第三章-电感式传感器优秀PPT.ppt
第一章第一章 工作原理工作原理 1 1、工作原理、工作原理组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为l。自感传感器原理图a气隙型b截面型c螺管型N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)气隙式自感传感器，因为气隙较小(l为0.11mm)，所以，认为气隙磁场是匀整的，若忽视磁路铁损，则磁路总磁阻为 li：各段导磁体的长度；Si：各段导磁体的截面积；i：各段导磁体的的磁导率；：空气隙的厚度S：空气隙截面积；0：真空磁导率，0=410-7Hm；由磁路基本学问知，线圈自感为由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即Lf(S,l)假如S保持不变，则L为l的单值函数，构成变隙式自感传感器；若保持l不变，使S随位移变更，则构成变截面式自感传感器。其特性曲线如图。L=f（S）L=f（l）lLSL=f(l)为非线性关系。当为非线性关系。当l0时，时，L为为，考虑导磁体的磁阻，当，考虑导磁体的磁阻，当l0时，并不等于时，并不等于，而具有确定的数值，而具有确定的数值，在在l较小时其特性曲线如图中虚线较小时其特性曲线如图中虚线所示。如上下移动衔铁使面积所示。如上下移动衔铁使面积S变更，变更，从而变更从而变更L值时值时,则则Lf(S)的特性曲的特性曲线为始终线。线为始终线。其次节其次节 电感计算及特性分析电感计算及特性分析一、自感传感器一、自感传感器主主要要特特性性:灵灵敏敏度度和和线线性性度度。当当铁铁芯芯和和衔衔铁铁接接受受同同一一种种导导磁磁材材料料，且且截截面面相相同同时时，因因为为气气隙隙l l一一般般较较小小，故故可可认认为为气气隙隙磁磁通通截截面面与与铁铁芯芯截截面面相相等等，设磁路总长为设磁路总长为 l l，则，则 K=0N 2S一般r1，所以当气隙削减l时自感的相对变更同理，当总气隙长度增加l时，自感减小为L2，即若忽视高次项，则自感变更灵敏度为线性度lLL1L2 L0l0当气隙l发生变更时，自感的变更与气隙变更均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变更l/l的增大而增加；气隙削减l所引起的自感变更L1与气隙增加同样l所引起的自感变更L2并不相等，即L1L2，其差值随l/l的增加而增大。差差动动变变气气隙隙式式自自感感传传感感器器结结构构由由两两个个电电气气参参数数和和磁磁路路完完全全相相同同的的线线圈圈组组成成。当当衔衔铁铁3移移动动时时，一一个个线线圈圈的的自自感感增增加加，另另一一个个线线圈圈的的自自感感削削减减，形形成成差差动动形形式。如将这两个差动线圈式。如将这两个差动线圈EUSC1342RR(l-l)/2(l-l)/2分别接入测量电桥邻臂，则当磁路总气隙变更l时，自感相对变更为差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍差动式自感传感器非线性失真小,如当l/l=10时(略去llr),单线圈10；而差动式的1。75502505075100L/mHl/mm10025LD43211234-ll对差动气隙式传感器其l/l与l/(lr)的变更受到灵敏度和非线性失真相互冲突的制约,因此只能适当选取。一般差动变隙式自感传感器l/l0.10.2时，可使传感器非线性误差在3左右。其工作行程很小,若取l2mm,则行程为(0.20.5)mm；较大行程的位移测量,常利用螺管式自感传感器1线圈自感特性；2线圈自感特性；3线圈与差动自感特性；4特性曲线差动式自感传感器的输出特性rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图l螺管型自感传感器螺管型自感传感器有单线圈和差动式两种结构形式。有单线圈和差动式两种结构形式。单单线线圈圈螺螺管管型型传传感感器器的的主主要要元元件件为为一一只只螺螺管管线线圈圈和和一一根根圆圆柱柱形形铁铁芯芯。传传感感器器工工作作时时，因因铁铁芯芯在在线线圈圈中中伸伸入入长长度度的的变变更更，引引起起螺螺管管线线圈圈自自感感值值的的变变更更。当当用用恒恒流流源源激激励励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。螺管线圈内磁场分布曲线rxl1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.60.81.0H（）INlx（l）铁芯在起先插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。若被测量与lc成正比，则L与被测量也成正比。事实上由于磁场强度分布不匀整，输入量与输出量之间关系非线性的。为了提高灵敏度与线性度,常接受差动螺管式自感传感器。图(b)中H=f(x)曲线表明：为了得到较好的线性,铁芯长度取0.6l时,则铁芯工作在H曲线的拐弯处,此时H变更小。这种差动螺管式自感传感器的 测 量 范 围 为(550)mm,非线性误差在0.5左右。2lclc2l线圈线圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（）INl差动螺旋管式自感传感器(a)结构示意图(b)磁场分布曲线x(l)(a)(b)综上所述，螺管式自感传感器的特点：结构简洁，制造装配简洁；由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁阻高，为了达到某一自感量，须要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；要求线圈框架尺寸和形态必需稳定，否则影响其线性和稳定性。二、二、差动变压器差动变压器（一）结构原理与等效电路（一）结构原理与等效电路分分气气隙隙型型和和差差动动变变压压器器两两种种。目目前前多多接接受受螺螺管管型差动变压器。型差动变压器。1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243123(a)气隙型(b)螺管型其基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。螺管形差动变压器依据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。321212112(a)(b)(c)(d)12112差动变压器线圈各种排列形式1初级线圈；2次级线圈；3衔铁3三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。在志向状况下(忽视线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。初级线圈的复数电流值为e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1 e1初级线圈激励电压L1,R1初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻I1激励电压的角频率；e1激励电压的复数值；由于Il的存在，在次级线圈中产生磁通Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级线圈匝数。N2为次级线圈匝数。因此空载输出电压在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为其幅数输出阻抗或副0e2e2e21e22x副原线圈差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。第三节第三节 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度 假设自感线圈为一志向纯电感，但实际传感器中包括：线圈的铜损电阻（Rc）、铁芯的涡流损耗电阻（Re）和线圈的寄生电容（C）。因此，自感传感器的等效电路如图。CLRcRe1 1、沟通电桥、沟通电桥沟沟通通电电桥桥是是自自感感传传感感器器的的主主要要测测量量电电路路，为为了了提提高高灵灵敏敏度度，改改善善线线性性度度，自自感感线线圈圈一一般般接接成成差差动动形形式式，如如图图。Z1Z1、Z2Z2为为工工作作臂臂，即即线线圈圈阻阻抗抗，R1R1、R2R2为电桥的平衡臂为电桥的平衡臂 电桥平衡条件：设Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=RRS1=RS2=RS；L1=L2=LE为桥路电源，ZL是负载阻抗。工作时，Z1=Z+Z和Z2=Z-ZZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2沟通电桥原理图USCE其输出电压幅值当ZL时输出阻抗 为自感线圈的品质因数。桥路输出电压Usc包含与电源E同相和正交两个重量。在实际测量中，只希望有同相重量，如能使 或Q值比较大，均能达到此目的。但在实际工作时，RS/RS一般很小，所以要求线圈有高的品质因数。当Q值很高时，Usc ；当Q值很低时，自感线圈的电感远小于电阻，电感线圈相当于纯电阻(ZRs)，沟通电桥即为电阻电桥。例如，应变测量仪就是如此，此时输出电压Usc=。该电桥结构简洁，其电阻R1、R2可用两个电阻和一个电位器组成，调零便利。Z1Z2USCE/2E/2E变压器电桥原理图I2 2、变压器电桥、变压器电桥平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷大时，流入工作臂的电流为初始Z1=Z2=Z=RS+jL，故平衡时，USC=0。双臂工作时，设Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相当于差动式自感传感器的衔铁向一侧移动，则同理反方向移动时可见，衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压Usc大小相等、方向相反，即相位互差180，可反映衔铁移动的方向。但是，为了判别沟通信号的相位，需接入特地的相敏检波电路。优优点点：这种电桥与电阻平衡电桥相比，元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；缺缺点点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。变压器电桥的输出电压幅值输出阻抗为(略去变压器副边的阻杭，它远小于电感的阻抗)3.调频电路调频电路 调频测量电路是把传感器线圈接入振荡调频测量电路是把传感器线圈接入振荡器，作为振荡器的一个电感元件，与调幅电器，作为振荡器的一个电感元件，与调幅电路不同的是它是以频率作为输出量。当位移路不同的是它是以频率作为输出量。当位移产生产生x变更时，引起线圈电感变更变更时，引起线圈电感变更L，这个电感变更对振荡器调频，使振荡器的振这个电感变更对振荡器调频，使振荡器的振荡频率产生荡频率产生f的变更。此频率可以用数字的变更。此频率可以用数字频率计干脆测量，也可以通过鉴频器进行频频率计干脆测量，也可以通过鉴频器进行频率电压转换变成输出电压。电路原理图如率电压转换变成输出电压。电路原理图如下：下：高频振荡器鉴频器xxLLCff电压输出差动变压器测量电路差动变压器测量电路 差差动动变变压压器器的的输输出出电电压压为为沟沟通通，它它与与衔衔铁铁位位移移成成正正比比。用用沟沟通通电电压压表表测测量量其其输输出出值值只只能能反反映映衔衔铁铁位位移移的的大大小小，不不能能反反映映移移动动的的方方向向，因因此此常常接接受差动整流电路和相敏检波电路进行测量。受差动整流电路和相敏检波电路进行测量。1 1、差动整流电路、差动整流电路依依据据半半导导体体二二级级管管单单向向导导通通原原理理进进行行解解调调的的。如如传传感感器器的的一一个个次次级级线线圈圈的的输输出出瞬瞬时时电电压压极极性性，在在f f点点为为“”，e e点点为为“”，则则电电流流路路径径是是fgdchefgdche（参参看看图图a a）。反反之之，如如f f点点为为“”，e e点点为为“”，则则电电流流路路径径是是ehdcgfehdcgf。可可见见，无无论论次次级级线线圈圈的的输输出出瞬瞬时时电电压压极极性性如如何何，通通过过电电阻阻R R的的电电流流总总是是从从d d到到c c。同同理理可可分分析析另另一一个个次次级级线线圈圈的的输输出出状状况况。输出的电压波形见图（输出的电压波形见图（b b），其值为），其值为USC=eabUSC=eabecdecd。全波整流电路和波形图e1RRcabhgfdeUSC衔铁在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位(b)(a)在f点为“”，则电流路径是fgdche(参看图a)。反之，如f点为“”，则电流路径是ehdcgf。2 2、相敏检波电路、相敏检波电路简简洁洁做做到到输输出出平平衡衡，便便于于阻阻抗抗匹匹配配。图图中中调调制制电电压压er er和和e e同同频频，经经过过移移相相器器使使er er和和e e保保持持同同相相或或反反相相，且且满满足足ereere。调调整整电电位位器器R R可可调调平平衡衡，图图中中电电阻阻R1=R2=R0R1=R2=R0，电容，电容C1=C2=C0C1=C2=C0，输出电压为，输出电压为UCDUCD。当当铁铁芯芯在在中中间间时时,e=0,e=0,只只有有er er起起作作用用，输输出出电电压压UCDUCD0 0。若若铁铁芯芯上上移移，e0e0，设设e e和和er er同同相相位位，由由于于ereere，故故er er正正半半周周时时D1D1、D2D2仍仍导导通通，但但D1D1回回路路内内总总电电势势为为er ere e，而而D2D2回回路路内内总总电电势势为为er ere e，故故回回路路电电流流i1 i1i2 i2输输出出电电压压UCD=R0UCD=R0（i1i2i1i2）00。当当er er负半周时，负半周时，Ri1e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4eUCD=R0(i4-i3)0，因此铁芯上移时输出电压UCD0。当铁芯下移时，e和 er相 位 相 反。同理可得UCD0。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。第四节第四节 误差因素分析误差因素分析1 1、激励电压幅值与频率的影响、激励电压幅值与频率的影响激激励励电电源源电电压压幅幅值值的的波波动动，会会使使线线圈圈激激励励磁磁场场的的磁磁通通发发生生变变更更，干干脆脆影影响响输输出出电电势势。而而频频率率的的波波动，只要适当地选择频率，其影响不大。动，只要适当地选择频率，其影响不大。2 2、温度变更的影响、温度变更的影响四四周周环环境境温温度度的的变变更更，引引起起线线圈圈及及导导磁磁体体磁磁导导率率的的变变更更，从从而而使使线线圈圈磁磁场场发发生生变变更更产产生生温温度度漂漂移移。当当线线圈圈品品质质因因数数较较低低时时，影影响响更更为为严严峻峻，因因此此，接接受受恒恒流流源源激激励励比比恒恒压压源源激激励励有有利利。适适当当提提高高线线圈品质因数并接受差动电桥可以削减温度的影响。圈品质因数并接受差动电桥可以削减温度的影响。3 3、零点残余电压、零点残余电压 当当差差动动变变压压器器的的衔衔铁铁处处于于中中间间位位置置时时，志志向向条条件件下下其其输输出出电电压压为为零零。但但事事实实上上，当当运运用用桥桥式式电电路路时时，在在零零点点仍仍有有一一个个微微小小的的电电压压值值(从从零零点点几几mVmV到到数数十十mV)mV)存存在在，称称为为零零点点残残余余电电压压。如如图图是是扩扩大大了了的的零零点点残残余余电电压压的的输输出出特特性性。零零点点残残余余电电压压的的存存在在造造成成零零点点旁旁边边的的不不灵灵敏敏区区；零零点点残残余余电电压压输输入入放放大大器器内内会会使使放放大大器器末末级级趋趋向向饱饱和和，影影响响电路正常工作等。电路正常工作等。0e2x-xe201基波正交重量2基波同相重量3二次谐波4三次谐波5电磁干扰ee1e20e2012345(a)残余电压的波形(b)波形分析tt图中e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。零点残余电压产生缘由：零点残余电压产生缘由：基基波波重重量量。由由于于差差动动变变压压器器两两个个次次级级绕绕组组不不行行能能完完全全一一样样，因因此此它它的的等等效效电电路路参参数数（互互感感M、自自感感L及及损损耗耗电电阻阻R）不不行行能能相相同同，从从而而使使两两个个次次级级绕绕组组的的感感应应电电势势数数值值不不等等。又又因因初初级级线线圈圈中中铜铜损损电电阻阻及及导导磁磁材材料料的的铁铁损损和和材材质质的的不不匀匀整整，线线圈圈匝匝间间电电容容的的存存在在等等因因素素，使使激激励励电电流流与与所所产产生生的磁通相位不同。的磁通相位不同。高次谐波。高次谐波重量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一样产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波重量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。消退零点残余电压方法：消退零点残余电压方法：1 1从设计和工艺上保证结构对称性从设计和工艺上保证结构对称性 为为保保证证线线圈圈和和磁磁路路的的对对称称性性，首首先先，要要求求提提高高加加工工精精度度，线线圈圈选选配配成成对对，接接受受磁磁路路可可调调整整结结构构。其其次次，应应选选高高磁磁导导率率、低低矫矫顽顽力力、低低剩剩磁磁感感应应的的导导磁磁材材料料。并并应应经经过过热热处处理理，消消退退残残余余应应力力，以以提提高高磁磁性性能能的的匀匀整整性性和和稳稳定定性性。由由高高次次谐谐波波产产生生的的因因素素可可知知，磁磁路路工工作作点点应应选选在在磁磁化化曲曲线线的的线线性段。性段。2 2选用合适的测量线路选用合适的测量线路 接受相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消退掉。如图，接受相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消退了零点残余电压。e2+x-x210相敏检波后的输出特性3 3接受补偿线路接受补偿线路由由于于两两个个次次级级线线圈圈感感应应电电压压相相位位不不同同，并并联联电电容容可可变变更更其其一一的的相相位位，也也可可将将电电容容C C改改为为电电阻阻，如如图图(a)(a)。由由于于R R的的分分流流作作用用将将使使流流入入传传感感器器线线圈圈的的电电流流发发生生变变更更，从从而而变变更更磁磁化化曲曲线线的的工工作作点点，减减小小高高次次谐谐波波所所产产生生的的残残余余电电压压。图图(b)(b)中中串串联联电电阻阻R R可以调整次级线圈的电阻重量。可以调整次级线圈的电阻重量。e1e2CRe1e2CR(a)(b)调相位式残余电压补偿电路并联电位器W用于电气调零，变更两次级线圈输出电压的相位，如图所示。电容C(0.02F)可防止调整电位器时使零点移动。e1e2CR1R2W电位器调零点残余电压补偿电路R或L补偿电路e1e2L0We1e2R0W(a)(b)接入R0(几百k)或补偿线圈L0(几百匝)。绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压，避开负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。电路如图。第五节第五节 应用举例应用举例测测量量振振动动、厚厚度度、应应变变、压压力力、加加速速度度等等各各种种物物理量。理量。1.1.差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器用用于于测测定定振振动动物物体体的的频频率率和和振振幅幅时时其其激激磁磁频频率率必必需需是是振振动动频频率率的的十十倍倍以以上上，才才能能得得到到精精确确的的测测量量结结果果。可可测测量量的的振振幅幅为为(0.1(0.15)mm5)mm，振振动动频频率率为为(0(0150)Hz150)Hz。稳压电源振荡器检波器滤波器(b)(a)220V加速度a方向a输出1211弹性支承2差动变压器2.2.微压力变送器微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。220V1接头2膜盒3底座4线路板5差动变压器6衔铁7罩壳V振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路1234567这种变送器可分档测量(510(5105 56106105 5)N/m)N/m2 2压力，输出信号电压为(0(050)mV50)mV，精度为1.5级。第七节第七节 电涡流式传感器电涡流式传感器 当当导导体体置置于于交交变变磁磁场场或或在在磁磁场场中中运运动动时时，导导体体上上引引起起感感生生电电流流ie ie，此此电电流流在在导导体体内内闭闭合合，称称为为涡涡流流。涡涡流流大大小小与与导导体体电电阻阻率率、磁磁导导率率以以及及产产生生交交变变磁磁场场的的线线圈圈与与被被测测体体之之间间距距离离x x，线线圈圈激激励励电电流流的的频频率率f f有有关关。明明显显磁磁场场变变更更频频率率愈愈高高，涡涡流流的的集集肤肤效效应应愈愈显显著著。即即涡涡流流穿穿透透深深度度愈愈小小，其穿透深度其穿透深度h h可表示可表示 导体电阻率导体电阻率(cm)(cm)；rr导体相对磁导率；导体相对磁导率；f f交变磁场频率交变磁场频率(Hz)(Hz)。可可见见，涡涡流流穿穿透透深深度度h h和和激激励励电电流流频频率率f f有有关关，所所以以涡涡流流传传感感器器依依据据激激励励频频率率：高高频频反反射射式式或或低低频频透射式两类。透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。（一）结构主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它实行将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。1234561线圈2框架3衬套4支架5电缆6插头（二）工作原理涡流效应涡流效应须具备的条件：涡流效应须具备的条件：1 1、存在交变磁场；、存在交变磁场；2 2，导体处于交，导体处于交变磁场之中。变磁场之中。ieM电涡流传感器原理图传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场i，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场e阻碍外磁场的变更。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽视磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离变更时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变更，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。案例：案例：无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变更。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测（三）应用案例：案例：测厚测厚案例：案例：零件计数零件计数
