第3章变磁阻式传感器.ppt

1 第三章变磁阻式传感器 电感式传感器 2 第一节电阻应变计的工作原理与结构第二节电阻应变片的类型和材料第三节电阻应变计的主要特性第四节电阻应变计的测量电路 转换电路 第五节电阻应变计的温度误差及补偿第六节电阻应变计的应用 简要回顾第二章的主要内容 3 第一节传感器线圈的电气参数分析第二节自感式传感器第三节互感式传感器 差动变压器 第四节电涡流式传感器 本章主要内容 4 教学目的 通过本章教学 使学生掌握自感式传感器和差动变压器式传感器工作原理 测量电路 或称转换电路 主要误差及补偿方法 掌握电涡流式传感器工作原理 重点 自感式传感器和差动变压器式传感器的工作原理 测量电路以及应用 零点残余电压及其补偿 电涡流式传感器工作原理 难点 传感器线圈的电气参数分析 自感式传感器等效电路及测量电路 差动变压器式传感器测量电路 5 几种电感式传感器 6 工作基础 电磁感应工作原理 被测的物理量 如位移 压力 流量等 电磁感应 线圈的自感系数L线圈的互感系数M 测量电路 电压或电流电信号 7 思考题 1 电感式传感器分哪几类 各有何特点 2 简述变气隙型自感传感器的工作原理 3 简述差动变压器式传感器的工作原理 4 说明差动变压器零点残余电压产生的原因 并指出消除残余电压的方法 8 新课 第二节自感式传感器 第一节传感器线圈的电气参数分析 一 工作原理 二 结构形式 三 测量电路 四 误差分析 五 应用 一 线圈电感L 二 铜损电阻Rc 三 涡流损耗电阻Re 五 并联寄生电容C 四 磁滞损耗电阻Rh 9 传感器线圈的等效电路L 电感 Rc 铜耗电阻 Re 铁心涡流损耗电阻 Rh 磁滞损耗电阻 C 寄生电容 变气隙式自感传感器图 Rc Re Rh 第一节传感器线圈的电气参数分析 10 1 线圈的电感 匝数为W 磁阻为Rm的线圈电感为 由等效磁导率表示的电感 真空磁导率 4 10 7 H m e 等效磁导率 S 磁通截面积 l 磁路长度 线圈具有闭合磁路时 线圈磁路具有小气隙时 磁路欧姆定律 推出 11 线圈的品质因数 线圈的耗散因数 式中Ce与铁心线圈参数有关的系数 这个式子的意义在于 表达线圈的耗散与频率的关系 随着频率的升高 耗散因数下降 铁心线圈的参数会影响耗散系数 2 铜损电阻Rc 趋肤效应 集肤效应 与邻近效应 12 3 涡流损耗电阻Re涡流损耗的平均功率为线圈的品质因数涡流损耗引起的耗散因数 13 4 磁滞损耗电阻Rh传感器通常工作在小激励电流与弱磁场状态 磁滞损耗功率可按下式计算 磁滞耗散因数在弱磁场的情况下 Dh与Dc De相比很小 计算时可忽略 14 5 总耗散因数D与品质因数Q 线圈的总耗散因数为 在弱磁场情况下 Ch和Cc Ce相比常可忽略 15 6 并联寄生电容C的影响 主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成 16 当考虑实际存在并联电容C时 阻抗为 式中 总的损耗电阻 式中 品质因数 17 当时 可以忽略 则可简化为 有效Q值为 电感的相对变化 18 由上可知 并联电容C的存在 使有效串联损耗电阻与有效电感均增加 有效Q值下降并引起电感的相对变化增加 即灵敏度提高 故 从原理来讲 按规定电缆校正好的仪器 如更换了电缆 则应重新校正或采用并联电容加以调整 19 自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈 按磁路几何参数变化形式的不同 目前常用的自感式传感器有变气隙式 变面积式与螺管式三种 1 变气隙式自感式传感器 第二节自感式传感器 一 工作原理与输出特性 20 原理 气隙很小时 可认为气隙中的磁场是均匀的 可以忽略磁路磁损 则 21 由上式可知 当线圈匝数为W 空气隙截面积一定时 随着空气隙的变化 线圈电感L发生相应变化 这就是变气隙式传感器的工作原理 整个磁路中 铁芯和衔铁是由导磁材料制成 导磁率很高 1 2远大于 0 22 若精确分析传感器的特性 则利用前述等效磁导率的概念 可得 同时 可得 式中ur为铁心和衔铁的相对磁导率 通常ur 1 故 23 由此可得带气隙铁心线圈的电感为 对上式进行微分可得传感器的灵敏度为 由上可知 变气隙式传感器的输出特性是非线性的 负号表示灵敏度随气隙增加而减少 欲增大灵敏度 应减少l 但受到工艺和结构的限制 24 2 变面积式自感式传感器 25 气隙长度 保持不变 令磁通截面积随被测非电量而变 此时 微分得灵敏度为 结论 在忽略气隙磁通边缘效应的条件下 输出特性呈线性 故可望得到较大的线性范围 其灵敏度较低 欲提高灵敏度 需减小 但同时受到工艺和结构限制 26 3 螺管式自感式传感器 随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 27 可认为在衔铁移动的一定范围内主磁通近似不变 此时衔铁位移仅引起侧电感Ls变化 则传感器灵敏度 28 与前两种传感器相比 A 由于空气隙大 磁路磁阻大 故灵敏度较前低 若提高灵敏度 可提高ra r与la l 增加匝数 前者受结构与非线性限制 后者受稳定性限制 B 从磁通分布看 只要满足主磁通不变与线圈绕组排列均匀的条件 可望得到较大的线性范围 29 4 差动式自感传感器 30 对变气隙差动式 若衔铁上移 上气隙减小 下气隙增大 时 上线圈1的电感相对变化为 两线圈差动连接时 灵敏度为 31 差动式自感传感器的输出特性 32 1 输出端对称电桥 图a 电源电势为E 于是 设工作时 二 测量电路 电桥电路 33 输出电压幅值和阻抗分别为 经变换和整理后可写成 通常由于 因此要求线圈有较高的Q值 这时 34 若以变压器两个次级作为电桥平衡臂 图b 由于变压器次级的阻抗通常远小于电感线圈的阻抗 常可忽略 则输出阻抗为 35 2 电源端对称电桥 其中 36 三 自感式传感器的误差 1 输出特性的非线性 减小非线性常用的方法是采用差动结构和限制测量范围 如变气隙式常取 1 5 1 10 气隙长度 螺管式取 1 3 1 10 线圈长度 37 对于差动式则应保证其对称性 合理选择衔铁长度和线圈匝数 最佳的长度和匝数一般用实验方法获得 38 另一种有效的方法是采用阶梯形线圈 阶梯形线圈 39 2 零位误差 所谓零位误差 就是输入为零时 输出不为零 有残余电压输出 差动电感传感器 零位电压如图中Uz就是零点输出误差信号的电压值 称为零点残余电压 40 产生基波分量的主要原因 传感器两线圈的电气参数和几何尺寸的不对称 以及构成电桥另外两臂的电气参数不一致 零位电压的组成十分复杂 如图b 包含 基波和高次谐波 造成高次谐波分量的主要原因 磁性材料磁化曲线的非线性 此外 激励信号中包含的高次谐波及外界电磁场的干扰 也会产生高次谐波 41 3 温度误差 采用差动电桥电路补偿法 采用稳压稳频措施 工作点一定要选在磁化曲线的线性段 采用电感线圈严格对称的差动电桥 4 电源电压和频率波动造成的误差 42 四 自感式传感器的应用 参见教材P84 43 当堂练习 变气隙型自感传感器 衔铁断面积S 4 4mm2 气隙总长度 0 8mm 衔铁最大位移 0 08mm 激磁线圈匝数N 2500匝 导线直径d 0 06mm 电阻率 1 75 10 6 cm 当激磁电源频率f 4000Hz时 忽略漏磁及铁损 要求计算 1 线圈电感值 2 电感的最大变化量 3 当线圈外断面积为11 11mm2时的直流电阻值 4 线圈的品质因数 5 当线圈存在200pF分布电容与之并联后 其等效电感值变化多大 44 参考答案 1 0 157H 2 已知衔铁的最大位移 0 08mm 所以 0 039H 3 已知平均匝长lav 11 4mm 所以线圈直流电阻 铜陨电阻 681欧 4 线圈的品质因数 45 参考答案 4 等效阻抗等效电感等效电感值变化 46 一 传感器线圈的电气参数分析 复习 1 工作原理 2 结构形式 3 测量电路 4 误差分析 二 自感式传感器 5 应用 47 第三节互感式传感器 差动变压器 新课 一 工作原理 二 结构形式 三 测量电路 四 误差分析 第四节 电涡流式传感器 五 应用 一 工作原理 二 结构形式 三 测量电路 四 误差分析 五 应用 48 互感的有关知识1 互感的概念2 互感电动势的计算3 互感的物理意义 第三节互感式传感器 差动变压器 49 互感式传感器的基本原理 互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器 或者说 互感式传感器可以将被测量的变化转换为线圈间互感的变化 50 互感式传感器的工作原理类似于变压器 变压器的工作原理按法拉弟定理 感生电动势为 为什么互感式传感器又称为差动变压器 互感式传感器与变压器区别 51 差动变压器结构原理图 一 工作原理 当衔铁在中间位置时 U0 0 当衔铁移动时 U0就随衔铁位移x的变大而增加 即通过检测U0的变化可以判断出衔铁位移的变化 52 根据变压器原理 传感器开路输出电压为两次级线圈感应电势之差 差动变压器的等效电路如图 53 在负载开路情况下 输出电压及有效值分别为 输出阻抗 ES0 衔铁在中间位置时 单个次级线圈的感应电势 54 差动变压器有变气隙式 变面积式与螺管式三种类型 1 变气隙式 优点 灵敏度较高 一般用于测量几微米到几百微米的位移 缺点 示值范围小 非线性严重 二 结构形式及特性 55 2 变面积式可做成改变导磁面积的变面积式 如微动同步器 用于测量直线的极少 常用来测量角位移 输出电压为 微动同步器 内电路图 k 微动同步器的灵敏度 转子的转角 56 3 螺管式 主要结构由三部分组成 线圈绕组 可移动衔铁和导磁外壳 螺管型差动变压器及其等效电路 当衔铁偏离中间位置时 得空载差动输出电势 x 57 三 测量电路 一般采用反串电路和差动整流电路两种 反串电路是直接把两个二次线圈反向串接 如图 这种情况下空载输出电压等于二个次级线圈感应电动势之差 即 二次线圈反串电路 58 差动整流电路是把两个次级电压分别整流后 以它们的差为输出端 这样 次级电压的相位和零点残余电压都不必考虑 参见教材P83图3 27 59 1 零位误差的概念零位移时差动变压器输出的电压称为零位误差 四 误差分析 零位误差 60 产生基波分量的主要原因 传感器两线圈的电气参数和几何尺寸的不对称 以及构成电桥另外两臂的电气参数不一致 2 零位电压的组成及产生原因 造成高次谐波分量的主要原因 磁性材料磁化曲线的非线性 包含 基波和高次谐波 61 采用补偿电路 其原理为 1 串联电阻减小基波零位电压 2 并联电阻 电容减小高次谐波零位电压 3 加反馈支路减小基波和高次谐波分量 3 零位误差的消除 A 从结构和工艺上尽量保证结构的对称性B 选用合适的测量线路 相敏检波电路C 采用补偿电路 62 差动变压器零位电压补偿电路 63 五 差动变压器的应用 1 位移与尺寸测量 教材P85图3 31 常用来测量零点几至几百毫米的位移 分辨力可高达 2 力和力矩测量 与弹性元件相结合还可用来测量力和力矩 3 振动测量 教材P86图3 34 与机械二阶系统相结合 还可来测量振动 64 第四节电涡流式传感器 一 工作原理 电涡流式传感器的基本原理 1 高频反射式电涡流传感器 涡流 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 称涡流 形成涡流必须具备的条件 存在交变磁场 导电体处于交变磁场中 65 66 将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流 则线圈与被测导体便等效为相互耦合的两个线圈 如图 等效电路根据基尔霍夫定律 可列出电压平衡方程组 67 解得 线圈受金属导体影响后的等效阻抗为 即 68 线圈的等效电阻为 线圈的等效电感为 线圈的品质因数Q为 Q值的下降是由于涡流损耗所引起的 并与金属材料的导电性和距离x有关 69 构成电涡流式位移传感器时 都是非线性函数 实际使用时 为了获得线性输出 一般仅在传感器的某一范围内使用 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 70 2 低频透射式电涡流传感器 低频透射式电涡流传感器 e2随材料厚度增加变化的规律 71 二 结构类型分三类 1 变间隙式 由于电涡流传感器是利用线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的 因而被测导体作为 实际传感器 的一部分 其材料的物理性质 尺寸与形状都与传感器特性密切相关 72 A 被测导体的电导率 磁导率对传感器的灵敏度有影响 B 被测体表面有镀层 镀层的性质和厚度不均匀也将影响测量精度 C 被测体的大小和形状也与灵敏度密切相关 D 当被测体为圆柱体时 E 对被测体厚度也有一定要求 73 2 变面积式 利用被测导体与传感器线圈之间相对覆盖面积的变化引起涡流效应的变化 来测量位移 测量的线性范围比变间隙式大 且线性度提高 3 螺管式 由铜 或银 制短路套筒和螺管线圈 2个 组成 短路套筒能沿螺管线圈轴向移动 此与螺管式自感传感器相似 便不存在铁损 线性范围宽 但灵敏度较低 4 低频透射式 74 三 测量电路测量电路有三种 谐振电路 电桥电路与Q值测试电路 谐振电路根据输出是电压幅值还是电压频率可分为调幅与调频两种 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 75 1 定频调幅电路 定频调幅电路框图如下 76 LC回路谐振频率