第5章_电感式传感器.

第5章电感式传感器5.1自感式传感器5.2互感式传感器5.3电涡流式传感器第5章电感式传感器返回主目录第5章电感式传感器第5章电感式传感器概述：电感式传感器概念：利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M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。电感式传感器特点：•优点：具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等；•缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适于快速动态测量。本章主要介绍的电感式传感器种类：自感式、互感式和电涡流式三种传感器。第5章电感式传感器5.1自感式传感器一、工作原理结构：如图5-1所示。组成：线圈、铁芯、衔铁。铁芯和衔铁由导磁材料制成，如硅钢片或坡莫合金等；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。工作原理：衔铁移动→气隙厚度δ改变→磁路中磁阻变化→电感线圈的电感值变化故：测出电感量的变化，以确定衔铁位移量的大小和方向。第5章电感式传感器衔铁移动→气隙厚度δ改变→磁路中磁阻变化→线圈的电感值变化故：测出电感量的变化，以确定衔铁位移量的大小和方向。5自感式传感器第5章电感式传感器第5章电感式传感器第5章电感式传感器自感式传感器原理演示:自感量随气隙而改变制作测量位移的自感式传感器。将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联，接到36V交流电压源，如图所示。这时毫安表的示值较大，约为几十毫安。慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。即：当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL较小，所以电流I较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。第5章电感式传感器根据电感定义,线圈中电感量为:式中：Ψ——I——W——Φ——穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得：)15(IWIL)25(mRIW式中：Rm——线圈总磁阻；第5章电感式传感器因为气隙很小,可以认为气隙中的磁场是均匀的。忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为：式中:μ1——铁芯材料的导磁率;μ2——衔铁材料的导磁率;L1——磁通通过铁芯的长度;L2——磁通通过衔铁的长度;S1——铁芯的截面积;S2——衔铁的截面积;μ0——空气的导磁率;S0——气隙的截面积;δ——气隙的厚度。)35(200222111SSLSLRm图5－1自感式传感器第5章电感式传感器通常，气隙磁阻铁芯和衔铁的磁阻,即则式(5-3）可近似为：联立式(5－1）、式(5－2）及式(5－5）,可得)55(200suRm111002suLsu222002suLsu(5-6）20022swRwLm上式表明：当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数。改变δ或S0→电感变化。故自感式传感器可分为：变气隙厚度δ的传感器、变气隙面积S0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。(5-4）第5章电感式传感器二、输出特性设：电感传感器初始气隙：δ0初始电感量：L0衔铁位移引起的气隙变化量：Δδ则：从式(5-6）可知L与δ之间是非线性关系,特性曲线如图5-2表示。5第5章电感式传感器第5章电感式传感器020002wsL设：衔铁上移Δδ时传感器气隙减小Δδ，有δ=δ0－Δδ；则：此时输出电感为L=L0+ΔL,代入式(5-6）式并整理,得00000201)(2LswLLL当Δδ/δ01时,...])()()(1[3020000LLLL衔铁位于初始位置时，初始电感量为：(5-7）(5-8）(5-9）第5章电感式传感器...])()(1[20000LL...])()(1[20000LL当衔铁下移Δδ时,传感器气隙增加Δδ,即δ=δ0＋Δδ；则此时输出电感为L=L0+ΔL,代入式(4－6）式并整理,得：...])()(1[20000LL...])()(1[20000LL由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式,即(5-13）(5-10）(5-11）(5-12）第5章电感式传感器忽略高次项，式(5-11）、(5-13）线性化为：00LL0001LLK可见：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,所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差,采用差动变隙式电感传感器。灵敏度为：(5-14）(5-15）第5章电感式传感器图5-3所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。（P70）差动变隙式电感传感器组成：两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ，磁路。测量时,被测体带动衔铁上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化,即一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动测量。当衔铁往上移动Δδ时,两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式（5-10）及式（5-12）表示,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ΔL有关,其具体表达式为：ΔL=ΔL1+ΔL2...]1[240200LsUL1L2RoRooU122131—铁芯；2—线圈；3—衔铁第5章电感式传感器sUL1L2RoRooU122131—铁芯；2—线圈；3—衔铁图5-3差动变隙式自感传感器的原理结构图第5章电感式传感器对上式进行线性处理，忽略高次项得002LL灵敏度K0为0002LLK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:①差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。②差动式的非线性项比单线圈非线性提高一个数量级。③注意：为了使输出特性能得到有效改善,构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致第5章电感式传感器三、测量电路电感式传感器的测量电路有：交流电桥式；交流变压器式；谐振式；等几种形式。第5章电感式传感器1.图5－4所示为交流电桥测量电路。传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻R代替,对于高品质因素（Q值：Q=ωL/R）的差动式电感传感器,其输出电压式中：L0——衔铁在中间位置时单个线圈的电感;ΔL——单线圈电感的变化量。将ΔL=L0（Δδ/δ0）代入，得（Δδ/δ0）,电桥输出电压与Δδ成正比。000110222LLUjwLRLjwUZZUUACACAC0UZ1Z2Z3＝RZ4＝RoUU第5章电感式传感器Z1Z2Z3＝RZ4＝RoUU图5－4交流电桥测量电路第5章电感式传感器2.变压器式交流电桥测量电路如图5－5所示。电桥两臂Z1、Z2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2221212110UZZZZUZZUZU当传感器的衔铁处于中间位置,即Z1=Z2=Z=0,电桥平衡。当传感器衔铁上移时,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此时0ULLUZZUU220UC2U2UZ1Z2oUABD＋－＋－＋－第5章电感式传感器UC2U2UZ1Z2oUABD＋－＋－＋－LLUZZUU220图5－5变压器式交流电桥测量电路当传感器衔铁下移时,则Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此时可见,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,必须配合相敏检波电路来解决。0U第5章电感式传感器3.谐振式测量电路谐振式测量电路有：谐振式调幅电路，如图5-6所示；谐振式调频电路，如图5-7所示。55第5章电感式传感器调幅电路：传感器电感L、电容C、变压器原边串联。接入交流电源,变压器副边将有电输出,输出电压的频率与电源频率相同,而幅值随着电感L而变化,图5-6（b）所示为输出电压L的关系曲线。其中：L0为谐振点的电感值，灵敏度很高,但线性差。调频电路：基本原理：传感器电感L变化→输出电压频率的变化。通常，传感器电感L、电容C接入一个振荡回路中,振荡频率f=1/[2π(LC)1/2］。当L变化→振荡频率变化,根据f的大小即可测出被测量的值。图5－7(b)表示f与L的特性,它具有明显的非线性关系。0U0U第5章电感式传感器四、自感式传感器的应用图5-8所示是变隙电感式压力传感器的结构图。组成：膜盒、铁芯、衔铁、线圈等,衔铁与膜盒的上端连在一起。工作过程：①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。②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。5第5章电感式传感器图5-9所示为变隙式差动电感压力传感器。组成：C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等。工作过程：①被测压力进入C形弹簧管,C形弹簧管产生变形,其自由端发生位移,带动衔铁运动,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。②电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。输出电压与被测压力之间成比例关系。5第5章电感式传感器附：截面积型、螺管型自感传感器简介1.截面积型：忽略磁性材料磁阻，有：（考虑上半部分线圈）则：其中：b为重叠长度；λ为比磁导：若平衡状态：则当衔铁移时显然，线性（实际上是有非线性的）bRm12bwL)ln(2120dd00bbLLbkL~0bb200wbLLb2d1db1L2L第5章电感式传感器2.螺旋型：h2d1d1L2L注：与变截面的d2有所不同对差动线圈，衔铁向上移动时：ttt0使：101LLL202LLL总变化：])(31)[(6300021ttttLLLL其中，当时：])()(3)(3[320001ttttttLL式中：230203htwL初始电感：tttt0])()(3)(3[320002ttttttLL当时：ttt0第5章电感式传感器三种自感线圈比较：一致性好，工艺好装配简单线性较好测距大灵敏度较低螺管型线性好，一般但仍较小测距中灵敏度适中截面型工艺性差非线性大范围小灵敏度高气隙型,,,,:),(,:,,,:tb第5章电感式传感器5.2互感式传感器概述：互感式传感器概念：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,并且次级绕组都用差动形式连接,也称差动变压器式传感器。结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。基本工作原理一样。应用最多的是螺线管式差动变压器,可测量1～100mm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。第5章电感式传感器一、螺线管工作原理螺线管式差动变压器结构：如下图所示。组成：一个初级线圈；两个次级线圈；插入线圈中央的圆柱形铁芯。第5章电感式传感器5第5章电感式传感器按线圈绕组排列的方式分为：一节、二节、三节、四节和五节式等类型,如下图所示。一节式灵敏度高,三节式零点残余电压较小,通常采用的是二节式和三节式两类。5第5章电感式传感器传感器中两个次级线圈反向串联,并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路如下图所示。5第5章电感式传感器∵结构完全对称∴初始平衡时,两互感系数相等，即：M1=M2。于是，根据电磁感应原理有：E2a＝E2b∵两次级绕组反向串联∴U2＝E2a－E2b＝0即差动变压器输出电压为零。初级绕组W1加激励电压U1，则：根据变压器工作原理，两个次级绕组W2a和W2b中会产生感应电势E2a和E2b。