电感式传感器教学用市公开课获奖课件

1、4.1 自感式电感传感器4.2 差动变压器式传感器4.3 电涡流式传感器 第4章 电感式传感器第1页第1页第4章 电感式传感器电感式传感器工作基础：电磁感应即利用线圈电感或互感改变来实现非电量测量。分为自感式、互感式、电涡流式等特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好第2页第2页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靠近式传感器第3页第3页4.1 自感式电感传感器一、工作原理 变磁阻式传感器结构以下图所表示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。第4页第4页 在铁芯和衔铁之间有气隙, 气隙厚度为, 传感器运

2、动部分与衔铁相连。当衔铁移动时, 气隙厚度发生改变, 引起磁路中磁阻改变, 从而造成电感线圈电感值改变, 因此只要能测出这种电感量改变, 就能拟定衔铁位移量大小和方向。第5页第5页上式中: L该元件自感或电感； 线圈总磁链; I 通过线圈电流; W线圈匝数; 穿过线圈磁通。由磁路欧姆定律, 得： 依据电感定义, 线圈中电感量可由下式拟定:式中: Rm磁路总磁阻。引入知识 环形线圈以下图，其中媒质是均匀，磁导率为，试计算线圈内部磁通 。 第6页第6页依据安培环路定律，有设磁路平均长度为l，则有SxHxIW匝 环形线圈以下图，其中媒质是均匀，磁导率为，试计算线圈内部磁通 。 式中：F=WI磁通势，

3、由其产生磁通；Rm 磁阻，表示磁路对磁通阻碍作用；l为磁路平均长度；S为磁路截面积。即有：第7页第7页2.磁路欧姆定律 若某磁路磁通为，磁通势为F，磁阻为Rm，则此即磁路欧姆定律。 磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势 E电流密度 J 电阻磁场强度H电流 IWI+_EIR第8页第8页 对于变隙式传感器, 由于气隙很小, 因此能够认为气隙中磁场是均匀。若忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻为 式中: 1铁芯材料导磁率; 2衔铁材料导磁率; L1磁通通过铁芯长度; L2磁通通过衔铁长度; A1铁芯截面积; A2衔铁截面积;0空气导磁率; 由磁路欧姆定律, 得：式中: Rm磁路总磁阻。A0气隙截面积; 气隙厚度。

4、第9页第9页 通常气隙磁阻远不小于铁芯和衔铁磁阻, 即： 则上式可近似为： 又由于： 因此：并且第10页第10页 上式表明, 当线圈匝数为常数时, 电感L仅仅是磁路中磁阻Rm函数, 只要改变或A0均可造成电感改变, 因此自感式传感器又可分为变气隙厚度传感器和变气隙面积A0传感器。 使用最广泛是变气隙厚度式电感传感器。 二、 输出特性 由上式可知，变气隙厚度（变隙）式电感传感器L与之间是非线性关系，特征曲线以下图所表示。第11页第11页 设电感传感器初始气隙为0, 初始电感量为L0, 衔铁位移引起气隙改变量为, 当衔铁处于初始位置时,初始电感量为： 当衔铁上移时, 传感器气隙减小, 即=0-,

5、则此时输出电感为L = L0+L, 则：电感改变量为：第12页第12页电感改变量为：则：，当时，可将上式展开成泰勒级数形式：同理，当衔铁向下移动时，传感器气隙将增大，即为： 第13页第13页同理，当衔铁向下移动时，传感器气隙将增大，即为： 这时电感量为： 电感改变量为：则：，当可将上式展开成级数：第14页第14页当衔铁上移时：当衔铁向下移动时： 对上两式作线性处理，即忽略高次项后，可得 则L与近似成百分比关系，因此高次项存在是造成非线性原因。第15页第15页忽略高次项后，可得 则L与近似成百分比关系，因此高次项存在是造成非线性原因。 但是，当气隙相对改变/0很小时，高次项将快速减小，非线性能够

6、得到改进，然而这又会使传感器测量范围（即衔铁允许工作位移）变小，因此，对输出特性线性度要求和对测量范围要求是互相矛盾。 因此变隙式电感式传感器适合用于测量微小位移场合，普通对于变气隙长度电感传感器，为了得到较好线性特性，取/0=0.10.2，这时L=f()可近似看作一条直线。第16页第16页忽略高次项后，可得： 灵敏度为： 第17页第17页 为了减小非线性误差, 实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。 差动变隙式电感传感器 由上图可知, 差动变隙式电感传感器由两个相同电感线圈1、2合用一个衔铁和相应磁路构成, 测量时, 衔铁通过导杆与被测位移量相连。第18页第18页 当被测体上下移动时, 导

7、杆带动衔铁也以相同位移上下移动, 使两个磁回路中磁阻发生大小相等, 方向相反改变, 造成一个线圈电感量增长, 另一个线圈电感量减小, 形成差动形式。差动变隙式电感传感器第19页第19页 当衔铁往上移动时, 两个线圈电感改变量L1、L2分别是：差动变隙式电感传感器第20页第20页 当差动使用时, 两个电感线圈接成交流电桥相邻桥臂, 另两个桥臂由电阻构成, 电桥输出电压与L相关, 其详细表示式为：对上式进行线性处理，忽略高次项得：灵敏度K0为: 第21页第21页对上式进行线性处理，忽略高次项得：灵敏度K0为： 比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器特性, 能够得到下列结论: 差动式比单线圈式灵敏度

8、高一倍。 差动式非线性项等于单线圈非线性项乘以（/0）因子, 由于（/0）2LC（即2fcR1）且2LCR，其输出电压为：式中:Z0衔铁在中间位置时单个线圈复阻抗；Z衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗改变量；L0衔铁在中间位置时单个线圈电感; L单线圈电感改变量。交流电桥式测量电路第31页第31页 由前面对差动变隙式电感传感器原理简介可知，忽略高次项后：又则 电桥输出电压与成正比关系。3. 变压器式交流电桥交流电桥式测量电路变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量电路如右图所表示，电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷大时, 桥路输出电压为：

9、第32页第32页3. 变压器式交流电桥变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量电路如右图所表示，电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷大时, 桥路输出电压为： 测量时被测件与传感器衔铁相连，当传感器衔铁处于中间位置, 即Z1=Z2=Z时，有=0, 电桥平衡。 当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此时第33页第33页变压器式交流电桥 当传感器衔铁下移时, 则 Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此时 当传感器衔铁上移时, 即 Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此时： 由以上分析可知, 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压大小相

10、等, 但方向相反, 由于 是交流电压, 输出批示无法判断位移方向, 因此必须配合相敏检波电路来处理。 第34页第34页 谐振式测量电路有谐振式调幅电路友好振式调频电路。 4. 谐振式测量电路（1） 谐振式调幅电路 在调幅电路中，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 , 变压器副边将有电压 输出, 输出电压频率与电源频率相同。谐振式调幅电路第35页第35页 下图（b）中曲线1为图（a）回路谐振曲线，其中L0为谐振点电感值。若激励源频率为f，则可拟定其工作在A点。当传感器线圈电感量发生改变时，谐振曲线将左右移动，工作点就在一频率纵坐标直线上移动（比如移至B点），于是输出电压幅

11、值就发生相应改变。 此电路灵敏度很高，但线性差，适合用于线性度要求不高场合。谐振式调幅电路第36页第36页（2） 谐振式调频电路 调频电路基本原理是传感器电感L改变将引起输出电压频率改变。普通是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中, 其振荡频率为 。当L改变时, 振荡频率随之改变, 依据f大小即可测出被测量值。下图表示f与L特性, 它含有明显非线性关系。 谐振式调频电路第37页第37页四、零点残余电压 理论上，当传感器衔铁处于中间位置，即两线圈阻抗相等，即Z1=Z2时，电桥平衡，输出电压为零。因为传感器线圈阻抗是一个复阻抗，因此为了达到电桥平衡，就要求两线圈电阻相等，两线圈电感也相等。 实

12、际上这种情况是不能准确达到，因而在传感器输入量为零时，电桥有一个不平衡输出电压UO。零点残余电压波形 右图给出了桥路输出电压与活动衔铁位移关系曲线。图中虚线为理论特性曲线，实线为实际特性曲线。 传感器在零位移时输出电压称为零点残余电压，记作UO。第38页第38页零点残余电压波形 零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。产生零点残余原因大致有以下两点：因为两电感线圈电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，因此在两电感线圈上电压幅值和相位不同，从而形成了零点残余电压基波分量。因为传感器导磁材料磁化曲线非线性（如铁磁饱和、磁滞损耗）使得激励电流与磁通波形不一致，从而形成了零点残余电压高次谐波分量。

13、 零点残余电压存在，使得传感器输出特性在零点附近不灵敏，限制了分辨率提升。第39页第39页零点残余电压波形 零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反应被测量改变。 为减小电感式传感器零点残余电压，可采用下列办法：在设计和工艺上，力争做到磁路对称，铁芯材料均匀；要通过热处理以除去机械应力和改进磁性；两线圈绕制要均匀，力争做到几何尺寸与电气特性保持一致。在电路上进行补偿。第40页第40页五、自感式电感传感器应用 下图是变隙电感式压力传感器结构图。它由膜盒、 铁芯、 衔铁及线圈等构成, 衔铁与膜盒上端连在一起。 当压力进入膜盒时, 膜盒顶端在压力P作用下产生与压力P大小成正比位移。于是衔铁也发生移动, 从而使气隙发生改变, 流过线圈电流也发生相应改变, 电流表批示值就反应了被测压力大小。变隙电感式压力传感器结构图第41页第41页 下图所表示为变隙式差动电感