传感器原理及应用第4章 电感式传感器

1、主要内容：主要内容：4.1 4.1 变磁阻式电感传感器变磁阻式电感传感器 4.2 4.2 差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器4.3 4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 各种电感式传感器各种电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电感粗糙度仪接近式传感器电感式传感器电感式传感器v 只要改变气隙厚只要改变气隙厚 度或气隙截面积度或气隙截面积 就可以改变电感。就可以改变电感。线圈自感可按下式计算：线圈自感可按下式计算：式中：式中： N N 线圈匝数线圈匝数 ； Rm Rm 磁路总磁组；磁路总磁组； So So 气隙的截面积；气隙的截面积； 气隙厚度；气隙厚度； o o 导磁率（真空、空气

2、）导磁率（真空、空气） 22002NSNLRm因此变磁阻式传感器又分为：因此变磁阻式传感器又分为： 变气隙厚度型（变气隙厚度型（）变气隙的截面积型（变气隙的截面积型（S S）衔铁位移衔铁位移引起的电感变化为：引起的电感变化为：20020000000022()(1)1NSNSLLLL 电感初始气隙电感初始气隙0 0处初始电感量为处初始电感量为L L0 0 200002NSL0LL0L0+LL0L/ 1 1时，时，用泰勒级数展开用泰勒级数展开23000001()()LLLL 22300000001()()()LL 衔铁衔铁下移时下移时 衔铁衔铁上移时上移时 22300000001()()()LL

3、对上式作线性处理对上式作线性处理( (忽略高次项忽略高次项) )时时00LL讨论：讨论： 传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾；传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾； 变间隙式电感传感器用于小位移比较精确；变间隙式电感传感器用于小位移比较精确； 一般取一般取 /= 0.1-0.2/= 0.1-0.2； 为减小非线性误差，实际测量中多采用差动形式。为减小非线性误差，实际测量中多采用差动形式。0001LLku 定义灵敏度定义灵敏度 表示气隙变化引起表示气隙变化引起电感的相对变化量电感的相对变化量v 差动式原理：差动式原理：差动变隙式由两个相差动变隙式由两个相同的线圈同的线圈L L1 1、L L2

4、2 和磁和磁路组成。当被测量通路组成。当被测量通过导杆使衔铁左右位过导杆使衔铁左右位移时，两个回路中磁移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方阻发生大小相等、方向相反的变化，形成向相反的变化，形成差动形式。差动形式。 对上式进行线性处理并忽略高次项：对上式进行线性处理并忽略高次项：v 差动式灵敏度为：差动式灵敏度为： 002LL0002LLK2412000021()()LLLL 当一个增加一个减小时电感总的变化为：当一个增加一个减小时电感总的变化为：讨论：讨论： 比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍； 差动式非线性项比单线圈多乘了差动式非线性项比单线圈多乘了(

5、/)(/)因子；因子； 不存在偶次项，因不存在偶次项，因/1/1，线性度得到改善。，线性度得到改善。 差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰 的影响。的影响。0002LLK两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻 等效电路等效电路10120234000,ccZZjL ZZjLZZR ZRj L R线圈铜阻电桥输出电压电桥输出电压U U0 0与气隙变量与气隙变量是非线性的，只有当是非线性的，只有当QQ值值很高时近似线性关系。很高时近似线性关系。桥路输出电压与桥压桥路输出电压与桥压U UACAC有关，有关，与

6、初始气隙与初始气隙 0 0有关。有关。142301234ACZ ZZ ZUUZZZZ&00()2ACUU电压输出一个是与电源同相的分量，另一个与电源相差电压输出一个是与电源同相的分量，另一个与电源相差9090度度的正交分量，线圈品质因素的正交分量，线圈品质因素QQ较高时可以消除正交分量，输较高时可以消除正交分量，输出可写为出可写为： 电桥的两臂是传感器线圈电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占变压器次级线圈各占1 12 2，交，交流供电。流供电。 桥路输出电压为：桥路输出电压为：1201121222ZZUUUUZZZZZ&u衔铁

7、上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向相反，衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向相反， 相差相差180，要判断衔铁方向就是判断信号相位，用相敏检波。，要判断衔铁方向就是判断信号相位，用相敏检波。 当衔铁在中间位置当衔铁在中间位置 Z1=Z2=Z U0=0 022UZULUZL&当衔铁偏移时输出电压当衔铁偏移时输出电压02ULUL &当衔铁偏向另一方向当衔铁偏向另一方向被测压力经位移电压两次转换输出被测压力经位移电压两次转换输出新型测量工具设计思想结构示意图新型测量工具设计思想结构示意图v 把被测的非电量变化转换成为线圈互感把被测的非电量变化转换成为线圈互感 量的变化的

8、传感器称为互感式传感器。量的变化的传感器称为互感式传感器。结构：中间初级，两边次级结构：中间初级，两边次级 铁芯在骨架中间可上下移动铁芯在骨架中间可上下移动这种传感器根据变压器的基本原理制成，这种传感器根据变压器的基本原理制成， 并将次级线圈绕组用差动形式连接。并将次级线圈绕组用差动形式连接。差动变压器的结构形式较多差动变压器的结构形式较多, ,应用最多的应用最多的 是螺线管式差动变压器。是螺线管式差动变压器。 它可测量它可测量1 1100mm100mm范围内机械位移。范围内机械位移。次次级级次次级级骨架骨架初初级级衔衔铁铁次次级级次次级级初初级级 等效电路：等效电路： 初级初级L1L1，次级

9、线圈，次级线圈L2aL2a、L2bL2b必须反相串联接保证差动形式必须反相串联接保证差动形式 如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈 互感系数相等互感系数相等abMM22abEE0220abUEE差动输出电压为零：差动输出电压为零：电动势相等电动势相等u 可见可见: : 输出电压大小和符号反映了输出电压大小和符号反映了 铁心位移的大小和方向。铁心位移的大小和方向。当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。22abEE00U 若衔铁上移若衔铁上移 22abEE00U 若衔铁下移若衔铁下移 由此得到输出由此

10、得到输出电压有效值为电压有效值为 ：02211()()abiMMUUrLv 可见输出电压与互感的差值有关可见输出电压与互感的差值有关21aaEjMI 21bbEjMI 根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为0221ababUEEjMMI &输出电压输出电压初级电流初级电流111/iIUrjL&022112()iUMUrL022112()iUMUrL 铁芯在中间位置时铁芯在中间位置时 Ma=Mb=M 铁芯向上移（右移）铁芯向上移（右移）Ma = M+M，Mb = M-M 输出与输出与E2a同极性；同极性； 铁芯向下移（左移）铁芯向下移（左移）

11、 Ma = M-M，Mb = M+M输出与输出与E2b同极性；同极性；00U 差动变压器输出差动变压器输出电压和位移的关系电压和位移的关系讨论：讨论：v输出电压幅值取决于线圈互感输出电压幅值取决于线圈互感M M， 即衔铁在线圈中移动的距离即衔铁在线圈中移动的距离X X；v而而U0与与Ui的相位差决定衔铁的移动方向；的相位差决定衔铁的移动方向；v输出电压的正负结果由相敏检波后，输出电压的正负结果由相敏检波后， 输出曲线反行程翻转为过零的直线；输出曲线反行程翻转为过零的直线；v输出电压输出电压U0与初级电压与初级电压Ui、电流、电流I1 有关，应尽可能大；有关，应尽可能大；v U0与激励频率成正比

12、，中频应用在与激励频率成正比，中频应用在 400-10000Hzv灵敏度可达灵敏度可达0.15V/mm，包括三个内容，包括三个内容 传感器类型、转换电路、电源传感器类型、转换电路、电源出厂测定灵敏度规定：出厂测定灵敏度规定： 电源电源1V， 衔铁位移衔铁位移1m，输出电压，输出电压U0=？02211()()abiMMUUrL差动变压器结构形式差动变压器结构形式差动变压器传感器的应用差动变压器传感器的应用v理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零U0=0，而实际输出而实际输出U00，在零点上总有一个最小的输出电压，这在零点上总有一个最小的输出电压，这个

13、铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电零点残余电压。压。产生这个电压的原因是：产生这个电压的原因是：由于两个次级线圈绕组电气由于两个次级线圈绕组电气参数参数 （M M互感互感 L L电感电感 R R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同，使实际的特性曲线总有最小输出。保证完全相同，使实际的特性曲线总有最小输出。v主要成分是频率、幅度不同的基波主要成分是频率、幅度不同的基波 、谐波，零点残余电压过大会使灵敏度下降，谐波，零点残余电压过大会使灵敏度下降，非线性误差增大，放大器末级饱和，因此非线性误差增大，放大器末级

14、饱和，因此是直接影响传感器质量的参数。是直接影响传感器质量的参数。v为减小零点残余电压的影响为减小零点残余电压的影响 变压器工艺上采取措施，变压器工艺上采取措施， 电路补偿电路补偿为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补 偿偿, ,电路补偿的方法较多电路补偿的方法较多, ,可采用以下方法。可采用以下方法。 串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异； 并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量； 加反馈支路：初次级间反馈，减小谐波分量；加反馈支路：初次

15、级间反馈，减小谐波分量； 相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。这些电路可单个使用也可综合使用，需要通过实验证实效果这些电路可单个使用也可综合使用，需要通过实验证实效果串串联联电电阻阻并并联联电电阻阻 差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移 大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。（1 1）差动整流电路）差动整流电路 输入一交流信号时整流电路的输出电压为：输入一交流信号时整流电路的输出电压为：U0 = U24-U68， 铁芯铁芯T在中间位置在中间位置 ，U2

16、4 = U68 U0 = 0T上移，上移，U24 U68 U0 0，T下移，下移，U24 U68 U0 0差动整流电路分析动画演示：差动整流电路分析动画演示：差分整流上线圈上半周差分整流上线圈上半周差分整流上线圈下半周差分整流上线圈下半周差分整流下线圈上半周差分整流下线圈上半周差分整流下线圈下半周差分整流下线圈下半周 铁芯上移铁芯上移 铁芯下移铁芯下移U0U0（2 2）集成相敏检波电路）集成相敏检波电路 v 输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转 由由，工作曲线为过零点的直线。，工作曲线为过零点的直线。 相敏检波前后输出特性相敏检波前后输出特性 差动变

17、压器式传感器可直接用于位移测量，差动变压器式传感器可直接用于位移测量， 也可以用来测量与位移有关的任何机械量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量， 如振动，加速度，应变等等。如振动，加速度，应变等等。（1 1）压差计）压差计 当压差变化时，腔内当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正位移成正比，与压差成正比。比。 沉筒式液位计将水位变沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。的输出反映液位高低。（3 3）电感测厚

18、仪（二极管相敏检波电路）电感测厚仪（二极管相敏检波电路) )L1L1、L2L2是传感器作为两个桥臂；是传感器作为两个桥臂；C1C1、C2C2是另外两个桥臂；是另外两个桥臂；D1-D4D1-D4组成相敏整流器；组成相敏整流器；RP1RP1调零电位器，调零电位器，RP2RP2调电流表满度；调电流表满度； 被测厚度正常时被测厚度正常时L1=L2L1=L2，Uc=UdUc=Ud 电桥平衡电流表无电流；电桥平衡电流表无电流； 被测厚度变化时，被测厚度变化时， 设设L1L1 L2L2，Z1Z1Z2Z2， 正半周时正半周时D1D1、D4D4导通，导通，I1 I1 I4I4 负半周时负半周时D2D2、D3D3导通，导通，I3 I3 I2I2 无论极如何性始终有无论极如何性始终有Ud Uc 点电位点电位 若若L1L2， Z1Z2， Ud Uc 10 110 121R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij L I101010ZRj L2221102222()MLLLRL222212211010222212222()()UM RM LZRjLIRLRL2221102222()MRRRRL22211 02222()MLLL