电感式传感器传感器解析.pptx
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1、 U UO O(I IO O) 自感式传感器(变自感自感式传感器(变自感L L)差动变压器(变互感差动变压器(变互感M M) 电涡流式传感器(变自感电涡流式传感器(变自感L L)概概 述述第1页/共64页3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器3.23.2 差动变压器差动变压器3.3 3.3 电涡流传感器电涡流传感器第2页/共64页3.1 3.1 自感式自感式( (变磁阻变磁阻) )传感器传感器变气隙式自感式传感器的结构原理图变气隙式自感式传感器的结构原理图(a a) 单边式单边式由由2 2铁芯、铁芯、1 1线圈、线圈、 3 3衔铁及弹簧等组成。衔铁及弹簧等组成。当衔铁移动时,气当衔铁移动时,
2、气隙厚度隙厚度发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致线圈的发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致线圈的电感值变化。电感值变化。一、工作原理: 式中:N -线圈匝数 RM -磁路总磁阻2MMNN INNLIIRRMRIN(磁路欧姆定律)(磁路欧姆定律)线圈自感为:第3页/共64页000022211122SSSlSlRM202SNL 若很小,且不考虑磁路铁损,则磁路总磁阻为:铁芯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则线圈自感L为:分类:变气隙厚度的电感式传感器;变气隙面积S的电感式传感器;第4页/共64页自感式电感传感器常见的形式 1线圈coil ;2铁芯Magnetic core
3、 ;3衔铁Moving core变气隙式变截面式螺线管式第5页/共64页L=f(S)L=f()L(S)当0时,L为,考虑导磁体的磁阻,L并不等于,而具有一定的数值,考虑导磁体的磁阻时特性曲线如图中虚线所示。二、输出特性分析二、输出特性分析220SNL L=f()为非线性关系Lf(S)的特性曲线为一直线。第6页/共64页1.变气隙式自感传感器初始电感量为:初始电感量为:02002SNL 若衔铁下移: = 0+ 2200000002()2SNSNLLLL 自感的相对变化量为: 000011LL则电感减小,变化量为L:第7页/共64页一般10 ,则上式可由泰勒级数展开成级数形式为 .13020000
4、LL忽略高次项,可得自感变化与气隙变化成近似线性关系: 00LL 变气隙式自感传感器的灵敏度为:001LLK灵敏度K随初始气隙的增大而减小。第8页/共64页非线性误差为:%1000020可见非线性误差随 的增大而增大 存在矛盾:测量范围(大)、灵敏度(高)、线性度(小)相矛盾存在矛盾:测量范围(大)、灵敏度(高)、线性度(小)相矛盾因此变隙式常用于测量微小位移的场合,并且通常采用差动式100大小0第9页/共64页采用差动变隙式,可以减小非线性,提高灵敏度。 220012020000122()2()1()SNSNLLLL 差动变隙式的电感变化量为:2.差动变气隙式自感传感器第10页/共64页差动
5、式电感传感器的电感相对变化量为:2000)(112LL当10,上式展开成泰勒级数:24000021.LL 忽略高次项,可得:002LL差动变隙式灵敏度为:002LLK非线性误差为:%10020030第11页/共64页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减小。如当/=10时 , 单线圈10;而差动式的 1采用差动式传感器,还能抵消温度变化、电源波动、电磁吸力等因素对传感器的影响。 结论:结论:线圈电感电感线圈气隙第12页/共64页单线圈螺管型传感器结构图 3. 螺管型电感传感器 有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈一根圆柱
6、形铁芯及磁性套筒。传感器工作时,因铁芯在线圈中伸入长度的变化,引起线圈泄漏路径中磁阻的变化,从而使线圈自感发生变化。rx螺管线圈铁芯l第13页/共64页0.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.42lclc2l线圈线圈r0.8xH( )INlx(l)(a)(b)差动螺管型传感器结构图第14页/共64页1 1) 变气隙式电感传感器变气隙式电感传感器具有具有线性度差、示值范围窄、自由行程小、线性度差、示值范围窄、自由行程小、 在小位移在小位移下灵敏度很高的特点下灵敏度很高的特点。 因此,因此, 常用于直线小位移的测量,常用于直线小位移的测量, 以及结合弹性敏
7、感元件构成压力传感器、加速度传感器等。以及结合弹性敏感元件构成压力传感器、加速度传感器等。2 2) 变截面式电感传感器变截面式电感传感器具有具有线性度良好、自由行程大、线性度良好、自由行程大、 示值范围宽、灵敏度示值范围宽、灵敏度较低的特点较低的特点,通常用来测量比较大的直线位移和角位移。通常用来测量比较大的直线位移和角位移。 3 3)螺管式自感式传感器)螺管式自感式传感器 灵敏度低,但示值范围大,自由行程大,且其主要优点灵敏度低,但示值范围大,自由行程大,且其主要优点是结构简单,制造装配容易是结构简单,制造装配容易三种自感传感器比较:三种自感传感器比较:第15页/共64页电感线圈的电感线圈的
8、等效电路等效电路(如图)(如图)实际传感器中,线圈不可能是纯电感,它包括线圈的铜损电阻RC ;铁芯的涡流损耗电阻Re 等;由于线圈和测量设备电缆的接入,存在线圈固有电容和电缆的分布电容,用集中参数C表示。 图中,Rc为铜耗电阻;Re为涡流损耗电阻;Rh为磁滞损耗电阻;C为线圈的匝间电容和分布电容。1. 电感式传感器的等效电路第16页/共64页电感式传感器等效阻抗:电感式传感器等效阻抗: RCLZ2222)1 ()1 ()(LCLjLCRCjLjRCjLjRZ LjRZ2222)1 (;)1 (LCLLLCRRQ=wL/R高时: 由以上分析,并联电容C的存在,会引起传感器性能的一系列变化。因此,
9、在实际测量中,若根据需要更换了连接电缆线的长度,在高精度测量时应对传感器的灵敏度重新进行标定。第17页/共64页 UZZZZU)(2212101Z2Z图图3-8(b) 交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路2.交流电桥式测量电路 图中传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂 和 ,另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替。 设设Z Z1 1=Z=Z0 0+ +Z Z1 1, , Z Z2 2=Z=Z0 0- -Z Z2 2 Z Z1 1Z Z2 2= = Z Z2221212110iiiUZZZZUZZUZU电桥输出为第18页/共64页 对于高对于高Q Q值值( )( )的差动式电感传感器,其输的差动式电感传感
10、器,其输出电压为:出电压为: 000222oUZUjLULUZRj LLQL R00()LL 002UU 其中L0衔铁在中间位置时,单个线圈的电感为其损耗。L单线圈电感的变化量。 将 代入上式得 :第19页/共64页图中B点的电压为:2BEU212AZUEZZ图中A点的电压为:3.变压器式交流电桥(P87)输出电压:讨论:(1)当铁芯处于中间位置时,Z1=Z2=Z,这时U0=0,电桥平衡;(2)当铁芯向下移动时,Z2=Z+Z,Z1=Z-Z 得:12222SOSRjLZZZEUEEZZRj L EZZZZUUUBA)(221210第20页/共64页(3)(3)当铁芯向上移动同样大小的距离时,当铁
11、芯向上移动同样大小的距离时,Z Z2 2=Z-=Z-Z, Z, Z Z1 1=Z+Z=Z+Z,得:得: 01222ZZEZUEZZ 幅值为:222222222SOSSLRLUEERLRL 输出电压幅值为:ELRLUsO222两种情况的输出电压大小相等,方向相反,由于两种情况的输出电压大小相等,方向相反,由于E E是交流电压,是交流电压,所以输出电压所以输出电压U U0 0在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。 第21页/共64页4.4.谐振式测量电路谐振式测量电路(1)(1)调频电路调频电路 调频电路的基本原理是调频电路的基本原理是传感器电感变化引起输出电
12、传感器电感变化引起输出电压频率的变化。压频率的变化。( )( )(2)(2)调幅电路调幅电路调幅电路的基本原理是传感调幅电路的基本原理是传感器电感变化引起输出电压幅器电感变化引起输出电压幅值的变化。值的变化。L L0 0为谐振点的电感值为谐振点的电感值调幅电路调频电路谐振式电路1 2fLC第22页/共64页0U第23页/共64页自感式压力传感器PA五、自感式电感传感器应用五、自感式电感传感器应用第24页/共64页P第25页/共64页用于工件直径等尺寸测量的电感式传感器1 1引线电缆引线电缆 2 2固定磁筒固定磁筒 3 3衔铁衔铁 4 4线圈线圈 5 5测力弹簧测力弹簧 6 6防转销防转销 7
13、7钢球导轨(直线轴承)钢球导轨(直线轴承) 8 8测杆测杆 9 9密封套密封套 1010测端测端 1111被测工件被测工件 1212基准面基准面 第26页/共64页电感测微头第27页/共64页3.2 差动变压器式传感器(linear variable differential transformers(LVDTs)1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243123(a)气隙型(b)螺管型l 变互感量的传感器。根据变压器的基本原理制成,次级绕组都用差动形式连接,故称为差动变压器.l 分为气隙式和螺管式两种。l 目前多采用螺管式。因为变隙式行程很小(l00.5 mm), 结构也很复杂。l 它可以测
14、量1100mm范围内的机械位移,并具有测量精度高,灵敏度高,结构简单,性能可靠等优点第28页/共64页 螺线管式结构如图螺线管式结构如图: : 由由一个初级线圈一个初级线圈,两个次级线圈两个次级线圈和和插入线圈中央的圆柱插入线圈中央的圆柱形铁芯形铁芯等组成。等组成。- -活动衔铁;活动衔铁;- -导磁外壳;导磁外壳;- -骨架;骨架;- -匝数为匝数为 的初级绕组;的初级绕组;- -匝数为匝数为 的次级绕组;的次级绕组;- -匝数为匝数为 的次级绕组的次级绕组图图3.2 3.2 螺线管式差动变压器结构图螺线管式差动变压器结构图1W2aW2bW一 . 差动变压器的结构与原理第29页/共64页 螺
15、线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同,螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同,可分为二节、三节、四节和五节式等类型,如图所示。三可分为二节、三节、四节和五节式等类型,如图所示。三节式的零点电位较小,二节式比三节式灵敏度高、线性范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。围大,四节式和五节式改善了传感器线性度。 通常采用的是二节式和三节式两类。通常采用的是二节式和三节式两类。 (b) (c) (d) (e)(b) (c) (d) (e)线圈排列方式图线圈排列方式图 (b b)二节式)二节式 (c c)三节式;()三节式;(d d)四节式;(
16、)四节式;(e e)五节式)五节式图图3-3 3-3 线圈排列方式线圈排列方式第30页/共64页 差动变压器式传感器中差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联两个次级线圈反向串联,并且,并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路如下图所示。其等效电路如下图所示。iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb二.基本特性分析差动变压器等效电路差动变压器等效电路第31页/共64页初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈次级线圈输出电压:次级线圈输出电压:次级线圈输出电压有效值:次级线圈输出电压有效值:
17、111LjRUI12IMjEaa12IMjEbb111220)()(LjRUMMjIMMjEEUbababaUMMkULRMMUbaba)()()(21210iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb第32页/共64页(1)初始位置,衔铁处于中间位置 (2 2)当衔铁上升)当衔铁上升 x xMMMaMMMb (3) (3) 当衔铁下降当衔铁下降 x xU U0 0与与E E2a2a同相同相 U U0 0与与E E2b2b同相同相 MMMa MMMb baMM ULRMEEUba2121220)(2ULRMU21210)(20)()(111220LjRUMM
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