第4章电感式传感器.

2020/2/121第四章电感式传感器2020/2/122概述•电感式传感器(Inductancesensor)是一种机电转换装置。是利用电磁感应原理将被测电量转换成线圈自感量或互感量的变化，进而由测量电路转换为电压或电流的变化量。可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量信号•按传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式。2020/2/123特点•结构简单、工作可靠；•灵敏度高，能分辨0.01μm的位移变化；•测量精度高、零点稳定、输出功率较大；•可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用；主要缺点有:–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，不适用于快速动态测量。2020/2/124非接触式位移传感器测厚传感器电感粗糙度仪电感计数器振动传感器差动传感器2020/2/125§4-1自感式传感器•4.1.1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lδ;传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时lδ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。2020/2/12620.5lδ13(a)气隙式(b)变截面式2020/2/127线圈的电感可用下式表示：式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻（铁芯、衔铁磁阻和空气隙磁阻）（H-1)。mRNL2对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为SlSlSlLNRm02221112l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；S：气隙磁通截面积；S1：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积；μ1：铁芯磁导率；μ2：衔铁磁导率；μ0：真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m；lδ：空气隙总长。2020/2/128一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即L＝f(S,lδ)如果S保持不变，则L为lδ的单值函数，构成变隙式自感传感器；若保持lδ不变，使S随位移变化，则构成变截面式自感传感器。lSNL022020/2/129L=f(lδ)为非线性关系。当lδ＝0时，L为∞，考虑导磁体的磁阻，当lδ＝0时，并不等于∞，而具有一定的数值，在lδ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)的特性曲线为一直线。L=f（S）L=f（lδ）lδLS2020/2/12104.1.2自感线圈的等效电路假设自感线圈为一理想纯电感，但实际传感器中包括：线圈的铜损电阻（Rc）、铁芯的涡流损耗电阻（Re）和线圈的寄生电容（C）。因此，自感传感器的等效电路如下图。CLRcRe2020/2/12114.1.3测量电路1、交流电桥交流电桥是自感传感器的主要测量电路，为了提高灵敏度，改善线性度，自感线圈一般接成差动形式，如图。Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥的平衡臂。电桥平衡条件：设Z1=Z2=Z=RS+jωL；R1=R2=R；RS1=RS2=RS；L1=L2=LE为桥路电源，ZL是负载阻抗。工作时，Z1=Z+ΔZ和Z2=Z-ΔZZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE2121RRZZZRZZZZEULLSC2交流电桥原理图2020/2/1212当ZL→∞时LjRLjREZZEUSSSC22其输出电压幅值ELRLELRRLUSSSSC2222222222)(22LRRZS输出阻抗2020/2/1213SSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222SRLQ为自感线圈的品质因数。2020/2/1214结论1.桥路输出电压Usc包含与电源E同相和正交两个分量。在实际测量中，只希望有同相分量，如能使或Q值比较大，均能达到此目的。但在实际工作时，△RS/RS一般很小，所以要求线圈有高的品质因数。当Q值很高时，2.当Q值很低时，自感线圈的电感远小于电阻，电感线圈相当于纯电阻(ΔZ＝Rs)，交流电桥即为电阻电桥。例如，应变测量仪就是如此，此时输出电压。该电桥结构简单，其电阻R1、R2可用两个电阻和一个电位器组成，调零方便。SSRRLLLLEUSC2SSSCRREU22020/2/12152、变压器电桥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,流入工作臂的电流为21ZZEI输出电压212122122ZZZZEEZZZEUSC初始Z1=Z2=Z=RS+jωL，故平衡时，USC=0。双臂工作时，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2020/2/1216Z1Z2USCE/2E/2EI变压器电桥原理图ZZEUSC2同理反方向移动时ZZEUSC22020/2/1217可见，衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压Usc大小相等、方向相反，即相位互差180º，可反映衔铁移动的方向。但是，为了判别交流信号的相位，需接入专门的相敏检波电路。ELRLUSSC2222变压器电桥的输出电压幅值2020/2/1218优点：这种电桥与电阻平衡电桥相比，元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。2222LRZS输出阻抗为(略去变压器副边的阻杭，它远小于电感的阻抗)2020/2/1219下图是一个采用了带相敏整流的交流电桥。差动电感式传感器的两个线圈作为交流电桥相邻的两个工作臂，指示仪表是中心为零刻度的直流电压表或数字电压表。带相敏整流的交流电桥ABVD1VD3VD2VD4CDEFVC3L1L2Rw1Rw2C1C2R1R2R3R4R5C4带相敏整流电路2020/2/1220设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z2。当衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，C点电位等于D点地位，电表指示为零。当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，则下部线圈阻抗减少，Z2=Z-△Z。如果输入交流电压为正半周，则A点电位为正，B点电位为负，二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A-F-D-B支路中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。2020/2/1221如果输入交流电压为负半周，A点电位为负，B点电位为正，二极管V2、V3导通，V1、V4截止，则在A-F-C-B支中中，C点电位由于Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即B点电位为正，A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Z2减少时，C点电位更负）；而在A-E-D-B支路中，D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位，电压表正向偏转。同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。2020/2/1222二、差动变压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,并且次级绕组都用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多,有变隙式、变面积式和螺线管式等,但其工作原理基本一样。非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器,它可以测量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2020/2/1223（一）结构原理与等效电路差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。右图为差动变压器的结构示意图。4321差动变压器的结构示意图1-一次绕组2、3二次绕组4-衔铁2020/2/1224螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。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。2020/2/1225差动变压器线圈各种排列形式蓝色线为初级线圈；红色线为次级线圈；绿色线为衔铁2020/2/1226～～～e1——初级线圈激励电压L1,R1——初级线圈电感和电阻M1,M1——分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22——两个次级线圈的电感R21,R22——两个次级线圈的电阻e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如右图。初级线圈的复数电流值为1111LjReIω—激励电压的角频率；e1—激励电压的复数值；2020/2/1227Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级线圈匝数。由于Il的存在，在次级线圈中产生磁通11121mRIN21122mRIN2020/2/122812221121IMjeIMje2121222211212121mmRNNINMRNNINM1111122212LjReMMjeeeN2为次级线圈匝数。因此空载输出电压在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为21211212LReMMe22212221LLjRRZ2222122221LLRRZ其幅数输出阻抗或其中2020/2/1229e2e2e22e21e0x0差动变压器输出特性原线圈副副2020/2/1230（二）误差因素分析1、激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。2、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。2020/2/12313、零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。0e2x-xe202020/2/1232图中e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。ee1e20e2012345(a)残余电压的波形(b)波形分析tt1基波正交分量2基波同相分量3二次谐波4三次谐波5电磁干扰2020/2/1233零点残余电压产生原因：①基波分量。由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。2020/2/1234②高次谐波。高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。2020/2/1235消除零点残余电压方法：1．从设计和工艺上保证结