第4章电感式传感器1.ppt

第四章 电感式传感器,电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。,被测物理量,位移 振动 压力 流量 比重,的变化,线圈,自感系数 L 互感系数 M,的变化,电路,电压 电流,电感传感器的主要特征是具有电感绕组。,电感传感器优点：,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。,电感式传感器分类,自感型 互感型 涡流式传感器 压磁式,高频反射式 自感型 低频透射式 互感型,4.1工作原理,1.变间隙型,结构示意图如右图所示,原理分析,工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。,4.1.1 自感式传感器,线圈的电感可用下式表示：,式中，N为线圈匝数； Rm为磁路总磁阻。,对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为 式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；A为截面积；µ1为铁心磁导率；µ2为衔铁磁导率；µ0为空气磁导率；为空气隙厚度。 因此有： 一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为,电感传感器的三种型式,气隙变化型变气隙的间隙 (a) 面积变化型变气隙的截面积A (b) 螺管型变衔铁与线圈重合长度 (c),(a),(b),(c),2.变面积型,气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图见下图。,通过对式 的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与 磁通截面积A却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图4.1.3。,3.螺管型,如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁左右位移，自感量将相应变化，这就可构成螺管型传感器。,通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论: 1. 变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难。 2. 变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛。 3.螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最 广泛的一种电感式传感器。,差动形式,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。,自感式传感器的分类比较,4.1.2 互感式传感器,互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次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。一般，这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。 这种传感器的工作原理如右图所示。,互感现象： 当一次侧线圈通入激励电流I1时，它将产生磁通11，一部分磁通12穿过次级线圈，产生互感电势e 磁链 互感系数,在初级线圈中,次级线圈中的感应电势,感应电势的有效值,初始位置，衔铁处于中间位置,当衔铁上升L,当衔铁下降L,E2与E2a同相,E2与E2b同相,互感式传感器的分类,气隙型：灵敏度高但测量范围小，一般用于几微米几百微米的位移。由于示值范围小、非线性严重，已较少使用。 截面型：测量直线位移极少，常用来测角位移。一般可分辨零点几秒以下的微小角位移，线性范围达100。 螺管型：示值范围大，自由行程可任意安排，装配也较方便，因而获得了较广泛的应用。可测量几纳米1米的位移，但灵敏度稍低。,各种差动变压器,4.2 转换电路和传感器灵敏度,被测量,x,L(M),转换电路及信号调节,电量,传感器,调幅式转换电路形式： 1、交流电桥：（电阻式传感器）,电桥平衡条件： Z1 Z4=Z2Z3 1+4= 2+3,输出电压：,输出空载电压：,设初始平衡状态（理想情况磁芯在中间位置），Z1=Z2=Z，u0=0，当磁芯偏离中间位置时， Z1=Z+Z， Z2=Z-Z ，有：,2、变压器电桥：（右图所示）,当磁芯反向偏离时， Z1=Z-Z， Z2=Z+Z ，有：,阻抗Z的变化取决于损耗电阻变化R及感抗变化L两部分。,自感线圈的等效电路如右图所示,此时，输出电压可写成下式，Q为品质因数,当品质因数很大，R/R可以忽略时：,调频电路的基本原理是传感器自感L的变化引起输出电压频率f的变化。一般是把传感器自感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，如右图a所示。图中G表示振荡回路，其振荡频率，当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可算出被测量。图b给出了f与L的特性曲线，它存在严重的非线性。,调频式转换电路形式：,调相电路的基本原理是传感器电感L变化会引起输出电压相位变化，下图a所示是一个相位电桥，一臂为传感器L，一臂为固定电阻R。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降二个向量是互相垂直的，如下图b所示。当电感L变化时，输出电压的幅值不变，相位角随之变化。,调相式转换电路形式：,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。,传感器的灵敏度(单位：mV/（m V）),传感器结构灵敏度kt定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即 转换电路的灵敏度kc定义为空载输出电压uo与自感相对变化之比，即 由式(1式)和式(2式)可得总灵敏度为,4.3 零点残余电压,衔铁位移x与电桥输出电压Uo有效值的关系曲线，如右图所示。 虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压，并用e0表示。,零残电压过大带来的影响： 灵敏度下降、非线性误差增大 测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。,产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称,减小零点残余电压方法： 尽可能保证传感器几何尺寸，线圈电气参数和磁路 的对称。 选用导磁性能好的材料制作保护外壳，这同时可起到磁屏蔽罩的作用。 控制铁心的最大工作磁感强度，以便使磁路工作在磁化曲线的线性段，减小高次谐波。 选用合适的测量电路可减小零位电压输出，如相敏检波电路。这样不仅可判别衔铁的移动方向，还可减小零点残余电压。,5. 采用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。,补偿电路基本原则：串联电阻可以减小零点残余电压的基波份量；并联电阻电容可以减小谐波分量；加反馈支路可减小基波和谐波分量。,测量原理演示,4.4 应用举例,下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器,测头,测杆,电感线圈,磁芯,下图是气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图,气体压力传感器 加速度计用传感器,旁向式差动电感式传感器,总行程： 1.5mm 测量力：0.40.7N 示值变动性：0.2µm,轴向式差动电感式传感器,总行程： 3mm 测量力：0.450.65N 示值变动性：0.03µm,总行程：1.5mm 测量力：0.120.18N 示值变动性：0.05µm,特点：不仅可以测量微米级直径，而且通过其在孔内旋转和平移可以测量其椭圆度和圆柱度 被测孔内径范围:25120mm 测量力：1.3±0.3N 示值变动性：1µm,特点：不仅可以测量微米级直径，还可以测量轴的椭圆度和圆柱度 被测轴直径范围:25120mm 测量力：4±1.5N 示值变动性：1µm,电子卡规、塞规,轴向式差动变压器式传感器,总行程： 100mm 线性度：0.15%,总行程： 2 7mm 测量力：0.91.2N 示值变动性：0.5µm,4.5 电涡流式传感器,涡流效应：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。,4.5.1 工作原理,如下图a所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。 我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图b的等效电路。,a)电涡流传感器原理图 b)电涡流传感器等效电路图,根据等效电路可列出电路方程组： 通过解方程组，可得I1、I2。 因此传感器线圈的复阻抗为： 线圈的等效电感为 ：,4.5.2 转换电路,（一）电桥电路法,图中A、B为传感器线圈，它们与电容C1、C2，电阻R1、R2组成电桥的四个臂。当传感器线圈的阻抗变化时，电桥失去平衡。电桥的不平衡输出经线性放大和检波，这种方法电路简单，主要用在差动式电涡流传感器中。,（二）谐振电路法,调幅法,调频法,下图a是调幅法测量电路的 原理图,下图b调频法测量电路的原理图。,b),a),（三）正反馈法,正反馈法的测量原理如右图所示，其特点是放大器的反馈回路是由电涡流传感器的线圈组成。线圈阻抗变化时，反馈放大电路的放大倍数发生变化，从而引起输出电压的变化。因此，可以由输出电压的变化来检测传感器与被测体之间距离的变化。,4.5.3高频反射式电涡流传感器,线圈上通交变高频电流I1,线圈产生高频交变磁场H1,产生高频交变涡流I2,涡流产生反磁场H2,削弱原交变磁场H1,导致线圈L、R、Q的改变,4.5.4 低频透射式电涡流传感器,这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。右图所示为这种传感器的原理图和输出特性。,传感器包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。由振荡器产生的低频电压u1加到发射线圈L1两端，于是在接收线圈L2两端将产生感应电压u2，它的大小与u1的幅值、频率以及两个线圈的匝数、结构和两者的相对位置有关。若两线圈间无金属导体，则L1的磁力能较多穿过L2，在L2上产生的感应电压u2最大.,U1 L1 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 。,若将激励频率降低，涡流的贯穿深度会加厚，成为低频透射式电涡流传感器，常用来测金属材料厚度。,4.5.5 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 电导率的变化 电量的变化 可做成表面温度、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、厚度测量,3、振幅测量 涡流振幅计,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,接近开关应用实例二,4.6 压磁式传感器,铁磁材料的压磁效应的具体内容为： 材料受到压力时，在作用力方向磁导率减小，而在作用力相垂直方向，略有增大；作用力是拉力时，其效果相反； 作用力取消后，磁导率复原； 铁磁材料的压磁效应还与外磁场强度有关。,右图所示为压磁式压力传感器(又称为磁弹性传感器)结构简图示例。 它由压磁元件1、弹性支架2、传力钢球3组成,压磁式传感器结构简图,压磁元件(如下图所示)的中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和4，在孔1、2间绕有励磁绕组N12、孔3、4间绕有输出绕组N34。,4.7 感应同步器,原理,两个平面形绕组的互感随位置不同而变化,长感应同步器 - 测量直线位移 圆感应同步器 - 测量转角位移,组成=定尺+滑尺（如图）,组成=转子+定子（如图）,长感应同步器示意图 a）定尺 b)转尺,圆感应同步器示意图 a）定子 b)转子,感应同步器的优点,具有较高的精度与分辨力。 抗干扰能力强。 使用寿命长，维护简单。 可以作长距离位移测量。 工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。,由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中 ;圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。,感应同步器的工作原理图如：,通电流的矩形线圈中的磁场分布,励磁方式,1鉴相方式,正弦绕组励磁电压 余弦绕组励磁电压,两个励磁绕组分别在定尺绕组上感应出电动势，其值分别为,按叠加原理求得定尺总感应电动势为,2鉴幅方式,加到转尺两相绕组交流励磁电压如下：,它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为,定尺的总感应电动势为,采用函数变压器使励磁电压幅值为,式中的d为励磁电压的电相角，则感应电动势可写成,作业： 设计一电涡流传感器用于计件，画出系统原理框图和电路原理图。,