第三章 电感式传感器.ppt

1、,1,第3章 电感式传感器,3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器式传感器 3.3 电涡流式传感器,了解三种电感式传感器（自感式传感器、差动变压器、电涡流传感器）的结构、工作原理和测量电路。 掌握三类电感式传感器的各自特点、应用范围和典型应用。,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 自感式传感器是把被测量的变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变截面积式和螺线管式三种。,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，电压灵敏度可达数百m

2、V/mm 。 （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。,1线圈coil ； 2铁芯Magnetic core ；3衔铁Moving core,self-inductance of coil is: 式中：N-number of turns RM - reluctance,因为气隙较小(0.11mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为:,铁芯磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小,线圈自感L为：,分类：

3、 变气隙厚度的电感式传感器； 变气隙面积S的电感式传感器； 变铁芯磁导率的电感式传感器；,在实际使用中，常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器。测量时，衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。 差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。,3.1.2 测量电路 变磁阻式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。 1交流电桥式测

4、量电路 把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替，设Z1=Z+Z1，Z2=ZZ2，Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，Z1，Z2分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量。,交流电桥式测量电路 变压器式交流电桥,其输出电压为: 式中：L0衔铁在中间位置时单个线圈的电感； L单线圈电感的变化量。,2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1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为,当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时，有U0=0，电桥平衡。 当传感器衔铁上移时，即Z1=Z+Z，Z2=ZZ，此时,

5、当传感器衔铁下移时，则Z1=ZZ，Z2=Z+Z，此时,3.2 差动变压器式传感器,3.2.1 差动变压器式传感器的工作原理 差动变压器是把被测的非电量变化转换成绕组互感量的变化。 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，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。,3.2.1 工作原理及特性,1.工作原理 差动变压器主要由一个绝缘线框、三个线圈(一个初级线圈N1、两个次级线圈N21、N22)和插入线圈中央的圆柱形铁芯组成。在线框上绕有一组一次线圈作为输入线圈，在同一框架上另绕两组二次线圈作为输出线圈，并在

6、线框中央圆柱孔中放入铁芯，如图 (a)所示。,1初级线圆； 21，22次级两差动初线圆； 3线圆绝缘框架； 4活动衔铁,在图 (a)中，1表示变压器初级线圈，21和22表示变压器次级两差动线圈，为反向串联。3为线圈绝缘框架，4表示活动衔铁，变量X表示活动衔铁的位移变化量。 在忽略线圈寄生电容及衔铁损耗的理想情况下，差动变压器的等效电路如图 (b)所示，R1、L1为初级线圈1的损耗电阻和自感，R21和R22表示两次级线圈的电阻，L21和L22表示两次级线圈的自感，M1、M2为初级线圈N1与次级线圈N21、N22间的互感系数，e21和e22表示在初级电压u1作用下在两次级线圈上产生的感应动势，图中

7、两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2。,当一次线圈加以适当频率的电压激励时，根据变压器的作用原理，在两个二次线圈中就会产生感应电动势，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，必然会使两次级线圈的互感系数M1=M2。根据电磁感应原理，将有E21=E22，则U2=E21-E22=0，即差动变压器输出电压为0。 当铁芯向右移动时，在右边二次线圈内穿过的磁通比左边二次线圈多些，所以互感也大些，感应电动势E21增加；另一个线圈的感应电动势E22随铁芯向右偏离中心位置而逐渐减小；反之，铁芯向左移动时，E21减小，E22增加。两个二次线圈的输出电压分别为U21和U22(空载时即

8、为感应电动势E21，E22)，如果将二次线圈反向串联，则传感器的输出电压U2=U21-U22。,当铁芯移动时，U2就随着铁芯位移x成线形增加，其特性如图所示，形成V形特性。如果以适当方法测量U2，就可以得到与x成正比的线性读数。,从图中可看出，当铁芯位于中心位置，输出电压U2并不是零电位，这个电压就是零点残余电压Ux，它的存在使传感器的输出特性曲线不经过零点，造成实际特性和理论特性不完全一致。 产生零点残余电压的原因有很多，不外乎是变压器的制作工艺和导磁体安装等问题，主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的，一般UX在几十毫伏。在实际使用时，必须设法减

9、小，否则将会影响传感器的测量结果。,3.2.2 测量电路,由于差动变压器的输出电压为交流，用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。另外，其测量值必定含有零点残余电压。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，常采用差动整流电路和相敏检波电路。,1. 差动整流电路,差动变压器最常用的测量电路是差动整流电路，如图所示，把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。图(a)和图(b)为电压输出型，用于连接高阻抗负载电路，图中的电位器用于调整零点残余电压。图 (c)和图(d)为电流输出型，用于连接低阻抗负载电路。采用差动整流

10、电路后，不但可以用0值居中的直流电表指示输出电压或电流的大小和极性，还可以有效地消除残余电压，同时可使线性工作范围得到一定的扩展。,下面结合图 (b)全波电压输出电路，分析差动整流电路的工作原理。 全波整流电路，是根据半导体二极管单向导通原理进行解调的。 设某瞬间载波为正半周，此时差动变压器两个次级线圈的相位关系为A正B负，C正D负； 在上线圈中，电流自A点出发，路径为A1291143B，流过电容的电流是由2到4，电容C1上的电压为U24。 在下线圈中，电流自C点出发，路径为C56101187D，流过电容C2的电流是由6到8，电容两端的电压为U68。 差动变压器的输出电压为上述两电压的代数和，

11、即U2=U24 - U68 。,同理，当某瞬间载波为负半周时，即两次级线圈的相位关系为A负B 正、C负D正，按上述分析可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流方向总是从6到8，可得差动变压器输出电压U2的表达式仍为U2=U24-U68 当铁芯在中间位置时，U24=U68 ，所以U2=0 ； 当铁芯在零位以上时，因为U24U68 ，则U20； 当铁芯在零位以下时，因为U24U68 ，则U20。,铁芯在零位以上或以下时，输出电压的极性相反，于是零点残余电压会自动抵消。由此可见，差动整流电路可以不考虑相位调整和零点残余电压的影响。此外，还具有结构简单、分布电容影响小和便于远距离传输等优点，获得广泛的应用。在远距离传输时，将此电路的整流部分放在差动变压器的一端，整流后的输出线延长，就可避免感应和引出线分布电容的影响。,2. 相敏检波电路,相敏检波电路的形式很多，过去通常采用分立元件构成的电路，它可以利用半导体二极管或三极管来实现。随着电子技术的发展，各种性能的集成电路相继出现，例如单片集成电路LZX1，就是一种集成化的全波相敏整流放大器