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1、第二节 电感式传感器（变磁阻）,自感式传感器气隙型自感传感器螺管型自感传感器自感线圈的等效电路测量电路差动变压器结构原理与等效电路误差因素分析测量电路应用电涡流式传感器,定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。种类：根据转换原理，分自感式和互感式两种；根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。优点：结构简单、可靠，测量力小衔铁为0.520010-5N时，磁吸力为(110)10-5N。分辨力高机械位移：0.1m，甚至更小；角位移：0.1角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。重复性好，线性度优良在几十m到数百mm的位移范围内，
2、输出特性的线性度较好，且比较稳定。不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。,一、自感式传感器 有气隙型和螺管型两种结构。（一）气隙型自感传感器1、工作原理组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为l。,0.5l,1,2,3,x,(a)气隙式,(b)变截面式,N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)气隙式自感传感器，因为气隙较小(l为0.11mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为 l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；S：隙磁通截面积；S1：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积；1：铁芯磁导率；2：衔铁磁导率；0：真
3、空磁导率，0=410-7Hm；l：空气隙总长。,由磁路基本知识知，线圈自感为,由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为,可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即Lf(S,l)如果S保持不变，则L为l的单值函数，构成变隙式自感传感器；若保持l不变，使S随位移变化，则构成变截面式自感传感器。其特性曲线如图。,L=f（S）,L=f（l）,l,L,S,L=f(l)为非线性关系。当l0时，L为，考虑导磁体的磁阻，当l0时，并不等于，而具有一定的数值，在l较小时其特性曲线如图中虚线所示。如上下移动衔铁使面积S改变，从而改变L值时,则L
4、f(S)的特性曲线为一直线。,2、特性分析主要特性:灵敏度和线性度。当铁芯和衔铁采用同一种导磁材料，且截面相同时，因为气隙l一般较小，故可认为气隙磁通截面与铁芯截面相等，设磁路总长为 l，则,K=0N 2S,一般r1，所以,当气隙减少l时,自感的相对变化,同理，当总气隙长度增加l时，自感减小为L2，即,若忽略高次项，则自感变化灵敏度为,线性度,当气隙l发生变化时，自感的变化与气隙变化均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化l/l的增大而增加；气隙减少l所引起的自感变化L1与气隙增加同样l所引起的自感变化L2并不相等，即L1L2，其差值随l/l的增加而增大。,差动变气隙式自感传感器结构由两个电
5、气参数和磁路完全相同的线圈组成。当衔铁3移动时，一个线圈的自感增加，另一个线圈的自感减少，形成差动形式。如将这两个差动线圈,E,USC,1,3,4,2,R,R,(l-l)/2,(l-l)/2,分别接入测量电桥邻臂，则当磁路总气隙改变l时，自感相对变化为,差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍差动式自感传感器非线性失真小,如当l/l=10时(略去llr),单线圈10；而差动式的1。,75,50,25,0,50,75,100,L/mH,l/mm,100,25,LD,4,3,2,1,1,2,3,4,-l,l,对差动气隙式传感器其l/l与l/(lr)的变化受到灵敏度和非线性失真相互矛盾的制约,
6、因此只能适当选取。一般差动变隙式自感传感器l/l0.10.2时，可使传感器非线性误差在3左右。其工作行程很小,若取l2mm,则行程为(0.20.5)mm；较大行程的位移测量,常利用螺管式自感传感器,1 线圈自感特性；2 线圈自感特性；3 线圈与差动自感特性；4 特性曲线,差动式自感传感器的输出特性,r,x,螺旋管,铁心,单线圈螺管型传感器结构图,l,（二）螺管型自感传感器有单线圈和差动式两种结构形式。单线圈螺管型传感器的主要元件为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。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。,螺管线圈内
7、磁场分布曲线,r,x,l,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,H（）,IN,l,x（l）,铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明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。,若被测量与lc成正比，则L与被测量也成正比。实际上由于磁场强度分布不均匀，输入量与输出量之间关系非线性的。为了提高灵敏度与线性度,常采用差动螺管式自感传感器。图(b)中H=f(x)曲线表明：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。这种差动螺管式自感传感器的测
8、量范围为(550)mm,非线性误差在0.5左右。,2lc,lc,2l,线圈,线圈,r,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,-0.8,0.8,0.4,1.2,-1.2,-0.4,x,H（）,IN,l,差动螺旋管式自感传感器(a)结构示意图(b)磁场分布曲线,x(l),(a),(b),综上所述，螺管式自感传感器的特点：结构简单，制造装配容易；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；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；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；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。,（三）
9、自感线圈的等效电路,假设自感线圈为一理想纯电感，但实际传感器中包括：线圈的铜损电阻（Rc）、铁芯的涡流损耗电阻（Re）和线圈的寄生电容（C）。因此，自感传感器的等效电路如图。,C,L,Rc,Re,（四）测量电路1、交流电桥交流电桥是自感传感器的主要测量电路，为了提高灵敏度，改善线性度，自感线圈一般接成差动形式，如图。Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥的平衡臂,电桥平衡条件：设Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R RS1=RS2=RS；L1=L2=LE为桥路电源，ZL是负载阻抗。工作时，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z,ZL,R1,R2,Z2,Z1,L1,L2,RS1,RS2,交流
10、电桥原理图,USC,E,其输出电压幅值,当ZL时,输出阻抗,为自感线圈的品质因数。,桥路输出电压Usc包含与电源E同相和正交两个分量。在实际测量中，只希望有同相分量，如能使 或Q值比较大，均能达到此目的。但在实际工作时，RS/RS一般很小，所以要求线圈有高的品质因数。当Q值很高时，Usc；,当Q值很低时，自感线圈的电感远小于电阻，电感线圈相当于纯电阻(ZRs)，交流电桥即为电阻电桥。例如，应变测量仪就是如此，此时输出电压Usc=。该电桥结构简单，其电阻R1、R2可用两个电阻和一个电位器组成，调零方便。,Z1,Z2,USC,E/2,E/2,E,变压器电桥原理图,I,2、变压器电桥平衡臂为变压器的
11、两个副边，当负载阻抗为无穷大时，流入工作臂的电流为,初始Z1=Z2=Z=RS+jL，故平衡时，USC=0。双臂工作时，设Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相当于差动式自感传感器的衔铁向一侧移动，则,同理反方向移动时,可见，衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压Usc大小相等、方向相反，即相位互差180，可反映衔铁移动的方向。但是，为了判别交流信号的相位，需接入专门的相敏检波电路。,优点：这种电桥与电阻平衡电桥相比，元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。,变压器电桥的输出电压幅值,输出阻抗为(略去变压器副边的阻杭，它远小于电
12、感的阻抗),二、差动变压器（一）结构原理与等效电路分气隙型和差动变压器两种。目前多采用螺管型差动变压器。,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,1,2,4,3,1,2,3,(a)气隙型,(b)螺管型,其基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。,3,2,1,2,1,2,1,1,2,(a),(b),(c),(d),1,2,1,1,2,差动变压器线圈各种排列形式1 初级线圈；2 次级线圈；3 衔
13、铁,3,三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。,在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。初级线圈的复数电流值为,e2,R21,R22,e21,e22,e1,R1,M1,M2,L21,L22,L1,e1初级线圈激励电压L1,R1初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻,I1,激励电压的角频率；e1激励电压的复数值；,由于Il的存在，在次级线圈中产生磁通,Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级线圈匝数
14、。,N2为次级线圈匝数。因此空载输出电压,在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为,其幅数,输出阻抗,或,副,0,e2,e2,e21,e22,x,副,原线圈,差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。,（二）误差因素分析1、激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。2、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈
15、品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。,3、零点残余电压 当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。,0,e2,x,-x,e20,1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波 5 电磁干扰,图中e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。,零点
16、残余电压产生原因：基波分量。由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。,高次谐波。高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。,消除零点残余电压方法：1从设计和工艺上保
17、证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。2选用合适的测量线路,采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。,3采用补偿线路由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图(a)。由于R的分流作用将使
18、流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。,调相位式残余电压补偿电路,并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位，如图所示。电容C(0.02F)可防止调整电位器时使零点移动。,e1,e2,C,R1,R2,W,电位器调零点残余电压补偿电路,R或L补偿电路,e1,e2,L0,W,e1,e2,R0,W,(a),(b),接入R0(几百k)或补偿线圈L0(几百匝)。绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压，避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。电路如图。,（三）测量电路 差动变压器的输出电压为交
19、流，它与衔铁位移成正比。用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向，因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量。1、差动整流电路根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“”，e点为“”，则电流路径是fgdche（参看图a）。反之，如f点为“”，e点为“”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图（b），其值为USC=eabecd。,全波整流电路和波形图,e1,R,R,c,a,b,h,g,f,d,e,USC,衔
20、铁在零位以下,eab,t,t,t,eab,t,t,t,eab,t,ecd,t,USC,t,ecd,USC,USC,ecd,衔铁在零位以上,衔铁在零位,(b),(a),在f点为“”，则电流路径是fgdche(参看图a)。反之，如f点为“”，则电流路径是ehdcgf。,2、相敏检波电路容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中调制电压er和e同频，经过移相器使er和e保持同相或反相，且满足ere。调节电位器R可调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。当铁芯在中间时,e=0,只有er起作用，输出电压UCD0。若铁芯上移，e0，设e和er同相位，由于ere，故er正半周时D
21、1、D2仍导通，但D1回路内总电势为ere，而D2回路内总电势为ere，故回路电流i1i2输出电压UCD=R0（i1i2）0。当er负半周时，,UCD=R0(i4-i3)0，因此铁芯上移时输出电压UCD0。当铁芯下移时，e和er相位相反。同理可得UCD0。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。,（四）应用测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。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(0.15)mm，振动频率为(0150)Hz。,稳压电源,振荡器,检波器,滤波器,(b),(a),220V,加速度
22、a方向,a,输出,1,2,1,1 弹性支承 2 差动变压器,2.微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。,220V,1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳,V,振荡器,稳压电源,差动变压器,相敏检波电路,1,2,3,4,5,6,7,这种变送器可分档测量(51056105)N/m2压力，输出信号电压为(050)mV，精度为1.5级。,三、电涡流式传感器 当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感生电流ie，此电流在导体内闭合，称为涡流。涡流大小与导体电阻率、磁导率以及产生交变磁场的线圈与被测体之
23、间距离x，线圈激励电流的频率f有关。显然磁场变化频率愈高，涡流的集肤效应愈显著。即涡流穿透深度愈小，其穿透深度h可表示 导体电阻率(cm)；r导体相对磁导率；f交变磁场频率(Hz)。可见，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。目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。,（一）结构和工作原理主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。,1,2,3,4,5,6,1 线圈 2 框架 3 衬套4 支架 5 电缆 6 插头,传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场i，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场e阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。,
