传感器与检测技术第二章

传感器与检测技术课件第二章第一页，共五十八页，2022年，8月28日四、电感式位移传感器示例第二页，共五十八页，2022年，8月28日四、电感式位移传感器电感式位移传感器是将被测物理量的位移转化为自感L，互感M的变化，并通过测量电感量的变化确定位移量。电感式位移传感器的主要类型有：自感式、互感式、涡流式和压磁式等第三页，共五十八页，2022年，8月28日存在交流零位信号，频率响应低，不宜于高频动态测量。①结构简单、可靠，输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、分辨力较高（如在测量长度时一般可达0.1μm）、示值误差一般为示值范围的0.1%~0.5%、稳定性好。

四、电感式位移传感器特点：缺点第四页，共五十八页，2022年，8月28日（一）自感式电感位移传感器1.工作原理与结构自感式位移传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。在缠绕在铁心上的线圈中通以交变电流i，产生磁通Φm,形成磁通回路。第五页，共五十八页，2022年，8月28日（一）自感式电感位移传感器1.工作原理与结构磁通与电流之间的关系第六页，共五十八页，2022年，8月28日（一）自感式电感位移传感器1.工作原理与结构磁阻Rm在本例中包括三部分，铁芯、衔铁和气隙中的磁阻。式（2-21）式（2-22）第七页，共五十八页，2022年，8月28日（一）自感式电感位移传感器1.工作原理与结构式（2-21）式（2-22）代入第八页，共五十八页，2022年，8月28日（一）自感式电感位移传感器1.工作原理与结构考虑到铁心与衔铁磁路由若干部分组成：当铁芯的结构和材料确定后，式中分母第一项为常数，此时自感L是气隙厚度δ和气隙磁通截面积S0的函数。自感式位移传感器可分为变气隙型、变面积型和螺管型。第九页，共五十八页，2022年，8月28日变气隙型自感传感器——如果S0保持不变，则L为δ的单值函数，可构成变气隙型自感传感器（一）自感式电感位移传感器1.工作原理与结构第十页，共五十八页，2022年，8月28日变面积型自感传感器——如果保持δ不变，使S0随位移而变，则可构成变面积型自感传感器；（一）自感式电感位移传感器1.工作原理与结构第十一页，共五十八页，2022年，8月28日螺线管型自感传感器——如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器。（一）自感式电感位移传感器1.工作原理与结构第十二页，共五十八页，2022年，8月28日输出特性：L与δ之间是非线性关系，特性曲线如下图变气隙式电压传感器的L-δ特性变气隙型自感传感器第十三页，共五十八页，2022年，8月28日分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0－Δδ，则此时输出电感为变气隙型自感传感器第十四页，共五十八页，2022年，8月28日当Δδ/δ0<<1时：可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即变气隙型自感传感器第十五页，共五十八页，2022年，8月28日对上式作线性处理，即忽略高次项后，可得灵敏度为可见：变间隙式电感传感器的线性度差，示值范围窄（测量范围），自由行程小，但在小位移下灵敏度高，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器第十六页，共五十八页，2022年，8月28日差动变隙式电感传感器

1-铁芯；2-线圈；3-衔铁当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2

差动式电感传感器的结构要求是：两个导磁体的几何尺寸完全相同，材料性能完全相同；两个线圈的电气参数（如电感、匝数、直流电阻、分布电容等）和几何尺寸也完全相同。第十七页，共五十八页，2022年，8月28日差动变隙式电感传感器

当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。假设衔铁上移，则总的电感变化量为：第十八页，共五十八页，2022年，8月28日差动变隙式电感传感器

为非差动式电感传感器的两倍第十九页，共五十八页，2022年，8月28日图3-4差动自感传感器的输出特性示意图差动自感传感器的输出特性示意图如图所示。第二十页，共五十八页，2022年，8月28日差动式与单线圈相比优点：①线性度好；②灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；③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；④电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。第二十一页，共五十八页，2022年，8月28日气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。变面积型电感传感器第二十二页，共五十八页，2022年，8月28日螺管型电感传感器衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。灵敏度较低，量程大，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。第二十三页，共五十八页，2022年，8月28日（1）损耗问题2.在改善电感位移传感器性能要考虑的因素电感线圈、衔铁系统在高频电流激励下工作必然存在功率损耗。主要损耗有：一是线圈，除具有电感L外，还存在着电阻Rc和分布电容C，会引起铜损和无功功率；二是铁心，由于交变磁场，使铁心中产生涡流，可等效为一个电阻Re的损耗。另外铁心中还存在磁滞现象，也可等效为一个电阻Rh造成的损耗，它是频率f的函数。第二十四页，共五十八页，2022年，8月28日（2）气隙边缘效应的影响2.在改善电感位移传感器性能要考虑的因素由于一些自感位移传感器中有工作气隙，而使磁路磁通在此处周围有散失和弯曲，使导磁有效面积下降，输出特性有所变化，需要加以修正。（3）温度误差工作温度的变化同样会引起传感器的机械参数和电参数的变化，从而形成温度误差，也需加以补偿。第二十五页，共五十八页，2022年，8月28日（4）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题2.在改善电感位移传感器性能要考虑的因素由于制造中的各种因素，如绕组尺寸、所选材料和安装等，使衔铁处于中央初始位置时，两路感生电压的幅值或相位不等，输出电压不为零；或是在调整时，对工作电流的基频可调到平衡，但对高次谐波难以调到平衡，这些都会造成零位输出误差。所以对于差动电感位移传感器，要求在制造中无论实在机械上，还是电气上，都应两路对称，在使用时后续电路上需采取补偿措施。第二十六页，共五十八页，2022年，8月28日课堂练习第二十七页，共五十八页，2022年，8月28日1、自感式位移传感器可分为变气隙型、变面积型和（）。螺线管型2、改善电感式位移传感器的性能时需要考虑哪些因素？（1）损耗问题电感线圈、衔铁系统在高频电流激励下工作必然存在功率损耗。主要损耗有线圈和铁心。（2）气隙边缘效应的影响（3）温度误差（4）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题第二十八页，共五十八页，2022年，8月28日

互感式位移传感器是利用电磁原理，将被测位移量的变化转换为线圈互感系数的变化，这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，故又称变压器式位移传感器。（二）互感式位移传感器——差动变压器第二十九页，共五十八页，2022年，8月28日感应电动势：

式中M——互感系数（H)——M的大小与两线圈之间相对位置以及周围介质的导磁能力等因素有关。

表明：两线圈之间的耦合程度；工作原理线圈1为一次侧线圈，线圈2为二次侧线圈，当一次侧通过交流电流时，在二次侧上将产生感应电动势。当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。（二）互感式位移传感器——差动变压器第三十页，共五十八页，2022年，8月28日互感位移传感器常采用差动形式，即两个二次线圈采用差动接法，故又称为差动变压器式位移传感器。差动变压器式位移传感器差动变压器式位移传感器有变隙式、变面积式和螺管式等。非电量测量中，应用最多的是螺管式差动变压器，它可以测量范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点（二）互感式位移传感器——差动变压器第三十一页，共五十八页，2022年，8月28日(e)、(f)变截面式差动变压器(a)、(b)变间隙式差动变压器(c)、(d)螺线管式差动变压器第三十二页，共五十八页，2022年，8月28日螺管式差动变压器位移传感器E1E2E0（二）互感式位移传感器——差动变压器第三十三页，共五十八页，2022年，8月28日——传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。——线圈包括一个初级线圈1和2个次级线圈2,3组成，两个次级线圈结构参数完全相同，两个次级线圈2,3反极性串接。——线圈中心插入导磁性极好的圆形铁心4.1.结构（二）互感式位移传感器——差动变压器螺管式差动变压器位移传感器第三十四页，共五十八页，2022年，8月28日当初级线圈输入交流激励电压时，两个二次侧线圈将产生感应电动势E1和E2由于两个次级线圈反接，因此传感器的输出电压为两者之差。2.工作原理螺管式差动变压器位移传感器第三十五页，共五十八页，2022年，8月28日当铁心处于零位时，即中间对称位置时（铁心的原始平衡位置）当铁心偏离零位向上移动时由于磁阻的影响，上面线圈中的磁通将大于下面线圈中的磁通，所以2.工作原理螺管式差动变压器位移传感器第三十六页，共五十八页，2022年，8月28日

当铁心偏离零位向下移动时2.工作原理螺管式差动变压器位移传感器第三十七页，共五十八页，2022年，8月28日

差动变压器式传感器输出需要接相敏检波电路——当铁心偏离零位上下移动时，移动的距离和方向的信息，可以反映在二次侧线圈输出电动势E0的幅值和相位中。——差动变压器式传感器输出的电压是交流电压量，如用交流电压表测量，则输出值只能反映铁心位移的大小，而不能反映移动的方向，因此需要将E0进行放大和相敏检波才能得到被测位移x的大小和方向。2.工作原理螺管式差动变压器位移传感器第三十八页，共五十八页，2022年，8月28日

——交流电压输出存在一定的零点残余电压。——交流电压输出存在一定的零点残余电压。铁心处于零位时，很难做到E1与E2在幅值、相位、谐波成分上完全相等，实际上E0≠0，此时输出电压E’0称为零点残余电压。零点残余电压可能造成误差，使后级放大电路饱和。因此应设法消除和减小零点残余电压E’0——产生零点残余电压的原因是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻的存在、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等因素形成的，因此后接电路采用相敏检波电路。这样既能反应铁心位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路螺管式差动变压器位移传感器第三十九页，共五十八页，2022年，8月28日差动变压器相敏检波电路（见P22，图2-18）～移相器RP当铁心处于中间位置时，调节电阻Rp可以使零点残余电压减小。第四十页，共五十八页，2022年，8月28日差动变压器式电感位移传感器的优点：差动变压器式电感位移传感器测量精度高，分辨力可达0.1μm,线性范围大，有的能达到250mm,稳定性好，使用方便。这种传感器广泛用于直线位移、角位移以及可转换成位移的其他机械量，如压力、重量、膨胀等。第四十一页，共五十八页，2022年，8月28日总结传感元件或传感器原始输入量变换原理物理现象能量关系输出量差动变压器式位移电磁感应结构型控制型互感系数第四十二页，共五十八页，2022年，8月28日课堂练习第四十三页，共五十八页，2022年，8月28日1、利用差动变压器式位移传感器进行位移测量时，为辨别物体的移动方向，处理电路中必须有的环节是（测一）A.滤波B.放大C.整流D.相敏检波2、简述互感式位移传感器的优点。（模拟一）第四十四页，共五十八页，2022年，8月28日电涡流式传感器的工作原理块状金属置于变化的磁场中或在磁场中运动时，金属体内都要产生感应电流，在金属体内自己闭合，所以称之为电涡流或涡流，这种现象称为涡流效应。涡流式位移传感器是利用电涡流效应，将被测量的变化转换为传感器线圈阻抗Z的变化的一种装置。（三）涡流式位移传感器第四十五页，共五十八页，2022年，8月28日涡流成块的金属物体置于变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，这就是涡流。

高频反射式涡流传感器—自感型低频透射式涡流传感器—互感型根据激励频率不同分为第四十六页，共五十八页，2022年，8月28日涡流的大小与金属体的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t以及线圈与金属体的距离x、线圈的激励电流强度i,角频率ω等有关。如果固定其中某些参数，就能由电涡流的大小测量出另外一些参数。涡流位移传感器在金属体上产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的激励电流的频率有关，所以涡流位移传感器主要分为高频反射和低频透射两类，前者应用较广泛。（三）涡流式位移传感器通常把涡流密度减少到离开表面1/e处（e=2.172）的深度叫做标准渗透深度。它大约是电涡流密度减少到36.8%处的深度，用δ来表示。第四十七页，共五十八页，2022年，8月28日Z=F(x)

涡流式位移传感器就是根据上述原理制成的当电源频率f、线圈激励电流强度I、线圈尺寸参数、金属导体的电阻率ρ等参数一定时，Z是位移x的单值函数。（三）涡流式位移传感器第四十八页，共五十八页，2022年，8月28日一、高频反射式涡流传感器线圈上通交变高频电流线圈产生高频交变磁场产生高频交变涡流涡流产生反磁场阻碍线圈电流交换作用L的等效阻抗的改变第四十九页，共五十八页，2022年，8月28日一、高频反射式涡流传感器线圈上通交变高频电流线圈产生高频交变磁场产生高频交变涡流涡流产生反磁场阻碍线圈电流交换作用L的等效阻抗的改变第五十页，共五十八页，2022年，8月28日——这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。——传感器包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。由振荡器产生的低频电压u1加到发射线圈L1两端，于是在接收线圈L2两端将产生感应电压