第六章电感式传感器.ppt

绪论6 1变磁阻式传感器6 2差动变压器式传感器6 3电涡流式传感器 绪论 电感式传感器是建立在电磁感应基础上 利用线圈自感或互感的变化实现测量的一种装置 所以电感式传感器的核心是一个可变自感或可变互感 在测量这些变化时 一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象 这类传感器主要特征是具有线圈绕组 根据工作原理的不同 电感式传感器可分为3类 变磁阻式电感传感器变压器式电感传感器电涡流式电感传感器 绪论 自感通电线圈自身电流发生变化时 线圈里的磁通量也随着变化 从而在该线因的自身中产生盛生电动势 这就是自感应现象 互感当一线圈中的电流发生变化时 将使位于它所产生的变化磁场里的另一线圈中产生感生电动势 这种电磁感应现象叫做互感应现象 绪论 L M 优点 1 工作可靠 寿命长2 灵敏度高 抗干扰能力强3 对工作环境要求不高 性能稳定缺点 1 频率响应低 不适于高频动态信号测量2 存在交流零信号应用 流量 振动 位移 比重等一般可将被测量转换成位移的量均可测 电感传感器转换电路被测量电感变化电信号非电量电量 基本原理 6 1变磁阻式传感器 自感式传感器 6 1 1结构及工作原理 6 1 2等效电路 6 1 3输出特性分析 6 1 4信号调节电路 6 1 5影响传感器精度的因素分析6 1 6应用 6 1变磁阻式传感器1 6 1 1结构及工作原理结构 线圈 铁芯和衔铁三部分组成 其电感量L d1 铁芯中的磁路长度d2 衔铁中的磁路长度 1 铁芯的磁导率 2 衔铁的磁导率A1 铁芯的截面积A2 衔铁的截面积 原理 当外力引起衔铁位移时 X L 由 6 1变磁阻式传感器2 L与 A o参数有关 与电容式传感器一样 可固定二者 改变一个就可制成一种传感器 所以变磁阻式传感器也可分为 1 变气隙厚度 的电感式传感器 A与 常数 2 变气隙面积A的电感式传感器 与 常数 3 变铁芯磁导率 的电感式传感器 压磁式传感器 与A常数 有硅钢片等 分类 变磁阻式传感器举例 变气隙厚度 变气隙面积 6 1变磁阻式传感器3 6 1 2等效电路自感线圈并不是一个纯电感 因通常采用铁磁体作为磁芯 所以有一些其它参量存在 可以等效为L线圈电感Re 铁芯的涡流损耗电阻由频率为 的交变电流激励产生的交变磁场 会在线圈铁心中造成涡流及磁滞损耗 Rc 线圈的损耗电阻取决于导线材料及线圈的几何尺寸C 线圈的固有电容主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成 C L Rc Re 因此 自感传感器的等效电路如图 6 1变磁阻式传感器46 1 3输出特性分析1 变气隙式 1 具有铁芯及小气隙的电感式传感器 单线圈 差动式 6 1 3输出特性分析21 具有铁芯及小气隙的电感式传感器 单线圈 当铁芯和衔铁采用同一种导磁材料 且截面相同时 因为气隙l 一般较小 故可认为气隙磁通截面与铁芯截面相等 设磁路总长为l 则 K 0W2S 一般 r 1 所以 当气隙减少 时 自感增加为 L 6 1 3输出特性分析31 具有铁芯及小气隙的电感式传感器 单线圈 自感的相对变化 同理 当总气隙长度增加 时 自感减小为 L2 即 6 1 3输出特性分析41 具有铁芯及小气隙的电感式传感器 单线圈 若忽略高次项 则自感变化灵敏度为 线性度 当气隙发生变化时 自感的变化与气隙变化均呈非线性关系 其非线性程度随气隙相对变化 的增大而增加 气隙减少 所引起的自感变化 L1与气隙增加同样 所引起的自感变化 L2并不相等 即 L1 L2 其差值随 的增加而增大 注 当气隙发生变化时 自感的变化与气隙变化均呈非线性关系 其非线性程度随气隙相对变化 的增大而增加 气隙减少 所引起的自感变化 L1与气隙增加同样 所引起的自感变化 L2并不相等 即 L1 L2 其差值随 的增加而增大 1 具有铁芯及小气隙的电感式传感器 差动式 差动变气隙式自感传感器结构由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成 当衔铁3移动时 一个线圈的自感增加 另一个线圈的自感减少 形成差动形式 如将这两个差动线圈 E USC 1 3 4 2 R R l 2 l 2 分别接入测量电桥邻臂 则当磁路总气隙改变 时 自感相对变化为 线性度 灵敏度 1 具有铁芯及小气隙的电感式传感器 差动式 差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍 差动式自感传感器非线性失真小 如当 10 时 略去l r 单线圈 L 10 而差动式的 L 1 75 50 25 0 50 75 100 mm 100 25 LD 3 2 1 1 2 3 4 对差动气隙式传感器其 与l r 的变化受到灵敏度和非线性失真相互矛盾的制约 因此只能适当选取 一般差动变隙式自感传感器 0 1 0 2时 可使传感器非线性误差在3 左右 其工作行程很小 若取 2mm 则行程为 0 2 0 5 mm 较大行程的位移测量 常利用螺管式自感传感器 1线圈 自感特性 2线圈 自感特性 3特性曲线 差动式自感传感器的输出特性 6 1 3输出特性分析52 螺管型自感传感器 r x 螺旋管 铁心 单线圈螺管型传感器结构图 l 有单线圈和差动式两种结构形式 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯 传感器工作时 因铁芯在线圈中伸入长度的变化 引起螺管线圈自感值的变化 当用恒流源激励时 则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关 6 1 3输出特性分析62 螺管型自感传感器 单线圈 螺管线圈内磁场分布曲线 铁芯在开始插入 x 0 或几乎离开线圈时的灵敏度 比铁芯插入线圈的1 2长度时的灵敏度小得多 这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度 并且有较好的线性特性 6 1 3输出特性分析72 螺管型自感传感器 差动式 为了提高灵敏度与线性度 绝大多数自感式传感器都运用与电阻差动式类似的技术来改善性能 由两单一式结构对称组合 构成差动螺管式自感传感器 图 b 中H f x 曲线表明 为了得到较好的线性 铁芯长度取0 6l时 则铁芯工作在H曲线的拐弯处 此时H变化小 这种差动螺管式自感传感器的测量范围为 5 50 mm 非线性误差在0 5 左右 差动螺旋管式自感传感器结构示意图和磁场分布曲线 6 1 3输出特性分析82 螺管型自感传感器 螺管式自感传感器的特点 结构简单 制造装配容易 由于空气间隙大 磁路的磁阻高 因此灵敏度低 但线性范围大 由于磁路大部分为空气 易受外部磁场干扰 由于磁阻高 为了达到某一自感量 需要的线圈匝数多 因而线圈分布电容大 要求线圈框架尺寸和形状必须稳定 否则影响其线性和稳定性 电感式传感器测液位 螺管式电感传感器测量位移 6 1变磁阻式传感器66 1 4信号调节电路1 交流电桥 三 差动自感传感器 非线性补偿 交流电桥是自感传感器的主要测量电路 为了提高灵敏度 改善线性度 自感线圈一般接成差动形式 如图 Z1 Z2为工作臂 即线圈阻抗 R1 R2为电桥的平衡臂 电桥平衡条件 设Z1 Z2 Z RS j L R1 R2 RRS1 RS2 RS L1 L2 LE为桥路电源 ZL是负载阻抗 工作时 Z1 Z Z和Z2 Z Z ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 交流电桥原理图 USC E 6 1变磁阻式传感器66 1 4信号调节电路 其输出电压幅值 当ZL 时 输出阻抗 为自感线圈的品质因数 桥路输出电压Usc包含与电源E同相和正交两个分量 在实际测量中 只希望有同相分量 如能使或Q值比较大 均能达到此目的 但在实际工作时 RS RS一般很小 所以要求线圈有高的品质因数 当Q值很高时 Usc 当Q值很低时 自感线圈的电感远小于电阻 电感线圈相当于纯电阻 Z Rs 交流电桥即为电阻电桥 例如 应变测量仪就是如此 此时输出电压Usc 该电桥结构简单 其电阻R1 R2可用两个电阻和一个电位器组成 调零方便 两点说明 6 1变磁阻式传感器66 1 4信号调节电路2 变压器电桥 Z1 Z2 U0 E 2 E 2 E 变压器电桥原理图 I 平衡臂为变压器的两个副边 当负载阻抗为无穷大时 流入工作臂的电流为 初始Z1 Z2 Z RS j L 故平衡时 U0 0 双臂工作时 设Z1 Z Z Z2 Z Z 相当于差动式自感传感器的衔铁向一侧移动 则 同理反方向移动时 6 1变磁阻式传感器66 1 4信号调节电路2 变压器电桥 两点说明 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 但是 为了判别交流信号的相位 需接入专门的相敏检波电路 变压器电桥的输出电压幅值 输出阻抗为 优点 这种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 差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时 电桥输出理论上应为零 但实际上总存在零位不平衡电压输出 零位电压 造成零位误差 2 变压器电桥 两点说明 6 1 5影响传感器精度的因素分析 1 电源电压和频率的波动影响大多数自感式传感器采用交流电桥作测量电路 电源电压的波动将直接导致输出信号的波动 采用差动工作方式 其影响将能得到补偿 2 温度变化环境温度的变化会引起自感传感器的零点温度漂移 灵敏度温度漂移以及线性度和相位的变化 造成温度误差 1 材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化 2 材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化 3 磁性材料磁导率温度系数 绕组绝缘材料的温度系数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成 6 1 5影响传感器精度的因素分析 3 非线性特性影响测量电路也往往存在非线性 为了减小非线性 常用的方法是采用差动结构和限制测量范围 对于螺管式自感传感器 增加线圈的长度有利于扩大线性范围或提高线性度 在工艺上应注意导磁体和线圈骨架的加工精度 导磁体材料与线圈绕制的均匀性 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 4 零点残余电压的影响差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时 电桥输出理论上应为零 但实际上总存在零位不平衡电压输出 零位电压 造成零位误差 零位电压的组成十分复杂 主要原因是传感器两线圈的电气参数和几何尺寸的不对称 6 1 6应用 电感式接近传感器 金属 6 1 6应用 教学用低成本四线制无二次仪表传感器 6 2差动变压器式传感器 6 2 1工作原理及结构 6 2 2等效电路 6 2 3测量电路 6 2 4应用 6 2差动变压器式传感器 大位移测量 6 2 1工作原理及结构 1 3 2互感式传感器 基本结构 结构 差动变压器式传感器是把被测位移转换为互感的变化 其基本元件有衔铁 初级线圈 次级线圈和线圈框架等 初级线圈作为差动变压器激励用 相当于变压器的原边 而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成 相当于变压器的副边 螺管形差动变压器根据初 次级排列不同有二节式 三节式 四节式和五节式等形式 原理 当初级线圈接入激励电源后 次极线圈就感应产生电压输出 互感变化时 输出电压作相应变化 一般传感器的次极线圈有两个 接成差动形式 所以称差动变压器式 也称为互感式传感器 6 2差动变压器式传感器 大位移测量 6 2 1工作原理及结构 3 2 1 2 1 2 1 1 2 a b c d 1 2 1 1 2 差动变压器线圈各种排列形式 1初级线圈 2次级线圈 3衔铁 3 特点 三节式的零点电位较小 二节式比三节式灵敏度高 线性范围大 四节式和五节式改善了传感器线性度 等效电路 M1 M2分别为初级与次级线圈1 2间的互感 6 2 2等效电路 6 2 2等效电路 副 0 e2 e2 e21 e22 x 副 原线圈 差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系 其中x表示衔铁偏离中心位置的距离 6 2 3测量电路 差动相敏检波电路的工作原理 当没有信号输入时 铁芯处于中间位置 调节电阻R 使零点残余电压减小 当有信号输入时 铁芯移上或移下 其输出电压经交流放大 相敏检波 滤波后得到直流输出 由表头指示输入位移量的大小和方向 6 2 3测量电路1 差动整流器 2 相敏检波电路 二极管相敏检波电路 互感式传感器 集成化相敏检波电路 双差分模拟乘法器 6 2 4应用 差动变压器位移传感器 案例 板的厚度测量 案例 张力测量 案例 力和力矩测量位移测量 6 3电涡流式传感器6 3 1涡流效应6 3 2结构和工作原理6 3 3高频反射式电涡流传感器6 3 4交流等效电路6 3 5应用 6 3电涡流式传感器 电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的 由于结构简单 灵敏度高 频响范围宽 不受油污等介质的影响 并能进行非接触测量 适用范围广 用来测量位移动 厚度 转速 温度 硬度等参数 以及用于无损探伤领域 通常把电涡流传感器按激磁电源频率高低分为两大类 高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器 前者用于非接触式位移变量得检测 后者仅用于金属板厚度的测量 6 3电涡流式传感器1 6 3 1涡流效应 6 3 1涡流效应 当通过金属体的磁通变化时 就会在导体中产生感生电流 这种电流在导体中是自行闭合的 这就是所谓电涡流 电涡流的产生必然要消耗一部分能量 从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化 这一物理现象称为涡流效应 电涡流式传感器是利用涡流效应 将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的 6 3电涡流式传感器2 影响涡流因素 涡流的大小与金属板的电阻率 磁导率 金属板与线圈的距离x 激励电流角频率 等参数有关 若改变其中某个参数 而固定其他参数不变 就可根据涡流的变化测量该参数 显然磁场变化频率愈高 涡流的集肤效应愈显著 即涡流穿透深度愈小 涡流传感器根据激励频率分为 高频反射式或低频透射式两类 目前高频反射式电涡流传感器应用广泛 其穿透深度h可表示 导体电阻率 cm r 导体相对磁导率 f 交变磁场频率 Hz 6 3电涡流式传感器3 原