電感式傳感器課件

1、第三章 電感式傳感器 電感式傳感器是利用被測(cè)量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。因此根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。閉磁路型電感式傳感器自感型渦流式互感型開磁路型差動(dòng)變壓器3.1 自感式傳感器 本章內(nèi)容： 3.2 互感式傳感器 3.3 電渦流式傳感器（互感類） 3.5 感應(yīng)同步器（互感類） 3.4 壓磁式傳感器（自感類） 直線式感應(yīng)同步器電感式傳感器與其它種傳感器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，測(cè)量力小（銜鐵重力為（0.5200）10-4 N時(shí)，電磁吸力為（110）10-4 N）。（2）分辨力高，能測(cè)量0.

2、1m甚至更小的機(jī)械位移，能感受0.1秒的微小角位移；傳感器輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度一般1mm可達(dá)數(shù)百mV，因此，有利于信號(hào)的傳輸和放大。（3）重復(fù)性好，線性度優(yōu)良。在一定位移范圍（最小幾十m，最大可達(dá)數(shù)十至數(shù)百mm）內(nèi)；輸出線性可達(dá)0.1%，且比較穩(wěn)定。電感式傳感器的主要缺點(diǎn)是：(1) 頻率響應(yīng)較低，不宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。(2)分辨率與測(cè)量范圍有關(guān)。測(cè)量范圍小，分辨率高；測(cè)量范圍大，則分辨率低。 3.1自感式傳感器3.1.1自感式傳感器工作原理1線圈自感線圈匝數(shù)磁路總磁阻對(duì)于變隙式傳感器, 因?yàn)闅庀逗苄? 所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損, 則磁路總磁阻為 式中: 各段導(dǎo)磁體 的長(zhǎng)度

3、; i各段導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率; Si鐵芯材料的截面積; 氣隙的厚度 0空氣的導(dǎo)磁率; S空氣隙的截面積;可得鐵心的結(jié)構(gòu)和材料確定后，上式分母第一項(xiàng)為常數(shù)，此時(shí)，自感是氣隙厚度和氣隙截面積的函數(shù)。自感傳感器分為三種類型：變間隙式、變面積式和螺管式。 （螺管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵插入深度不同而變化的基礎(chǔ)上）2022/9/258自感式電感傳感器常見的形式銜鐵位移引起的電感變化為：初始?xì)庀?處的初始電感量為L(zhǎng)0 3.1.2 輸出特性當(dāng)/01時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開銜鐵下移時(shí) 銜鐵上移時(shí) 3.1.2 輸出特性對(duì)上式作線性處理忽略高次項(xiàng)時(shí)討論： 傳感器測(cè)量范圍與靈敏度和線性度相矛盾； 變間隙式電感傳感器

4、用于小位移比較精確；一般/0= 0.1-0.2； 為減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中多采用差動(dòng)式。 定義靈敏度 3.1.2 輸出特性差動(dòng)變隙式由兩個(gè)相同的線圈和磁路組成。當(dāng)被測(cè)量通過(guò)導(dǎo)桿使銜鐵左右位移時(shí)，兩個(gè)回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動(dòng)形式。3.1.2 輸出特性對(duì)上式進(jìn)行線性處理并忽略高次項(xiàng)：則差動(dòng)式靈敏度為： 電感的變化為：3.1.2 輸出特性討論： 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(/0)因子； 不存在偶次項(xiàng)，因/01，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 的影響。3.1.2 輸出特性討論： 比較單線圈，差動(dòng)式的靈敏

5、度提高了一倍； 差動(dòng)式非線性項(xiàng)比單線圈多乘了(/0)因子； 不存在偶次項(xiàng)，因/00，不論u2與us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的電壓uo始終為正。 當(dāng)x0時(shí)：u2與us為同頻反相。不論u2與us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓uo表達(dá)式總是為 3.2 互感式傳感器(a)被測(cè)位移變化波形圖 (b)差動(dòng)變壓器激勵(lì)電壓波形 (c)差動(dòng)變壓器輸出電壓波形 (d)相敏檢波解調(diào)電壓波形 (e)相敏檢波輸出電壓波形(a)(e)(d)(c)(b)圖3-17 波形圖 由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組電氣系數(shù) （M互感 L電感 R內(nèi)阻）不同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同。實(shí)際的特性曲線，在零點(diǎn)

6、上總有一個(gè)最小的輸出電壓，這個(gè)鐵芯處于中間位置時(shí)最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。 3.2.3 零點(diǎn)殘余電壓 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,電路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄝ^多,可采用以下方法。 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； 加反饋支路：初次級(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。串 聯(lián) 電 阻并 聯(lián) 電 阻3.2.3 零點(diǎn)殘余電壓3.2.4補(bǔ)償零殘電壓的電路（1）壓差計(jì) 當(dāng)壓差變化時(shí)，腔內(nèi) 膜片位移使差動(dòng)變壓器次 級(jí)電壓發(fā)生變化，輸出與 位移成正比，與壓差成正 比。 3.2.5 應(yīng)用舉例 差動(dòng)變壓器

7、式傳感器可直接用于位移測(cè)量，也可以用來(lái)測(cè)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。（2）液位測(cè)量沉筒式液位計(jì)將水位變化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)換為電感的變化，差動(dòng)變壓器的輸出反映液位高低。3.2.5 應(yīng)用舉例（3）微壓傳感器 3.2.5 應(yīng)用舉例2022/9/25562022/9/25572022/9/25582022/9/25592022/9/25602022/9/25612022/9/25622022/9/25633.3 電渦流式傳感器 基本概念電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。渦流效應(yīng)：金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，在金屬導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流渦電流，這種電流在金屬體內(nèi)是

8、閉合的。形成渦電流的兩個(gè)條件： 有交變磁場(chǎng)；導(dǎo)電體位于交變磁場(chǎng)中。渦流傳感器主要由產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的通電線圈和置于線圈附近的金屬導(dǎo)體（可以是被測(cè)物）兩部分組成。電渦流傳感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量范圍大、抗干憂能力強(qiáng)，特別是有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。DO-2型電渦流傳感器DO-2型電渦流傳感器由DO型前置放大器和電渦流探頭組合構(gòu)成。電渦流傳感器實(shí)物圖片3.3.1 工作原理定性分析： 如圖3-17，扁平線圈置于金屬體附近，當(dāng)線圈中通有高頻交變電流 I1 時(shí)，線圈周圍就產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1。置于這一磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流 I2，電渦流也將產(chǎn)生

9、一個(gè)新磁場(chǎng)H2，H2的方向總是與H1的變化方向相反（即H2總是抵抗原磁場(chǎng)H1 的變化）。由于H2的作用，且電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈阻抗發(fā)生變化Z。圖3.17 電渦流傳感器原理圖 如果保持上式中其它參數(shù)不變，只改變其中某個(gè)參數(shù)，傳感器線圈阻抗就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過(guò)與傳感器配用的轉(zhuǎn)換電路測(cè)出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量，從而構(gòu)成測(cè)量該參數(shù)的傳感器。Z=F (，r，f，x) 因此可制成位移傳感器、探傷檢測(cè)儀、測(cè)厚儀等。 一般來(lái)講，引起線圈阻抗Z變化的因素有：導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、幾何形狀及線圈的幾何參數(shù)r ，激勵(lì)電流頻率f，以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離

10、x有關(guān)。3.3.2 簡(jiǎn)化模型及等效電路 為了分析方便，將電渦流式傳感器模型簡(jiǎn)化為如圖3.18所示。 模型中把在被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)中的電流。其中h由以下公式求得： 圖3-19 渦流作用原理及等效電路 圖中R1、L1為傳感器線圈的電阻和電感。短路環(huán)可認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L(zhǎng)2。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感系數(shù)M，它隨線圈與導(dǎo)體間距x 的減小而增大。 根據(jù)等效電路可列出電路方程組： 通過(guò)解方程組，可得I1、I2。 因此傳感器線圈受到金屬導(dǎo)體（渦流）影響后的復(fù)阻抗為： 高頻線圈的等效電阻為： 其中： 為反射電阻-渦流回路 電阻折算至高頻線圈。高頻線圈的等效電感為：

11、 其中： 為反射電感-渦流回路 電感折算至高頻線圈。由以上分析可以看出： 等效阻抗中的電阻Req總比原高頻線圈的電阻R1要大。 這是由于渦流損耗、磁滯損耗都將阻抗的實(shí)部增加。 等效電感Leq與磁效應(yīng)有關(guān)。 因?yàn)楦哳l線圈電感L1與金屬導(dǎo)體的磁性質(zhì)有關(guān)：當(dāng)金屬為磁性材料， L1將增大；非磁性材料，則不會(huì)影響L1。 此外，等效電感中第二項(xiàng)與渦流效應(yīng)有關(guān)：渦流引起的磁場(chǎng)H2將使等效電感減少，且x越小，電感減少的程度就越大。 等效電阻和等效電感，也常用線圈的品質(zhì)因數(shù)Q來(lái)描述，定義為：可以證明：線圈品質(zhì)因素的相對(duì)值(Q2/Q1)是互感系數(shù)M平方的函數(shù)。 其中Q2、Q1分別為有渦流影響和無(wú)渦流影響時(shí)的品質(zhì)因

12、數(shù)。3.3.3 轉(zhuǎn)換電路 由電渦流傳感器的工作原理可知，被測(cè)量變化可以轉(zhuǎn)換成傳感器線圈的參數(shù)如品質(zhì)因數(shù)Q、等效阻抗Z和等效電感L的變化。轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，相應(yīng)地有三種轉(zhuǎn)換電路：Q值轉(zhuǎn)換電路，阻抗轉(zhuǎn)換電路，電感轉(zhuǎn)換電路。 Q值轉(zhuǎn)換電路使用較少。阻抗轉(zhuǎn)換電路一般用電橋法。 電感轉(zhuǎn)換電路一般用諧振法，也稱電感變換器。通常是將線圈的電感L與固定電容C并聯(lián)組成諧振回路。有調(diào)頻法和調(diào)幅法之分。變頻調(diào)幅式 輸出特性（1）調(diào)幅法 其原理如圖3.21所示。L為傳感器線圈電感；C 為諧振電容；石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)壓穩(wěn)頻的高頻激勵(lì)電壓。圖3.21 調(diào)幅法電路原理圖（2）調(diào)頻法 如圖3.22

13、為一種具體調(diào)頻電路。傳感器線圈L接在LC振蕩器中作為電感使用。R1是偏置電阻，C1完成正反饋。當(dāng)傳感器線圈與金屬導(dǎo)體距離改變，則電感發(fā)生變化，改變了振蕩器的頻率，因而影響R2的輸出。圖3.22 調(diào)頻法電路原理圖 電渦流傳感器的設(shè)計(jì) 探頭的設(shè)計(jì) 1線圈1 2線圈2 3框架 4支架 5電纜 6插頭 低頻透射式渦流厚度傳感器渦流傳感器應(yīng)用實(shí)例高頻反射式渦流厚度傳感器在帶材的上、下兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)置了兩個(gè)特性完全相同的渦流傳感器S1、S2 。 S1、 S2與被測(cè)帶材表面之間的距離分別為x1和x2。 x1和x2由渦流傳感器 測(cè)出，經(jīng)調(diào)理電路變?yōu)閷?duì)應(yīng)的電壓值，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器，變?yōu)閿?shù)字量，送入單片機(jī)。單片機(jī)分

14、別算出x1和x2值，然后由公式d=D(x1+ x2)計(jì)算出板厚。D值由鍵盤設(shè)定。板厚值送顯示器顯示。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽, 在距輸入表面d0 處設(shè)置電渦流傳感器, 輸入軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，電渦流傳感器便周期地輸出電信號(hào)，此電壓脈沖信號(hào)經(jīng)放大、整形，用頻率計(jì)測(cè)出頻率，由公式計(jì)算出軸的轉(zhuǎn)速。3.4 壓磁式傳感器 3.4.1 工作原理 某些鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械壓力的作用下，產(chǎn)生應(yīng)力。在作用力方向磁導(dǎo)率減小，而在作用力垂直方向磁導(dǎo)率略有增大；作用力取消后，磁導(dǎo)率復(fù)原。鐵磁材料的壓磁效應(yīng)還與外磁場(chǎng)有關(guān)。受力作用導(dǎo)致磁導(dǎo)率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱壓磁效應(yīng)。為了使磁

15、感應(yīng)強(qiáng)度與應(yīng)力之間有單值的函數(shù)關(guān)系，必須使外磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)值一定。 壓磁式(又稱磁彈式)傳感器是一種力電轉(zhuǎn)換傳感器。其基本原理是利用某些鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。 將單位應(yīng)力引起磁導(dǎo)率的相對(duì)變化，定義為壓磁應(yīng)力靈敏度：3.4.2 工作方式圖3.23 壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式之一 圖3.23所示為其原理結(jié)構(gòu)圖。圖(a)、(b)為測(cè)量壓力P的傳感器，輸出L有如下關(guān)系： 圖(d)、(e)的結(jié)構(gòu)與互感式傳感器器相似，輸出E2與各參數(shù)關(guān)系如下： 激勵(lì)電壓 系數(shù) 有單向壓磁效應(yīng)、雙向壓磁效應(yīng)和維捷曼效應(yīng)之分。 1）單向壓磁效應(yīng)2雙向壓磁效應(yīng) 圖3.24（a）為典型的壓磁式力傳感器。壓磁材料的中部開有四個(gè)對(duì)稱的小孔，沿

16、對(duì)角線方向各繞兩個(gè)繞組，這兩個(gè)繞組在空間相互垂直。 W1為一次繞組，用交流電供電；W2為二次繞組作為敏感繞組。 當(dāng)一次繞組通以交流電流時(shí)，鐵心中就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。在無(wú)外力作用下，A、B、C、D四個(gè)區(qū)域的磁導(dǎo)率是相同的。這時(shí)合成磁場(chǎng)強(qiáng)度H平行與輸出繞組的平面，磁力線不與敏感繞組交鏈，不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖b所示。 在壓力F作用下，如圖c或d。一次繞組磁力線重新分布，合成磁場(chǎng)H不再與W2 平面平行，部分磁力線與W2 交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。F值越大，與W2 交鏈的磁通越多，輸出值越大。圖3.24 壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式之二 壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)3.5 感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器可用來(lái)測(cè)量直線位移（長(zhǎng)感應(yīng)同步器/直線式感應(yīng)同步器）或轉(zhuǎn)角位移（圓感應(yīng)同步器/旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器）。結(jié)構(gòu)及組成 a、組成： 長(zhǎng)感應(yīng)同步器：由定尺和滑尺組成，圖3.28 。 圓感應(yīng)同步器：由轉(zhuǎn)子和定子組成，附圖3.28。 兩者制造工藝相同-在金屬（或玻璃）基板上，粘上銅箔，然后腐蝕成圖示平面繞組。用此工藝制成的“繞組”，習(xí)慣稱印制電路繞組。圖3.28 長(zhǎng)感應(yīng)同步