电感式传感器与其应用传感器原理与其应用ppt课件.ppt

第三章电感式传感器及其应用 以电和磁为媒介 利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感 自感或互感 变化来检测非电量的机电转换装置 自感式 L变化差动变压器式 M变化电涡流式 L M变化 优点 结构简单 工作可靠 测量精度高 应用领域 常用来检测位移 振动 力 加速度 应变 流量等物理量 是应用较广的一类传感器 不足 存在交流零位信号 不宜于高频动态测量 3 1自感式传感器 结构组成 线圈1 铁芯2和衔铁3三部分 一 结构及工作原理 铁芯和衔铁之间留有空气隙 被测物与衔铁相连 被测物移动 衔铁 空气隙变化 磁路磁阻改变 线圈电感量变化 输出电压 电流或频率变化 实现对被测物位移的检测 工作过程 设线圈的匝数为N 流过线圈的电流为I A 穿过线圈的磁通为 Wb 则电感量 根据磁路定理得 式中 R1 R2和R 分别为铁芯 衔铁和空气隙的磁阻 Rm为磁路总磁阻 工作原理 导出电感L与衔铁位移关系 一般导磁体的导磁率远大于空气的导磁率 大数千倍乃至数万倍 即有 得 结论 线圈匝数N确定之后 只要气隙长度 和气隙截面A二者之一发生变化 传感器的电感量就会发生变化 A a变气隙式传感器b变截面式传感器图3 1自感式传感器结构图 电感传感器的基本工作原理演示 气隙变小 电感变大 电流变小 F 二 自感式传感器灵敏度及特性分析 以变气隙长度传感器为例 设自感式传感器初始气隙为 0 初始电感量为L0 衔铁位移引起的气隙变化量为 L与 之间是非线性关系 L与A之间是线性关系 特性曲线如图表示 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 A 忽略高次项得 同理可得 衔铁下移 时 传感器气隙增大 即 0 则此时输出电感为L L0 L 有 综上所述 设气隙式传感器的灵敏度为K 则有 当忽略高次项时 L才与 成线性关系 变气隙式传感器的输出特性是非线性的 0越小 高次项迅速减小 非线性可得到改善 而 非线性增大 非线性与测量范围的要求相矛盾 一般取 0 1 0 2 增大灵敏度方法 减小 0 与 引起的 L的变化大小不同 且 越大 L相差越大 可见 两只完全相同的自感线圈合用一个活动衔铁便构成了差动式电感传感器 传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻的两臂 另外两个桥臂由电阻组成 三 差动式电感传感器 两只完全对称的简单电感传感器合用一个活动衔铁上 下两个导磁体几何尺寸 形状 材料完全相同上 下两个的线圈电气参数 R L W 完全相同 当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时 两边气隙不等 两只电感线圈的电感量一增一减 电桥失去平衡 电桥输出电压的幅值大小与衔铁移动量的大小成比例 其相位则与衔铁移动方向有关 假定向上移动时输出电压的相位为正 而向下移动时相位将反向180 为负 因此 如果测量出电压的大小和相位 就能决定衔铁位移量的大小和方向 在起始位置时 衔铁处于中间位置 两边的气隙相等 两只线圈的电感量相等 电桥处于平衡状态 电桥的输出电压Usc 0 假定电桥输出端的负载为无穷大 则得输出电压 当某一时刻 设衔铁向上位移 则上下两边气隙不等 阻抗也随之改变 上边增加了 1 j L1 下边减少了 2 j L2 则Z1 Z0 Z1 Z2 Z0 Z2 电桥的另两臂是相同的电阻 即Z3 Z4 R 由得 由于 Z1 Z2比Z0小得多 故可略去 则得 可见 电桥的输出与 L1 L2 成比例 提高灵敏度K的途径 提高电桥的电压 减小起始气隙 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 K N2 0A 02 四 测量电路1 交流电桥实际应用中 交流电桥常和差动式自感传感器配合使用 这样既提高了灵敏度 又改善了线性度 Z1 Z2为工作臂 即线圈阻抗 R1 R2为电桥的平衡臂 交流电桥原理图 起始位置衔铁处于中间 气隙相等 电桥平衡 当衔铁偏离中间位置 两边气隙不等 两只电感线圈的电感量一增一减 电桥失去平衡 高Q值的差动式电感传感器 其输出电压为 L0 衔铁中间位置时单个线圈的电感 L 单线圈电感的变化量 因 则 可见电桥输出电压与 有关 变压器电桥原理图 2 变压器电桥平衡臂为变压器的两个副边 当负载阻抗为无穷大时 桥路输出电压 初始Z1 Z2 Z 电桥平衡 U0 0 同理衔铁下移时 衔铁上移 设Z1 Z Z Z2 Z Z 则 可见 衔铁向不同方向移动时 产生的输出电压U0大小相等 方向相反 即相位互差180 可反映衔铁移动的方向 为了判别交流信号的相位 需接入专门的相敏检波电路 优点 变压器电桥与电阻平衡电桥相比 元件少 输出阻抗小 桥路开路时电路呈线性 缺点 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 五 自感式电感传感器应用 变气隙电感式压力传感器 结构如图 由膜盒 铁芯 衔铁及线圈等组成 衔铁与膜盒的上端连在一起 当液体 气体进入膜盒时 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 电流表指示值就反映了被测压力的大小 变气隙式差动电感压力传感器 主要由C形弹簧管 衔铁 铁芯和线圈等组成 被测压力 C形弹簧管 产生变形 自由端发生位移 衔铁运动 线圈1和线圈2中的电感变化 一个电感量增大 另一个电感量减小 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 3 2互感式传感器 互感式传感器 被测的非电量 线圈互感量M变化的传感器 基本原理 根据变压器原理制成 且次级绕组都用差动形式连接 故也称差动变压器式传感器 结构形式 变隙式 变面积式和螺线管式等在非电量测量中 应用最多的是螺线管式差动变压器 它可以测量1 100mm范围内的机械位移 并具有测量精度高 灵敏度高 结构简单 性能可靠等优点 差动变压器式传感器 简称差动变压器 是一个有可动铁芯和两个次级线圈的变压器 传感器的可动铁芯和待测物相连 两个次级线圈接成差动形式 可动铁芯的位移利用线圈的互感作用转换成感应电动势的变化 从而得到待测位移 一 差动变压器式传感器结构及原理 由于互感 初级线圈的交流电在两个次级线圈分别产生感应电动势E21和E22 又因接成差动形式 即两个感应电动势反向串联 则输出电压设两个次级线圈完全相同 当铁芯处在中间位置时 感应电动势E21 E22 此时Usc E21 E22 0 Usc 当铁芯向上移动时 次级线圈2中穿过的磁通减少 感应电动势E22也减少 而次级线圈1中穿过的磁通增多 感应电动势E21也增大 则Usc E21 E22 0反之 当铁芯向下移动时 则Usc E21 E22 0 可见 输出电压的大小和符号反映了铁芯位移的大小和方向 Usc 差动变压器有多种结构形式 图 a 是 形结构 衔铁为平板形 灵敏度较高 但测量范围较窄 一般用于测量几微米到几百微米的机械位移 图 b 是衔铁为圆柱形的螺管形差动变压器 可测一毫米至上百毫米的位移 此外还有衔铁旋转的用来测量转角的差动变压器 通常可测到几角秒的微小角位移 Usc 二 差动变压器的输出特性图 a 所示 形差动变压器 当不考虑铁损 漏感且忽略铁芯和衔铁的磁阻 在次级线圈开路时有 式中 1和 2分别为次级线圈1和2的磁通匝链数 则 式中N2为两次级线圈匝数 磁路定理 设衔铁向上移动了 则 式中除I1外均为已知 为此 需要求出初级线圈中的激磁电流I1 当次级线圈中无电流时 负载为无穷大 式中 Z11 R11 j L11 Z12 R12 j L12 R11 R12 L11 L12 Z11 Z12分别表示上下初级线圈的铜电阻 电感和复阻抗 其中 该式中含有 2项 这是引起非线性的因素 如果忽略 2项 并设R11 R12 R1 上式可改写为 把 代入上式 整理后得 式中 Q L0 R 为品质因数 由上式可知 输出电压中包含与电源电压Usr同相的基波分量和相位差90 的正交分量 这两个分量都同气隙的相对变化量 0有关 Q值提高 正交分量将减小 因此 希望差动变压器具有高的Q值 Q值很高时 上式可简化成 输出电压Usc与衔铁位移 之间是成比例的 其输出特性曲线如图3 12所示 由图可见 单一线圈的感应电动势E21或E22与铁芯的位移不成线性 两个线圈差接以后 输出电压与铁芯的位移成线性关系了 负号的意义 当 向上为正时 输出电压Usc与电源电压Usr反相 当 向下为负时 两者同相 差动变压器具有高的Q值时 1 输出特性 传感器的灵敏度随电源电压Usr和变压比N2 N1的增大而提高 随起始间隙增大而降低 一般情况下取N2 N1 1 2 太大时 次级线圈的输出阻抗过高 易受外部干扰的影响 注意 位移量要限制在一定范围内 0一般在0 5mm左右 0过大 灵敏度要降低 而且边缘磁通将增大到不能忽略的程度 从而使非线性增大 在实际输出特性中 当 0 0时 还存在着零位电压U0 2 灵敏度 三 差动变压器传感器应用 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 1 位移的测量差动变压器仍以位移测量为其主要用途 它可以作为精密测量仪的主要部件 对零件进行多种精密测量工作 如内径 外径 不平行度 粗糙度 不垂直度 振摆 偏心和椭圆度等 作为轴承滚动自动分选机的主要测量部件 可以分选大 小钢球 圆柱 圆锥等 用于测量各种零件膨胀 伸长 应变等 测量液位的原理图 当某一设定液位使铁芯处于中心位置时 差动变压器输出信号Uo 0 当液位上升或下降时 Uo 0 通过相应的测量电路便能确定液位的高低 2 振动和加速度测量差动变压器 悬臂梁弹性支承 加速度计 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 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 为了满足测量精度 加速度计的固有频率 应比被测频率上限大3 5倍 由于运动系统质量m不可能太小 而增加弹性片刚度k又使加速度计灵敏度受到影响 因此系统固有频率不可能很高 所以 能测量的振动频率上限就受到限制 一般在150Hz以下 下图是这种形式的加速度计的测量电路示意图 高频时加速度测量用压电式传感器 差动变压器输出的交流信号 其波形是调幅波 无法鉴别被测位移的方向 为了观察衔铁的实际运动规律 可采用差动相敏整流电路 3 压力测量差动变压器和弹性敏感元件组合 可以组成开环压力传感器 由于差动变压器输出是标准信号 常称为变送器 图是微压力变送器结构示意图及测量电路框图 差动变压器从供电方式可分为交流式和直流式两种 直流式差动变压器是将直流电通过振荡器变为交流电 并将电子电路与差动变压器封装在一起 这种传感器 供给稳定的直流电 就能获得与位移成正比的直流电压输出 直流式差动变压器 量程 5 10 mm 5mm 250mm线性度 0 1 0 2 0 3 0 5 供电电压 12V 15V输出方式 A 标准电流型0 10mA或0 10mAB 标准电压型0 5V或0 5V环境温度 10 65 结构型式 回弹式 非回弹式 这种传感器主要技术指标 3 3电涡流式传感器 由法拉第电磁感应原理知 一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时 导体内部会产生一圈圈闭和的电流 这种电流叫电涡流 这种现象叫做电涡流效应 根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器 电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量 形成电涡流必须具备两个条件 存在交变磁场 导电体处于交变磁场中 一 电涡流式传感器工作原理 按照电涡流在导体内的贯穿情况 此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类 但从基本工作原理上来说仍是相似的 电涡流式传感器最大的特点是能对位移 厚度 表面温度 速度 应力 材料损伤等进行非接触式连续测量 另外还具有体积小 灵敏度高 频率响应宽等特点 应用极其广泛 当传感器线圈通以正弦交变电流i1时 线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1 金属板在此交变磁场中会产生感应电流i2 在金属体内是闭合 称之为 涡电流 或 涡流 i2又产生新的交变磁场H2 H2的作用将反抗原磁场H1 导致传感器线圈的等效阻抗发生变化 线圈阻抗的取决于被测金属导体的电涡流效应 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 若改变其中的某两项参数 而固定其它参数不变 就可根据涡流的变化测量该参数 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 又与线圈几何参数 线圈中激磁电流频率有关 还与线圈与导体间的距离x有关 测位移计数测振动测厚度转速测量探伤测温 厚度传感器 距离 探伤传感器 1 低频透射式涡流厚度传感器 在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1 在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2 当在L1上加低频电压U1时 则L1上产生交变磁通 1 若两线圈间无金属板 则交变磁场直接耦合至L2中 L2产生感应电压U2 如果将被测金属板放入两线圈之间 则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流 二 电涡流式传感器的应用 此时磁场能量受到损耗 到达L2的磁通将减弱 从而使L2产生的感应电压U2下降 金属板越厚 涡流损失就越大 U2电压就越小 因此 可根据U2电