传感器原理及工程应用第4章

传感器原理及应用第4章电感式传感器主要内容：4.1变磁阻式电感传感器4.2差动变压器式电感传感器4.3电涡流式传感器4.4电感式传感器的应用传感器原理及应用第4章电感式传感器概述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）转换为电感的变化。按传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式。传感器原理及应用第4章电感式传感器概述各种电感式传感器传感器原理及应用第4章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电感式传感器应用电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装塞选传感器原理及应用第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式）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σ;传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时σ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。传感器原理及应用第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.1工作原理线圈自感可按下式计算：式中：N线圈匝数；Rm磁路总磁组；So气隙的截面积；σ气隙厚度；μo导磁率（真空、空气）22002NSNLRm传感器原理及应用第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.2输出特性衔铁气隙减小Δσ引起电感增大为：20020000000022()(1)1NSNSLLLL传感器原理及应用第4章电感式传感器电感初始气隙σ0处初始电感量为L0200002NSLσ0LσL0L0+ΔL0L0－ΔL04.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.2输出特性Δσ/σ《1时，用泰勒级数展开2300000[1()()]LLLL2230000000[1()]()()LL衔铁气隙增大Δσ时,电感的相对减小量为衔铁气隙减小Δσ时,电感的相对增加量为2230000000[1()]()()LL传感器原理及应用第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.2输出特性对上式作线性处理忽略高次项时00LL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Δσ/σ=0.1～0.2；•为减小非线性误差，实际测量中多采用差动式。传感器原理及应用第4章电感式传感器0001LLk定义灵敏度4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.2输出特性差动式原理：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。传感器原理及应用第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.2输出特性对上式进行线性处理并忽略高次项：差动式灵敏度为：12002LLL120002LLKL241200002[1()()]LLL电感差值的变化为：传感器原理及应用第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.2输出特性讨论：•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(Δσ/σ)因子；•不存在偶次项，因Δσ/σ1，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。传感器原理及应用第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.3测量电路（转换电路）（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传感器原理及应用第4章电感式传感器交流电桥结构示意图等效电路4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.3测量电路（转换电路）（1）交流电桥式传感器原理及应用第4章电感式传感器2401234ACACZZUUUZZZZ输出电压为：340ZZR因20122112122ACACACZUUUZZUZZZZ所以：4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.3测量电路（转换电路）（1）交流电桥式传感器原理及应用第4章电感式传感器1020,ZZjLZZjL因00000222ACACACUUUjLjLLUZRjLL输出电压为：可见电桥输出电压UAC与气隙变量Δσ有关00LL00()2ACUU代入电桥输出为：4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.3测量电路（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传感器原理及应用第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.3测量电路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。传感器原理及应用第4章电感式传感器当衔铁在中间位置Z1=Z2=ZU0=0022UZULUZL当衔铁偏移时输出电压02ULUL当衔铁偏向另一方向4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.3测量电路（3）谐振式（调幅、调频、调相）调幅式电路输出幅值随电感L变化调频电路电感L变化时谐振频率变化传感器原理及应用第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.4变磁阻式传感器的应用压力测量传感器原理及应用第4章电感式传感器被测压力经位移——电压两次转换输出4.2.1互感式传感器的结构与工作原理分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。4.2互感式传感器---差动变压器1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243(a)气隙型123(b)螺管型4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4-10差动变压器线圈各种排列形式1初级线圈；2次级线圈；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。差动变压器的等效电路LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP～～～iU0U差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：当次级开路时，初级绕组的交流电流为：PP.iP.LjRUI次级绕组的感应电动势为：.P.IMjU11.P.IMjU22由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为.012iPPUUjMMRjL其有效值为22210PPiLRUMMU①铁芯处于中间位置时，M1=M2=M，U0=0②铁芯上升时，M1=M+ΔM，M2=M-ΔMLRMUUPPi2202③铁芯下降时，M1=M-ΔM，M2=M+ΔMLRMUUPPi2202与U1同极性与U2同极性Ｕ０e21e22差动变压器输出电势Ｕ０与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。0xＵ０差动变压器输出特性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。而对频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。4.2.2差动变压器的输出特性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。3、零点残余电压0Ｕ０xＵＺ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。1基波正交分量(a)残余电压的波形(b)波形分析13245UZtUiUZUt图中Ui为差动变压器初级的激励电压，UZ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。2基波同相分量3二次谐波4三次谐波5电磁干扰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动势数值不等。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。②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。1．从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。消除零点残余电压方法：采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。U0+x-x210相敏检波后的输出特性2．选用合适的测量线路3．采用补偿线路CR(a)1U0U在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并联电阻R是为了利用R的分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。(b)CR1U0U串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。CR(a)1U0UR2WR1C(c)1U0U在次级绕组侧并联电位器W用于电气调零，改变两个次级线圈输出电压的相位。电容C可防止调整电位器时使零点移动。接入补偿线圈L以避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残存电压。LW(d)1U0U4.2.3差动变压器的测量电路1.差动整流电路全波差动整流电路正半周R2图4-15全波差动整流电路电压波形R1abhgcfde1U0U++4.2.3差动变压器的测量电路1.差动整流电路全波差动整流电路负半周R2图4-15全波差动整流电路电压波形R1abhgcfde1U0UhgdcghdcUUUUU0无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压U0始终等于R1、R2两个电阻上的电压差。++铁芯在零位以上铁芯在零位ttUdcUghtU0Udc图4-15全波差动整流电路电压波形tttUghU0tUdctUghtU0铁芯在零位以下全波差动整流电路电压波形结论：铁芯在零位以上或零位以下时，输出电压的极性相反，零点残存电压自动抵消。容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电压Ｕ２和Ｕ１同频，经过移相器使Ｕ２和Ｕ１保持同相或反相，且满足Ｕ２＞＞Ｕ１。2．二级管相敏检波电路u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+1U2U当衔铁在中间位置时，位移x（t）=0，传感器输出电压Ｕ１=0,只有Ｕ２起作用。u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+0U12Ui4i3正半周时LRRui14L3RRui2因为是从中心抽头，所以u1=u２，故i３=i４。流经RL的电流为i０=i４－i３=０u1u2-R+RLRD3D2D1D4RRT1T2+-0U12U负半周时L2RRui1L1RRui2同理可知i１=i２，所以流经RL的电流为i０=i１－i２=０i1RLi2u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+0U12UD2u1