《传感器与检测技术》课件ppt 4 电感式传感器

4-1 自感式传感器 1 气隙型电感传感器工作原理？ 测量交流电桥有什么特点？ 变压器电桥的特点？ 第4章 电感式传感器 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，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。 3 1 2 3 (a)气隙式 (b)变截面式 一、气隙型电感传感器工作原理 衔铁移动 改变 磁阻变化 电感值变化 l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长； S：气隙磁通截面积； 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。 4 可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即L f(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。 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 l L L1 L2 L0 l0 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 US C 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l lr), 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 1234 - 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,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 （二）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=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 RS 1 RS 2 交流电桥原理图 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。 Z 1 Z 2 US C 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 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。 3 212 1 2 1 1 2 (a) (b) (c)(d) 12 11 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 R1M1 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。 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 e e1 e20 e20 1 2 34 5 (a)残余电压的波形 (b)波形分析 t t 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。 e2 +x -x 2 1 0 相敏检波后的输出特性 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 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。 e1 e2 C R e1 e2 C R (a) (b) 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 ab 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。 2、相敏检波电路 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D1、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， R i1 e1 R1 R2 e21 e22 C2 C1 er 移 相 器 D1 D4D3 D2 C D A B i3 i2i4 e 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(0.1 5)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 V 振荡器稳压电源 差动变压器相敏检波电路 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