第5章 电感式传感器原理及其应用

第5章电感式传感器原理及其应用5.1概述5.2自感式传感器5.3差动变压器式传感器5.4电涡流式传感器5.1概述1.电感式传感器的定义利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。LM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、f2.电感式传感器的分类电感式传感器可分为自感式传感器、差动变压式传感器和电涡流传感器三种类型。5.2自感式传感器5.2.1自感式传感器的结构自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯与衔铁由硅钢片或坡莫合金等导磁材料制成。自感式传感器结构图5.2.2自感式传感器的工作原理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。传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁）相连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯的位移量的大小和方向。自感式传感器的工作原理示意图当线圈匝数N为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻的函数，只要改变或S均可导致电感变化。因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积S的传感器。变气隙式自感传感器结构δ线圈铁心衔铁⊿δ,LINm由于mRNL2mmmmRFNIF,可得：磁路的总磁阻可表示为：SSlRiiim02近似计算出线圈的电感量为：202SNL当铁芯的结构和材料确定后，自感L是气隙厚度和气隙磁通截面积S的函数，即。如果S保持不变，则L为的单值函数，可构成变气隙型自感传感器；如果保持不变，使S随位移而变，则可构成变截面型自感传感器；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。),(SfL变面积式自感传感器：灵敏度为：202NdSdLk由于漏感等原因，其线性区范围较小，灵敏度也较低，因此，在工业中应用得不多。δ衔铁铁芯线圈变面积式自感传感器结构202SNLlrx2ra线圈衔铁螺管型电感传感器螺管式自感传感器：传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺管线圈电感量的变化。对于长螺管线圈lr，当衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L与衔铁的插入深度l大致上成正比。这种传感器结构简单，制作容易，灵敏度较低，适用于测量较大的位移量。电感式传感器的特点：（1）结构简单：没有活动的电触点，寿命长。（2）灵敏度高：输出信号强，电压灵敏度每毫米能达到上百毫伏。（3）分辨率大：能感受微小的机械位移与微小的角度变化。（4）重复性与线性度好：在一定位移范围内，输出特性的线性度好，输出稳定。（5）电感式传感器的缺点是存在交流零位信号，不适宜进行高频动态测量。5.2.3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。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差，可以减小测量误差。1.差动式自感传感器的结构(a)变气隙式；（b）变面积式；（c）螺管式差动式自感传感器三种形式的差动式自感传感器以变气隙厚度式电感传感器的应用最广。变气隙式差动式自感传感器结构剖面图2.差动式自感传感器的特点自感系数特性曲线如图所示。自感系数特性曲线图2.差动式自感传感器的特点差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈1、2和磁路组成。测量时，衔铁通过测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。差动式与单线圈电感式传感器相比，具有以下优点。（1）线性度高。（2）灵敏度高，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。5.2.4电感式传感器的测量电路自感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变化。为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的变化转换成电压（或电流）的变化，最常用的转换电路有调幅、调频和调相电路。1.调幅电路（1）变压器电路图5-8所示为变压器电桥，和为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次侧线圈的两半，每半的电压为。1Z2Z2u（1）变压器电桥电路变压器电桥变压器式电桥如图所示，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为：U．U/2．U/2．U0．Z1Z22112..221...20.222ZZZZUUZZZUUIZU当衔铁下移时，Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，则有：ZZUU2.0.同理，当衔铁上移时，有：ZZUU2.0.当衔铁处于中间位置时，L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0，此时桥路平衡，输出电压U0=0。输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，实际上无法判别输出的相位和位移的方向。（2）相敏检波电路带相敏整流的电桥电路输出电压经相敏检波可以反映出位移的大小和方向。VD4VVD1VD2VD3R1R2U0UZ1Z2当差动式自感电感传感器处于中间位置时，Z1=Z2=Z，输出电压U0为零。当衔铁移动使Z1增加，则Z2减小，当电源U上正下负时，电阻R2上的压降大于R1上的压降。带相敏整流的电桥电路VD4VVD1VD2VD3R1R2U0UZ1Z2当电源U下正上负时，电阻R1上的压降大于R2上的压降，则电压表有输出，输出电压下正上负。反之，当Z2增加，Z1减小时，U上正下负，R1上压降大于R2上压降。U上负下正时，R2上压降大于R1上压降，电压表也有输出，输出电压上正下负。（3）调频电路调频电路的基本原理是：传感器电感的变化引起输出电压频率f的变化。一般把传感器电感线圈L和一个固定电容C接入一个振荡电路中，其振荡频率为：LCf21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。f和L的特性曲线具有严重的非线性关系，要求后续电路做适当线性化处理。（4）调相电路调相电路的基本原理是，传感器电感的变化将引起输出电压相位的变化。5.2.5电感式传感器的应用电路1.电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置实物电感式滚柱直径分选装置结构原理2.变气隙式差动电感压力传感器变气隙式差动电感压力传感器主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。变气隙式差动电感压力传感器3.其他应用电感式传感器还可以应用于磨加工主动测量、测量长度位移量和制做电子测微仪。5.3差动变压器式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量变化的装置。当一次线圈接入激励电源后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器式传感器，简称差动变压器。利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。5.3.1差动变压器的结构差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管线等。a、b两种结构的差动变压器，衔铁均为板形，灵敏度高，测量范围则较窄，一般用于测量几微米到几百微米的机械位移。对于位移在1mm至上百毫米的测量，常采用圆柱形衔铁的螺管型差动变压器，如c、d两种结构。e、f两种结构是测量转角的差动变压器，通常可测到几秒的微小位移。非电量测量中，应用最多的是螺线式差动变压器，它可以测量范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。(e)、(f)变截面式差动变压器(a)、(b)变间隙式差动变压器(c)、(d)螺线管式差动变压器5.3.2差动变压器的工作原理差动变压器的结构由铁芯、衔铁和线圈三部分组成。其结构虽有很多形式，但其工作原理基本相同。差动变压器上下两只铁芯均有一个初级线圈1和一个次级线圈2。上下两只初级线圈串联后接交流激励电压，两只次级线圈则按电势反相串接。螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。图4.12差动变压器线圈各种排列形式1一次线圈；2二次线圈；3衔铁(a)二节式(b)三节式(c)四节式(d)五节式311212112212123三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。三段式螺管差动变压器结构示意图将两个匝数相等的次级绕组的同名端反向串联，当初级绕组加以激磁电压时，根据变压器的作用原理在两个次级绕组和中就会产生感应电势;如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，输出电压为零。当活动衔铁向某一个次级线圈方向移动时，则该次级线圈内磁通增大，使其感应电势增加，差动变压器有输出电压，其数值反映了活动衔铁的位移。差动变压器的等效电路U1L21．．U2．～～L22E22E21．～R22R21R1M1M2螺线管式差动变压器等效电路如图，二次线圈开路时，一次线圈的电流为：11.11.LjRUI二次绕组的感应动势为为：.1121.IMjE.1222.IMjE11.1212.)(LjRUMMjU其有效值为：21211212)()(LRUMMU输出阻抗为：22212221LjLjRRZ三段式螺管差动变压输出电压曲线如图所示。差动变压器输出电压曲线5.3.3差动变压器的测量电路差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移动方向，要进行解调。常用解调电路有：差动相敏检波与差动整流电路。采用解调电路还可以消除零位电压。1.差动相敏检波电路差动相敏检波的形式很多，相敏检波电路要求参考电压与差动变压器次级输出电压的频率相同，相位相同或相反；因此常接入移相电路。为了提高检波效率，参考电压幅值取为信号的。差动相敏检波电路～移相器RP5.3.3差动变压器的测量电路2.差动整流电路差动整流电路简单，不需参考电压，不需要考虑相位调整和零位电压影响，对感应和分布电容影响不敏感。经差动整流后变成直流输出便于远距离输送。全波整流电路和波形图(a)～e1RRcabhgfdeUSC衔铁在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位(b)差动整流电路根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“＋”，e点为“–”，则电流路径是fgdche（参看图a）。反之，如f点为“–”，e点为“＋”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图（b），其值为USC=eab＋ecd。5.3.4差动变压器的应用电路差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可测量与位移有关的任何机械量，如力、力矩、压力、压差、振动、加速度、应变、液位等。1.力和力矩的测量差动变压器式力传感器2.压力测量将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。这种变送器可分档测量(–5×105～6×105)N/m2压力，输出信号电压为(0～50)mV，精度为1.5级。～220V1接头2膜盒3底座4线路板5差动变压器6衔铁7罩壳V振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路12345673.加速度传感器用于测定振动物体的频率和振幅时其激励频率必须是振