路谐波分量；加反馈支路可减小基波和谐波分量。可减小基波和谐波分量。4.4 应用举例应用举例下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器 测头测头测杆测杆电感电感线圈线圈磁芯磁芯下图是气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图下图是气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图 气体压力传感器气体压力传感器 加速度计用传感器加速度计用传感器旁向式差动电感式传感器旁向式差动电感式传感器总行程：1.5mm测量力：0.40.7N示值变动性：0.2m轴向式差动电感式传感器轴向式差动电感式传感器总行程：3mm测量力：0.450.65N示值变动性：0.03m总行程：1.5mm测量力：0.120.18N示值变动性：0.05m特点：特点：不仅可以测量微米级直径，而且通过其在孔内旋转和平移可以测量其椭圆度和圆柱度被测孔内径范围:25:25120mm 120mm 测量力：1.31.30.3N0.3N示值变动性：1 1m m特点：