第4章 电感式传感器.ppt

1,第四章 电感式传感器,2,原理,电感式传感器最基本原理是电磁感应原理。 当通过一闭合回路所包围的面积的磁通量发生变化时，回路中就会产生电流，这就是电磁感应现象。,被测物理量,位移 振动 压力 流量 比重,的变化,传感器,自感系数 L 互感系数 M,的变化,电路,电压 电流,3,电感式传感器优点：,灵敏度高，分辨力高，位移：0.1m ； 精度高，线性特性好，非线性误差：0.05%0.1 % ； 性能稳定，重复性好 ； 结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、寿命长； 能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制等。,4,电感式传感器分类,变磁阻式传感器 自感型 差动变压器式传感器 互感型 涡流式传感器 自感型和互感型都有,高频反射式 自感型 低频透射式 互感型,5,§4-1 自感式电感传感器,6,一、工作原理,将被测对象的微小变化() 电感的变化 (L)。 传感器运动部分与衔铁相连，测物理量时，运动部分位移 衔铁位移 气隙厚度变化 线圈电感量 L变化。,7,一、工作原理,自感式电感传感器有变气隙式、变面积式和螺管式三种。,8,（一）变气隙式自感传感器,根据电工学，线圈中的电感量为：,9,（一）变气隙式自感传感器,若气隙很小，且不考虑磁路铁损，则：,Li 各导磁体长度 空气隙间隙 i 各导磁体相对导磁率 0 空气隙导磁系数 Ai 各导磁体截面积 A 空气隙截面积,10,因为 铁芯、 衔铁 气隙 所以 R铁芯+R衔铁R气隙,（一）变气隙式自感传感器,对上式对进行微分，可得变气隙式自感传感器的灵敏度为：,可见，变气隙式自感传感器的输出特性是非线性的，如图所示。,气隙的初始值0=0.10.5mm， =(0.10.2)0，特性曲线可以近似看作一条直线。,（二）变面积式自感传感器,对上式对A进行微分，可得变面积式自感传感器的灵敏度为：,可见，变面积式自感传感器的输出特性是线性的，因此测量范围大。 与变气隙式相比，变面积式的灵敏度较低。为了提高灵敏度，气隙的初始值0不能过大。,13,（三）螺管式自感传感器,螺管式自感传感器结构原理如图所示。,它是由螺管线圈、衔铁等组成。随着衔铁插入深度的不同将引起线圈电感量发生变化。,电感传感器的分类比较,15,（四）差动式自感传感器,差动变气隙式传感器的结构原理如图。,差动变气隙式传感器的衔铁位移时，可以使两个线圈的间隙按0+ , 0变化，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。将两线圈接于电桥相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高1倍，并改善了线性特性。,差动型式,为了增加灵敏度，改善线性，往往做成差动式的。,差动优点：（1）大大的改善了线性，减小线性误差。 （2）使灵敏度提高一倍。,17,二、测量电路,自感式传感器是将位移转换成电感的变化，为了便于测量，还必须通过测量电路将电感的变化变成电压（或电流），以便进行放大。为此，可以采用谐振电路进行处理。差动式自感传感器常采用交流电桥。,（一）交流电桥 交流电桥由交流电源供电，四个桥臂可以是电阻，也可以是电容或电感，因此可以用来测量电阻、电容和电感。,交流电桥的平衡条件为：,将Z=zej代入上式得：,要使上式成立，必须满足：,交流电桥的平衡条件为：相对桥臂阻抗之模的乘积和阻抗角值和必须相等。 交流电桥必须有两个可调参数，对幅值和相角进行平衡。,如图所示为变压器电桥，输出电压uo为：,电感线圈得复数阻抗为Z=r+jL，若rL时，则：,当衔铁处于中间位置时,1 =2= 0，所以L1 =L2= L0，代入式（4-9），得：,当衔铁偏离中间位置，使得1增大、2减小时， L1 = L0-L1、 L2 = L0+L2，代入式（4-9），考虑L0 L，得：,当衔铁向相反方向移动时，则：,（二）交流电桥的调幅作用,被测量经过传感器变换后，得到的是变化缓慢的微小信号，不能直接推动指示仪表和记录仪，需要进行放大。 如果用直流放大器放大，则存在温漂和级间耦合衰减的问题。 通常是把缓变微小信号先变成频率适当的交流信号，然后用交流放大器再进行放大。,载波的表示式为：,调制信号为：,调幅信号的表示式为：,25,（三）相敏检波电路,当差动电感传感器的衔铁向相反方向移动相同距离时，电桥的输出电压都为交流信号，从示波器上观察到的波形是一样的。因此，根据观察到的波形只能知道衔铁偏离中间位置的大小，而无法知道偏离的方向。 为了判别位移的方向，必须在后续电路中配置相敏检波电路。 相敏检波电路是调幅波的解调器。全波相敏检波电路能够把输入的交流信号经全波整流后变为直流信号，并具有鉴别输入信号的相位的功能。,通过相敏检波电路可以得到一个大小和极性随被测信号变化的电压，从而达到解调的目的。,27,§4-2 互感式传感器(差动变压器),28,一、工作原理,互感型传感器是利用电磁感应中的互感现象，如图所示。当线圈W1输入交流电流il时，线圈W2产生感应电动势e12，其大小与电流il的变化率成正比，即,29,一、工作原理,互感型传感器就是利用这一原理，将被测位移量转换成线圈互感的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。由于常常采用两个次级线圈组成差动式，故又称为差动变压器式传感器。其结构形式有多种，以螺管型应用较为普遍。,互感型传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。 由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即e0 e1e2 。,次级线圈中的感应电势为：,活动衔铁能改变线圈之间的耦合程度。输出e0的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时即e1=e2 ， e00；当活动衔铁向上移时，即门e1e2 , e0 0；当活动衔铁向下移时,即e1e2 , e0 0 。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压e0也随之变化，输出特性如图所示。,二、测量电路,上图是一种用于小位移测量的差动相敏检测电路工作原理，当没有信号输入时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量的大小和方向。,33,二、测量电路,从理论上讲，在衔铁处于中间位置时输出电压应为零，但实际存在零点残余电压，它由这样一些因素引起： 两个次级线圈不对称 初级线圈铜耗电阻的存在 导磁体靠近的安装位置、铁芯长度等 激磁频率的高低 铁磁材质不均匀 线圈间存在分布电容,34,二、测量电路,35,§4-3 电感式传感器的应用,36,电感式传感器的应用,可变磁阻式电感传感器一般用于静态和动态的接触测量。它主要用于位移测量，也可以用于振动、压力、负荷、流量和液位等参数测量。当它用于精密小位移测量时，一般约为0.001mm1mm。 差动变压器式传感器常用于测量位移、压力、压差、液位等参数。差动变压器式传感器具有精确度高(高到0.1m数量级)，线性范围大(可扩大到±100mm)，结构简单稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移及其他压力、振动等参量的测量。,一、位移测量,位移测量包括位移和与位移相关的膨胀、伸长、尺寸变化等。,如图为轴向式电感测微仪用的轴向式差动电感传感器。,这类传感器测量范围为毫米级，分辨力可达0.10.5m，工作可靠，但动态性能差。,二、力、压力测量,右图为差动式力传感器。,下图为差动式压力传感器。,39,§4-4 涡流式传感器,40,涡流,成块的金属物体置于变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，这就是涡流。 涡流式传感器就是利用涡流效应工作的。,高频反射式涡流传感器 自感型 低频透射式涡流传感器 互感型,根据激励频率不同分为,一、工作原理,一块金属板置于一只线圈的附近，相互间距为。当线圈中有一高频交变电流i通过时，便产生磁通。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流i1。这种电流在金属体内是闭合的，称之为“涡电流”或“涡流”。,这种涡电流也将产生交变磁通1 。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反， 1 总是抵抗的变化。由于涡流磁场的作用(对导磁材料还有气隙对磁路的影响)使原线圈的等效阻抗z发生变化，变化程度与距离有关。,42,一、工作原理,分析表明影响高频线圈阻抗Z的因素，除了线圈与金属板间距离以外，还有金属板的电阻率，磁导率以及线圈激磁角频率 等。当改变其中某一因素时，即可达到不同的变换目的。例如，变化 ，可作为位移、振动测量；变化 或 值，可作为材质鉴别或探伤等。,43,（一）高频反射式涡流传感器,线圈上通交变高频电流,线圈产生高频交变磁场,产生高频交变涡流,涡流产生反磁场,阻碍线圈电流交换作用,等效于L或阻抗的改变,44,（二）低频透射式涡流传感器,U1L1同频交变电流 产生一交变磁场 磁力线切割M 产生涡流i 到达L2的磁力线减少（无M时磁力线直接贯穿L2） U2的下降,45,（三）涡流传感器的结构,二、测量电路,根据涡流式传感器的工作原理，被测量可以变换为线圈阻抗或电感的变化。阻抗可以利用电桥电路进行测量，电感可以利用谐振电路进行测量。 谐振法是把传感器线圈的等效电感变换成电压或电流的变化，其基本原理式将传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振电路，其谐振频率为：,当电感L变化时，回路的谐振频率和等效阻抗随之发生变化，因此可以利用测量回路谐振频率或回路阻抗的方法间接测出被测参数。与此对应的有调幅式和调频式两种基本测量电路。,47,（一）调幅电路,（一）调幅电路,49,（二）调频电路,50,三、涡流传感器的应用,位移x的变化 电量的变化 可做成位移、振幅、厚度等传感器 电阻率的变化 电量的变化 可做成表面温度、电解质浓度、材质判别等 磁导率的变化 电量的变化 可做成应力、硬度等传感器 x、的综合影响 可做成材料探伤装置,1、位移测量 涡流位移计,2、振幅测量 涡流振幅计,3、厚度测量,4、转速测量 涡流转速计,5、涡流探伤仪 探测金属材料的表面裂纹、热处理裂纹及焊缝裂纹,6、温度测量,=01+(t-t0) 保持其它条件不变，则t变化 变化 输出电压变化,可测钢材压延时压滚温度，液、气态介质温度，且测温时有一个很大的特点是热惯性小（约0.001s），动态响应好，能做快速测温工作。,7、自动控制中工件是否到位等的检测 接近开关,接近开关应用实例一,接近开关应用实例二,总结,