3.1 自感式传感器.ppt

第第3章章 变阻抗式传感器原理与应用变阻抗式传感器原理与应用n电感式传感器的工作基础：电感式传感器的工作基础：电磁感应原理电磁感应原理n即利用线圈电感或互感的改变来实现非电即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量。量测量。2n分为变磁阻式、变压器式、涡流式等。n特点：结构简单、工作可靠、寿命长、测力小；结构简单、工作可靠、寿命长、测力小；灵敏度高，分辨力高；灵敏度高，分辨力高；输出信号强；输出信号强；精度高、线性好；精度高、线性好；性能稳定、重复性好。性能稳定、重复性好。3电感相关概念n 电电感感是是反反映映磁磁场场能能性性质质的的电电路路参参数数，电电感感元元件件是是实实际际线线圈圈的的理理想想化化模模型型，假假想想它它是是由由无无阻阻导导线线绕绕制制而而成成的的线线圈圈。当当一一匝匝线线圈圈中中通通以以电电流流i后后，在在线线圈圈内内部部将将产产生生磁磁通通 (称称为为自自感感磁磁通通)，N匝匝相相链链的的线线圈圈通通过过 ，记记 ，称称做做磁磁通通链链(或或磁磁链链)，即，即N匝相链的线圈通过的自感磁通之和。匝相链的线圈通过的自感磁通之和。n 和和 是是由由线线圈圈本本身身的的电电流流产产生生的的，叫叫做做自自感感磁磁通和自感磁通链。通和自感磁通链。43.1 自感式传感器 3.1.1 工作原理工作原理3.1.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器3.1.3 变面积式自感传感器变面积式自感传感器3.1.4 螺线管式自感传感器螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例自感式传感器应用举例53.1 自感式传感器a)可变导磁面积型b）差动型c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动6a)气隙型b)截面型c)螺管型自感式传感器原理图pp 归结于三种类型归结于三种类型原理：原理：结构形式：结构形式：结构形式：结构形式：变间隙式、变面积式和螺管式。变间隙式、变面积式和螺管式。7 自感式传感器由自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁线圈、铁芯和衔铁三部分组成。三部分组成。铁铁芯芯和和衔衔铁铁由由导导磁磁材材料料制制成成。在在铁铁芯芯和和衔衔铁铁之之间间有有气气隙隙，传传感感器器的的运运动动部部分分与与衔衔铁铁相相连连。当当衔衔铁铁移移动动时时，气气隙隙厚厚度度发发生生改改变变，引引起起磁磁路路中中磁磁阻阻变变化化，从从而而导导致致电电感感线线圈圈的的电电感感值值变变化化，因因此此只只要要能能测测出出这这种种电电感感量量的的变变化化，就就能能确确定定衔衔铁铁位位移移量量的的大大小和方向。小和方向。线圈自感线圈总磁链,单位：韦伯；I通过线圈的电流，单位：安培；W线圈的匝数；Rm磁路总磁阻，单位：1/亨。3.1.1 工作原理 89 l i 各段导磁体的长度；i各段导磁体的磁导率；S i 各段导磁体的截面积；空气隙的厚度；0 真空磁导率；S 空气隙截面积变气隙型传感器变截面型传感器线圈中放入圆形衔铁，可变螺管型自感传感器。气隙厚度较小，可以认为气隙磁场是均匀的，忽略磁路铁损，则总磁阻为：103.1.2 变气隙式自感传感器 通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻L与之间是非线性关系（3.1.6）11分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为当衔铁上移时，则，代入式（3.1.6）式并整理得1213上式用泰勒级数展开成如下的级数形式同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有1415对式（3.1.11）（3.1.13）作线性处理，即忽略高次项后可得灵敏度为灵敏度为变隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，变隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。16与与 n衔铁上移衔铁上移 切线斜率变大切线斜率变大n衔铁下移衔铁下移切线斜率变小切线斜率变小 17与线性度与线性度n衔铁上移：衔铁上移：n衔铁下移：衔铁下移：n无论上移或下移，非线性都将增大。无论上移或下移，非线性都将增大。18为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式差动变隙式电感传感器。电感传感器。1-铁芯；2-线圈；3-衔铁当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L219对上式进行线性处理，即忽略高次项得灵敏度k0为（1 1 1 1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式的）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式的）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式的）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式的2 2 2 2倍。倍。倍。倍。（2 2 2 2）单线圈是忽略）单线圈是忽略）单线圈是忽略）单线圈是忽略 以上高次项，差动式是忽略以上高次项，差动式是忽略以上高次项，差动式是忽略以上高次项，差动式是忽略 以上高以上高以上高以上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。203.1.3 变面积式自感传感器n传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感变面积自感传感器自感L L为为 灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。21变变223.1.4 螺线管式自感传感器1-螺线管线圈；2-螺线管线圈；3-骨架；4-活动铁芯L10，L20分别为线圈、的初始电感值；（3.1.21）23当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小 根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为（3.1.24）24上式表明两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。上式表明两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。考虑到考虑到 ，而，而lc与与l，rc为同数量级的量，则式为同数量级的量，则式(3.1.21)(3.1.21)和式和式(3.1.24)(3.1.24)可简化为可简化为 253.1.5 自感式传感器测量电路自感式传感器测量电路1.1.自感式传感器等效电路自感式传感器等效电路2.2.调幅电路调幅电路3.3.调频电路调频电路 4.4.调相电路调相电路 5.5.自感传感器的灵敏度自感传感器的灵敏度26自感式传感器的测量电路有交流电桥式、调幅式、调相式以及谐振式等。1.自感式传感器的等效电路自感式传感器的等效电路自感式传感器的线圈并非是纯电感，有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L,绕线间分布电容C。27电感式传感器的等效电路28等效线圈阻抗为将上式有理化并应用品质因数Q=L/R，可得当Q2LC且2LC1时，上式可近似为292.交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替。设Z1=Z+Z1,Z2=ZZ2，Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，Z1,Z2分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量。对于高Q值的差动式电感传感器，有Z1+Z2j(L1+L2)，则电桥输出电压为：30交流电桥测量电路31进行线性处理后,即忽略高次项得：将代入式电桥输出电压与成正比关系。323.调幅电路调幅电路 u0(1)变压器电路输出空载电压初始平衡状态，初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0衔铁偏离中间零点时衔铁偏离中间零点时 使用元件少，输出阻抗小使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用。获得广泛应用。z2z1u/2u/233传感器衔铁移动方向相反时传感器衔铁移动方向相反时 空载输出电压空载输出电压 上上移移和和下下移移两两种种情情况况的的输输出出电电压压大大小小相相等等，方方向向相相反反，即即相相位位差差1800。为为了了判判别别衔衔铁铁位位移移方方向向，就就是是判判别别信信号号的的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决。34(2)(2)相敏检波电路相敏检波电路1.当衔铁偏离中间位置使当衔铁偏离中间位置使Z1=Z+Z增加，则增加，则Z2=Z-Z减少：减少：当当u上端为正，下端为负时，上端为正，下端为负时，R1上的压降大于上的压降大于R2上的压降；上的压降；当当u上端为负，下端为正时，上端为负，下端为正时，R2上压降则大于上压降则大于R1上的压降。上的压降。U0输出上端为正，下端为负。输出上端为正，下端为负。2.当衔铁偏离中间位置使当衔铁偏离中间位置使Z2=Z+Z增加，则增加，则Z1=Z-Z减少：减少：U0输出下端为正，上端为负。输出下端为正，上端为负。35非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路使用相敏整流，输出电压使用相敏整流，输出电压U U0 0不仅能反映衔铁位移的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。大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响。36(3)(3)谐振式调幅电路谐振式调幅电路调调幅幅电电路路：传感器电感L与电容C、变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边将有电压输出，输输出出电电压压的的频频率率与与电电源源频率相同，而幅值随着电感频率相同，而幅值随着电感L L而变化而变化。图为输出电压与电感L的关系曲线，其中L0为谐振点的电感值。特点：此电路灵灵敏敏度度很很高高，但但线线性性差差，适适用用于于线线性性度度要要求求不不高高的场合。的场合。374.4.调频电路调频电路GCLf灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合 Lf0调调频频电电路路：是是传传感感器器电电感感L的的变变化化将将引引起起输输出出电电压压频频率率的的变变化化。通通常常把把传传感感器器电电感感L和和电电容容C接接入入一一个个振振荡荡回回路中，路中，其振荡频率其振荡频率。当当L变变化化时时，振振荡荡频频率率随随之之变变化化，根根据据f的的大大小小即即可可测测出出被被测测量量的的值值。右右图图表表示示f与与L的关系曲线，它具有严重的非线性关系。的关系曲线，它具有严重的非线性关系。385.5.调相电路调相电路 传感电感变化将引起输出电压相位变化。传感电感变化将引起输出电压相位变化。39404.4.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传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度转换电路灵敏度总灵敏度总灵敏度自感传感器的灵敏度是指传感器结构（测头）和转自感传感器的灵敏度是指传感器结构（测头）和转换电路综合在一起的总灵敏度。以调幅电路为例：换电路综合在一起的总灵敏度。以调幅电路为例：41n假定用气隙型传感器，并采用变压器电桥作为测量电路则：假定用气隙型传感器，并采用变压器电桥作为测量电路则：42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传感器灵敏度的单位为 mV/(mV)，电源电压为电源电压为1V，衔铁偏移衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏。时，输出电压为若干毫伏。433.1.6 自感式传感器应用举例1.1.自感式位移传感器自感式位移传感器 2.2.自感式压力传感器自感式压力传感器441.1.自感式位移传感器自感式位移传感器1传感器引线2铁心套筒3磁芯4电感线圈5弹簧6防转件7滚珠导轨8测杆9密封件10玛瑙测端452.自感式压力传感器变隙式自感压力传感器结构图当当压压力力进进入入膜膜盒盒时时，膜膜盒盒的的顶顶端端在在压压力力P的的作作用用下下产产生生与与压压力力P大大小小成成正正比比的的位位移移，于于是是衔衔铁铁也也发发生生移移动动，从从而而使使气气隙隙发发生生变变化化，流流过过线线圈圈的的电电流流也也发发生生相相应应的的变变化化，电电流流表表A的的指指示示值值就就反反映了被测压力的大小。映了被测压力的大小。46变隙差动式电感压力传感器变隙差动式电感压力传感器它主要由它主要由C形弹簧管、形弹簧管、衔铁、衔铁、铁芯和线圈等组成。铁芯和线圈等组成。当当被被测测压压力力进进入入C形形弹弹簧簧管管时时，C形形弹弹簧簧管管产产生生变变形形，其其自自由由端端发发生生位位移移，带带动动与与自自由由端端连连接接成成一一体体的的衔衔铁铁运运动动，使使线线圈圈1和和线线圈圈2中中的的电电感感发发生生大大小小相相等等、符符号号相相反反的的变变化化。即即一一个电感量增大，另一个电感量减小。个电感量增大，另一个电感量减小。电电感感的的这这种种变变化化通通过过电电桥桥电电路路转转换换成成电电压压输输出出。由由于于输输出出电电压压与与被被测测压压力力之之间间成成比比例例关关系系，所所以以只只要要用用检检测测仪仪表表测测量量出出输输出出电电压压，即即可可得得知知被被测压力测压力的大小。的大小。47 板的厚度测量板的厚度测量 张力测量张力测量48旁向式旁向式差动电感式传感器差动电感式传感器总行程：1.5mm测量力：0.40.7N示值变动性：0.2m轴向式差动电感式传感器轴向式差动电感式传感器总行程：3mm测量力：0.450.65N示值变动性：0.03m总行程：1.5mm测量力：0.120.18N示值变动性：0.05m49轴向式差动变压器式传感器轴向式差动变压器式传感器总行程：100mm线性度：0.15%总行程：27mm测量力：0.91.2N示值变动性：0.5m50IW 10/101 系列；系列；微型电感式位移。微型电感式位移。测量范围：测量范围：4,5,8,10,15mm线性精度：线性精度：0.5%或或0.25%,外外壳壳圆圆形形10mm或或方方形形25mm,外外接接励磁模块驱动。励磁模块驱动。51IW 120 系系列列:电电感感式式位位移移传传感感器器，测测量量行行程程12，24，60，100，150，200mm。无限分辨率，无磁滞。无限分辨率，无磁滞。线线 性性 精精 度度：0.5%或或0.25%。外部激励驱动电路。外部激励驱动电路。52电感式传感器电感式传感器(活塞活塞)53