電感傳感器課件

1、第3章 電感傳感器 掌握自感式電感傳感器的結構、原理及其相應的測量電路和應用。掌握差動變壓器（互感式電感傳感器）的原理、特點、工作特性及零點殘壓的消除方法。掌握高頻發(fā)射式及低頻透射式電渦流傳感器的工作原理。上一頁下一頁返 回第3章 電感傳感器3.1 自感式傳感器3.2 差動變壓器3.3 電渦流式傳感器3.4 電感傳感器的應用上一頁下一頁返 回電感傳感器電感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。應用電磁感應原理將非電量參數(shù)轉換為電感量的變化（包括自感和互感）根據(jù)工作原理不同，可分為自感式、互感式和渦流式三種類型，可用來測量位移、振動、轉速、流量等非電信號。主要優(yōu)點是： 結構簡單（線圈

2、、鐵芯、銜鐵），工作可靠，壽命長； 靈敏度高，傳感器的輸出信號強，有利于信號的傳輸和放大，能分辯0.01m的位移變化，一般每毫米的變化可達數(shù)百毫伏的輸出； 精度高，重復性好，線性好，非線性誤差一般為0.050.1 主要缺點有： 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。上一頁下一頁返 回3.1 自感式傳感器 3.1.1 氣隙型自感傳感器3.1.2 差動自感傳感器3.1.3 差動自感傳感器測量電路3.1.4 螺線管式自感傳感器3.1.5 自感式傳感器測量電路3.1.6 自感式傳感器應用舉例按原理分：自感式傳感器、互感式傳感器（差動傳感器）按結構分：閉磁路氣隙

3、型；開磁路電渦流式自感式傳感器 上一頁返 回下一頁自感式傳感器亦稱變隙式自感傳感器，它是根據(jù)鐵芯線圈磁路氣隙的改變，引起滋路磁阻的改變，從而改變線圈自感的大小。氣隙是磁路與磁路之間的空氣間隔 ，是以空氣為介質的間隙，其變化可以引起磁路和磁阻的變化 。氣隙參數(shù)的改變分變氣隙長度和變氣隙截面積S兩種方式傳感器線圈又分單線圈和雙線圈兩種。 3.1.1 氣隙型自感傳感器 上一頁返 回下一頁（a）變氣隙長度（b）變氣隙截面積工作原理由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成上一頁返 回下一頁根據(jù)磁路知識，線圈的自感為：N線圈的匝數(shù)Rm磁路的總磁 在氣隙較小的情況下（一般l在0.11mm），可以認為氣隙磁場均勻分布，同

4、時忽略磁路鐵損，則有：l1、l2、l0鐵芯、銜鐵和氣隙的長度S1、S2、S0鐵芯、銜鐵和氣隙的截面積1、 2、 0鐵芯、銜鐵和氣隙的導磁率即磁路總磁為鐵芯、銜鐵和氣隙三部分磁路磁阻之和上一頁返 回下一頁 實際上由于鐵芯一般工作于非飽和狀態(tài)，此時鐵芯的導磁率遠遠大于空氣的導磁率，因而磁路的總磁阻主要由氣隙長度決定，即 顯然在氣隙型傳感器中移動銜鐵的位置，即可改變氣隙的長度圖(a)或截面積圖(b)， 從而引起線圈自感的變化。 上一頁返 回下一頁（1）變氣隙長度型2. 工作特性 主要分析變氣隙式傳感器的線性度和靈敏度。變氣隙長度型傳感器的自感L與呈非線性關系靈敏度：靈敏度高，線性度差（2）變氣隙截面

5、積型變氣隙截面積S型傳感器的自感L與S之間呈線性關系靈敏度：靈敏度低，線性度高上一頁返 回下一頁結論：L=f（l0）在S0不變的情況下，為非線性反比例函數(shù)；L=f（S0）在l0不變的情況下，為線性正比例函數(shù)；如圖：分別通過改變l0或改變S0，均可以獲得L的變化。3.1.2 差動變隙式電感傳感器 1-鐵芯；2-線圈；3-銜鐵上一頁返 回下一頁兩線圈變氣隙式自感傳感器采用兩個線圈激磁，工作時兩線圈的自感呈反相變化，形成差動輸出，因而稱之為差動自感傳感器。差動自感傳感器亦有變氣隙長度型和變氣隙截面積型由兩個相同線圈，一個可動銜鐵組成：1.工作原理 初態(tài)時：若結構對稱，且動鐵居中，則上一頁返 回下一頁

6、動鐵上移時，則動鐵下移時，則結論：輸出電壓的大小和極性隨位移變化而變化2.特性分析 （1）輸出電壓不但能反映位移量的大小，而且能反映位移的方向。（2）輸出電壓正比于2I，因而靈敏度較高。 （3）輸出電壓非線性減小。（4）可獲得溫度自補償。 上一頁返 回下一頁結論：當位移控制在 ，輸出電壓Uo與位移近似線性關系3.1.3 差動自感傳感器測量電路1. 基本交流測量電橋2. 帶相敏整流的交流電橋 上一頁返 回下一頁測量電路作用： 將電感傳感器的電感量L的變化轉換成電壓或電流形式的變化量輸出。1.基本交流測量電橋 （1）初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z, U0=0（2）動鐵上移：上一頁返 回下一頁令ZR+

7、jL,Z= R+j L,且R L， R L，則（3）動鐵下移：上一頁返 回下一頁結論：輸出電壓的大小反映動鐵位移的大小，輸出電壓的極性反映動鐵位移的方向兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，即相位差180o為了判別銜鐵位移方向，就是判別信號的相位，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來解決 2. 帶相敏檢波電路 由于交流電壓表不能直接指示電橋輸出電壓的極性，即無法確定動鐵位移的方向，因而通常在交流檢測電橋中引入相敏整流電路，把測量電橋的交流輸出轉換為直流輸出，而后用零值電壓表測量電橋的輸出電壓。上一頁返 回下一頁2. 帶相敏檢波電路Z1、Z2為差動線圈等效阻抗R為平衡電阻，與Z1、Z2 組成電橋DlD

8、4組成相敏整流電路Uo為測量電路的輸出電壓零值居中的直流電壓表指示輸出電壓的大小和極性上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁（1）初態(tài)時：由于動鐵居中，即Z1Z2Z，由于橋路結構對稱，此時UB UC，即Uo=UB-UC=0。（2）動鐵上移時：Z1Z十Z，Z2ZZ，即Z1Z2I1I2，此時 UoUBUCUBD+UDC=I1R-I2R=R(I1-I2)0在電源Ui的正半周和負半周，I1、I2的方向均變?yōu)橄喾?，但Uo都0，指示表指針反偏，讀數(shù)為負，表示動鐵在上移。 （3）動鐵下移時：Z1ZZ ， Z2Z十Z ，即Z2Z1I1 I2，此時UoUBUCR(I1-I2) 0指示表指針右偏，讀數(shù)為正，表明動鐵

9、在下移。非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a) 非相敏整流電路；（b） 相敏整流電路非相敏整流電路：電路結構不完全對稱，初態(tài)時電橋不平衡，因而產生靜態(tài)零偏壓，稱為零點殘余電壓。相敏整流電路具備以下優(yōu)點： 過零輸出 改善線性度 識別極性 上一頁返 回下一頁返 回3.2 差動變壓器差動變壓器是互感式傳感器，是把被測量的位移量轉換成傳感器線圈間互感量的變化。其原理類似于變壓器。不同的是：后者為閉合磁路，前者為開磁路；后者初、次級間的互感為常數(shù)，前者初、次級間的互感隨銜鐵移動而變，且兩個次級繞組按差動方式工作，因此又稱為差動變壓器。它與自感式傳感器統(tǒng)稱為電感式傳感器。 變隙式變面積式 螺線管式一般

10、采用螺線管式，因為氣隙式結構復雜，行程小。下一頁返 回(a)、(b) 變隙式差動變壓器；(c)、(d) 螺線管式差動變壓器；(e)、(f) 變面積式差動變壓器 上一頁返 回下一頁差動變壓器3.2.1 工作原理3.2.2 工作特性3.2.3 測量電路 上一頁返 回下一頁3.1 工作原理 -活動銜鐵；-導磁外殼；-骨架；-匝數(shù)為N1初級繞組；-匝數(shù)為N21的次級繞組；-匝數(shù)為N22的次級繞組上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁R1和L1表示初級線圈的電阻和自感R21和R22表示兩次級線圈 的電阻L21和L22表示兩次級線圈的自感M1和M2表示初級線圈分別與兩次級線團間的互感e2l和e22表示在初級

11、電壓u1作用下在兩次線圈上產生的感應電動勢兩次級線圈反向串聯(lián)，形成差動輸出電壓u2。 常采用三段式結構形式，即一個初級線圈，兩個次級線圈，且反向串接形成“差接”方式。如圖為等效電路圖：輸入電壓通過互感，感應到感應電壓e21和e22，通過移動銜鐵，可以改變其原邊、副邊之間的互感。上一頁返 回下一頁初級線圈的激磁電流為:動鐵和次級線圈中產生的磁通分別為:Nl為初級線圈的匝數(shù)，次級線圈的匝數(shù)為N11N21N2，R21和R22 分別通道磁阻。此時初級線圈與兩次級線圈的互感為： 可見，可以通過移動銜鐵，改變M1、M2，從而改變U2.上一頁返 回下一頁結論： 當動鐵處于中間位置時，磁阻Rm1Rm2，即互感

12、M1M2，故此時輸出 電壓U20。 當動鐵上移時，磁阻Rm1Rm2，則M1=M+MM2=M- M ，此時輸出電壓U20。 當動鐵下移時，磁阻Rm1Rm2，則M1=M-MM2=M+M ，此時輸出電壓U20。 因而差動變壓器可以用來測量動鐵位移的大小和方向。 3.2.2 工作特性輸出電壓特性靈敏度線性度溫度特性零點殘余電壓消除方法上一頁返 回下一頁（1）輸出電壓特性上一頁返 回下一頁由圖可見：完全耦合時：該線圈磁路的磁阻最小，因而互感M 最大，感應電動勢e最大，因而其輸出電壓達到最大值Um。完全不耦合時：輸出電壓Uo，稱之為殘余電壓。x表示動鐵與次級線圈實際位移的范圍 單個線圈變壓器輸出電壓特性上

13、一頁返 回下一頁結論：相對于次級單個線圈，差動兩線圈輸出電壓線性工作范圍大大增加。改善差動變壓器輸出電壓特性的方法：提高次級兩線圈磁路和電路的對稱性采用相敏整流電路對輸出電壓進行處理差動兩線圈變壓器輸出電壓特性上一頁返 回下一頁 理想的差動變壓器輸出電壓與位移成線性關系，但實際上由于線圈、鐵芯、骨架的結構形狀、材質等諸多因素的影響，不可能達到完全對稱，使得實際輸出電壓呈非線性狀態(tài)。但在變壓器中間部分磁場是均勻且較強的，因而具有較好的線性段。一般x為線圈骨架1/101/4。改善差動變壓器輸出電壓特性的方法：提高次級兩線圈磁路和電路的對稱性采用相敏整流電路對輸出電壓進行處理（2）靈敏度定義：差動變

14、壓器的靈敏度是指差動變壓器在單位電壓激勵下，動鐵芯移動單位距離時的輸出電壓。單位為mV/mmV上一頁返 回下一頁 KE與f關系曲線上一頁返 回下一頁當f較低時，L1傳感 線圈的平面面積：Kr不變； 渦流平面線圈平面: Kr隨被測體平面的減小而下降； 渦流平面只有傳感線圈平面面積一半：靈敏度也減小一半。 圓柱體：圓柱體的直徑D是傳感線圈外圈直徑d的3.5倍以上，Kr較穩(wěn)定；Dd時：Kr降至70左右。 平面形：厚度要有0.2mm以上，否則 由于電渦流穿透作用的影響，將引起Kr下降。 測試現(xiàn)場周圍的附加電場或磁場的存在，也導致Kr下降。 上一頁下一頁返 回（4）非線性 一船來說，靈敏度越高，線性度越

15、差(僅指未采取補償措施時)。 電渦流傳感 器線性工作范圍一般為傳感線圈外徑的 l513 線圈外徑越大，線性范圍越 大。 為此，電渦流傳感器的線圈通常都采用窄而扁的結構。 4. 測量電路 諧振法 正反饋電路法 電橋法上一頁下一頁返 回1 諧振式上一頁下一頁返 回 諧振法是依據(jù)電路諧振原理,實現(xiàn)對電渦流傳感器輸出信號測量的方法。根據(jù)LC諧振電路的幅值及頻率特性(Frequency response),又分為調幅法和調頻法。上一頁下一頁返 回（1）調幅法是以傳感線圈與調諧電容組成并聯(lián)LC諧振回路，由石英震蕩器提供高頻激磁電流，測量電路的輸出電壓正比于LC諧振電路的阻抗Z，激磁電流和諧振阻抗Z越大，輸

16、出電壓越高。初態(tài)時，傳感器遠離被測體，調整LC回路諧振頻率等于石英晶體振蕩器即 此時LC并聯(lián)諧振回路的等效阻抗Z最大，即 式中R是諧振回路的等效電阻，式中的L即為傳感線圈自感L1.在諧振頻率以外，LC回路的等效阻抗將顯著減少，如圖。上一頁下一頁返 回當被測體為軟磁材料時，由于導磁率增加，諧振回路的等效電感L增加，LC回路諧振頻率減小，諧振曲線左移，諧振阻抗由初態(tài)最大值降至Z1，對應的諧振頻率為f1。當被測體為硬磁或非硬磁材料時，由于導磁率減小，等效電感L減小，LC回路諧振頻率增大，諧振曲線右移，諧振阻抗由初態(tài)最大值降至Z2。對應的諧振頻率為f2。由于并聯(lián)諧振電路輸出電壓u0=i0Z，因而傳感線

17、圈與被測體之間距離的變化，引起Z的變化，使輸出電壓跟隨變化，從而實現(xiàn)位移量的測量，故稱調幅法。上一頁下一頁返 回（2）調頻法 調頻法是以LC諧振回路的頻率作為輸出量，直接用頻率計測量；或通過測量LC回路等效電感L，間接測量頻率變化量。 穩(wěn)定性差，不常用。2 正反饋電路法上一頁下一頁返 回Zr為一固 定的線圈阻抗，ZL為傳感線圈電渦流效應的等效阻抗工作原理：變化 ZL變化運算放大器輸出電壓變化經檢波和放大后使測量電路輸出電壓uo變化。 3 電橋法上一頁下一頁返 回靜態(tài)時：電橋平衡，橋路輸出uAB0。工作時：傳感器接近被測體，電渦流效應等效電感L發(fā)生變化，測量電橋失去平衡，即 uAB 0，經線性放

18、大后送檢波器檢波后輸出直流電壓U，其大小正比于傳感器線圈的移動量，以實現(xiàn)對位移量的測量。L1和L2為傳感器兩線圈電感，分別與選頻電容C1和C2并聯(lián)組成兩橋臂，電阻R1和R2組成另外兩橋臂。3.3.2 低頻透射式電渦流傳感器上一頁下一頁返 回 當傳感線圈激磁頻率在1KHz以下時，電渦流的趨膚效應大大減弱，穿透能力大大加強，由式（325）可知，此時可用來檢測金屬板厚度，故稱之為低頻透射式電渦流傳感器。 透射式渦流傳感器原理 線圈感應電勢與厚度關系曲線測厚的依據(jù): E的大小間接反映了M的厚度t上一頁下一頁返 回發(fā)射線圈接收線圈因為M的厚度可影響到達L2的磁通的大小。t22當選用不同的測試頻率時，滲透

19、深度Q滲的值是不同的，從而使Et曲線的形狀發(fā)生變化。 在t較小的情況下，Q大曲線的斜率大于Q小曲線的斜率；而在t較大的情況下，Q小曲線的斜率大于Q大曲線的斜率。 測量薄板時應選較高的頻率，測量厚材時應選較低的頻率。上一頁下一頁返 回3.4 電感傳感器應用3.4.1 自感式傳感器的應用 3.4.2 差動變壓器的應用3.4.3 電渦流傳感器的應用上一頁返 回下一頁3.4.1 自感式傳感器應用舉例1. 自感式位移傳感器 2. 自感式壓力傳感器上一頁返 回下一頁1. 自感式位移傳感器1 傳感器引線 2 鐵心套筒 3 磁芯 4 電 感 線 圈 5 彈 簧 6 防轉件 7 滾 珠 導 軌 8 測 桿 9

20、密封件 10瑪瑙測端 上一頁返 回下一頁2.自感式壓力傳感器變隙式自感壓力傳感器結構圖變隙差動式電感壓力傳感器上一頁返 回3.4.2 差動變壓器應用 1. 力和力矩的測量2. 微小位移的測量3. 壓力測量4. 加速度傳感器上一頁返 回下一頁1. 力和力矩的測量1線圈2銜鐵3彈性元件優(yōu)點：承受軸受力時應力分布均勻； 當長徑比較小時，受橫向偏心的分力的影響較小。 上一頁返 回下一頁2. 微小位移的測量1測端2防塵罩3軸套4圓片簧5測桿6磁筒7磁芯8線圈9彈簧10導線上一頁返 回下一頁3. 壓力測量 微壓力傳感器 1-接頭；2-膜盒；3-底座；4-線路板；5-差動變壓器線圈；6-銜鐵；7-罩殼；8-插頭；9-通孔傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結合，可以組成開環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計 上一頁返 回下一頁4.