第章电感式传感器.ppt

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1、第3章 电感式传感器,主要内容：1 变磁阻式电感传感器 2 差动变压器式电感传感器 3 电涡流式传感器,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。,概述,各种电感式传感器,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.1 工作原理,结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为;传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时发 生变化，引起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈 的电感值L变化；只要改变气隙厚 度或气隙截面积 就可以

2、改变电感。,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.1 工作原理,核心:位移 磁阻 电感,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.2 输出特性,衔铁位移引起的电感变化为：,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.2 输出特性,/1时，用泰勒级数展开,衔铁下移时,衔铁上移时,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.2 输出特性,对上式作线性处理忽略高次项时,讨论：传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾；变间隙式电感传感器用于小位移比较精确；一般/=0.1-0.2；为减小非线性误差，实际测量中多采用差动式。,定义灵敏度,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.2 输出特性,差动式原理：差动变隙式由两个相同的线

3、圈和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁左右位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.2 输出特性,对上式进行线性处理并忽略高次项：差动式灵敏度为：,电感的变化为：,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.2 输出特性,讨论：比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；差动式非线性项比单线圈多乘了(/)因子；不存在偶次项，因/1，线性度得到改善。差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰 的影响。,自感式传感器的常见形式,(a)变气隙型:灵敏度高,非线性大.(b)变截面型:量程较大,线性较好,灵敏度较低.(c)螺管型:灵敏度低,量程大,制作简

4、单.,变截面型自感式传感器,螺管式自感传感器,线圈,衔铁,总长,线圈半径,插入长度,衔铁半径,特点：灵敏稍差、线性好、量程大、易批量生产。,螺管式自感传感器,由一只螺线管和伸入其内的一根圆柱形铁心构成。铁心在线圈中伸入长度的变化，引起螺线管线圈电感值的变化。,自感传感器的等效电路,电感传感器实质上反映了铁心线圈的自感随衔铁位移变化的情况。铜电阻(Rc)：构成线圈导线具有的电阻；涡流损耗电阻(Re)：由铁磁材料迭片制成的铁心内部的涡流损耗线圈的寄生电容（C）：线圈绕组的固有电容和传感器与电子测量设备的连接电缆的电容。,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.3 测量电路（转换电路）（1）交流电桥式

5、,两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻,交流电桥结构示意图 等效电路,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.3 测量电路（转换电路）（1）交流电桥式,因,输出电压为：,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.3 测量电路（2）变压器式交流电桥,电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占12，交流供电。桥路输出电压为：,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.3 测量电路,当衔铁在中间位置 Z1=Z2=Z U0=0,当衔铁偏移时输出电压,当衔铁偏向另一方向,（3）紧耦合电感臂电桥,3.1变磁阻式传感器（自感式）3.1.3 测量电路（4）谐振式（调幅、调频、调相）,调幅式电

6、路 输出幅值随电感L变化,调频电路 电感L变化时谐振频率变化,*一种带有相敏整流的交流电桥,电压表读数大小反映衔铁的位移；电压表极性反映移动方向。,衔铁在中间位置时,无论正负半周，C、D两点等电位，电桥平衡，输出UCD=0V。,当衔铁上移，D点将比C点电位高，认为电压表正偏。,当衔铁上移，负半周D也比C点电位高，电压表仍正偏。：,结论：无论正负半周，只要衔铁上移，电压表头就正转。位移越多，指针偏转越大。同理：无论正负半周，只要衔铁下移，电压表头就反转。位移越多，指针偏转越大。,3.1 变磁阻式传感器（自感式）3.1.4 变磁阻式传感器的应用 压力测量,被测压力经位移电压两次转换输出,3.2 差

7、动变压器式传感器（互感式）3.2.1 工作原理,把被测的非电量变化转换成为 线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器根据变压器的基本 原理制成，并将次级线圈绕组用 差动形式连接。差动变压器的结构形式较多，应用最多的是螺线管式差动变压 器。它可测量1100mm范围内的 机械位移。,3.2 差动变压器式传感器（互感式）,等效电路：两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈 互感系数相等 电动势相等,差动输出电压为零：,3.2 差动变压器式传感器（互感式）3.2.1 工作原理,可见:输出电压大小和相位反映了 铁心位移的大小和方向。,当衔铁上下移

8、动时，输出电压随衔铁位移变化。,若衔铁上移,若衔铁下移,3.2 差动变压器式传感器（互感式）3.2.2 基本特性,由此得到输出电压有效值为：,可见输出电压与互感的差值有关,根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为,3.2 差动变压器式传感器（互感式）3.2.2 基本特性,铁芯向右移，输出与E2a同极性；铁芯向左移，输出与E2b同极性；输出电压的幅值取决于线圈 互感即衔铁在线圈中移动的 距离X。Uo的相位由衔铁的 移动方向决定。,3.2 差动变压器式传感器（互感式）,差动变压器输出电压和位移的关系,第3章 电感式传感器3.2 差动变压器式传感器（互感式）,灵敏度:单位电压激励下,铁心移动单位距离时

9、的传感器输出电压。单位：V/(mmV）,如 50mV/(mmV）提高灵敏度的方法：增大次级匝数；提高螺管尺寸比；加大激励电压；提高激励电压频率,第3章 电感式传感器3.2 差动变压器式传感器（互感式）,线性度 一般在线圈长度的0.1-0.25倍范围考虑。误差来源 激励电源频率和幅值的波动 环境温度的变化 零点残余电压的影响 场的不均匀,第3章 电感式传感器3.2 差动变压器式传感器（互感式）,输出相位特性?,温度特性,环境温度的变动会影响差动变压器的灵敏度、线性度和相位，尤其对低频(50赫)下工作的差动变压器影响更大.因为这时的初级线圈阻性比较大。环境温度变化，初级线圈铜电阻就有变化，若输入电

10、压不变，初级线圈的电流就有改变，引起磁通变化，结果，输出电压也随之改变。环境温度变动会导致磁性材料的导磁率改变，引起铁损的变化。温度变化会引起结构尺寸的改变，这决定于所用材料的热膨胀系数.这种影响相对较小。,第3章 电感式传感器 3.2 差动变压器式传感器（互感式）,典型参数：量 程 5250mm线性度 0.1%0.5%灵敏度 0.15V/mm/v激励频率 40010kHz,3.2 差动变压器式传感器（互感式）,差动变压器结构形式,3.2 差动变压器式传感器（互感式）3.2.3 零点残余电压,由于两个次级线圈绕组电气系数（M互感 L电感 R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同。实际的特性

11、曲线，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。,零点残余电压产生的原因,(1)差动式两个电感线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不可能完全对称；(2)传感器具有铁损，即磁芯磁化曲线的非线性；(3)电源电压中含有高次谐波；(4)线圈具有寄生电容，线圈与外壳铁心间有分布电容。减小零点残余电压首要保证两个次级线圈尽可能对称,3.2 差动变压器式传感器（互感式）3.2.3 零点残余电压,为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补 偿,电路补偿的方法较多,常采用以下方法。串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分

12、量；相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。,3.2 差动变压器式传感器（互感式）3.2.4 测量电路,差动变压器输出为交流信号 常采用的测量方法有 1.交流检测法 2.差动整流电路 3.相敏检波电路。,3.2 差动变压器式传感器（互感式）3.2.4 测量电路,差动整流电路:分半波和全波,3.2 差动变压器式传感器（互感式）3.2.4 测量电路,相敏检波电路,差动相敏检波电路,当铁心位于正中时，电路对称，输出为0。,电压输出：,一般来说：,平均为负。,电压输出：,平均为负。,结论：衔铁下移，平均输出为负；衔铁上移，平均输出为正！,电源负半周电路分析,当衔铁下移,+,-,+,+,-,-,3.2

13、差动变压器式传感器（互感式）3.2.4 测量电路,3.2 差动变压器式传感器（互感式）3.2.5 应用举例,差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。,（1）压差计 当压差变化时，腔内 膜片位移使差动变压器次 级电压发生变化，输出与 位移成正比，与压差成正 比。,3.2 差动变压器式传感器（互感式）3.2.5 应用举例,（2）液位测量 沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。,3.2 差动变压器式传感器（互感式）3.2.5 应用举例,（3）电感测厚仪 L1、L2是电感器传感器的两个线圈作

14、为两个桥臂；四只二极管D1-D4组成相敏整流器；RP1调零电位器，RP2调电流表M满度；,被测厚度正常时 电桥平衡无电流，被测厚度变化时 电流M表方向偏转 根据电流方向确定衔铁移动方向。,3.2 差动变压器式传感器（互感式）3.2.5 应用举例,微压传感器,3.2 差动变压器式传感器（互感式）,差动变压器传感器的应用,3.3 电涡流式传感器,由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导 体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力 线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。电涡流的作用 感应加热可制成高频炉，用于金属的冶炼、焊接及材料提纯。电磁阻尼器涡流产生阻尼

15、作用。副作用：涡流损耗产生焦耳热烧毁设备。,第3章 电感式传感3.3 电涡流式传感器,根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;形成电涡流必须具备两个条件：存在交变磁场 被测导电体处于交变磁场中,3.3 电涡流式传感器 3.3.1 工作原理,把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡流产生反抗H1的交变磁场H2。,3.3 电涡流式传感器 3.3.2 等效电路分析,根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路次级线圈。当线圈靠近金属导体时，

16、次级线圈通过互感 M 对初级作用。,R10,L10,3.3 电涡流式传感器 3.3.2 等效电路分析,等效电感为：,解方程得到传感器的等效阻抗,等效电阻为：,3.3 电涡流式传感器 3.3.2 等效电路分析,结论：凡是能引起 R2 L2 M变化 的物理量均可以引起传 感器线圈R1、L1的变化。被测体（金属）的 电阻率导磁率厚度d，线圈与被测体间的距离X，激励线圈的角频率等 都通过涡流效应和磁效 应与线圈阻抗Z发生关系,R2,L2,M,L1,R1,X,d,3.3 电涡流式传感器 3.3.2 等效电路分析,结论：、d、X、的变化使R1、L1发生变化，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗

17、 Z 成为这个参数的单值函数。,等效阻抗与这些参数有函数关系：,3.3 电涡流式传感器 3.3.3 涡流的分布和强度,涡流的分布：因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，实际上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。,3.3 电涡流式传感器 3.3.3 涡流的分布和强度,径向分布：涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系，线圈外径确定后涡流范围也就确定了。线圈外径处，r=ros 金属涡流密度最大；线圈中心处，r=0 涡流密度为零(j=0)；r 0.4ros处（以内）基本没有涡流；r=1.8ros线圈外径处涡流密度衰减到最大值的5

18、%。涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内,3.3 电涡流式传感器 3.3.3 涡流的分布和强度,轴向分布：由于趋肤效应涡流主要在表面薄层存在，沿磁场H方向（轴向）也是分布不均匀的。,3.3 电涡流式传感器 3.3.3 涡流的分布和强度,电涡流的轴向深度,频率越高，越集于表面 高频反射式；频率降低，可穿透金属体低频透射式,3.3 电涡流式传感器 3.3.3 涡流的分布和强度,强度：当线圈与被测体距离改变时，电涡流密度 发生变化,强度也要变化。导体表面的电涡流强 度I2 与距离X是非线性关系，随 x/r上升而下降。,3.3 电涡流式传感器,传感器结构,反射式电涡流传感器对被测对象的要求1.材

19、料 小，小2.几何形状 圆盘状平面:R2ros 圆柱状弧面:R4ros，厚0.2 mm3.环境 非被测金属体远离注:被测金属体是传感器的一部分。,第3章 电感式传感器 3.3 电涡流式传感器,3.3 电涡流式传感器 3.3.4 测量电路,1）电桥法 等臂电阻作为平衡两桥臂,传感器作为另外两桥臂.,3.3 电涡流式传感器 3.3.4 测量电路,稳幅调频源,C固定x,使其谐振,u最大x 0,失谐,u减小 u=f(x),3.3 电涡流式传感器 3.3.4 测量电路,调幅式输出特性,3.3 电涡流式传感器 3.3.4 测量电路,L与C组成振荡器,即振荡器工作频率随电感变化而变化.测电路输出频率。,3.

20、3 电涡流式传感器,低频透射式涡流厚度传感器 Z=F2（,h,f,x1,x2）,第3章 电感式传感器3.3 电涡流式传感器,低频透射式,已知x1,x2 固定选择 h,f,h 小，f小 实际根据不同的材料（,），被测厚度（h），选择激励频率f。,3.3 电涡流式传感器 3.3.5 电涡流传感器的应用,特点：非接触式测量 优点:体积小、精度高、宽温度适应范围;不受介质污染影响;可长期在水中使用。应用：1)位移、2)振动、3)厚度、4)转速、5）电涡流探测（伤）,1）位移计,1-被测体，2-传感器,2）振幅测量,1-被测体，2-传感器,涡流振动测量,3）厚度计,1-被测体，2-传感器,4）转速测量,涡流转速测量,5）电涡流探测,3.3 电涡流式传感器 3.3.5 电涡流传感器的应用,电涡流传感器,振动,位移,加速度,转速,3.3 电涡流式传感器 3.3.5 电涡流传感器的应用,涡流非导电材料厚度测量,涡流轴心轨迹测量,电感式传感器应用,电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装筛选,本章要点：,变磁阻式传感器（自感式）工作原理、测量电路（重点交流电桥）；差动变压器式传感器（互感式）工作原理、等效电路;零点残余电压的影响和补偿；测量电路(重点相敏检波和差动整流)；电涡流传感器的工作原理(反射式和透射式)；电涡流的径向和轴向分布；谐振法测量；特点非接触测量,