石大机械工程测试技术讲义08电感式传感器

电感式传感器(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室目录一、概述1、含义2、原理3、类型二、自感式1、组成2、工作原理3、类型4、差动自感传感器5、优缺点6、应用三、差动变压器式1、含义2、零点残余电压3、测量电路4、特点5、应用四、电涡流式1、电涡流效应2、类型3、工作原理4、特点5、应用补充问题1、在差动自感传感器输出特性曲线（不带相敏整流器）上，为什么当时，输出？如何消除？2、单线圈和差动两种变隙式自感传感器在组成和工作原理上有什么异同点？3、为什么螺线管式电感传感器比变隙式电感传感器有更大的测位移范围？4、闭磁路变隙式和开磁路螺线管式电感传感器在性能指标上有何异同？5、自感传感器测量电路的主要任务是什么？6、影响差动变压器灵敏度的因素有哪些？如何提高灵敏度？7、影响差动变压器线性度的因素有哪些？如何提高线性度？8、为什么螺线管式差动变压器比变隙式差动变压器的测量范围大？9、电涡流的大小、深度分别与哪些因素有关？10、影响高频反射涡流传感器灵敏度的因素有哪些？11、低频透射涡流传感器有哪些特点？可用来测量哪些物理量？12、影响低频透射涡流传感器线性度和灵敏度的因素有哪些？一、概述1、含义1）利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转化成线圈电感（或互感）的变化，这种机电转换装置称为电感式传感器。2）电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化实现非电量电测量的一种装置。2、原理它基于：自感现象、互感现象及电涡流效应。3、类型可分为自感式（电感式）、互感式（差动变压器式）及电涡流式三种类型。二、自感式1、组成简单自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。2、工作原理在铁心与衔铁之间有一个空气隙，厚度为，传感器运动部分与衔铁相连，当运动部分产生位移时，空气隙厚度变化，从而使电感值发生变化。线圈的电感值为：。可见：电感量与空气隙厚度成反比，与气隙相对截面积成正比，因此，改变空气隙厚度（使衔铁作变化）或气隙相对截面积都能使电感量变化。3、类型有三种类型：1）改变气隙厚度的自感传感器——变隙式特点：灵敏度较高；但测量范围与灵敏度及线性度相矛盾；非线性严重，示值范围很小，自由行程小（受铁心限制）；制造装配困难，常用于小位移测量。2）改变气隙截面S的自感传感器——变面积式具有较好的线性，示值范围较大，自由行程也较大，但灵敏度较低。通常用来测量比较大的位移。3）螺管式自感传感器结构简单，制造装配容易；示值范围大，线性度好，自由行程大，但灵敏度低，易受干扰。适用于测量大量程直线位移。由于在测量电路中通常都设有放大环节，故螺管的灵敏度低的缺点不易被暴露，因此，开磁路（螺管式）自感传感器得到广泛的应用。4、差动自感传感器简单自感传感器的结构简单，运用方便。但衔接永远受有吸力；线圈电阻受温度影响，有温度误差，不能反映被测量的变化方向，非线性大，因此多采用差动形式。1）优点：差动式自感传感器同样可以实现位移到自感的转换，但其性能与单线圈自感传感器相比有了许多改善a、差动式比单线圈的灵敏度提高一倍。b、差动式自感传感器的非线性明显得到改善。c、差动式测量范围变大，在较大的测量范围内，传感器能保持较好的线性转换特性；d、减小了测量误差，差动结构本身的对称性减小了温度等外界干扰的影响，克服了单线圈的衔铁在初始中间位置承受的电磁吸引力，从而提高了测量精度。故在实际应用中大量采用差动自感传感器。2）三种形式：a）变气隙厚度差动自感传感器b）变截面差动自感传感器c）螺管式差动自感传感器3）采用带有相敏整流的电桥电路因为带有相敏整流的交流电桥电路不仅可消除零点残余电压，而且其基本特性既能反映位移的大小，又能反映位移的方向（因为该电路输出电压随着衔铁位移方向不同而有不同的极性）。5、优缺点优点：结构简单，测力小，工作可靠，测量精度高，测量范围广。例如：用其测量直线位移可小至，大致数百mm；灵敏度高，用其测量直线位移的分辨率可达0.1；零点稳定，输出功率大，在某些情况下，甚至可以不必放大就可直接推动指示仪表。缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约；传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。输出量与电源频率有密切关系，对线圈供电电源的频率和振幅稳定度均要求较高。6、应用除了可以对直线位移和角位移进行直接测量外，还可以通过一定的感受机构对一些能够转换成位移量的其它物理量如振动、张力、压力、应变、尺寸、流量、转速、转矩、振动等进行检测。三、差动变压器式1、含义把被测的非电量变化转换为线圈的互感系数的变化称为互感式传感器。它是基于电磁感应中的互感现象。因为这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且其次级绕组都用差动形式连接。所以，又叫差动变压器式传感器，简称差动变压器。有变隙式、变面积式和螺线管式三种。2、零点残余电压1）含义在理论上，当差动变压器的衔铁位于初始平衡位置（即中央位置或零位移时），由于对称的两个次级线圈反向串联，它们的感应电动势大小相等，方向相反，因此差动变压器的输出电压为零。但在实际上，差动变压器的输出电压并不等于零，而是一个很小的电压值，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压（或称零位输出电压简称零位电压）。其大小通常为零点几毫伏到几十毫伏。2）产生的原因零点残余电压产生的原因有如下几个：（1）由于两个次级线圈的电气参数和几何尺寸不完全对称，造成二者的感应电势不相等；（2）导磁材料存在铁损耗、不均质，初级线圈有铜损耗电阻，这均使差动变压器的输入电流与磁通不同相。（3）励磁电压波形中有高次谐波。（4）铁心材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）导致输出电压中含高次谐波。3）对测量的影响零点残余电压是评定差动变压器性能的主要指标之一。零点残余电压的存在会使得传感器输出特性在零位附近的范围内不灵敏（灵敏度降低），分辨率变差和测量误差增大；零位电压如果馈入高增益放大器，会使放大器提早饱和，堵塞有用信号的通过，或者被放大后送入伺服电机，使电机发热，尤其在传感器的输出主信号为零时，放大了的零位电压正交分量可能使电机产生误动作。因此，必须采取相应措施来消除或减小零点残余电压。4）消除或减小零点残余电压的方法（1）应尽可能保证传感器几何尺寸，线圈电气参数和磁路的相互对称，这是减少零位电压最有效的方法。（2）采用导磁性能良好的材料制作传感器壳体，使之兼顾屏蔽作用，以减小外界电磁场干扰。（3）将传感器磁回路工作区域设计在铁芯磁化曲线的线性段（避开饱和区），以减小由于磁化曲线的非线性而产生的三次谐波。（4）采用适当的外电路补偿法来减小零点残余电压。（5）选用相敏整流器作为测量电路可以使零点残余电压减小到忽略不计的程度。3、测量电路常采用带有相敏整流器的电桥测量电路。原因：1）可改善差动变压器的线性；2）输出电压不仅能反映铁心位移的大小又能反映位移的方向；3）可较好地消除零点残余电压。4、特点气隙型差动变压器：灵敏度高，但示值范围小，非线性严重，使用逐渐减小。螺管型差动变压器：虽然灵敏度较低，但其示值线性范围大，精确度高，稳定度好，自由行程可任意安排，制造装配较方便，应用较广泛。5、应用凡是与位移有关的物理量均可经过它转换成电量输出，常用于测量位移、振动、加速度、厚度、应变、压力、荷重、比重、张力等各种物理量。四、电涡流式传感器1、电涡流效应涡流式传感器基于电涡流效应（电磁感应现象中的一种）。即块状金属导体置于变化着的磁场中或在磁场中作切割磁力线的运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫涡电流，以上现象称为电涡流效应。涡流的大小与金属体的电阻率，磁导率，厚度以及线圈与金属体的距离，线圈的励磁电流角频率等参数有关。当固定其中若干参数，就能按涡流大小测量出另外一些参数。2、类型按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式与低频透射式两类，前者应用较广泛。3、高频反射式涡流传感器的工作原理当传感器与被测导体靠近时，传感器的高频回路阻抗将发生变化，与被测体材料的电阻率、磁导率、励磁频率以及传感器与被测导体间的距离有关，可用函数式表示如下：当电源频率，被测体电阻率，磁导率为恒定时，传感器与被测导电体间的距离将与阻抗呈单值函数，即。因此，当变化时，由于值和值发生变化，导致发生变化，通过测量电路可将的变化转换为电压的变化，这样就达到了把位移转换为电量的目的。4、特点涡流传感器最大特点是可以实现非接触测量，其结构简单，测量线性范围大，灵敏度高，动态响应好，不受油污等介质的影响、抗干扰能力强等，广泛用于工业生产和科学研究的各个领域。5、应用电涡流传感器的变换量可以是位移，也可以是被测材料的性质（或），其应用大致有下面四个方面：1）利用位移作为变换量，可以做成测量位移、厚度、尺寸、振动、振幅、振摆、转速、液位等传感器，也可做成接近开关计数器等。2）利用材料电阻率作为变换量，可以做成测量温度、材质判别等传感器。3）利用导磁率作为变换量，可以做成测量应力、压力、硬度等传感器。4）利用变换量、、等综合影响，可以做成无损探伤装置等。补充问题1、在差动自感传感器输出特性曲线（不带相敏整流器）上，为什么当时，输出？如何消除？主要因为：1）两个线圈结构及电气参数不完全对称，引起两曲线圈电感量不相等；2）传感器具有铁损，即磁芯磁化曲线的非线性；3）电源电压中含有高次谐波；4）线圈具有寄生电容，线圈与外壳铁芯间有分布电容。零位信号的危害十分明显，会降低测量精度，削弱分辨能力，易使放大器饱和。减小零位误差的措施是减少电源中的谐波成分；减小电感传感器的激磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段；把交流输出接入相敏整流电路，变为直流信号输出，可完全消除零位信号。2、单线圈和差动两种变隙式自感传感器在组成和工作原理上有什么异同点？组成：单线圈式主要由线圈、衔铁和铁芯组成。差动式主要由两个相同的电感线圈、铁芯、衔铁和导杆组成。工作原理：共同点：它们的衔铁都随被测物体同步移动，引起磁路中气隙的磁阻发生变化，从而导致线圈电感的变化，只要能测出线圈电感变化的大小和极性，就能确定被测体位移的大小和方向。不同点：差动式两线圈的电感产生大小相等，极性相反的变化，配用差动电桥测量电路，输出量是由两线圈电感差值引起的。单线圈变隙式只有一个线圈，测量电路配用单臂电桥，输出量是由该线圈电感变化引起的。3、为什么螺线管式电感传感器比变隙式电感传感器有更大的测位移范围？差动变隙式电感传感器的灵敏度，非线性项为的高次项，式中的为被测位移范围（衔铁与铁芯间气隙变化的范围），为初始气隙。因此为提高灵敏度，需减小；而为提高线性度，又需使＜＜，也就是说，为使传感器具有较高的灵敏度与较好的线性度，必须限制测位移范围。差动螺线管式电感传感器的灵敏度为，当每个线圈匝数，活动铁芯的相对导磁率，活动铁芯半径和线圈长度确定后，灵敏度为与被测位移范围无关的常数，因此，理论上可做到相当大的测位移范围。4、闭磁路变隙式和开磁路螺线管式电感传感器在性能指标上有何异同？传感器项目闭磁路变隙式开磁路螺线管式灵敏度测量上限值衔铁自由行程测量误差制造装配应用高100较小3%左右困难逐渐减少低600任意安排±0.5%左右方便，批量生产中互换性强越来越广5、自感传感器测量电路的主要任务是什么？在实际就用中，通常把自感式传感器的线圈接入特定的测量电路，其任务是将传感器输出的电感量再进一步转换成与此电感成一定关系的电信号（电压、电流、频率等）形式输出，以便电测仪表进行记录或显示。通常采用带有相敏整流的交流电桥作为测量电路。6、影响差动变压器灵敏度的因素有哪些？如何提高灵敏度？差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压励磁下，衔铁移动单位位移时所产生的输出电压的变化，以表示。影响灵敏度的因素有：电源的电压和频率、初次级线圈的匝数比、衔铁直径和长度、材料质量、环境温度等。提高灵敏度的措施有：1）初级激磁电源的频率在400—10为佳，在此范围内，频率高些，有利于提高灵敏度。2）提高线圈的值。3）增大铁心直径，使其接近于线圈框架内径。4）选取导磁性能好、铁损小及涡流损耗小的导磁材料制作铁心。5）减少涡流损耗，为此线圈框架采用非导电的且膨胀系数小的材料。7、影响差动变压器线性度的因素有哪些？如何提高线性度？传感器输出、输入（被测量）关系曲线与拟合直线的偏离程度定义为线性度（非线性误差）。线性度表明传感器的输出电压与位移是否呈直线关系，以及在活动衔铁位移的大范围内保持线性关系。理想的差动变压器二次侧输出电压应与铁心位移成线性关系。影响差动变压线性度的因素有：线圈骨架形状和尺寸的精确性、线圈的排列、铁芯的直径、长度与材质、激磁频率和负载状态。实验证明：影响三节螺线管式差动变压器线性度的主要因素是两个次级线圈的结构（两端部和外部结构）。提高线性度的措施：1）一般取测量范围为线圈骨架长度的1/10到1/4；2）激磁频率采用中频（400—10）为佳；3）线绕排列要均匀，适当选择铁心长度及负载电阻；4）采用相敏整流测量电路对输出电压进行处理，可以改善差动变压器的线性度。8、为什么螺线管式差动变压器比变隙式差动变压器的测量范围大？由变隙式差动变压器灵敏度，可知灵敏度与测量范围相矛盾，为了得到较高灵敏度，必须限制测位移范围。对于三节螺线管式差动变压器，灵敏度可表达为：在传感器结构参数确定的情况下，灵敏度仅仅是和的函数，与被测位移范围无关，因此理论上可做到相当大的测位移范围。9、电涡流的大小、深度分别与哪些因素有关？电涡流的强度与距离呈非线性关系，随着增加，电涡流减小。被测体的电阻率越大，相对导磁率越小，传感器线圈的激磁频率越低，则电涡流的轴向穿深度越大。10、影响高频反射涡流传感器灵敏度的因素有哪些？1）与线圈的形状和大小有关线圈的形式最好是尽可能窄而扁平，当线圈直径增大时，灵敏度降低。2）被测体材料的影响被测体的电阻率和相对导磁率越小，传感器的灵敏度越高；若被测体材质或其表面层不均匀时，会引起传感器灵敏度的波动，产生一定的干扰信号。3）被测物体的形状和