第03章电感式传感器PPT讲稿.ppt

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1、第第03章电感式传感器章电感式传感器第1页，共45页，编辑于2022年，星期日线圈的电感可用下式表示：线圈的电感可用下式表示：式中，式中，N为线圈匝数；为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。为磁路总磁阻。对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损铁损，则磁路总磁阻为，则磁路总磁阻为式中，式中，l1为铁心磁路长；为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；为衔铁磁路长；A为截面积；为截面积；1 1为铁心磁导率；为铁心磁导率；2 2为衔铁磁导率；为衔铁磁导率；0 0为空气磁导为空气磁导率；率；为空气隙厚度。为空气隙厚度。因此有：因此有：一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的

2、，因此线圈的电感值可近似地表示为一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为 第2页，共45页，编辑于2022年，星期日2.变面积型变面积型 气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器变面积型电感传感器，其结构示意图见下图。，其结构示意图见下图。通过对式通过对式 的分析可知，线圈电感量的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积与气隙厚度是非线性的，

3、但与磁通截面积A却是却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图4.1.3。第3页，共45页，编辑于2022年，星期日3.螺管型螺管型 如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁，也是如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位移，自感量将相一个可变自感。使衔铁上下位移，自感量将相应变化，这就可构成应变化，这就可构成螺管型传感器螺管型传感器。通过以上三种形式的电感式传感器的分析通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论可以得出以下几点结论:1.变间隙型灵敏度较高变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大但非线性误差较大,且制作装配比较困难

4、。且制作装配比较困难。2.变面积型灵敏度较前者小变面积型灵敏度较前者小,但线性较好但线性较好,量程较大量程较大,使用比较广泛。使用比较广泛。3.螺管型灵敏度较低螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最是使用最 广广泛的一种电感式传感器。泛的一种电感式传感器。第4页，共45页，编辑于2022年，星期日3.1.2 互感式传感器互感式传感器 互感式传感器本身是其互感系数可互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次线圈接入激励电压变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互后，二次线圈将产生感应电压输出，互感变化

5、时，输出电压将作相应变化。一感变化时，输出电压将作相应变化。一般，这种传感器的二次线圈有两个，接般，这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。压器式传感器。这种传感器的工作原理如右图所示。这种传感器的工作原理如右图所示。第5页，共45页，编辑于2022年，星期日螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器1.工作原理工作原理螺线管式差动变压器结构第6页，共45页，编辑于2022年，星期日螺线管式差动变压器按线圈绕组排列方式不同可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型，如图3-15所示。一节式灵敏度高，三节式零点残余电压较小，通常采

6、用的是二节式和三节式两类。图3-15线圈排列方式（a）一节式;（b）二节式;（c）三节式;（d）四节式;（e）五节式第7页，共45页，编辑于2022年，星期日差动变压器式传感器中的两个次级线圈反相串联，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,其等效电路如图3-16所示。当初级绕组加以激励电压U时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势E2a和E2b。如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理,将有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联,因而Uo=E2a-E2b=0,即差动变压

7、器输出电压为零。.第8页，共45页，编辑于2022年，星期日图3-16差动变压器等效电路第9页，共45页，编辑于2022年，星期日2.基本特性基本特性差动变压器等效电路如图3-16所示。当次级开路时(3-30)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。.第10页，共45页，编辑于2022年，星期日根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为(3-31)(3-32)式中，M1、M2为初级绕组与两次级绕组的互感。由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得(3-33)第11页，共45页，编辑于2022年，星期日输出电压

8、的有效值为(3-34)上式说明，当激磁电压的幅值U和角频率、初级绕组的直流电阻r1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。因此，只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，再代入式（3-33）即可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。第12页，共45页，编辑于2022年，星期日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。.第13页，共45页，编辑于2022年，星期日活动衔铁向下移动时M1=M-M，M2=M+M故与E2b同极性。.第14页，共45页，编辑于2022年，星期日3.2

9、转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度被测量被测量 x L(M)转换电路及信转换电路及信号调节号调节电量电量传感器转换电路调幅电路调频电路调相电路第15页，共45页，编辑于2022年，星期日调幅式转换电路形式：调幅式转换电路形式：1、交流电桥：（电阻式传感器）、交流电桥：（电阻式传感器）电桥平衡条件：电桥平衡条件：Z1 Z4=Z2Z3 1+4=2+3输出电压：输出电压：第16页，共45页，编辑于2022年，星期日输出空载电压：输出空载电压：设初始平衡状态（理想情况磁芯在中间位置），设初始平衡状态（理想情况磁芯在中间位置），Z1=Z2=Z，u0=0，当磁芯偏离中间位置时，当磁芯偏离中间位置

10、时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，有：，有：2、变压器电桥、变压器电桥：（：（右图所示）右图所示）第17页，共45页，编辑于2022年，星期日当磁芯反向偏离时，当磁芯反向偏离时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，有：，有：阻抗阻抗 Z的变化取决于损耗电阻变化的变化取决于损耗电阻变化 R及感抗变化及感抗变化 L两部分。两部分。RcReh自感线圈的等效电路如右图所示自感线圈的等效电路如右图所示此时，输出电压可写成下式，此时，输出电压可写成下式，Q为品质因数为品质因数第18页，共45页，编辑于2022年，星期日当品质因数很大，当品质因数很大，R/R可以忽略时：可以忽略时：调频电路的基本原理是传感器自感调频电

11、路的基本原理是传感器自感L的变的变化引起输出电压频率化引起输出电压频率f的变化。一般是把传感器自的变化。一般是把传感器自感感L和一个固定电容和一个固定电容C接入一个振荡回路中，如接入一个振荡回路中，如右图右图a所示。图中所示。图中G表示振荡回路，其振荡频率，表示振荡回路，其振荡频率，当当L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的大小的大小即可算出被测量。图即可算出被测量。图b给出了给出了f与与L的特性曲线，的特性曲线，它存在严重的非线性。它存在严重的非线性。调频式转换电路形式：调频式转换电路形式：第19页，共45页，编辑于2022年，星期日 调相电路的基本原理是传感器电

12、感调相电路的基本原理是传感器电感L变化会引起输出电压相位变化，下图变化会引起输出电压相位变化，下图a所示是一个相位电桥，一臂为传感器所示是一个相位电桥，一臂为传感器L，一臂为固定电阻，一臂为固定电阻R。设计时使电感线圈。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降二个向量是互具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降二个向量是互相垂直的，如下图相垂直的，如下图b所示。当电感所示。当电感L变化时，输出电压的幅值不变，相位角随之变化变化时，输出电压的幅值不变，相位角随之变化。调相式转换电路形式：调相式转换电路形式：第20页，共45页，编辑于2022年，

13、星期日 自感传感器的自感传感器的灵敏度灵敏度是指传感器结构是指传感器结构(测头测头)和转换电路综合在一起的总灵敏度。和转换电路综合在一起的总灵敏度。传感器的灵敏度传感器的灵敏度(单位：单位：mV/（m V）)传感器结构灵敏度传感器结构灵敏度kt定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即 (1式式)转换电路的灵敏度转换电路的灵敏度kc定义为空载输出电压定义为空载输出电压uo与自感相对变化之比，即与自感相对变化之比，即 (2式式)由式由式(1式式)和式和式(2式式)可得可得总灵敏度总灵敏度为为 第21页，共45页，编辑于2022年，星期

14、日3.3 零点残余电压零点残余电压 衔铁位移衔铁位移x与电桥输出电压与电桥输出电压Uo有效值的关系曲线，如右有效值的关系曲线，如右图所示。图所示。虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为的输出电压称为零点残余电压零点残余电压，并用，并用e0表示。表示。零残电压过大带来的影响：零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。测量有用的信号被淹没，不再

15、反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。产生的原因产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称：两电感线圈的等效参数不对称第22页，共45页，编辑于2022年，星期日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、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。的残余应力，使其性能均匀稳定。2.2.选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性，减小选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向双可

16、改善输出特性，减小零点残余电动势。零点残余电动势。3.3.采用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器二次侧串、采用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。第23页，共45页，编辑于2022年，星期日3.4 应用举例应用举例下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器 测头测头测杆测杆电感电感线圈线圈磁芯磁芯第24页，共45页，

17、编辑于2022年，星期日下图是气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图下图是气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图 气体压力传感器气体压力传感器 加速度计用传感器加速度计用传感器第25页，共45页，编辑于2022年，星期日旁向式差动电感式传感器旁向式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：0.05m第26页，共45页，编辑于2022年，星期日特点：特点：不仅可以测量微米级直径，而且通过其在

18、孔内旋转和平移可以测量其椭圆度和圆柱度被测孔内径范围:2525120mm 120mm 测量力：1.30.31.30.3N N示值变动性：1 1m m特点：特点：不仅可以测量微米级直径，还可以测量轴的椭圆度和圆柱度被测轴直径范围:2525120mm 120mm 测量力：41.541.5N N示值变动性：1 1m m电子卡规、塞规电子卡规、塞规电子卡规、塞规电子卡规、塞规第27页，共45页，编辑于2022年，星期日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：0.5m第28页，共45页，编辑于2022年，星期日

19、3.5 电涡流式传感器电涡流式传感器 涡涡流流效效应应：金金属属导导体体置置于于变变化化着着的的磁磁场场中中，导导体体内内就就会会产产生生感感应应电电流流，这这种种电电流流像像水水中中旋旋涡涡那那 样样 在在 导导 体体 内内 转转 圈圈，所所 以以 称称 之之 为为电电 涡涡 流流或或涡涡 流流。这这 种种 现现 象象 就就 称称 为为涡涡 流流 效效 应应。3.5.1 工作原理工作原理形成涡流条件存在交变磁场导电体处于交变磁场中第29页，共45页，编辑于2022年，星期日如下图如下图a所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交

20、变电流I1时，线圈周围就时，线圈周围就产生一个交变磁场产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图b的等效电路。的等效电路。a)电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图b)电涡流传感器等效电路图电涡流传感器等效电路图第30页，共45页

21、，编辑于2022年，星期日根据等效电路可列出电路方程组：根据等效电路可列出电路方程组：通过解方程组，可得通过解方程组，可得I1、I2。因此传感器线圈的复阴抗为：因此传感器线圈的复阴抗为：线圈的等效电感为线圈的等效电感为：第31页，共45页，编辑于2022年，星期日3.5.2 转换电路转换电路（一）电桥电路法（一）电桥电路法 图中图中A、B为传感器线圈，它们与电容为传感器线圈，它们与电容C1、C2，电阻电阻R1、R2组成电桥的四个臂。当传感组成电桥的四个臂。当传感器线圈的阻抗变化时，电桥失去平衡。电桥的器线圈的阻抗变化时，电桥失去平衡。电桥的不平衡输出经线性放大和检波，这种方法电路不平衡输出经线

22、性放大和检波，这种方法电路简单，主要用在差动式电涡流传感器中。简单，主要用在差动式电涡流传感器中。第32页，共45页，编辑于2022年，星期日（二）谐振电路法（二）谐振电路法调幅法调幅法 调频法调频法下图下图a是调幅法测量电路的是调幅法测量电路的原理图原理图 下图下图b调频法测量电路的原理图。调频法测量电路的原理图。第33页，共45页，编辑于2022年，星期日 b)a)第34页，共45页，编辑于2022年，星期日（三）正反馈法（三）正反馈法 正反馈法的测量原理如右图所示，正反馈法的测量原理如右图所示，其特点是放大器的反馈回路是由电涡其特点是放大器的反馈回路是由电涡流传感器的线圈组成。线圈阻抗变

23、化流传感器的线圈组成。线圈阻抗变化时，反馈放大电路的放大倍数发生变时，反馈放大电路的放大倍数发生变化，从而引起输出电压的变化。因此，化，从而引起输出电压的变化。因此，可以由输出电压的变化来检测传感器可以由输出电压的变化来检测传感器与被测体之间距离的变化。与被测体之间距离的变化。第35页，共45页，编辑于2022年，星期日3.5.3 低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器 这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。右图所示为这深度，适合于测量金属材料的厚度。右图所示为这种传感器的原理图和输出特性。种传感器的原理图和输出特

24、性。传感器包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。由振荡器产传感器包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。由振荡器产生的低频电压生的低频电压u1加到发射线圈加到发射线圈L1两端，于是在接收线圈两端，于是在接收线圈L2两端将产生感应电压两端将产生感应电压u2，它的大小与它的大小与u1的幅值、频率以及两个线圈的匝数、结构和两者的相对位置有关。若两线的幅值、频率以及两个线圈的匝数、结构和两者的相对位置有关。若两线圈间无金属导体，则圈间无金属导体，则L2的磁力能较多穿过的磁力能较多穿过L2，在在L2上产生的感应电压上产生的感应电压u2最大最大.第36页，共45页，编辑于2022

25、年，星期日3.6 压磁式传感器压磁式传感器 铁磁材料的压磁效应的具体内容为：铁磁材料的压磁效应的具体内容为：材料受到压力时，在作用力方向磁导率材料受到压力时，在作用力方向磁导率减小，而在作用力相垂直方向，减小，而在作用力相垂直方向，略有增大；作略有增大；作用力是拉力时，其效果相反；用力是拉力时，其效果相反；作用力取消后，磁导率复原；作用力取消后，磁导率复原；铁磁材料的压磁效应还与外磁场强度有关。铁磁材料的压磁效应还与外磁场强度有关。右图所示为压磁式压力传感器右图所示为压磁式压力传感器(又称为磁弹性又称为磁弹性传感器传感器)结构简图示例。结构简图示例。它由压磁元件它由压磁元件1、弹性支架、弹性支

26、架2、传力钢球、传力钢球3组组成成 压磁式传感器结构简图压磁式传感器结构简图 第37页，共45页，编辑于2022年，星期日 压磁元件压磁元件(如下图所示如下图所示)的中间部分开有四个对称的小孔的中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和和4，在孔，在孔1、2间绕间绕有励磁绕组有励磁绕组N12、孔、孔3、4间绕有输出绕组间绕有输出绕组N34。第38页，共45页，编辑于2022年，星期日3.7 感应同步器感应同步器原理原理两个平面形绕组的互感随位置不同而变化两个平面形绕组的互感随位置不同而变化 长感应同步器长感应同步器-测量直线位移测量直线位移圆感应同步器圆感应同步器-测量转角位移测量转角位移组成组成

27、=定尺定尺+滑尺（如图）滑尺（如图）组成组成=转子转子+定子（如图）定子（如图）长感应同步器示意图长感应同步器示意图 a）定尺）定尺 b)转尺转尺第39页，共45页，编辑于2022年，星期日 圆感应同步器示意图圆感应同步器示意图 a）定子）定子 b)转子转子第40页，共45页，编辑于2022年，星期日感应同步器的优点感应同步器的优点具有较高的精度与分辨力。具有较高的精度与分辨力。抗干扰能力强。抗干扰能力强。使用寿命长，维护简单。使用寿命长，维护简单。可以作长距离位移测量。可以作长距离位移测量。工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。由于感应同步器具有上述

28、优点，长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中动态测量中;圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。控制系统中。第41页，共45页，编辑于2022年，星期日感应同步器的工作原理图如下：感应同步器的工作原理图如下：通电流的矩形线圈中的磁场分布通电流的矩形线圈中的磁场分布第42页，共45页，编辑于2022年，星期日励磁方式励磁方式 1鉴相方式鉴相方式 正弦绕组励磁电压正弦绕组励磁电压 余弦绕组励磁电压余弦绕组励磁电压 两个励磁绕组分

29、别在定尺绕组上感应出电动势，其值分别为两个励磁绕组分别在定尺绕组上感应出电动势，其值分别为第43页，共45页，编辑于2022年，星期日按叠加原理求得定尺按叠加原理求得定尺总总感感应电动势为应电动势为2鉴幅方式鉴幅方式 加到转尺两相绕组交流励磁电压如下：加到转尺两相绕组交流励磁电压如下：它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为第44页，共45页，编辑于2022年，星期日定尺的总感应电动势为定尺的总感应电动势为采用函数变压器使励磁电压幅值为采用函数变压器使励磁电压幅值为式中的式中的d为励磁电压的电相角，则感应电动势可写成为励磁电压的电相角，则感应电动势可写成The end!第45页，共45页，编辑于2022年，星期日