4.3 电感式传感器

4 3电感式传感器 电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现测量的一种装置 可以用来测量位移 振动 压力 流量 重量 力矩等各种非电物理量 位移 振动 压力 流量 重量 力矩 电感 电压 电流 优点 结构简单 寿命长 灵敏度高 1mm 几百mV 分辨力好 0 01 m 重复性好 线性度优 缺点 频率响应较低 不宜快速动态测量 分辨力与测量范围有关 测量范围小 分辨力高 反之则低 分类 电感式传感器 变面积型自感传感器 螺线管型自感传感器 变间隙型自感传感器 差动变压器式传感器 4 3 1自感式传感器 图4 25简单自感传感器结构示意图a 变气隙式b 变面积式c 螺管式 图4 25是简单自感传感器结构的示意图 它由线圈 铁心和衔铁所组成 线圈是套在铁心上的 4 3 1 1简单自感式传感器的原理及特性 自感式电感传感器的原理及特性 右图是简单自感传感器结构的示意图 在铁心与衔铁之间有一个空气隙 其厚度为 根据磁路的基本知识 传感器线圈的电感量可按下式计算 式中 为线圈匝数 为以平均长度表示的磁路的总磁阻 如果空气隙厚度较小 而且不考虑磁路的铁损 则总磁阻为 因为一般空气隙的磁阻比导磁体的磁阻大很多 故在计算时 可忽略导磁体磁阻 则有 式中 为各段导磁体的磁路平均长度 为各段导磁体的磁导率 为各段导磁体横截面积 为空气隙的磁导率 H cm 为空气隙截面积 1 变气隙式自感传感器的工作特性 因此 其灵敏度随气隙的增大而减小 由上页分析可知线圈的电感值可近似地表示为 变气隙式自感传感器的工作特性 当时 电感变化量为 同理当时 电感变化量为 式中第一项为线性项 其灵敏度为 而第二项以后是非线性项 含有n次方的非线性 若仅考虑二次方非线性 其非线性误差为 由此可看出变气隙式自感传感器的特点 灵敏度高 测量范围小 但非线性误差大 为减小非线性误差 不能太大 通常取为宜 2 变截面积式自感传感器的工作特性 铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面改变 导致线圈的电感量发生变化 这种形式称之为变面积型电感传感器 见图1 L与 是非线性的 但与S成线性 特性曲线参见图 由此可看出变截面积式自感传感器的特点 测量范围较大 非线性误差小 但灵敏度较低 3 螺管式自感传感器的工作特性 下图为其结构原理图 衔铁随被测物移动 引起磁阻发生变化 导致电感量改变 线圈电感量与衔铁进入线圈的长度可表示为 通过以上分析可得结论 I 变间隙型灵敏度较高 但非线性误差较大 II 变面积型灵敏度较小 但线性较好 量程较大 III 螺管型灵敏度较低 但量程大且结构简单 4 3 1 2差动式电感传感器 由于自感传感器具有初始电感 线圈流向负载的电流不为零 衔铁永远受有吸力 线圈电阻受温度影响引起温度误差 灵敏度低等缺点 因此 实际中应用较少 常用差动自感传感器 差动自感传感器 用两个相同的传感线圈共用一个衔铁 构成差动式电感传感器 这样可以提高传感器的灵敏度 减小测量误差 变气隙式差动自感传感器原理见图4 26 它由一个公共衔铁和上 下两个对称的线圈L1和L2组成 当衔铁向上位移 在差动自感传感器中 电感变化量 变气隙式差动自感传感器的特性分析 上式中第一项是线性项 其灵敏度为 可见 差动自感传感器的灵敏度是简单自感传感器的2倍 差动自感传感器仅含奇次方非线性项 其三次方非线性误差为 非线性得到很大的改善 同理 变面积式和螺管式差动自感传感器也能得到提高灵敏度和改善线性度的同样的结论 图4 26变气隙式差动自感传感器 4 3 1 2测量电路 图4 27变压器式交流电桥 1 基本测量电路基本测量电路通常采用交流电桥 如图4 27所示 电桥的两臂和为差动自感传感器中的两个线圈的阻抗 另两臂为电源变压器二次线圈的两半 每一半的电压为 输出电压取自A B两点 假定0点为参考零电位 则A点的电压为 B点的电位为 则有输出电压 4 56 当衔铁处于中心位置时 由于两线圈完全对称 因此 代入式 4 56 得 当衔铁向下移动时 下面线圈的阻抗增加 即 而上面线圈的阻抗减小 即 故此时的输出电压为 若传感器线圈为高值 即线圈电阻远远小于其电感阻抗 即时 其输出电压的有效值为 式中 为电源角频率 同理 当传感器衔铁上移同样大小的距离时 可推得 其有效值为 比较式 4 57 和式 4 59 可知 当衔铁向上移动和向下移动相同距离时 其输出大小相等 方向相反 由于电源电压是交流 所以尽管式中有正负号 还是无法加以分辨 带相敏整流的交流电桥 图4 28带相敏整流的测量电桥 当衔铁处于中间位置时 电桥处于平衡状态 输出电压 当衔铁上移 使上线圈阻抗增大 而下线圈阻抗减少 设输入交流电压为正半周 即A点为正 B点为负 则二极管VD1 VD4导通 VD2 VD3截止 在A E C B支路中 C点电位由于的增大而比平衡时C点的电位降低 在A F D B支路中 D点电位由于的降低而比平衡时D点的电位增加 即D点电位高于C点电位 此时直流电压表正向偏转 设输入交流电压为负半周 即A点为负 B点为正 则二极管VD2 VD3导通 VD1 VD4截止 在B C F A支路中 C点电位由于的减小而比平衡时降低 带相敏整流的交流电桥 而在B D E A支路中 D点电位由于的增加而比平衡时的电位增加 所以仍然是D点电位高于C点电位 直流电压表正向偏转 只要衔铁上移 不论输入电压是正半周还是负半周 电压表总是正向偏转 即输出电压总为下正上负 用同样的分析方法 当衔铁下移时 而 无论交流电压的极性如何 电压表总是反向偏转 即输出电压总是上正 下负 可见 采用带相敏整流的交流电桥 输出信号既能反映位移的大小 又能反映衔铁运动的方向 并能消除零点残余电压 改善输出特性 其输出特性见图4 29b 带相敏整流的交流电桥 由于传感器的结构不可能绝对对称 输入交流电压含有高次谐波等原因 衔铁在中间位置时输出电压不等于零而等于较小的电压 称为零点残余电压 不带相敏整流电路的变压器桥路的输出特性 见图4 29a 图4 29变压器桥路的输出特性a 不带相敏整流电路的输出特性b 带相敏整流电路的输出特性 2 数字化测量电路 阻抗测量的数字化仪器已得到日益广泛的应用 它具有测量精度高 反应迅速 使用方便等优点 图4 30阻抗的数字化测量原理框图 相敏检波电路 图4 30被测阻抗接在运算放大器A1的输入回路 适用于测量较小的阻抗 若测量较大的阻抗 可将被测阻抗替代运算放大器A1中的 原来被测阻抗的位置接一个精密的固定电阻 该电路是电感和电容两用的测量电路 图4 31相敏检波电路 4 3 1 4自感传感器应用实例 1 JGH电感测厚仪 图4 32JGH测厚仪电路原理图 2 BYM型压力传感器 图4 33BYM型压力传感器 4 3 2差动变压器式传感器 差动变压器式传感器的工作原理是把被测量的变化转换成互感系数的变化 传感器本身是互感系数可变的变压器 故又称互感式传感器 由于其二次侧接成差动形式 相同的同名端相接 故又称为差动变压器式传感器 4 3 2 1差动变压器的结构和工作原理 差动变压器由铁芯 骨架和两个或多个二次线圈组成 见图4 34a 在差动变压器的一次侧绕组通以适当频率的激励电压 当铁芯随被测量的变化作上 下位移时 一次侧绕组对两个对称的二次侧绕组之间的互感也作相应的变化 因此两个二次侧绕组的感应电动势和也作相应的变化 从而将位移转换成输出电压 见图4 34b 图4 34差动变压器的结构 原理及其输出特性a 结构图b 原理图c 输出特性 当铁芯向上移动时 U0的幅值为 当铁芯向下移动时 U0的幅值为 差动变压器输出阻抗的模为 1 等效电路计算 图4 35差动变压器的等效电路a 等效电路b 简化等效电路 4 3 2 2差动变压器的基本特性 1 等效电路当忽略差动变压器的涡流损耗 磁滞损耗和分布电容等影响时 则可以看作是一个理想的差动变压器 其等效电路见图4 35a 2 灵敏度差动变压器的灵敏度是指在单位励磁电压下 铁心移动单位位移时的输出电压或电流 以V mm V 或mA mm V 表示 一般差动变压器的灵敏度可达0 1 0 5V mm V 或100mA mm V 3 线性范围理想的差动变压器二次侧输出电压应与铁心位移成线性关系 实际上由于铁心的长度 直径 材质和线圈骨架的形状 大小的不同均对线性度有直接的影响 差动变压器一般线性范围约为线圈骨架长度的1 10 1 4 由于差动变压器中间部分磁场是均匀的且较强 所以只有中间部分线性度较好 4 温度特性差动变压器受温度影响机械结构的膨胀 收缩 线圈电阻的变化 会使测量精度下降 由于机械部分热胀冷缩 影响测量精度达数 m到10 m左右 如果要把机械部分的温度影响限制在1 m的范围内 则需把差动变压器在使用环境中放置24h后 方可进行测量 一般使用温度为80 当差动变压器铁心位于中间位置时 由于对称的两个二次线圈反向串联 理论上感生电动势应大小相等方向相反 因而差动输出电压应该为零 但实际情况并不为零 总会有一个很小的输出电压U0 这个电压一般称为 零点残余电压 使传感器的输出特性不过零点 见图4 36a I 尽可能保证传感器几何尺寸 线圈电气参数玫磁路的对称 磁性材料要经过处理 消除内部的残余应力 使其性能均匀稳定 II 选用合适的测量电路 如采用相敏整流电路 既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性 减小零点残余电动势 采用补偿线路减小零点残余电动势在差动变压器二次侧串 并联适当数值的电阻电容元件 当调整这些元件时 可使零点残余电动势减小 减小零点残余的方法 U0约为零点几mV到几十mV 5 零点残余电压及其消除方法 图4 36零点残余电压及其消除方法之一a 零点残余电压b 带相敏整流电路的特性曲线 一些典型的补偿电路 图4 37补偿电路a 电阻补偿b 电容补偿c 阻容补偿 4 3 2 3差动变压器的测量电路 差动变压器最常应用的测量电路是差动整流电路 见图4 38 把两个二次电压分别整流后 以它们的差为输出 ab端 这样 二次电压的相位和零点缺余电压都不必考虑 图4 38中的图a和图b用在连接低阻抗负载的场合 是电流输出型 图c和图d用在连接高阻抗负载的场合 是电压输出型 图4 38差动变压器的测量电路a 全波整流电流输出型b 半波整流电流输出型c 全波整流电压输出型d 半波整流电压输出型 4 3 2 4差动变压器的应用实例 1 CPC A型差压计 图4 39CPC A型差压计 图4 40T1和T2组成的无差平衡系统 2 差动变压器式电子秤 图4 42差动变压器式电子秤原理示意图 3 差动变压器式加速度传感器 图4 43差动变压器式加速度传感器 4 差动变压器式角位移传感器 差动变压器也可以做成改变导磁截面积的变截面型传感器 用来测量角位移 其结构见图4 44 它通常可测到几角秒的微小位移 输出的线性范围一般在 10 左右 这种传感器又称微同步器 图4 44差动变压器式角位移传感器 4 3 3电涡流式传感器 成块的金属在交变磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时 金属内部会产生感应电动势形成电流 这种电流就称电涡流 基于电涡流效应工作的传感器 称为电涡流式传感器 最大特点是可以对一些参数进行非接触的连续测量 动态响应好 灵敏度高 测量线性范围大 300 m 1000mm 抗干扰能力强 涡流传感器可分为高频反射和低频透射两类 4 3 3 1高频反射涡流传感器 高频反射涡流传感器是一只固定在框架上的扁平线圈 图4 45高频反射电涡流传感器原理 当没有测量体接近时 传感器的线圈由于高频电流的激励 将产生一个高频交变磁场 当被测导电体靠近传感器时 根据电磁感应定律 在被测导电体的表面将产生与交变磁场相交链的电涡流 涡流作用范围一般为线圈外径的1 4倍 此涡流又将产生一磁场 而总是抵抗的存在 被测导体靠近通有高频电流的传感器时 除存在涡流效应外 还存在磁效应 结果改变了传感器的电参数 使线圈的Q值下降 传感器工作的等效电路见图4 46 图4 46电涡流传感器的等效电路 图4 47谐振特性曲线 图4 48传感器输出特性曲线 4 3 3 2低频透射传感器 低频透射式电涡流传感器采用低频激励 因而能得到较大的贯穿深度 用于测量金属的厚度 图4 49低频透射式电涡流传感器原理 图4 50不同激磁频率的关系曲线 4 3 3 3测量电路 根据电涡流传感器原理 被测参数变化可以转换成传感器线圈的Q值 等效阻抗和等效电感的变化 利用测量电路把这些参数转换为电量输出 其测量电路可采用谐振测量电路 也可采用电桥电路 谐振测量电路根据其输出是电压的幅值还是频率 又可分为调幅和调频两种 1 桥式测量电路 为了提高稳定性和灵敏度 对差动式传感器可采用桥式测量电路 电路原理见图4 51 图4 51桥式测量电路 2 谐振幅值测量电路 见图4 52 传感器线圈和固定电容组成并联谐振回路 由石英晶体振荡器提供频率 1MHz 稳定的高频激励电流 在无被测导体时 使电路的谐振回路谐振频率为 图4 52谐振幅值测量电路 3 调频测量电路 测量电路见4 53 传感器线圈作为一个电感元件接入振荡器中 该测量电路由两大部分组成 即电容三点式振荡器和射极输出器 电容三点式振荡器产生高频正弦波 其频率随传感器线圈的变化而变化 该频率信号通过耦合到射极输出器 再由频率计测量输出频率的大小 图4 53调频测量电路 4 3 3 4电涡流传感器的应用实例 1 厚度测量利用电涡流传感器无接触地测量金属板的厚度的原理见图4 54 被测金属板的厚度为 图4 54电涡流传感器测量厚度实例 2 转速测量在旋转体的轴上刚性连接上开有n个槽或齿轮的金属调制盘 在旁边安装电涡流传感器 当旋转体转动时 金属调制盘与传感器的距离周期性地改变 传感器输出信号也周期性改变 经放大和整形后变成一系列脉冲 可用数字频率计进行测量 图4 55电涡流传感器测量转速的原理 4 3 4压磁式传感器 4 3 4 1工作原理当铁磁材料受机械力作用时 其内部产生应变 引起磁导率的变化 当外加机械力消失后 磁导率复原 通常把在机械变形作用下 所引起的磁性质的变化称为压磁效应 铁磁材料的压磁效应的规律是 受拉力作用时 在力作用方向提高 而在与作用力垂直的方向 降低 受到压力作用时 的变化刚好与上述相反 压磁式传感器 利用铁磁材料在外力作用下磁导率的变化的这一规律 构成了压磁传感器 图4 56压磁传感器的工作原理 图4 57压磁传感器的输出特性 压磁式传感器