电感式传感器原理及特性

第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器4.2差动变压器式传感器4.3电涡流式传感器•电感式传感器的工作基础：电磁感应•即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量被测物理量（非电量：位移、振动、压力、流量、比重）线圈自感系数L/互感系数M电压或电流（电信号）电磁感应测量电路•分为变磁阻式、变压器式、涡流式等•特点：–工作可靠、寿命长–灵敏度高，分辨力高–精度高、线性好–性能稳定、重复性好4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.1工作原理变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。A1L1线圈铁芯衔铁L2A2W在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。A1L1线圈铁芯衔铁L2A2W线圈中电感量可由下式确定：WLII根据磁路欧姆定律：mRIW式中,Rm为磁路总磁阻。（4-1）（4-2）气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为121122002mLLRAAA（4-3）通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即222001110022AlAAlA（4-4）则式（4-3）可写为002ARm（4-5）联立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得20022AWRWLm（4-6）上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积A0的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。20022AWRWLm4.1.2L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图5-2所示。20022AWRWLmL＋－oL0L0＋LL0－L图4-2变隙式电压传感器的L-δ特性分析：当衔铁处于初始位置时，020002WAL（4-7）当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0－Δδ，则此时输出电感为00000201)(2LAWLLL（4-8）当Δδ/δ01时（台劳级数）：30200001LLLL（4-9）可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即200002000011LLLL(4-10)(4-11)同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有3020000302000011LLLL（4-12）（4-13）对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得00LL（4-14）灵敏度0001LLK可见：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，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。（4-15）与•衔铁上移–切线斜率变大0K20000011LLK20000011LLK－－L＋－oL0L0＋LL0－L•衔铁下移–切线斜率变小与线性度•衔铁上移：23000LL非线性部分23000LL非线性部分－－•衔铁下移：•无论上移或下移，非线性都将增大。差动变隙式电感传感器sUL1L2RoRooU122131—铁芯；2—线圈；3—衔铁为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。衔铁上移Δδ：两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式（4-10）及式（4-12）表示，差动传感器电感的总变化量ΔL=ΔL1+ΔL2,具体表达式为4020002112LLLL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比较单线圈式和差动式：①差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。②差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于Δδ/δ01，因此，差动式的线性度得到明显改善。3002/LL200/LL4.1.3测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。22112012121222ZZZZZRUUUUZZRRZZZZ－1.交流电桥式测量电路11ZZZ22ZZZ0ZRjwL11ZjwL22ZjwL0ZjwL00UU当衔铁下移时：00UUZ1Z4＝RUoUZ3＝RZ2UC2U2UZ1Z2oUABD＋－＋－＋－变压器式交流电桥2.变压器式交流电桥电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压2211212122oZZZUUUUZZZZ当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z，此时有，电桥平衡。0oU当传感器衔铁上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，220ULLUZZUo(4-25)当传感器衔铁下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此时220ULLUZZUo(4-26)可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。U3.分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。调幅电路特点：此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。oUOL0LoUTUCL(a)(b)调频电路：振荡频率。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。具有严重的非线性关系。)2/(1LCfGCLffoL(a)(b)4.1.4变隙电感式压力传感器结构图当压力进入膜盒时，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A的指示值就反映了被测压力的大小。线圈铁芯衔铁膜盒PU~A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。线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁～输出P变隙式差动电感压力传感器4.2差动变压器式传感器（互感式）把被测的非电量变化转换为线圈互感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：变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，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。4.2.11.工作原理假设：初级绕组W1a=W1b=W1，次级绕组和W2a=W2b=W2两个初级绕组的同名端顺向串联，两个次级绕组的同名端则反相串联。iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU2　变隙式差动变压器结构当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有δa0=δb0=δ0，则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压Uo=e2a-e2b=0。当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使δa≠δb，互感Ma≠Mb，两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压Uo=e2a-e2b≠0，即差动变压器有电压输出，此电压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（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下，等效电路。r1a与L1a,r1b与L1b,r2a与L2a,r2b与L2b，分别为W1a,W1b,W2a,W2b绕阻的直流电阻与电感。iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb－＋－＋　差动变隙式变压器的等效电路当r1aωL1a，r1bωL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响，可得变隙式差动变压器输出电压Uo的表达式，.iababoUWWU12012ioUWWU分析：当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δ0，则Uo=0。但是如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动Δδ（假设向上移动为正）时，则有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得.上式表明：变压器输出电压Uo与衔铁位移量Δδ/δ0成正比。“－”号的意义:当衔铁向上移动时，Δδ/δ0定义为正，变压器输出电压Uo与输入电压Ui反相（相位差180°）；而当衔铁向下移动时，Δδ/δ0则为-|Δδ/δ0|，表明Uo与Ui同相。图4.12所示为变隙式差动变压器输出电压Uo与位移Δδ的关系曲线。变隙式差动变压器灵敏度K012ioUWWUK图4.12变隙式差动变压器输出特性oU12e2ae2be2ae2bUo＋－O1—理想特性；2—实际特性－分析结论：①首先，供电电源Ui要稳定（获取稳定的输出特性）；其次，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。②增加W2/W1的比值和减小δ0都能使灵敏度K值提高。（W2/W1影响变压器的体积及零点残余电压。一般选择传感器的δ0为0.5mm。）012ioUWWUK③以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容等条件下得到的，如果考虑这些影响，将会使传感器性能变差（灵敏度降低，非线性加大等）。但是，在一般工程应用中是可以忽略的。④以上结果是在假定工艺上严格对称的前提下得到的，而实际上很难做到这一点，因此传感器实际输出特性存在零点残余电压ΔUo。⑤变压器副边开路的条件对由电子线路构成的测量电路来讲容易满足，但如果直接配接低输入阻抗电路，须考虑变压器副边电流对输出特性的影响。4.2.21.工作原理　螺线管式差动变压器结构次级线圈1初级线圈次级线圈2衔铁壳体骨架两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路。当初级绕组加以激励电压U时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势E2a和E2b。如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理,将有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联,因而Uo=E2a-E2b=0,即差动变压器输出电压为零。Ur1L1aL2aL2baE2bE2r2ar2boURLI1＋－＋－＋－＋－　差动变压器的输出特性W2bW1W2a0xox理论特性曲线实际特性曲线oUΔ22oabUEE2aE2bEoU当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b