自感式传感器分析

3.1自感式传感器3.1.1工作原理3.1.2变气隙式自感传感器3.1.3变面积式自感传感器3.1.4螺线管式自感传感器3.1.5自感式传感器测量电路3.1.6自感式传感器应用举例概述电感式传感器是一种机电转换装置，特别是在自动控制设备中广泛应用。电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量（如位移、压力、流量、振动）转换为电感或互感的变化。按传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式。电感式传感器概述各种电感式传感器电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电感粗糙度仪接近式传感器概述电感式传感器应用电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装塞选电感式传感器3.1.1工作原理线圈自感Ψ——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。a)气隙型b)截面型c)螺管型自感式传感器原理图上一页返回下一页mRWIWIL2SSlWLiii02/2//SSlRiiim0/2/li——各段导磁体的长度；μi——各段导磁体的磁导率；Si——各段导磁体的截面积；δ——空气隙的厚度；μ0——真空磁导率S——空气隙截面积S,fLSfL21fL变气隙型传感器变截面型传感器线圈中放入圆形衔铁可变自感螺管型传感器。上一页返回下一页3.1.2变气隙式自感传感器002221112sslslRm通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻111002sls222002sls002sRm所以20022sWRWLmL与δ之间是非线性关系上一页返回下一页当衔铁处于初始位置时，初始电感量为000202sWL当衔铁上移Δδ时，则，代入式（3.1.6）式并整理得00000201)(2LsWLLL0LLL0上一页返回下一页1/0上式用泰勒级数展开成如下的级数形式200001LLLL200001LL200001LL30200001LL302000001LL同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有上一页返回下一页对式（3.1.11）（3.1.13）作线性处理，即忽略高次项后可得00LL灵敏度为0001/LLk变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。为了减小非线性误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器。上一页返回下一页差动变隙式电感传感器1-铁芯；2-线圈；3-衔铁4020002112LLLL当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2上一页返回下一页对上式进行线性处理，即忽略高次项得002LL灵敏度k0为0002/LLk（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）单线圈是忽略以上高次项，差动式是忽略以上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。2030上一页返回下一页3.1.3变面积式自感传感器传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为sKsllWslslWLrr/02002灵敏度KdsdLk0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。上一页返回下一页变面积式电感传感器（δ不变）⑴a不变，b变变前变后灵敏度非线性误差⑴a不变，b变变前变后灵敏度非线性误差02002abwL0202awbLS02020bawLLL0H0202)(awbbLb不变，a变变前变后灵敏度非线性误差02002abwL0202bwaLS0H0202)(bwaaL02020abwLLL3.1.4螺线管式自感传感器1-螺线管线圈Ⅰ；2-螺线管线圈Ⅱ；3-骨架；4-活动铁芯llrrlWrLLLccr22022010011L10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值；上一页返回下一页差动螺线管式电感传感器结构原理图当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小lxlrrlWrLccr2202111lxlrrlWrLccr2202211根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为222021211lrWdxdLdxdLkkcr两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。式(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为222020100llrWLLLccr222021lrWkkcr上一页返回下一页自感式传感器3.1.5自感式传感器测量电路1.调幅电路2.调频电路3.调相电路4.自感传感器的灵敏度上一页返回下一页1.调幅电路(1)交流电路交流电桥测量电路,把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替,对于高Q值（Q=ωL/R）的差动式电感传感器,其输出电压000110222LLUjwLRLjwUZZUUACACAC式中:L0——衔铁在中间位置时单个线圈的电感;ΔL——单线圈电感的变化量。将ΔL=L0（Δδ/δ0）代入上式得,电桥输出电压U0与Δδ有关。002ACUU1.调幅电路u0(2)变压器电路2121121022ZZZZuuZZZuu初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0当衔铁偏离中间零点时，、ZZZZZZΔΔ21)/(Δ)2/(0ZZuu使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用z2z1u/2u/2上一页返回下一页当传感器衔铁移动方向相反时，、ZZZZZZΔΔ21空载输出电压)/(Δ)2/(0ZZuu两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决上一页返回下一页(2)相敏检波电路当u上端为负，下端为正时，R2上压降则大于R1上的压降，电压表V输出上端为正，下端为负。上一页返回下一页①当衔铁处于中间位置时Z1=Z2=Z，输出电压U0=0②当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+ΔZ增加，则Z2=Z-ΔZ减少。这时当电源u上端为正，下端为负时，电阻R1上的压降大于R2上的压降；③当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z-ΔZ减少，则Z2=Z+ΔZ增加。这时当电源u上端为正，下端为负时，电阻R2上的压降大于R1上的压降；当u上端为负，下端为正时，R1上压降则大于R2上的压降，电压表V输出上端为正，下端为负。使用相敏整流，输出电压U0能反映衔铁位移的大小和方向。非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响，上一页返回下一页(3)谐振式调幅电路上一页返回下一页在调幅电路(a)中,传感器电感L与电容C,变压器原边串联在一起,接入交流电源,变压器输出,输出电压的频率与电源频率相同,而幅值随着电感L而变化（b）所示为输出电压L的关系曲线,其中L0为谐振点的电感值,此电路灵敏度很高,但线性差,适用于线性要求不高的场合。0U上一页返回下一页2.调频电路GCLf灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。当L微小变化ΔL后，频率变化Δf)/(Δ)2/(4/Δ)(Δ2/3LLfLCLCfLf0LCf2/1把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中,其振荡频率f=1/2π（LC）。当L变化时,振荡频率随之变化,根据f的大小即可测出被测量的值。3.调相电路传感器电感变化将引起输出电压相位变化)/(tg21RLLLRLRLΔ)/(1)/(2Δ2上一页返回下一页当L微小变化ΔL后4.自感传感器的灵敏度上一页返回下一页传感器结构灵敏度转换电路灵敏度xLLktΔ/)/(Δ)//(Δ0LLukc总灵敏度xukkkctzΔ/0自感传感器的灵敏度指传感器结构和转换电路综合在一起的总灵敏度。第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小气隙型、变压器电桥传感器2)()(12220uLRLkz传感器灵敏度的单位为mV/(μm·V)，即当电源电压为1V，衔铁偏移1μm时，输出电压为若干毫伏上一页返回下一页3.1.6自感式传感器应用举例1.自感式位移传感器2.自感式压力传感器上一页返回下一页1.自感式位移传感器1传感器引线2铁心套筒3磁芯4电感线圈5弹簧6防转件7滚珠导轨8测杆9密封件10玛瑙测端上一页返回下一页2.自感式压力传感器变隙式自感压力传感器结构图上一页返回如图是变隙电感式压力传感器的结构图。组成:膜盒、铁芯、衔铁及线圈等,衔铁与膜盒的上端连在一起。原理：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。变隙差动式电感压力传感器当被测压力进入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。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系,所以只要用检测仪表测量出输出电压,即可得知被测压力的大小。