電感式傳感器

電感式傳感器第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章工作原理

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，磁路中空氣隙總長度為lδ

。自感傳感器原理圖a氣隙型b截面型c螺管型第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月N：線圈匝數(shù)；Rm：磁路總磁阻(鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻)氣隙式自感傳感器，因?yàn)闅庀遁^小(lδ為0.1～1mm)，所以，認(rèn)為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為

li：各段導(dǎo)磁體的長度；Si：各段導(dǎo)磁體的截面積；μi：各段導(dǎo)磁體的的磁導(dǎo)率；δ：空氣隙的厚度S：空氣隙截面積；μ0：真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H／m；由磁路基本知識(shí)知，線圈自感為第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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，所以上式可簡化為可見，自感L是氣隙截面積和長度的函數(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。第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)電感計(jì)算及特性分析一、自感傳感器主要特性: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)磁路總長為l，則

K=μ0N2S一般μr>>1，所以當(dāng)氣隙減少△lδ時(shí)第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月自感的相對變化同理，當(dāng)總氣隙長度增加Δlδ時(shí)，自感減小為ΔL2，即第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月若忽略高次項(xiàng)，則自感變化靈敏度為線性度lδLΔL1ΔL2

L0lδ0①當(dāng)氣隙lδ發(fā)生變化時(shí)，自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系，其非線性程度隨氣隙相對變化Δlδ/lδ的增大而增加；②氣隙減少Δlδ所引起的自感變化ΔL1與氣隙增加同樣Δlδ所引起的自感變化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值隨Δlδ/lδ的增加而增大。第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月差動(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分別接入測量電橋鄰臂，則當(dāng)磁路總氣隙改變?chǔ)δ時(shí)，自感相對變化為第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月rx螺旋管鐵心單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖l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)。第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月螺管線圈內(nèi)磁場分布曲線rxl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H（）INlx（l）鐵芯在開始插入（x=0）或幾乎離開線圈時(shí)的靈敏度，比鐵芯插入線圈的1/2長度時(shí)的靈敏度小得多。這說明只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月若被測量與Δlc成正比，則ΔL與被測量也成正比。實(shí)際上由于磁場強(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)磁場分布曲線x(l)(a)(b)第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月綜上所述，螺管式自感傳感器的特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡單，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。

第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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初級線圈;2.3次級線圈;4銜鐵1243123(a)氣隙型(b)螺管型其基本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。初級線圈作為差動(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。第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月321212112(a)(b)(c)(d)12112差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式1初級線圈；2次級線圈；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。第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月在理想情況下(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。初級線圈的復(fù)數(shù)電流值為～～～e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1

e1初級線圈激勵(lì)電壓L1,R1初級線圈電感和電阻M1,M1分別為初級與次級線圈1,2間的互感L21,L22兩個(gè)次級線圈的電感R21,R22兩個(gè)次級線圈的電阻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，在次級線圈中產(chǎn)生磁通Rm1及Rm2分別為磁通通過初級線圈及兩個(gè)次級線圈的磁阻，N1為初級線圈匝數(shù)。第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月N2為次級線圈匝數(shù)。因此空載輸出電壓在次級線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為其幅數(shù)輸出阻抗或第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月副Ⅰ0e2e2e21e22x副Ⅱ原線圈差動(dòng)變壓器輸出電勢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。

第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)轉(zhuǎn)換電路和傳感器靈敏度假設(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第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1、交流電橋交流電橋是自感傳感器的主要測量電路，為了提高靈敏度，改善線性度，自感線圈一般接成差動(dòng)形式，如圖。Z1、Z2為工作臂，即線圈阻抗，R1、R2為電橋的平衡臂

電橋平衡條件：設(shè)Z1=Z2=Z=RS+jωL；R1=R2=R

RS1=RS2=RS；L1=L2=LE為橋路電源，ZL是負(fù)載阻抗。工作時(shí)，Z1=Z+ΔZ和Z2=Z-ΔZZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流電橋原理圖USCE第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月其輸出電壓幅值

當(dāng)ZL→∞時(shí)輸出阻抗為自感線圈的品質(zhì)因數(shù)。第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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)變測量儀就是如此，此時(shí)輸出電壓Usc=。

該電橋結(jié)構(gòu)簡單，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。

第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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)第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月可見，銜鐵向不同方向移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓Usc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，為了判別交流信號的相位，需接入專門的相敏檢波電路。

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，橋路開路時(shí)電路呈線性；缺點(diǎn)：變壓器副邊不接地，易引起來自原邊的靜電感應(yīng)電壓，使高增益放大器不能工作。

變壓器電橋的輸出電壓幅值輸出阻抗為(略去變壓器副邊的阻杭，它遠(yuǎn)小于電感的阻抗)第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3.調(diào)頻電路

調(diào)頻測量電路是把傳感器線圈接入振蕩器，作為振蕩器的一個(gè)電感元件，與調(diào)幅電路不同的是它是以頻率作為輸出量。當(dāng)位移產(chǎn)生±△x變化時(shí)，引起線圈電感變化±△L，這個(gè)電感變化對振蕩器調(diào)頻，使振蕩器的振蕩頻率產(chǎn)生±△f的變化。此頻率可以用數(shù)字頻率計(jì)直接測量，也可以通過鑒頻器進(jìn)行頻率－電壓轉(zhuǎn)換變成輸出電壓。電路原理圖如下：高頻振蕩器鑒頻器x±△xL±△LCf±△f電壓輸出第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月差動(dòng)變壓器測量電路差動(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)行測量。1、差動(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級線圈的輸出瞬時(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?？梢?，無論次級線圈的輸出瞬時(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)次級線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見圖（b），其值為USC=eab＋ecd。

第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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)總電勢為er＋e，而D2回路內(nèi)總電勢為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。

第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

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)磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。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。

第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3、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)使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。

0e2x-xe20第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1基波正交分量2基波同相分量3二次諧波4三次諧波5電磁干擾ee1e20e2012345(a)殘余電壓的波形(b)波形分析tt圖中e1為差動(dòng)變壓器初級的激勵(lì)電壓，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。

第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月零點(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)次級繞組的感應(yīng)電勢數(shù)值不等。又因初級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，從而在次級繞組感應(yīng)出非正弦電勢。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。

第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月消除零點(diǎn)殘余電壓方法：1．從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，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第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3．采用補(bǔ)償線路①由于兩個(gè)次級線圈感應(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)償電路第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月②并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級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)償電路第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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。

第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)應(yīng)用舉例測量振動(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，才能得到精確的測量結(jié)果。可測量的振幅為(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)變壓器第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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?！?20V1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量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號電壓為(0～50)mV，精度為1.5級。

第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月