传感器原理及检测技术PPT电子课件教案-第三章 电感式传感器.ppt

1,第三章 电感式传感器,电感式传感器,压磁式传感器,2,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、互感式、电涡 流式三种； 根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管 型。,3,优点： 结构简单、可靠，测量力小 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。 能实现远距离传输、记录、显示和控制。 不足：存在交流零位信号，不宜高频动态测量。,4,3.1 自感式传感器,3.1.1 自感式传感器的工作原理,总磁阻,线圈匝数,两式联立得:,图3-1 电感式传感器,i 为线圈中所通交流电的有效值。,5,空气导磁率,而,其中,如果a保持不变，则l为的单值函数，构成变气隙式自感传感器,若保持不变，使a随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器，,6,图3-1 电感式传感器,7,8,图3-2 变截面式传感器,9,图3-3 电感传感器特性,10,衔铁下移,3.1.2 变气隙式自感传感器的输出特性,11,忽略高次项：,12,衔铁上移,忽略高次项：,13,3.1.3 差动式自感传感器,在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。,14,差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈、和磁路组成, 测量时, 衔铁通过导杆与被测位移量相连, 当被测体上下移动时, 导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动, 使两个磁回路中磁阻发生大小相等, 方向相反的变化, 导致一个线圈的电感量增加, 另一个线圈的电感量减小, 形成差动形式。,15,图3-4是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。,图3-4 差动式自感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆,（a） 变气隙型,（b） 变面积型,（c） 螺管型,16,变气隙型差动式自感传感器,衔铁下移：,17,忽略高次项：,提高一倍,上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在工作范围内要比单个自感传感器的小得多。,18,差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点： 线性好； 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍； 温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小； 电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。,19,三种类型比较： 气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非线性严重，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，制造装配困难。 截面型自感传感器灵敏度较低，截面型的优点是具有较好的线性，因而测量范围可取大些。 螺管型自感传感器的灵敏度比截面型的更低，但示值范围大，线性也较好，得到广泛应用。,20,螺管式自感传感器,它由平均半径为r的螺管线圈、衔铁和磁性套筒等组成。随着衔铁插入深度的不同引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。,21,螺管式自感传感器,特点：测量范围大，数百毫米，灵敏度低，大量程直线位移。,差动螺管式自感传感器,测量范围 1 200mm 线性度 0.1% 1% 分辨率 0.01um,22,3.1.4 自感式传感器的等效电路,实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线圈的铜损电阻rc ；铁芯的涡流损耗电阻re ；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数c表示。,图3-6 等效电路,23,3.1.5 自感式传感器的测量电路,1. 电阻平衡臂交流电桥,图3-7 交流电桥,差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作臂（z1、z2为两个差动传感器线圈的复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻r1、r2代替。,设初始时 z1= z2= z = rs+jl；r1 = r2 = r； l1= l2= l0 。,24,对差动变气隙式自感传感器：,可见，电桥输出电压与有关，相位与衔铁移动方向有关。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。,25,75,50,25,0,50,75,100,l/mh,l/mm,100,25,ld,4,3,2,1,1,2,3,4,- l, l,1、2为两线圈的电感特性，3为两线圈差接时的电感特性，图线4为差接后电桥输出电压与位移间的特性曲线。说明：电桥输出电压的大小与衔铁的位移量有关，相位与衔铁的移动方向有关。若设衔铁向上移动为负，则u0为负；衔铁向下移动为正，则u0为正，相位差180。,26,2、变压器式交流电桥,27,图3-8 变压器交流电桥,电桥a点的电位为：,c点为正,d点为正,b点电位为,电桥两臂z1、z2为传感器线圈阻抗,28,初始位置,衔铁下移,或,29,衔铁上移,若线圈的q值很高，损耗电阻可忽略，则,由（3-18）式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大小相等，但极性相反。由于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向同样需要经过相敏检波电路的处理。,30,与电阻平衡臂电桥相比，具有元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性的优点，但因为变压器副边不接地，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。,31,3. 紧耦合电感臂交流电桥,图3-9 紧耦合电感臂电桥,紧耦合电感臂交流电桥以差动电感传感器的两个线圈作电桥工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。,32,3.2.1 互感式传感器的结构与工作原理 分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。,3.2 互感式传感器-差动变压器,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,33,(e)、(f) 变面积式差动变压器,(a)、(b) 变隙式差动变压器,(c)、(d) 螺线管式差动变压器,34,工作原理类似于变压器。主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。初、次级绕组的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的改变而变化。,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，且以差动方式输出，相当于变压器(区别)的副边。所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称为差动变压器。,35,螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。,图3-10 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,(a) 二节式 (b) 三节式 (c) 四节式 (d) 五节式,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。,36,差动变压器的等效电路,差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：,m1、m2初级绕组与两个次级绕组间的互感； lp、rp初级绕组的电感和有效电阻； ls1、ls2两个次级绕组的电感； rs1、rs2两个次级绕组的有效电阻；,37,当衔铁移向次级绕组ls1一边，互感m1增大，m2减小，因而次级绕组ls1内的感应电动势大于次级绕组ls2内的感应电动势，这时差动变压器输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。 当衔铁移向次级绕组ls2一边，差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。 因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。,38,当次级开路时，初级绕组的交流电流为：,次级绕组的感应电动势为：,由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为,39,其有效值为, 铁芯处于中间位置时，m1 = m2 = m，u0 = 0 铁芯上升时，m1= m +m，m2= m -m, 铁芯下降时，m1 = m -m，m2 = m +m,与u1同极性,与u2同极性,40,e21,e22,差动变压器输出电势与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。,图3-12 差动变压器输出特性,41,1、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，影响传感器原边阻抗，也影响输出。,3.2.2 差动变压器的输出特性,42,2、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。,43,3、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。,44,1 基波正交分量,(a)残余电压的波形,(b)波形分析,ui,uz,图中i为差动变压器初级的激励电压，uz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。,2 基波同相分量,3 二次谐波,4 三次谐波,5 电磁干扰,45,零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动势数值不等。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。,46,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。,47,1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。,消除零点残余电压方法：,48,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。,相敏检波后的输出特性,2选用合适的测量线路,49,3采用补偿线路,在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。,在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并联电阻r是为了利用r的分流作用，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。,50,串联电阻r可以调整次级线圈的电阻分量。,51,在次级绕组侧并联电位器w用于电气调零，改变两个次级线圈输出电压的相位。电容c可防止调整电位器时使零点移动。,接入补偿线圈l以避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残存电压。,52,3.2.3 差动变压器的测量电路,1. 差动整流电路,图3-14 全波差动整流电路,无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压u0始终等于r1、r2两个电阻上的电压差。,53,根据半导体二级管单向导通原理。 若传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性在e点为“”，f点为“”，则电流路径是eacdbf。反之，如e点为“”，f点为“”，则电流路径是fbcdae。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻r1上的电流总是从c到d 。同理，分析另一个次级线圈的输出情况可知：通过电阻r2上的电流总是从g到h 。 输出电压u0始终等于r1、r2两个电阻上的电压差。,54,铁芯在零位以上,铁芯在零位,铁芯在零位以下,图3-14 全波差动整流电路,结论： 铁芯在零位以上或零位以下时，输出电压的极性相反，零点残存电压自动抵消。,55,容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电压和同频，经过移相器使和保持同相或反相，且满足 。,2 二级管相敏检波电路,56,当衔铁在中间位置时，位移x（t）= 0，传感器输出电压=0,只有起作用。,57,正半周时,因为是从中心抽头，所以u1= u ，故i= i。流经rl的电流为 i= i4-i =,58,负半周时,同理可知 i= i，所以流经rl的电流为 i= i i =,59,正半周时,故i i，流经rl的电流为 i= i4 - i ,当衔铁在零位以上时，位移x（t） 0，与同频同相。,60,d2,负半周时,故i i，流经rl的电流为 i= i i ,i1,u1,u2,+,r,-,rl,r,d3,d1,d4,r,r,t1,t2,i2,-,+,e1,e2,+,-,+,-,61,正半周负半周,故i i。流经rl的电流为 i= i4-i ,当衔铁在零位以下时，位移x（t） 0，与同频反相。,62,同理:在负半周正半周时：,i i。流经rl的电流为 i= i i 表示i0的方向也与规定的正方向相反。,63,结论： 衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载rl上的输出电压始终为0 衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载rl上得到的输出电压始终为正。 衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载rl上得到的输出电压始终为负。 由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。,64,二级管相敏检波在u1、u2同相位时的波形,65,图3-17 相敏检波前后的输出特性曲线,（a）,经过相敏检波电路后，正位移输出正电压， 负位移输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图3-17的（a）变成（b），残存电压也得到消除。,（b）,66,电感式传感器的应用,1.差动变压器位移传感器,67,板的厚度测量,68,张力测量,69,力和压力的测量,70,振动和加速度的测量,71,液位测量,72,位移测量,73,3.3电涡流式传感器,电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广，它一问世就受到各国的重视。目前，这种传感器已广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。,74,一.工作原理,图3.25 电涡流式传感器的基本原理,75,如图3.25所示，有一通以交变电流的传感器线圈。由于电流的存在，线圈周围就产生一个交变磁场h1。若被测导体置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流，也将产生一个新磁场h2，h2与h1方向相反，力图削弱原磁场h1,从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中一个参数改变，余者皆不变，就能构成测量该参数的传感器。,76,图3.26 等效电路,为分析方便，我们将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流。这样，线圈与被测导体便等效为相互耦合的两个线圈，如图3.26所示。设线圈的电阻为r1，电感为l1，阻抗为z1=r1+jl1；短路环的电阻为r2，电感为l2；线圈与短路环之间的互感系数为m。,77,m随它们之间的距离x减小而增大。加在线圈两端的激励电压为u1。根据基尔霍夫定律，可列出电压平衡方程组,解之得,78,由此可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为,线圈的等效电感为,79,由式(3-39)可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数q下降。阻抗由z1变为z，常称其变化部分为“反射阻抗”。由式(3-39)可得,式中 无涡流影响时线圈的q值； 短路环的阻抗。,80,q值的下降是由于涡流损耗所引起，并与金属材料的导电性和距离x直接有关。当金属导体是磁性材料时，影响q值的还有磁滞损耗与磁性材料对等效电感的作用。在这种情况下，线圈与磁性材料所构成磁路的等效磁导率e的变化将影响l。当距离x减小时，由于e增大而使l1变大。,81,由前面讨论可知，线圈-金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系数平方的函数。而互感系数又是距离x的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，z=f1(x)、l=f2(x)、q=f3(x)都是非线性函数。但在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性函数来表示，于是在该范围内通过测量z、l或q的变化就可以线性地获得位移的变化。,82,传感器的结构,线圈 2.框架 3框架衬套4 支架 5电缆 6插头,83,二. 测量电路 根据电涡流式传感器的工作原理，其测量电路有三种：谐振电路、电桥电路与q值测试电路。这里主要介绍谐振电路。目前电涡流式传感器所用的谐振电路有三种类型：定频调幅式、变频调幅式与调频式。 1.定频调幅电路 图3.27为这种电路的原理框图。,84,图中l为传感器线圈电感，与电容c组成并联谐振回路，晶体振荡器提供高频激励信号。在无被测导体时，lc并联谐振回路调谐在与晶体振荡器频率一致的谐振状态，这时回路阻抗最大，回路压降最大(图3.28中之u0)。,图3.27 定频调幅电路框图,85,当传感器接近被测导体时，损耗功率增大，回路失谐，输出电压相应变小。这样，在一定范围内，输出电压幅值与间隙(位移)成近似线性关系。由于输出电压的频率f0始终恒定，因此称定频调幅式。,86,2.变频调幅电路,定频调幅电路虽然有很多优点，并获得广泛应用，但线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。因此，人们又研究了一种变频调幅电路，这种电路的基本原理是将传感器线圈直接接入电容三点式振荡回路。当导体接近传感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生变化，利用振荡幅度的变化来检测线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会。,87,变频调幅电路的谐振曲线如图3.29所示。,图3.29 变频调幅谐振曲线,88,无被测导体时，振荡回路的q值最高，振荡电压幅值最大，振荡频率为f0。当有金属导体接近线圈时，涡流效应使回路q值降低，谐振曲线变钝，振荡幅度降低，振荡频率也发生变化。当被测导体为软磁材料时，由于磁效应的作用，谐振频率降低，曲线左移；被测导体为非软磁材料时，谐振频率升高，曲线右移。所不同的是，振荡器输出电压不是各谐振曲线与f0的交点，而是各谐振曲线峰点的连线。,89,这种电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点，因此监控等场合常采用它。必须指出，该电路用于被测导体为软磁材料时，虽由于磁效应的作用使灵敏度有所下降，但磁效应时对涡流效应的作用相当于在振荡器中加入负反馈，因而能获得很宽的线性范围。所以如果配用涡流板进行测量，应选用软磁材料。,90,3.调频电路 调频电路与变频调幅电路一样，将传感器线圈接入电容三点式振荡回路，所不同的是，以振荡频率的变化作为输出信号。如欲以电压作为输出信号，则应后接鉴频器。 这种电路的关键是提高振荡器的频率稳定度。通常可以从环境温度变化、电缆电容变化及负载影响三方面考虑。 提高谐振回路元件本身的稳定性也是提高频率稳定度的一个措施。为此，传感器线圈l可采用热绕工艺绕制在低膨胀系数材料的骨架上，并配以高稳定的云母电容或具有适当负温度系数的电容(进行温度补偿)作为谐振电容c。此外，提高传感器探头的灵敏度也能提高仪器的相对稳定性。,91,低频透射式涡流传感器,透射式涡流传感器原理 线圈感应电势与厚度关系曲线,测厚的依据: e的大小间接反映了m的厚度t,92,当选用不同的测试频率时，渗透深度q渗的值是不同的， 从而使et曲线的形状发生变化。,在t较小的情况下，q小曲线的斜率大于q大曲线的斜率 而在t较大的情况下，q大曲线的斜率大于q小曲线的斜率。 测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低的频率。,93,涡流式传感器的应用,94,1位移测量,(a) 汽轮机主轴的轴向位移测量示意图 (b) 磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图 (c) 金属试件的热膨胀系数测量示意图,95,2 振幅测量,(a)汽轮机和空气压缩机用监控主轴的径向振动的示意图 (b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图 (c) 通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近,96,97,3厚度测量,电涡流式厚度计的测量原理图,98,4转速测量,f频率值(hz)； n旋转体的槽(齿)数； n被测轴的转速(rmin)。,99,100,5. 涡流探伤,可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。 综合参数(x, , )的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。 在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号,101,a)比较浅的裂缝信号 b)经过幅值甄别后的信号,在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。 为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过，而将干扰频率信号衰减。,用涡流探伤时的测量信号,102,电涡流传感器测温度，由于测量范围宽、反应速度快、可实现非接触测量，常用于在线检测。,图3.32 测温用涡流式传感器,1-补偿线圈；2-管架；3-测量线圈；4-隔热衬垫；5-温度敏感元件,103,6.温度测量, 在较小的温度范围内，导体的电阻率与温度的关系为 式中 1、0分别为温度t1与t0时的电阻率； a在给定温度范围内的电阻温度系数。 若保持电涡流式传感器的机、电、磁各参数不变，使传感器的输出只随被测导体电阻率而变，就可测得温度的变化。上述原理可用来测量液体、气体介质温度或金属材料的表面温度，适合于低温到常温的测量。,104,优点是： (1)不受金属表面涂料、油、水等介质的影响； (2)可实现非接触测量； (3)反应快。 目前已制成热惯性时间常数仅1ms的电涡流温度计。 除上述应用外，电涡流式传感器还可利用磁导率与硬度有关的特性实现非接触式硬度连续测量等。,105,一、压磁效应 铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短，这种现象称为磁致伸缩效应。材料随磁场强度的增加而伸长或缩短不是无限制的，最终会达到饱和。 各种材料的饱和伸缩比是定值，称为磁致伸缩系数，用s表示，即,压磁式传感器,(3-43),式中 伸缩比。,106,在一定的磁场范围内，一