第四章电感式传感器.ppt

第四章 电感式传感器,电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。 电感式传感器根据转换原理不同, 可分为自感式、互感式两种；根据结构形式不同，可分为气隙型和螺管型两种。 在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线圈绕组。 本章的主要内容 4.1 自感式传感器 4.2 差动变压器 4.3 电涡流式传感器,自感传感器的常见形式有气隙型和螺管型。 一、气隙型电感传感器 1. 工作原理：,4.1 自感式传感器,线圈的电感为： 一般铁心的磁阻远较气隙磁阻小，有,电感值与以下几个参数有关：与线圈匝数N平方成正比；与空气隙有效截面积S成正比；与空气隙长度所反比。 所以，自感式传感器又可分为变间距式、变面积式两类。,2. 特性分析： 1)变间距式： 由于 ，则有 所以，灵敏度为： 非线性误差为：,若采用差动形式：,灵敏度为：,非线性误差为：,所以，差动形式的灵敏度提高一倍，非线性误差有 很大降低。,2)变面积型 其中， 为一常数。可见变面积式在忽 略气隙边缘效应条件下，呈线性。,结论: 从提高灵敏度的角度看，初始空气隙距离应尽量小。其结果是被测量的范围也变小。同时，灵敏度的非线性也将增加。如采用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵敏度，则必将增大传感器的几何尺寸和重量。 与变面积型自感传感器相比，气隙型的灵敏度较高。但其非线性严重，自由行程小，制造装配困难。因此近年来这种类型的使用逐渐减少。差动式传感器其灵敏度与单极式比较。其灵敏度提高一倍，非线性大大减小。,二、螺管型电感传感器 从结构形式上，可分为：单线圈和差动两类。带有 铁芯的螺管电感为： 式中， 、 为螺管、铁芯的半径；、为螺管、铁芯的长度； 、 位移量。 所以，传感器灵敏度为：,采用差动形式，灵敏度可提高一倍。 提高灵敏度的途径： 使线圈与铁芯尺寸比值和趋于1； 铁芯的材料选用导磁率大的材料。 三种自感式传感器的比较： 变间距式: 灵敏度最高，且随间距增大而减小；非线性误差大；量程有限制且较小，一般在气隙的1/5以下，装配较困难。 变面积式: 灵敏度较前者小，理论上为常数，线性度好，量程较大，使用较广泛。 螺管型: 量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作、装配，应用广泛。,三、电感线圈的等效电路 一个电感线圈的完整等效电路可用下图表示,当 时，等效阻抗为： 则电感的相对变化为：,四、测量电路 把传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将电 感变化转换成电压(或电流)的幅值、频率、相位的变 化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。 1. 交流电桥 交流电桥的一般形式及等效形式,为了提高灵敏度, 改善线性度, 电感线圈一般接成差动形式. 设 Z1=Z2 =Z=r+jL, r1=r2=r, L1=L2=L, R1=R2=R. 工作时，Z1=Z, Z2=Z-, 当电感线圈的品质因数 很高时， ； 当电感线圈的品质因数 很低时， 。,变压器电桥 初始平衡时, 双臂工作时, 可得: 当衔铁向反方向移动时, 则,4.2 差动变压器, 4.2.1 工作原理 4.2.2 结构和等效电路 4.2.3 特性分析 4.2.4 误差因素分析 4.2.5 测量电路 4.2.6 应用,4.2.1 结构和工作原理 变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的一种磁电机构，很象变压器的工作原理，因此常称变压器式传感器。这种传感器多采用差动形式。,变气隙型 螺管型,（a） 二节式 (b) 三节式 (c) 四节式 (d) 五节式,设在磁心上绕有两个线圈、，一次侧线圈通入激励电流，它将产生磁通，在二次侧线圈中产生互感电势，其表达式为 设 则 故,4.2.2 等效电路,初级线圈的电流为： 在次级线圈中感应出电压 则输出为： 则，幅值为：,铁芯处于中间位置时,M1=M2=M,e2=0; (2)铁芯左移, M1=M+M, M2=M-M , 与e21同相。 (3)铁芯右移, M1=M-M, M2=M+M , 与e22同相。,4.2.3 特性分析 互感量的变化与衔铁的位移x有关，此时，幅值可表示为x的函数： 所以，非线性误差： ， 灵敏度系数：,差动变压器的灵敏度： 差动变压器在单位电压的激励下，铁芯移动一单位距离时的输出电压，单位为V/mm，一般其值大于50mV/mm。 提高灵敏度的途径： （1）从线圈结构考虑； （2）尽量提高激励电压； （3）选择合适的激励频率； 在低频时，激励电源的频率升高， 增大。,4.2.4 误差因素分析 （1）激励电源的影响 幅值和频率都会直接影响输出，必须适当选择合适的值。 （2）温度的影响： 温度变化，引起线圈磁场发生变化，从而产生温漂（品质因数Q低时，影响更为严重。 解决方法：采用恒流源供电； 提高线圈的品质因数； 采用差动电桥。,（3）零点残余电压 差动变压器在初始状态下，衔铁处于中间位置，存在零点残余电压， 影响：造成零点附近的不灵敏区； 影响电路的正确工作。,产生原因： 基波分量：次级绕组两线圈的电气参数、几何尺寸不对称，使得感生电势的幅值、相位不相等，无论如何调整，都无法消除。 高次谐波：主要是三次谐波，由磁性材料磁化曲线的非线性造成。,减小的方法： 尽可能保证次级线圈的几何尺寸、电气参数和磁 路的对称性。提高磁性能的均匀性和稳定性，工 作点选择在磁化曲线的线性段。 选用合适的测量线路，如采用相敏检波电路。 采用补偿线路,4.2.5 测量电路 差动变压器随衔铁的位移输出一个调幅波，因而用电压表来测量存在下述问题：总有零位电压输出，因而零位附近的小位移测量困难。交流电压表无法判别衔铁移动方向，为此常采用必要的测量电路来解决。 常用测量电路为： 差动整流电路 相敏检波电路,1. 差动整流电路 差动整流电路分为全波和半波电路，如图所示：,以图（c）为例，波形变化为：,2相敏检测电路,4.2.6 应用 (1)差动变压器式加速度传感器,(2)差动变压器式微压力变送器,电感测微仪-差动式自感传感器测量微位移,4.3 电涡流式传感器, 4.1.1 工作原理 4.1.2 特性分析 4.1.3 测量电路 4.1.4 应用,4.1.1 工作原理 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。 涡流产生磁场H2,从而使原线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。 分类：高频反射式和低频透射式两类。 特点：结构简单、灵敏度高、适用性强，易于非接触测量。 用途：可测量振动、位移、温度、转速、厚度、无损探伤。,组成,工作原理,等效电路 由基尔霍夫定律可得：,解方程组，得 线圈的等效阻抗 线圈的等效电感,由上分析可知：高频回路阻抗Z与被测体材料的电阻率、磁导率、激励频率以及传感器与被测导体的距离有关，即 若能控制其中大部分参数恒定不变，而只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。 如；被测导体材料与激励频率一定时，阻抗值就是距离的单值函数，即 可做成涡流式位移传感器。,4.1.2 特性分析 影响M的因素：位移x，导体材料，线圈几何尺寸、电源等。 （1）线圈几何尺寸,（2）被测体材料的影响 导体是传感器的一部分：电导率、磁导率和形状对灵敏度都有影响。 电导率大，灵敏度高，线性好；磁导率高，灵敏度小；面积减小，灵敏度下降。 当导体材料，为非磁性材料时， 不变，L下降，R上升，Q值下降； 当导体材料，为磁性材料时， 增大（静磁效应，有效磁导率升高），L 增大，R上升，Q值下降。,测量时，常并联一电容，形成谐振回路，此时，输出曲线为：,4.1.3 测量电路 被测参数变化可以转换成传感器线圈的品质因素Q、等效阻抗Z和等效电感L的变化。转换电路的任务是把这些种参数转换为电压或电流输出。 利用Z 的转换电路一般用桥路，它属于调幅电路。 利用L的转换电路一般用谐振电路，根据输出是电压幅值还是电压频率，谐振电路又分为调幅和调频两种。,4.1.4 应用,（1）位移测量,（2）振动测量,（3）转速测量,（4）探伤,低频透射式电涡流传感器,