传感器原理13电感式传感器.pdf

1 31 3电感式传感器电感式传感器 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 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 大类 3 1 1自感式电感传感器自感式电感传感器 自感式电感传感器可分为变间隙型 变面积型和螺管型三自感式电感传感器可分为变间隙型 变面积型和螺管型三 种类型 种类型 a 气隙型 b 截面型 c 螺管型 自感式传感器原理图自感式传感器原理图 xLU I 位移 流量 振动 自感 原理 原理 结构形式 结构形式 变间隙式 变面积式和螺管式 变间隙式 变面积式和螺管式 22 0 2 m NAN L R L A L f A L f 电感传感器特性 由公式可以看出由公式可以看出 空气隙空气隙 厚度厚度 与线圈自感与线圈自感L是非线性是非线性 关系关系 磁通面积磁通面积A与与L是线性是线性 关系关系 见曲线图见曲线图 线圈自感量为 线圈自感量为 N 电感线圈的匝数 电感线圈的匝数 0 空气的磁导率 空气的磁导率 空气隙厚度 空气隙厚度 A 和面积 和面积 一一 变间隙型电感传感器变间隙型电感传感器 变间隙型电感传感器的结构示意图如图所示变间隙型电感传感器的结构示意图如图所示 传感器由线传感器由线 圈圈 铁心和衔铁组成铁心和衔铁组成 工作时衔铁与被测物体连接工作时衔铁与被测物体连接 被测物被测物 体的位移将引起空气隙的长度发生变化体的位移将引起空气隙的长度发生变化 由于气隙磁阻的变由于气隙磁阻的变 化化 导致了线圈电感量的变化导致了线圈电感量的变化 线圈线圈 铁心铁心 衔铁衔铁 由变气隙型电感传感器可知由变气隙型电感传感器可知 气气 隙长度不变隙长度不变 铁心与衔铁之间相对铁心与衔铁之间相对 而言覆盖面积随被测量的变化面改而言覆盖面积随被测量的变化面改 变变 从而导致线圈的电感量发生变从而导致线圈的电感量发生变 化化 这种形式称之为变面积型电感这种形式称之为变面积型电感 传感器传感器 其结构示意图见图其结构示意图见图 通过对公式式分析可知通过对公式式分析可知 线圈电线圈电 感量感量L L与气隙厚度是非线性的与气隙厚度是非线性的 但与但与 磁通截面积磁通截面积A A却是成正比却是成正比 是一种线是一种线 性关系性关系 二二 变面积型电感传感器变面积型电感传感器 1 2 3 变面积型电感传感器 1 衔铁 2 铁芯 3 线圈 三三 螺管型电感式传感器螺管型电感式传感器 图为螺管型电感式传感器的结构图图为螺管型电感式传感器的结构图 螺管型电感传感器的螺管型电感传感器的 衔铁随被测对象移动衔铁随被测对象移动 线圈磁力线路径上的磁阻发生变化线圈磁力线路径上的磁阻发生变化 线圈电感量也因此而变化线圈电感量也因此而变化 线圈电感量的大小与衔铁插入线线圈电感量的大小与衔铁插入线 圈的深度有关圈的深度有关 螺管式电感传感器螺管式电感传感器 建立在磁路磁阻随着建立在磁路磁阻随着 衔铁插入深度不同而衔铁插入深度不同而 变化的基础上 变化的基础上 m xRL x l 2rc r 活动铁芯活动铁芯 线圈线圈 L x 关系式 关系式 2 0 2 1 1 c r rx L xL rl 通过以上三种形式的电感式传感器的分析通过以上三种形式的电感式传感器的分析 可以得出以下可以得出以下 几点结论几点结论 I 变间隙型灵敏度较高变间隙型灵敏度较高 但非线性误差较大但非线性误差较大 且制作装配比且制作装配比 较困难较困难 II 变面积型灵敏度较前者小变面积型灵敏度较前者小 但线性较好但线性较好 量程较大量程较大 使用比使用比 较广泛较广泛 III 螺管型灵敏度较低螺管型灵敏度较低 但量程大且结构简单易于制作和批但量程大且结构简单易于制作和批 量生产量生产 是使用最广泛的一种电感式传感器是使用最广泛的一种电感式传感器 四四 差动式电感传感器差动式电感传感器 在实际使用中在实际使用中 常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁 构构 成差动式电感传感器成差动式电感传感器 这样可以提高传感器的灵敏度这样可以提高传感器的灵敏度 减小测量减小测量 误差误差 图是变间隙型图是变间隙型 变面积型及螺管型三种类型的差动式电变面积型及螺管型三种类型的差动式电 感传感器感传感器 l2 3 4 a l 23 4 l 3 4 差动式电感传感器 a 变间隙型 b 变面积型 c 螺管型 1 线圈 2 铁芯 3 衔铁 4 导杆 b c 差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料 完全相同完全相同 两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同 差动式结构除了可以改善线性 提高灵敏度外 对温度变化 差动式结构除了可以改善线性 提高灵敏度外 对温度变化 电源频率变化等影响 也可以进行补偿 从而减少了外界影响电源频率变化等影响 也可以进行补偿 从而减少了外界影响 造成的误差 造成的误差 五 测量电路五 测量电路 交流电桥是电感式传感器的主要测量电路交流电桥是电感式传感器的主要测量电路 它的作用是将线它的作用是将线 圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度 改善线性 所以交前面已提到差动式结构可以提高灵敏度 改善线性 所以交 流电桥也多采用双臂工作形式 通常将传感器作为电桥的两个流电桥也多采用双臂工作形式 通常将传感器作为电桥的两个 工作臂 电桥的平衡臂可以是纯电阻 也可以是变压器的二次工作臂 电桥的平衡臂可以是纯电阻 也可以是变压器的二次 侧绕组或紧耦合电感线圈 图是交流电桥的几种常用形式 侧绕组或紧耦合电感线圈 图是交流电桥的几种常用形式 交流电桥的几种形式 a 电阻平衡臂电桥 U U 2 U 2 Z1 Z2 Uo b 变压器式电桥 LL U c 紧偶合电感臂电桥 Uo Z2Z1 Rx Lx R2 L2 R4 R3 RLUo U 1 电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥 电阻平衡臂电桥如图所示电阻平衡臂电桥如图所示 Z Z1 Z Z2为传感器阻抗为传感器阻抗 在电桥平衡时 在电桥平衡时 33 22 44 XX RR RRLL RR 12 RRR 在进行差动形式测量时 在进行差动形式测量时 静态情况下 静态情况下 工作时 工作时 2 X ZZZZZZ Rx Lx R2 L2 R4 R3 RLUo U 电阻平衡臂电桥 2XX ZZRj L 当当 时 输出电压可近似为 时 输出电压可近似为 X LR 0 2 UL U L 由上式可以看出 交流电桥的输出电压与传感器线圈电感由上式可以看出 交流电桥的输出电压与传感器线圈电感 的相对变化量是成正比的 的相对变化量是成正比的 2 2 变压器式电桥变压器式电桥 U U 2 U 2 Z1 Z2 Uo 变压器式电桥 变压器式电桥如图所示变压器式电桥如图所示 它的平衡它的平衡 臂为变压器的两个二次侧绕组臂为变压器的两个二次侧绕组 由于由于 是双臂工作形式当衔铁下移时是双臂工作形式当衔铁下移时 Z1 Z Z Z2 Z Z 则有 则有 0 2 UZ U Z 同理 当衔铁上移时 则有 同理 当衔铁上移时 则有 0 2 UZ U Z 可见 输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化 由于是交流可见 输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化 由于是交流 信号 还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向 信号 还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向 1 3 2互感式传感器 互感式传感器 差动变压器 差动变压器 一 工作原理分析一 工作原理分析 差动变压器的工作原理类似变压器差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理 这种类型的的作用原理 这种类型的 传感器主要包括有衔铁 一次绕组和二次绕组等 一 二次绕传感器主要包括有衔铁 一次绕组和二次绕组等 一 二次绕 组间的耦合能随衔铁的移动而变化 即绕组间的互感随被测位组间的耦合能随衔铁的移动而变化 即绕组间的互感随被测位 移改变而变化 由于在使用时采用两个二次绕组反向串接 以移改变而变化 由于在使用时采用两个二次绕组反向串接 以 差动方式输出 所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感差动方式输出 所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感 器 通常简称差动变压器 图为差动变压器的结构示意图 器 通常简称差动变压器 图为差动变压器的结构示意图 4 3 2 1 差动变压器的结构示意图 1 一次绕组 2 3 二次绕组 4 衔铁 差动变压器工作在理想情况下 忽略涡流损耗 磁滞损耗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 它的等效电路如下图所示 图中和分布电容等影响 它的等效电路如下图所示 图中U1为为 一次绕组激励电压 一次绕组激励电压 M1 M2分别为一次绕组与两个二次绕分别为一次绕组与两个二次绕 组间的互感 组间的互感 L1 R1分别为一次绕组的电感和有效电阻 分别为一次绕组的电感和有效电阻 L21 L22分别为两个二次绕组的电感 分别为两个二次绕组的电感 R21 R22分别为两个分别为两个 二次绕组的有交电阻 二次绕组的有交电阻 差动变压器的等效电路 M1 M2 R1 L1 L21 L22 R21 R22 U22 U21 U1 U2 对于差动变压器 对于差动变压器 当衔铁处于中间位置时当衔铁处于中间位置时 两个二次绕组 两个二次绕组 互相同 因而由一次侧激励引起的感应电动势相同 由于两互相同 因而由一次侧激励引起的感应电动势相同 由于两 个二次绕组反向串接 所以个二次绕组反向串接 所以差动输出电动势为零差动输出电动势为零 当衔铁移向二次绕组当衔铁移向二次绕组L21一边一边 这时互感 这时互感M1大 大 M2小 因小 因 而二次绕组而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势 内感应电动势 这这时差动输出电动势不为零时差动输出电动势不为零 在传感器的是量程内 在传感器的是量程内 衔动移衔动移 越大 差动输出电动势就越大越大 差动输出电动势就越大 同样道理 当衔铁向二次绕组同样道理 当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动一边移动差动输出电动 势仍不为零 但由于移动方向改变 所以输出电动势反相 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位移量的大小和方向 1 1 11 U I Rj L 112122 12 Uj M IUj M I 由上图可以看出一次绕组的电流 由上图可以看出一次绕组的电流 二次绕组的感应动势为 二次绕组的感应动势为 12211211m MNINNR 22 221212m MNINN R N1 N2分别为初级线圈和次级线圈匝数 分别为初级线圈和次级线圈匝数 12 221221 11 jMM UUUU Rj L 由于二次绕组反向串接 所以输出总电动势为 由于二次绕组反向串接 所以输出总电动势为 12 21 22 11 MM UU RL 其幅其幅值为 值为 二 输出特性二 输出特性 差动变压器的输出特性曲线如图所示差动变压器的输出特性曲线如图所示 图中图中U21 U22分别为两分别为两 个二次绕组的输出感应电动势 个二次绕组的输出感应电动势 U2 为差动输出电动势为差动输出电动势X为衔铁为衔铁 偏离中心位置的距离 其中偏离中心位置的距离 其中U2的实线为理想的输出特性的实线为理想的输出特性 而 而虚虚 线部分为实际的输出特性线部分为实际的输出特性 U0为零点残余电动势 这是由于差为零点残余电动势 这是由于差 动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所赞成的 动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所赞成的 零点残余电动势的存在 使得传感器的输出特性在零点附近零点残余电动势的存在 使得传感器的输出特性在零点附近 不灵敏 给测量带来误差 此值的大小是衡量差动变压器性能不灵敏 给测量带来误差 此值的大小是衡量差动变压器性能 好坏的重要指标 好坏的重要指标 2U 21U 22U 2U 0U 0 X 三 测量电路三 测量电路 差动整流电路差动整流电路 根据半导体二级管单向导根据半导体二级管单向导 通原理进行解调的通原理进行解调的 如传感如传感 器的一个次级线圈的输出瞬器的一个次级线圈的输出瞬 时电压极性时电压极性 在在f点为点为 e点为点为 则电流路径是则电流路径是 fgdche 见图见图 反之反之 如如f点点 为为 e点为点为