哈工大唐文彦版传感器课件-第03章 电感式传感器.ppt

,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。,电感传感器的主要特征是具有电感绕组。,3.1工作原理,1.变间隙型,结构示意图如右图所示,原理分析,工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。,3.1.1自感式传感器,根据对电感的定义，线圈中电感量可由下式确定：,（4-1）,式中：线圈总磁链；I通过线圈的电流；W线圈的匝数；穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得,（4-2）,Rm为磁路总磁阻。,线圈的电感可用下式表示：,式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。,对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；A为截面积；1为铁心磁导率；2为衔铁磁导率；0为空气磁导率；为空气隙厚度。因此有：一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为,灵敏度由公式可知L与之间是非线性关系。设电感传感器初始气隙为0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为，当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,（3-7）,当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0-，则此时输出电感为L=L0+L，代入式（4-6）式并整理，得,（3-8）,（4-9）,(当/01时，可将上式用台劳级数展开成如下的级数形式：,由上式可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即,(3-10),(3-11),同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有,（3-12）,（3-13）,对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得,（3-14）,灵敏度为,由此可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。,（3-15）,图4-3差动变隙式电感传感器,2.变面积型,气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图见下图。,通过对式的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积A却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图4.1.3。,3.螺管型,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。,把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。,差动变压器结构形式较多，有,3.1.2互感式传感器,螺线管式,变面积式,变隙式,在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。,1.工作原理假设闭磁路变隙式差动变压器的结构如图4-11（a）所示，在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反相串联。,当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有a0=b0=0，则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压Uo=e2a-e2b=0。,2.输出特性在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下，图4-11（a）的等效电路可用图4-12表示。图中r1a与L1a,r1b与L1b,r2a与L2a,r2b与L2b，分别为W1a,W1b,W2a,W2b绕阻的直流电阻与电感。,图4-12变隙式差动变压器等效电路,次级开路,图4-13变隙式差动变压器输出特性,综合以上分析，可得到如下结论：首先，供电电源Ui要稳定，以便使传感器具有稳定的输出特性；其次，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。,增加W2/W1的比值和减小0都能使灵敏度K值提高。然而，W2/W1的比值与变压器的体积及零点残余电压有关，不论从灵敏度考虑，还是从忽略边缘磁通考虑，均要求变隙式差动变压器的0愈小愈好。为兼顾测量范围的需要，一般选择传感器的0为0.5mm。,以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容等条件下得到的，如果考虑这些影响，将会使传感器性能变差（灵敏度降低，非线性加大等）。但是，在一般工程应用中是可以忽略的。以上结果是在假定工艺上严格对称的前提下得到的，而实际上很难做到这一点，因此传感器实际输出特性如图4-13中曲线2所示，存在零点残余电压Uo。进行上述推导的另一个条件是变压器副边开路，对由电子线路构成的测量电路来讲，这个要求很容易满足，但如果直接配接低输入阻抗电路，就必须考虑变压器副边电流对输出特性的影响。,3.2转换电路(自感式）,被测量,x,L(M),转换电路及信号调节,电量,传感器,调幅式转换电路形式：1、交流电桥：（电阻式传感器）,电桥平衡条件：Z1Z4=Z2Z31+4=2+3,输出电压：,输出空载电压：,设初始平衡状态（理想情况磁芯在中间位置），Z1=Z2=Z，u0=0，当磁芯偏离中间位置时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，有：,2、变压器电桥：（右图所示）,当磁芯反向偏离时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，有：,阻抗Z的变化取决于损耗电阻变化R及感抗变化L两部分。,此时，输出电压可写成下式，Q为品质因数,当品质因数很大，R/R可以忽略时：,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，其振荡频率，当L变化时，振荡频率随之变化，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。,调频式转换电路形式：,3.3零点残余电压,衔铁位移x与电桥输出电压Uo有效值的关系曲线，如右图所示。虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压，并用e0表示。,零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。,产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称,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。,3.4应用举例,图4-9变隙电感式压力传感器结构图,“当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。”,图4-10为变隙式差动电感压力传感器。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。,图4-10变隙式差动电感压力传感器,“当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。”,差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。图4-21为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。它由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。,图4-21差动变压器式加速度传感器原理图,旁向式差动电感式传感器,总行程：1.5mm测量力：0.40.7N示值变动性：0.2m,轴向式差动电感式传感器,总行程：3mm测量力：0.450.65N示值变动性：0.03m,总行程：1.5mm测量力：0.120.18N示值变动性：0.05m,特点：不仅可以测量微米级直径，而且通过其在孔内旋转和平移可以测量其椭圆度和圆柱度被测孔内径范围:25120mm测量力：1.30.3N示值变动性：1m,特点：不仅可以测量微米级直径，还可以测量轴的椭圆度和圆柱度被测轴直径范围:25120mm测量力：41.5N示值变动性：1m,电子卡规、塞规,轴向式差动变压器式传感器,总行程：100mm线性度：0.15%,总行程：27mm测量力：0.91.2N示值变动性：0.5m,3.5电涡流式传感器,涡流效应：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。,3.5.1工作原理,应用实例,电磁炉作为厨具市场的一种新型灶具。它打破了传统的明火烹调方式采用磁场感应电流（又称为涡流）的加热原理，电磁炉是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能（故：电磁炉煮食的热源来自于锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅具，所以热效率要比所有炊具的效率均高出近1倍）使器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。,具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪任务。因此，在电磁炉较普及的一些国家里，人们誉之为烹饪之神和绿色炉具。,如下图a所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图b的等效电路。,a)电涡流传感器原理图b)电涡流传感器等效电路图,式中：线圈激磁电流角频率；R1、L1线圈电阻和电感；L2短路环等效电感；R2短路环等效电阻；M互感系数。,根据等效电路可列出电路方程组：通过解方程组，可得I1、I2。因此传感器线圈的复阴抗为：,等效电阻和等效感抗,由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关，还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率f有关，同时还与线圈与导体间的距离x有关。因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为,Z=F(,r,f,x),(4-40),式中,r为线圈与被测体的尺寸因子。如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。,基本特性,图4-23电涡流式传感器简化模型,（补充）,模型中，把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中h（电涡流的贯穿深度）可由下式求得：,式中,f为线圈激磁电流的频率。,1.电涡流的径向形成范围线圈导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。当x一定时，电涡流密度J与半径r的关系曲线如图4-25所示（图中J0为金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值。Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度）。由图可知：电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。,电涡流密度在ri=0处为零。电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。可以用一个平均半径为的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。,图4-25电涡流密度J与半径r的关系曲线,2.电涡流强度与距离的关系理论分析和实验都已证明，当x改变时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度为,(4-46),式中：I1线圈激励电流；I2金属导体中等效电流；x线圈到金属导体表面距离；ras线圈外径。,图4-26电涡流强度与距离归一化曲线,以上分析表明：电涡流强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。,3.电涡流的轴向贯穿深度所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度。由于金属导体的趋肤效应，电磁场不能穿过导体的无限厚度，仅作用于表面薄层和一定的径向范围内，并且导体中产生的电涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。其按指数衰减分布规律可用下式表示：,(4-47),式中：d金属导体中某一点与表面的距离；Jd沿H1轴向d处的电涡流密度；J0金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值；h电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。图4-27所示为电涡流密度轴向分布曲线。由图可见，电涡流密度主要分布在表面附近。由前面分析所得的式（4-41）可知，被测体电阻率愈大，相对导磁率愈小，以及传感器线圈的激磁电流频率愈低，则电涡流贯穿深度h愈大。故透射式电涡流传感器一般都采用低频激励。,图4-27电涡流密度轴向分布曲线,趋肤效应,交流电通过导体时,各部分的电流密度不均匀,导体内部电流密度小,导体表面电流密度大,这种现象称为趋肤效应.产生趋肤效应的原因是由于感抗的作用,导体内部比表面具有更大的电感L,因此对交流电的阻碍作用大,使得电流密集于导体表面.趋肤效应使得导体的有效横截面减小,因而导体对交流电的有效电阻比对直流电的电阻大.交流电的频率越高,趋肤效应越显著,频率高到一定程度,可以认为电流完全从导体表面流过.因此在高频交流电路中,必须考虑趋肤效应的影响,例如收音机磁性天线上的线圈用多股互相绝缘的导线绕制,电视室外天线不用金属棒而用直径较粗的金属管制作,都是为了增加导体的表面积,克服趋肤效应带来的不利影响的实例.,3.5.2转换电路,（一）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。,（二）谐振电路法,调幅法,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4-29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,（4-48）,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。,调频法,图4-28调频式测量电路(a)测量电路框图；(b)振荡电路,传感器线圈接入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4-28(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,为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内。此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3上，因而对振荡频率f的影响将大大减小。,（三）正反馈法,正