7-31-自感传感器

1第三章变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器是利用被测量改变磁路的磁阻，导致线圈电感量的变化，或利用被测量改变传感器的电容量，或者利用被测量改变线圈的等效阻抗等，实现对非电量的检测。电感式传感器自感式可变磁阻式电涡流式互感式差动变压器电容式传感器2主要内容3.1自感式传感器3.2差动变压器3.3电涡流式传感器3.4电容式传感器第三章变电抗式传感器原理与应用33.1自感式传感器•3.1.1工作原理•3.1.2变气隙式自感传感器•3.1.3变面积式自感传感器•3.1.4螺线管式自感传感器•3.1.5自感式传感器测量电路•3.1.6自感式传感器应用举例43.1.1工作原理3.1自感式传感器交流接触器线圈交流电压源交流毫安表F自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。53.1.1工作原理A1L1线圈铁芯衔铁L2A2W自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。3.1自感式传感器磁通：线圈绕在由铁磁材料制成的铁心上，线圈通以电流，便产生磁通。磁路：电流产生的磁通集中在磁导率高的铁磁材料空间内，集中的磁通所经过的路径称为磁路。磁阻：磁通通过磁路时所受到的阻碍作用。63.1.1工作原理A1L1线圈铁芯衔铁L2A2W在铁芯和衔铁之间有空气隙，运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，导致电感线圈的电感值（电感对交流电的阻碍作用）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。3.1自感式传感器衔铁移动气隙改变磁阻变化电感值变化7磁路电路INR+_EI磁通Φ磁动势IN=F电动势E电流IU3.1.1工作原理mRFΦμSLRmREIρSLRIE=RIΨ=L8线圈自感量计算：mRNL2=线圈自感线圈匝数磁路总磁阻A1L1线圈铁芯衔铁L2A2W3.1.1工作原理气隙很小，（一般0.1-1mm）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121122002mLLRAAA各段导磁体的长度各段导磁体的磁导率气隙厚度真空磁导率3.1自感式传感器INF=mRF=ΦILΨ=Φ=ΨNμSL=Rm93.1.1工作原理通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即222001110022ALAALA121122002mLLRAAA002ARm20022ANRNLmμ0=4π×10-7H／m；δ：空气隙总长。3.1自感式传感器103.1.1工作原理20022ANRNLm上式表明：当线圈匝数N为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化。变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积A0的传感器。线圈电感量：3.1自感式传感器113.1.1工作原理自感式传感器的常用形式123.1.2变气隙式自感传感器忽略磁路磁损时，线圈自感量可写为δAμNRNLm2==0022L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图所示。3.1自感式传感器133.1.2变气隙式自感传感器当衔铁处于初始位置时，初始电感量为L＋－oL0L0＋LL0－L020002NAL当衔铁上移Δδ时，00000201)(2LANLLL0LLL0则此时输出电感为1/0200001LLLL200001LL同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有30200001LL30200001LL3.1自感式传感器143.1.2变气隙式自感传感器忽略高次项后，可得00LL30200001LL+Δ+Δ+1Δ=Δ20000δδδδδδLL近似线性灵敏度为0001LLK线性度（相对非线性误差）%100%1000020L气隙式电感传感器的灵敏度与线性度存在矛盾！3.1自感式传感器变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。153.1.2变气隙式自感传感器差动变隙式电感传感器为了减小非线性误差，实际测量中采用差动变隙式电感传感器。差动变隙式电感传感器是由两个完全相同的电感线圈合用一个衔铁和相应的磁路组成。测量时，衔铁与被测件相连，当被测件移动时，带动衔铁也以相同的位移移动，使两个磁回路中的磁阻发生大小相等、方向相反的变化。3.1自感式传感器002ARm163.1.2变气隙式自感传感器衔铁上移Δδ：两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2，差动传感器电感的总变化量ΔL=ΔL1+ΔL2,具体表达式为4020002112LLLL对上式进行线性处理,即忽略高次项得002LLsUL1L2RoRooU122131—铁芯；2—线圈；3—衔铁3.1自感式传感器30200001LL200001LL173.1.2变气隙式自感传感器灵敏度K0为0002LLK比较单线圈式和差动式：①差动式变气隙自感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。②差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于Δδ/δ01，因此，差动式的线性度得到明显改善。3002/LL200/LL3.1自感式传感器183.1.3变面积式自感传感器传感器气隙厚度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变。设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为：sKslNslslNLr02002'：气隙总长度l总长度：铁芯和衔铁中的磁路l磁导率：铁芯和衔铁材料相对r：气隙磁通截面积S面积：铁芯和衔铁中磁通截'S3.1自感式传感器20022ANRNLm193.1.3变面积式自感传感器灵敏度δlμNKdsdLk020=′==变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围，但灵敏度比变气隙式降低3.1自感式传感器sKslNslslNLr02002'203.1.4螺线管式自感传感器单线圈螺线管式自感传感器是由多层绕制的细长线圈、铁磁性壳体和可沿线圈轴向移动的活动衔铁组成。线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁移动时，自感量将相应变化，构成螺线管型自感传感器。螺线管式自感传感器有单线圈和差动式两种结构形式。3.1自感式传感器213.1.4螺线管式自感传感器1-螺线管线圈Ⅰ；2-螺线管线圈Ⅱ；3-骨架；4-活动铁芯差动螺线管式电感传感器结构原理图llrrlNrLLLccr22022010011L10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值；铁芯初始状态处于对称位置3.1自感式传感器223.1.4螺线管式自感传感器当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小lxlrrlWrLccr2202111lxlrrlWrLccr2202211根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为222021211lrWdxdLdxdLkkcr两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。222020100llrWLLLccr222021lrWkkcr化简得：3.1自感式传感器1r233.1.5自感传感器测量电路自感式传感器：把被测量的变化转变为电感量的变化。为了测出电感量的变化，要用转换电路把电感量的变化转换成电压（或电流）的变化。1、调幅电路2、调频电路3.调相电路3.1自感式传感器243.1.5自感传感器测量电路uscz2z1U/2U/2变压器电桥平衡臂为变压器的两个副边；Z1、Z2：差动电感传感器；当负载阻抗为无穷大时，流入工作臂的电流为21+=ZZUI2121121+2=2+=ZZZZUUZZZUUSC1、变压器电桥3.1自感式传感器253.1.5自感传感器测量电路初始Z1=Z2=Z=RS+jωL故平衡时，USC=0。双臂工作时，衔铁偏离中间零点，设Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，相当于差动式自感传感器的衔铁向一侧移动，则ZZUUSCΔ2-=同理反方向移动时ZZUUSCΔ2=3.1自感式传感器uscz2z1U/2U/22121121+2=2+=ZZZZUUZZZUUSC26（1）Z2增加，Z1减小URZRU121+=上A.U上端为正，U下端为负减小上UURZRU212+=下增加下UURZZU111+=上B.U上端为负，U下端为正减小上UURZZU222+=下增加下U相敏检波电路27（2）Z2减小，Z1增加URZRU121+=上A.U上端为正，U下端为负增加上UURZRU212+=下减小下UURZZU111+=上B.U上端为负，U下端为正增加上UURZZU222+=下减小下U相敏检波电路282、谐振式调幅电路电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。图谐振式调幅电路谐振点的自感值3.1.5自感传感器测量电路3.1自感式传感器01TTjLUUjLjLjC29传感器自感变化将引起输出电压频率的变化。振荡电路CLf图调频电路3/2Δ()Δ/4(/2)(Δ/)fLCCLfLLLf0LCf2/13.调频电路3.1.5自感传感器测量电路3.1自感式传感器303.1.6自感传感器应用当压力进入膜盒时，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A的指示值就反映了被测压力的大小。3.1自感式传感器31当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。3.1自感式传感器323.1自感式传感器小结•3.1.1工作原理（掌握）•3.1.2变气隙式自感传感器（掌握）•3.1.3变面积式自感传感器（理解）•3.1.4螺线管式自感传感器（了解）•3.1.5自感式传感器测量电路（理解）3.1自感式传感器