傳感器原理及應用第4章電感式傳感器

1、主要內容：主要內容：4.1 4.1 變磁阻式電感傳感器變磁阻式電感傳感器 4.2 4.2 差動變壓器式電感傳感器差動變壓器式電感傳感器4.3 4.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 各種電感式傳感器各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器電感式傳感器電感式傳感器v 只要改變氣隙厚只要改變氣隙厚 度或氣隙截面積度或氣隙截面積 就可以改變電感。就可以改變電感。線圈自感可按下式計算：線圈自感可按下式計算：式中：式中： N N 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù) ； Rm Rm 磁路總磁組；磁路總磁組； So So 氣隙的截面積；氣隙的截面積； 氣隙厚度；氣隙厚度； o o 導磁率（真空、空氣

2、）導磁率（真空、空氣） 22002NSNLRm因此變磁阻式傳感器又分為：因此變磁阻式傳感器又分為： 變氣隙厚度型（變氣隙厚度型（）變氣隙的截面積型（變氣隙的截面積型（S S）銜鐵位移銜鐵位移引起的電感變化為：引起的電感變化為：20020000000022()(1)1NSNSLLLL 電感初始氣隙電感初始氣隙0 0處初始電感量為處初始電感量為L L0 0 200002NSL0LL0L0+LL0L/ 1 1時，時，用泰勒級數(shù)展開用泰勒級數(shù)展開23000001()()LLLL 22300000001()()()LL 銜鐵銜鐵下移時下移時 銜鐵銜鐵上移時上移時 22300000001()()()LL

3、對上式作線性處理對上式作線性處理( (忽略高次項忽略高次項) )時時00LL討論：討論： 傳感器測量范圍與靈敏度和線性度相矛盾；傳感器測量范圍與靈敏度和線性度相矛盾； 變間隙式電感傳感器用于小位移比較精確；變間隙式電感傳感器用于小位移比較精確； 一般取一般取 /= 0.1-0.2/= 0.1-0.2； 為減小非線性誤差，實際測量中多采用差動形式。為減小非線性誤差，實際測量中多采用差動形式。0001LLku 定義靈敏度定義靈敏度 表示氣隙變化引起表示氣隙變化引起電感的相對變化量電感的相對變化量v 差動式原理：差動式原理：差動變隙式由兩個相差動變隙式由兩個相同的線圈同的線圈L L1 1、L L2

4、2 和磁和磁路組成。當被測量通路組成。當被測量通過導桿使銜鐵左右位過導桿使銜鐵左右位移時，兩個回路中磁移時，兩個回路中磁阻發(fā)生大小相等、方阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成向相反的變化，形成差動形式。差動形式。 對上式進行線性處理并忽略高次項：對上式進行線性處理并忽略高次項：v 差動式靈敏度為：差動式靈敏度為： 002LL0002LLK2412000021()()LLLL 當一個增加一個減小時電感總的變化為：當一個增加一個減小時電感總的變化為：討論：討論： 比較單線圈，差動式的靈敏度提高了一倍；比較單線圈，差動式的靈敏度提高了一倍； 差動式非線性項比單線圈多乘了差動式非線性項比單線圈多乘了(

5、/)(/)因子；因子； 不存在偶次項，因不存在偶次項，因/1/1，線性度得到改善。，線性度得到改善。 差動式的兩個電感結構，可抵消溫度、噪聲干擾差動式的兩個電感結構，可抵消溫度、噪聲干擾 的影響。的影響。0002LLK兩個橋臂由相同線圈組成，另外兩個為平衡電阻兩個橋臂由相同線圈組成，另外兩個為平衡電阻 等效電路等效電路10120234000,ccZZjL ZZjLZZR ZRj L R線圈銅阻電橋輸出電壓電橋輸出電壓U U0 0與氣隙變量與氣隙變量是非線性的，只有當是非線性的，只有當QQ值值很高時近似線性關系。很高時近似線性關系。橋路輸出電壓與橋壓橋路輸出電壓與橋壓U UACAC有關，有關，與

6、初始氣隙與初始氣隙 0 0有關。有關。142301234ACZ ZZ ZUUZZZZ&00()2ACUU電壓輸出一個是與電源同相的分量，另一個與電源相差電壓輸出一個是與電源同相的分量，另一個與電源相差9090度度的正交分量，線圈品質因素的正交分量，線圈品質因素QQ較高時可以消除正交分量，輸較高時可以消除正交分量，輸出可寫為出可寫為： 電橋的兩臂是傳感器線圈電橋的兩臂是傳感器線圈阻抗臂、另外兩個臂是交流阻抗臂、另外兩個臂是交流變壓器次級線圈各占變壓器次級線圈各占1212，交流供電。交流供電。 橋路輸出電壓為：橋路輸出電壓為：1201121222ZZUUUUZZZZZ&u銜鐵上下移動相同距離時，輸

7、出電壓大小相等方向相反，銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓大小相等方向相反， 相差相差180，要判斷銜鐵方向就是判斷信號相位，用相敏檢波。，要判斷銜鐵方向就是判斷信號相位，用相敏檢波。 當銜鐵在中間位置當銜鐵在中間位置 Z1=Z2=Z U0=0 022UZULUZL&當銜鐵偏移時輸出電壓當銜鐵偏移時輸出電壓02ULUL &當銜鐵偏向另一方向當銜鐵偏向另一方向被測壓力經位移電壓兩次轉換輸出被測壓力經位移電壓兩次轉換輸出新型測量工具設計思想結構示意圖新型測量工具設計思想結構示意圖v 把被測的非電量變化轉換成為線圈互感把被測的非電量變化轉換成為線圈互感 量的變化的傳感器稱為互感式傳感器。量的變化的傳感

8、器稱為互感式傳感器。結構：中間初級，兩邊次級結構：中間初級，兩邊次級 鐵芯在骨架中間可上下移動鐵芯在骨架中間可上下移動這種傳感器根據(jù)變壓器的基本原理制成，這種傳感器根據(jù)變壓器的基本原理制成， 并將次級線圈繞組用差動形式連接。并將次級線圈繞組用差動形式連接。差動變壓器的結構形式較多差動變壓器的結構形式較多, ,應用最多的應用最多的 是螺線管式差動變壓器。是螺線管式差動變壓器。 它可測量它可測量1 1100mm100mm范圍內機械位移。范圍內機械位移。次次級級次次級級骨架骨架初初級級銜銜鐵鐵次次級級次次級級初初級級 等效電路：等效電路： 初級初級L1L1，次級線圈，次級線圈L2aL2a、L2bL2

9、b必須反相串聯(lián)接保證差動形式必須反相串聯(lián)接保證差動形式 如果線圈完全對稱并且銜鐵處于中間位置時兩線圈如果線圈完全對稱并且銜鐵處于中間位置時兩線圈 互感系數(shù)相等互感系數(shù)相等abMM22abEE0220abUEE差動輸出電壓為零：差動輸出電壓為零：電動勢相等電動勢相等u 可見可見: : 輸出電壓大小和符號反映了輸出電壓大小和符號反映了 鐵心位移的大小和方向。鐵心位移的大小和方向。當銜鐵上下移動時，輸出電壓隨銜鐵位移變化。當銜鐵上下移動時，輸出電壓隨銜鐵位移變化。22abEE00U 若銜鐵上移若銜鐵上移 22abEE00U 若銜鐵下移若銜鐵下移 由此得到輸出由此得到輸出電壓有效值為電壓有效值為 ：0

10、2211()()abiMMUUrLv 可見輸出電壓與互感的差值有關可見輸出電壓與互感的差值有關21aaEjMI 21bbEjMI 根據(jù)電磁感應定律，次級感應電動勢分別為根據(jù)電磁感應定律，次級感應電動勢分別為0221ababUEEjMMI &輸出電壓輸出電壓初級電流初級電流111/iIUrjL&022112()iUMUrL022112()iUMUrL 鐵芯在中間位置時鐵芯在中間位置時 Ma=Mb=M 鐵芯向上移（右移）鐵芯向上移（右移）Ma = M+M，Mb = M-M 輸出與輸出與E2a同極性；同極性； 鐵芯向下移（左移）鐵芯向下移（左移） Ma = M-M，Mb = M+M輸出與輸出與E2b

11、同極性；同極性；00U 差動變壓器輸出差動變壓器輸出電壓和位移的關系電壓和位移的關系討論：討論：v輸出電壓幅值取決于線圈互感輸出電壓幅值取決于線圈互感M M， 即銜鐵在線圈中移動的距離即銜鐵在線圈中移動的距離X X；v而而U0與與Ui的相位差決定銜鐵的移動方向；的相位差決定銜鐵的移動方向；v輸出電壓的正負結果由相敏檢波后，輸出電壓的正負結果由相敏檢波后， 輸出曲線反行程翻轉為過零的直線；輸出曲線反行程翻轉為過零的直線；v輸出電壓輸出電壓U0與初級電壓與初級電壓Ui、電流、電流I1 有關，應盡可能大；有關，應盡可能大；v U0與激勵頻率成正比，中頻應用在與激勵頻率成正比，中頻應用在 400-10

12、000Hzv靈敏度可達靈敏度可達0.15V/mm，包括三個內容，包括三個內容 傳感器類型、轉換電路、電源傳感器類型、轉換電路、電源出廠測定靈敏度規(guī)定：出廠測定靈敏度規(guī)定： 電源電源1V， 銜鐵位移銜鐵位移1m，輸出電壓，輸出電壓U0=？02211()()abiMMUUrL差動變壓器結構形式差動變壓器結構形式差動變壓器傳感器的應用差動變壓器傳感器的應用v理論上講，鐵芯處于中間位置時輸出電壓應為零理論上講，鐵芯處于中間位置時輸出電壓應為零U0=0，而實際輸出而實際輸出U00，在零點上總有一個最小的輸出電壓，這在零點上總有一個最小的輸出電壓，這個鐵芯處于中間位置時最小不為零的電壓稱為個鐵芯處于中間位

13、置時最小不為零的電壓稱為零點殘余電零點殘余電壓。壓。產生這個電壓的原因是：產生這個電壓的原因是：由于兩個次級線圈繞組電氣由于兩個次級線圈繞組電氣參數(shù)參數(shù) （M M互感互感 L L電感電感 R R內阻）不同，幾何尺寸工藝上很難內阻）不同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同，使實際的特性曲線總有最小輸出。保證完全相同，使實際的特性曲線總有最小輸出。v主要成分是頻率、幅度不同的基波主要成分是頻率、幅度不同的基波 、諧波，零點殘余電壓過大會使靈敏度下降，諧波，零點殘余電壓過大會使靈敏度下降，非線性誤差增大，放大器末級飽和，因此非線性誤差增大，放大器末級飽和，因此是直接影響傳感器質量的參數(shù)。是直接影響傳感器

14、質量的參數(shù)。v為減小零點殘余電壓的影響為減小零點殘余電壓的影響 變壓器工藝上采取措施，變壓器工藝上采取措施， 電路補償電路補償為減小零點殘余電壓的影響，一般要用電路進行補為減小零點殘余電壓的影響，一般要用電路進行補 償償, ,電路補償?shù)姆椒ㄝ^多電路補償?shù)姆椒ㄝ^多, ,可采用以下方法?？刹捎靡韵路椒?。 串聯(lián)電阻：消除兩次級繞組基波分量幅值上的差異；串聯(lián)電阻：消除兩次級繞組基波分量幅值上的差異； 并聯(lián)電阻電容：消除基波分量相差，減小諧波分量；并聯(lián)電阻電容：消除基波分量相差，減小諧波分量； 加反饋支路：初次級間反饋，減小諧波分量；加反饋支路：初次級間反饋，減小諧波分量； 相敏檢波對零點殘余誤差有很好

15、的抑制作用相敏檢波對零點殘余誤差有很好的抑制作用。這些電路可單個使用也可綜合使用，需要通過實驗證實效果這些電路可單個使用也可綜合使用，需要通過實驗證實效果串串聯(lián)聯(lián)電電阻阻并并聯(lián)聯(lián)電電阻阻 差動變壓器輸出交流信號。為正確反映銜鐵位移差動變壓器輸出交流信號。為正確反映銜鐵位移 大小和方向，常采用差動整流電路和相敏檢波電路。大小和方向，常采用差動整流電路和相敏檢波電路。（1 1）差動整流電路）差動整流電路 輸入一交流信號時整流電路的輸出電壓為：輸入一交流信號時整流電路的輸出電壓為：U0 = U24-U68， 鐵芯鐵芯T在中間位置在中間位置 ，U24 = U68 U0 = 0T上移，上移，U24 U6

16、8 U0 0，T下移，下移，U24 U68 U0 0差動整流電路分析動畫演示：差動整流電路分析動畫演示：差分整流上線圈上半周差分整流上線圈上半周差分整流上線圈下半周差分整流上線圈下半周差分整流下線圈上半周差分整流下線圈上半周差分整流下線圈下半周差分整流下線圈下半周 鐵芯上移鐵芯上移 鐵芯下移鐵芯下移U0U0（2 2）集成相敏檢波電路）集成相敏檢波電路 v 輸出正負電壓的結果由相敏檢波后反行程旋轉輸出正負電壓的結果由相敏檢波后反行程旋轉 由由，工作曲線為過零點的直線。，工作曲線為過零點的直線。 相敏檢波前后輸出特性相敏檢波前后輸出特性 差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量，差動變壓器式傳感器可直

17、接用于位移測量， 也可以用來測量與位移有關的任何機械量，也可以用來測量與位移有關的任何機械量， 如振動，加速度，應變等等。如振動，加速度，應變等等。（1 1）壓差計）壓差計 當壓差變化時，腔內當壓差變化時，腔內膜片位移使差動變壓器次膜片位移使差動變壓器次級電壓發(fā)生變化，輸出與級電壓發(fā)生變化，輸出與位移成正比，與壓差成正位移成正比，與壓差成正比。比。 沉筒式液位計將水位變沉筒式液位計將水位變化轉換成位移變化，再轉換化轉換成位移變化，再轉換為電感的變化，差動變壓器為電感的變化，差動變壓器的輸出反映液位高低。的輸出反映液位高低。（3 3）電感測厚儀（二極管相敏檢波電路）電感測厚儀（二極管相敏檢波電路

18、) )L1L1、L2L2是傳感器作為兩個橋臂；是傳感器作為兩個橋臂；C1C1、C2C2是另外兩個橋臂；是另外兩個橋臂；D1-D4D1-D4組成相敏整流器；組成相敏整流器；RP1RP1調零電位器，調零電位器，RP2RP2調電流表滿度；調電流表滿度； 被測厚度正常時被測厚度正常時L1=L2L1=L2，Uc=UdUc=Ud 電橋平衡電流表無電流；電橋平衡電流表無電流； 被測厚度變化時，被測厚度變化時， 設設L1L1 L2L2，Z1Z1Z2Z2， 正半周時正半周時D1D1、D4D4導通，導通，I1 I1 I4I4 負半周時負半周時D2D2、D3D3導通，導通，I3 I3 I2I2 無論極如何性始終有無論極如何性始終有Ud Uc 點電位點電位 若若L1L2， Z1Z2， Ud Uc 10 110 121R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij L I101010ZRj L2221102222()MLLLRL222212211010222212222()()UM RM LZRjLIRLRL2221102222()MRRRRL22211 02222()MLLLRL