ch3 电感式传感器及其应用

利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感或互感）变化来检测非电量的机电转换装置。电感式：L变化差动变压器式：M变化电涡流式：L、M变化厚度传感器优点：结构简单、工作可靠、测量精度高。应用领域：常用来检测位移、振动、力、加速度、应变、流量等物理量，是应用较广的一类传感器。探伤传感器3.1自感式传感器结构组成：线圈1、铁芯2和衔铁3三部分

一、结构及工作原理铁芯和衔铁之间留有空气隙δ被测物与衔铁相连被测物移动→衔铁→空气隙变化→磁路磁阻改变→线圈电感量变化→输出电压、电流或频率变化→实现对被测物位移的检测。工作过程：设线圈的匝数为N,流过线圈的电流为I（A）,穿过线圈的磁通为Φ(Wb),则电感量根据磁路定理得：式中,R1、R2和Rδ分别为铁芯、衔铁和空气隙的磁阻。l1、l2和δ分别为磁通通过铁芯、衔铁和气隙的长度(m),S1、S2和S分别为铁芯、衔铁和气隙的横截面积(m2),μ1、μ2和μ0分别为铁芯、衔铁和空气的导磁率(H/m)。μ0=4π×10-7H/m。工作原理：(导出电感L与衔铁位移关系)一般导磁体的导磁率远大于空气的导磁率(大数千倍乃至数万倍),即有得结论：线圈匝数N确定之后,只要气隙长度δ和气隙截面S二者之一发生变化,传感器的电感量就会发生变化。变气隙长度电感传感器：常用来测量线位移变气隙截面电感传感器：

常用于测量角位移结构见图3.1a变气隙式传感器b变截面式传感器图3.1自感式传感器结构图二、自感式传感器灵敏度及特性分析以变气隙长度传感器为例，设自感式传感器初始气隙为δ0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ，从式3-4可知，L与δ之间是非线性关系，L与A之间是线性关系，特性曲线如图3.2表示。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L=L0+ΔL：忽略高次项得同理可得，衔铁下移Δδ时，传感器气隙增大Δδ，即δ=δ0+Δδ，则此时输出电感为L=L0-ΔL，有：综上所述，设气隙式传感器的灵敏度为K，则有：当忽略高次项时,ΔL才与Δδ成线性关系变气隙式传感器的输出特性是非线性的，Δδ/δ0

越小,高次项迅速减小,非线性可得到改善，而△δ/δ↑，非线性增大;非线性与测量范围的要求相矛盾，一般取△δ/δ=0.1～0.2;增大灵敏度方法：减小δ0;△δ↓与△δ↑引起的△L的变化大小不同，且△δ越大，△L相差越大。可见：两只完全相同电感式传感器合用一个活动衔铁便构成了差动式电感传感器。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻的两臂,另外两个桥臂由电阻组成。三、差动式电感传感器

UsrUscδ1δ2Z1Z2R3R4UscUsr两只完全对称的简单电感传感器合用一个活动衔铁上、下两个导磁体几何尺寸、形状、材料完全相同上、下两个的线圈电气参数（R、L、W）完全相同。UsrUscδ1δ2当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时,两边气隙不等,两只电感线圈的电感量一增一减,电桥失去平衡。电桥输出电压的幅值大小与衔铁移动量的大小成比例,其相位则与衔铁移动方向有关。假定向上移动时输出电压的相位为正,而向下移动时相位将反向180°为负。因此,如果测量出电压的大小和相位,就能决定衔铁位移量的大小和方向。在起始位置时,衔铁处于中间位置,两边的气隙相等,两只线圈的电感量相等,电桥处于平衡状态,电桥的输出电压Usc=0。假定电桥输出端的负载为无穷大,则得输出电压Z1Z2Z3Z4UscUsr当某一时刻,设衔铁向上位移,则上下两边气隙不等,阻抗也随之改变,上边增加了ΔΖ1=jωΔL1,下边减少了ΔΖ2=jωΔL2,则Z1=Z0+ΔZ1,Z2=Z0-ΔZ2。电桥的另两臂是相同的电阻,即Z3=Z4=R,由得：由于ΔZ1-ΔZ2比Z0小得多,故可略去,则得Z1Z2Z3Z4UscUsr可见,电桥的输出与(ΔL1+ΔL2)成比例。K：差动电感传感器连成四臂电桥的灵敏度,表示衔铁单位移动量引起的电桥输出电压。提高灵敏度K的途径：提高电桥的电压、减小起始气隙差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点：线性好；灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；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；电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。四、自感式电感传感器应用变气隙电感式压力传感器：结构如图，由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起当液体/气体进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。变气隙式差动电感压力传感器：主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。被测压力→C形弹簧管→产生变形→自由端发生位移→衔铁运动→线圈1和线圈2中的电感变化（一个电感量增大，另一个电感量减小）→通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。3.2互感式传感器互感式传感器：被测的非电量→线圈互感量M变化的传感器基本原理：根据变压器原理制成，且次级绕组都用差动形式连接，故也称差动变压器式传感器。结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm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。差动变压器式传感器,简称差动变压器,是一个有可动铁芯和两个次级线圈的变压器。传感器的可动铁芯和待测物相连,两个次级线圈接成差动形式,可动铁芯的位移利用线圈的互感作用转换成感应电动势的变化,从而得到待测位移。一、差动变压器式传感器结构及原理由于互感,初级线圈的交流电在两个次级线圈分别产生感应电动势E21和E22。又因接成差动形式,即两个感应电动势反向串联,则输出电压设两个次级线圈完全相同,当铁芯处在中间位置时,感应电动势E21=E22,此时Usc=E21-E22=0当铁芯向上移动时,次级线圈2中穿过的磁通减少,感应电动势E22也减少,而次级线圈1中穿过的磁通增多,感应电动势E21也增大,则Usc=E21-E22>0反之,当铁芯向下移动时,则Usc=E21-E22<0

可见,输出电压的大小和符号反映了铁芯位移的大小和方向。差动变压器有多种结构形式。图(a)是Π形结构,衔铁为平板形,灵敏度较高,但测量范围较窄,一般用于测量几微米到几百微米的机械位移。图(b)是衔铁为圆柱形的螺管形差动变压器,可测一毫米至上百毫米的位移。此外还有衔铁旋转的用来测量转角的差动变压器,通常可测到几角秒的微小角位移。二、差动变压器的输出特性图(a)所示Π形差动变压器,当不考虑铁损、漏感且忽略铁芯和衔铁的磁阻,在次级线圈开路时有式中,ψ1和ψ2分别为次级线圈1和2的磁通匝链数,则式中N2为两次级线圈匝数。设衔铁向上移动了Δδ,则式中除I1外均为已知,为此,需要求出初级线圈中的激磁电流I1。当次级线圈中无电流时(负载为无穷大)式中,Z11=R11+jωL11,Z12=R12+jωL12。R11、R12，L11、L12，Z11、Z12分别表示上下初级线圈的铜电阻,电感和复阻抗,其中该式中含有Δδ2项,这是引起非线性的因素。如果忽略Δδ2项,并设R11=R12=R1,上式可改写为把代入上式,整理后得式中,Q=ωL0/R,为品质因数。由上式可知,输出电压中包含与电源电压Usr同相的基波分量和相位差90°的正交分量。这两个分量都同气隙的相对变化量Δδ/δ0有关。Q值提高,正交分量将减小。因此,希望差动变压器具有高的Q值。Q值很高时,上式可简化成输出电压Usc与衔铁位移Δδ之间是成比例的,其输出特性曲线如图3.12所示。由图可见,单一线圈的感应电动势E21或E22与铁芯的位移不成线性,两个线圈差接以后,输出电压就与铁芯的位移成线性关系了。上式中负号的意义是,当Δδ向上为正时,输出电压Usc与电源电压Usr反相,当Δδ向下为负时,两者同相。由差动变压器的灵敏度表达式传感器的灵敏度：随电源电压Usr和变压比N2/N1的增大而提高,随起始间隙增大而降低。一般情况下取N2/N1=1~2,太大时,次级线圈的输出阻抗过高,易受外部干扰的影响。必须注意,位移量要限制在一定范围内,δ0一般在0.5mm左右。δ0过大,灵敏度要降低,而且边缘磁通将增大到不能忽略的程度,从而使非线性增大。在实际输出特性中,当δ0=0时,还存在着零位电压U0。三、差动变压器传感器应用差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。1.位移的测量差动变压器仍以位移测量为其主要用途，它可以作为精密测量仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，如内径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏心和椭圆度等;作为轴承滚动自动分选机的主要测量部件，可以分选大、小钢球、圆柱、圆锥等;用于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。测量液位的原理图：当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，差动变压器输出信号Uo=0；当液位上升或下降时，Uo≠0；通过相应的测量电路便能确定液位的高低。2.振动和加速度测量差动变压器+悬臂梁弹性支承-------加速度计：测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以Δx(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。为了满足测量精度，加速度计的固有频率()应比被测频率上限大3~5倍。由于运动系统质量m不可能太小，而增加弹性片刚度k又使加速度计灵敏度受到影响，因此系统固有频率不可能很高。所以，能测量的振动频率上限就受到限制，一般在150Hz以下。图3.16(b)是这种形式的加速度计的测量电路示意图。高频时加速度测量用压电式传感器。差动变压器输出的交流信号,其波形是调幅波,无法鉴别被测位移的方向。为了观察衔铁的实际运动规律,可采用差动相敏整流电路。3.压力测量差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力传感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。图3.17是微压力变送器结构示意图及测量电路框图。差动变压器从供电方式可分为交流式和直流式两种。直流式差动变压器是将直流电通过振荡器变为交流电,并将电子电路与差动变压器封装在一起。这种传感器,供给稳定的直流电,就能获得与位移成正比的直流电压输出。这种传感器主要技术指标：直流式差动变压器量程:5、10…mm,±5mm、…、±250mm线性度:0.1%,0.2%,0.3%,0.5%供电电压:±12V～±15V输出方式:A.标准电流型0～10mA或0～±10mAB.标准电压型0~5V或0~±5V环境温度:－10℃～＋65℃