第3章 电感式传感器.ppt

1,第三章电感式传感器,2,概述,利用电磁感应原理将被测非电量的变化转换为线圈的自感系数L或互感系数M变化的装置。优点：结构简单，可靠，测量力小，电磁吸引力的数量级为10-3N；灵敏度高，数百毫伏/mm最高分辨力达0.1m位移；线性好，非线性误差可0.1%；输出功率较大，在某些情况下可不经放大，直接接二次仪表。,3,缺点：传感器本身的频率响应不高，不适于快速动态测量；对激磁电源的频率和幅度的稳定度要求较高;存在交流零位信号零点残余电压。,4,主要内容,第一节工作原理第二节转换电路和传感器灵敏度第三节零点残余电压第四节应用第五节电涡流式传感器,第一节工作原理,自感式传感器结构：,5,6,结构：线圈、铁芯和衔铁三部分铁芯和衔铁由导磁材料制成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类型：气隙型、截面型、螺管形,7,原理：当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，导致电感线圈的电感值变化。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。,变气隙型自感传感器,8,N线圈匝数Rm磁路总磁阻,l1铁心磁路长l2衔铁磁路长S截面积,1铁心磁导率2衔铁磁导率0空气磁导率,空气隙厚度,9,一般情况下导磁体的磁阻空气隙磁阻线圈的电感值可近似地表示为,变气隙型,变面积型,10,，S,L,L=f(S),L=f(),电感传感器特性,11,结论变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难。变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛。螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器。,12,输出特性（以变气隙式为例）,L与之间是非线性关系设电感传感器初始气隙为0初始电感量为L0,当衔铁上移时=0-，L=L0+L,13,当/02LC，上式可近似为,则,25,2、交流电桥（调幅）,把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替。设Z1=Z0+Z1,Z2=Z0-Z2Z0是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗Z1,Z2分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量对于高Q值的电感传感器，有Z1jL1,26,电桥输出电压,电桥输出电压与成正比关系,27,3、变压器式交流电桥,28,初始：衔铁处于中间位置,Z1=Z2=Z,当传感器衔铁上移，如Z1=Z+Z，Z2=Z-Z时,当传感器衔铁下移，如Z1=Z-Z，Z2=Z+Z时,29,衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等，方向相反，即相位差180。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。变压器电桥与阻抗平衡臂电桥相比，具有元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性的优点。,30,4、谐振式测量电路,谐振式调幅电路谐振式调频电路谐振式调相电路,31,谐振式调幅电路,传感器电感L与电容C、变压器原边串联在一起。接入交流电源U，变压器副边将有电压U0输出。输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化。由特性曲线可见：灵敏度高，线性差。,输出特性曲线,32,谐振式调频电路,把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中。当L变化时，振荡频率f随之变化。将传感器电感L的变化转化为输出电压频率变化。根据f的大小即可测出被测量的值。存在严重的非线性关系。,输出特性曲线,振荡回路,33,谐振式调相电路,传感器电感L变化转化为输出电压相位变化。,34,传感器的灵敏度kz（调幅）,传感器结构(测头)和转换电路综合在一起的总灵敏度。传感器结构灵敏度kt定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比。转换电路灵敏度kc定义为空载输出电压uo与自感相对变化之比。单位：mV/（mV）,35,第三节零点残余电压,虚线理想特性曲线实线实际特性曲线零点残余电压实际特性曲线在零点的最小输出电压，用e0表示。影响：灵敏度下降、非线性误差增大，测量有用的信号被淹没。,原因：两电感线圈的等效参数不对称，L、R、C不完全相等。,36,减小零点残余电压方法尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数与磁路的对称。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又可改善输出特性，减小零点残余电动势。采用补偿线路减小零点残余电动势。,37,第四节应用举例,变隙电感式压力传感器结构图,38,变隙式差动电感压力传感器,39,差动变压器式加速度传感器原理图,40,差动变压器式压力传感器,41,总行程：1.5mm测量力：0.40.7N示值变动性：0.2m,轴向式差动电感式传感器,总行程：3mm测量力：0.450.65N示值变动性：0.03m,42,第五节电涡流式传感器,一、工作原理二、转换电路三、低频透射涡流传感器,43,一、工作原理,涡流效应金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。,形成电涡流条件,存在交变磁场,导电体处于交变磁场之中,44,根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1。置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。H2与H1方向相反，抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。,45,基本特性,等效电阻,等效电感,品质因数,46,传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：,Z=F(,f,x),电涡流效应与下列因素有关：被测体的电阻率、磁导率以及几何形状线圈的几何参数、线圈中激励电流频率f与线圈与导体间的距离x,47,测量方法如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。,Z=F(,f,x),48,主要应用利用位移作为变换量，可以是被测量位移、厚度、振幅、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，可以做成测量温度、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；利用变换量、等的综合影响（线圈涡流体之间的距离不变），可以做成探伤装置等。,49,电涡流式传感器特点结构简单，易于进行非接触的连续测量。灵敏度较高，适用性强。变换量可以是位移，也可以是被测材料的性质。,50,二、转换电路,电桥电路法谐振电路法调幅法调频法正反馈法,51,电桥电路法,A、B为传感器线圈，与电容C1、C2，电阻R1、R2组成电桥的四个臂。当传感器线圈的阻抗变化时，电桥失去平衡。电桥的不平衡输出经线性放大和检波。这种方法电路简单，主要用在差动式电涡流传感器中。,52,谐振电路法调频法,传感器线圈接入LC振荡回路。当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感L变化，导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数。该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。,53,谐振电路法调幅法,由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流i0。LC回路输出电压,54,正反馈法,放大器的反馈回路是由电涡流传感器的线圈组成。线圈阻抗变化时，反馈放大电路的放大倍数发生变化，从而引起输出电压的变化。由输出电压的变化来检测传感器与被测体之间距离的变化。,55,电涡流式转速传感器在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面d0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。,56,电涡流：轴向贯穿深度h,电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度。传感器线圈的激励电流频率愈低，则电涡流贯穿深度h愈大。,电涡流强度轴向分布曲线,57,三、低频透射涡流传感器,发射传感器线圈L1和接收传感器线圈L2分别设在被测金属板上下方。L1上加低频电压U1，产生交变