第4章 电感式传感器.

第4章电感式传感器（变磁阻）自感式传感器气隙型自感传感器螺管型自感传感器自感线圈的等效电路测量电路差动变压器电涡流式传感器结构原理与等效电路测量电路应用定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。种类：根据转换原理，分自感式和互感式两种；根据结构型式，分气隙型和螺管型。优点：①结构简单、可靠，测量力小衔铁为0.5～200×10-5N时，磁吸力为(1~10)×10-5N。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，线性度优良在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。4.1自感式传感器有气隙型和螺管型两种结构。（一）气隙型自感传感器1、工作原理组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为lδ。0.5lδ123x(a)气隙式(b)变截面式N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)气隙式自感传感器，因为气隙较小(lδ为0.1～1mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为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。mRNL2SlSlSlRm0222111由磁路基本知识知，线圈自感为SlSlSlNRNLm022211122由于铁心和衔铁一般为铁磁材料，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为lSNL02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。其特性曲线如图。L=f（S）L=f（lδ）lδLSL=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。当衔铁处于初始位置时，初始电感量为0020lSNL当衔铁上移Δlδ时，则0010020llLllSNLLL1/0ll上式用泰勒级数展开成如下的级数形式200001llllLLLL200001llllllLL200001llllllLL32000001llllllllLL32000001llllllllLL同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有32000001llllllLLLL对上两式式作线性处理，即忽略高次项后可得00llLL灵敏度为00lLlLK为了减小非线性误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器1-铁芯；2-线圈；3-衔铁4202100012llllllLLLL当衔铁向上移动时，电感的总变化量对上式进行线性处理，即忽略高次项得020llLL灵敏度为002lLlLK（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）单线圈是忽略以上高次项，差动式是忽略以上高次项，因此差动式自感式传感器非线性误差得到明显改善。20ll30ll（二）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：线圈的损耗电阻（Rc）、铁芯的涡流损耗电阻（Re）和线圈的固有电容（C）。因此，自感传感器的等效电路如图。CLRcRe（三）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ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流电桥原理图USCE电桥平衡条件：设Z1=Z2=Z=RS+jωL；R1=R2=RRS1=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-ΔZ2121RRZZZRZZZZEULLSC2LjRLjREZZEUSSSC22当ZL→∞时其输出电压幅值ELRLELRRLUSSSSC2222222222)(22LRRZS输出阻抗SSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222SRLQ为自感线圈的品质因数。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，Usc＝；SSRRLLLLE2②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＝ΔRs)，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Usc=。SSRRE2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。2、变压器电桥平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷大时，流入工作臂的电流为21ZZEI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ZZEUSC2同理反方向移动时ZZEUSC2Z1Z2USCE/2E/2E变压器电桥原理图I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。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。ELRLUSSC22222222LRZS变压器电桥的输出电压幅值输出阻抗为(略去变压器副边的阻杭，它远小于电感的阻抗)4.2差动变压器（一）结构原理与等效电路分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243123(a)气隙型(b)螺管型其基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。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。321212112(a)(b)(c)(d)12112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3三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。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图。初级线圈的复数电流值为1111LjReI～～～e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1e1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I1ω—激励电压的角频率；e1—激励电压的复数值；由于Il的存在，在线圈中产生磁通11121mRIN21122mRINRm1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。12221121IMjeIMje11212121mRNNINM21212222mRNNINM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其幅数输出阻抗或副Ⅰ0e2e2e21e22x副Ⅱ原线圈差动变压器输出电势e2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。（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。3、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-xe201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ee1e20e2012345(a)残余电压的波形(b)波形分析tt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。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。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。消除零点残余电压方法：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。2．选用合适的测量线路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。e2+x-x210相敏检波后的输出特性3．采用补偿线路①由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图(a)。由于R的分流作用将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。图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。～e1e2CR～e1e2CR(a)(b)调相位式残余