电感式传感器1

电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f电感式传感器电感式传感器的定义利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。电感式传感器的感测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等。电感式传感器的种类根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变压器式）、电涡流式三种；根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。电感式传感器电感式传感器的优点①结构简单、可靠②分辨率高机械位移0.1μm，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。③重复性好，线性度优良在几十μm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。④能实现远距离传输、记录、显示和控制电感式传感器的不足存在交流零位信号，不宜高频动态测量。电感式传感器§1自感式传感器§2差动变压器式电感传感器§3电涡流式传感器§4电感式传感器的应用一、自感式传感器工作原理二、自感阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路§1自感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数L的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为自感式传感器，也称为变磁阻式传感器。一、变磁阻式传感器工作原理§1自感式感传感器线圈中电感：INΦILδ线圈铁芯衔铁Δδ线圈匝数传感器结构：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，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。磁链电流磁通一、变磁阻式传感器工作原理MMRNLRINΦINΦL2;;RRF2202ANRNLARRM02磁导率AR02RRRFM气隙磁阻气隙厚度截面积长度222111AlAlRF衔铁磁阻铁芯磁阻§1自感式感传感器一、变磁阻式传感器工作原理气隙截面积A保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙厚度式自感传感器。保持气隙间距δ不变，A随被测量（如位移）变化，构成变气隙面积式自感传感器（截面积式传感器）。工作原理：若匝数一定，当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化。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。如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器。§1自感式感传感器变磁阻式传感器即自感式电感传感器的基本类型：二、变磁阻式传感器基本类型δ线圈铁芯衔铁Δδ（1）变气隙式（2）截面积式（3）螺管式变气隙式螺管式线圈铁芯衔铁衔铁移动方向截面式§1自感式感传感器二、变磁阻式传感器基本类型第一种灵敏度高；第二种类型的优点是具有较好的线性，示值范围较大，自由行程也较大；第三种类型灵敏度低，但示值范围大，自由行程大，且其主要优点是结构简单，制造装配容易。灵敏度低是其缺点，但可以在放大电路方面加以解决。§1自感式感传感器自感传感器的特性曲线2202ANRNL当L＝0时，L为无穷大，考虑导磁体的磁阻，当δ＝0时，L并不等于无穷大，而具有一定数值，在δ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)的特性曲线如图所示为一直线。§1自感式感传感器三、变截面式自感传感器输出特性气隙截面面积A0时自感系数20020ANL当传感器截面增加ΔA时，则输出电感为2)(0020AANLLL线圈铁芯衔铁衔铁移动方向δ202ANL00AALL因此，输出电感的变化与截面面积的变化成线性关系。§1自感式感传感器三、变截面式自感传感器输出特性当传感器截面减小或增加ΔA时线圈铁芯衔铁衔铁移动方向δ0001/AALLK00AALL输出电感灵敏度与初始截面面积的成反比关系。00AALL因此既可确定衔铁位移量的大小又可确定方向。输出电感灵敏度§1自感式感传感器三、变截面式自感传感器的输出特性§1自感式感传感器四、变间隙式自感传感器输出特性δ线圈铁芯衔铁Δδ气隙厚度δ0时自感系数00220ANL当衔铁下移Δδ时，传感器气隙增加Δδ，即δ=δ0+Δδ，则输出电感为0000201)(2LANLLL§1自感式感传感器四、变间隙式自感传感器输出特性δ线圈铁芯衔铁Δδ当Δδ/δ01时，用泰勒级数展开成级数形式000LLLL30200001LL000/11LL§1自感式感传感器四、变间隙式自感传感器输出特性δ线圈铁芯衔铁Δδ当衔铁随被测体的初始位置向上移动Δδ时302000000111LL00LL因此既可确定衔铁位移量的大小又可确定方向。忽略高次项线性处理§1自感式感传感器四、变间隙式自感传感器输出特性电感灵敏度0001/LLK00LL变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变间隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。动态测量范围：0.001~1mm。%1000Le非线性误差§1自感式感传感器五、差动式自感传感器由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动和附加误差，而且非线性误差较大。外界的干扰、电源电压频率的变化、温度的变化都会使输出产生误差。在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。差动结构的特点：（1）改善非线性、提高灵敏度；（2）补偿温度变化、电源频率变化等的影响，从而减少了外界影响造成的误差。§1自感式感传感器五、差动式自感传感器差动间隙式电感传感器由两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连,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。差动变气隙式传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆123444321314差动螺管式差动变截面式§1自感式感传感器五、差动式自感传感器差动变气隙式传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆123442002000210/12/112LLLLL00012/LLK%100/20Le电感灵敏度非线性误差优点：①线性好，非线性误差降低一个数量级；②灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；③温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；④电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。§1自感式感传感器自感系数特性曲线图§1自感式感传感器六、自感式传感器的等效电路等效线圈阻抗为电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L,绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。电感式传感器的等效电路CjLjRCjLjRZ)(§1自感式感传感器传感器的两线圈作为电桥的两相邻桥臂Z1和Z2，另两个相邻桥臂为纯电阻R。设Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，ΔZ1、ΔZ2分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量，则Z1=Z+ΔZ1Z2=Z-ΔZ2七、自感式传感器的测量电路高品质因数Q=ωL/R的电感式传感器，线圈的电感远远大于线圈的有功电阻，即ωLR，则有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)电感式传感器的测量电路：交流电桥、变压器式交流电桥等。1、交流电桥式测量电路§1自感式感传感器电桥输出电压为七、自感式传感器的测量电路线性处理后电桥输出电压为1、交流电桥式测量电路)(221LLUZZUo差动式传感器的电感灵敏度K0为0002/LLK①变间隙差动式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。②差动式的非线性误差明显改善。002LUo输出电压与Δδ成正比。§1自感式感传感器曲线1、2为两线圈各自电感特性；曲线3为两线圈差接时的电感特性；曲线4为差接后电桥输出电压与衔铁位移的特性曲线。七、自感式传感器的测量电路1、交流电桥式测量电路δU0L/mHδ/mmL04321ⅠⅡ1234-ΔδΔδ电桥输出特性：电桥输出电压大小与衔铁位移量Δδ有关，相位与衔铁移动方向有关。若设衔铁向上移动Δδ为负，则U0为负；衔铁向下移动Δδ为正，则U0为正，相位差180°。§1自感式感传感器变压器式交流电桥测量电路，电桥两桥臂分别为传感器两线圈的阻抗，另外两桥臂分别为电源变压器的两次级线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。七、自感式传感器的测量电路2、变压器式交流电桥测量时被测件与传感器衔铁相连，当衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时电桥输出电压为零，电桥平衡。Z1Z2IABCD~0U2U2UoU2212112212UZZZZUUZZZUUUBAo当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为§1自感式感传感器当传感器衔铁上移时，Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则桥路输出电压为七、自感式传感器的测量电路2、变压器式交流电桥当衔铁上下移动相同距离时，电桥输出电压大小相等而相位相反。要判断衔铁方向需要经过相敏检波电路的处理。Z1Z2IABCD~0U2U2UoU2222112ULLUZZUZZZZUo2222112ULLUZZUZZZZUo当传感器衔铁下移时，Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，桥路输出电压为§1自感式感传感器①衔铁中间位置七、自感式传感器的测量电路3、相敏检波测量电路1L2LEFJKGH21LLHGUU②衔铁上移L1增大，自感电动势增加；L2减小，自感电动势减少。正半周→E点电势高，F点低通路E→J→G→F，UG降低通路E→K→H→F，UH升高HGUU负半周→F点电势高，E点低通路E→J→H→F，UG降低通路E→K→G→F，UH升高HGUU结论：无论是正半周还是负半周，衔铁上移时UGUH。+3+2+10+4+1+3+51L2LEFJKGH-5-3-2-30-4-1-1§1自感式感传感器七、自感式传感器的测量电路3、相敏检波测量电路1L2LEFJKGH③衔铁下移L1增小，自感电动势减少；L2减大，自感电动势增加。结论：无论正半周还是负半周，衔铁下移时UGUH。衔铁下移时，UGUH;衔铁上移时，UGUH。通过相敏检波电路输出电压的正负可判断衔铁位移的方向。相敏检波电路输出电压的大小和正负判断衔铁位移的大小和方向。§1自感式感传感器七、自感式传感器的测量电路4、零点残余电压自感式传感器测量电桥电路，当两线圈的阻抗相等，即Z1=Z2时，电桥平衡，输出电压为零。传感器阻抗是一个复阻抗，为了达到电桥平衡，就要求两线圈的电阻相等，两线圈的电感也要相等。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ΔUo。在输出电压与活动衔铁位移的关系曲线图中，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ΔUo。§1自感式感传感器七、自感式传感器的测量电路4、零点残余电压（1）零点残余电压产生原因零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。①两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成零点残余电压的基波分量。②传感器导磁材料磁化曲线的非线性（如