傳感器與檢測(cè)技術(shù)52力敏傳感器課件

第二節(jié)

電感式傳感器（變磁阻）自感式傳感器氣隙型自感傳感器螺管型自感傳感器自感線圈的等效電路測(cè)量電路差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)原理與等效電路誤差因素分析測(cè)量電路電渦流式傳感器定義：是一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置。感測(cè)量：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型、面積型和螺管型。優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量力小銜鐵為0.5～200×10-5N時(shí)，磁吸力為(1~10)×10-5N。②分辨力高機(jī)械位移：0.1μm，甚至更??；角位移：0.1角秒。輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm。③重復(fù)性好，線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。不足：存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。

一、自感式傳感器

有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu)。（一）氣隙型自感傳感器1、工作原理組成：線圈1，銜鐵3和鐵芯2等。圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長(zhǎng)度為lδ

。0.5lδ123x(a)氣隙式(b)變截面式由于自感傳感器的鐵芯一般在非飽和狀態(tài)下，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，所以上式可簡(jiǎn)化為可見，自感L是氣隙截面積和長(zhǎng)度的函數(shù)，即L＝f(S,lδ)如果S保持不變，則L為lδ的單值函數(shù)，構(gòu)成變隙式自感傳感器；若保持lδ不變，使S隨位移變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器。其特性曲線如圖。L=f（S）L=f（lδ）lδLSL=f(lδ)為非線性關(guān)系。當(dāng)lδ＝0時(shí)，L為∞，考慮導(dǎo)磁體的磁阻，當(dāng)lδ＝0時(shí)，并不等于∞，而具有一定的數(shù)值，在lδ較小時(shí)其特性曲線如圖中虛線所示。如上下移動(dòng)銜鐵使面積S改變，從而改變L值時(shí),則L＝f(S)的特性曲線為一直線。2、特性分析主要特性: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)闅庀秎δ一般較小，故可認(rèn)為氣隙磁通截面與鐵芯截面相等，設(shè)磁路總長(zhǎng)為l，則K=μ0N2S一般μr>>1，所以當(dāng)氣隙減少△lδ時(shí)自感的相對(duì)變化同理，當(dāng)總氣隙長(zhǎng)度增加Δlδ時(shí)，自感減小為ΔL2，即差動(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EUSC1342ⅠⅡRR(l-Δlδ)/2(l-Δlδ)/2分別接入測(cè)量電橋鄰臂，則當(dāng)磁路總氣隙改變?chǔ)δ時(shí)，自感相對(duì)變化為①差動(dòng)式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍②差動(dòng)式自感傳感器非線性失真小,如當(dāng)Δlδ/lδ=10％時(shí)(略去l／lδ·μr),單線圈δ＜10％；而差動(dòng)式的δ＜1％。75502505075100L/mHlδ/mm10025LD4321ⅠⅡ1234-ΔlδΔlδ對(duì)差動(dòng)氣隙式傳感器其Δlδ/lδ與l/(lδμr)的變化受到靈敏度和非線性失真相互矛盾的制約,因此只能適當(dāng)選取。一般差動(dòng)變隙式自感傳感器Δlδ/lδ＝0.1～0.2時(shí)，可使傳感器非線性誤差在3％左右。其工作行程很小,若取lδ＝2mm,則行程為(0.2—0.5)mm；較大行程的位移測(cè)量,常利用螺管式自感傳感器1線圈Ⅰ自感特性；2線圈Ⅱ自感特性；3線圈Ⅰ與Ⅱ差動(dòng)自感特性；4特性曲線差動(dòng)式自感傳感器的輸出特性rx螺旋管鐵心單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖l（二）

螺管型自感傳感器有單線圈和差動(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)。若被測(cè)量與Δlc成正比，則ΔL與被測(cè)量也成正比。實(shí)際上由于磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻，輸入量與輸出量之間關(guān)系非線性的。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。圖(b)中H=f(x)曲線表明：為了得到較好的線性,鐵芯長(zhǎng)度取0.6l時(shí),則鐵芯工作在H曲線的拐彎處,此時(shí)H變化小。這種差動(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。

2lcΔlc2l線圈Ⅱ線圈Ⅰr0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（）INl差動(dòng)螺旋管式自感傳感器(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)磁場(chǎng)分布曲線x(l)(a)(b)綜上所述，螺管式自感傳感器的特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易；②由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大；③由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾；④由于磁阻高，為了達(dá)到某一自感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大；⑤要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性。

（三）自感線圈的等效電路假設(shè)自感線圈為一理想純電感，但實(shí)際傳感器中包括：線圈的銅損電阻（Rc）、鐵芯的渦流損耗電阻（Re）和線圈的寄生電容（C）。因此，自感傳感器的等效電路如圖。

CLRcRe其輸出電壓幅值

當(dāng)ZL→∞時(shí)輸出阻抗為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。①橋路輸出電壓Usc包含與電源E同相和正交兩個(gè)分量。在實(shí)際測(cè)量中，只希望有同相分量，如能使或Q值比較大，均能達(dá)到此目的。但在實(shí)際工作時(shí)，△RS/RS一般很小，所以要求線圈有高的品質(zhì)因數(shù)。當(dāng)Q值很高時(shí)，Usc＝；

②當(dāng)Q值很低時(shí)，自感線圈的電感遠(yuǎn)小于電阻，電感線圈相當(dāng)于純電阻(ΔZ＝Rs)，交流電橋即為電阻電橋。例如，應(yīng)變測(cè)量?jī)x就是如此，此時(shí)輸出電壓Usc=。

該電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其電阻R1、R2可用兩個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成，調(diào)零方便。

Z1Z2USCE/2E/2E變壓器電橋原理圖I2、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)二、差動(dòng)變壓器（一）結(jié)構(gòu)原理與等效電路分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。1初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵1243123(a)氣隙型(b)螺管型其基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。321212112(a)(b)(c)(d)12112差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式1初級(jí)線圈；2次級(jí)線圈；3銜鐵3三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖。初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為～～～e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1

e1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓L1,R1初級(jí)線圈電感和電阻M1,M1分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1,2間的互感L21,L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感R21,R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻I1ω—激勵(lì)電壓的角頻率；

e1—激勵(lì)電壓的復(fù)數(shù)值；由于Il的存在，在次級(jí)線圈中產(chǎn)生磁通Rm1及Rm2分別為磁通通過初級(jí)線圈及兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻，N1為初級(jí)線圈匝數(shù)。副Ⅰ0e2e2e21e22x副Ⅱ原線圈差動(dòng)變壓器輸出電勢(shì)e2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。

（二）

誤差因素分析1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響激勵(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。2、溫度變化的影響周圍環(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。

零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：①基波分量。由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。

②高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì)。另外，激勵(lì)電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。

消除零點(diǎn)殘余電壓方法：1．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。2．選用合適的測(cè)量線路

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。e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性3．采用補(bǔ)償線路①由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。

～e1e2CR～e1e2CR(a)(b)調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路②并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02μF)可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。～e1e2CR1R2W電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路R或L補(bǔ)償電路～e1e2L0W～e1e2R0W(a)(b)③接入R0(幾百kΩ)或補(bǔ)償線圈L0(幾百匝)。繞在差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈上以減小負(fù)載電壓，避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘余電壓。電路如圖。

（三）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。1、差動(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性，在f點(diǎn)為“＋”，e點(diǎn)為“–”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點(diǎn)為“–”，e點(diǎn)為“＋”，則電流路徑是ehdcgf。可見，無論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，通過電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個(gè)次級(jí)線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見圖（b），其值為USC=eab＋ecd。

全波整流電路和波形圖～e1RRcabhgfdeUSC銜鐵在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd銜鐵在零位以上銜鐵在零位(b)(a)在f點(diǎn)為“＋”，則電流路徑是fgdche(參看圖a)。反之，如f點(diǎn)為“–”，則電流路徑是ehdcgf。2、相敏檢波電路容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調(diào)制電壓er和e同頻，經(jīng)過移相器使er和e保持同相或反相，且滿足er>>e。調(diào)節(jié)電位器R可調(diào)平衡，圖中電阻R1=R2=R0，電容C1=C2=C0，輸出電壓為UCD。當(dāng)鐵芯在中間時(shí),e=0,只有er起作用，輸出電壓UCD＝0。若鐵芯上移，e≠0，設(shè)e和er同相位，由于er>>e，故er正半周時(shí)D1、D2仍導(dǎo)通，但D1回路內(nèi)總電勢(shì)為er＋e，而D2回路內(nèi)總電勢(shì)為er－e，故回路電流i1＞i2輸出電壓UCD=R0（i1–i2）>0。當(dāng)er負(fù)半周時(shí)，Ri1～e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4eUCD=R0(i4-i3)>0，因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓UCD>0。當(dāng)鐵芯下移時(shí)，e和er相位相反。同理可得UCD<0。由此可見，該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向。

（四）應(yīng)用測(cè)量振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。1.差動(dòng)變壓器式加速度傳感器用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上，才能得到精確的測(cè)量結(jié)果。可測(cè)量的振幅為(0.1～5)mm，振動(dòng)頻率為(0～150)Hz。

穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)(a)～220V加速度a方向a輸出1211彈性支承2差動(dòng)變壓器2.微壓力變送器將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式的壓力傳感器。～220V1接頭2膜盒3底座4線路板5差動(dòng)變壓器6銜鐵7罩殼V振蕩器穩(wěn)壓電源差動(dòng)變壓器相敏檢波電路1234567這種變送器可分檔測(cè)量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號(hào)電壓為(0～50)mV，精度為1.5級(jí)。

三、電渦流