第三章 电感式传感器n

1、第三章电感式传感器,电感式传感器是利用线圈自感（self-inductanceofcoils）或互感（mutualinductanceofcoils）的改变来实现测量的一种装置。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有电感绕组。,习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器（变磁阻式reluctancevariationsensors），而互感式传感器由于它利用变压器原理，又往往做成差动式，故称作差动变压器（linearvariabledif

2、ferentialtransformers(LVDTs)）此外，利用涡流原理的电涡流式传感器（Eddycurrentsensors）、利用材料压磁效应（Piezo-magneticeffect）的压磁式传感器、利用平面绕组互感原理的感应同步器(Inductosyn)等，亦属电感式传感器,种类,定义,特点（1）工作可靠、寿命长；（2）灵敏度高、分辨率高;位移:0.01m;角度0.1”;输出信号强，电压灵敏度高（3）精度高、线性好;在几十m到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。非线性误差：0.05%0.1%；（4）性能稳定、重复性好。,不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量

3、。,第一节工作原理,一、自感式传感器工作原理,1,线圈自感,线圈匝数,磁路总磁阻,对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为,式中:各段导磁体的长度;i各段导磁体的导磁率;Si铁芯材料的截面积;气隙的厚度0空气的导磁率;S空气隙的截面积;,可得,铁心的结构和材料确定后，上式分母第一项为常数，此时，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。,（螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而变化的基础上）,自感式电感传感器常见的形式,1线圈coil；2铁芯Magneticcore；3衔铁Movingcore,变气隙式,变截面式,螺线管式,二、互感

4、式传感器（差动变压器式传感器）工作原理,把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且次级绕组都用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多,有变隙式、变面积式和螺线管式等,但其工作原理基本一样。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1100mm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。,原理传感器工作时，被测量的变化将使磁心产生位移，引起磁链和互感系数的变化，最终使输出电压变化。,设磁芯上绕制线圈N1，N2，线圈N1通入电流I1，在线圈N1中产生磁通，部分磁通通过N

5、2，在线圈N2中产生互感电动势E,再设,磁链,互感系数,输出电压：,输出电压有效值,则,又因为,第二节转换电路和传感器的灵敏度,传感器实现了把被测量转变为自感和互感量的变化，如何将电感值随外作用的变化转换成可用的电信号，这是本节研究的内容。原则上讲可将自感的变化转换成电压（电流）的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。调幅电路的一种主要形式是交流电桥，已经在第二章讨论过，不再重复。这里只提一下自感传感器中经常使用的变压器电桥。,图中B点的电压为：,图中A点的电压为：,1.变压器电桥,输出电压：,讨论：（1）当铁芯处于中间位置时，Z1=Z2=Z，这时U0=0,电桥平衡；（2）

6、当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加，Z2=Z+Z，上面线圈的阻抗减小，Z1=Z-Z得：,反之，当铁芯向上移动同样大小的距离时，Z2=Z-Z,Z1=Z+Z，得：,幅值为：,输出电压幅值为:,两种情况的输出电压大小相等，方向相反，由于E是交流电压，所以输出电压U0在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。,实际应用中，电感式传感器的阻抗变化Z为纯损耗电阻变化R及感抗变化L，则,幅值为,求其全微分,因此，输出电压为,若非常小时，可以忽略，则,如果，传感器设计成，或Q值较大，则,电感线圈品质因数Q,2.谐振式测量电路定频调幅电路,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

7、压器副边将有电压输出,输出电压的频率与电源频率相同,而幅值随着电感L而变化,图（b）所示为输出电压与电感L的关系曲线,其中L0为谐振点的电感值,串联谐振时，LC输出阻抗最小，输出电压最大。,此电路灵敏度很高,但线性差,适用于线性要求不高的场合。,谐振式调频电路,调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。,一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中,其振荡频率。当L变化时,振荡频率随之变化,根据f的大小即可测出被测量的值。图（b）表示f与L的特性,它具有明显的非线性关系。,对f求导,调频电路只有在f较大的情况下才能达到较高的精度。,调相电路的基本原理是传感器电感变化将引起

8、输出电压相位变化,调相电路,上图为相位电桥，一臂为传感器L，另一臂为固定电阻R，电感线圈与固定电阻上压降是两个相互垂直的向量,当电感L变化时，输出电压幅值不变，相位角随之变化。与L的关系为：,为电源角频率,当L有了微小变化，求得输出电压相位变化为,差动变压器输出的是交流电压,只能反映衔铁位移的大小,而不能反映移动方向。另外,其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的,实际测量时,常常采用差动整流电路和相敏检波电路。,1.差动整流电路,根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“”，e点为“”，则电流路径是fgdc

9、he（参看图a）。反之，如f点为“”，e点为“”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图（b），其值为USC=eabecd。,2、相敏检波电路容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中调制电压er和e同频，经过移相器使er和e保持同相或反相，且满足ere。调节电位器R可调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。,相敏检波电路（1）分析电路的辨向过程。（2）说明电路的作用。,设：位移为正弦波,差动变压器输出为,零位上下，次级输出相位有180o变化，因此可以通

10、过判别相位变化来判别位移得极性。,条件：（1）二极管为理想开关；,（2），且正位移时，同频同相，负位移时，同频反相。,具体分析,1）衔铁在零位以上移动时，x(t)0载波信号在上半周(0),同频同相,A：U1上正下负，U2上正下负；B：U01左正右负，U02左正右负。此时，二极管D1、D4截止，D2、D3导通对于D2回路有：对于D3回路有：,通常：U1U2，U01U02因此：i2i3ifi2i30，方向：电流自下向上，设为正向电压为正。,载波信号为下半周(2),A：U1上负下正，U2上负下正；B：U01左负右正，U02左负右正。此时，二极管D1、D4导通，D2、D3截止对于D1回路有：对于D4回

11、路有：,因此：i4i1ifi4i10，方向：电流自下向上，为正向电压为正。,2）衔铁在零位以下移动时，x(t)0载波信号在上半周(0),同频反相,A：U1上负下正，U2上负下正；B：U01左正右负，U02左正右负。此时，二极管D1、D4截止，D2、D3导通对于D2回路有：对于D3回路有：,因此：i3i2ifi3i20，方向：电流自上向下，为反向电压为负。,载波信号为上半周(2),同理可得：,A：U1上正下负，U2上正下负；B：U01左负右正，U02左负右正。此时，二极管D1、D4导通，D2、D3截止对于D1回路有：对于D4回路有：,因此：i1i4ifi1i40，方向：电流自上向下，为反向电压为

12、负。,结论：衔铁在零位以上移动时，不论载波信号时正半周还是负半周，负载上电压始终为正。(2)衔铁在零位以下移动时，不论载波信号时正半周还是负半周，负载上电压始终为负。,（2）U0的大小反映位移的大小，U0的极性反映位移的方向。消除零点残余电压使x=0时，U0=0。,以调幅电路为例讨论自感传感器的灵敏度,自感传感器的灵敏度是指传感器结构(测头)和转换电路综合在一起的总灵敏度。,传感器结构的灵敏度定义为电感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，,转换电路的灵敏度定义为空载输出电压与电感相对变化之比，即,总灵敏度为：,差动变压器(互感式传感器)的转换电路,1.反串电路：直接把两个次级线圈反向串接，

13、空载输出电压为两个次级线圈的电动势之差。,2.桥路转换电路,是桥臂电阻，,RP为调零电位器，设,相等，输出电压：,优点：利用RP调零，不需另外配置调零电路,第三节零点残余电压,差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压,它的存在使传感器的输出特性不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。,零残电压的波形及组成：由基波和高次谐波组成,U-电源电压，e0-零残电压,基波一般为与u相正交的正交分量，高次谐波有偶次、三次谐波和幅值较小的外界电磁干扰波。,多幅值、频率不同的谐波,零点残余电压产生原因：基波分量。由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻

14、R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。,高次谐波。高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。,消除零点残余电压方法：1从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、

15、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。,3采用补偿线路由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图(a)。由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。,调相位式残余电压补偿电路,并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位，如图所示。电容C(0.02F)可防止调整电位器时使零点移动。,ui,u0,C,R1,R2,W,电位器

16、调零点残余电压补偿电路,第四节应用举例,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、张力和厚度等。,压力传感器,1-弹簧管2-螺钉3、7-铁芯4、6-线圈,差动变压器式加速度传感器由悬臂梁1和差动变压器2构成。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x(t)振动时,导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。,涡流效应：金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中漩涡那样在导体内转圈，称之为电涡流，这种现象称为涡流效应。,第五节电涡流式传感器,涡流存在的条件：存在交变

17、磁场导电体处于交变磁场中应用：对位移、厚度、材料损伤等进行非接触式连续测量。,一、工作原理,线圈的阻抗变化与涡流效应的强弱有关，即与金属导体的电阻率，磁导率，线圈与金属导体之间的距离，激磁电流和电流角频率以及线圈的尺寸参数有关。,把一扁平线圈置于金属导体附近，当线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围产生正弦交变磁场H1，处于此交变磁场中的金属导体内就会产生涡流I2，此涡流将产生交变磁场H2，方向与H1相反。由于H2的作用，涡流要消耗一部分能量，从而使磁场中线圈阻抗发生变化。,传感器线圈和被测导体组成线圈导体系统，工作时线圈的电感和电阻均发生变化，进而使有效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化完全取决于被

18、测金属导体的电涡流效应。,若把导体形象的看做一个短路线圈，传感器线圈和被测导体的关系可以用等效电路表示。,线圈与导体之间的互感随着两者的靠近而增大。线圈两端加激励电压，根据KVL基尔霍夫定律，分列线圈和导体的回路方程如下。,二、等效电路分析,式中:线圈激磁电流角频率;R1、L1线圈电阻和电感;L2短路环等效电感;R2短路环等效电阻。,由的表达式可知线圈受金属导体影响后的等效阻抗为,可见：有导体影响后，线圈阻抗的实数部分等效电阻增加；而虚数部分等效电感减小，这样使线圈阻抗发生了改变，这种作用称为反射阻抗作用。因此，电涡流传感器的工作原理，实质上是由于受到交变磁场作用的导体中产生的电涡流起到调节原

19、来阻抗作用的结果。,为了同时研究阻抗实、虚两部分的作用,常用品质因数来表示。根据品质因数的定义，线圈受被测金属体影响后的值为:,Q,为无涡流影响时线圈的Q值,为金属导体中产生涡流的圆环部分的阻抗,被测参数变化，引起线圈阻抗Z、电感L、和线圈Q值的变化。选用不同转换电路将Z、L、Q其中任意参数转换成电量，达到测量目的。传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为如果保持大部分参数不变,Z成为X的单值函数，由Z可知X，因此可以做成涡流式位移传感器。,当位移发生变化时，直接检测线圈的阻抗值的变化。通常采用电桥法测量,振荡器产生的高频振荡电流经过功率放大器放大后送给交流电桥，当位移发生变化时，将使线圈阻抗变化，从而破坏电桥平衡，电桥不平衡