传感器原理及应用-第4章 - 4.1 变磁阻式电感传感器.ppt

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1、电磁电磁电磁电磁感应感应感应感应 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量自感系数自感系数自感系数自感系数L L L L互感系数互感系数互感系数互感系数MMMM测量测量测量测量电路电路电路电路U UU U、I I I I、f f f f 第4章 电感式传感器 uu电感式传感器的定义电感式传感器的定义电感式传感器的定义电感式传感器的定义 一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量测量的装置。一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量测量的装置。一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量测量的装置。一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量测量的装置。uu电感式传感器的感测量电感式传感器的感测量电感式传感器的感测

2、量电感式传感器的感测量 位移、振动、压力、应变、流量、比重等。位移、振动、压力、应变、流量、比重等。位移、振动、压力、应变、流量、比重等。位移、振动、压力、应变、流量、比重等。uu电感式传感器的种类电感式传感器的种类电感式传感器的种类电感式传感器的种类 根根根根据据据据转转转转换换换换原原原原理理理理：自自自自感感感感式式式式（変変変変磁磁磁磁阻阻阻阻式式式式）、互互互互感感感感式式式式（差差差差动动动动变变变变压压压压器式）、电涡流式三种；器式）、电涡流式三种；器式）、电涡流式三种；器式）、电涡流式三种；根据结构形式：根据结构形式：根据结构形式：根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。气隙型、

3、面积型和螺管型。气隙型、面积型和螺管型。气隙型、面积型和螺管型。第4章 电感式传感器 uu电感式传感器的优点电感式传感器的优点电感式传感器的优点电感式传感器的优点 结构简单、可靠结构简单、可靠结构简单、可靠结构简单、可靠 分辨率高分辨率高分辨率高分辨率高 机械位移机械位移机械位移机械位移0.1m0.1m0.1m0.1m，甚至更小；角位移，甚至更小；角位移，甚至更小；角位移，甚至更小；角位移0.10.10.10.1角秒。角秒。角秒。角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm mV/mm mV/mm mV

4、/mm。重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良 在几十在几十在几十在几十mmmm到数百到数百到数百到数百mmmmmmmm的位移范围内，输出特性的线性度较好，的位移范围内，输出特性的线性度较好，的位移范围内，输出特性的线性度较好，的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。且比较稳定。且比较稳定。且比较稳定。能实现远距离传输、记录、显示和控制能实现远距离传输、记录、显示和控制能实现远距离传输、记录、显示和控制能实现远距离传输、记录、显示和控制uu电感式传感器的不足电感式传感器的不足电感式传感器的不足电感式传感器的不足 不宜高频动态测量。不宜高频动态测

5、量。不宜高频动态测量。不宜高频动态测量。第4章 电感式传感器 4.1变磁阻式电感传感器变磁阻式电感传感器4.2差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器4.3电涡流式传感器电涡流式传感器4.4电感式传感器的应用电感式传感器的应用一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4

6、.1 变磁阻式电感传感器变变磁磁阻阻式式传传感感器器即即自自感感式式电电感感传传感感器器：利用线圈自感量的变化来实现测量的。利用线圈自感量的变化来实现测量的。传传感感器器结结构构：线线圈圈、铁铁芯芯和和衔衔铁铁三三部部分组成。分组成。一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理4.1 变磁阻式电感传感器线圈中电感量：线圈中电感量：线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁工工作作原原理理：铁铁芯芯和和衔衔铁铁由由导导磁磁材材料料如如硅硅钢钢片片或或坡坡莫莫合合金金制制成成，在在铁铁芯芯和和衔衔铁铁之之间间有有气气隙隙，气气隙隙厚厚度度为为，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。当当被被测

7、测量量变变化化时时，使使衔衔铁铁产产生生位位移移，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圈的线圈的电感量变化电感量变化。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，就能确定就能确定衔铁位移量的大小和方向衔铁位移量的大小和方向。总磁阻总磁阻总磁阻总磁阻线圈匝数线圈匝数线圈匝数线圈匝数一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理4.1 变磁阻式电感传感器磁导率磁导率磁导率磁导率H/mH/m线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性三

8、、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器变磁阻式传感器即自感式电感传感器的基本类型：变磁阻式传感器即自感式电感传感器的基本类型：二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型4.1 变磁阻式电感传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁（1 1）变气隙厚度式）变气隙厚度式（2 2）变气隙面积式）变气隙面积式变截面式和螺管式变截面式和螺管式变气隙变气隙变气隙变气隙厚度式厚度式厚度式厚度式

9、螺管式螺管式螺管式螺管式线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔衔铁铁移移动动方方向向变气隙截变气隙截变气隙截变气隙截面式面式面式面式一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性4.1 变磁阻式电感传感器

10、线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔衔铁铁移移动动方方向向因因此此，输输出出电电感感的的变变化化与与截截面面面面积积的变化成线性关系。的变化成线性关系。三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性4.1 变磁阻式电感传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔衔铁铁移移动动方方向向输输出出电电感感灵灵敏敏度度与与初初始始截截面面面面积积的的成反比关系。成反比关系。因因此此既既可可确确定定衔衔铁铁位位移移量量的的大大小小又又可确定方向。可确定方向。输出电感灵敏度输出电感灵敏度三、变截面式自感传感器的输出特性三、变截面式自感传感器的输出特性4.1 变磁阻式电感传感器一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式

11、传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性4.1 变磁阻式电感传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性4.1 变磁阻式电感传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁四、变间隙式自感传感器输

12、出特性四、变间隙式自感传感器输出特性4.1 变磁阻式电感传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁因因此此既既可可确确定定衔衔铁铁位位移移量量的的大大小小又又可可确定方向。确定方向。忽略高次项忽略高次项线性处理线性处理四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性4.1 变磁阻式电感传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁电感灵敏度电感灵敏度 为为了了减减小小非非线线性性误误差差，实实际际测测量量中中广广泛泛采采用用差差动动变变隙隙式式电电感感传传感感器。器。一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面

13、式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器4.1 变磁阻式电感传感器在在实实际际使使用用中中，常常采采用用两两个个相相同同的的传传感感线线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。差动结构的特点：差动结构的特点：（1）改善线性、提高灵敏度外；）改善线性、提高灵敏度外；（2）补补偿偿温温度度变变化化、电电源源频频率率变

14、变化化等等的的影影响，从而减少了外界影响造成的误差。响，从而减少了外界影响造成的误差。差动变间隙式传感器差动变间隙式传感器1-线圈线圈2-铁芯铁芯3-衔铁衔铁4-导杆导杆123444321314差动螺差动螺差动螺差动螺管式管式管式管式差动变差动变差动变差动变截面式截面式截面式截面式三种基本类型：三种基本类型：一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路

15、六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路4.1 变磁阻式电感传感器等效线圈阻抗为等效线圈阻抗为 电电感感式式传传感感器器的的线线圈圈并并非非是是纯纯电电感感，该该电电感感由由有有功功分分量量和和无无功功分分量两部分组成。量两部分组成。有有功功分分量量包包括括：线线圈圈线线绕绕电电阻阻和和涡涡流流损损耗耗电电阻阻及及磁磁滞滞损损耗耗电电阻阻，这这些些都都可可折折合合成成为为有有功功电电阻阻，其其总总电阻可用电阻可用R R来表示；来表示；无无功功分分量量包包含含：线线圈圈的的自自感感

16、L,L,绕绕线线间间分分布布电电容容，为为简简便便起起见见可可视视为集中参数，用为集中参数，用C C来表示。来表示。电感式传感器的等效电路电感式传感器的等效电路一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测

17、量电路4.1 变磁阻式电感传感器电感式传感器的测量电路：电感式传感器的测量电路：交交流流电电桥桥、变变压压器器式式交交流流电电桥桥以以及及谐振式等。谐振式等。1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路电桥输出电压为电桥输出电压为七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器线性处理后电桥输出电压为线性处理后电桥输出电压为1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路 变变间间隙隙差差动动式式电电感感传传感感器器的的灵敏度是单线圈式的两倍。灵敏度是单线圈式的两倍。差动式的线性度明显改善。差动式的线性度明显改善。设：设：曲线曲线1 1、2 2为两线圈各自电感特性

18、；为两线圈各自电感特性；曲线曲线3 3为两线圈差接时的电感特性；为两线圈差接时的电感特性；曲曲线线4 4为为差差接接后后电电桥桥输输出出电电压压与与衔衔铁铁位移的特性曲线。位移的特性曲线。七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路U0L/mH/mmL043211234-变变压压器器式式交交流流电电桥桥测测量量电电路路，电电桥桥两两桥桥臂臂分分别别为为传传感感器器两两线线圈圈的的阻阻抗抗，另另外外两两桥桥臂臂分分别别为为电电源源变变压压器器的的两两次次级级线线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。圈，其阻抗为次级线圈总

19、阻抗的一半。七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥Z1Z2IABCD当当负负载载阻阻抗抗为为无无穷穷大大时时，桥桥路路输输出出电压为电压为 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥当当衔衔铁铁上上下下移移动动相相同同距距离离时时，电电桥桥输输出出电电压压大大小小相相等而相位相反。等而相位相反。Z1Z2IABCD七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥两类谐

20、振式测量电路：两类谐振式测量电路：谐振式调幅电路；谐振式调频电路谐振式调幅电路；谐振式调频电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器3 3、谐振式测量电路、谐振式测量电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器3 3、谐振式测量电路、谐振式测量电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器4 4、零点残余电压、零点残余电压七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器4 4、零点残余电压、零点残余电压（1 1）零点残余电压产生原因）零点残余电压产生原

21、因零零点点残残余余电电压压主主要要由由基基波波分分量量和和高高次次谐波分量组成。谐波分量组成。两两电电感感线线圈圈的的电电气气参参数数及及导导磁磁体体几几何何尺尺寸寸不不完完全全对对称称，在在两两电电感感线线圈圈上上的的电电压压幅幅值值和和相相位位不不同同，从从而而形形成成零零点点残残余余电压的电压的基波分量基波分量。传传感感器器导导磁磁材材料料磁磁化化曲曲线线的的非非线线性性（如如铁铁磁磁饱饱和和、磁磁滞滞损损耗耗），使使激激励励电电流流与与磁磁通通波波形形不不一一致致，从从而而形形成成零零点点残残余余电压的电压的高次谐波分量高次谐波分量。（2 2）零零点点残残余余电电压压的影响的影响 传传

22、感感器器输输出出特特性性在在零零点点附附近近不不灵灵敏敏，限限制了分辨率的提高。制了分辨率的提高。七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器4 4、零点残余电压、零点残余电压 在在电电路路上上进进行行补补偿。偿。这这是是一一种种既既简简单单又又行之有效的方法。行之有效的方法。（2 2）零点残余电压的影响）零点残余电压的影响 零零点点残残余余电电压压太太大大，使使线线性性度度变变坏坏，灵灵敏敏度度下下降降，甚甚至至会会使使放放大大器器饱饱和和，堵堵塞塞有有用用信信号号通通过过，致致使使仪仪器器不不再再反反映映被被测量的变化。测量的变化。（3 3）减小零点残余电

23、压的措施）减小零点残余电压的措施 在在设设计计和和工工艺艺上上，力力求求做做到到磁磁路路对对称称，铁铁芯芯材材料料均均匀匀；要要经经过过热热处处理理以以除除去去机机械械应应力力和和改改善善磁磁性性；两两线线圈圈绕绕制制要要均均匀，力求几何尺寸与电气特性保持一致。匀，力求几何尺寸与电气特性保持一致。一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器