4.3 电感式传感器

1,4.3电感式传感器,把被测量转换为电感变化的一种传感器,基于电磁感应原理，把被测量转化为电感线圈的自感系数或互感系数变化的装置,2,【互感M】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。用互感系数来表示器件在互感现象方面的特性，代号M。,【自感L】电路中因自身电流变化而引起感应电动势的现象。用自感系数来表示器件（如线圈）在自感现象方面的特性，代号L。,3,主要优点有：,结构简单，工作可靠灵敏度高，分辨力高（目前达到0.01um）测量精度高，示值误差一般为示值范围的0.1%0.5%零点稳定、输出功率大,灵敏度、线性度和测量范围相互制约,主要缺点有：,电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。,4,传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移引气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。,1.自感式传感器-变磁阻式,5,如果空气隙较小，且忽略磁路铁损时，磁路总磁阻为：,因此有：,由于电感传感器的铁心一般工作在非饱和状态下，其导磁率远大于空气隙的导磁率，因此铁心磁阻远较气隙磁阻小，因此：,6,L与气隙成反比，与气隙导磁面积A0成正比。,1）自感传感器类型:,7,传感器灵敏度为：,变面积型自感传感器的自感与面积成线性关系，但这种传感器的灵敏度较低。,变面积式,8,变间隙式,传感器灵敏度为：,气隙愈小，则灵敏度S愈高。由于S不是常数，会产生非线性误差，因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。由于气隙变化甚小，即远小于0时（一般要求小于10倍以上），S进一步近似为：,此时S可近似为常数。因此，这种传感器一般只适用于大约0.0011mm范围的小位移测量。,对于变间隙式,改善非线性，提高灵敏度的方法如下:接成差动型,9,螺管式,螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。,根据结构形式，自感传感器可分为：气隙型、螺线管,rc,10,可以看出，插入铁芯后，线圈电感的增量和相对增量均与铁芯的插入深度X成正比。如果螺管内磁场强度均匀分布的范围大，就可以获得较大的线性位移传感器。,这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移测量。,为了提高灵敏度和线性度，常采用差动螺管式电感传感器。,11,变间隙型：气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非线性严重，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，制造装配困难。,变面积型：灵敏度较低，优点是具有较好的线性，因而测量范围可取大些。,螺管型：灵敏度比变面积型的更低，但示值范围大，线性也较好，得到广泛应用。,三种类型比较：,12,2）差动式自感传感器:,在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。,13,下图是变气隙型及螺管型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。,1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆,（a）变气隙型,（c）螺管型,14,变气隙型差动式自感传感器,衔铁下移：,上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在工作范围内要比单个自感传感器的小得多。,单个工作：,差动工作：,15,较大行程的位移测量,常利用差动螺管式自感传感器,将两差动电感接入交流电桥的相邻桥臂,16,何谓涡流？,在许多电工设备中都存在大块导体(如发电机和变压器的铁心和端盖等)。当这些大块导体处在变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时，其内部都会感应出电流。这些电流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路，呈旋涡状流动。因此，称之为涡旋电流，简称涡流。例如，含有圆柱导体芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流，如图所示。,当交变电流通过导线时，感应电流（涡流）将集中在导体表面流通，尤其当频率较高时，此电流几乎是在导体表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的集肤效应现象。,2.自感式传感器-涡流式,17,交变电流频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小，其穿透深度：,可见，涡流穿透深度与激励电流频率有关，所以根据激励频率高低，涡流传感器可分为：高频反射式和低频透射式两大类。前者用于非接触式位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。,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、厚度、转速、振动等参数，以及用于无损探伤领域。,由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛，因此本节主要介绍高频反射式电涡流传感器。,18,高频反射式,如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为，当线圈输入一交变电流i1时，便产生交变磁通量1，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i2，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。这种涡电流也将产生交变磁场2，与线圈的磁场变化方向相反，2总是抵抗1的变化，由于涡流磁场2的作用使原线圈的等效阻抗发生变化。,涡电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。,1MHz,19,一般讲，线圈的阻抗变化与金属导体的电阻率、磁导率、线圈与金属导体的距离以及线圈激励电流的频率等参数有关。,即，线圈阻抗是这些参数的函数，可写成,20,若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。,利用变换量、等的综合影响，可以做成探伤装置等。,其应用大致有下列四个方面：,利用位移作为变化量，可以测被测量位移、厚度、振动、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；,利用材料电阻率作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器,利用磁导率作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；,21,测量电路：,阻抗分压式调幅电路和调频电路,并联谐振回路,阻抗分压式调幅电路,是以传感线圈与调谐电容组成并联LC谐振回路，由石英震荡器提供高频激磁电流，测量电路的输出电压正比于LC谐振电路的阻抗Z,因而传感线圈与被测体之间距离的变化，引起Z的变化，使输出电压跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法,22,调频电路,调频法是以LC振荡回路的频率作为输出量。,当金属板至传感器之间的距离发生变化时，将引起线圈电感的变化，从而使振荡器的频率发生变化，再通过鉴频器进行频率电压转换，即可得到与成比例的输出电压。,23,基本结构：,高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸、形状对整个测量系统的性能将产生重要的影响。一般情况下，线圈的导线采用高强度漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下，需要用高温漆包线。,24,分析上表得出结论：线圈外径与测量范围及分辨力之间有何关系？,线圈外径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差。,25,26,27,大直径电涡流探雷器,28,应用,1.位移测量,如：气轮机主轴的窜动，金属材料的热膨胀系数，钢水液位，流体压力等。日本用电涡流传感器成功完成了北海道高速铁路的铁轨位移检测。,2.转速测量,在旋转体上加装一个槽状或齿状（槽数或齿数为N）金属体，旁边安装一个电涡流传感器，当旋转体转动时，电涡流传感器将周期地改变输出信号，由频率计数，求出转速：,3.电涡流探伤,可以检查金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处的质量探伤等。统称探伤。,探伤时传感器与被测导体保持距离不变，由于裂纹出现，将引起导体电阻率、磁导率变化，也可以说是裂纹处位移变化，即涡流损耗改变，从而引起输出电压变化。,29,涡流振动测量,涡流转速测量,30,31,利用涡电流传感器测量物体位移时，如果被测物体是塑料材料，此时能否进行位移测量？为了能对物体进行位移测量应采取什么措施。,思考,1电涡流传感器不能测量塑料物体移动的位移，因为检测对象错误。塑料不能产生涡流，要在塑料上加装金属材质的物体。,32,电涡流的应用在我们日常生活中经常可以遇到,干净、高效的电磁炉,33,电磁炉内部的励磁线圈,34,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，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。,35,3互感式传感器,（差动变压器式传感器）,工作原理：电磁感应中的互感现象。,互感M与两线圈的相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，表明两线圈之间的耦合程度。,36,差动变压器分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。,（一）结构原理与等效电路,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。所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器。,37,设差动变压器一次线圈加励磁电压的角频率为；为一次线圈有效电阻；为一次线圈电感；为一次线圈与二次线圈I之间的互感；为一次线圈与二次线圈之间的互感；,（二）工作原理,38,测量前，可动衔铁处于中间位置，由于二次线圈的参数相同，此时0，变压器无输出。测量时，可动衔铁偏移，两线圈互感量发生变化，设，由于两者为差动，衔铁在一定范围内有，故在输出端开路情况下，输出为：此式表明：当线圈参数和确定后，变压器的输出电压由决定。而与螺管内磁场变化有关，磁场的变化取决于可移动衔铁的位移量。因此，在衔铁位移的一定范围内，与衔铁位移有近似线性关系,39,差动变压器的输出电压为交流，它与衔铁位移成正比。用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。,40,同时由于两个次级线圈结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材料不均匀、线圈间分布电容等原因，会造成交流电压输出存在一定的零点残余电压。即当衔铁处于中间位置时，输出电压不为零。,因此为补偿零点残余电压，同时使输出值能反映铁芯位移的方向，常采用差动整流电路或差动相敏检波电路。,41,（三）测量电路,1、差动整流电路,全波整流电路和波形图,根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。,在f点为“”，电流:fgdchef点为“”，则电流:ehdcgf。,42,2、相敏检波电路容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中调制电压er和e同频，经过移相器使er和e保持同相或反相，且满足ere。调节电位器R可调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。,当铁芯下移时，e和er相位相反。同理可得UCDe，故er正半周时D1、D2仍导通，但D1回路内总电势为er(1/2)e，而D2回路内总电势为er(1/2)e，故回路电流i1i2输出电压UCD=R0（i1i2）0。当er负半周时，UCD=R0(i4-i3)0，因此铁芯上移时输出电压UCD0。,由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。,43,相敏检波前后的输出特性曲线,（a）,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（b），残存电压自动消失。,（b）,44,1.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(0.15)mm，振动频率为(0150)Hz。,（四）应用,45,2.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