第五章电感式传感器.ppt

电磁感应原理 放在磁通量变化中的导体 会产生电动势 此电动势称为感应电动势 若将此导体闭合成一回路 则该电动势会驱使电子流动 形成感应电流 闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时 导体中就会产生电流 电磁感应 自感现象 当导体中的电流发生变化时 导体本身产生感应电动势 这个电动势总是阻碍导体中原来电流的变化 像这种由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象 称为自感电动势 自感系数L 描述线圈产生自感电动势本领大小的物理量 互感现象 由于一个电路中电流变化 而在邻近另一个电路中引起感生电动势的现象 也就是相互感应 是两个电路间磁力的相互作用 互感 当两个线圈的电流可以互相提供磁通时 就说它们之间存在互感耦合 简称互感 互感系数M 表征两线圈之间产生互感能力的强弱 结构简单 工作可靠 寿命长 灵敏度高 分辨力大 能测出0 01 m甚至更小的机械位移变化 能感受0 1 m的微小角度的变化 传感器的输出信号强 电压灵敏度一般每一毫米可达数百毫伏 因此有利于信号的传输与放大 抗干扰能力强 对工作环境要求不高 线性度优良 输出特性曲线的线性度较好 且比较稳定 精度高 性能稳定 重复性好 电感式传感器的优点 频率响应低 不宜用于快速 动态测量 灵敏度 线性度和测量范围相互制约 电感式传感器的缺点 电感式传感器的分类基本原理 被测量的变化 磁路的磁阻变化 线圈电感量的变化根据转换原理不同 可分为自感式传感器 变磁阻式 互感式传感器 差动变压式 和电涡流传感器三种类型 根据结构形式不同 可分为气隙型和螺管型 电感式传感器的分类根据转换原理不同 可分为自感式传感器 变磁阻式 互感式传感器 差动变压式 和电涡流传感器三种类型 组成 线圈 铁芯 衔铁三部分 a 气隙型 b 截面型 c 螺管型 5 1自感式传感器 变磁阻式 5 1 1气隙型电感传感器 传感器结构 线圈 铁芯和衔铁三部分组成 铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片制成 在铁芯和衔铁之间有气隙 气隙厚度为 传感器的运动部分与衔铁相连 当衔铁移动时 磁路中气隙的磁阻发生变化 引起线圈电感变化 传感器线圈与测量电路连接 将电感量变化转化成U I f 在铁芯和衔铁之间有气隙 传感器的运动部分与衔铁相连 当衔铁移动时 气隙厚度发生改变 引起磁路中磁阻变化 从而导致电感线圈的电感值变化 因此 只要能测出这种电感量的变化 就能确定衔铁位移量的大小和方向 线圈中电感量由下式确定 根据磁路欧姆定律 式中 Rm为磁路总磁阻 气隙很小 可认为气隙中的磁场是均匀的 若忽略磁路磁损 则磁路总磁阻为 根据电感的定义 W匝线圈的自感值为 W 线圈的匝数Rm 磁路总磁阻 气隙很小时 认为气隙磁场分布均匀 总磁阻为 各段导磁体的长度 各段导磁体的磁导率 各段导磁体的截面积 空气隙的厚度 真空磁导率 空气隙截面积 可得电感值的表达式 线圈中放入圆形衔铁 可变自感 螺管型传感器 通常 气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 即 则 磁路总磁阻可表示为 联立W匝线圈的自感值表达式 可得 结论 在S不变时 L为的单值函数 且为非线性反比例函数 在不变时 L为S的单值函数 且为线性正比例函数 如图所示 分别改变和S 可获得L的改变 上式表明 当线圈匝数为常数时 电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数 改变或S 均可导致电感变化 因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙截面积S的传感器 目前使用最广泛的是变气隙厚度式传感器 电感传感器的基本工作原理演示 F 气隙变小 电感变大 电流变小 2 输出特性 变气隙型 L与之间是非线性关系 特性曲线如图所示 当衔铁处于初始位置时 初始电感量为 分析 当衔铁上移时 传感器气隙减小 即 则此时输出电感为 当时 麦克劳林展式展开 可求得电感增量和相对增量的表达式 即 5 1 5 2 同理 当衔铁随被测体的初始位置向下移动时 有 对式 5 2 5 4 作线性处理 即忽略高次项后 可得 5 4 5 3 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 变气隙式电感传感器适用于测量微小位移的场合 与K0 衔铁上移 切线斜率变大 衔铁下移 切线斜率变小 与线性度 衔铁上移 衔铁下移 非线性部分 非线性部分 无论上移或下移 非线性都将增大 1 灵敏度 L 则K 2 线性度 非线性误差 结论 显然 其非线性误差 3 灵敏度和线性度之间存在矛盾 则K 4 如图所示 当正反方向变化时 不相等 不具有对称性 5 为保证一定的灵敏度 气隙传感器只适合测量微小位移场合 在行程较大的场合 一般采用螺线管式传感器 6 为减小非线性误差 实际中一般采用差动变气隙式传感器 为减小非线性误差 实际测量中广泛采用差动式变气隙式电感传感器 1 铁芯2 线圈3 衔铁 衔铁上移时 两个线圈的电感变化量 分别由式 5 1 和 5 3 表示 差动传感器电感的总变化量 具体表达式为 对上式进行线性处理 即忽略高次项得 灵敏度K0为 比较单线圈式和差动式 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的2倍 差动式的非线性项 忽略高次项 单线圈的非线性项 忽略高次项 由于 因此 差动式的线性度得到明显改善 5 1 2变面积型自感式电感传感器 传感器气隙厚度保持不变 令磁通截面积随被测非电量而变 设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同 则此变面积自感传感器自感L为 灵敏度 变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下 输入与输出呈线性关系 因此可得到较大的线性范围 但是与变气隙式自感传感器相比 其灵敏度降低 5 1 3测量电路 电感式传感器的测量电路由交流电桥式 变压器式交流电桥和紧耦合电感比例电桥 1 交流电桥式测量电路 当衔铁下移时 2 变压器式交流电桥测量电路 电桥两臂Z1 Z2为传感器线圈阻抗 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1 2阻抗 当负载阻抗为无穷大时 桥路输出电压 当传感器的衔铁处于中间位置 即Z1 Z2 Z 此时有 电桥平衡 当传感器的衔铁上移 如Z1 Z Z Z2 Z Z 当传感器的衔铁下移 如Z1 Z Z Z2 Z Z 可知 衔铁上下移动相同距离时 输出电压相位相反 大小随衔铁的位移而变化 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 3 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 调频电路 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 具有严重的非线性关系 自感式传感器的特点 灵敏度比较好 目前可测0 1的直线位移 输出信号比较大 信噪比比较好 测量范围比较小 适用于测量较小位移 存在非线性 工艺要求不高 加工容易 变磁阻式传感器的应用 变隙电感式压力传感器结构图 当压力进入膜盒时 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A的指示值就反映了被测压力的大小 5 2互感式传感器 差动变压器式 差动式电感传感器实际上是互感式传感器的一种 利用位移的变化使线圈间互感量M发生变化 从而实现机电转换 互感式传感器结构形式较多 有变隙式 变面积式和螺线管式等 但其工作原理基本相同 差动式电感传感器在医学上使用较广泛 变间隙式差动变压器 螺线管式差动变压器 1 组成 基本结构 衔铁 初级线圈 次级线圈等 次级绕组用差动形式连接 两个初级绕组线圈1和2的同名端顺向串联 为加在初级绕组的激励电压 两个次级线圈3和4的同名端反相串联 其输出电压为 初次级线圈间的耦合程度与衔铁的位置有关 差动变压器与一般变压器不同 一般变压器为闭合磁路 初次级的互感为常数 而差动变压器由于存在铁芯气隙 是开磁路 且初次级的互感随衔铁位移而变化 另外 差动变压器的两个次级线圈的同名端反相串联 根据变压器的基本原理制成的 把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量变化的装置 当一次线圈接入激励电源后 二次线圈就将产生感应电动势 当两者间的互感量变化时 感应电动势也相应变化 1 组成 2 工作原理 激励电压 输出电压 感应电势 感应电势 等效电路图 2 工作原理 当次级开路时 初级线圈激励电流 据电磁感应定律 次级绕组中感应电势的表达式 次级两绕组反相串联 且次级开路 则 输出电压有效值 1 当活动衔铁处于中间位置时 M1 M2 M则U2 0 2 当活动衔铁向W2a方向移动时 故 3 当活动衔铁向W2b方向移动时 故 再求出和的表达式 代入即可 当铁芯偏离中心位置时 输出电压随偏离增大而增加 但上下偏移时输出的相位差180 其有效值的特性曲线如图所示 差动变压器输出电压特性曲线 输出电压的幅值取决于衔铁移动的距离 输出电压的方向取决于衔铁移动的方向 零点残余电压 3 主要特性 1 灵敏度 差动变压器在单位电压激励下 铁芯移动一个单位距离时的输出电压 以V mm表示 输出电压为 灵敏度K与一次侧电压有关 越大 K越高 不能过大 否则引起变压器发热 灵敏度K与一次电压的角频率有关 3 主要特性 1 灵敏度 提高输入激励电压 将使传感器灵敏度按线性增加 除以上因素会影响差动变压器灵敏度外 提高线圈品质因数Q 增大衔铁直径 选择导磁性能好 铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁及导磁外壳等 也可以提高灵敏度 3 主要特性 2 线性度 线性度 传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围 满量程 并用百分数表示 影响差动变压器线性度的因素 骨架形状和尺寸的精确性 线圈的排列 贴心的尺寸和材质 激励频率和负载状态等 改善差动变压器的线性度 取测量范围为线圈骨架长度的1 10 1 4 激励频率采用中频 配用相敏检波式测量电路 3 主要特性 3 零点残余误差 当差动变压器的衔铁处于中间位置时 理想情况下 输出电压为零 但实际上 当使用桥式电路时 在零点仍有一个微小的电压值 称为零点残余电压 3 主要特性 3 零点残余误差 零点残余电压危害 使传感器的输出特性在零点附近的范围内不灵敏 限制分辨力的提高 零点残余电压太大 将使线性度变坏 灵敏度下降 甚至会使放大器饱和 堵塞有用信号通过 致使仪器不再反映被测量的变化 图中e1为差动变压器初级的激励电压 e20包含基波同相成分 基波正交成分 二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等 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 a 残余电压的波形 b 波形分析 产生零点残余电压的原因 基波分量 因为2个二次线圈的不对称性 包括初始M L和R值的不等 造成的E2a和E2b不对称 从而产生E2不为零 高次谐波 由于铁芯磁化曲线的非线性造成感应形成非正弦的感应电势 从而产生高次谐波 减小零点残余电压措施 在设计和工艺上 力求做到磁路对称 线圈对称 铁芯材料要均匀 要经过热处理 去除机械应力和改善磁性 选用合适的测量电路 采用相敏检波电路 不仅可鉴别衔铁的移动方向 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 在电路上进行补偿 线路补偿主要有 加串联电阻 加并联电容 加反馈电阻或反馈电容等 采用补偿线路 由于两个次级线圈感应电压相位不同 并联电容可改变绕组的相位 也可将电容C改为电阻 并联电阻R是为了利用R的分流作用 使流入传感器线圈的电流发生变化 从而改变磁化曲线的工作点 减小高次谐波所产生的残余电压 图b中串联电阻R 可以调整次级线圈的电阻分量 在次级绕组侧 并联电位器W 用于电气调零 改变两个次级线圈输出电压的相位 电容C可防止调整电位器时使零点移动 4 测量电路 能辨别移动方向 消除零点残余电压 1 差动整流电路 2 相敏检波电路 1 差动整流电路 全波整流电路 铁芯上移 1 正半周 次级线圈感应电压的正半周 电路上半部分电流路径 f g d c h e 此时 UC1 E21 UC2 E22 所以 UC1 UC2电路下半部分电流路径 无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何 整流电路的输出电压Usc始终为 Usc Ucd Uab 所以 Usc Ucd Uab UC1 UC2 E21 E22 0次级线圈的输出瞬时电压为负极性 1 差动整流电路 全波整流电路 铁芯上移 1 负半周 次级线圈感应电压的负半周 电路上半部分电流路径 e h d c g f 此时 UC1 E21 UC2 E22 所以 UC1 UC2电路下半部分电流路径 整流电路的输出电压Usc为 Usc Ucd Uab UC1 UC2 E21 E22 0次级线圈的输出瞬时电压仍为负极性 Usc的正负表示衔铁位移方向 Usc的大小表示衔铁位移大小 1 差动整流电路 全波整流电路 铁芯下移 1 正半周 次级线圈感应电压的正半周 电路上半部分电流路径 f g d c h e 此时 Usc Ucd Uab E21 E22 0 2 负半周 次级线圈感应电压的负半周 电路上半部分电流路径 e h d c g f 此时 Usc Ucd Uab E21 E22 0次级线圈的输出瞬时电压始终为正极性 Usc的正负表示衔铁位移方向 Usc的大小表示衔铁位移大小 1 差动整流电路 全波整流电路 2 相敏检波电路 er e 铁芯在中间位置时 e 0 只有er作用 在er正半周期 A B VD1 VD2导通 R1和R2上的压降UCB和UDB大小相等 方向相反 所以输出电压UCD 0 在er负半周期 A B VD3 VD4导通 R1和R2上的压降UBC和UBD大小相等 方向相反 所以输出电压UCD 0 2 相敏检波电路 铁芯上移时 e 0 e和er同相 在er正半周期 A B VD1 VD2导通 EVD1回路 er e 2EVD2回路 er e 2则回路电流 i1 i2输出电压UCD R0 i1 i2 0 2 相敏检波电路 铁芯上移时 e 0 e和er同相 在er负半周期 A B VD3 VD4导通 EVD3回路 er e 2EVD4回路 er e 2则回路电流 i4 i3输出电压UCD R0 i4 i3 0 铁芯下移时 e 0 e和er反相 同理可得 UCD 0 2 相敏检波电路 衔铁在中间位置时 无论参考电压是正半轴还是负半周 在负载R0上的输出电压始终为0 衔铁在零位以上移动时 无论参考电压是正半轴还是负半周 在负载R0上得到的输出电压始终为正 衔铁在零位以下移动时 无论参考电压是正半轴还是负半周 在负载R0上得到的输出电压始终为负 由此可见 该电路能判别铁芯移动方向 经过相敏检波电路后 正位移输出正电压 负位移输出负电压 差动变压器的输出经过相敏检波以后 特性曲线由图 a 变成图 b 残余电压自动消失 相敏检波前后的输出特性曲线 5 应用 测量振动 厚度 应变 压力 加速度等各种非电量 1 差动变压器式加速度传感器 用于测定振动物体的频率和振幅时 其激磁频率必须是振动频率的十倍以上才能得到精确的测量结果 可测量的振幅为 0 1 5 mm 振动频率为 0 150 Hz 2 微压力变送器 将差动变压器和弹性敏感元件 膜片 膜盒和弹簧管等 相结合 可以组成各种形式的压力传感器 这种变送器可分档测量 5 105 6 105 N m2压力 输出信号电压为 0 50 mV 精度为1 5级 3 螺线管式差动变压器的应用 4 液位测量 沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化 再转换为电感的变化 差动变压器的输出反映液位高低 5 3电涡流式传感器 利用电涡流效应 将位移 温度等非电量转换为电感的变化 涡流式传感器可测量位移 厚度 加速度 温度等 其本身不与被侧对象接触 在一些生理测量工作中 这种传感器具有独特的优点 优点 1 被测对象可以脱离电源 2 传感器对被测对象不产生附加阻力 电涡流式传感器的敏感元件是线圈对表面为金属导体的物体进行多种物理量的非接触测量 1 工作原理 金属导体置于变化的磁场中 或者让金属导体在磁场中运动 即作切割磁力线运动 时 金属块内将产生感应电流 这种电流在金属块内自成闭合回路 很像水的旋涡 这种一圈圈闭合的电流称为电涡流 称这种现象为电涡流效应 涡流式传感器的基本原理 利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应 形成电涡流必须具备的两个条件 存在交变磁场导电体处于交变磁场中 线圈置于金属导体附近 1 工作原理 线圈中通以高频信号 正弦交变磁场 金属导体内产生涡流 涡流产生磁场 电感变化程度取决于线圈L的外形尺寸 线圈L至金属板之间的距离 金属板材料的电阻率 磁导率等 反作用于线圈 改变了电感 基本组成 一个载流线圈和一个金属导体 电涡流式传感器的基本组成 一个载流线圈和一个金属导体 工作原理 一个通有正弦交变电流的传感器线圈 由于电流的变化 在线圈周围产生正弦交变磁场 当被测导体置于该磁场内 则在被测导体内产生涡流 电涡流也将产生新的交变磁场 与的方向相反 由于的反作用 使线圈电感量发生变化 1 工作原理 电磁炉的工作原理 高频电流通过励磁线圈 产生交变磁场 在铁质锅底会产生无数的电涡流 使锅底发热 烧开锅内食物 2 等效电路 把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流 短路环可以认为是一匝短路线圈 其电阻为R2 电感为L2 这样线圈与被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈 线圈与导体间存在一个互感M 它随线圈与导体间距x的减小而增大 2 等效电路 根据等效电路 可列出电路方程组为 联立得 可得传感器线圈的等效电阻和等效电感为 结论 只要有涡流存在 电阻值就会增大 随着导体与线圈之间距离的减小 M增大 而增大 电涡流产生一个与原磁场方向相反的磁场 并由此减小线圈电感 线圈与导体间距离越小 M