課件傳感器1電感

3電感式傳感器δ線圈鐵芯銜鐵Δδ電感式傳感器電磁感應(yīng)

被測(cè)非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M電渦流測(cè)量電路U、I、f自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器3.1變磁阻式傳感器（自感式）有變隙式和螺管式兩種結(jié)構(gòu)。變隙式3.1.1工作原理總磁阻線圈匝數(shù)兩式聯(lián)立得:δ線圈鐵芯銜鐵Δδ變磁阻式傳感器I為線圈中所通交流電的有效值?？諝鈱?dǎo)磁率磁導(dǎo)率導(dǎo)磁率H/m而其中如果A保持不變，則L為δ的單值函數(shù)，構(gòu)成變氣隙式自感傳感器若保持δ不變，使A隨被測(cè)量（如位移）變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器，變氣隙式傳感器δ線圈鐵芯銜鐵Δδ變截面式傳感器線圈鐵芯銜鐵銜鐵移動(dòng)方向δδ，ALL=f(A)L=f(δ)電感傳感器特性3.1.2靈敏度及非線性主要特性:靈敏度和線性度。當(dāng)鐵芯和銜鐵采用同一種導(dǎo)磁材料，且截面相同時(shí)，因?yàn)闅庀鼎囊话爿^小，故可認(rèn)為氣隙磁通截面與鐵芯截面相等K=μ0W2A當(dāng)氣隙減少△δ時(shí)自感的相對(duì)變化同理，當(dāng)總氣隙長(zhǎng)度增加Δδ時(shí)，自感減小為ΔL2，即若忽略高次項(xiàng)，則自感變化靈敏度為

自感的相對(duì)變化非線性誤差書P192①當(dāng)氣隙δ發(fā)生變化時(shí)，自感的變化與氣隙變化呈非線性關(guān)系，其非線性程度隨氣隙相對(duì)變化Δδ/δ的增大而增加；②氣隙減少Δδ所引起的自感變化ΔL1與氣隙增加同樣Δδ所引起的自感變化ΔL2并不相等，即ΔL＞ΔL2，其差值隨Δδ/δ的增加而增大。差動(dòng)式自感傳感器

在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。

差動(dòng)氣隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路組成,測(cè)量時(shí),銜鐵通過(guò)導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連,當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí),導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng),使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等,方向相反的變化,導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加,另一個(gè)線圈的電感量減小,形成差動(dòng)形式。差動(dòng)變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成。當(dāng)銜鐵3移動(dòng)時(shí)，一個(gè)線圈的自感增加，另一個(gè)線圈的自感減少，形成差動(dòng)形式。如將這兩個(gè)差動(dòng)線圈分別接入測(cè)量電橋鄰臂，則當(dāng)磁路總氣隙改變?chǔ)う臅r(shí)，自感相對(duì)變化為差動(dòng)式與單線圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)：①線性好；②靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號(hào)大一倍；③溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減?。虎茈姶盼?duì)測(cè)力變化的影響也由于能相互抵消而減小。單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖二

螺管式

有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時(shí)，因鐵芯在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)?？招穆莨茈姼?p193)加入半徑ra的銜鐵后，電感的變化量為即電感變化量與銜鐵插入長(zhǎng)度成正比為了提高靈敏度與線性度,常采用差動(dòng)螺管式自感傳感器。差動(dòng)螺管式自感傳感器的測(cè)量范圍為(5～50)mm,非線性誤差在0.5％左右。三種類型比較：

氣隙型自感傳感器靈敏度高，它的主要缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重，為了限制線性誤差，示值范圍只能較??；它的自由行程小，因?yàn)殂曡F在運(yùn)動(dòng)方向上受鐵心限制，制造裝配困難。

截面型自感傳感器靈敏度較低，截面型的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的線性，因而示值范圍可取大些。

螺管型自感傳感器的靈敏度比截面型的更低，但示值范圍大，線性也較好，得到廣泛應(yīng)用。是變氣隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動(dòng)式自感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)銜鐵3移動(dòng)時(shí)，一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減少，形成差動(dòng)形式。差動(dòng)式自感傳感器1-線圈2-鐵芯3-銜鐵4-導(dǎo)桿（a）變氣隙型432131412344（b）變面積型（c）螺管型3.1.3等效電路實(shí)際傳感器中，線圈不可能是純電感，它包括線圈的銅損電阻RC

；鐵芯的渦流損耗電阻Re

；由于線圈和測(cè)量設(shè)備電纜的接入，存在線圈固有電容和電纜的分布電容，用集中參數(shù)C表示。

圖6-99等效電路CLRcRe傳感器中可進(jìn)一步等效為

不考慮并聯(lián)寄生電容，電感線圈的耗散因素為電感線圈的品質(zhì)因素為Z1Z2R3R4UABCD3.1.4轉(zhuǎn)換電路

1、電阻平衡交流電橋交流電橋是自感傳感器的主要測(cè)量電路。當(dāng)AC間的電壓Vac，AD間的電壓Vad，不僅振幅相等且相位也相同時(shí)，CD間的電壓為零。L0+△δ-△δ△L2△L1△L1△L2Uscδ0-L1=f(δ)L2=f(δ)L1=f(δ)為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。P503-162、變壓器電橋平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊，當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，流入工作臂的電流為

初始Z1=Z2=Z=RS+jωL，故平衡時(shí)，USC=0。雙臂工作時(shí)，設(shè)Z1=Z–ΔZ，Z2=Z+ΔZ，相當(dāng)于差動(dòng)式自感傳感器的銜鐵向一側(cè)移動(dòng)，則同理反方向移動(dòng)時(shí)優(yōu)點(diǎn)：這種電橋與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出阻抗小，橋路開(kāi)路時(shí)電路呈線性；缺點(diǎn)：變壓器副邊不接地，易引起來(lái)自原邊的靜電感應(yīng)電壓，使高增益放大器不能工作。可見(jiàn)，銜鐵向不同方向移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓U0大小相等、方向相反，即相位互差180o，可反映銜鐵移動(dòng)的方向。但是，為了判別交流信號(hào)的相位，需接入專門的相敏檢波電路。參見(jiàn)書P1963.帶相敏檢波的交流電橋參見(jiàn)書P196

L1和L2為電感傳感器的兩個(gè)線圈，構(gòu)成橋路相鄰兩橋臂，另兩個(gè)橋臂是C1、C2。4只二極管和4只電阻R1~R4（減小溫度誤差）組成相敏整流器。1.若L1>L2，不論電源極性是a點(diǎn)為正b點(diǎn)為負(fù)（D1，D4導(dǎo)通）；或a點(diǎn)為負(fù)b點(diǎn)為正（D2，D3導(dǎo)通），d點(diǎn)電位總是高于c點(diǎn)電位，M的指針向一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)。2.若L1<L2，d點(diǎn)電位總是低于c點(diǎn)電位，M的指針向另一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)。3.2變壓器式變壓器3.2.1工作原理分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。1、互感式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

分氣隙型和螺管型兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。1初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵1243(a)氣隙型123(b)螺管型43.2.2等效電路及其特性LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP～～～差動(dòng)變壓器的等效電路LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP～～～差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響）時(shí)的等效電路：M1、M2——初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組間的互感；LP、RP——初級(jí)繞組的電感和有效電阻；LS1、LS2——兩個(gè)次級(jí)繞組的電感；RS1、RS2——兩個(gè)次級(jí)繞組的有效電阻；當(dāng)銜鐵移向次級(jí)繞組LS1一邊，互感M1增大，M2減小，因而次級(jí)繞組LS1內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于次級(jí)繞組LS2內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)就越大。當(dāng)銜鐵移向次級(jí)繞組LS2一邊，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)仍不為零，但由于移動(dòng)方向改變，所以輸出電動(dòng)勢(shì)反相。因此通過(guò)差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。當(dāng)次級(jí)開(kāi)路時(shí)，初級(jí)繞組的交流電流為：次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：由于次級(jí)繞組反向串接，故差動(dòng)變壓器輸出電壓為①鐵芯處于中間位置時(shí)，1=

2=，②鐵芯上升時(shí)，1=

+Δ，2=

-ΔP553-28Ｕ０e21e22差動(dòng)變壓器輸出電勢(shì)Ｕ０與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。0xＵ０圖6-109差動(dòng)變壓器輸出特性二、

工作特性1、線性和靈敏度2、激勵(lì)頻率激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢(shì)。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。頻率太低，靈敏度相位非線性；頻率過(guò)高，鐵損增加，耦合電容的影響增強(qiáng)，一般不高于8KHz.3、溫度特性周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。

4、零點(diǎn)殘余電壓

當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作等。0e1xe201．從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性為保證線圈和磁路的對(duì)稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對(duì)，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過(guò)熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。

消除零點(diǎn)殘余電壓方法：采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。U0+x-x210相敏檢波后的輸出特性2．選用合適的測(cè)量線路3.2.3差分變壓器式傳感器的測(cè)量電路差動(dòng)變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向，因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量。容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中比較電壓Ｕ２和Ｕ１同頻，經(jīng)過(guò)移相器使Ｕ２和Ｕ１保持同相或反相，且滿足Ｕ２＞＞Ｕ１。1．二極管相敏檢波電路(p213)D2u1u2RRLRD3D1D4RRT1T2e1e2u1u2RRLRD3D2D1D4RRT1T2當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)，位移x（t）=0，傳感器輸出電壓Ｕ１=0,只有Ｕ２起作用。i4u1u2-R+RLRD3D2D1D4RRT1T2i3+-正半周時(shí)因?yàn)槭菑闹行某轭^，所以u(píng)1=u２，故i３=i４。流經(jīng)RL的電流為

i０=i４－i３=０負(fù)半周時(shí)同理可知i１=i２，所以流經(jīng)RL的電流為

i０=i１－i２=０i1u1u2+R-RLRD3D2D1D4RRT1T2i2-+正半周時(shí)故i４＞i３，流經(jīng)RL的電流為

i０=i４－i３＞０當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，位移x（t）>0，Ｕ１與Ｕ２同頻同相。D2i4u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2i3+-e1e2-+-+D2負(fù)半周時(shí)故i１＞i２，流經(jīng)RL的電流為

i０=i１－i２＞０i1u1u2+R-RLRD3D1D4RRT1T2i2-+e1e2+-+-Ｕ２正半周Ｕ１負(fù)半周故i４＜i３。流經(jīng)RL的電流為

i０=i４－i３＜０當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)，位移x（t）＜0，Ｕ１與Ｕ２同頻反相。D2i4u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2i3+-e1e2+-+-同理:在Ｕ２負(fù)半周Ｕ１正半周時(shí)：i１＜i２。流經(jīng)RL的電流為

i０=i１－i２＜０．表示i0的方向也與規(guī)定的正方向相反。-+D2i1u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2i2-e1e2++-結(jié)論：１．銜鐵在中間位置時(shí)，無(wú)論參考電壓是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載RL上的輸出電壓始終為0．２．銜鐵在零位以上移動(dòng)時(shí)，無(wú)論參考電壓是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載RL上得到的輸出電壓始終為正。３．銜鐵在零位以下移動(dòng)時(shí)，無(wú)論參考電壓是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載RL上得到的輸出電壓始終為負(fù)。由此可見(jiàn)，該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向。tU10U2t0ti10ti20ti40ti00二