第3章電感式傳感器

1、第3章電感式傳感器 第三章 電感式傳感器 3.1 自感式傳感器 3.2 互感式傳感器 3.3 電渦流式傳感器 3.4 壓磁式傳感器 3.5 感應同步器 第3章電感式傳感器 電感式傳感器與其它傳感器相比，具有以下優(yōu)點： (1) 結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，測量力小（銜鐵重力為（0.520010 -4 N） 時，電磁吸力為（110）10-4N。 (2) 分辨率高，能測量0.1m甚至更小的機械位移，能感受0.1角秒的微 小角位移；傳感器輸出信號強，電壓靈敏度一般可達數(shù)百毫伏每毫 米，因此，有利于信號的傳輸和放大。 (3) 重復性好，線性度高。在一定位移范圍 (最小幾十微米，最大可達數(shù) 十至數(shù)百毫米) 內(nèi)，輸

2、出線性度可達0.1%，且比較穩(wěn)定。 (4) 其主要缺點是存在零點殘余電壓，靈敏度、線性度和測量范圍相互 制約，傳感器自身頻率響應低，不適用于快速動態(tài)測量。 第3章電感式傳感器 3.1 自感式傳感器 3.1.1閉磁路自感式傳感器 1工作原理 閉磁路自感式傳感器的原理 結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，它是由線圈L、 銜鐵（又稱可動鐵心）B，鐵心A 三部分組成。銜鐵和鐵心一般為 硅鋼片或坡莫合金疊片。銜鐵B用 拉簧定位，使A、B間保持一個初 始距離l0，在鐵心A上繞有W線圈。 圖3.1 閉磁路自感式傳感器 W L II 第3章電感式傳感器 保持磁導率和氣隙有效截面積S固定不變，只改變 氣隙長度l，即以氣隙長度l

3、為傳感器的輸入量，可制成 變氣隙型自感式傳感器，常用于線位移的測量。其結(jié)構(gòu) 原理圖如圖3.1所示，當銜鐵受外作用上下移動時，氣隙 長度l隨之改變，變氣隙型自感式傳感器的轉(zhuǎn)換關系是非 線性的，即L與l成反比，下面對其特性進行分析。 1）靈敏度 通常靈敏度可近似地表示為: 2 000 2 00 2 l LWS S ll 2.變氣隙型自感式傳感器 第3章電感式傳感器 2）非線性誤差 若用式近似求取靈敏度，由于忽略了式中的高次非 線性項產(chǎn)生了非線性誤差。其大小為: 與變截面型自感式傳感器相比，變氣隙型自感式傳感器 的靈敏度較高；但其非線性嚴重，自由行程小，制造裝 配困難。因此近年來這種類型傳感器的使用

4、逐漸減少。 2 00 () 100% ll r ll 第3章電感式傳感器 3.變截面型自感式傳感器 保持磁導率和氣隙長度 l固定不變，只改變氣隙有效 截面積S，即以氣隙長度S作 為傳感器的輸入量，可以制 成變截面型自感式傳感器， 常用于角位移的測量。其結(jié) 構(gòu)原理如圖3.2所示。變截面 型自感式傳感器其轉(zhuǎn)換關系 是線性的；同時，其靈敏度 Ss為常數(shù)。 2 0 0 2 s W S l 圖3.2 變截面型自感式傳感器 第3章電感式傳感器 4閉磁路差動式自感傳感器 對變截面型差動式自感傳感器，其靈敏 度為，比單極式提高了一倍。對變間隙型 差動式自感傳感器，其靈敏度為 對變間隙型差動式自感傳感器，其靈敏

5、 度為 2 00 000 22 1() l LLl S lll 圖3.3 差動式自感傳感器 圖3.3 差動式自感傳感器 2 0 0 s W S l 第3章電感式傳感器 3.1.2 開磁路自感式傳感器 1螺線管式自感傳感器 r P 插 棒 式 鐵 心 螺 管 式 線 圈 l 圖3 .4 螺 管 式 自 感 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖 螺線管式自感傳感器是利用載流螺線管原理制成的，所不同的是 在載流螺線管內(nèi)有與外作用固連在一起的插棒式運動鐵心。 圖3.4為螺線管式（或螺管式）自感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。它是 由螺管線圈、鐵心及磁性套筒等組成。鐵心隨外作用插入螺線管時， 將引起線圈泄漏路徑中磁阻

6、的變化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。 第3章電感式傳感器 2螺線管差動式自感傳感器 由螺線管式自感傳感器的 工作原理可知，由于線圈電流 的存在，因此鐵心受到單向電 磁力的作用，而且易受電源電 壓和頻率及溫度變化等因素的 影響，因此測量精度較低。因 此，常用差動技術(shù)改善其性 能，由兩個單一結(jié)構(gòu)對稱組合 就構(gòu)成了螺線管差動式自感傳 感器，如圖3.5所示。 lc lc lc 圖3.5 差動螺線管式傳感器 r rc 線圈2 線圈1 鐵心 第3章電感式傳感器 3.1.3 轉(zhuǎn)換電路 1調(diào)幅電路 調(diào)幅電路的一種主要形式是交流電橋，圖3.6（a）所示為交流電 橋的一般形式。橋臂Zi可以是電阻、電抗或阻抗元件。電

7、源電 壓為，當負載端空載時，輸出電壓為開路電壓，表示為 1423 0 1234 () () ZZZZ UU ZZZZ 第3章電感式傳感器 U0 . U . U0 . Z2 Z1 Z2 Z3 Z4 (a ) (b ) Z3 Z4 Z1 ZL UL . 圖 3.6 交 流 電 橋 的 一 般 形 式 及 等 效 電 路 在實際應用中，交流電橋常和差動式自感傳感器配用，傳感器 的兩個電感線圈作為電橋的兩個工作臂，電橋的平衡臂可以是純電 阻，或者是變壓器的兩個二次側(cè)線圈。如圖3.7所示，其中3.7（a） 是電阻平衡臂電橋，3.7（b）是變壓器電橋。 在圖3.7（a）中，R1、R2為平衡電阻，Z1、Z2

8、為工作臂，即差動 式自感傳感器的阻抗， Z1=r1+jL1；Z2=r2+jL2。其中r1、r2為串聯(lián) 損耗電阻，L1、L2為線圈電感，為電源角頻率。 第3章電感式傳感器 2調(diào)頻電路 調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L變化 將引起輸出電壓頻率f的變化。一般是把傳感 器電感L和一個固定電容C接入一個振蕩回路 中，如圖3.8（a）所示。 圖3.8（b）為f與L的特性，它具有嚴重 的非線性關系，要求后續(xù)電路作適當處 理。調(diào)頻電路只有在f較大的情況下才能 達到較高的精度。例如，若測量頻率的 精度為1HZ，那么當f=1MHZ時，相對誤 差為10-6 . 第3章電感式傳感器 3調(diào)相電路 調(diào)相電路的基本原理是傳

9、感器電感L變化引起輸出電壓相位的變 化。圖3.9所示. 圖3.9 調(diào)相電路 第3章電感式傳感器 3.1.4 零點殘余電壓 造成零點殘余電壓的主要原因是： （1）差動式自感傳感器的兩個傳感器不完全對稱，如幾何尺寸不對 稱、電氣參數(shù)不對稱及磁路參數(shù)不對稱； （2）存在寄生參數(shù)； （3）供電電源中有高次諧波，而電橋只能對基波較好地預平衡； （4）供電電源很好但磁路本身存在非線性； （5）工頻干擾。 第3章電感式傳感器 3.1.5 自感式傳感器的應用 自感式傳感器有如下幾個特點： （1）靈敏度比較好，目前可測0.1m的直線位移，輸出信號比較大、 信噪比較好； （2）測量范圍比較小，適用于測量較小位移；

10、 （3）存在非線性； （4）功耗較大，尤其是單極式自感傳感器，這是由于它有較大的電 磁吸力的緣故； （5）工藝要求不高，加工容易。 第3章電感式傳感器 3.2 互感式傳感器 3.2.1 螺線管式互感傳感器 1工作原理 螺線管式互感傳感器結(jié)構(gòu) 如圖3.13所示，它是由初級線 圈、兩個次級線圈和插入線圈 中央的圓柱形鐵心等組成。其 中1是活動銜鐵；2是導磁外殼； 3是骨架；4是匝數(shù)為W1 的初級 繞組；5是匝數(shù)為W2a的次級繞 組；6是匝數(shù)為W2b的次級繞組。 5 4 6 1 2 3 圖3.13 螺線 管式 互感 傳感 器結(jié) 構(gòu)圖 第3章電感式傳感器 2基本特性 螺線管式互感 傳感器等效電路圖 如

11、圖3.14所示，當 次級開路時有也按 相同規(guī)律變化。 1 1 11 j U I rL 圖3.14 螺線管互感傳感器等效電路 第3章電感式傳感器 3.2.2 互感式傳感器的應用 圖3.16所示為互感式加速度傳感器 的示意圖。它由臂梁1和互感式傳 感器2構(gòu)成。測量時，將臂梁底座 及互感式傳感器的線圈骨架固定， 而將銜鐵的A端與被測振動體相連。 當被測體帶動銜鐵以x(t)運動時， 互感式傳感器的輸出電壓也按相 同規(guī)律變化。 A 1 1 2 x(t ) B 圖3.16 互感式加速度傳感器的 示意圖 第3章電感式傳感器 3.3 電渦流式傳感器 3.3.1 工作原理 電渦流式傳感器其結(jié)構(gòu)很簡單，是 由有骨

12、架或無骨架的空心線圈構(gòu)成。圖 3.17為電渦流式傳感器的原理圖，該圖 由傳感器線圈和被測導體組成線圈-導體 系統(tǒng)。 傳感器線圈受電渦流效應時等效阻抗Z 的函數(shù)關系式為 Z=F (，r，f，x) 圖3.17 電渦流傳感器原理圖 第3章電感式傳感器 3.3.2簡化模型及等效電路 為了分析方便，將 電渦流式傳感器模型簡 化為如圖3.18所示。 模型中h由以下公 式求得： 21 0 )( f h r ri ra 2 x h 1 ras (r) 3 圖3.18 電渦流式傳感器簡化模型 第3章電感式傳感器 根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程： （3-35） （3-36） 111121 R IjL IjM

13、 IU 12222 0jM IR IjL I 由式（3-35）和式（3-36）解得線圈等效阻抗Z的表達式為 2222 1 1212 2222 12222 ()() eqeq UMM ZRRjLLRjL IRLRL 第3章電感式傳感器 3.3.3 轉(zhuǎn)換電路 由電渦流式傳感器的工作原理可知，被測量變化可以轉(zhuǎn)換成 傳感器線圈的參數(shù)如品質(zhì)因數(shù)Q、等效阻抗Z和等效電感L的變化。 轉(zhuǎn)換電路的任務是把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，相應地有 三種轉(zhuǎn)換電路：Q值轉(zhuǎn)換電路，阻抗轉(zhuǎn)換電路，電感轉(zhuǎn)換電路。 總的來說，Q值轉(zhuǎn)換電路使用較少，這里不作討論。阻抗轉(zhuǎn)換電 路一般用電橋法，它屬于調(diào)幅電路，關于調(diào)幅電路參見自感式

14、傳 感器轉(zhuǎn)換電路部分。 第3章電感式傳感器 （1）調(diào)幅法。 調(diào)幅法電路原理如圖3.21所示。 圖中L為傳感器線圈電感；C為 諧振電容；石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn) 壓穩(wěn)頻的高頻激勵電壓。由圖 可知，LC回路的輸出電壓為 圖3.21 調(diào)幅法電路原理圖 （2）調(diào)頻法 調(diào)頻法工作原理參見自感式 傳感器轉(zhuǎn)換電路的調(diào)頻電路部 分。下面介紹一種具體調(diào)頻電 路，如圖3.22所示，傳感器線 圈接在LC振蕩器中作為電感使 用。 圖3.22 調(diào)頻法電路原理圖 第3章電感式傳感器 3.4 壓磁式傳感器 3.4.1 工作原理 / / S 某些鐵磁物質(zhì)在外界機械力的作用下，在其內(nèi)部產(chǎn)生機械應 變，從而產(chǎn)生應力，導致磁導率發(fā)生改變的

15、現(xiàn)象稱為壓磁效應。 將單位應力引起磁導率的相對變化 定義為壓磁應力靈敏度Sc，即 第3章電感式傳感器 3.4.2 工作方式 圖3.23 壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式之一 圖3.23 壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式之一 圖3.23所示為其原理結(jié)構(gòu)圖。 圖（a）、（b）為測量壓力P 的傳感器，有如下關系： 12 LKK P 而圖（d）、（e）的結(jié)構(gòu) 與互感式傳感器器相似，有 如下關系， 2 21 1 () W EK PUP W 第3章電感式傳感器 2雙向壓磁效應 在外力作用下，導磁體多數(shù)表現(xiàn)各 向異性特性。利用此特性可以制成 傳感器。圖3.24（a）所示即為典型 的一例,它是用硅鋼片疊成的，經(jīng)粘 接或點焊成一體，如

16、圖所示在對稱 位置上開四個通孔，沿對角線的方 向各繞兩個繞組：W1為一次繞組， 用交流電供電；W2為二次繞組作為 敏感繞組。這兩個繞組在空間相互 垂直。 圖3.24 壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式之二 第3章電感式傳感器 3維捷曼效應 所謂維捷曼效應是指在卷捻棒狀鐵磁物質(zhì)時，在其上將出現(xiàn)一個按 螺旋形分布的區(qū)域。在這個區(qū)域中磁導率沿螺旋方向增加。即是說，如 果將這個鐵磁棒置于磁場中，則在棒中必有按螺旋形分布的磁通，此磁 通可認為是兩個磁通的合成，一個沿軸向分布，另一個沿旋轉(zhuǎn)方向分布。 圖3.25 利用“維捷曼”效應進行測量的原理圖 圖3.25（a）是用來測量轉(zhuǎn)矩M的。 圖3.25（b）所示是將激勵電壓u

17、加在軸上,而在軸上又繞有繞組，在此 繞組的端頭接有指示儀表。 u 圖3.25（c）是用來測量氣體壓力的。 第3章電感式傳感器 3.5 感應同步器 3.5.1 工作原理 （a） （b） 圖3.26 定尺和滑尺印刷電路截面結(jié)構(gòu) 感應同步器是應用電磁感應原理來測量直線位移或角位移的一種 傳感器，它具有兩個平面形的矩形繞組，相當于變壓器的初級和次級 繞組，通過兩個繞組的互感變化來測量其相對位移。測量直線位移和 角位移分別稱為直線感應同步器和圓感應同步器。 感應同步器是根據(jù)兩個平面形繞組的互感隨位置而變化的原理制造 的。直線感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成，而圓感應同步器由定 子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在定尺和滑尺、轉(zhuǎn)子和定子上制有印刷電路繞 組。直線感應同步器定尺和滑尺截面結(jié)構(gòu)如圖3.26所示，（a）為滑尺 截面結(jié)構(gòu)圖，其中1為鋁箔，2為絕緣粘結(jié)劑，3為銅箔，4為絕緣層， 5為基板;（b）為定尺截面結(jié)構(gòu)圖 第3章電感式傳感器 (2)細分原理 第3章電感式傳感器 2鑒相型系統(tǒng) 所謂鑒相型是根據(jù)感應電動勢的相位來測量機械位移量 的一種工作方式。工作時在滑尺的正弦、余弦繞組上供給頻 率相同、振幅相等、但相位相差900的正弦電壓作為勵磁源。 勵磁電壓各為