第三章电感式传感器报告.ppt

1、,第三章 电感式传感器,电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。,（一）工作原理 1、自感式传感器 有气隙型、截面型和螺管型三种结构。 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。 传感器运动部分与衔 铁相连，衔铁移动时 l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 可以改变电感。,3,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(

2、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,4,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

3、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Lf(S)的特性曲线为一直线。,如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位移，自感量将相应变化，这就可构成螺管型传感器。,通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论: 1. 变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难。 2. 变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛。 3.螺管型灵敏度较低,但量程大且结

4、构简单易于制作和批量生产,是使用最 广泛的一种电感式传感器。,2、互感式传感器,互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。一般，这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。 这种传感器的工作原理如右图所示。,7,（二）自感线圈的等效电路,实际传感器中包括： 铜损电阻（Rc） N为线圈匝数，lcp为平均每匝长度 d为线径、 c为导线电阻率,涡流损耗电阻（Re） 并联分布电容（C） 由线圈绕组的分布电容及电缆引线电容组成。并联电容后，传感器的灵敏度提高了。因此在测量中若需要改变

5、电缆长度时，则应对传感器的灵敏度重新校准。,（三）自感式传感器转换电路 1、交流电桥 实际应用中，交流电桥常和差动式自感传感器配合使用,这样既提高了灵敏度，又改善了线性度，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=L E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,交流电桥原理图,USC,E,9,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

6、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，此时输出电压Usc= 。,11,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,

7、同理反方向移动时,12,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：变压器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，它远小于电感的阻抗),调频电路的基本原理是传感器自感L的变化引起输出电压频率f的变化。一般是把传感器自感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，如右图a所示。图中G表示振荡回路，当L变化时，振

8、荡频率随之变化，根据f的大小即可算出被测量。图b给出了f与L的特性曲线，它存在严重的非线性。,3、调频式转换电路,调相电路的基本原理是传感器电感L变化会引起输出电压相位变化，下图a所示是一个相位电桥，一臂为传感器L，一臂为固定电阻R。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降二个向量是互相垂直的，如下图b所示。当电感L变化时，输出电压的幅值不变，相位角随之变化。,4、调相式转换电路,（三）互感式传感器转换电路,差动变压器基本元件有衔铁、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

9、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。,16,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

10、阻，N1为初级线圈匝数。,17,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,18,铁芯向右移， 输出与e22 同极性； 铁芯向左移， 输出与e21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。e2与e1的相位由衔铁的移动方向决定。,19,测量电路 差动变压器的输出电压为交流，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 根据半导体二极管单向导通原理进行解调的。,20,全波整流电路和波形图,e1,R,R

11、,c,a,b,h,g,f,d,e,USC,衔铁在 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。,21,2、相敏检波电路 图为二极管相敏检波电路。图中UR为参考电压，其频率与U0相同，相位与U0同相或反相，并且UR U0，即二极管的导通与否取决于UR，工作原理： (1)衔铁在中间位置时，U0= 0，电流表中无读数。 (2)若衔铁向上移动： 信号电压U0上正下负为正半周，假定

12、参考电压UR极性为左正右负，此时D1、D2截止，而D3、D4导通，信号电流方向为,BR,mA,F,E D3,G D4,C,电流表的极性是上正下负,同理负半周结果相同,(3)当被测量方向变化使衔铁下移时，输出电压U0 的相位与衔铁上移时相反。,22,（三） 误差因素分析 1、激励电源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。差动变压器激励频率的选择至少要大于衔铁运动频率的10倍，即可测信号频率取决于激励频率，一般在2kHz以内，另外还受到测量系统机械负载效应的限制。 2、温度变化的影响 在周围环境温度变化时，会引起差动变压器线圈电阻及导磁体磁

13、导率的变化，从而导致输出电压、灵敏度、线性度和相位的变化。当线圈品质因数较低时，这种影响更为严重。在这方面采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。,23,3、零点残余电压 当差动变压器的衔铁处于中间位置时，由于对称的两个次级线圈反向串接，理论上其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，差动输出电压并不为零，总会有零点几mV到数十mV的微小的电压值存在，不论怎样调整也难以消除，我们把零位移时差动变压器输出的电压称为零点残余电压。零点残余电压使得传感器输出特性不过零点。,产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称,24,1 基波正交分量 2 基波同相分量

14、 3 二次谐波 4 三次谐波 5 电磁干扰,图中u为差动变压器初级的激励电压，e0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。,e0,减小零点残余电压方法： 1. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。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双可改善输出特性，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。下图是几种减小零点残余电动势的补偿电路。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，可使零点残余电动势减小。,26,三、 电涡流式传

15、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用切割磁力 线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流， 这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。 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 导电体处于交变磁场中,27,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，这个涡流同样产生反抗H1的交变磁场H2 。由于H2的作用，涡流要损耗一部分能量，从而使传感器的等效阻抗发生变化

16、。,28,等效电路,线圈激磁电流角频率； R1、L1传感器线圈电阻和电感 R2、L2金属导体的电阻和电感 M互感系数。,R1,R2,L1,L2,E,I1,I2,29,解得线圈等效阻抗Z的表达式为,式中：R线圈受电涡流影响后的等效电阻,L线圈受电涡流影响后的等效电感,线圈的等效品质因数Q值为,30,被测参数变化，能引起Z、L、Q变化，线圈阻抗,1、电桥电路法,图中A、B为传感器线圈，它们与电容C1、C2，电阻R1、R2组成电桥的四个臂。当传感器线圈的阻抗变化时，电桥失去平衡。电桥的不平衡输出经线性放大和检波，这种方法电路简单，主要用在差动式电涡流传感器中。,测量电路,2、调频式电路,33,传感器

17、线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。 振荡器电路如图(b)所示。它由克拉泼电容三点式振荡器(C2、C3、L、C和1)以及射极输出电路两部分组成。振荡器的频率为,34,3. 调幅式电路,由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图所示。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压 式中, Z为LC回路的阻抗。 ,当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大， 谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、 检波后， 由指示仪表直接显示出x的大小。,正反馈法的测量原理如右图所示，其特点是放大器的反馈回路是由电涡流传感器的线圈组成。线圈阻抗变化时，反馈放大电路的放大倍数发