传感器与检测技术-电感式传感器

第3章电感式传感器3.1自感式传感器3.2变压器式传感器3.3涡流式传感器3.4压磁式传感器3.5感应同步器本章要点下页返回电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时。一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。图库3.1自感式传感器3.1.1自感式传感器的工作原理3.1.2灵敏度与非线性3.1.3等效电路3.1.4转换电路3.1.5零点残余电压3.1.6自感式传感器的特点及应用下页上页返回图库3.1.1自感式传感器的工作原理电感值与以下几个参数有关：与线圈匝数w平方成正比；与空气隙有效截面积S0成正比；与空气隙长度l0所反比。图3-l自感式传感器原理图图3-2截面型自感式传感器B为动铁芯(通称衔铁)A为固定铁芯图3-3差动自感式传感器下页上页返回00022lSWL图库3.1.1自感式传感器的工作原理下页上页返回图库3.1.1自感式传感器的工作原理下页上页返回图库3.1.1自感式传感器的工作原理下页上页返回图库3.1.2灵敏度与非线性气隙型其灵敏度为：差动式传感器其灵敏度：以上结论在满足Δl/l0＜＜1时成立。从提高灵敏度的角度看，初始空气隙l0距离人应尽量小。其结果是被测量的范围也变小。同时，灵敏度的非线性也将增加。如采用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵敏度，则必将增大传感器的几何尺寸和重量。这些矛盾在设计传感器时应适当考虑。与截面型自感传感器相比，气隙型的灵敏度较高。但其非线性严重，自由行程小，制造装配困难。因此近年来这种类型的使用逐渐减少。差动式传感器其灵敏度与单极式比较。其灵敏度提高一倍，非线性大大减小。下页上页返回20000)(1lllllLlLS])(1[22000llllS图库3.1.3等效电路自感式传感器从电路角度来看并非纯电感，它既有线圈的铜耗，又有铁芯的涡流及磁滞损耗，这可用折合的有功电阻抗Rq表示。此外，无功阻抗除电感之外还包括绕组间分布电容。这部分电容用集总参数C表示，一个电感线圈的完整等效电路可用图3-4表示。图3-4电感线圈等效电路(3-7)式中Rm---磁路总磁阻；Za---铁芯部分的磁阻抗；Z0--空气隙的磁阻抗。图15-9取样保持原理下页上页返回022zzWRmWLm图库3.1.4转换电路自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化。为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理。就要用转换电路把电感变化转换成电压(或电流)变化。把传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将电感变化转换成电压(或电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。下页上页返回图库3.1.4转换电路一、调幅电路调幅电路的一种主要形式是交流电桥。图3-5(a)所示为交流电桥的一般形式。桥臂Zi可以是电阻、电抗或阻抗元件。当空载时，其输出称为开路输出电压，表达式如下。式中U为电源电压。图3-5交流电桥的一般形式及等效电路(a)电阻平衡臂电桥(b)变压器电桥图3-6交流电桥的两种实用形式图3-7谐振式调幅电路下页上页返回U)ZZ)(ZZ(ZZZZU)ZZZZZZ(U432132414331210图库3.1.4转换电路二、调频电路调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率f的变化。一般是把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，如图3-8(a)所示。当L变化时，振荡频率随之变化，根据的f大小即可测出被测量值。当L有了微小变化ΔL后，频率变化Δf为图3-8调频电路下页上页返回LLfLCLCf2)(412/3图库3.1.4转换电路三、调相电路调相电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压相位φ的变化。图3-9(a)所示是一个相位电桥，一臂为传感器L，另一臂为固定电阻R。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降UL与UR互相垂直，如图3-9(b)所示。当电感L变化时，输出电压U0的幅值不变，相位角φ随之变化。φ与L的关系为式中ω--电源角频率图3-9调相电路下页上页返回RLtg12图库3.1.4转换电路在这种情况下，当L有微小变化ΔL后，输出电压相位变化Δφ为下页上页返回LLRLRL2)/(1)/(2图库3.1.5零点残余电压它表现在电桥预平衡时，无法实现平衡，最后总要存在着某个输出值ΔU0，这称为零点残余电压，如图3一10所示。图3-10U0-l特性下页上页返回图库3.1.6自感式传感器的特点以及应用自感式传感器有如下几个特点：①灵敏度比较好，目前可测0.1μm的直线位移，输出信号比较大、信噪比较好；②测量范围比较小，适用于测量较小位移；③存在非线性；④消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器，这是由于它有较大的电磁吸力的缘故；⑤工艺要求不高，加工容易。图3-11测气体压力的电感传感器图3-12压差传感器下页上页返回图库3.2变压器式传感器3.2.1工作原理3.2.2等效电路及其特性3.2.3差动变压器式传感器的测量电路3.2.4零点残余电压的补偿3.2.5变压器式传感器的应用举例下页上页返回图库3.2.1工作原理变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的一种磁电机构，很象变压器的工作原理，因此常称变压器式传感器。这种传感器多采用差动形式。图3-13所示为典型结构原理。其中：A、B为两个山字形固定铁芯，在其窗中各绕有两个线圈，W1a及W1b为一次绕组，W2a及W2b为二次绕组；C为衔铁。图3-14所示为改变气隙有效截面积型差动变压器式传感器。图3-13气隙型差动变压器式传感器图3-14截面积型差动变压器式传感器下页上页返回图库3.2.2等效电路及特性图3-15差动变压器式传感器等效电路图3-16输出信号的幅频、相频特性曲线下页上页返回图库3.2.3差动变压器式传感器的测量电路差分变压器随衔铁的位移输出一个调幅波，因而用电压表来测量存在下述问题：①总有零位电压输出，因而零位附近的小位移量困难。②交流电压表无法判别衔铁移动方向，为此常采用必要的测量电路来解决。一、相敏检测电路二、差动整流电路图3-17差动变压器动态测量时的波形图3-19相敏检波前后的输出特性曲线图3-20差分整流电路(a)全波电流输出，(b)半波电流输出(c)全波电压输出,(d)半波电压输出图3-21全波整流电压输出电路的输出波形下页上页返回图库3.2.3差动变压器式传感器的测量电路二、差分整流电路下页上页返回图库3.2.4零点残余电压的补偿与电感传感器相似，差分变压器也存在零点残余电压问题。零点残余电压的存在使得传感器的特性曲线不通过原点，并使实际特性不同于理想特性。图3-22补偿零点残余电压的电路下页上页返回图库3.2.5变压器式传感器的应用举例与电感传感器相似，差分变压器也存在零点残余电压问题。零点残余电压的存在使得传感器的特性曲线不通过原点，并使实际特性不同于理想特性。图3-23差动变压器式位移传感器图3-24差动变压器式压力传感器图3-25微压传感器图3-26加速度传感器下页上页返回图库3.3涡流式传感器3.3.1工作原理3.3.2转换电路3.3.3涡流式传感器的特性及应用下页上页返回图库3.3.1工作原理金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。图3-27涡流式传感器基本原理图下页上页返回图库3.3.2转换电路由涡流式传感器的工作原理可知，被测量数变化可以转换成传感器线圈的品质因素Q、等效阻抗Z和等效电感L的变化。转换电路的任务是把这些种参数转换为电压或电流输出。总的来说，利用Q值的转换电路使用较少，这里不作讨论。利用z的转换电路一般用桥路，它属于调幅电路。利用L的转换电路一般用谐振电路，根据输出是电压幅值还是电压频率，谐振电路又分为调幅和调频两种。下页上页返回图库3.3.2转换电路一、桥路二、谐振调幅电路三、谐振调频电路图3-28涡流式传感器电桥图3-29谐振调幅电路图3-30谐振调幅电路特性图3-31调频电路原理图下页上页返回图库3.3.3涡流式传感器的特性及应用涡流式传感器的特点是结构简单、易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。图3-32低频透射涡流测厚仪原理图3-33不同频率下的e=f(h)曲线图3-34轨迹仪原理结构下页上页返回图库3.4压磁式传感器3.4.1工作原理3.4.2结构形式下页上页返回图库3.4.1工作原理某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变，这种现象称为“压磁效应”。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形，有些伸长，有些则压缩，这种现象称为“磁致伸缩”。当某些材料受拉时，在受力方向上的磁导率增高，而在与作用力相垂直的方向上磁导率降低，这种现象称为正磁致伸缩；与此相反的称为负磁致伸缩。下页上页返回图库3.4.1工作原理铁磁材料的压磁应变灵敏度表示方法与应变灵敏度系数表示方法相似。式中εμ=Δμ/μ--磁导率的相对变化；εl=Δl/l--在机械力的作用下铁磁物质的相对变形。压磁应力灵敏度同样定义为：单位机械应力б所引起的磁导率相对变化εμ=Δμ/μ，即利用上述介绍的关系可以做成压磁传感器。下页上页返回/SllSl//图库3.4.2结构形式一、利用一个方向磁导率的变化二、利用两个方向上磁导率的改变三、维捷曼效应图3-35压磁式传感器结构形式之一图3-36压磁式传感器结构形式之二图3-37利用维捷曼效应进行测量的原理图下页上页返回图库3.5感应同步器3.5.1工作原理3.5.2类型与结构3.5.3输出信号的测量方法3.5.4误差分析下页上页返回图库3.5.1工作原理感应同步器是应用电磁感应原理来测量直线位移或转角位移的一种器件。测量直线位移的称为直线感应同步器，测量转角位移的称为圆感应同步器。感应同步器是根据两个平面形绕组的互感随位置而变化的原理制造的。直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，而圆感应同步器由转子和定子两部分组成。在定尺和滑尺、转子和定子上制有印刷电路绕组，其截面结构如图3-38所示。工作时利用绕组间其相对位置变化而产生的电磁耦合作用发出相应于位移或转角的信号，从而达到测量目的。图3-38定尺和滑尺印刷电路截面结构图3-39定尺和滑尺绕组分布示意图下页上页返回图库3.5.2类型与结构一、长形感应同步器,又称为直线感应同步器,它可分为标准型及窄型两种。二、圆形感应同步器，又称为旋转型感应同步器三、绕组结构图3-40标准型直线感应同步器的外型尺寸图3-41窄型直线感应同步器的外型尺寸图3-42圆形感应同步器的外型尺寸图3-43定尺、滑尺绕组示意图下页上页返回图库3.5.3输出信号的测量方法感应同步器的输出信号是一个能反映其定片与动片相对位移的交变电势，因而对输出信号的处理的本质是对交变电势的检测。就其特性而言，可用其幅值和相位两个物理参量来描述。对于由感应同步器组成的检测系统，可以采取不同的励磁方式。并对输出信号有不同的处理方法。从励磁方式来说，可分类两大类：一类是以滑尺(或定子)励磁，由定尺(或转子)取出感应电势信号；另一类以定尺为励磁，由滑尺取出感应电势信号。目前用的最多的是第一类励磁方式。对输出感应电势信号可采取不同的处理方法来达到测量目的，一般分为鉴幅型和鉴相型两种检测系统。图3-44函数变压器抽头方法下页上页返回图库3.5.4误差分析感应同步器的误差由多种因素造成的，有电磁作用的因素，如绕组自感的存在，绕组端部连线的单匝耦合、各种连线的影响等等，还有器件制造精度、安装误差、工作环境的变化等因素都会引起测量误差。一、零位误差二、细分误差三、