电感式位移传感器

电感式传感器 电感式位移传感器实例 电磁感应利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量 分为变磁阻式 变压器式 涡流式等特点 工作可靠 寿命长灵敏度高 分辨力高精度高 线性好性能稳定 重复性好 变磁阻式传感器 4 1 1工作原理 4 1变磁阻式传感器 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 即 分为变气隙厚度 的传感器和变气隙面积 的传感器 目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器 4 1 2输出特性 L与 之间是非线性关系 特性曲线如所示 变隙式电压传感器的L 特性 分析 当衔铁处于初始位置时 初始电感量为 当衔铁上移 时 传感器气隙减小 即 0 则此时输出电感为 灵敏度为 可见 变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾 因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合 与 衔铁上移切线斜率变大 衔铁下移切线斜率变小 为了减小非线性误差 实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器 4 1 3测量电路 交流电桥式 变压器式交流电桥以及谐振式等 1 电感式传感器的等效电路 当Q 2LC且 2LC 1时 高Q值有 Z1 Z2 j L1 L2 则电桥输出电压为 4 20 2 交流电桥式测量电路 3 变压器式交流电桥 使用元件少 输出阻抗小 获得广泛应用 1 变压器电路 当传感器衔铁上移 如Z1 Z Z Z2 Z Z 当传感器衔铁下移 如Z1 Z Z Z2 Z Z 此时 由于是交流电压 输出指示无法判断位移方向 必须配合相敏检波电路来解决 2 相敏检波电路 a 非相敏整流电路 b 相敏整流电路 使用相敏整流 输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向 而且还消除零点残余电压的影响 调幅电路 特点 此电路灵敏度很高 但线性差 适用于线性度要求不高的场合 4 谐振式测量电路 分为 谐振式调幅电路和谐振式调频电路 调频电路 传感器电感L的变化引起输出电压频率的变化 把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中 其振荡频率 当L变化时 振荡频率随之变化 根据f的大小即可测出被测量的值 传感器电感L变化会引起输出电压相位变化 5 调相式转换电路形式 6 自感传感器的灵敏度 传感器结构灵敏度转换电路灵敏度 总灵敏度 第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小 气隙型 变压器电桥传感器 传感器灵敏度的单位为mV m V 电源电压为1V 衔铁偏移1 m时 输出电压为若干毫伏 变磁阻式传感器的应用 变隙电感式压力传感器结构图 差动变压器式传感器 把被测的非电量变化转换为线圈互感变化 根据变压器的基本原理制成的 次级绕组用差动形式连接 差动变压器结构形式 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 a b 变隙式差动变压器 c d 螺线管式差动变压器 e f 变面积式差动变压器 变隙式差动变压器 1 工作原理 2 输出特性在忽略铁损 即涡流与磁滞损耗忽略不计 漏感以及变压器次级开路 或负载阻抗足够大 的条件下 等效电路如下 图中r1a与L1a r1b与L1b r2a与L2a r2b与L2b 分别为W1a W1b W2a W2b绕阻的直流电阻与电感 变隙式差动变压器输出特性 结论 供电电源首先要稳定 电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值 增加W2 W1的比值和减少 0都能使灵敏度K值提高 以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得到的 以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的 而实际上很难做到这一点 上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的 4 2 2螺线管式差动变压器 1 工作原理 线管式差动变压器结构 差动变压器等效电路 差动变压器输出电压的特性曲线 当活动衔铁向上移动时 由于磁阻的影响 W2a中磁通将大于W2b 使M1 M2 因而E2a增加 而E2b减小 反之 E2b增加 E2a减小 因为Uo E2a E2b 所以当E2a E2b随着衔铁位移x变化时 Uo也必将随x而变化 2 零点残余电压 当衔铁位于中心位置时 差动变压器输出电压并不等于零 我们把差动变压器在零位移动时的输出电压称为零点残余电压 记作 Uo 它的存在使传感器的输出特性不经过零点 造成实际特性与理论特性不完全一致 零点残余电压产生原因 主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称 以及磁性材料的非线性等引起的 零点残余电压的波形主要由基波和高次谐波组成 基波产生的主要原因是 传感器的两次级绕组的电气参数 几何尺寸不对称 导致它们产生的感应电势幅值不等 相位不同 因此不论怎样调整衔铁位置 两线圈中感应电势都不能完全抵消 高次谐波 主要是三次谐波 产生原因 是磁性材料磁化曲线的非线性 磁饱和 磁滞 零点残余电压一般在几十毫伏以下 在实际使用时 应设法减小Ux 否则将会影响传感器的测量结果 减小零点残余电压方法 1 尽可能保证传感器几何尺寸 线圈电气参数及磁路的对称 2 选用合适的测量电路 如采用相敏整流电路 3 采用补偿线路减小零点残余电动势 3 基本特性 当初级开路时 根据电磁感应定律 次级绕组中感应电势的表达式分别为 输出电压的有效值为 活动衔铁处于中间位置时 M1 M2 M 故 Uo 0 活动衔铁向上移动时 M1 M M M2 M M 故 活动衔铁向下移动时 M1 M M M2 M M 故 4 差动变压器式传感器测量电路 问题 1 差动变压器的输出是交流电压 用交流电压表测量 只能反映衔铁位移的大小 不能反映移动的方向 2 测量值中将包含零点残余电压 常常采用差动整流电路或相敏检波电路 1 差动整流电路把差动变压器的两个次级输出电压分别整流 然后将整流的电压或电流的差值作为输出 整流电路的输出电压为 5 差动变压器式传感器的应用 可直接用于位移测量 也可以测量与位移有关的任何机械量 如振动 加速度 应变 张力等 1 加速度传感器 2 力和力矩的测量 1 线圈2 衔铁3 弹性元件 优点 承受轴向力时应力分布均匀 当长径比较小时 受横向偏心的分力的影响较小 3 微小位移的测量 1 测端2 防尘罩3 轴套4 圆片簧5 测