傳感器原理及應用(第3版) 王華翔 第4章 電感式傳感器

1、第4章 電感式傳感器什么是電感式傳感器？什么是電感式傳感器？電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量測量的裝置。測量的非電量：位移、振動、壓力、應變等轉(zhuǎn)換后的電量：線圈電感、互感等的變化。汽輪機主軸振動測量自感式接近開關電渦流振動傳感器按原理分類自感式互感式（差動，電渦流）按結構分類氣隙式螺管型電感式傳感器特點：1、結構簡單。主要由線圈、銜鐵組成。2、分辨力高。能夠測量0.1um的微小位移。3、線性度好。在較小的測量范圍內(nèi)，有非常好的線性度。第1節(jié) 自感式傳感器一、氣隙型電感傳感器（1）工作原理被測體的位移引起氣隙磁阻的變化，從而使線圈電感發(fā)生變化。當傳感器線圈與測量電路連接后，可將電

2、感的變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化，完成從非電量到電量的轉(zhuǎn)換結構定量分析由磁路基本原理：線圈電感為：mmRNRNIININIL2磁路的總磁阻由鐵心、銜鐵和空氣間隙三部分組成：SlSlSlRm0222111線圈電感為SlSlSlNRNLm022211122補充知識磁阻定義SlRm磁勢定義NIem磁路的歐姆定律mmmRe非導磁材料（空氣）的相對磁導率近似為1，而鐵芯（如硅鋼片）磁導率為700010000。結果：絕大多數(shù)磁力線集中在鐵芯內(nèi)部，并沿鐵芯方向分布。SlSlSlNRNLm022211122lSNlSfL02),(鐵芯的磁導率遠遠大于空氣間隙的磁導率 021,線圈電感L是氣隙面積和長度的函

3、數(shù)變化，S不變l變隙式S變化， 不變變截面式l（2）特性分析（靈敏度和線性度）分析思路：設氣隙變化為 ，求得其引起的電感變化 ，將 展開成級數(shù)，求得l1L1L靈敏度：線性度：lLKL級數(shù)線性項級數(shù)第一個非線性項SlSlSlRm0222111rrrmllSlllSR) 1(1100L磁路總長，鐵芯和銜鐵為同一導磁材料 rrmllSR011rrrmllKllNSRNL/1/202SNK20測量時，銜鐵移動使總氣隙長度減少 ，則電感增加l1LrlllKLL/11rllKL/1rrlllllLLL/)(/1rrllllllllLL/1111)/(11121)/(11)/(111)/(11rrrllll

4、llllllllLLx忽略高次項)/(111rllllLL)/(11rLlllLlLK泰勒級數(shù)展開靈敏度線性度rlllL/11)/(111rllllLL靈敏度線性度rlllL/11氣隙變化越小，線性度越好，測量越準確，一般2 . 01 . 0/lL氣隙長度增加 ，l則電感減小2LrlllKLL/1222)/(11)/(111)/(11/rrrrllllllllllllllllLL如何提高自感式傳感器的靈敏度和線性度？差動測量方法21)/(11)/(111)/(11rrrllllllllllllLL22)/(11)/(111)/(11rrrllllllllllllLL221/111/112rrl

5、lllllllLLLLLrLlllLlLK/1122/11rlllL靈敏度提高一倍，線性度提高一個數(shù)量級二、電感線圈的等效電路Rc線圈銅損電阻Re鐵芯渦流損耗電阻C 線圈并聯(lián)寄生電容并聯(lián)寄生電容的影響不考慮并聯(lián)寄生電容C時：LjRZs考慮C后：PPsPLjRLCLjLCRZ)1 ()1 (222)1 (2LCLLPLdLLCLdLPP)1 (12并聯(lián)C后，靈敏度提高。電纜長度改變時，需校準。ecsRRRCjLjRZsP1/)(三、測量電路三、測量電路（1）交流電橋LZ負載電阻無窮大，開路LjRZZZs21RRR21LLL21采用差動電感線圈，銜鐵移動時ZZZ1負載兩端的電勢差為：ZZZ2LjR

6、LjREZZEZZZERRRZZZZZZEUssSC22212LjRLjREUssSC2輸出電壓幅值：ELRLELRRLUSSSSC222222222橋路輸出阻抗：222LRRZS2RLjRZSSSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222E同相分量E正交分量E正交分量=0SSRRLLsRLQ/LLEUSC2（2）變壓器電橋工作電流：21ZZEI輸出電壓：211222122ZZZZEEZZZEUSC銜鐵位于正中：LjRZZZs210SCU銜鐵正向偏移：ZZZ1ZZZ2ZZEUSC2與電源電壓同相銜鐵反向偏移：與電源電壓反相ZZZ1ZZZ2ZZEUSC2第2節(jié) 差動變壓器互感式傳感器將

7、被測量的變化轉(zhuǎn)換為變壓器的互感系數(shù)變化。初級線圈輸入交流電壓，次級線圈互感應出電動勢。由于變壓器次級線圈常接成差動形式，因此稱為差動變壓器。差動變壓器測量壓力一、結構與工作原理結構：銜鐵；初級線圈；次級線圈框架初級線圈：勵磁，原邊次級線圈：反相串聯(lián)接成差動形式 輸出，副邊銜鐵：隨被測物體移動，改變兩個 副邊與原邊的互感系數(shù)。定量分析等效電路初級線圈電流1111LjReI兩個次級線圈與初級線圈的互感系數(shù)分別為M1, M2。次級線圈感應出的電勢為：1121IMje1222IMje次級線圈差動輸出：1112122212LjReMMjeee輸出電壓幅值：21211212LReMMe輸出阻抗：)(222

8、12221LLjRRZ1121/mRNNM2122/mRNNM鐵芯位移 ，差動變壓器輸出電壓幅值x2e22121xKxKe銜鐵位于正中：MMM2102e 銜鐵向上移動：MMM1MMM2與 同相銜鐵向下移動：與 同相2121122LRMee21eMMM2MMM12121122LRMee22e當鐵芯位移很小時xKe12具有很好的線性度，又稱LVDT二、誤差因素分析零點殘余電壓：當銜鐵處在中間位置，差動變壓器輸出電壓不為零，存在微小的電壓值。零點殘余電壓包含了基波同相分量，基波正交分量，二次、三次和高次諧波。勵磁電壓溫度變化（1）基波分量兩個次級線圈的繞組參數(shù)（電阻、電感）不完全相同，感應出的電勢幅

9、值相位均不同，矢量相減不為零。產(chǎn)生原因（2）高次諧波由導磁材料磁化曲線的非線性引起，導致勵磁電流與磁通波形不一致。（勵磁電流為正弦，而磁通曲線變形，產(chǎn)生高次諧波）怎樣消除零點殘余電壓？（1）從設計和制造上保證結構對稱性保證線圈和磁路的對稱性。（2）采用如相敏檢波電路等合適的測量線路（3）采用補償線路通過對次級線圈并（串）聯(lián)電容或電阻的方法，改變某一次級線圈感應電壓的相位，從而使兩個次級線圈的感應電壓相位相差180，從而消除零點殘余電壓。并聯(lián)電阻電容串聯(lián)電阻電容三、測量電路差動變壓器輸出 為交流電壓，為反映銜鐵移動的方向和大小，需采用相敏檢波電路。2e （1）差動整流電路全波相敏整流電路，根據(jù)半

10、導體二極管單向?qū)ㄔ斫庹{(diào)。+ + +考察次級線圈1某時刻f為“+”，e為“-”，電流路徑：f-g-d-cd-c-h-e某時刻e為“+”，f為“-”，電流路徑：e-h-d-cd-c-g-f流過電阻R1電流始終為d-cd-c同理同理流過電阻R2電流a-ba-bdcabcdabSCeeeeU（2）相敏檢波電路er 與e頻率相同，經(jīng)移相器后兩者同相或反相， er e1. 鐵芯位于中間位置時，e=0, er起作用。er正半周，“A+”，“B-”，D1，D2導通D3，D4截止，流過 R1 R2電流為i1，I2，壓降Ucb,Udb大小相等，方向相反，Ucd=0。er負半周，“B+”，“A-”，D3，D4導

11、通D1，D2截止，流過 R1 R2電流為i3，i4，壓降Ubc,Ubd大小相等，方向相反，Ucd=0。+2. 鐵芯上移，e與er同相位，er e， 正半周時，D1，D2導通；D3，D4截止，D1回路總電勢為 ，D2回路總電勢為： 。所以電流i1i2，Ucd=R(i1-i2)0+-eer21eer21負半周時，D3，D4導通；D1，D2截止，D3回路總電為 ，D4回路總電勢為： 。所以電流i4i3，Ucd=R(i4-i3)0eer21eer21+四、差動變壓器應用第3節(jié) 電渦流傳感器電渦流傳感器利用電渦流效應進行工作，能夠進行非接觸測量，用于測量位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、硬度、無損探傷等領域。在電

12、廠汽輪機側(cè)應用廣泛。一、工作原理電渦流效應：金屬導體置于變化的磁場中，導體內(nèi)會產(chǎn)生感應電流，此電流在導體內(nèi)閉合，稱為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應。集膚效應：當金屬導體內(nèi)產(chǎn)生電渦流時，當磁場頻率很高時，電流幾乎只集中在導體表面很薄的一層。fhr5030電渦流傳感器工作原理傳感器線圈由高頻信號激勵，使它產(chǎn)生一個高頻交變磁場，當被測導體靠近線圈時，在導體表面產(chǎn)生與磁場相交鏈的電渦流，而此電渦流又產(chǎn)生一交變磁場阻礙外磁場的變化。因此，在被測導體內(nèi)存在電渦流損耗，使傳感器的品質(zhì)因數(shù)和等效阻抗降低。因此，當被測導體與傳感器間距離d發(fā)生改變時，傳感器Q, Z和電感L均發(fā)生變化，將非電量轉(zhuǎn)換為電量，完

13、成測量目的。 二、等效電路線圈和金屬導體之間存在互感系數(shù)M，其隨距離d的減小而增大。02222121111ILjIRMIjEMIjILjIR2222222122222221LRMLLjLRMRRZ22222221)( LRMLLL222212222212011ZMRRZMLLQQ由于有能量損耗品質(zhì)因數(shù)降低互感系數(shù)M是距離x的函數(shù)，因此)(1xFZ )(2xFL )(3xFQ L的變化與被測金屬的材料有關。若金屬導體為磁性材料，如鐵心，硅鋼片。當導體放置到探頭附近時，L1增大，從而L增大。若金屬導體為非磁性材料（鋁合金），當導體放置到探頭附近時，L1不變，從而L減小。LCf21三、電渦流傳感器測量時需注意的事項1. 線圈外徑大，測量線性范圍寬，但靈敏度低；線圈外徑 小，則相反。2. 被測導體為平面時，被測體直徑不小于線圈直徑的1.