自感式传感器讲稿.ppt

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1、关于自感式传感器1第一页，讲稿共二十七页哦3.1 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第二页，讲稿共二十七页哦3.1.1 工作原理 线圈自感线圈自感 线圈总磁链线圈总磁链,单位：韦伯；单位：韦伯；I I通过线圈的电流，单位：安培；通过线圈的电流，单位：安培；W W线圈的匝数；线圈的匝数；R Rm m磁路总磁阻，单位：磁路总磁阻，单位：1/1/亨

2、。亨。a)气隙型气隙型 b)截面型截面型 c)螺管型螺管型自感式传感器原理图自感式传感器原理图mRWIWIL2 将被测量的变化转换为自感将被测量的变化转换为自感L的变化，通过一定的转换电路转的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。换成电压或电流输出。空气隙很小空气隙很小第三页，讲稿共二十七页哦202iiiWLlSS102nimiiilRSS l i 各段导磁体的长度；各段导磁体的长度；i 各段导磁体的磁导率；各段导磁体的磁导率；S i 各段导磁体的截面积；各段导磁体的截面积；空气隙的厚度；空气隙的厚度；0 真空磁导率真空磁导率S 空气隙磁通的截面积空气隙磁通的截面积S,fL SfL2

3、1fL 变气隙型传感器变气隙型传感器变截面型传感器变截面型传感器 线圈中放入圆形衔铁（上图线圈中放入圆形衔铁（上图c)，当衔铁上下移动时，也可改变自感，当衔铁上下移动时，也可改变自感，构成构成螺管型传感器螺管型传感器。代入代入Rm，得，得磁路封闭，磁场均匀，若忽略磁路铁损，则总磁路封闭，磁场均匀，若忽略磁路铁损，则总磁阻为磁阻为第四页，讲稿共二十七页哦3.1.2 变气隙式自感传感器 002221112sslslRm通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 111002sls222002sls002sRm20022sWRWLm可见，可见，L与与之间是非线性关系之间

4、是非线性关系 对图（对图（a），磁路总磁阻可写为：），磁路总磁阻可写为：（3.1.6）第五页，讲稿共二十七页哦当衔铁处于初始位置时，当衔铁处于初始位置时，初始电感量为初始电感量为000202sWL 当衔铁上移当衔铁上移时，则时，则 ，代入式代入式（3.1.63.1.6）式并整理得式并整理得00000201)(2LsWLLL0LLL0（3.1.7）20 02WsL第六页，讲稿共二十七页哦0/1当当 时，上式用泰勒级数展开成如下的级数形式时，上式用泰勒级数展开成如下的级数形式 200001LLLL 200001LL 200001LL 30200001LL 302000001LL同理，当衔铁随被测物

5、体的初始位置向下移动时，有同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有（3.1.11）（3.1.13）（3.1.10）0001LLLL 第七页，讲稿共二十七页哦对式对式（3.1.113.1.11）（）（3.1.133.1.13）作线性化处理，即忽略高次项后均可得作线性化处理，即忽略高次项后均可得00LL灵敏度为灵敏度为0001/LLk可见，变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛可见，变间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，故该类传感器适用于测量微小位移场合。盾的，故该类传感器适用于测量微小位移场合。为减小非线性误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器。为减小非线性

6、误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器。（3.1.15）第八页，讲稿共二十七页哦差动变隙式电感传感器 1-1-铁芯；铁芯；2-2-线圈；线圈；3-3-衔铁（与被测件相衔铁（与被测件相连连当衔铁上下移动时，使两个磁回路中的磁阻发生当衔铁上下移动时，使两个磁回路中的磁阻发生大小相等、方向相反大小相等、方向相反的变的变化，导致一个线圈电感量增加，另一线圈电感量减小，形成化，导致一个线圈电感量增加，另一线圈电感量减小，形成差动形差动形式式。使用时，两电感线圈接在交流电桥的。使用时，两电感线圈接在交流电桥的相邻两桥臂相邻两桥臂，另两桥臂，另两桥臂接有电阻。接有电阻。两个完全相同的电感线圈合用一个衔铁和

7、相应磁路两个完全相同的电感线圈合用一个衔铁和相应磁路第九页，讲稿共二十七页哦对上式进行线性处理，即忽略高次项得对上式进行线性处理，即忽略高次项得 002LL灵敏度灵敏度k k0 0为为0002/LLk（1 1）差动变隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。）差动变隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2 2）单线圈是忽略）单线圈是忽略 及以上高次项，差动式是忽略及以上高次项，差动式是忽略 及以上高次项，故差动式及以上高次项，故差动式自感传感器的线性度得到明显改善。自感传感器的线性度得到明显改善。20 30 4020002112LLLL当衔铁上移时，设两个线圈的电感变化量当衔铁上

8、移时，设两个线圈的电感变化量L1、L2 差动传感器电感差动传感器电感总变化量总变化量（3.1.16）（3.1.18）第十页，讲稿共二十七页哦3.1.3 变面积式自感传感器对图对图3.1.1(b)传感器气隙长度传感器气隙长度l保持不变，令磁通截面积随被测非保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变化，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积电量而变化，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自感传感器自感L为为 22000rWWLSK SlllSS KdsdLk0 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

9、呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但与变气隙式与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但与变气隙式自感传感器相比，自感传感器相比，其灵敏度降低其灵敏度降低。第十一页，讲稿共二十七页哦3.1.4 螺线管式自感传感器该类传感器有单线圈（图该类传感器有单线圈（图3.1.1(c)3.1.1(c)和差动式两种；和差动式两种；单线圈螺管式自感传感器单线圈螺管式自感传感器第十二页，讲稿共二十七页哦3.1.4 螺线管式自感传感器螺线管式自感传感器1-1-螺线管线圈螺线管线圈；2-2-螺线管线圈螺线管线圈；3-3-骨架；骨架；4-4-活动铁芯活动铁芯 llrrlWrLLLccr22022010011

10、L10，L20分别为线圈分别为线圈、的初始电感值；的初始电感值；r活动铁芯的相对磁导率活动铁芯的相对磁导率,rc-活动铁芯半径活动铁芯半径差动螺管式电感传感器差动螺管式电感传感器由两个完全相同的螺管相连由两个完全相同的螺管相连，铁芯初始状态处于对称位，铁芯初始状态处于对称位置，使两边螺管的初始电感置，使两边螺管的初始电感值相等，即值相等，即（3.1.21）第十三页，讲稿共二十七页哦当铁芯移动（如右移）当铁芯移动（如右移）x后，使右边电感值增加，左边电感值减小后，使右边电感值增加，左边电感值减小 lxlrrlWrLccr2202111lxlrrlWrLccr2202211根据以上两式，可以求得每

11、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220121221rcWrdLdLkkdxdxl 两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。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r1，而，而lc与与l，rc与与r均有相同数量级，则式均有相同数量级，则式(3.1.21)和式和式(3.1.24)可简化为可简化为 222020100llrWLLLccr222021lrWkkcr（3.1.22）（3.1.23）（3.1.24）可见，当可见，当lc与与l为常数时，增加为常数时，增加W，r，rc都可使都可使L0和和k1（k2）提高。）提高。第十四页，讲稿共二十七页哦

12、3.1.5 自感式传感器测量电路1.1.调幅电路调幅电路2.2.调频电路调频电路 3.3.调相电路调相电路 4.4.自感传感器的灵敏度自感传感器的灵敏度 为测出电感量的变化，需由转换电路将电感量的变化转换为测出电感量的变化，需由转换电路将电感量的变化转换成电压（电流）的变化成电压（电流）的变化。第十五页，讲稿共二十七页哦1.调幅电路 变压器电桥电路变压器电桥电路输出空载电压输出空载电压 2121121022ZZZZuuZZZuu初始平衡状态，初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0当衔铁偏离中间零点时当衔铁偏离中间零点时 0021uZZZ，、ZZZZZZ2102uZuZ使用元件少，输出阻抗小使用

13、元件少，输出阻抗小,获得广获得广泛应用泛应用 传感器两线圈传感器两线圈阻抗阻抗图图3.1.5 变压器电桥变压器电桥 (3.1.28)第十六页，讲稿共二十七页哦同理，当传感器衔铁移动方向相反时同理，当传感器衔铁移动方向相反时，、ZZZZZZ21空载输出电压空载输出电压 两种情况输出的电压大小相等，方向相反，即相位差两种情况输出的电压大小相等，方向相反，即相位差1800。用示波器无法判别交流电压的相位，因此为判别衔铁位移方用示波器无法判别交流电压的相位，因此为判别衔铁位移方向，即要判别信号的相位，需在后续电路中配置向，即要判别信号的相位，需在后续电路中配置相敏检波器相敏检波器来解决。来解决。02u

14、ZuZ 交流电压，无方交流电压，无方向性向性第十七页，讲稿共二十七页哦(2)相敏检波电路相敏检波电路当差动衔铁居中时，当差动衔铁居中时，Z Z1 1=Z=Z2 2=Z=Z，输出电压，输出电压V=0V=0。当衔铁偏离中间位置而使当衔铁偏离中间位置而使Z Z2 2=Z+Z=Z+Z增加，则增加，则Z Z1 1=Z-Z=Z-Z减少。这时当电减少。这时当电源源u u上端为正，下端为负时，电阻上端为正，下端为负时，电阻R R2 2上的压降大于上的压降大于R R1 1上的压降；当上的压降；当u u上端为上端为负，下端为正时，负，下端为正时，R R1 1上压降则大于上压降则大于R R2 2上的压降。则有，此时

15、电压表上的压降。则有，此时电压表V V输出输出下端为正，上端为负。下端为正，上端为负。同理可分析衔铁偏离中间位置使同理可分析衔铁偏离中间位置使Z Z1 1=Z+Z=Z+Z增加，增加，Z Z2 2=Z-Z=Z-Z减少时减少时差动电感传感差动电感传感器线圈阻抗器线圈阻抗两平衡电两平衡电阻相等阻相等相敏整流器相敏整流器交流电源交流电源第十八页，讲稿共二十七页哦非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)(a)非相敏整流电路；（非相敏整流电路；（b b）相敏整流电路相敏整流电路比较上述两种情况知，输出电压的幅值表示了衔铁位移的大小，极性比较上述两种情况知，输出电压的幅

16、值表示了衔铁位移的大小，极性则反映了衔铁移动的方向。则反映了衔铁移动的方向。由上图可见，使用相敏整流，输出电压由上图可见，使用相敏整流，输出电压U U0 0不仅能反映衔铁位移的大小不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除和方向，而且还消除零点残余电压零点残余电压的影响。的影响。第十九页，讲稿共二十七页哦(3)谐振式调幅电路 该电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求该电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。不高的场合。谐振点的电感值谐振点的电感值传感器电感传感器电感第二十页，讲稿共二十七页哦2.调频电路原理：传感器自感原理：传感器自感L变化将引起输出电压频率变化将引起输出

17、电压频率f 的变化的变化 GCLfL变化时，振荡频率随之变化，根据变化时，振荡频率随之变化，根据f大小即可测出被测量的值。当大小即可测出被测量的值。当L微小变微小变化化L后，频率变化后，频率变化f为：为：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。)/()2/(4/)(2/3LLfLCLCfLf0LCf2/1振荡电路振荡电路第二十一页，讲稿共二十七页哦3.调相电路 传感器电感变化将引起输出电压相位变化。设计时使电感传感器电感变化将引起输出电压相位变化。设计时使电感线圈具有较高的线圈具有较高的品质因数品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固。忽

18、略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上的压降定电阻上的压降UL和和UR两个相量垂直。两个相量垂直。2arctan()LR LLRLRL)/(1)/(22相位电桥相位电桥L变化时，输出电压变化时，输出电压U0幅值不变幅值不变，相位角，相位角随之变化。随之变化。第二十二页，讲稿共二十七页哦4.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 0LLkx0cukLL总灵敏度总灵敏度 00zcukk kx指传感器结构（测头）和转换电路综合在一起的总灵敏度。指传感器结构（测头）和转换电路综合在一起的总灵敏度。以调幅电路为例来讨论。以调幅电路为例来讨论。空载输出电压空载输出

19、电压第二十三页，讲稿共二十七页哦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 如对气隙型传感器、采用图如对气隙型传感器、采用图3.1.5的变压器电桥，可得的变压器电桥，可得22201()()2zLukRL 生产中测定传感器的灵敏度是在把传感器接入转换电生产中测定传感器的灵敏度是在把传感器接入转换电路后进行的。规定传感器灵敏度的单位为路后进行的。规定传感器灵敏度的单位为 mV/(mV)，即，即当电源电压为当电源电压为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。第二十四页，讲稿共二十七页哦3.1.6 自感式传感器应用举例自感式位移传感器自感式位移传感器自感式压力传感器自感式压力传感器第二十五页，讲稿共二十七页哦1.自感式位移传感器1 传感器引线传感器引线 2 铁心套筒铁心套筒 3 磁芯磁芯 4 电感线圈电感线圈 5 弹簧弹簧 6 防转件防转件 7 滚珠导轨滚珠导轨 8 测杆测杆 9 密封件密封件 10 玛瑙测端玛瑙测端 螺管式差动自传感器第二十六页，讲稿共二十七页哦2022-9-13感谢大家观看感谢大家观看第二十七页，讲稿共二十七页哦