第四章-电感式传感器重点

传感器与检测技术董春利主编潘洪坤执笔大连职业技术学院电气电子工程系2008年3月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材第四章电感式传感器4.1自感式电感传感器4.2差动变压器式传感器4.3电涡流式传感器利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。电感式传感器具有结构简单，工作可靠，测量精度高，零点稳定，输出功率较大等一系列优点，其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用。自感式电感传感器气隙型传感器变面积式自感传感器螺管型自感传感器单线圈螺管型传感器差动式螺管型传感器变间隙式传感器变面积式差动变压器互感式传感器(差动变压器式传感器)螺线管式差动变压器变隙式差动变压器电涡流式传感器高频反射式电涡流式传感器低频透射式电涡流式传感器电感式传感器第一节自感式电感传感器一、气隙型自感传感器1．气隙型传感器的工作原理公式：表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，只要改变δ或S均可导致电感变化。因此，气隙型传感器又分为变气隙厚度δ的变间隙式传感器和变气隙面积Ｓ的变面积式传感器使用最广泛的是变气隙厚度δ式变间隙式电感传感器。xx1230.5δ由线圈、铁芯和衔铁三部分组成.铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。2S0022mRLω—线圈的匝数μ0—空气的导磁率S0—气隙的截面积2．气隙型传感器的输出特性变间隙式传感器的输出特性为非线性关系变面积式传感器输出特性为线性关系（2）变面积式传感器的输出特性变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。（1）变间隙式传感器的输出特性变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。3．变间隙式传感器的结构由两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成测量时，衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器特性，可得到如下结论：①差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。②差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（Δδ/δ0）因子，因为（Δδ/δ0）1，所以，差动式的线性度得到明显改善。③为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。二、螺管型自感传感器1．螺管型自感传感器的原理主要元件一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。为了提高灵敏度与线性度，常采用差动螺管式自感传感器螺管线圈内磁场分布曲线结构差动螺旋管式自感传感器结构示意图磁场分布曲线这种差动螺管式自感传感器的测量范围为（5～50）mm，非线性误差在0.5%左右。为了得到较好的线性，铁芯长度取0.6l时，则铁芯工作在H曲线的拐弯处，此时H变化小。2．螺管型自感传感器的输出特性螺管式自感传感器的特点：①结构简单，制造装配容易；②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大；③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；⑤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。3．螺管型自感传感器的特点灵敏度简化公式：222021lrWkkcr说明：两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。三、自感式传感器的测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。交流电桥测量电路变压器交流电桥谐振调幅式测量电路谐振调频式测量电路四、自感式传感器的应用1．变隙电感式压力传感器变隙电感式压力传感器由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。2．变隙式差动电感压力传感器变隙式差动电感压力传感器，是由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。第二节差动变压器式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。一、差动变压器式传感器工作原理螺线管式差动变压器由初级线圈，两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型。一节式灵敏度高，三节式零点残余电压较小，通常采用的是二节式和三节式两类。1-活动衔铁；2-导磁外壳3-骨架；4-初级绕组w5-次级绕组w2a；6-次级绕组w2二、差动变压器式传感器的基本特性特性分析的结论：零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势的幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波中起主要作用的是三次谐波，产生的原因是由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小Ux，否则将会影响传感器的测量结果。消除零点电压的方法：1）尽可能的保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。2）选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路，既可判别衔铁移动方向又可以改善输出特性，减小零点残余电动势。3）采用补偿线路，减小零点残余电动势。如：在差动变压器二次侧，串并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可是零点残余电动势减小。二、差动变压器式传感器的基本特性三、差动变压器式传感器测量电路1．差动整流电路结构（a）、（c）适用于交流负载阻抗（b）、（d）适用于低负载阻抗电阻R0用于调整零点残余电压。2．结论当衔铁在零位时，因为，所以当衔铁在零位以上时，因为，则而当衔铁在零位以下时，则有，则差动整流电路具有结构简单，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛应用。6824UU0U26824UU0U26824UU0U2四、差动变压式传感器的应用差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。1．差动变压器式加速度传感器用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为0.1～5mm，振动频率为0～150Hz。由悬臂梁和差动变压器构成差动变压器式加速度传感器及其线路2.微压力变送器由差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合这种变送器可分档测量（–5×10-5～6×105）N/m2压力，输出信号电压为(0～50)mV，精度为1.5级。第三节电涡流式传感器根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛。一、电涡流式传感器工作原理由传感器线圈和被测导体组成一个线圈/导体系统根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。xffZ，，，，阻抗保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。二、电涡流式传感器的特性1．电涡流的径向形成范围①电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径ras的1.8～2.5倍范围内，且分布不均匀。②电涡流密度在短路环半径r=0处为零。③电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。④可以用一个平均半径为ras的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。2rrraias电涡流密度与半径r的关系曲线3．电涡流的轴向贯穿深度电涡流强度与距离归—化曲线分析：①电涡强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。②当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1（一般取0.05～0.15）的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。2．电涡流强度与距离的关系涡流穿透深度h和激励电流频率f有关，所以涡流传感器根据激励频率：高频反射式或低频透射式两类。三、电涡流式传感器的应用1．低频透射式涡流厚度传感器透射式涡流厚度传感器检测范围可达1～100mm，分辨率为0.1μm，线性度为1%。在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，则L1上产生交变磁通Φ1，若两线圈间无金属板，则交变磁场直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。2．高频反射式涡流厚度传感器为克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1、S2。S1、S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。3．电涡流式转速传感器在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面d0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。这种转速传感器可实现非接触式测量，抗污染能力很强，可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达600000r/min。作业与思考题1．电感式传感器有几大类？各有何特点？2．什么叫零点残余电压？产生的原因是什么？3．影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？4．如图所示是一种差动整流的电桥电路，电路由差动电感传感器Z1、Z2以及平衡电阻R1、R2（R1=R2）组成。桥的一个对角线接有交流电源Ui，另一个对角线为输出端Uo。试分析该电路的工作原理。差动整流的电桥电路5．用一电涡流式测振仪测量某种机器主轴的轴向振动，已知传感器的灵敏度为20mV/mm。最大线性范围为5mm。现将传感器安装在主轴的右侧，如图4-26b所示。问：1）传感器与被测金属的安装距离l为多少毫米时可得到良好的测量效果？2）轴向振幅的最大值是多少？3）主轴振动的基频f是多