傳感器原理及應(yīng)用第4章 電感式傳感器

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)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(dòng)變壓器式電感傳感器差動(dòng)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(jì)算：線圈自感可按下式計(jì)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(dǎo)磁率（真空、空氣

2、）導(dǎo)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?xì)庀峨姼谐跏細(xì)庀? 0處初始電感量為處初始電感量為L L0 0 200002NSL0LL0L0+LL0L/ 1 1時(shí)，時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開用泰勒級(jí)數(shù)展開23000001()()LLLL 22300000001()()()LL 銜鐵銜鐵下移時(shí)下移時(shí) 銜鐵銜鐵上移時(shí)上移時(shí) 22300000001()()()LL

3、對(duì)上式作線性處理對(duì)上式作線性處理( (忽略高次項(xiàng)忽略高次項(xiàng)) )時(shí)時(shí)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(shí)際測量中多采用差動(dòng)形式。為減小非線性誤差，實(shí)際測量中多采用差動(dòng)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(duì)變化量電感的相對(duì)變化量v 差動(dòng)式原理：差動(dòng)式原理：差動(dòng)變隙式由兩個(gè)相差動(dòng)變隙式由兩個(gè)相同的線圈同的線圈L L1 1、L L2

4、2 和磁和磁路組成。當(dāng)被測量通路組成。當(dāng)被測量通過導(dǎo)桿使銜鐵左右位過導(dǎo)桿使銜鐵左右位移時(shí)，兩個(gè)回路中磁移時(shí)，兩個(gè)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(dòng)形式。差動(dòng)形式。 對(duì)上式進(jìn)行線性處理并忽略高次項(xiàng)：對(duì)上式進(jìn)行線性處理并忽略高次項(xiàng)：v 差動(dòng)式靈敏度為：差動(dòng)式靈敏度為： 002LL0002LLK2412000021()()LLLL 當(dāng)一個(gè)增加一個(gè)減小時(shí)電感總的變化為：當(dāng)一個(gè)增加一個(gè)減小時(shí)電感總的變化為：討論：討論： 比較單線圈，差動(dòng)式的靈敏度提高了一倍；比較單線圈，差動(dòng)式的靈敏度提高了一倍； 差動(dòng)式非線性項(xiàng)比單線圈多乘了差動(dòng)式非線性項(xiàng)比單線圈多乘了(

5、/)(/)因子；因子； 不存在偶次項(xiàng)，因不存在偶次項(xiàng)，因/1/1，線性度得到改善。，線性度得到改善。 差動(dòng)式的兩個(gè)電感結(jié)構(gòu)，可抵消溫度、噪聲干擾差動(dòng)式的兩個(gè)電感結(jié)構(gòu)，可抵消溫度、噪聲干擾 的影響。的影響。0002LLK兩個(gè)橋臂由相同線圈組成，另外兩個(gè)為平衡電阻兩個(gè)橋臂由相同線圈組成，另外兩個(gè)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(dāng)是非線性的，只有當(dāng)QQ值值很高時(shí)近似線性關(guān)系。很高時(shí)近似線性關(guān)系。橋路輸出電壓與橋壓橋路輸出電壓與橋壓U UACAC有關(guān)，有關(guān)，與

6、初始?xì)庀杜c初始?xì)庀?0 0有關(guān)。有關(guān)。142301234ACZ ZZ ZUUZZZZ&00()2ACUU電壓輸出一個(gè)是與電源同相的分量，另一個(gè)與電源相差電壓輸出一個(gè)是與電源同相的分量，另一個(gè)與電源相差9090度度的正交分量，線圈品質(zhì)因素的正交分量，線圈品質(zhì)因素QQ較高時(shí)可以消除正交分量，輸較高時(shí)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(gè)臂是交流阻抗臂、另外兩個(gè)臂是交流變壓器次級(jí)線圈各占變壓器次級(jí)線圈各占1 12 2，交，交流供電。流供電。 橋路輸出電壓為：橋路輸出電壓為：1201121222ZZUUUUZZZZZ&u銜鐵

7、上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓大小相等方向相反，銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，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(hào)相位，用相敏檢波。，要判斷銜鐵方向就是判斷信號(hào)相位，用相敏檢波。 當(dāng)銜鐵在中間位置當(dāng)銜鐵在中間位置 Z1=Z2=Z U0=0 022UZULUZL&當(dāng)銜鐵偏移時(shí)輸出電壓當(dāng)銜鐵偏移時(shí)輸出電壓02ULUL &當(dāng)銜鐵偏向另一方向當(dāng)銜鐵偏向另一方向被測壓力經(jīng)位移電壓兩次轉(zhuǎn)換輸出被測壓力經(jīng)位移電壓兩次轉(zhuǎn)換輸出新型測量工具設(shè)計(jì)思想結(jié)構(gòu)示意圖新型測量工具設(shè)計(jì)思想結(jié)構(gòu)示意圖v 把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成為線圈互感把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成為線圈互感 量的變化的

8、傳感器稱為互感式傳感器。量的變化的傳感器稱為互感式傳感器。結(jié)構(gòu)：中間初級(jí)，兩邊次級(jí)結(jié)構(gòu)：中間初級(jí)，兩邊次級(jí) 鐵芯在骨架中間可上下移動(dòng)鐵芯在骨架中間可上下移動(dòng)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(jí)線圈繞組用差動(dòng)形式連接。并將次級(jí)線圈繞組用差動(dòng)形式連接。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多, ,應(yīng)用最多的應(yīng)用最多的 是螺線管式差動(dòng)變壓器。是螺線管式差動(dòng)變壓器。 它可測量它可測量1 1100mm100mm范圍內(nèi)機(jī)械位移。范圍內(nèi)機(jī)械位移。次次級(jí)級(jí)次次級(jí)級(jí)骨架骨架初初級(jí)級(jí)銜銜鐵鐵次次級(jí)級(jí)次次級(jí)級(jí)初初級(jí)級(jí) 等效電路：等效電路： 初級(jí)初級(jí)L1L1，次級(jí)

9、線圈，次級(jí)線圈L2aL2a、L2bL2b必須反相串聯(lián)接保證差動(dòng)形式必須反相串聯(lián)接保證差動(dòng)形式 如果線圈完全對(duì)稱并且銜鐵處于中間位置時(shí)兩線圈如果線圈完全對(duì)稱并且銜鐵處于中間位置時(shí)兩線圈 互感系數(shù)相等互感系數(shù)相等abMM22abEE0220abUEE差動(dòng)輸出電壓為零：差動(dòng)輸出電壓為零：電動(dòng)勢相等電動(dòng)勢相等u 可見可見: : 輸出電壓大小和符號(hào)反映了輸出電壓大小和符號(hào)反映了 鐵心位移的大小和方向。鐵心位移的大小和方向。當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓隨銜鐵位移變化。當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，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

10、得到輸出電壓有效值為電壓有效值為 ：02211()()abiMMUUrLv 可見輸出電壓與互感的差值有關(guān)可見輸出電壓與互感的差值有關(guān)21aaEjMI 21bbEjMI 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢分別為根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢分別為0221ababUEEjMMI &輸出電壓輸出電壓初級(jí)電流初級(jí)電流111/iIUrjL&022112()iUMUrL022112()iUMUrL 鐵芯在中間位置時(shí)鐵芯在中間位置時(shí) 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）

11、 Ma = M-M，Mb = M+M輸出與輸出與E2b同極性；同極性；00U 差動(dòng)變壓器輸出差動(dòng)變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系電壓和位移的關(guān)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(dòng)的距離即銜鐵在線圈中移動(dòng)的距離X X；v而而U0與與Ui的相位差決定銜鐵的移動(dòng)方向；的相位差決定銜鐵的移動(dòng)方向；v輸出電壓的正負(fù)結(jié)果由相敏檢波后，輸出電壓的正負(fù)結(jié)果由相敏檢波后， 輸出曲線反行程翻轉(zhuǎn)為過零的直線；輸出曲線反行程翻轉(zhuǎn)為過零的直線；v輸出電壓輸出電壓U0與初級(jí)電壓與初級(jí)電壓Ui、電流、電流I1 有關(guān)，應(yīng)盡可能大；有關(guān)，應(yīng)盡可能大；v U0與激勵(lì)頻率成正比

12、，中頻應(yīng)用在與激勵(lì)頻率成正比，中頻應(yīng)用在 400-10000Hzv靈敏度可達(dá)靈敏度可達(dá)0.15V/mm，包括三個(gè)內(nèi)容，包括三個(gè)內(nèi)容 傳感器類型、轉(zhuǎn)換電路、電源傳感器類型、轉(zhuǎn)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(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式差動(dòng)變壓器傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器傳感器的應(yīng)用v理論上講，鐵芯處于中間位置時(shí)輸出電壓應(yīng)為零理論上講，鐵芯處于中間位置時(shí)輸出電壓應(yīng)為零U0=0，而實(shí)際輸出而實(shí)際輸出U00，在零點(diǎn)上總有一個(gè)最小的輸出電壓，這在零點(diǎn)上總有一個(gè)最小的輸出電壓，這個(gè)

13、鐵芯處于中間位置時(shí)最小不為零的電壓稱為個(gè)鐵芯處于中間位置時(shí)最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電零點(diǎn)殘余電壓。壓。產(chǎn)生這個(gè)電壓的原因是：產(chǎn)生這個(gè)電壓的原因是：由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組電氣由于兩個(gè)次級(jí)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(nèi)阻）不同，幾何尺寸工藝上很難內(nèi)阻）不同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同，使實(shí)際的特性曲線總有最小輸出。保證完全相同，使實(shí)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(diǎn)殘余電壓過大會(huì)使靈敏度下降，諧波，零點(diǎn)殘余電壓過大會(huì)使靈敏度下降，非線性誤差增大，放大器末級(jí)飽和，因此非線性誤差增大，放大器末級(jí)

14、飽和，因此是直接影響傳感器質(zhì)量的參數(shù)。是直接影響傳感器質(zhì)量的參數(shù)。v為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響為減小零點(diǎn)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(bǔ)償電路補(bǔ)償為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ) 償償, ,電路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄝ^多電路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄝ^多, ,可采用以下方法?？刹捎靡韵路椒ā?串聯(lián)電阻：消除兩次級(jí)繞組基波分量幅值上的差異；串聯(lián)電阻：消除兩次級(jí)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(jí)間反饋，減小諧波分量；加反饋支路：初次

15、級(jí)間反饋，減小諧波分量； 相敏檢波對(duì)零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用相敏檢波對(duì)零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。這些電路可單個(gè)使用也可綜合使用，需要通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)效果這些電路可單個(gè)使用也可綜合使用，需要通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)效果串串聯(lián)聯(lián)電電阻阻并并聯(lián)聯(lián)電電阻阻 差動(dòng)變壓器輸出交流信號(hào)。為正確反映銜鐵位移差動(dòng)變壓器輸出交流信號(hào)。為正確反映銜鐵位移 大小和方向，常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。大小和方向，常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。（1 1）差動(dòng)整流電路）差動(dòng)整流電路 輸入一交流信號(hào)時(shí)整流電路的輸出電壓為：輸入一交流信號(hào)時(shí)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 ，U2

16、4 = U68 U0 = 0T上移，上移，U24 U68 U0 0，T下移，下移，U24 U68 U0 0差動(dòng)整流電路分析動(dòng)畫演示：差動(dòng)整流電路分析動(dòng)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(fù)電壓的結(jié)果由相敏檢波后反行程旋轉(zhuǎn)輸出正負(fù)電壓的結(jié)果由相敏檢波后反行程旋轉(zhuǎn) 由由，工作曲線為過零點(diǎn)的直線。，工作曲線為過零點(diǎn)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(dòng)變

17、壓器式傳感器可直接用于位移測量，差動(dòng)變壓器式傳感器可直接用于位移測量， 也可以用來測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，也可以用來測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量， 如振動(dòng)，加速度，應(yīng)變等等。如振動(dòng)，加速度，應(yīng)變等等。（1 1）壓差計(jì)）壓差計(jì) 當(dāng)壓差變化時(shí)，腔內(nèi)當(dāng)壓差變化時(shí)，腔內(nèi)膜片位移使差動(dòng)變壓器次膜片位移使差動(dòng)變壓器次級(jí)電壓發(fā)生變化，輸出與級(jí)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(jì)將水位變沉筒式液位計(jì)將水位變化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)換化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)換為電感的變化，差動(dòng)變壓器為電感的變化，差動(dòng)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

18、儀（二極管相敏檢波電路）電感測厚儀（二極管相敏檢波電路) )L1L1、L2L2是傳感器作為兩個(gè)橋臂；是傳感器作為兩個(gè)橋臂；C1C1、C2C2是另外兩個(gè)橋臂；是另外兩個(gè)橋臂；D1-D4D1-D4組成相敏整流器；組成相敏整流器；RP1RP1調(diào)零電位器，調(diào)零電位器，RP2RP2調(diào)電流表滿度；調(diào)電流表滿度； 被測厚度正常時(shí)被測厚度正常時(shí)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(shí)，被測厚度變化時(shí)， 設(shè)設(shè)L1L1 L2L2，Z1Z1Z2Z2， 正半周時(shí)正半周時(shí)D1D1、D4D4導(dǎo)通，導(dǎo)通，I1 I1 I4I4 負(fù)半周時(shí)負(fù)半周時(shí)D2D2、D3D3導(dǎo)通，導(dǎo)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(diǎn)電位點(diǎn)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()MLLL