第3章2_电感式传感器

1传感器与检测技术第3章电感式传感器主要内容：3.1变磁阻式电感传感器3.2差动变压器式电感传感器3.3电涡流式传感器2传感器与检测技术概述电感式传感器是一种机电转换装置，特别是在自动控制设备中广泛应用。电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量（如位移、压力、流量、振动）转换为电感或互感的变化。按传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式。3传感器与检测技术各种电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电感粗糙度仪接近式传感器概述4传感器与检测技术电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装塞选概述5传感器与检测技术3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.1工作原理结构由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ;传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时发生变化，引起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈的电感值L变化；只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感。S1l1L1W23l21、线圈2、定铁芯3、衔铁S26传感器与检测技术线圈自感可按下式计算：式中：N线圈匝数；Rm磁路总磁组；S0气隙的截面积；δ气隙厚度；μ0导磁率（真空、空气）20022SNRNLm3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.1工作原理7传感器与检测技术衔铁位移Δδ引起的电感变化为：初始气隙δ0处的初始电感量为L000020202SNRNLm)1()1(2)(2000000200020LSNSNLLL3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.2输出特性L+0-0oL0L0+LL0-L8传感器与检测技术当Δδ/δ01时，用泰勒级数展开衔铁下移时衔铁上移时]1[]1[200003020000LLLLLL30200200000]1[LLLLL30200200000]1[LLLLL3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.2输出特性9传感器与检测技术对上式作线性处理忽略高次项时讨论：•传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾；•变间隙式电感传感器用于小位移比较精确；一般Δδ/δ0=0.1-0.2；•为减小非线性误差，实际测量中多采用差动式。定义灵敏度00LL0001LLK3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.2输出特性10传感器与检测技术差动变隙式由两个相同的线圈和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁左右位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.2输出特性11传感器与检测技术对上式进行线性处理并忽略高次项：则差动式灵敏度为：电感的变化为：0002LLK002LL]1[240200021LLLL3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.2输出特性12传感器与检测技术讨论：•比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；•差动式非线性项比单线圈多乘了(Δδ/δ0)因子；•不存在偶次项，因Δδ/δ01，线性度得到改善。•差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰的影响。3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.2输出特性13传感器与检测技术（1）交流电桥式两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻交流电桥结构示意图等效电路3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.3测量电路（转换电路）14传感器与检测技术101202340,,ZZjLZZjLZZR因102000222ACACACUUUZjLLUZRjLL输出电压为：可见电桥输出电压UAC与气隙变量Δδ有关代入电桥输出为：002LL00ACUU3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.3测量电路（转换电路）15传感器与检测技术（2）变压器式交流电桥电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占1∕2，交流供电。桥路输出电压为：1201121222ZZUUUUZZZZZ3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.3测量电路（转换电路）16传感器与检测技术衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向相差180º，要判断衔铁方向就是判断信号相位。（2）变压器式交流电桥当衔铁在中间位置Z1=Z2=ZU0=0022UZULUZL当衔铁偏移时输出电压02ULUL当衔铁偏向另一方向3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.3测量电路（转换电路）17传感器与检测技术（3）谐振式（调幅、调频、调相）调幅式电路：电感L变化，输出幅值发生变化调频电路：电感L变化时，谐振频率发生变化3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.3测量电路（转换电路）18传感器与检测技术变隙式差动电感压力传感器3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.4变磁阻式传感器的应用19传感器与检测技术把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。差动变压器的结构形式较多，应用最多的是螺线管式差动变压器。它可测量1—100mm范围内的机械位移。次级次级骨架初级衔铁次级次级初级3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.1工作原理20传感器与检测技术3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.1工作原理等效电路：两个次级线圈必须反相串联，保证差动形式。如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时，两线圈互感系数相等Ma＝Mb电动势相等E2a＝E2b差动输出电压为零：U0=E2a－E2b＝021传感器与检测技术3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.1工作原理当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。若衔铁上移：E2aE2b，U00若衔铁下移：E2aE2b，U00可见:输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。22传感器与检测技术02211()()iabUMMURL3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.2基本特性当次级开路时，有根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为：E2a＝－jωMaI1，E2b＝－jωMbI1由此得到输出电压有效值为：可见输出电压与互感的差值有关111LjrUIi23传感器与检测技术•铁芯向右移，输出与E2a同极性；•铁芯向左移，输出与E2b同极性；输出电压的幅值取决于线圈互感即衔铁在线圈中移动的距离X。Uo与Ui的相位由衔铁的移动方向决定。3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.2基本特性24传感器与检测技术磁芯中央磁芯向左磁芯向右磁芯的位移差动输出电压V差动变压器输出电压和位移的关系3.2差动变压器式传感器（互感式）25传感器与检测技术差动变压器结构形式3.2差动变压器式传感器（互感式）26传感器与检测技术差动变压器传感器的应用3.2差动变压器式传感器（互感式）27传感器与检测技术由于两个次级线圈绕组电气系数（M互感L电感R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同。实际的特性曲线，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.3零点残余电压28传感器与检测技术为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补偿,电路补偿的方法较多,可采用以下方法。•串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；•并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；•加反馈支路：初次级间反馈，减小谐波分量；•相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。串联电阻并联电阻3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.3零点残余电压29传感器与检测技术不同形式的零点残余电压补偿电路3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.3零点残余电压30传感器与检测技术差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。（1）差动整流电路，输入一交流信号时3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.4差动变压器式传感器及测量电路31传感器与检测技术（2）集成相敏检波电路3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.4差动变压器式传感器及测量电路32传感器与检测技术输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转由①→②，工作曲线为过零点的直线。相敏检波前后输出特性3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.4差动变压器式传感器及测量电路33传感器与检测技术（1）压差计当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.5应用举例差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。34传感器与检测技术（2）液位测量沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.5应用举例35传感器与检测技术3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.5应用举例（3）电感测厚仪L1、L2是电感器传感器的两个线圈作为两个桥臂；四只二极管D1-D4组成相敏整流器；RP1调零电位器，RP2调电流表M满度；被测厚度正常时，电桥平衡无电流，被测厚度变化时，电流M表方向偏转根据电流方向确定衔铁移动方向。36传感器与检测技术（4）微压传感器3.2差动变压器式传感器（互感式）3.2.5应用举例37传感器与检测技术3.3电涡流式传感器由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;形成电涡流必须具备两个条件：①存在交变磁场②导电体处于交变磁场中38传感器与检测技术把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生反抗H1的交变磁场H2。3.3电涡流式传感3.3.1工作原理39传感器与检测技术根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路次级线圈。当线圈靠近金属导体时，次级线圈通过互感M对初级作用。10110121RIjLIjMIU122220jMIRIjLI等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：3.3电涡流式传感3.3.2等效电路分析40传感器与检测技术等效电感为：2221102222()MLLLRL222212211010222212222[]()()UMRMLZRjLIRLRL解方程得到传感器的等效阻抗2221102222()MRRRRL等效电阻为：3.3电涡流式传感3.3.2等效电路分析41传感器与检测技术结论：•凡是能引起R2L2M变化的物理量均可以引起传感器线圈R1、L1的变化。•被测体（金属）的电阻率ρ导磁率μ厚度d，线圈与被测体间的距离X，激励线圈的角频率ω等都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系R2L2ML1R1Xωμρd3.3电涡流式传感3.3.2等效电路分析42传感器与检测技术结论：•ρ、μ、d、X、ω的变化使R1、L1发生变化，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗Z成为这个参数的单值函数。(,,,,)Zfd等效阻抗与这些参数有函数关系：3.3电涡流式传感3.3.2等效电路分析43传感器与检测技术涡流的分