自感式电感传感器课件

1、电阻应变片的电路思考n电桥恒压源供电与恒流源供电有什么区别?n单臂电桥能否进行某种改造,消除环境温度变化的影响?传感器与检测技术自感式电感式传感器电感式传感器n主要内容n变磁阻式传感器n工作原理与等效电路n输出特性分析n信号调节电路n差动变压器n工作原理与等效电路n基本特性n信号调节电路电感式传感器n什么是电感式传感器？n电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测量转换成线圈自感或互感的变化，从而进一步转换为电路中电压或电流的变化来实现非电量测量的一类传感器。n根据工作原理的不同，可分为变磁阻式、变压器式和涡流式传感器等主要类型。n可实现位移、振动、压力、流量、比重等参数的测量。电感式传感器n电感

2、式传感器的一般工作流程：n被测物理量自感或互感系数变化电压或电流的变化n对被测物理量的认识过程：n测得输出电压或电流的变化；n依据一定的规律推知自感或互感量的变化；n依据一定的规律推知被测物理量的变化。电感式传感器n电感式传感器的主要特点n工作可靠、寿命长n灵敏度高，分辨率高n位移变化，0.01mn角度变化，0.1”n精度高，线性好n性能稳定，重复性好n电感式传感器的缺点n存在交流零位信号n不适于高频动态信号测量变磁阻式传感器工作原理n当衔铁部分随被测物理量产生上下位移时，衔铁与铁芯之间的气隙发生变化，导致磁路的磁阻发生变化，从而使线圈的电感值发生改变。n图示传感器的实质是一个具有可变气隙的铁

3、芯线圈，气隙的改变将带来线圈自感L的变化变磁阻式传感器n线圈的电感值式中：W线圈的匝数； RM磁路的总磁阻。n如果气隙厚度较小，且不考虑磁路铁损MRWL2sslRniiiiM012空气隙的截面积。空气隙的磁导率；空气隙的厚度；各段铁芯的截面积；各段铁芯的相对磁导率各段铁芯的长度；ssliii0变磁阻式传感器n线圈电感L为n忽略铁芯与衔铁磁阻，则线圈电感为niiiisslWL1022220sWL 变磁阻式传感器n 变磁阻式传感器的电感量与气隙厚度、截面积和磁导率有关n变气隙厚度的电感式传感器n灵敏度高，是最常用的电感式传感器n输出特性非线性n变气隙面积的电感式传感器n灵敏度低n输出特性为线性特性

4、n常用于角位移测量n变铁芯磁导率的电感式传感器n利用铁磁材料的压磁效应，改变磁导率n主要用于各种力的测量变磁阻式传感器等效电路n电感Ln线圈内的磁场强度Hn磁感应强度Bn总磁通量n线圈的自感系数LlWIH lWIHBSlWI2lSWIL2变磁阻式传感器n电阻Rcn线圈直径为d、电阻率为c，W匝，电阻为n耗散因数Dc为n式中n由线圈损耗电阻Rc引起的电感耗散因数Dc与频率f成反比24dWlRcccfCSfWdllLRDcccc232SWdllCcc232品质因数和耗散因数n品质因数n存储于元件中的能量与元件中消耗的能量之比n耗散因数n元件中消耗的能量与存储的能量之比线圈的耗散因数D和品质因数Qn

5、串联n并联RLDQLRLIRIPPD122储耗LRDQRLLURUPPD1/22储耗变磁阻式传感器n涡流损耗电阻Ren由涡流损耗电阻Re引起的耗散因数Den磁滞损耗电阻Rh引起的耗散因数DhnDh与气隙有关，气隙越大，Dh越小；nDh不随频率变化221212/6ltSWLptRefp15 . 4210efftRLDee12232变磁阻式传感器n耗散因数D和品质因数Qn耗散因数Dn品质因数Qn线圈的品质因数Q为耗散因数D的倒数eCDDeCfDeffCDDDDhmhhec2min时，耗散因数最小值当eCeCDQh2121max变磁阻式传感器n有并联寄生电容C的电感线圈n线圈阻抗Zsn有效灵敏度为s

6、sssLjRLCLjLCRZCjLjRCjLjRZ2221111LdLLCLdLss211输出特性分析n具有铁芯及小气隙的电感式传感器n电感线圈的电感L为n对已知线圈ssllSWL)/(12为一常数式中2/1SWKlKLs输出特性分析n若气隙减小，则电感量增加Ln电感的相对变化为sssllLLlKLL/1/1ssssllllLL/1/1/11/11/11/输出特性分析n若 ，可展开为n若气隙增加，电感减小，有n差动形式可以将非线性程度减小1/11sl2/11/111/11ssslllLL2/11/111/11ssslllLL输出特性分析n若气隙变化极小，则n此时输出特性为线性n单个线圈与差动连

7、接时传感器的输出特性如右图所示sldLdL/11输出特性分析n螺管式电感传感器n工作原理n建立在线圈泄漏路径中的磁阻变化原理上，线圈的电感与铁芯插入线圈的深度有关n沿着有限长线圈的轴向磁场强度的分布不均匀n螺管式电感传感器只有铁芯工作在线圈中段才有希望获得较好的线性关系，此时磁场强度的变化比较小n通常铁芯长度选择在0.6L左右螺管式线圈沿轴向磁场强度分布曲线电感传感器的信号调节电路n电感传感器的测量电路有交流分压器式、交流电桥式和谐振式等几种，差动式电感传感器常用电桥电路作为信号调节电路n差动式电感传感器的电桥电路如右图所示电感传感器的信号调节电路nA点电位nB点电位n输出电压n平衡条件EZZ

8、ZUA2112EUBEZZZUUUBAo21211ZZZ21电感传感器的信号调节电路n当铁芯向下移动时n当铁芯向上移动时ELRLUEZZEZZZUsoo2222212ELRLUEZZEZZZUsoo2222212电感传感器的信号调节电路n 输出电压需进行整流、滤波处理n 使用无相位鉴别的整流时，不能辨别铁芯位移的方向n残余电压是线圈损耗电阻不平衡引起的，与频率有关n输入电压有谐波时，常引起残余电压n 使用有相位鉴别的整流时，输出电压的极性可以指示铁芯位移的方向影响传感器精度的因素分析n影响传感器精度的因素主要分两个方面n外界工作环境的影响n温度变化n电源电压的波动n电源频率的波动等n传感器本身

9、特性固有的影响n线圈电感与衔铁位移之间的非线性n交流零位信号的存在等影响传感器精度的因素分析n电源电压和频率的波动影响n电源电压波动直接影响传感器的输出电压n电源电压波动引起铁芯磁感应强度和导磁率的改变，从而使铁芯磁阻发生变化n电源频率的波动会使线圈感抗变化n严格对称的交流电桥可补偿频率波动影响n温度变化的影响n零部件尺寸改变n气隙的改变影响灵敏度和线性度n线圈电阻和铁芯导磁率的变化影响传感器精度的因素分析n非线性特性的影响n传感器的线圈电感与气隙厚度之间的非线性特性是造成输出特性非线性的主要原因n改善非线性的方法n采用差动式结构n限制衔铁的最大位移量n输出电压与电源电压之间的相位差n正交分量导致波形失真n消除或抑制正交分量的方法n采用相敏整流电路n传感器有较高的品质因数Q值影响传感器精度的因素分析n电桥的残余不平衡电压零位误差n零位信号产生的原因n差动式电感线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不可能完全对称n传感器具有铁损（即磁芯化曲线的非线性）n电源电压中含有高次谐波n线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁