電感式傳感器(第七章)

第七章電感式傳感器

電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置。本章主要介紹自感式傳感器、差動變壓器、渦流傳感器以及感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)、工作原理、測量電路以及它們的應(yīng)用。1概述各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器2概述

電感式傳感器是一種機電轉(zhuǎn)換裝置，在自動控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用。電感式傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測非電量（如位移、壓力、流量、振動）轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。按電感式傳感器結(jié)構(gòu)可分為：自感式、互感式、電渦流式。3第一節(jié)自感式傳感器

先看一個實驗：將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如圖所示。這時毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。

4電感傳感器的基本工作原理氣隙變小，電感變大，電流變小5結(jié)構(gòu):由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成;鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ;傳感器運動部分與銜鐵相連，銜鐵移動時引起磁路的磁阻變化，使電芯線圈的電感值L變化；6線圈中電感量可由下式確定：根據(jù)磁路歐姆定律：式中,Rm為磁路總磁阻。氣隙很小，可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為1、電感傳感器的基本工作原理7電感量計算公式

：下面將分析電感量L與氣隙厚度及氣隙的有效截面積A之間的關(guān)系，并討論有關(guān)線性度的問題。W：線圈匝數(shù)；A：氣隙的有效截面積；

0：真空磁導(dǎo)率；

1：鐵芯磁導(dǎo)率；

：氣隙厚度。

8通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即則可寫為可得9

上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變δ或A0均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積A0的傳感器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。10電感輸出特性L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖所示。圖2變隙式電壓傳感器的L-δ特性11分析：當(dāng)銜鐵處于初始位置時，初始電感量為當(dāng)銜鐵上移Δδ時，傳感器氣隙減小Δδ，即δ=δ0－Δδ，則此時輸出電感為12當(dāng)Δδ/δ0<<1時（泰勒級數(shù)）：可求得電感增量ΔL和相對增量ΔL/L0的表達(dá)式，即13同理，當(dāng)銜鐵隨被測體的初始位置向下移動Δδ時，有對表達(dá)式作線性處理，即忽略高次項后，可得14靈敏度為可見：變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變隙式電感式傳感器適用于測量微小位移的場合。15與銜鐵上移切線斜率變大銜鐵下移切線斜率變小

16與線性度銜鐵上移：銜鐵下移：無論上移或下移，非線性都將增大。17自感式電感傳感器常見的形式

18差動變隙式電感傳感器為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。19差動式原理：差動變隙式由兩個相同的線圈L1、L2和磁路組成。當(dāng)被測量通過導(dǎo)桿使銜鐵上下位移時，兩個回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動形式。20銜鐵上移Δδ：兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別差動傳感器電感的總變化量ΔL=ΔL1+ΔL2,具體表達(dá)式對上式進行線性處理,即忽略高次項得21靈敏度K0為比較單線圈式和差動式：①差動式變間隙電感傳感器靈敏度是單線圈式的兩倍。②差動式的非線性項(忽略高次項)：單線圈的非線性項（忽略高次項)：由于Δδ/δ0<<1，因此差動式的線性度得到明顯改善。22差動式電感傳感器的特性

從曲線圖可以看出，差動式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。

從結(jié)構(gòu)圖可以看出，差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。

23差動電感傳感器的特點

注意：靈敏度、線性度的變化曲線1、2為L1、L2的特性，3為差動特性在變隙式差動電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。1-差動線圈2-鐵心3-銜鐵4-測桿5-工件

24三、測量轉(zhuǎn)換電路測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，以便用儀表指示出來。電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。

25電感式傳感器的等效電路從電路角度看，電感式傳感器的線圈并非是純電感，該電感由有功分量和無功分量兩部分組成。有功分量包括：線圈線繞電阻和渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻，這些都可折合成為有功電阻，其總電阻可用R來表示；無功分量包含：線圈的自感L,繞線間分布電容，為簡便起見可視為集中參數(shù)，用C來表示。26（1）交流電橋式檢測電路

兩個橋臂由相同線圈組成，另外兩個為平衡電阻

交流電橋結(jié)構(gòu)示意圖等效電路27電壓輸出一個是與電源同相的分量，另一個與電源相差90度的正交分量，線圈品質(zhì)因素Q較高時可以消除正交分量，輸出可寫為：電橋輸出電壓U0與氣隙變量Δσ是非線性的，只有當(dāng)Q值很高時近似線性關(guān)系。橋路輸出電壓與橋壓UAC有關(guān)，與初始?xì)庀鼎?有關(guān)。28（2）變壓器式交流電橋檢測電路

電橋的兩臂是傳感器線圈阻抗臂、另外兩個臂是交流變壓器次級線圈各占1∕2，交流供電。

橋路輸出電壓為：29

當(dāng)銜鐵在中間位置Z1=Z2=ZU0=0當(dāng)銜鐵偏移時輸出電壓當(dāng)銜鐵偏向另一方向銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓大小相等方向相反，相差180o，但由于是交流電壓，輸出指示無法判斷位移方向，要判斷銜鐵方向就是判斷信號相位，用相敏檢波。30相敏檢波輸出特性曲線a）非相敏檢波b）相敏檢波1—理想特性曲線2—實際特性曲線

31實測得到的相敏檢波電路的特性曲線

通過調(diào)零電路，可使輸出曲線平移到原點。標(biāo)定位移時的實驗數(shù)據(jù)及曲線32相敏檢波33Ua.c正半周，A點為正,B負(fù)電壓,D1、D4阻斷,D2D3導(dǎo)通.對于變氣隙式電感傳感器，在銜鐵在中間位置時，則有，于是,銜鐵上移：于是,銜鐵下移：于是,34同樣，可以分析得到當(dāng)在輸入電壓的負(fù)半周也存在上述結(jié)論，即：在交流電壓輸入時，銜鐵上移，有UCD<0.銜鐵下移，有UCD>0.35（3）諧振式（調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相）調(diào)幅式電路輸出幅值隨電感L變化（注意非線性）調(diào)頻電路電感L變化時諧振頻率變化

36輸出頻率：37補充：其他測量電路-放大器得放大器輸出：且感抗Z=jωL因此，對于變氣隙式電感傳感器，因考慮一下變面積式的如何連接？38補充：其他測量電路-差動脈寬調(diào)制電路39四、自感式傳感器的應(yīng)用40仿形銑床外形仿形機床采用閉環(huán)工作方式仿形頭主軸41424344電感式不圓度測試系統(tǒng)旁向式電感測微頭45不圓度測量打印4647電感式滾柱直徑分選裝置外形落料振動臺滑道11個分選倉位（參考無錫市通達(dá)滾子有限公司資料）廢料倉48電感式滾柱直徑分選裝置（機械結(jié)構(gòu)放大）汽缸控制鍵盤直徑測微裝置長度測微裝置滑道49第二節(jié)差動變壓器式傳感器（互感式）把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1～100mm機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。50一、變隙式差動變壓器兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個次級繞組的同名端則反相串聯(lián)。差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖51當(dāng)沒有位移時，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙有δa0=δb0=δ0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反相串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。當(dāng)被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb，互感Ma≠Mb，兩

次級繞組的互感電勢e2a≠e2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b≠0，即差動變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測物體位移的大小和方向。..52二、螺線管式差動變壓器53差動變壓器等效電路1、差動變壓器等效電路542、基本特性根據(jù)差動變壓器等效電路。當(dāng)次級開路時式中：U——初級線圈激勵電壓；

ω——激勵電壓U的角頻率；

I1——初級線圈激勵電流；r1、L1——初級線圈直流電阻和電感。..55根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級繞組中感應(yīng)電勢的表達(dá)式分別為由于次級兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級開路，則由以上關(guān)系可得56上式說明，當(dāng)激磁電壓的幅值U和角頻率ω、初級繞組的直流電阻r1及電感L1為定值時，差動變壓器輸出電壓僅僅是初級繞組與兩個次級繞組之間互感之差的函數(shù)。只要求出互感M1和M2對活動銜鐵位移x的關(guān)系式，可得到螺線管式差動變壓器的基本特性表達(dá)式。57兩個次級線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下,當(dāng)初級繞組加以激勵電壓U時,根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個次級繞組W2a和W2b中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2a和E2b。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱,則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時,必然會使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,將有E2a=E2b。由于變壓器兩次級繞組反相串聯(lián),因而Uo=E2a-E2b=0,即差動變壓器輸出電壓為零。58差動變壓器輸出電壓的特性曲線59當(dāng)活動銜鐵向上移動時,由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因為Uo=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b隨著銜鐵位移x變化時，Uo也必將隨x而變化。由圖可以看出，當(dāng)銜鐵位于中心位置時，差動變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作ΔUo，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點，造成實際特性與理論特性不完全一致。60零點殘余電壓產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的。零點殘余電壓的波形十分復(fù)雜，主要由基波和高次諧波組成?；óa(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電勢都不能完全抵消。高次諧波（主要是三次諧波）產(chǎn)生原因：是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。零點殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使用時，應(yīng)設(shè)法減小Ux，否則將會影響傳感器的測量結(jié)果。61為減小零點殘余電壓的影響，一般要用電路進行補償,電路補償?shù)姆椒ㄝ^多,可采用以下方法。串聯(lián)電阻：消除兩次級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：初次級間反饋，減小諧波分量；相敏檢波對零點殘余誤差有很好的抑制作用。這些電路可單個使用也可綜合使用，需要通過實驗證實效果串聯(lián)電阻并聯(lián)電阻623、差動變壓器式傳感器測量電路問題：（1）差動變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向);（2）測量值中將包含零點殘