第06章 电感式

,第6章电感式传感器,电感式传感器可分为两大类：,根据工作原理亦可分为：,6.1.1工作原理,6.1自感式电感传感器,线圈电感值计算：,线圈匝数,I为线圈中所通交流电的有效值。,磁通,磁链,总磁阻,两式联立得:,若气隙厚度较小，可以认为空气隙磁场是均匀的，忽略磁路铁损，则总磁阻为磁路中铁芯，空气隙和衔铁的磁阻之和，即,式中l1磁通通过铁芯的长度；S1铁芯横截面积；1铁芯的磁导率；l2磁通通过衔铁的长度；S2衔铁横截面积；2衔铁的磁导率；空气隙厚度；S0空气隙横截面积；0空气的磁导率；,因为铁芯和衔铁为导磁性材料，其磁阻与空气隙磁阻相比很小，即：,有：,如果S保持不变，则L为的单值函数，构成变气隙厚度式传感器,若保持不变，使S0随被测量（如位移）变化，则构成变气隙面积式自感传感器,，S,L,L=f(S),L=f(),图6-2电感传感器特性,衔铁下移,6.1.2变气隙厚度式自感传感器的输出特性,假设初始气隙为0，则初始电感为:,忽略高次项：,电感相对变化,衔铁上移,忽略高次项：,a）灵敏度和线性度之间存在矛盾，即0减小时，灵敏度K提高，但非线性误差L增加。b)为保证一定的线性度，一般空气的气隙只能在较小的范围内变化微小的位移，因此只适用于较小位移的检测，如果要测较大位移，可采用螺管形式的电感传感器。c)为减小非线性误差实际测量中广泛采用差动结构（两个线圈，一个可动衔铁），灵敏度是原来的两倍，非线性误差大大降低。,结论：,6.1.3螺管式自感传感器,图6-3螺管式电感传感器,1工作原理属于一种开磁路结构形式，铁芯在线圈中伸入长度的变化引起磁阻的变化，从而引起螺管线圈电感值的变化。,其沿着轴向的磁场强度H为,还可看出，只有在线圈中段才有较好的线性关系，这时H的变化比较小。,图6-4螺线管线圈内磁场分布,2.特性分析,1）对长度为l，半径为r的W匝单层线圈，铁芯未插入，其电感为,2）铁芯全部插入,3）若铁芯插入线圈长度lc,4)当插入的铁芯变化lc（伸入）时,电感的变化量为,相对变化量,图6-5差动式自感传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆,（a）变气隙型,（b）变面积型,（c）螺管型,由两只完全对称的单磁路自感电感传感器合用一个活动衔铁组成。,6.1.4差动式自感传感器,变气隙型差动式自感传感器,衔铁下移：,忽略高次项：,提高一倍,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。,差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点：线性好；灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。,6.1.5自感式传感器的等效电路,实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线圈的铜损电阻RC；铁芯的涡流损耗电阻Re；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数C表示。,图6-6等效电路,设RS=RC+Re,为总等效损耗电阻，则等效阻抗,等效电感,6.1.6自感式传感器的测量电路,1.交流电桥式测量电路,图6-7交流电桥,设初始时Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R；L1=L2=L0。,对差动变气隙式自感传感器：,可见，电桥输出电压与有关，相位与衔铁移动方向有关。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。,当线圈的品质因数Q很高时,4,3,2,1,-,1、2为两线圈的电感特性，,3为两线圈差接时的电感特性，,曲线4为差接后电桥输出电压与位移间的特性曲线。,说明：电桥输出电压的大小与衔铁的位移量有关，相位与衔铁的移动方向有关。,若设衔铁向上移动为负，则U0为负；衔铁向下移动为正，则U0为正，相位差180。,图6-8变压器交流电桥,电桥A点的电位为：,B点电位为,2.变压器式交流电桥,初始位置,衔铁下移,衔铁上移,若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则,当衔铁向上，向下移动形同的距离时，产生的输出电压大小相等，但极性相反。由于输出是交流电压，必须配合相敏检波电路才可判断位移的方向。,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。,图6-9谐振式调幅电路,3.谐振式测量电路,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。,图6-10谐振式调频电路,6.2.1工作原理变压器式传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测量转换成线圈互感的变化。上下两只初级线圈串联后接交流激励电压Usr,两只次级线圈按电势反向串接。,6.2差动变压器式传感器,图6-11E型差动变压器,6.2.2差动变压器式传感器的结构类型和主要特性,1.结构类型,图6-12各种差动变压器的结构示意图,螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。,图6-13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,(a)二节式(b)三节式(c)四节式(d)五节式,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。,图6-14差动变压器的等效电路,LP,RS2,LS1,M1,M2,LS2,RS1,RP,差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：,2.主要特性,在初始状态，次级开路时，初级绕组的交流电流为：,次级绕组的感应电动势为：,式中M1及M2为初级与次级之间的互感系数，其值分别为,其有效值为,由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为,衔铁处于中间位置时，M1=M2=M，U0=0衔铁上升时，M1=M+M，M2=M-M,衔铁下降时，M1=M-M，M2=M+M,与U1同极性,与U2同极性,灵敏度K的表达式为,分析结论：首先，供电电源Ui要稳定；其次，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值，但要以变压器铁芯不饱和以及允许温升为条件。增加W2/W1的比值和减小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等条件下得到的，如果考虑这些影响，将会使传感器性能变差（灵敏度降低，非线性加大等）。,差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移动方向，要进行解调。常用解调电路有：差动相敏检波与差动整流电路。,（1）差动相敏检波电路。（P128）相敏检波电路要求参考电压与差动变压器次级输出电压频率相同，相位相同或相反；因此常接入移相电路。为提高检波效率，参考电压幅值取为信号的35倍。,6.2.3差动变压器的测量电路,（2）差动整流电路。,图6-16差动整流电路,6.3电涡流式传感器,图6-18电涡流传感器原理图,涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数,6.3.1工作原理,6.3.2电涡流传感器的等效电路,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。,图6-19电涡流传感器等效电路,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。,根据克希霍夫定律，可列出下面的方程：,传感器线圈的等效阻抗为：,线圈的等效电阻和电感为：,线圈本身电阻,涡流热效应产生的电阻,本身电感,电涡流效应造成的,可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数Q下降。常称其变化部分为“反射阻抗”。,品质因素为：,6.3.3测量电路,传感器线圈L与电容C共同组成并联谐振回路，谐振频率为：,线圈等效电感改变，必然导致回路阻抗或谐振频率变化，从而可间接测量被测参数，对应测量电路：调幅电路调频电路,1.调幅式电路,图6-20调幅式测量电路原理框图,恒流源石英晶体振荡器供电。没有被测物体时，并联谐振回路的谐振频率等于激励振荡器的频率f0，此时LC并联回路呈现阻抗最大。,谐振回路上输出电压U0最大为：U0=I0Z,测量时，传感器等效电感随x而改变，LC回路失谐，输出信号频率虽仍为电源频率，但幅值随x变化，即x对输出信号存在调幅作用。,图6-21谐振曲线,图6-22输出特性,2、调频电路,图6-23调频信号测量电路,调频法是以LC振谐回路的频率作为输出量，直接用频率计测量；或通过测量LC回路等效电感L间接测量频率变化量。,6.4电感式传感器的应用,图6-24加速度传感器1悬臂梁；2差动变压器；3衔铁,螺管式电感测微仪,变气隙式电感测微仪,电感压力传感器,变气隙式结构,变气隙式差动压力传感器,电感式油压传感器液压传动的各种机械装置,电感式接近传感器,电感式接近传感器应用举例,1、生产中测量产品的长度,每个脉冲对应的长度：,被测物总长度：,2、生产线工件的计数,3、机械手的限位,4、生产工件加工定位,5、时序控制,低频透射式涡流传感器,振荡电压u加到L1L1中在周围产生交变磁场,无被测体无被测材料M，则L1磁场能直接贯穿L2，则L2中会产生一交变电势E。,有被测物体L1产生的磁力线切割M在被测体M中产生电涡流i，涡流损耗部分能量，使通过L2的磁力线减少，引起L2电势E下降。M厚度越大，涡流损耗越大，E减少。E的大小间接反映被测体M的厚度t。E除了与t有关，还与M的电阻率有关，与金属材料的化学成分、物理状态及温度有关。,小结,掌握变磁阻式传感器（自感式）、差动变压器式传感器（互感式）、电涡流传感器工作原理；理解自感式传感器特性分析、等