第7周大課電感式傳感器

1、1.1傳感器技術(shù)與應(yīng)用1脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路1.2傳感器技術(shù)與應(yīng)用2脈沖寬度調(diào)制電路特點(diǎn)脈沖寬度調(diào)制電路特點(diǎn)對(duì)于差動(dòng)脈沖調(diào)制電路，不論是改變平板電容的極板對(duì)于差動(dòng)脈沖調(diào)制電路，不論是改變平板電容的極板面積還是極板距離，其面積還是極板距離，其變化量與輸出量都呈線性關(guān)系變化量與輸出量都呈線性關(guān)系。 不需要解調(diào)器就能獲得直流輸出；輸出信號(hào)一般為100kHz1MHz的矩形波，所以效率高，直流輸出只需要經(jīng)低通濾波器簡(jiǎn)單的引出。由于低通濾波器的作用，對(duì)輸出波形的純度要求不高，只需要電壓穩(wěn)定度較高的直流電源。調(diào)寬頻率的變化，對(duì)輸出無(wú)影響。對(duì)元件無(wú)線性要求。1.3傳感器技術(shù)與應(yīng)用3 電容式傳感器不

2、但應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度電容式傳感器不但應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度及荷重等機(jī)械量的精密測(cè)量，還廣泛應(yīng)用于壓力、差及荷重等機(jī)械量的精密測(cè)量，還廣泛應(yīng)用于壓力、差壓力、液位、料位、濕度、成分含量等參數(shù)的測(cè)量。壓力、液位、料位、濕度、成分含量等參數(shù)的測(cè)量。電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用1.4傳感器技術(shù)與應(yīng)用4 電感式傳感器的基本原理電感式傳感器的基本原理 變氣隙型電感式傳感器變氣隙型電感式傳感器 螺線管電感式傳感器螺線管電感式傳感器 電渦流傳感器電渦流傳感器 電感式傳感器的測(cè)量電路電感式傳感器的測(cè)量電路電地暖電地暖 1.5傳感器技術(shù)與應(yīng)用5電感式傳感器的基本原理電感式傳感器的基本原

3、理變氣隙型電感式傳感器變氣隙型電感式傳感器1.6傳感器技術(shù)與應(yīng)用6 掌握電感式傳感器的基本原理，了解電感式傳感器掌握電感式傳感器的基本原理，了解電感式傳感器的主要特征。的主要特征。 了解變氣隙電感式傳感器的特征分析，掌握恒流源了解變氣隙電感式傳感器的特征分析，掌握恒流源激勵(lì)和恒壓源激勵(lì)的簡(jiǎn)單變氣隙電感式傳感器的輸入與激勵(lì)和恒壓源激勵(lì)的簡(jiǎn)單變氣隙電感式傳感器的輸入與輸出的線性度以及靈敏度指標(biāo)。輸出的線性度以及靈敏度指標(biāo)。1.7傳感器技術(shù)與應(yīng)用7 利用電磁感應(yīng)原理，利用電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)的機(jī)械性的非電量變化將被測(cè)的機(jī)械性的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈電感轉(zhuǎn)換成線圈電感(或互感或互感)的變化的變化，這種機(jī)

4、電轉(zhuǎn)換裝置稱，這種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置稱為電感式傳感器。電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可為電感式傳感器。電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、測(cè)量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定、無(wú)需外電源和輸出功率較靠、測(cè)量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定、無(wú)需外電源和輸出功率較大等一系列優(yōu)點(diǎn)。大等一系列優(yōu)點(diǎn)。1.8傳感器技術(shù)與應(yīng)用8 電感式傳感器的主要缺點(diǎn)是靈敏度、線性度和測(cè)量電感式傳感器的主要缺點(diǎn)是靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約，傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速范圍相互制約，傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量；對(duì)傳感器線圈供電電源的頻率和振幅穩(wěn)定度動(dòng)態(tài)測(cè)量；對(duì)傳感器線圈供電電源的頻率和振幅穩(wěn)定度均要求較高。均要求較高。 電感式傳感器

5、按轉(zhuǎn)換原理的不同可分為電感式傳感器按轉(zhuǎn)換原理的不同可分為自感式自感式(電感電感式式)和和互感式互感式(差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式)兩大類。兩大類。1.9傳感器技術(shù)與應(yīng)用9 電感式傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯電感式傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，示和控制，在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用。在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用。 在工業(yè)自動(dòng)化中，電感式傳感器也廣泛應(yīng)用于位移、在工業(yè)自動(dòng)化中，電感式傳感器也廣泛應(yīng)用于位移、壓力、流量等方面的測(cè)量。壓力、流量等方面的測(cè)量。1.10傳感器技術(shù)與應(yīng)用10 根據(jù)法拉第電磁定律，當(dāng)穿過(guò)閉合電路的磁通量根據(jù)法拉第電磁定律，當(dāng)穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)

6、生變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為電發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以構(gòu)成各種各樣的傳感器。磁感應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以構(gòu)成各種各樣的傳感器。電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置，它的核心是可變自感或可變互感。量的一種裝置，它的核心是可變自感或可變互感。1.11傳感器技術(shù)與應(yīng)用11電感式傳感器用于將機(jī)械線位移或角位移轉(zhuǎn)換為感電感式傳感器用于將機(jī)械線位移或角位移轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，圖應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，圖4-1即為這種轉(zhuǎn)換的示意圖。激勵(lì)線圈即為這種轉(zhuǎn)換的示意圖。激勵(lì)線圈1由交變電源激勵(lì)，在鐵心由交變電

7、源激勵(lì)，在鐵心3中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。圖 4-1 原理示意圖1激勵(lì)線圈 2二次線圈 3鐵心1.12傳感器技術(shù)與應(yīng)用12假設(shè)動(dòng)鐵心處于無(wú)窮遠(yuǎn)處，在線圈假設(shè)動(dòng)鐵心處于無(wú)窮遠(yuǎn)處，在線圈2中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。隨著動(dòng)鐵心的移動(dòng)，氣隙逐步減小，在線圈零。隨著動(dòng)鐵心的移動(dòng)，氣隙逐步減小，在線圈2中的中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也逐步增大，直到兩鐵心形成完全閉合的磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也逐步增大，直到兩鐵心形成完全閉合的磁路時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大。由此可見(jiàn)，路時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大。由此可見(jiàn)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與氣隙的大小有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。大小與氣隙的大小有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。1.13傳感器技術(shù)與

8、應(yīng)用13可將電感式傳感器的能量變化關(guān)系，用圖4-2來(lái)表示。由圖可見(jiàn)，傳感器的核心是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能的部分。機(jī)械變化激勵(lì)以形成一個(gè)磁場(chǎng)信號(hào)，被測(cè)對(duì)象以機(jī)械能的方式調(diào)制磁場(chǎng)能，而磁場(chǎng)能則通過(guò)測(cè)量電路（檢測(cè)線圈）檢出，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。 圖4-2 電感式傳感器的能量變換1.14傳感器技術(shù)與應(yīng)用14（1）電流在線圈中產(chǎn)生的總交鏈磁通 =LI （4-1）式中，L為線圈電感；I為激勵(lì)電流。（2）磁場(chǎng)能量 212MWL I（4-2）1.15傳感器技術(shù)與應(yīng)用152（3）與磁場(chǎng)的幾何形狀有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)MINR 或 2MNNLIIR （4-3） 式中， N為線圈匝數(shù)；RM為與磁場(chǎng)幾何形狀有關(guān)的磁阻。 為穿過(guò)

9、線圈的磁通。1.16傳感器技術(shù)與應(yīng)用16（4）對(duì)被測(cè)對(duì)象的作用力被測(cè)對(duì)象為克服電阻力所作的功，等于磁場(chǎng)能量的變化，即Fx =WF= -xW故在電流不變時(shí)的電磁力為 FM = - xWM= - xLI22（4-4） 取負(fù)號(hào)表示電磁力與外作用力方向相反 1.17傳感器技術(shù)與應(yīng)用17（5）電流在線圈中產(chǎn)生的自感及互感（M）電動(dòng)勢(shì)LdieLdt MdieMdt （4-5） （4-6）1.18傳感器技術(shù)與應(yīng)用18 1）具有氣隙的電感式傳感器。這類傳感器利用鐵磁體構(gòu)成集中的磁路，其磁阻主要在氣隙中形成。依據(jù)改變氣隙磁阻的方法，又可分為變氣隙型和變截面型。同時(shí)，還可以依據(jù)是否有獨(dú)立的檢測(cè)磁場(chǎng)線圈分為自感型和

10、互感型（變壓器型）。 2）具有螺線管的電感式傳感器。這類傳感器具有較長(zhǎng)的空氣磁路，利用鐵心改變空氣磁路的磁阻。同樣，在這類傳感器中，也有自感型和互感型之分。1.19傳感器技術(shù)與應(yīng)用193）電渦流傳感器。這類傳感器沒(méi)有明確的磁場(chǎng)邊界，屬于分布參數(shù)磁場(chǎng)，利用主磁場(chǎng)和渦流磁場(chǎng)的互感耦合來(lái)改變電感。這類傳感器可以看作互感型傳感器的一種特殊情況。4）利用鐵磁體物理性質(zhì)的傳感器。這類傳感器的特點(diǎn)是做成完全閉合的磁路，而鐵磁體的磁導(dǎo)率隨著應(yīng)力而變化，由此引起磁阻及電感的變化。1.20傳感器技術(shù)與應(yīng)用20 根據(jù)法拉第電磁定律和磁路的歐姆定律，當(dāng)磁路的根據(jù)法拉第電磁定律和磁路的歐姆定律，當(dāng)磁路的磁阻和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

11、發(fā)生變化時(shí)，就能相應(yīng)的測(cè)量出電磁阻和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化時(shí)，就能相應(yīng)的測(cè)量出電壓和電流等物理量，據(jù)此，可以制造和設(shè)計(jì)各類電感壓和電流等物理量，據(jù)此，可以制造和設(shè)計(jì)各類電感式傳感器。式傳感器。1.21傳感器技術(shù)與應(yīng)用21 圖4-3 簡(jiǎn)單的變氣隙型電感式傳感器1.22傳感器技術(shù)與應(yīng)用22圖4-3所示的結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)化分析，做以下假設(shè)：1）鐵心磁路中的磁滯及渦流損耗不計(jì)。2）不考慮集膚效應(yīng)及邊緣效應(yīng)，認(rèn)為在鐵心中的磁場(chǎng)是均勻分布的。同時(shí)，忽略激勵(lì)線圈的漏磁。3）鐵心的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率。1.23傳感器技術(shù)與應(yīng)用23式中，為每段氣隙長(zhǎng)度； 為鐵心總長(zhǎng)度；A為氣隙有效截面面積；0為真空磁導(dǎo)率，

12、因?yàn)榭諝獾南鄬?duì)磁導(dǎo)率近似為1，所以0也為空氣磁導(dǎo)率；r為鐵心的相對(duì)磁導(dǎo)率。根據(jù)磁路基本知識(shí)可知，磁路的總磁阻為鐵心及氣隙磁阻之和。對(duì)于小氣隙電感式傳感器，有兩段空氣工作磁阻和兩段鐵心磁阻。故有000212()MMMrrllRAAA （4-7） Ml1.24傳感器技術(shù)與應(yīng)用24202()MrANLl（4-8） 由式（4-8）可以看出，L與被測(cè)量的關(guān)系和變氣隙式電容特性十分類似，用此，可以通過(guò)選擇激勵(lì)源的方式來(lái)線性化。將式（4-7）代入式（4-3）中，可得1.25傳感器技術(shù)與應(yīng)用251）當(dāng)采用頻率為的恒流源激勵(lì)時(shí)，激勵(lì)線圈中電流保持不變，而線圈電壓將隨L的變化而變化。若線圈直流電阻遠(yuǎn)小于其感抗，則

13、202()LMrANIUILl（4-9） 由此得電感線圈的電壓靈敏度為L(zhǎng)uUS1.26傳感器技術(shù)與應(yīng)用26)111()1()1(22)/(2)/()(22)/(2)/()(20000000020020020KKLIKLIllIANlIANlIANUrmrmrmrmLK為鐵心磁阻對(duì)靈敏度及非線性的影響系數(shù)02MlK 1.27傳感器技術(shù)與應(yīng)用27L0為不計(jì)入鐵心磁阻時(shí)線圈的電感 /20200mlANL當(dāng) 可忽略時(shí)， /ml02002ANL 1.28傳感器技術(shù)與應(yīng)用28由此得電感線圈的電壓靈敏度為202000000)()1 (1111)1 ()111 (1)1 (KKKLIKKLIUSLu根據(jù)級(jí)數(shù)展

14、開公式：111132xxxxx1.29傳感器技術(shù)與應(yīng)用29 作線性化處理，忽略高次項(xiàng)后，得電感線圈的電壓靈敏度為：00000)1 ()111 (1)1 (KLIKKLIUSLu1.30傳感器技術(shù)與應(yīng)用30 恒流源激勵(lì)的變氣隙型電感式傳感器，恒流源激勵(lì)的變氣隙型電感式傳感器，具有非線性具有非線性的靜態(tài)特征。的靜態(tài)特征。 減小鐵心磁路磁阻，即選擇高的減小鐵心磁路磁阻，即選擇高的鐵磁材料和縮短鐵磁材料和縮短鐵心磁路長(zhǎng)度，可以提高靈敏度。鐵心磁路長(zhǎng)度，可以提高靈敏度。 極限情況下，極限情況下，K0，此時(shí)，靈敏度最大。，此時(shí)，靈敏度最大。 利用減小利用減小K以增大靈敏度，同時(shí)非線性系數(shù)也在增以增大靈敏度

15、，同時(shí)非線性系數(shù)也在增大。大。1.31傳感器技術(shù)與應(yīng)用312）當(dāng)采用恒壓源激勵(lì)時(shí)，線圈電壓保持不變，而電流則隨L的變化而變化，此時(shí)20002()(1)MEErElUUUIKLANL（4-11） 同樣可得，線圈中電流的靈敏度為（4-12） 0011KIISI其中)1 (00KLUIE1.32傳感器技術(shù)與應(yīng)用32 恒壓源激勵(lì)的變氣隙型電感式傳感器，恒壓源激勵(lì)的變氣隙型電感式傳感器，輸入輸出呈輸入輸出呈線性關(guān)系。線性關(guān)系。 K越小，靈敏度越大。越小，靈敏度越大。 變氣隙型電感式傳感器易于采用恒壓源激勵(lì)。變氣隙型電感式傳感器易于采用恒壓源激勵(lì)。1.33傳感器技術(shù)與應(yīng)用33 主要優(yōu)點(diǎn)：主要優(yōu)點(diǎn)： 易于制

16、作和調(diào)整，在適當(dāng)?shù)募?lì)條件下，也可以易于制作和調(diào)整，在適當(dāng)?shù)募?lì)條件下，也可以得到近似地線性關(guān)系。得到近似地線性關(guān)系。 主要缺點(diǎn)：主要缺點(diǎn)： 機(jī)械零點(diǎn)與電氣零點(diǎn)不一致，機(jī)械零點(diǎn)與電氣零點(diǎn)不一致，當(dāng)輸入位移為零時(shí)，當(dāng)輸入位移為零時(shí)，輸出信號(hào)不為零。輸出信號(hào)不為零。 在輸入為零時(shí)，磁場(chǎng)作用在被測(cè)物體上的作用力在輸入為零時(shí)，磁場(chǎng)作用在被測(cè)物體上的作用力并不為零。并不為零。1.34傳感器技術(shù)與應(yīng)用34電感式傳感器的基本原理電感式傳感器的基本原理 根據(jù)法拉第電磁定律，當(dāng)穿過(guò)閉合電路的磁通量根據(jù)法拉第電磁定律，當(dāng)穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為電發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以構(gòu)成各種各樣的傳感器。磁感應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以構(gòu)成各種各樣的傳感器。電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置，它的核心是可變自感或可變互感。量的一種裝置，它的核心是可變自感或可變互感。1.35傳感器技術(shù)與應(yīng)用35恒流源激勵(lì)簡(jiǎn)單的電感式傳感器恒流源激勵(lì)簡(jiǎn)單的電感式傳感器 具有非線性的靜態(tài)特征。利用減小具有非線性的靜態(tài)特征。利用減小K以增大靈敏度，以增大靈敏度，同時(shí)非線性系數(shù)也在增大。同時(shí)非線性系數(shù)也在增大。恒壓源激勵(lì)簡(jiǎn)單的電感式傳感器恒壓源激勵(lì)簡(jiǎn)單