第3章 电感式传感器

第3章电感式传感器教学内容本章阐述电感式传感器的工作原理；电感式传感器的结构；电涡流式传感器的原理以及测量电路。教学重点1．变磁阻式传感器2．差动变压器式传感器3．电涡流式传感器●磁路的基本概念与基本定律由磁性材料、磁性元件及线圈绕组组成的一个磁的通路1、磁路磁路长度L2、磁路分析中的基本量⑴、磁动势磁路绕组中通过的电流与绕组匝数的乘积称为该绕组产生的磁动势.WmFWI安匝⑵、磁压降（磁位差）磁路中某一段的长度与该段的磁场强度的乘积称为该段磁路的磁压降（磁位差）HlUm3、磁路的欧姆定律－磁阻mmmUUSBSHSHlllRSmlRSImUU磁路中各要素的关系SmRHBWImlRSmWIRBSBHl有下列对应关系IRUllRSSRG10I0UEU电磁mRFmlRSmmRG100FniFFgcUcUg两者为形式上相似，有本质上的差别电路磁路20105410102RI能量耗散2mR能量储存电阻率为常数磁导率随磁场变化近似计算RmcRmgWIWI0glclimclRS铁芯磁阻SlRgmg0气隙磁阻mFWI磁动势HSBS磁通与磁场的关系RmcRmgWIWI0glcl0gigWIHll00iigWIHll00mmcmgigFWISRRll由SHSHiSHog有铁芯磁场气隙磁场SlRgmg0imclRSmFWIHSBSWIlglc0磁路中储能221122mimgPRRigrigmimgmimgllllRRRR02221215401010r通常的铁磁材料541010rigHH因此有两者之比SlRgmg0imclRS00iigWIHll0gigWIHll210.igll5401010r通常都有气隙中储能为铁心中的１００－１０００倍因此电感式传感器是以电和磁为媒介，利用磁场的变化引起线圈的电感量或互感量的变化，把非电量转换为电量的装置。它们能把输入的物理量，如位移、振动、加速度、力、压力、扭矩以及流量等转换成电量。它也是非电量检测中应用比较广泛的一类传感器。电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f电感式传感器种类较多，本章介绍变磁阻式电感传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器的原理及其应用。电感式传感器与其它类型的传感器相比，有如下显著的特点：灵敏度高、分辨力高（能测0.1μm的机械位移，能感受非常小的小角度变化）、线性较好（非线性误差可达0.1%）、输出功率大等。其主要缺点是频率响应较低。电感式传感器自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器★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。★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、互感式、电涡流式三种；根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。优点：①结构简单、可靠机械位移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。②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。③能实现远距离传输、记录、显示和控制。不足：存在交流零位信号，不宜高频动态测量。LSmlRS变磁阻式传感器是利用线圈自身电感的改变来实现非电量与电量的转换。目前常用的变磁阻式传感器有三种类型：变气隙型、变面积型和螺管插铁型。它们的基本结构包括线圈、铁芯和活动衔铁等三个部分。§3.1变磁阻式传感器如图所示为变气隙式电感传感器的结构形式。活动衔铁和铁芯都由截面积相等的高导磁材料做成，线圈绕在铁芯上，衔铁和铁芯间有一气隙。一、变磁路气隙式传感器δ线圈铁芯衔铁Δδ当活动衔铁作纵向位移时，气隙发生变化，从而使铁芯磁路中的磁阻发生变化，磁阻的变化将使线圈的电感量发生变化。这样，活动衔铁的位移量与线圈的电感量之间存在一定的对应关系，只要测出线圈的电感量变化就可以得知位移量的大小。工作原理：WLII式中Ψ——与线圈交链的磁链；Φ——由激励电流产生的磁通量；I——流过线圈的电流；W——线圈匝数。mWIR式中，Rm为磁通通过路径的磁阻。从电工学中可知线圈的电感量L为从磁路理论得知，线圈通以电流I后激励的磁通量为上式是磁路的欧姆定律表示式，代入后得：2/mLWRRRRFm从结构中可知，磁路磁阻由三个部分组成：R总的磁阻Rm为RF、串联后与R0并联的结果。但由于漏磁很少，即R0很大，故①线圈外部空间漏磁磁路的磁阻R0；②导磁体（铁芯和衔铁）的磁阻RF；R③磁通路径上气隙的磁阻。δ线圈铁芯衔铁Δδ02/RS121122FLLRSS而导磁体磁阻RF由于铁芯和衔铁都是高导磁材料做成的，它与气隙磁阻相比显得很小，故对于变气隙电感传感器，其磁路的磁阻由气隙磁阻所决定，即磁阻的求计公式可近似为WIRδ线圈铁芯衔铁Δδ02/mRRSRRF如果S保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙式自感传感器若保持δ不变，使S随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器，02/RS121122FLLRSSmFRRR2202WSWLRδ线圈铁芯衔铁Δδ2202mWLRWS00L00LL0LL0L0上式表明，线圈电感量与线圈总匝数W、导磁体横截面积S、空气导磁系数以及气隙总长度有关。当传感器结构一定后，W与S均为定值，气隙总长度的变化将使线圈电感量L发生变化，它们之间的关系如图示。L图中可见，L-的关系是非线性的关系。由于实际上=0时，Rm=RF，故，而为一个定值。若衔铁位移很小时，可认为L-的关系为近似线性。输出特性：0000201)(2LSWLLL0在初始位置00202SWL电感量0活动衔铁上移0LL此时δ线圈铁芯衔铁Δδ........)()(120000LL相对变化量电感变化量.............)()(120000LL.........)()()(13020000LLLL10当0000201)(2LSWLLL............)()(120000LL.............)()(120000LL0同理，活动衔铁下移（气隙增大）0LL电感量10当23000001()()().........LLLL电感变化量相对变化量00LL00LL或★上式告诉我们，当活动衔铁的位移量很小时，线圈的电感变化量（或相对变化量）与位移量有线性关系。变气隙式电感传感器的电感灵敏度为0000//1LLLLkx若不考虑高次项%100xefxx为使电感传感器的电感灵敏度提高，可减小气隙，但减小则受限制，那么位移测量范围将减小。而且从式中可知，气隙减小时，非线性误差将增大。故一般取=(0.1－0.2)，而气隙=0.1~0.5mm。实际上L-为非线性关系，它的非线性误差为0000//1LLLLkx气隙长度保持不变，而改变铁芯与衔铁之间的相对遮盖面积（即气隙磁路截面积）的电感传感器叫变面积型电感传感器。其结构示意图如图所示。ab二、变磁路截面积式电感传感器线圈铁芯衔铁衔铁移动方向δδ线圈铁芯衔铁Δδδ，ALL=f(A)L=f(δ)2202WAWLR22000()22WSWbaxLLLaxLbxW0022电感的相对变化axLL0变面积式电感传感器线圈电感量的计算也如变气隙间距式电感传感器一样。只是这里的输入位移量x使气隙磁路截面积发生变化，从而使线圈电感量有了变化。设初始时铁芯与衔铁之间的相对遮盖面积（即铁芯横截面积）s=ab，a为截面长度，b为截面宽度。衔铁的位移量为x。则由于衔铁位移而产生的线圈电感变化量为aLxLkL0这种传感器的电感灵敏度为xL上式表明，变面积式电感传感器的电感变化量（或相对变化量）与输入位移量有线性关系。图示为变面积式电感传感的关系，是一条直线。实际上，这条直线是有范围的，一但当xa时就不再存在直线关系了，同时，由于漏磁阻的影响，其线性范围也是有限的变磁导率如图所示，一个螺管线圈内套入一个活动的柱型衔铁，就构成了螺管型电感传感器。三、螺管插铁型电感传感器2202mWSWLR螺管型电感传感器的工作原理是基于线圈激励的磁通路径因活动的柱型衔铁的深度不同，其磁阻发生变化，从而使线圈电感量产生了改变。在一定范围内，线圈电感量与衔铁位移量（衔铁深度）有对应关系假定螺管内磁场强度是均匀的，而且衔铁深度lc小于螺管长度l，则单个线圈的电感量和衔铁进入长度的关系为])1([422222ccmrllrlWLL0—空心螺管线圈的电感量])()1(1[20rrllLLccm或22204rWLl在式中，当螺管结构确定后，r，W，l，rc及均为定值，而且lc实际上为衔铁的位移输入量。可见，螺管插铁型电感传感器的电感量L与位移量x(lc)有线性关系。图所示即为L-x的关系。若衔铁上输入一个位移x，则螺管线圈电感的变化量为0LLL20)1(rrlxLcm20)1(rrlxLLcm])()1(1[20rrllLLecm由此表明，螺管插铁式电感传感器的电感量（或电感相对变化量）与输入位移量成正比，但由于螺管内磁场强度沿轴向并非均匀，因而实际上螺管插铁型传感器的L-x关系（也可称为输出特征）并非线性。20)1(rrlLxLkcmL20)1(rrlxLLcm这种电感传感器的电感灵敏度为●螺管插铁型结构的电感传感器量程大，灵敏度低，而且结构简单便于制作，故应用也比较广泛。●变面积型结构的电感传感器的灵敏度要比变气隙型结构小，但其灵敏度为一常数，因而线性度好，其量程较大，使用比较广泛。三种结构型式的电感传感器比较：●变气隙结构的电感传感器的灵敏度高，但其灵敏度随气隙的增大而减小；非线性误差大，在使用中，为减小非线性误差，量程必须限制在较小的范围内，一般为气隙的1/5以下。同时，这种传感器在制作上难度比较大。四、差动电感传感器对于单个线圈工作的电感传感器，如变气隙式传感器的非线性误差比较大。另外，外界的干扰如电源电压频率的变化与温度的变化，都会使输出产生误差。这些问题的存在限制了它们的应用，为此发展了差动电感传感器，差动电感传感器不仅可以克服零位输出信号的问题，同时还可以提高电感传感器的灵敏度，以及减小测试误差等优点。在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。下图所示为变气隙型、变面积型、螺管插铁型这三种类型的差动形式。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆（a）变气隙型432131412344（b）变面积型（c）螺管型1、结构特点如图所示，两个完全相同的单个线圈的电感传感器共用一个活动衔铁就构成了差动电感传感器。差动电感传感器的结构，要求两个导磁体的几何尺寸和材料性能都要完全相同，同时两个线圈的电气