第4章电感式传感器模板

第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器4.2差动变压器式传感器4.3电涡流式传感器本章知识要点1.掌握电感式传感器的工作原理。2.变隙式传感器的测量电路。3.差动变压器式传感器的工作原理、基本特性和测量电路。4.差动整流电路和相敏检波电路。5.电涡流效应及电涡流传感器的应用。工作基础：电磁感应定律定义：是利用线圈自感或互感的变化实现测量的装置。应用：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。种类：根据工作原理，分为变磁阻式、变压器式、涡流式；根据结构不同，分为变隙式、变面积式、螺线管式。优点：①结构简单、可靠②分辨力高机械位移：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，线性度优良不足：存在零点残余电压，不宜于高频动态测量。A1L1线圈铁芯衔铁L2A2W4.1变磁阻式电感传感器4.1.1工作原理传感器的运动部分与衔铁相连。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。线圈铁芯衔铁气隙变磁阻式电感传感器是利用线圈自感量的变化实现测量。（自感式）根据电感定义：IWILmRIW由磁路欧姆定律，得：磁路总磁阻20022SWRWLmRRRRm211111AlR2222AlRAR002A1L1线圈铁芯衔铁L2A2W磁路总磁阻为002221112AAlAlRm铁芯材料的导磁率铁芯的截面积磁通通过铁芯的长度气隙的厚度气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻222001110022AlAAlA002ARm20022AWRWLm2002AWL表明：当W为常数时，电感L是磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积A0的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。L＋－oL0L0＋LL0－L2002AWL4.1.2输出特性非线性关系变隙式电压传感器的L-δ特性当衔铁处于初始位置时，初始电感量为020002WAL当衔铁上移Δδ时，00002000200011)1(2)(2LWAWALLL00011LLL当Δδ/δ01时，用台劳级数展开：302000000111LLLL电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0为302000LLnnxxxx)1(112忽略高次项00LL同样，当衔铁下移Δδ时，00000201)(2＋＋LAWLLL302000LL电感增量ΔL和相对变化量ΔL/L0为忽略高次项00LL灵敏度为0001LLK00LL因此，灵敏度的大小取决于气隙的初始厚度，是一个定值。注意：若没有线性化，则灵敏度大小取决于气隙的实际厚度。L＋－oL0L0＋LL0－L与•衔铁上移0K20000011LLK20000011LLK－－•衔铁下移灵敏度增大灵敏度减小与线性度•衔铁上移：23000LL非线性部分23000LL非线性部分－－•衔铁下移：如何减小非线性误差？无论上移或下移，增加都导致非线性增大。变隙式电感传感器适用于测量微小位移。动态测量范围：0.001~1mm测量时，衔铁与被测件相连，当被测件上下移动时，带动衔铁也以相同的位移上下移动，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。铁芯线圈衔铁为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。衔铁上移Δδ4020002112LLLL对上式进行线性处理,即忽略高次项得:002LL2000011LL2000021LL)(20201－AWL)(20202AWL灵敏度K0为0002LLK比较单线圈式和差动式：①差动式变阻电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。②差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于Δδ/δ01，因此，差动式的线性度得到明显改善。3002/LL200/LL4.1.3测量电路自感式传感器的测量电路有交流电桥、变压器式交流电桥以及谐振式等。22112012121222ZZZZZRUUUUZZRRZZZZ－1.交流电桥式测量电路11ZZZ22ZZZ11ZjwL22ZjwL0ZjwL当衔铁上移时：将代入,002LL002UU输出电压与Δδ成正比，负号表示与电源反相。2121212122LLLLUZZZZUUo当衔铁下移时，同理可得：002UU开路时，桥路输出电压1212212221ZZZZUUUZZZUo当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时有，电桥平衡。0oU2.变压器式交流电桥测量电路电桥两臂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。ZZUZZZZZZZZUZZZZUUo2)()()()(221212＝当传感器衔铁上移时，Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ当传感器衔铁下移时，Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZZZUUo2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。U大小相等方向相反谐振点的电感值谐振式调幅电路工作原理：传感器电感L与电容C、变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边将有电压输出，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。特点：敏感度高，非线性差3.谐振式测量电路——调幅电路、调频电路基本原理：传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率。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。)2/(1LCff与L的关系曲线测量原理图非线性谐振式调频电路4.1.4变磁阻式电感传感器的应用变隙电感式压力传感器结构图原理：当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生位移，于是衔铁也发生移动，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A的指示值就反映了被测压力的大小。变隙式差动电感压力传感器电桥当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，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。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。电感测微仪探头测量电桥交流放大相敏检波指示器振荡器变气隙式电感测微仪动态测量范围：±1mm分辨率：1um精度：3%4.2差动变压器（互感）式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。差动变压器的工作原理与一般变压器基本相同，且二次绕组采用差动连接。变压器初级线圈接入交流电源时，次级线圈因互感作用产生感应电动势，当互感变化时，输出电势也发生变化。由于它的两个次级线圈常接成差动的形式，故又称为差动变压器式电感传感器，简称差动变压器。差动式变压器的结构形式较多，有变间隙式、变面积式和螺线管式，螺线管式差动变压器应用最多，可测1～100mm机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，性能可靠等优点。与差动式自感传感器的区别：差动变压器上下两只铁心上各有一个初级线圈和一个次级线圈。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源电压，两个次级线圈则按电势反相串联。与差动式自感传感器的的区别4.2.1变隙式差动变压器1.工作原理在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组顺向串联，而两个次级绕组则反相串联。没有位移时0222baEEU有位移时0222baEEU差动变压器有电压输出，此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。2.输出特性变隙式差动变压器等效电路4.2.1螺线管式差动变压器1.工作原理　螺线管式差动变压器结构次级线圈1初级线圈次级线圈2衔铁壳体骨架baEEU2220,,222UEEMMbaba当衔铁在中间位置，当衔铁向上移动时，0,,222UEEMMbaba当衔铁向下移动时，0,,222UEEMMbaba两个次级绕组的同名端反相串联，,其等效电路如图。式中：U——初级线圈激励电压；ω——激励电压U的角频率；I1——初级线圈激励电流；r1、L1——初级线圈直流电阻和电感。..1111LjrUI当次级开路时有2.基本特性次级绕组中感应电势分别为12IMjEaa12IMjEbb次级开路1122)(LjrUMMjEEUbabao上式说明，当电压的幅值U和角频率ω、初级绕组的直流电阻r1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。输出电压的有效值为2121)()(LrUMMUbaoMMMba02U(1)活动衔铁处于中间位置时(2)活动衔铁向上移动,MMMaMMMb2121122LrMUU输出电压与输入电压同频同相。(3)活动衔铁向下移动2121122LrMUU,MMMaMMMb输出电压与输入电压同频反相。输出电压的特性曲线零点残余电压零点残余电压产生原因：主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。4.2.3.差动变压器式传感器测量电路问题：(1)差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向);(2)测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常采用差动整流电路和相敏检波电路。(1)差动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出，电阻R0用于调整零点残余电压。电压输出型全波整流电路正半周负半周abcdba342124U68U68248624UUUUUSCdc7865abcdab1423cd586724U68USCU6824UUUSC0,6824SCUUU①当衔铁在中间位置时，②当衔铁向上移动时，0,6824SCUUU③当衔铁向下移动时，0,6824SCUUU电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。相敏检波电路中VD1、VD2、VD3、VD4为四个性能相同的二极管，以同一方向串联接成一个闭合回路，形成环形电