电容式电感式传感器

6电感式传感器电感式传感器的工作原理：它是利用电磁感应原理，通过线圈自感或互感的变化，实现非电量的电测。用途及特点：常用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等物理量参数。优点：具有结构简单、工作可靠、寿命长、使用范围广缺点：存在交流零位信号，不适宜高频动态测量。分类：按工作原理分为自感式（可变磁阻式）、互感式（差动变压器式）、电涡流式三种。6.1自感型传感器自感式电感传感器是一种改变自感系数的传感器。原理图如下图。它由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙δ。（可变磁阻式）一、工作原理（可变磁阻式）根据电磁感应定律，当线圈中通以电流i时，产生磁通，其大小与电流成正比，即：式中，W—线圈匝数;L—线圈电感，单位为亨H根据磁路欧姆定律，磁通φm为：式中iW——磁势，ARm——磁阻，H-1于是得到：LiWmmmRiW/mRWL/2如果空气隙δ较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为：式中：l—导磁体(铁芯)的总长度(m)；μ—铁芯导磁率(H/m)；A—铁芯导磁横截面积(m2)，S＝a×b;δ—空气隙长度(m);μ0—空气导磁率；A0—空气隙导磁横截面积(m2)。002AAlRm因为μμ0，则:因此，自感L可写为：上式表明，自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积A0成正比。当固定A0不变，变化δ时（称为变气隙式自感传感器），L与δ呈非线性（双曲线）关系，如图所示。002ARm2/0022AWRWLm将上式对δ求导，得变气隙式传感器的灵敏度为可见：灵敏度S与气隙长度的平方成反比，δ愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定δ在较小的范围内工作一般取。当气隙的增量时，灵敏度S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。在实际应用中，一般取，这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1mm。20022AWddLS1.0/mm5.01.0若将变气隙式自感传感器的气隙厚度δ保持不变，使气隙导磁截面积A随被测非电量而变，即构成变面积式自感传感器。如图AA=a×b将式对A0求导，得其灵敏度S为：即变面积式自感传感器输出特性呈线性，因此测量范围大。但与变气隙式相比，其灵敏度S较低。欲提高灵敏度，初始气隙厚度δ不能过大，但同样受工艺和结构的限制，δ的选取与变气隙式相同。2002AWL常数202WdAdLS螺管式自感传感器其结构原理如图所示，它由螺管、线圈、衔铁等组成，随着衔铁插入的深度的不同引起线圈电感量发生变化。螺管式自感传感器又分单螺管式和双螺管差动式两种单螺管线圈型螺管式自感传感器与前两种传感器相比，具有以下特点：⑴结构简单，制造装配容易；⑵由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；⑶由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两种低，但线性范围大；⑷由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；⑸要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。差动式自感传感器上述三种自感式传感器，由于线圈电流的存在，衔铁上始终作用有电磁吸力，影响测量准确度；而且易受电源电压、频率的波动与温度变化等外界干扰的影响，因此不适合精密测量。为了克服上述缺点，所以现在大都采用差动式。变气隙差动式自感传感器差动变气隙式传感器的结构原理如图（a）所示。它由两个完全相同的电感线圈W1和W2组成，在两个铁芯中间有一个公用衔铁。衔铁处在中间位置时，δ1=δ2=δ0，两边气隙相等，电感量L1=L2=L0，由于采用差动连接方法，传感器总的电感量为△L=L1—L2=0，所以传感器输出电压(总的自感电动势)为零，见图（b）。当衔铁偏离中间位置时，两边气隙的大小改变使δ1≠δ2，若位移使L1线圈的电感从中间位置时的L0增大为（L0+△L1），L2线圈的电感减小为（L0—△L2）。则总的电感为△L=L1－L2=（L0+△L1）－（L0－△L2）=△L1+△L2若衔铁位移很小，则△L1=△L2=△L，故△L≈2△L单。可见，当衔铁位置左右移动时，可使两个线圈的间隙按变化，一个线圈自感增加，一个线圈自感减少。又如果将两线圈接于电桥的相邻桥臂，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。下图是双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0～300μm，最小分辨力为0.5μm。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所示。和差动式自感传感器的优点:由于采用差动式结构，可以改善系统的非线性、提高灵敏度对电源电压、电源频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用作用在衔铁上的电磁力，由于是两个线圈磁通产生的电磁力之差，所以对电磁吸力有一定的补偿作用，从而提高了测量的准确性。6.2互感（差动变压器）式传感器互感型电感传感器是利用互感的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便会有感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如下图所示差动变压器式传感器的原理：传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。所以输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，即e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1e2，ey0;当活动衔铁向下移时，即e1e2，ey0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化，输出特性如上图所示。值得注意的是：首先，差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向；其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成的。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。鉴于这些原因，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。下图所示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理，当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。6.3涡流式传感器涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。涡电流效应：如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为δ，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量Φ，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h、金属板与线圈的距离δ、激励电流角频率ω等参数有关。若改变其中的某项参数，而固定其它参数不变，就可根据涡流的变化来测量该参数。研究涡流式传感器的模型，可以得出以下结论：⑴金属导体上形成的涡流有一定的范围，当线圈与导体间的距离不变时，电涡流密度随着线圈外径的大小而变化。为了充分的利用涡流效应，被测导体的平面不应小于传感器线圈外径R的2倍，否则灵敏度将下降。⑵涡流强度随着线圈与导体间距离δ的增大而迅速减小，由此可知，涡流强度与距离δ呈非线性关系。为了获得较好的线性和较高的灵敏度，应使δ/R1，一般取δ/R＝0.05～0.15。⑶金属导体内产生的涡流由于趋肤效应，电涡流不仅沿径向分布不均匀，而且贯穿金属导体的厚度有限。贯穿深度与励磁电流的频率成反比关系涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。一、高频反射式涡流传感器如图所示，高频(lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离δ、该金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i及角频率ω等有关。若只改变距离δ而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，再通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。二、低频透射式涡流传感器其工作原理如下图所示，发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场具有集肤效应小，渗透深的特点。当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈ω2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，导致线圈ω2上的输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。---这就是涡流测厚的原理三、涡流式传感器的应用涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量，它可实现非线性测量。下图是用涡流式传感器测厚和用涡流式传感器进行零件计数的例子。6.4测量电路自感式电感传感器是将位移转换成电感（自感系数）的变化，为了便于测量，还必须通过测量电路将电感的变化变成电压（或电流）的变化，以便进行放大。为此，可以采用交流电桥或采用谐振电路进行处理。差动式自感传感器常采用交流电桥（一）交流电桥交流电桥由交流电源供电（图（a）），四个桥臂可以是电阻，也可以是电容或电感，因而可以用来测量电阻、电容和电感。如果将直流电桥中的电阻R用阻抗Z来代替，则有：交流电桥的平衡条件为若阻抗用指数形式表示，代入上式得)(42(314231jjezzezz）iouzzzzzzzzu))((432142314231ZZZZ要使上式成立，必须满足:式中z1、z2、z3、z4——各阻抗的模；也就是说，交流电桥的平衡条件是：相对桥臂阻抗之模的乘积和阻抗角之和必须相等。因此电桥必须有两个可调参数，对幅值和相角进行平衡。4231zzzz4231各阻抗的阻抗角、、、4321上图（b）是（a）的变形，称为变压器电桥，它是从变压器次级中心抽头，把次级分为两个绕组接入电桥作为相邻桥臂，另外两臂由差动式传感器两线圈阻抗Z1和Z2构成。因为次级绕组上下两部分对称，故两部分电压相等，均为u/2。若以d为参考点，设负载阻抗为无穷大，则输出电压为a、c两点的电位差，即：221212212uzzzzuuzzzuuucao电感线圈的复数阻抗为Z=r+jωL,若rωL时，则上式近似为：当衔铁处于中间位置时，，所以有L1=L2=L0，代入上式得：当衔铁偏离中间位置使δ1增大，δ2减小时，L1=L0-ΔL1、L2=L0+ΔL2，代入上式（L0ΔL）21212uLLLLuo021020000uLLLLuo02110201020*42*)()()()(LLLuuLLLLLLLLuo当衔铁向相反方向移动相等距离，L1=L0+ΔL1、L2=L0-ΔL2，有：由此可知：（1）电桥输出电压与两线圈电感变化量之和成正比；（2）衔铁沿相反方向移动相同距离时，输出电压大小相等，相位相反，即输出电压的极性反映了传感器衔铁运动的方向。但交流信号要判别极性，需要专门的判别电路（相敏检波电路）。021*4LLLuuo(二)交流电桥的调幅作用被测量经过传感器