电感式位移传感器.ppt
电感式传感器 电感式位移传感器实例 电磁感应利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量分为变磁阻式、变压器式、涡流式等特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好变磁阻式传感器 4.1.1工作原理工作原理 4.1变磁阻式传感器变磁阻式传感器通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即 分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器4.1.2输出特性输出特性L与之间是非线性关系，特性曲线如所示。变隙式电压传感器的L-特性分析：分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为 当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0，则此时输出电感为灵敏度为 可见：变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。与 衔铁上移 切线斜率变大衔铁下移切线斜率变小 为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。4.1.3测量电路测量电路交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。1.电感式传感器的等效电路电感式传感器的等效电路当Q2LC且2LC1时高Q值有Z1+Z2j(L1+L2)，则电桥输出电压为(4-20)2.交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路 3.变压器式交流电桥变压器式交流电桥使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用 (1)变压器电路当传感器衔铁上移：如Z1=Z+Z，Z2=ZZ，当传感器衔铁下移：如Z1=ZZ，Z2=Z+Z，此时 由于 是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。(2)相敏检波电路(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响，调幅电路：特点：此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。4.谐振式测量电路谐振式测量电路分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。调频电路：传感器电感L的变化引起输出电压频率的变化。把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。传感器电感L变化会引起输出电压相位变化.5.5.调相式转换电路形式调相式转换电路形式 6.6.自感传感器的灵敏度自感传感器的灵敏度 传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度 总灵敏度 第一项决定于传感器的类型第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小第三项决定于供电电压的大小 气隙型、变压器电桥气隙型、变压器电桥传感器传感器传感器灵敏度的单位为 mV/(mV)电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用变隙电感式压力传感器结构图 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 把被测的非电量变化转换为线圈互感变化 根据变压器的基本原理制成的，次级绕组用差动形式连接。差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。(a)、(b)变隙式差动变压器；(c)、(d)螺线管式差动变压器；(e)、(f)变面积式差动变压器 变隙式差动变压器变隙式差动变压器1.工作原理工作原理 2.输出特性输出特性 在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下,等效电路如下。图中r1a与L1a,r1b与L1b,r2a与L2a,r2b与L2b，分别为W1a,W1b,W2a,W2b绕阻的直流电阻与电感。当r1aL1a，r1bM2，因而E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b 随着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化。2.零点残余电压当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移动时的输出电压称为零点残余电压，记作Uo.它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。零点残余电压产生原因：主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。零点残余电压的波形主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波（主要是三次谐波）产生原因：是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小Ux，否则将会影响传感器的测量结果。减小零点残余电压方法：减小零点残余电压方法：1.1.尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。2.2.选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。3.3.采用补偿线路减小零点残余电动势。采用补偿线路减小零点残余电动势。3.基本特性基本特性当初级开路时 式中：U初级线圈激励电压；激励电压U的角频率；I1初级线圈激励电流；r1、L1初级线圈直流电阻和电感。.根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为 输出电压的有效值为 活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M 故 Uo=0 活动衔铁向上移动时 M1=M+M，M2=M-M 故 与E2a同极性。.活动衔铁向下移动时 M1=M-M，M2=M+M 故 与E2b同极性。.4.差动变压器式传感器测量电路差动变压器式传感器测量电路问题：（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向);（2）测量值中将包含零点残余电压。常常采用差动整流电路或相敏检波电路。(1)差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。整流电路的输出电压为 当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0；当衔铁在零位以上时，因为U24 U68，则U2 0；而当衔铁在零位以下时，则有U24 U68，则U2 0。U2的正负表示衔铁位移的方向。.5.差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器的应用 可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、张力等。(1)加速度传感器加速度传感器（2 2）力和力矩的测量）力和力矩的测量1线圈2衔铁3弹性元件优点优点优点优点：承受轴向力时应力分布均匀；当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。（3）微小位移的测量）微小位移的测量1测端2防尘罩3轴套4圆片簧5测杆6磁筒7磁芯8线圈9弹簧10导线（4）压力测量压力测量 微压力传感器 1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计
