自感式传感器.pptx

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1、1电感式传感器分类:电感式传感器涡流式自感型互感型压磁式传感器可变磁阻型差动变压器感应同步器第1页/共50页2 电感式传感器的优点：1.结构简单。工作中没有活动电接触点，因而比电位器工作可靠，寿命长。2.灵敏度高，分辨力大。能测出0.1mm甚至更小的机械位移变化，能感受小至0.1角秒的微小角度变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米可达数百毫伏，因此有利于信号的传输与放大。第2页/共50页3 3.重复性好，线性度优良。在一定位移范围（最小几十微米，最大达数十甚至数百毫米）输出特性的线性度好，并且比较稳定，高精度的变磁阻式传感器，非线性误差仅0.1%。4.输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力

2、强、对工作环境要求不高。电感式传感器的缺点：频率响应差，不宜于快速动态测量，并存在交流零位信号。第3页/共50页6 自感式传感器自感式传感器 6.1 工作原理6.2 变气隙式自感传感器6.3 变面积式自感传感器6.4 螺线管式自感传感器6.5 自感式传感器测量电路6.6 自感式传感器应用举例第4页/共50页6.1 工作原理工作原理 线圈自感 线圈总磁链,单位：韦伯；I通过线圈的电流，单位：安培；W线圈的匝数；Rm磁路总磁阻，单位：1/亨。a)气隙型 b)截面型 c)螺管型自感式传感器原理图第5页/共50页 l i 各段导磁体的长度；U i各段导磁体的磁导率；S i 各段导磁体的截面积；空气隙的

3、厚度；U0 真空磁导率S 空气隙截面积变气隙型传感器变截面型传感器 线圈中放入圆形衔铁 可变自感 螺管型传感器。第6页/共50页6 自感式传感器自感式传感器 6.1 工作原理6.2 变气隙式自感传感器6.3 变面积式自感传感器6.4 螺线管式自感传感器6.5 自感式传感器测量电路6.6 自感式传感器应用举例第7页/共50页6.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器 通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 L与之间是非线性关系 第8页/共50页当衔铁处于初始位置时，初始电感量为当衔铁上移时，则 ，代入 并整理得第9页/共50页上式用泰勒级数展开成如下的级数形式 同理，当衔铁随被测物体的初始位置向

4、下移动时，有第10页/共50页对式作线性处理，即忽略高次项后可得灵敏度为灵敏度为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，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器第11页/共50页差动变隙式电感传感器 1-铁芯；2-线圈；3-衔铁当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2 第12页/共50页对上式进行线性处理，即忽略高次项得 灵敏度k0为（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）单线圈是忽略 以上高次项，差动式是忽略 以上偶次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。第13页/共50页*

5、另一种形式：另一种形式：型第14页/共50页6 自感式传感器自感式传感器 6.1 工作原理6.2 变气隙式自感传感器6.3 变面积式自感传感器6.4 螺线管式自感传感器6.5 自感式传感器测量电路6.6 自感式传感器应用举例第15页/共50页6.3 变面积式自感传感器变面积式自感传感器传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，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L为 灵敏度灵敏度变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。第16页/共50页6 自感式传感器自感式

6、传感器 6.1 工作原理6.2 变气隙式自感传感器6.3 变面积式自感传感器6.4 螺线管式自感传感器6.5 自感式传感器测量电路6.6 自感式传感器应用举例第17页/共50页18单线圈螺管型传感器结构图 有单线圈和差动式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主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。6.4 螺管型自感传感器rx螺旋管铁心l第18页/共50页6.4 螺线管式自感传感器螺线管式自感传感器1-螺线管线圈；2-螺线管线圈；3-骨架；4-

7、活动铁芯 L10，L20分别为线圈、的初始电感值；差动式螺管型传感器结构图第19页/共50页当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小 根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。第20页/共50页21 综上所述，螺管式自感传感器的特点：结构简单，制造装配容易；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，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。第21页/共50页22第22页/共50页6 自感式传感

8、器自感式传感器 6.1 工作原理6.2 变气隙式自感传感器6.3 变面积式自感传感器6.4 螺线管式自感传感器6.5 自感式传感器测量电路6.6 自感式传感器应用举例第23页/共50页24等效电路等效电路 研究其等效电路的目的是为了分析铁心线圈的电气参数及它们对线圈特性的影响，对了解与分析变磁阻式传感器以及选择传感器参数有帮助。将传感器线圈等效成图示电路：Rc 线圈的铜耗电阻。Rv 涡流损耗电阻。Rh 磁滞损耗电阻。C 线圈的匝间电容和电缆分布电容。第24页/共50页25（1）铜损电阻Rc 设导线直径为d、电阻率为r、线圈匝数为N，平均匝长为l，当忽略导线趋肤效应与邻近效应时，线圈电阻为：第2

9、5页/共50页26（2）涡流损耗电阻 涡流损耗电阻Rv是因为频率为f的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流损耗。根据经典的涡流损耗计算公式知，为降低涡流损耗，叠片式铁心的片厚应薄；高电阻率有利于损耗的下降，而高磁导率却会使涡流损耗增加。（3）磁滞损耗电阻 磁滞损耗电阻Rh是因为铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转需要克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。第26页/共50页27（4）并联寄生电容 主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。为便于分析，先不考虑寄生电容C，并将等 效 电 路 中 的 线 圈 电 感 与 并 联 铁 损 电 阻(Re=Rh/Rv)等效为串联铁损电阻Re与

10、串联电感L的等效电路，如图所示。第27页/共50页28等效电路第28页/共50页29根据：得：上式表明，铁损的串联等效电阻Re与L有关。因此，当被测非电量的变化引起线圈电感量改变时，其电阻值亦发生不希望有的变化。要减少这种附加电阻变化的影响，比值Re/(wL)应尽量小，以使Re1时，1/Q2可以忽略，上式可简化为第30页/共50页31则RS和LS相对于R和L都增加了。有效品质因数为：写成：下降了。电感的相对变化为：增加了。第31页/共50页32 由此可知，并联电容C的存在，使有效串联损耗电阻与有效电感均增加，有效Q值下降并引起电感的相对变化增加，即灵敏度提高。因此，从原理而言，按规定电缆校正好

11、的仪器，如更换了电缆，则应重新校正或采用并联电容对传感器的灵敏度重新加以调整。第32页/共50页6.5 自感式传感器测量电路自感式传感器测量电路1.交流电桥2.变压器电桥3.自感传感器的灵敏度第33页/共50页+-+-分析：衔铁在初始位置时，电桥平衡 若衔铁上移，则：（一）交流电桥式测量电路（一）交流电桥式测量电路第34页/共50页*另一种形式：另一种形式：型第35页/共50页+-+-衔铁衔铁上移上移时两个传感器阻抗为：时两个传感器阻抗为：则电桥输出：则电桥输出：当0时，U0与Ui同相；否则反相。故本测量电路可以提供位移大小和方向的信息。第37页/共50页单相变压器：单相变压器：两个线圈两个线

12、圈无电无电的直接的直接联系，联系，只有只有磁磁的耦合。的耦合。原绕组（一次绕或初级绕组）：两个线原绕组（一次绕或初级绕组）：两个线圈中接交流电源的线圈，其匝数为圈中接交流电源的线圈，其匝数为N N1 1。副绕组副绕组（二次绕组或次级绕组）：接到（二次绕组或次级绕组）：接到用电设备上的线圈，其匝数为用电设备上的线圈，其匝数为N N2 2。交变磁通同时与原、副绕组交链，在原、副绕组内感应电动势。交变磁通同时与原、副绕组交链，在原、副绕组内感应电动势。变压器原、副边电势之比即电压之比，等变压器原、副边电势之比即电压之比，等于原、副边匝数之比。于原、副边匝数之比。变压器的工作原理第39页/共50页（2

13、）若衔铁上移，则Z1，Z2 若衔铁下移，则Z1 ，Z2 第40页/共50页 衔铁上下移动时，输出电压大小相等，极性相反，但由于是交流电源，输出指示无法判断出位移方向，必须配合相敏检波器来解决。第41页/共50页3.自感传感器的灵敏度自感传感器的灵敏度 传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度 总灵敏度 第42页/共50页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三项决定于供电电压的大小 气隙型、变压器电桥 传感器 传感器灵敏度的单位为 mV/(mV)电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏 第43页/共50页6 自感式传感器自感式传感器 6.1 工作原理6.2 变气隙式自感传感器6

14、.3 变面积式自感传感器6.4 螺线管式自感传感器6.5 自感式传感器测量电路6.6 自感式传感器应用举例第44页/共50页6.6 自感式传感器应用举例自感式传感器应用举例1.自感式位移传感器2.自感式压力传感器第45页/共50页1.自感式位移传感器1 传感器引线 2 铁心套筒 3 磁芯 4 电 感 线 圈 5 弹 簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测 杆 9 密封件 10玛瑙测端 第46页/共50页2.自感式压力传感器自感式压力传感器变隙式自感压力传感器结构图变隙差动式电感压力传感器第47页/共50页（1）已知变隙式电感传感器的气隙横截面积）已知变隙式电感传感器的气隙横截面积A=1.5

15、cm2，气隙长度，气隙长度0=0.5cm，=0.1mm，真空，真空磁导率磁导率0=4*10-7H/m，线圈匝数，线圈匝数W=3000，若忽略，若忽略铁芯和衔铁的磁阻，求单端式传感器的灵敏度铁芯和衔铁的磁阻，求单端式传感器的灵敏度L/。若将其做成差动结构形式，灵敏度将如何。若将其做成差动结构形式，灵敏度将如何变化？变化？第48页/共50页其它：其它：（1）带有两个电感线圈的可变阻抗差压传感器，）带有两个电感线圈的可变阻抗差压传感器，由于压力作用，一个电感变化由于压力作用，一个电感变化+L，另一个电感变，另一个电感变化化-L，如图，以两种方式接入电桥，电桥电阻，如图，以两种方式接入电桥，电桥电阻R=L。求两种接法的灵敏度。求两种接法的灵敏度U0/(L/L)，并比较之，并比较之（设（设LL）。）。第49页/共50页