第六章--电感式传感器优秀PPT.ppt

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1、绪绪 论论 电感式传感器是建立在电磁感电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感的应基础上，利用线圈自感或互感的变更来实现非电量电测的，可分为变更来实现非电量电测的，可分为变磁阻式、变压器式、涡流式等种变磁阻式、变压器式、涡流式等种类。可以测量位移、振动、压力、类。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。流量、比重等参数。Inductive sensors are based on the principle of electromagnetic induction.By use of self-inductance and mutual inductance of coils

2、,inductive sensors can realized the measurements of displacement,pressure,vibration,liquid flux etc.The inductive sensors involve reluctance variation sensors,linear variable differential transformers(LVDTs),eddy current sensors etc.特特 点点（1）工作牢靠、寿命长；）工作牢靠、寿命长；（2）灵敏度高、辨别率高）灵敏度高、辨别率高 位移位移:0.01m;角度角度0.

3、1”;输出信号强，输出信号强，电压灵敏度可达数百电压灵敏度可达数百mV/mm。（3）精度高、线性好）精度高、线性好 在几十在几十m到数百到数百mm的位移范围内，输的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。非出特性的线性度较好，且比较稳定。非线性误差：线性误差：0.05%0.1%；（4）性能稳定、重复性好。）性能稳定、重复性好。不足：存在沟通零位信号，不宜于高频动态测量。不足：存在沟通零位信号，不宜于高频动态测量。6.16.1变磁阻变磁阻(自感自感)式传感器式传感器(reluctance variation sensors)6.1.1工作原理工作原理分类：分类：q 变气隙厚度变气隙厚度的电

4、感式传感器的电感式传感器 (variable gas sensors)q 变气隙面积变气隙面积S S的电感式传感器的电感式传感器 (variable area sensors)q 变铁芯磁导率变铁芯磁导率的电感式传感器的电感式传感器(moving core sensors)自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 1线圈线圈coil；2铁芯铁芯Magnetic core；3衔铁衔铁Moving core变隙式变隙式变截面式变截面式螺线管式螺线管式 线圈线圈 L铁芯铁芯 衔铁衔铁 self-inductance of coil is:L=W/RM (6-1-1)W-number of

5、 turns RM-Reluctance因为气隙较小因为气隙较小(0.11mm)，所以，认为气隙磁场是匀整的，若，所以，认为气隙磁场是匀整的，若忽视磁路铁损，则磁路总磁阻为忽视磁路铁损，则磁路总磁阻为:铁芯磁导率远大于空气铁芯磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小阻远较气隙磁阻小可见，自感可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即是气隙截面积和长度的函数，即Lf(S,)假如假如S保持不变，则保持不变，则L为为的单值函数，构成变隙式自感的单值函数，构成变隙式自感传感器；若保持传感器；若保持不变，使不变，使S随位移变更，则构成变截面随位移变更，则构成变截面式自感传感

6、器。其特性曲线如图。式自感传感器。其特性曲线如图。L=f（S）L=f（）LSL=f()为非线性关系。当为非线性关系。当0时，时，L为为，考虑导磁体的磁阻，考虑导磁体的磁阻，当当0时，并不等于时，并不等于，而具，而具有确定的数值，在有确定的数值，在较小时其较小时其特性曲线如图中虚线所示。如特性曲线如图中虚线所示。如移动衔铁使面积移动衔铁使面积S变更，从而变更，从而变更变更L值时值时,则则Lf(S)的特性曲的特性曲线为始终线。线为始终线。6.1.2等效电路等效电路假设自感线圈为一志向纯电感，但实际传感器中包括：假设自感线圈为一志向纯电感，但实际传感器中包括：线圈的铜损电阻（线圈的铜损电阻（RcRc

7、）、铁芯的涡流损耗电阻（）、铁芯的涡流损耗电阻（ReRe）和线圈的寄生电容（和线圈的寄生电容（C C）。因此，自感传感器的等效）。因此，自感传感器的等效电路如图。电路如图。CLRcRe 一、电感一、电感L L (6-1-3)二、损耗电阻二、损耗电阻RC (6-1-4)(6-1-5)LCRCRe耗散因数耗散因数DC为：为：三、涡流损耗电阻三、涡流损耗电阻Re (6-1-6)耗散因数耗散因数De为：为：(6-1-7)四、耗散因数四、耗散因数D和品质因数和品质因数QD=DC+De+Dh(磁滞损耗磁滞损耗)lgD Dc De Dc+De+DhDc+DeDh fmlgf当频率当频率f 取值取值：;此时耗

8、散因数此时耗散因数D取最小值取最小值:(6-1-8)对应的品质因数对应的品质因数Q的最大值为：的最大值为：(6-1-9)五、有并联寄生电容的电感线圈五、有并联寄生电容的电感线圈不考虑并联寄生电容时：不考虑并联寄生电容时：若考虑并联寄生电容，则若考虑并联寄生电容，则有效灵敏度：有效灵敏度：输出特性分析输出特性分析 一、具有铁芯及小气隙的电感式传感器一、具有铁芯及小气隙的电感式传感器 设磁路总长为设磁路总长为l，且铁芯和衔铁的磁导率相同，且铁芯和衔铁的磁导率相同，截面相等则总磁阻：截面相等则总磁阻：一般，一般，r1，所以：所以：式中式中:e=lr/(l+r)(6-1-12)传感器工作时，若衔铁移动

9、使总气隙削减传感器工作时，若衔铁移动使总气隙削减，则电感增加则电感增加L1L1，由式，由式(6-1-14)(6-1-14)得：得：则则 (6-1-13)式中式中:K=WS0或：或：(6-1-14)(6-1-15)若若(/)/(1+l/r)1，则，则(6-1-15)式可绽开成：式可绽开成：(6-1-16)同理，若气隙增加，则电感减少，则：同理，若气隙增加，则电感减少，则：(6-1-17)忽略高次项，电感变化忽略高次项，电感变化灵敏度灵敏度为：为：(6-1-18)线性度线性度：(6-1-19)LL1L2 L00当当气气隙隙发发生生变变更更时时，自自感感的的变变更更与与气气隙隙变变更更均均呈呈非非线

10、线性性关关系系，其其非非线线性性程程度度随随气气隙隙相相对对变变更更/的的增增大大而而增加；增加；气气隙隙削削减减所所引引起起的的自自感感变变更更L1与与气气隙隙增增加加同同样样所所引引起起的的自自感感变变更更L2并并不不相相等等，即即L1L2，其其差值随差值随l/l的增加而增大。的增加而增大。差动电感传感器差动电感传感器1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件 灵敏度灵敏度:线性度线性度：差差动动式式自自感感传传感感器器的的灵灵敏敏度度比比单单线线圈圈传传感器提高一倍感器提高一倍差差动动式式自自感感传传感感器器非非线线性性失失真真小小,

11、如如当当/=10时时,单单线线圈圈10；而而差差动动式的式的 175502505075100L/mH/mm10025LD432112341 线圈线圈自感特性；自感特性；2 线圈线圈自感特性；自感特性；3 线圈线圈与与差动自感特性；差动自感特性；4 特性曲线特性曲线rx螺旋管螺旋管铁心铁心单线圈螺管型传感器结构图单线圈螺管型传感器结构图l 二二螺管型自感传感器螺管型自感传感器 有单线圈和差动式两种结构形式。有单线圈和差动式两种结构形式。单单线线圈圈螺螺管管型型传传感感器器的的主主要要元元件件为为一一只只螺螺管管线线圈圈和和一一根根圆圆柱柱形形铁铁芯芯。传传感感器器工工作作时时，因因铁铁芯芯在在线

12、线圈圈中中伸伸入入长长度度的的变变更更，引引起起螺螺管管线线圈圈自自感感值值的的变变更更。当当用用恒恒流流源源激激励励时时，则则线线圈圈的的输输出出电电压压与与铁铁芯的位移量有关。芯的位移量有关。螺管线圈内磁场分布曲线螺管线圈内磁场分布曲线rxl1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.60.81.0H（）INlx（l）铁芯在起先插入（铁芯在起先插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏

13、度，并且有较好的线性特性。较好的线性特性。若若被被测测量量与与lc成成正正比比，则则L与与被被测测量量也也成成正正比比。事事实实上上由由于于磁磁场场强强度度分分布布不不匀匀整整，输输入入量量与与输输出出量量之间关系非线性的。之间关系非线性的。为为了了提提高高灵灵敏敏度度与与线线性性度度,常常接接受受差差动动螺螺管管式式自自感感传传感感器器。图图(b)中中H=f(x)曲曲线线表表明明：为为了了得得到到较较好好的的线线性性,铁铁芯芯长长度度取取0.6l时时,则则铁铁芯芯工工作作在在H曲曲线线的的拐拐弯弯处处,此此时时H变变更更小小。这这种种差差动动螺螺管管式式自自感感传传感感器器的的 测测 量量

14、范范 围围 为为(550)mm,非非线线性性误误差差在在0.5左右。左右。2lclc2l线圈线圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（）INl差动螺旋管式自感传感器差动螺旋管式自感传感器(a)结构示意图结构示意图 (b)磁场分布曲线磁场分布曲线x(l)(a)(b)综上所述，螺管式自感传感器的特点：结构简洁，制造装配简洁；由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁阻高，为了达到某一自感量，须要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；要求线圈框架尺寸和形态必需稳定，否则影响其线性和稳

15、定性。E/2 Z1 E B A E/2 Z2 U0 图中图中A点的电压为：点的电压为：图中图中B点的电压为：点的电压为：6.1.46.1.4传感器的信号调整电路传感器的信号调整电路输出电压：输出电压：(6-1-23)探讨：探讨：（1）当铁芯处于中间位置时，）当铁芯处于中间位置时，Z1=Z2=Z，这时，这时U0=0,电电 桥平衡；桥平衡；（2）当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加：）当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加：Z2=Z+Z，上面线圈的阻抗减小：，上面线圈的阻抗减小：Z1=Z-Z 式式(6-1-23)得：得：(6-1-24)或：或：(6-1-25)反之，当铁芯向上移动同样大小的距离时，反

16、之，当铁芯向上移动同样大小的距离时，Z2=Z-Z，Z1=Z+Z，则式则式(6-1-23)得：得：(6-1-26)6.1.56.1.5影响传感器精度的因素分析影响传感器精度的因素分析一、电源电压和频率的波动影响一、电源电压和频率的波动影响二、温度变更的影响二、温度变更的影响三、非线性特性的影响三、非线性特性的影响四、输出电压与电源电压之间的相位差四、输出电压与电源电压之间的相位差11志向特性曲线志向特性曲线 2 2实际特性曲线实际特性曲线六、零点残余电压六、零点残余电压零点残余电压零点残余电压6.1.66.1.6电感式传感器的应用电感式传感器的应用1.translational or rotar

17、y motion measurementTo translational motion measurement sensors:Stroke:0.1 to 200 in.Resolution:infinitesimalNon-linearity:1%of full scale for standard units,0.02%for special units of rather long strokeSensitivity:5 to 40 V/in.To rotary motion measurement sensors:Non-linearity of the order of(0.5 to

18、 1)%of full scale over a 45rangeSensitivity:0.1V/degMotion frequency measured:up to 15kHz2.acceleration measurementmassAcceleration input U0Excitation 10V,10,000HzCantilever springflux6.26.2差动变压器差动变压器(linear variable differential transformers(LVDTs)分分气气隙隙型型和和差差动动变变压压器器两两种种。目目前前多多接接受受螺螺管管型型差差动动变压器。变压

19、器。1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243123(a)气隙型(b)螺管型基本元件有衔铁、初级线基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。螺管当于变压器的副边。螺管形差动变压器依据初、次形差动变压器依据初、次级排列不同有二节式、三级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等节式、四节式和五节式等形式。形式。321212112(a)(

20、b)(c)(d)12112差动变压器线圈各种排列形式1 初级线圈；2 次级线圈；3 衔铁3三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线三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。性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。6.2.16.2.1螺管形差动变压器螺管形差动变压器一、工作原理一、工作原理:The linear variable differential transformer shown in figure is usually designed by the acronym LVDT.It is based on the vari

21、ation in mutual inductance between a primary winding and each of two secondary windings when a ferromagnetic core moves along its inside初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈1次级线圈次级线圈2在志向状况下(忽视线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。初级线圈的复数电流值为e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1 e1初级线圈激励电压L1,R1初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电

22、感R21,R22两个次级线圈的电阻I1激励电压的角频率；e1激励电压的复数值；由于Il的存在，在次级线圈中产生磁通Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级线圈匝数。(3)磁芯下降时，磁芯下降时，M1=M-M，M2=M+M，则则 (6-2-3)探讨探讨:（2）磁芯上升时，）磁芯上升时，M1=M+M，M2=M-M，则则 (6-2-2)（1）磁芯处于中间平衡位置时，互感）磁芯处于中间平衡位置时，互感M1=M2=M，则则U2=0；2、灵敏度、灵敏度定义：差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动定义：差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动单位距离时的输出电压；单位：单位距离时的输出

23、电压；单位：V/mm/V；3、频率特性、频率特性0 2 4 6 8 10 f/kHzK(V/mm/V)当负载阻抗与差动变当负载阻抗与差动变压器内阻相比很大时：压器内阻相比很大时：fe=(1+n)RP/2LP一般频率选择为：一般频率选择为：(11.4)fe ES US tg-1LS/(RL+RS)tg-1 RP/LP EP IP 4、相位、相位灵敏度灵敏度 RL=50KRL=10KRL=5K100 500 1000 5000 f/Hz初级电压与次级电压相位一样时初级电压与次级电压相位一样时的激磁频率应满足：的激磁频率应满足：f0=(2)-1RP(RL+RS)/LPLS (6-2-4)志志向特性向

24、特性 60一般为线圈骨架全长的一般为线圈骨架全长的1/10左右左右 实际实际特性特性 -x 0 x 6、温度特性、温度特性差动变压器的运用温度通常为差动变压器的运用温度通常为80 -120 6.2.2差动变压器的信号调整电路差动变压器的信号调整电路 一、相敏检波电路一、相敏检波电路5、线性范围、线性范围LVDTPhase-sensitive demodulatorLow-pass filterLVDTPhase-sensitive demodulatorLow-pass filter C1 R3 X R6 u2 R1 A1 A2 u4 +u3 R4 R5 +R2 E1 移相器移相器 V1 低通

25、滤波器低通滤波器 R3 U2 R1 V-A1 R2 V+U3 R 1）当）当E1为正半周，调整移相器使其将输入信号移相为正半周，调整移相器使其将输入信号移相180，则三极管，则三极管V1截止，截止，运放运放A1电路等效为：电路等效为：则：则：(6-2-5)另：另：(6-2-6)因为：因为：V+=V-则由式则由式(6-2-5)和和(6-2-6)：解之得：解之得：结论结论：同相放大，放大倍数为同相放大，放大倍数为1；2）当）当E1为负半周，此时三极管为负半周，此时三极管V1导通，运放导通，运放A1等效电等效电路路：R3 U2 R1 A1 U3 (6-2-7)当当R3=R1 时，时，结论结论：反相放

26、大，放大倍数为反相放大，放大倍数为1；E1 t X t U2 t U3 t U4 t 一、基本原理一、基本原理 H1 1.什么是涡流什么是涡流 线圈线圈 i1 x H2 i26.36.3涡流式传感器涡流式传感器(Eddy current sensors)R1I1+jL1I1-jMI2=U -jMI1+R2I2+jL2I2=0 i1 M i2解得线圈受导体影响后的阻抗：解得线圈受导体影响后的阻抗：R1 R2 U L1 L2 Z=R1+R2M/(R2+L2)+jL1-L2M/(R2+L2)(6-3-1)二、电涡流的形成范围二、电涡流的形成范围 1、电涡流与距离的关系、电涡流与距离的关系 I2/I1

27、 I2=I11-x/x+r0 (6-3-2)式中：式中：I1线圈中的激励电流；线圈中的激励电流；x线圈与导体间的距离；线圈与导体间的距离；r0线圈的外半径；线圈的外半径；0 1 2 3 4 5 x/r02、电涡流的径向形成范围、电涡流的径向形成范围 Ir/I0 1.0 0 0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 r/r03、电涡流的轴向贯穿深度、电涡流的轴向贯穿深度(penetration depth)Ih=I0e-x/t (6-3-3)式中：式中：Ih距导体表面深度为距导体表面深度为h 处的电涡流；处的电涡流；I0 导体表面电涡流；导体表面电涡流；x导体中某点离表面的距离；导体中某点离表面的

28、距离；t电涡流的贯穿深度，该处电涡流为电涡流的贯穿深度，该处电涡流为I0/e;贯穿深度贯穿深度:t=0 rf (6-3-4)Ih/I0 I 1.0 f1f2f3 x=0.05 r01/e x=0.15 r0 x=0.3 r0 0 t1 t2 t3 x 0 0.2 0.6 1.0 1.4 r/r0三、电涡流式传感器的设计三、电涡流式传感器的设计1、线圈的形态和大小、线圈的形态和大小2、线圈的阻抗、线圈的阻抗3、线圈的结构、线圈的结构 不同尺寸的线圈不同尺寸的线圈 ri r0 b B B B 6#7#2#3#11#4#0 x 0 x 0 x线圈自感系数：线圈自感系数：L=N D 10-7/(0.0

29、369+0.14K1+0.124K2)(mH)式中：式中：K1=b/D;K2=c/D;D线圈的平均直径；单位线圈的平均直径；单位mm;b 线圈的宽度；单位线圈的宽度；单位mm;c线圈的径向厚度；单位线圈的径向厚度；单位mm;N线圈匝数；线圈匝数；四、测量电路四、测量电路低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 u L1 E I t t E L2轴向式电感测微器的内部结构轴向式电感测微器的内部结构 11引引线电缆线电缆 2 2固定磁筒固定磁筒 33衔铁衔铁 4 4线线圈圈 5 5测测力力弹弹簧簧 6 6防防转销转销 7 7钢钢球球导轨导轨（直（直线轴线轴承）承）8 8测测杆杆 9 9密封套密封套

30、 10 10测测端端 11 11被被测测工件工件 1212基准面基准面 二、电感式滚柱直径分选装置二、电感式滚柱直径分选装置 11气缸气缸 2 2活塞活塞 3 3推杆推杆 4 4被被测滚测滚柱柱 5 5落料落料管管 6 6电电感感测测微器微器 7 7钨钢测头钨钢测头 8 8限位限位挡挡板板 9 9电电磁翻板磁翻板 10 10容器（料斗）容器（料斗）电感式不圆度计原理电感式不圆度计原理 该圆度计接受旁向式电感测微头该圆度计接受旁向式电感测微头电感式不圆度测量系统外形电感式不圆度测量系统外形（参考（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋转盘旋转盘测量测量头头压力测量压力测量 1压压力力输输入入接接头头 2水水纹纹膜盒膜盒 3电缆电缆 4印制印制线线路板路板 5差差动线动线圈圈 6衔铁衔铁 7电电源源变压变压器器 8罩壳罩壳 9指示灯指示灯 10密封隔板密封隔板 11安装底座安装底座