传感器第三章电感式传感器.ppt

传感器 机械工程学院仪器系李云雷Tel 2786982办公室 12 527 第三章电感式传感器 定义 是一种利用线圈自感或互感的变化实现非电量电测的装置 被测量 位移 加速度 压力 应变等 分类 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 此外 利用电涡流原理的电涡流式传感器 利用压磁原理的压磁式传感器 利用平面绕组互感原理的感应同步器等 亦属此类 优点 结构简单可靠 输出功率大 输出阻抗小 分辨力高机械位移 0 1 m 甚至更小 角位移 0 1角秒 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 缺点 频率响应低 不宜于高频动态测量 第一节工作原理 一 自感式传感器组成 线圈1 铁芯2和衔铁3等 图中点划线表示磁路 磁路中空气隙总长度为2 可以认为磁路封闭 线圈自感计算公式 N 线圈匝数 Rm 磁路总磁阻 铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻 图示自感传感器 因为气隙较小 为0 1 1mm 所以 认为气隙磁场是均匀的 若忽略磁路铁损 则磁路总磁阻为li 各段导磁体的长度 i 各段导磁体的磁导率 Si 各段导磁体的截面积 0 真空磁导率 0 4 10 7H m S 空气隙截面积 图3 1b S a b 代入L 得 结论 自感L是气隙截面积和长度的函数 即L f S 若S保持不变 则L为 的单值函数 构成变气隙型传感器 若保持 不变 使S随位移变化 则构成变截面型传感器 线圈中放入圆形衔铁 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 差动式自感传感器 如图 图中有两个电感线圈 当衔铁由原始平衡位置变动时 一个线圈电感量增加 一个线圈电感量减少 电感总变化量为 差动式的与单线圈的相比 有下列优点 1 线性好 2 灵敏度提高一倍 即衔铁位移相同 输出信号大一倍 相对增量为 上式结论 非线性误差小很多 了解内容 气隙型 截面型和螺管型的比较 线性度 灵敏度 示值范围 生产中的互换性等 截面型自感传感器 差动式螺管型自感传感器 二 互感式传感器组成 基本元件有磁心 初级线圈 次级线圈和线圈框架 一般形式 这种传感器的二次侧线圈有两个 接线方式又是差动的 故常称之为差动变压器式传感器 基本原理 一次侧线圈通入激励电流时它将产生磁通 线圈N1所链磁通 其中将有一部分磁通将穿过匝数为N2的二次侧线圈 从而在线圈N2中产生互感电动势 其表达式为 因为 其中为激励电压 为一次侧线圈的有效电阻 为一次侧线圈的电感 则二次侧线圈开路输出电压及其有效值为 结论 输出电压信号将随互感变化而变化 传感器工作时 被测量的变化将使磁芯位移 后者引起磁链 12和互感M变化 最终使输出电压变化 实例 螺管型差动变压器式传感器螺管型差动变压器类型 根据一次侧 二次侧线圈排列形式不同有二节式 三节式 四节式和五节式 如图3 10所示 三节式的组成 磁芯1 磁筒2 骨架3 一次侧线圈N1 二次侧线圈N2a和N2b 3 10 三节式的工作原理 在理想情况下 忽略铁心损耗及线圈寄生电容等因素的影响 其等效电路可以画成如图3 11b所示的形式 图中e2a和e2b是单个二次侧线圈的感应电动势 当磁芯位于一次侧线圈和某个二个侧线圈的中间位置时 该二次侧线圈绕组的感应电动势达到最大值Emax 当磁芯远离 接近空心状态时 其感应电动势呈现最小值Emin 当两个二次侧线圈反向串接时 空载输出电压u0 e2a e2b呈V形特性 如图3 11c所示 图中x表示磁芯偏离中心位置的距离 二次侧线圈感应电动势e2a和e2b分别为 第三节转换电路和传感器灵敏度 被测量 自感 互感 转换电路 后级电路转换电路的作用 把自感变化转换为电压 或电流 的变化 转换电路的形式 调幅电路 调频电路和调相电路 其中调幅电路应用较多 一 调幅电路1 变压器电桥基本结构 Z1 Z2为传感器两个线圈的阻抗 另两臂为电源变压器二次侧线圈的两半 每半的电压为u 2 输出空载电压 初始平衡 Z1 Z2 Z u0 0 磁芯偏离中间零点 Z1 Z Z Z2 Z Z 输出电压变为输出阻抗值较小 为 因而应用较广 磁芯移动方向相反时 Z1 Z Z Z2 Z Z 输出电压变为结论 两种情况的输出电压相等 方向相反 相位差180 若用示波器显示 两交流电压波形相同 为判断磁芯移动方向 可在后续电路配置相敏检波器 相敏检波电路 线圈的阻抗变化 线圈的品质因数为Q L R 则输出电压表达式可变为 若 R R可以忽略 有 若设计成 L L R R 或要求线圈具有较高Q值 此时 2 谐振式调幅电路基本组成 传感器自感L 固定电容C 变压器T 工作原理 接入外接电源u后 变压器的二次侧将有电压u0输出 输出电压频率与电源频率相同 幅度随L变化 图3 16b所示为输出电压u0与自感L的关系曲线 其中L0为谐振点的自感值 实际应用时可以使用特性曲线一侧接近线性的一段 优缺点 这种电路的灵敏度很高 但线性差 适用于线性要求不高的场合 二 调频电路基本原理 传感器自感L变化将引起输出电压频率f的变化 振荡回路的振荡频率为当L发生微小变化 L 频率变化 f为特点 非线性比较严重 用于动态范围很小的情况或要求后续电路作适当的处理 三 调相电路基本原理 传感器电感L的变化引起输出电压相位 的变化 结构如图 相位电桥一臂为L 一臂为R 电感线圈与固定电阻上的压降互相垂直 电感变化 输出电压幅值不变 相位变化 电感L变化 L 相位变化 四 自感传感器的灵敏度定义 自感传感器的灵敏度是指传感器结构和转换电路综合在一起的总灵敏度 传感器结构的灵敏度kt 自感值的相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比 公式如下转换电路的灵敏度kc 空载输出电压与自感相对变化之比 公式如下 自感传感器的灵敏度kz 实例分析 差动气隙型自感传感器的灵敏度计算 结论 传感器类型和转换电路不同 灵敏度表达式不同 供电电源的电压u要稳定 它直接影响传感器的灵敏度 传感器灵敏度的单位为mv m V 意思是当电源电压为1V 衔铁偏移1 m时 输出电压为若干毫伏 五 差动变压器的转换电路1 反串电路 空载输出电压 2 桥路 其中是桥臂电阻 是供调零用的电位器 暂不考虑电位器 并设 则输出电压为 19 第三节零点残余电压 一 差动式自感型传感器的零残电压1 零残电压的产生若桥路中两线圈的阻抗相等 包括电阻相等和电感相等 则电桥平衡输出电压为零 但桥路的绝对平衡难以实现 画出衔铁位移x与电桥输出电压U0有效值的关系曲线 则如图3 20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 2 零残电压的形式及其对测量的影响示波器上观察到的波形见图示 其中u代表电源电压 e0代表零点残余电压的波形 零残电压包含基波和高次谐波两个部分 基波一般为与电源电压相正交的正交分量 还包括基波同相成分 高次谐波中有二次 三次谐波和幅值较小的外界电磁干扰波 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电磁干扰波 零残电压的影响 零点残余电压过大 会使灵敏度下降 非线性误差增大 不同档位的放大倍数有显著差别 甚至造成放大器末级趋于饱和 致使仪器电路不能正常工作 甚至不再反映被测量的变化 零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要标志之一 在制造传感器时 要规定其零点残余电压不得超过某一定值 例如某自感测微仪的传感器 经200倍放大后 在放大器末级测量 零点残余电压不得超过80mV 仪器在使用过程中 若有迹象表明传感器的零点残余电压太大 就要进行调整 3 零残电压产生的电路分析造成零残电压的原因 总的来说 是两电感线圈的等效参数不对称 自感线圈的等效电路如图a 其中与L串联的Rc是铜损电阻 与其并联的Re和Rh则分别代表铁心的涡流损失及磁滞损失 与L及Rc并联的电容C则反映了线圈的自身电容 这在高频时必须给以特别考虑 一般可以忽略 各处电压 电流的矢量图如图b所示 流入线圈的总电流 流入自感的电流 铜损电阻上的电位降 电感上的电位降 整个线圈上的电位降 且 损耗角 各参数的含义 uz有效值及其相位角 的计算 1 理想情况 两线圈的各参数完全相等 则uz1和uz2大小相等 相位一致 图3 23b 2 实际情况 铜损电阻不等 损耗角不等 此时 可调整两线圈电感 使uz1和uz2大小相等 但相位不一致 图3 23c 3 此时 零残电压计算式 讨论 4 抑制零残电压的方法 1 后接相敏整流电路 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 2 从设计和工艺上保证结构对称性设计时应使上 下磁路对称 尽量减小Rc增大Reh和增加L以提高线圈的品质因数 制造时应使上下磁性材料特性一致 磁筒 磁盖 磁芯要配套挑选 线圈排列要均匀 松紧要一致 最好每层的匝数都相等 3 线路调整措施消除基波的调整线路 在其中一臂串入一个电阻R1 串入哪一臂应视零残电压是否有所减少而定 调整时用示波器观察放大器末级输出 一面调R1的大小 一面移动磁芯的位置 直至示波器上没有基波 与振荡电源频率相同的波 信号为止 消除高次谐波的调整线路 二次谐波或三次谐波 是由于传感器磁芯的磁化曲线非线性所致 虽然外加电源是正弦的 而通过线圈的电流却发生了畸变 包含了高次谐波 又因两线圈的非线性不一致 高次谐波不能够完全抵消 就在输出电压中显了出来 为此在某一臂并联一电阻R2 数十至数百千欧 使该线圈分流 改变磁化曲线上的工作点 从而改变其谐波分量 消除因变压器二次侧电压相位不严格相同产生的零残电压 这时可把传感器拔去 用两个阻值相同的电阻接入桥路 用试探法在某个一次侧线圈上并一电容C 100 500pF 调整C的大小 直到零残电压达到最小为止 说明 上述三种方法 可综合使用 也可单独使用 如图3 24b c所示 二 差动变压器的零残电压产生原因 二次侧线圈的等效参数不对称 电路补偿方法 见图3 25 图a 输出端接电位器 用于抑制基波正交分量 但对高次谐波无补偿作用 如果并联一只电容 就可有效地补偿高次谐波分量 图b 并联一只电容C 可有效地补偿高次谐波分量 r图c 串联电阻R调整二次侧线圈的电阻值不平衡 并联电容C改变某一输出电势的相位 也能达到良好的零残电压实偿作用 图d 接入R 几百千欧 减轻了两二次侧线圈的负载 可以避免外接负载不是纯电阻而引起较大的零残电压 第四节应用举例 1 尺寸测量用轴向自感式传感器基本结构 玛瑙测端10 防尘密封件9 测杆8 滚珠导轨7 四排 每排8粒 磁芯3 固定于测杆上端 线圈4 匝数2 800 线径 0 13mm 铁心套筒2 材料铁氧体 弹簧5 产生测力 防转件6 外壳夹持部分 便于安装于仪器上 瑞士TESA电感测微仪 TT20 瑞士TESA电感测微仪由数显电箱和电感测头两部分组成 经过设计和安装配上相应的测量装置及测量软件 能快速准确测量微小尺寸变量 适用于自动化测量或实验室内高精度对比测量 能够完成各种精密测量 例如 检查工件的厚度 内径 外径 椭圆度 平行度 直线度 径向跳动等多种参数 它被广泛应用于于精密机械制造业 以及国防 科研 计量部门 2 气体压力传感器结构原理 弹簧管1 自由端在压力作用下移动 带动衔铁5移动 传感器线圈4 6 电感值一增 一减 铁芯3 7 套装线圈 初始位置可由螺钉2调整 传感器整体装于圆形金属盒 并由螺纹连接被测对象 3 加速度计用差动变压器式传感器工作原理 质量块由片簧支承 质量块位移与被测加速度成正比 质量块既是惯性元件 又是磁性元件 第五节电涡流式传感器 一 工作原理涡流效应 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 涡流形成的条件 存在交变磁场 导电体处于交变磁场之中 涡流作用原理 线圈产生的交变磁场在金属导体中激励出涡流 涡流产生交变磁场 两磁场方向相反 因涡流磁场的作用 涡流消耗部分能量 引起线圈阻抗变化 如下图 等效电路分析 线圈与金属导体之间存在着磁性联系 若把导体形象地看作一个短路线圈 其间的关系可用图3 33b所示的电路来表示 线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数M 它将随着间距x的减少而增大 根据基尔霍夫定律 可列出方程 解方程得 线圈受到金属导体作用后的等效阻抗如下 讨论 1 在等效电感中 第一项L1与磁效应有关 若金属导体为非磁性材料 L1就是空心线圈的电感 当金属导体是磁性材料时 L1将增大 而且随着x的变化而变化 第二项与涡流效应有关 涡流引起的反磁场H2将使电感减小 x越小 电感减小的程度就越大 2 等效电阻R总是比原有的电阻R1大 这是因为涡流损耗 磁滞损耗都将使阻抗的实数部分增加 显然 金属导体材料的导电性能和线圈离导体的距离将直接影响这实数部分的大小 3 金属导体的电阻率 磁导率 线圈与金属导体的距离x以及线圈激励电流的角频率 等参数 都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系 或者说 线圈阻抗Z是这些参数的函数 可写成若能控制其中大部分参数恒定不变 只改变其中一个参数 这样阻抗就能成为这个参数的单值函数 二 转换电路 一 电桥电路法如图3 18 A B为传感器线圈 与C1 C2并联 电阻R1 R2共同组成电桥四臂 线圈阻抗变化 电桥输出电压 主要应用 差动式电涡流传感器 二 谐振电路法谐振回路组成 传感器线圈 固定电容C 回路谐振频率 传感器线圈接近金属导体 电感L变化 回路的等效阻抗和谐振频率变化 可测量回路阻抗或谐振频率间接反映被测量 测量电路形式 调幅电路和调频电路 1 调幅法调幅测量电路原理图 LC回路输出电压 u i0F Z 测量开始 传感器远离被测导体 调整LC回路使其谐振频率等于激振频率 传感器接近导体 线圈等效电感变化 回路失谐 回路的谐振峰向左右移动 导体为非磁性材料 等效电感减小 回路谐振频率升高 谐振峰右移 阻抗减小到 输出电压降为导体为软磁材料 等效电感增加 回路谐振频率降低 谐振峰左移 阻抗变为Z1 输出电压降为u1 根据输出电压的变化表示传感器与被测导体间的距离 电阻R的作用 降低传感器对振荡器工作状态的影响 2 调频法调频测量电路原理图 输出量 LC回路的谐振频率 可直接用频率计测量 鉴频器 实现频率 电压转换 再测量电压值 二 正反馈法谐振回路组成 传感器线圈 固定电容C 特点 放大器的反馈电路由电涡流传感器线圈组成 工作原理 线圈阻抗变化 放大倍数变化 输出电压变化 三 低频透射涡流传感器前述电涡流传感器 反磁场要 反射 回去 改变激励线圈阻抗 Z L又称反射阻抗 反射电感 要保证反射效果好 要求激励频率高 贯穿深度小 低频透射涡流传感器工作条件 激励频率低 涡流的贯穿深度加厚 实例 低频透射涡流测厚仪 测厚仪工作原理 发射线圈L1和接收线圈L2分别位于被测物体的上下方 若在L1上加低频电压u1 线圈中流过一个相同频率的交变电流 并在其周围产生交变磁场 若两线圈之间无被测物体M 则L1的磁场就能直接贯穿L2 于是L2的两端就会感生交变电势e e的大小与u1的幅值和频率 L1及L2的匝数和结构以及两线圈的相对位置有关 若在L1及L2之间放置金属板M后 L1产生的磁力线必然透过M并在其中产生涡流 涡流损耗了部分磁场能量 达到L2上的磁力线减少 使u2下降 M的厚度越大 涡流产生的损耗就越大 e就就越小 由此可知e的大小间接反映了M的厚度 穿透式测厚 四 涡流传感器应用 一 涡流式传感器的应用 利用位移x作为变换量 可以做成测量位移 振幅 振摆 转速等传感器 也可做成接近开关 计数器等 利用材料电阻率 作为变换量 可以做成测量温度 材质判别等感器 利用导磁率 作为变换量 可以做成测量应力 硬度等传感器 利用变换量x 等的综合影响 可以做成探伤装置等 径向振动测量 轴心轨迹测量 转速测量 零件计数器 表面裂纹测量 二 应用实例 1 位移测量的涡流式传感器图a结构 线圈1 线圈骨架2 聚四氟乙烯 骨架衬套3 支架4 电缆5 插头6 a图技术参数图b结构 壳体1 线圈骨架2 陶瓷 线圈3 保护套4 聚酰亚胺 填料5 固定用螺母6 电缆7 b图技术参数 JX20系列电涡流位移传感器 应用领域 可广泛应用于电力 石油化工 冶金等行业的汽轮机 水轮机 发电机 鼓风机 压缩机 齿轮箱等设备的位移 振动 转速 油膜厚度等参数的在线监测与故障诊断 特点 由于其非接触测量 长期工作可靠性高 灵敏度高 抗干扰能力强 响应速度快 不受油水等介质的影响 常被用于对大型旋转机械的轴位移 轴振动 轴转速等参数进行长期实时监测 可以分析出设备的工作状况和故障原因 有效地对设备进行保护及进行预测性维修 可测量位移 振幅 转速 尺寸 厚度 表面不平度等 典型应用 技术指标 2 温度测量用的涡流式传感器理论基础 利用导体电阻率随温度而变的性质 一般情况下 导体的电阻率与温度的关系在小的温度范围内可以用下式表示 因此 若能测量出导体电阻率的变化 就可求得导体的温度变化 测量导体温度的原理 测量导体温度的原理如图3 41a所示 这时要设法保持传感器与导体间的距离H固定 导体的磁导率也要一定 只让传感器的输出随被测导体的电阻率变化而变化 注意事项 由于磁性材料 如冷延钢板 的温度系数大 从而决定了它的温度灵敏度高 而非磁性材料 如铝 铜 的温度系数小 温度灵敏度低 因而这种方法主要适用于磁性材料的温度测量 测量介质温度的原理 在前面例举的结构的基础上 添加温度敏感元件即可 如图3 41b所示 温度敏感元件5选用高温度系数的材料组成 它是传感器的一部分 与电介质热绝缘衬垫4一起 粘帖在线圈架2的端部 在线圈架内除了测量线圈3外 还放入了补偿线圈1 工作时 把传感器端部放在被测的介质中 介质可以是气态的也可以是液态的 温度敏感元件由于周围温度的变化而引起它的电阻率变化 从而导致线圈等效阻抗变化 第六节压磁式传感器 一 铁磁材料的压磁效应 铁磁材料受压力时 在作用力方向磁导率 减小 与作用力垂直方向 略增 受拉力效果相反 作用力取消 磁导率复原 压磁效应还与外磁场强度有关 为使磁感应强度与应力间为单值函数 外磁场要恒定 二 压磁式压力传感器结构 压磁元件 材料为硅钢片 为层叠结构 弹性机架 材料弹簧钢 两道弹性梁使被测力均匀作用于压磁元件 并有一定预压力 传力钢球 保证被测力集中作用于压磁元件 三 传感器工作原理 压磁元件开四个对称小孔 1 2绕励磁绕组N12 3 4绕输出绕组N34 励磁绕组通交流电 铁心产生磁场 空间分为A B C D四区 无外力 四区磁导率相同 合成磁场强度H平行输出绕组平面 N34不产生感应电动势 有外力 A B区受一定应力 C D处自由状态 A B区磁导率下降 磁阻增大 C D区磁导率基本不变 磁力线重新分布 部分磁力线绕过C D区闭合 合成磁场H不再与N34平面平行 部分磁力线与之交链产生电动势e F越大 e值越大 第七节感应同步器 一 感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理工作的 二