传感器技术-第三章-电感式传感器

第三章变磁阻式传感器变磁阻式传感器是利用磁路的磁阻变化引起传感器线圈电感量的变化来测量非电量的机电转换装置。常用来检测位移、振动、力、应变、流量、密度等物理量。大多数变磁阻式传感器存在交流零位信号，且不适宜高频动态测量。3.1传感器线圈的电气参数分析3.2自感式传感器3.3互感式传感器(差动变压器)先看一个实验：将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如下图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。电感传感器的基本工作原理演示F220V准备工作电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F3.1传感器线圈的电气参数分析1、线圈电感LΨ——线圈总磁链,单位：韦伯；I——通过线圈的电流，单位：安培；W——线圈的匝数；Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨。mRWIWIL22、铜损电阻Rc铜损引起的耗散因数与激励频率成正比。3、涡流损耗电阻Re高电阻率有利于涡流损耗的下降，而高磁导率却导致涡流损耗的增加。4、磁滞损耗电阻Rh磁滞损耗电阻与激励频率无关。在小激励电流和弱磁场状态，与铜损和涡流损耗相比可忽略。5、总耗散因数D和品质因数Q6、并联寄生电容的影响并联寄生电容由线圈绕组的固有电容和电缆的分布电容组成。它的存在使灵敏度提高。因此，按规定电缆校正好的仪器，如更换电缆就应重新校正或并联电容加以调整。当激励频率较低时(f10kHz)可忽略其影响.3.2自感式传感器a)气隙型b)截面型c)螺管型自感式传感器原理图式中，l1，l2——铁心和衔铁的磁路长度ｍ；S1，S2——铁心和衔铁的截面积ｍ2；μ1，μ2——铁心和衔铁的磁导率ｍ2；S0，δ——气隙磁通截面积ｍ2和气隙总长ｍ。SlRem0等效磁导率:将上述线圈等效成一封闭铁心线圈，其磁路等效磁导率为μe，磁通截面积为S，磁路长度为l，则磁阻：002221112sslslRm式中μ0——真空磁导率，μ0＝4π×10-7(H/m)互感式传感器(差动变压器)是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。结构形式变隙式、变面积式、螺线管式（几纳米～1米的机械位移、精度高、灵敏度高、性能可靠）3.3互感式传感器(差动变压器)互感式传感器(差动变压器)原理类似于变压器，因此应用变压器原理对其电气参数进行分析。不同之处：变压器：闭磁路，初、次级间的互感为常数；差动变压器：开磁路，初、次级间的互感随衔铁移动而变。次级绕组采用差动形式连接。3.3.1工作原理与类型1、等效电路及输出特性：（忽略铁损、导磁体磁阻、线圈分布电容等）M!、M2分别为两个次级绕组A和B的互感，衔铁在初始平衡位置：衔铁移向上端：0,2221222121EEUEEMMo0,2221222121EEUEEMMo衔铁移向下端：0,2221222121EEUEEMMo被测体位移衔铁移动根据等效电路，当次级开路时初级电流：1111.LjRUI.1222.1121IMjEIMjE111212221)(LjRUMMjEEUo次级绕组中的感应电势为：输出电压为：2121121LRUMMUo输出电压幅值为：(3-54)(3-55)MMMMMMUo21,201衔铁向上端移：初始平衡时：(3)衔铁向下端移：MMMMMM21,若11LR则：1.121)(ULMMUo112ULMUo输出与输入反相112ULMUo输出与输入同相当有示波器时，可通过观察输出与输入之间的相位关系判断衔铁的移动方向。当用交流电表时就无法判断衔铁的移动方向了。当激励频率过低时，ωL1R1,得:112URMjUo当ω增加使ωL1R1,得:112ULMUo这时灵敏度随频率ω增加而增加，当激励频率增加超过某数值，由于趋肤效应和鉄损等影响，灵敏度将下降。这时灵敏度与频率ω无关，为一常数。11121)(LjRUMMjUo由上式(3-54)可知，2、灵敏度与激励频率间的关系三种类型传感器的适用范围：差动变压器的灵敏度一般可达0.5~5V/mm，行程越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源频率以400Hz~10kHz为好。变气隙式一般用于测量几微米到几百微米的位移;变面积式一般可测量零点几角秒以下的微小角位移,线性范围可达±10°;螺管式可测量几纳米到一米的位移,但灵敏度稍低。3、变隙式差动变压器(1).工作原理两个初级绕组同名端顺向串联，两个次级绕组同名端反向串联。2221EEUo衔铁在初始平衡位置：被测体位移衔铁位移：22212102010EEMM0222122212121EEUEEMMooU的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。(2).输出特性在忽略铁损（涡流与磁滞损耗）和漏感且变压器次级开路（负载阻抗足够大）条件下，得等效电路：由电磁感应定律和磁路欧姆定律，当R1L1，时，如不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，对等效电路分析可得：ioUWWU121212图中R,L分别是四个绕组的直流电阻与电感。W1、W2分别为初级绕组和次级绕组的匝数衔铁在初始平衡位置：被测体位移衔铁位移：0021oU0201,ioUWWU0120oU）反相（相位差和180ioUU同相和ioUU衔铁上移(向1):衔铁下移(向2):0201,ioUWWU012(3-64)(3-65)变隙式差动变压器灵敏度：分析：稳定传感器具有稳定的输出特性；UiK(当变压器铁芯不饱和，及在允许温升条件下)W2/W1(受限于变压器体积及零点残余电压)K,0(0.5mm)K（忽略边缘磁通）铁损及线圈中分布电容影响：降低传感器灵敏度，增加非线性误差，传感器性能变差。在工程应用中常可忽略。工艺结构：不对称零点残余电压Uo。变压器副边开路，若配接低输入阻抗电路，要考虑副边电流对输出特性的影响。012~ioUWWUKiU4、螺线管式差动变压器（1）.工作原理结构:两个次级线圈反相串联。分类：（按线圈绕组排列方式）一节式：灵敏度高；三节式：零点残余电压较小；常用二节式、三节式等效电路：（忽略铁损、导磁体磁阻、线圈分布电容等）21212LrMUUo螺线管差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。激励频率采用中频，配用相敏检波测量电路。UxKxKU)1(2210式中K1、K2是线圈的相关常数，Δx为衔铁移动距离。3.3.2.差动变压器式传感器测量电路（1）差动整流电路差动整流的特点：电路是以两个次级输出电压分别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。0302012682426824268242UUUUUUUUUU，衔铁下移，，衔铁上移，初始平衡位置：变压器两个次级输出电压分别整流，将整流的电压差值作为输出U2。（2）相敏检波电路参考信号us：us与差动变压器式传感器激磁电压u1同频同相（或反相）；us幅值远大于信号u2的幅值，有效控制四个二极管的导通状态。R:限流电阻D2D3D1D41222211221222nuuuTnuuuTsss：：LLLLoRRnURRRRUU221222式中n1和n2分别为两变压器的变压比当衔铁位移Δx0时，u2与us同频同相，无论在电压的正半周还是负半周，输出均为正：当衔铁位移Δx0时，u2与us同频反相，无论在电压的正半周还是负半周，输出均为负：LLLLoRRnURRRRUU221222注意：经相敏检波和差动整流输出的信号还必须经低通滤波消除高频分量，才能获得与衔铁运动一致的有用信号。3.3.3互感式传感器的误差1、输出特性的非线性2、温度误差3、激励电源的影响4、零点残余电压传感器的原理和测量电路均存在非线性。为了减小非线性，常用的方法是采用差动结构和限制测量范围。对于螺管式自感传感器，增加线圈的长度有利于扩大线性范围或提高线性度。在工艺上应注意导磁体和线圈骨架的加工精度、导磁体材料与线圈绕制的均匀性，对于差动式则应保证其对称性，合理选择衔铁长度和线圈匝数。另一种有效的方法是采用阶梯形线圈，如图所示。1、输出特性的非线性环境温度的变化会引起自感传感器的零点温度漂移、灵敏度温度漂移以及线性度和相位的变化，造成温度误差。环境温度对自感传感器的影响主要通过：*材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化*材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化*磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的介质温度系数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成。2、温度误差当温度变化时，初级线圈的参数尤其铜阻的变化影响较大。设温度变化Δt(℃)，初级线圈铜阻R增加ΔR，铜线电阻温度系数为+0.4％/℃，由此引起的次级输出电压的相对变化为:tRLRLRRUU111111001004.01由上式可知，低频激励时初级线圈的品质因数(Q＝ωL1/R1)低，温度误差大。为此应提高初级线圈的品质因数。4、零点残余电压:被测量为零(衔铁在中间位置)时，输出不为零。影响：零点附近不灵敏；零点残余电压过大导致线性度变坏，灵敏度下降，甚至使放大器提前饱和。零点残余电压主要包括：基波信号、基波正交信号及高次谐波信号；产生原因：两个次级线圈的等效参数不对称；铁芯的B-H特性的非线性；减小零点残余电压的措施：在工艺上尽可能保证两个次级线圈的对称；采用拆圈的方法；在电路上进行补偿（补偿电路见书P77图3－20）oUoU3、激励电源的影响实验用零位电压补偿电路：常用的补偿方法：(1)串联电阻消除基波零位电压；(2)并联电阻、电容用以减小高次谐波零位电压；(3)加反馈支路减小基波分量或高次谐波分量。3.4差动变压器式传感器的应用电感式传感器主要用于测量位移与尺寸，也可测量能转换成位移变化的其他参数，如力、张力、压力、压差、振动、应变、转矩、流量、比重等。3.4.1位移与尺寸测量3.4.1压力测量3.4.1力和力矩测量3.4.1振动测量