第三章 变电抗式传感器—差动变压器.ppt

1、电感式传感器,互感式传感器,电感式传感器,被测量 自感L(互感M) Uo（Io）,电感式传感器的工作基础：电磁感应,利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量,电感式传感器,优点： 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,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。,2. 微压力变送器,F,220V,实验：,3.1 自感式传感器,气隙变小，电感变大，电流变小,F,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传

2、感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.1 工作原理,线圈自感,线圈总磁链,单位：韦伯； I通过线圈的电流，单位：安培； W线圈的匝数； Rm磁路总磁阻，单位：1/亨。,a)气隙型 b)截面型 c)螺管型 自感式传感器原理图,l i 各段导磁体的长度； U i各段导磁体的磁导率； S i 各段导磁体的截面积； 空气隙的厚度； U0 真空磁导率 S 空气隙截面积,变气隙型传感器 变截面型传感器,线圈中放入圆形衔铁 可变自感 螺管型传感器。,3.1.1 工作原理,当匝数为N的线圈通以电流I产生磁通链为 。磁通链与线圈电流之比称为自感系数，简称电感L 式中： 为穿过每匝线圈的磁通。

3、根据磁路的欧姆定律 式中： 为磁路的总磁阻。 由式（1）、式（2）可得：,1 工作原理,（1）,（2）,（3）,3.1.1 工作原理,要将被测非电量的变化转化为自感的变化，在线圈形状不变的情况下可以通过改变线圈匝数使得线圈的自感系数产生改变，相应地就可制成线圈匝数变化型自感式传感器。 要将被测量的变化转变为使线圈匝数变化是很不方便的，实际极少用。 当线圈的匝数一定时，被测量可以通过改变磁路的磁阻的变化来改变自感系数。因此这类传感器又称为可变磁阻型自感式传感器。,1 工作原理,3.1.1 工作原理,根据结构形式不同，可变磁阻式传感器又分为： 气隙厚度变化型 气隙面积变化型 螺管型三种类型,1 工

4、作原理,目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,1 工作原理： 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。,变隙自感式传感器,3.1.2 变气隙式自感传感器,3.1.2 变气隙式自感传感器,电感量L：,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,i铁芯、衔铁材料第i段的导磁率；i铁芯磁路第i段的长度； 空气隙的总长度； Si铁芯、衔铁第i段的截面积； S0气隙的截面

5、积；0空气的导磁率; 0=410-7H/m。,磁路总磁阻：,（3）,（4）,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,通常气隙的磁阻比铁芯的磁阻大得多，铁芯磁阻可忽略不计。,线圈的电感为：,（5）,（6）,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,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的函数，改变或S0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积S0的传感器。,（6）,3.1.2 变气隙式自感传感器,在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起

6、磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。,1 工作原理,图1 变隙自感式传感器,(1)变隙式自感式传感器,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,（6）,输出特性： L与之间是非线性关系， 特性曲线如图2所示。,图2 变隙式电压传感器的L-特性,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,（7）,当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0， 则此时输出电感为,（8）,当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器

7、,当/01时（台劳级数）：,（9）,可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即,(10),(11),同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有,（12）,（13）,对式（11）、（13）作线性处理，即忽略高次项后，可得,（14）,灵敏度为：,可见：变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。,（15）,与线性度,衔铁上移：,衔铁下移：,无论上移或下移，非线性都将增大。,图3 差动变隙式电感传感器,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。,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,衔铁

8、上移：两个线圈的电感变化量L1、L2分别由式（10）及式（12）表示， 差动传感器电感的总变化量L=L1+L2, 具体表达式为：,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,对上式进行线性处理, 即忽略高次项得,（16）,（17）,灵敏度K0为,比较单线圈式和差动式： ： 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。 差动式的非线性项(忽略高次项)： 单线圈的非线性项（忽略高次项)： 由于/01，因此，差动式的线性度得到明显改善。,3.1.2 变气隙式自感传感器,1 工作原理,(1)变隙式自感式传感器,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 3.1.2 变气

9、隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,当固定，改变气隙导磁面积S0，自感L与S0成线性关系。如图4所 示为气隙面积变化型自感传感器。,3.1.3 变面积式自感传感器,1 工作原理,(2)气隙面积变化型自感传感器,传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为,灵敏度,变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下， 输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。 但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。,3

10、.1.3 变面积式自感传感器,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,螺管型自感传感器是在螺管线圈中插入一个活动衔铁，当活动 衔铁在线圈中运动时，使磁阻发生变化，从而使自感变化。 在实际应用中，该类传感器通常也采用差动的结构（如图5所示）。将铁芯置于两个线圈的中间，当铁芯移动时，两个线圈的电感产生相反方向的增减，然后利用电桥将两个电感接入电桥的相邻的桥臂，以获得比单个工作方式更高的灵敏度和更好的线性度。,1 工作原理,(3)螺管

11、型自感传感器,3.1.4 螺线管式自感传感器,下图是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。,图 差动式自感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆,（a） 变气隙型,（b） 变面积型,（c） 螺管型,3.1.4 螺线管式自感传感器,1-螺线管线圈； 2-螺线管线圈； 3-骨架； 4-活动铁芯,L10，L20分别为线圈、的初始电感值；,当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小,根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为,两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。,式

12、(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.5 自感式传感器测量电路,1. 调幅电路 2. 调频电路 3. 调相电路 4. 自感传感器的灵敏度,1.调幅电路,(1) 变压器电路,输出空载电压,初始平衡状态，Z1=Z2=Z, u0=0 衔铁偏离中间零点时,使用元件少，输出阻抗小, 获得广泛应用,变压器式交流电桥,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的1

13、/2阻抗。 当负载阻抗为无穷大时， 桥路输出电压,当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z，此时有 ， 电桥平衡。,（18）,当传感器衔铁上移：如Z1=Z+Z，Z2=ZZ，,(19),当传感器衔铁下移：如Z1=ZZ，Z2=Z+Z， 此时,(20),可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于 是交流电压， 输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。,传感器衔铁移动方向相反时,空载输出电压,两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180 为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位， 要在后续电路中配置相敏检波器来解决,(2) 相敏检波电路,当衔

14、铁偏离中间位置而使Z1=Z+Z增加，则Z2=Z-Z减少。 这时当电源u上端为正，下端为负时， 电阻R1上的压降大于R2上的压降； 当u上端为负，下端为正时，R2上压降则大于R1上的压降， 电压表V输出上端为正，下端为负。,(2) 相敏检波电路,当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z-Z减少，则Z2=Z+Z增加。 这时当电源u上端为正，下端为负时， 电阻R2上的压降大于R1上的压降； 当u上端为负，下端为正时， R1上压降则小于R2 上的压降， 电压表V输出下端为正，上端为负。,非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 (a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路,使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位

15、移的大小和方向， 而且还消除零点残余电压的影响，,(3) 谐振式调幅电路,电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。,2.调频电路,传感器自感变化将引起输出电压频率的变化,灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合,3.调相电路,传感器电感变化将引起输出电压相位变化,4.自感传感器的灵敏度,传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度,总灵敏度,第一项决定于传感器的类型 第二项决定于转换电路的形式 第三项决定于供电电压的大小,气隙型、变压器电桥 传感器,传感器灵敏度的单位为 mV/(mV) 电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 3

16、.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.6 自感式传感器应用举例,自感式位移传感器 自感式压力传感器,1. 自感式位移传感器,1 传感器引线 2 铁心套筒 3 磁芯 4 电 感 线 圈 5 弹 簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测 杆 9 密封件 10玛瑙测端,2.自感式压力传感器,变隙式自感压力传感器结构图,变隙差动式电感压力传感器,End the 3.1,3.2 差动变压器,把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。 这种传感器是根据变

17、压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接， 故称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式：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1100mm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。,3.2 差动变压器,3.2.1 工作原理及分类 3.2.2 变隙式差动变压器 3.2.3 差动变压器应用,. 工作原理,-活动衔铁；-导磁外壳； -骨架；-匝数为W1初级绕组； -匝数为W2a的次级绕组； -匝数为W2b的次级绕组,差动变压器式传感器的结构主要为螺管型（如图7所示） 线圈由初级线圈(激励线圈相当于变压器原边)P和

18、次级线圈(相当于变压器的副边)S1、S2组成；线圈中心插入圆柱形铁芯(衔铁)b。其中，图(a)为三段式差动变压器，(b)为两段式差动变压器。,3.2.1 差动变压器,1.结构与工作原理,图7 螺旋管差动变压器结构原理,差动变压器的两个次级线圈反相串接，其差动变压器式传感器的工作原理正是建立在互感变化的基础上。,3.2.1 差动变压器,1.结构与工作原理,图8 差动变压器电气连接线路图,当初级绕组加以激励电压U时, 根据变压器的工作原理,在两个次级绕组S1和S2中便会产生感应电势E2a和E2b。 如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时, 必然会使两互感系数M1=M2。

19、根据电磁感应原理, 将有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联, 因而Uo=E2a-E2b=0, 即差动变压器输出电压为零。,3.2.1 差动变压器,1.结构与工作原理,图9 差动变压器的输出特性,差动变压器输出电势与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。,当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，S1中磁通将大于S2，使M1M2，因而E2a增加，而E2b减小。 反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b 随着衔铁位移x变化时， Uo也必将随x而变化。,3.2.1 差动变压器,1.结构与工作原理,当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于

20、零，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，记作Ux，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。 Ux一般是几十毫伏以下，在实际使用中，必须设法减小Ux,否则影响传感器测量结果。,3.2.1 差动变压器,1.结构与工作原理,零点残余电压,0,x,当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。,两个次级线圈反相串联，在理想情况下(忽略线圈寄生电容及铁芯损耗)，差动变压器等效电路如图10所示。,3.2.1 差动变压器,2.等效电路,图10

21、 差动变压器的等效电路,图中，Lp、Rp初级线圈的电感与有效电阻；M1、M2 初级线圈与两个次级线圈间互感； Ui 、Ip初级线圈激励电 压与电流；初级线圈激励电压的频率。,根据差动变压器等效电路。 当次级开路时:,3.2.1 差动变压器,2.等效电路,(21),3.2.1 差动变压器,2.等效电路,(21),根据电磁感应定律， 次级绕组中感应电势的表达式分别为,(22),由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上 关系可得差动变压器输出电压：,3.2.1 差动变压器,2.等效电路,(23),差动变压器输出电压有效值为：,上式说明，当激磁电压的幅值U0和角频率、 初级绕组的直流 电阻R

22、P及电感LP为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕 组与两个次级绕组之间互感之差的函数。 只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，可得到 螺线管式差动变压器的基本特性表达式。, 活动衔铁处于中间位置时,M1=M2=M,故,Uo=0, 活动衔铁向上移动时,M1 =M+M， M2 =M-M,故,(24),(25),(26),(27), 活动衔铁向下移动时,M1 =M-M， M2 =M+M,故,(28),(29),差动变压器输出电压特性曲线,3.2.1 差动变压器,3.测量电路,（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量， 只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向); （2）测量

23、值中将包含零点残余电压。,为了达到能辨别移动方向和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。,(a)、(b) 变隙式差动变压器； (c)、(d) 螺线管式差动变压器； (e)、(f) 变面积式差动变压器,3.2 差动变压器,3.2.1 工作原理及分类 3.2.2 变隙式差动变压器 3.2.3 差动变压器应用,3.2.2 变隙式差动变压器,1. 工作原理 2. 输出特性 3. 主要性能 4. 零点残余电压及消除方法 5. 转换电路,变隙式差动变压器,当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出 互感变化时，输出电压将作相应变化,两个初级绕组的同名端顺向

24、串联， 而两个次级绕组的同名端则反向串联。,当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置， 它与两个铁芯的间隙为a0 =b0=0 两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。 由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压 当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化， 使ab 两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压 电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理， 使最终输出电压的极性能反映位移的方向。,1. 工作原理,.输出特性,如果被测体带动衔铁移动,变隙式差动变压器输出特性 理想特性； 实际特性,结论：,供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值;

25、增加W2/W1的比值和减少0都能使灵敏度K值提高; 以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得到的; 以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的，而实际上很难做到这一点; 上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。,. 主要性能,（1）灵敏度 （2）线性度,（1）灵敏度,差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单 位距离时的输出电压，以V/mm/V表示。 理想条件下，差动变压器的灵敏度KE正比于电源 激励频率f .,KE与f关系曲线,提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。,除了激励频率和输入激励电压对差动变压器灵敏度有影响外， 提高线圈品质因数Q值，增大衔铁直径，选择导磁性能

26、好， 铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等 可以提高灵敏度。,（2）线性度,线性度: 传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差 除以测量范围（满量程），并用百分数来表示。 影响差动变压器线性度的因素: 骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯的尺寸和 材质，激励频率和负载状态等。 改善差动变压器的线性度: 取测量范围为线圈骨架长度的1/10-1/4，激励频率采用中 频，配用相敏检波式测量电路,4. 零点残余电压及消除方法,零点残余电压危害： 使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。 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

27、信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。,产生零点残余电压的原因,（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。 （2）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。 （3）励磁电压波形中含有高次谐波。,减小零点残余电压措施：,提高框架和线圈的对称性，特别是两个二次线圈对称。 采用适当的测量电路，一般可采用在放大电路前加相敏整流器。 在电路上进行补偿，使零点残余电压最小，接近于零。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。,补偿零点残余电压的电路,5. 转换电路,能辨别移动方向 消除零点残余电压 （