第五章 电感式传感器.ppt
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1、第5章 电感式传感器,5.1 变磁阻式传感器 5.2 差动变压器式传感器5.3 电涡流式传感器,电感传感器(Inductance sensor):利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化,进而由测量电路转换为电压或电流的变化量。,基本概念,被测量 自感L(互感M)U(I),可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量信号。,各种电感式传感器,非接触式位移传感器,测厚传感器,电 感 粗 糙 度 仪,接近式传感器,电感式浮球传感器,5.1 变磁阻式传感器,5.1.1 结构与工作原理,变磁阻式传感器的结构如图 5.1.1 所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。,图5.1.1 变
2、磁阻式传感器,根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定:,5.1 变磁阻式传感器,式中:I通过线圈的电流;W线圈的匝数;穿过线圈的磁通。,由磁路欧姆定律,得,式中:Rm为磁路总磁阻。,两式联立得:,(5-1),5.1 变磁阻式传感器,对于空气间隙很小的时候可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为(5-2),式中:1铁芯材料的磁导率;2衔铁材料的磁导率;0空气的磁导率;l1磁通通过铁芯的长度;l2磁通通过衔铁的长度;S0气隙的截面积;S1铁芯的截面积;S2衔铁的截面积;气隙的厚度。,5.1 变磁阻式传感器,通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即,则式(5-2)可近似为,综上,则
3、(5-1)变为,5.1 变磁阻式传感器,上式表明:当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变,或S0均可导致电感变化。因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度,变磁导率和变气隙面积S0的传感器。,变气隙厚度,5.1 变磁阻式传感器,5.1 变磁阻式传感器,变气隙面积式,5.1 变磁阻式传感器,测量原理:铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成;在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。,使用最广泛的是变气隙厚度
4、式电感传感器。,5.1 变磁阻式传感器,5.1.2 输出特性分析,由式,可知L与之间是非线性关系,特性曲线如图5.1.2所示。,图5.1.2 变隙式电压传感器的L-特性,5.1 变磁阻式传感器,设电感传感器初始气隙为0,初始电感量为L0,衔铁位移引起的气隙变化量为。当衔铁处于初始位置时,初始电感量为:,当衔铁上移时,传感器气隙减小,即=0-,则此时输出电感为L=L0+L,代入上式,5.1 变磁阻式传感器,整理得,当/01时,可将上式用Taylor级数展开成如下的级数形式:,5.1 变磁阻式传感器,由上式可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式,即:(5-3),5.1 变磁阻式传感器,同理,当
5、衔铁随被测体的初始位置向下移动时,有(5-4),5.1 变磁阻式传感器,对式(5-3)、(5-4)作线性处理,即忽略高次项后,得:,5.1 变磁阻式传感器,由此可见,变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。,5.1 变磁阻式传感器,图 5.1.3 所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。,图5.1.3 差动变隙式电感传感器,1铁芯2线圈3衔铁,5.1 变磁阻式传感器,由图可知,差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈L1、L2和磁路组成。测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相
6、连,当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。,5.1 变磁阻式传感器,当衔铁往上移动时,两个线圈的电感变化量L1、L2分别由式(5-3)及式(5-4)表示,当差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与L有关,其具体表达式为,比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到如下结论:,5.1 变磁阻式传感器,5.1 变磁阻式传感器,差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以(/0)因子,因为(/
7、0)1,所以,差动式的线性度得到明显改善。为了使输出特性能得到有效改善,构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。,5.1 变磁阻式传感器,电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。,5.1.3 信号调节电路,1.电感式传感器的等效电路,从电路角度看,电感式传感器的线圈并非是纯电感,该电感由有功分量和无功分量两部分组成。,5.1 变磁阻式传感器,有功分量包括:线圈线绕电阻、涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻,这些都可折合成为有功电阻R;无功分量包含:线圈自感L,绕线间分布电容C。综上可得其等效电路如图5.1.4所示。,图5.1.4 电感式传
8、感器的等效电路,图5.1.4中,L为线圈的自感,R为折合有功电阻的总电阻,C为并联寄生电容。上图的等效线圈阻抗为,将上式有理化并应用品质因数Q=L/R,可得,5.1 变磁阻式传感器,则,令,从以上分析可以看出,并联电容的存在,使有效串联损耗电阻及有效电感增加,而有效Q值减小。见书P113的式(6-19),传感器的有效灵敏度却提高了,5.1 变磁阻式传感器,当品质因数Q较高且2LC 1时,上式可近似为,5.1 变磁阻式传感器,2.交流电桥式测量电路,图5.1.5为交流电桥测量电路,桥臂Z1和Z2是传感器的两个线圈,另外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替。,图5.1.5 交流电桥测量电路,5.1 变磁阻
9、式传感器,设Z1=Z+Z,Z2=Z-Z,Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗,Z是衔铁偏离中心位置时单线圈阻抗的变化量。,5.1 变磁阻式传感器,对于高Q(品质因数)值的差动式电感传感器,有,则电桥输出电压为,ZjL,式中:L0衔铁在中间位置时单个线圈的电感;L单线圈电感的变化量。,5.1 变磁阻式传感器,3.变压器式交流电桥,变压器式交流电桥测量电路如图5.1.6所示,电桥两臂Z1、Z2为差动式传感器线圈阻抗,它的平衡臂为变压器的两个二次绕组。当负载阻抗为无穷大时(开路),桥路输出电压:,5.1 变磁阻式传感器,图5.1.6 变压器式交流电桥,此时有,电桥平衡。,当传感器的衔铁处于中间位置,
10、即,Z1=Z2=Z,5.1 变磁阻式传感器,当传感器衔铁下移时,即Z1=Z+Z,Z2=Z-Z,此时,当传感器衔铁上移时,则Z1=Z-Z,Z2=Z+Z,此时,5.1 变磁阻式传感器,可知:衔铁上下移动相同距离时,产生的输出电压大小相等,但输出相位相反。由于U是交流电压,因此根据输出指示无法判断位移方向(判断不出正负),同样必须配合相敏检波电路来解决。,5.1 变磁阻式传感器,4.谐振式测量电路,谐振式测量电路有谐振式调幅电路(如图5.1.7所示)和谐振式调频电路(如图5.1.8所示)。,调幅电路的基本原理,在调幅电路中,传感器电感L与电容C,变压器原边串联在一起,接入交流电源,变压器副边将有电压
11、 输出,输出电压的频率与电源频率相同,5.1 变磁阻式传感器,而幅值随着电感L而变化,图5.1.7(b)所示为输出电压 与电感L的关系曲线,其中L0为谐振点的电感值。,如上所述,此电路的输出电压 随电感L变化而变化,当L变到电路的谐振点时,输出最大。该电路灵敏度很高,线性差,适用于线性要求不高的场合,且同一 对应两个L。,5.1 变磁阻式传感器,图5.1.7 谐振式调幅电路,5.1 变磁阻式传感器,调频电路的基本原理,调频电路的基本原理是传感器电感L的变化将引起输出电压频率的变化。通常把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中,其振荡频率,当L变化时,振荡频率随之变化,根据f的大小即可测出被测量
12、的值。图5.1.8(b)表示f与L的关系曲线,它具有明显的非线性关系。,5.1 变磁阻式传感器,图5.1.8 谐振式调频电路,5.1 变磁阻式传感器,5.1.4 应用,一般用于接触测量,可用于静态和动态测量。主要用于位移测量,也可以用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数的测量。,以下是变磁阻式传感器在压力测量方面的例子。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成,衔铁与膜盒的上端连在一起。,5.1 变磁阻式传感器,图5.1.9 变隙电感式压力传感器结构图,1 变隙电感式压力传感器,当压力进入膜盒时,膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移,于是衔铁也发生移动,从而使气隙发生变化,流过线圈的
13、电流也发生相应的变化,电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。,5.1 变磁阻式传感器,2 变隙式差动电感压力传感器,它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。,当被测压力进入C形弹簧管时,C形弹簧管产生变形,其自由端发生位移,带动与自由端连接成一体的衔铁运动,使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大,另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。,5.1 变磁阻式传感器,图5.1.8 变隙式差动电感压力传感器,由于输出电压与被测压力之间成比例关系,所以只要用检测仪表测量出输出电压,即可得知被测压力的大小。,5.2 差动变压器式传感器,互感式传感器
14、:把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。差动变压器式传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且次级绕组用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。,差动变压器结构形式有:变隙式、螺线管式和变面积式等,图5.2.1为差动变压器的结构示意图。,5.2.1 概述,图 5.2.1 差动变压器式传感器的结构示意图(a)、(b)变隙式差动变压器,5.2 差动变压器式传感器,在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联,而两个次级绕组的同名端则反向串联。,变隙式差动变压器的结构,变隙式差动变压器工作原理,5.2 差
15、动变压器式传感器,当没有位移时,衔铁C处于初始平衡位置,它与两个铁芯的间隙有a0=b0=0,则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等,致使两个次级绕组的互感电动势相等,即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联,因此,差动变压器输出电压Uo=e2a-e2b=0。当有位移时,与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化,使ab,互感MaMb,两次级绕组的互感电动势e2ae2b,输出电压Uo=e2a-e2b0,即差动变压器有电压输出,此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。,图5.2.1 差动变压器式传感器的结构示意图(c)、(d)变面积式差动变压器,5.2 差动变压器式传
16、感器,图 5.2.1 差动变压器式传感器的结构示意图(e)、(f)螺线管式差动变压器,5.2 差动变压器式传感器,1.结构,5.2.2 螺线管式差动变压器,螺线管式差动变压器结构如图 5.2.2 所示,它由活动衔铁,导磁外壳和骨架等组成。,螺线管式差动变压器可以测量1100mm机械位移,并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。,5.2 差动变压器式传感器,图5.2.2 螺线管式差动变压器结构,5.2 差动变压器式传感器,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5.2.4所示。,图5.2.4 差动变压器等效电路
17、,5.2 差动变压器式传感器,2.工作原理,根据电磁感应定律,次级绕组中感应电势的表达式分别为,式中,M1、M2为初级绕组与两次级绕组的互感。,5.2 差动变压器式传感器,当次级开路时,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。,5.2 差动变压器式传感器,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,输出电压的有效值为,5.2 差动变压器式传感器,只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式,再代入上式即可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。,活动衔铁处于中间位置时,M1=M2=M,故,Uo=0,5.2 差动变压
18、器式传感器,活动衔铁向上移动时,M1=M+M,M2=M-M,故,与E2a同极性。,5.2 差动变压器式传感器,活动衔铁向下移动时,M1=M-M,M2=M+M,故,与E2b同极性。,5.2 差动变压器式传感器,图5.2.5 差动变压器输出电压的特性曲线,5.2 差动变压器式传感器,由图5.2.5可以看出,当衔铁位于中心位置时,差动变压器输出电压并不等于零,我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压,记作Uo,它的存在使传感器的输出特性不经过零点,造成实际特性与理论特性不完全一致。,零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称,以及磁性材料的非线性等引起的,书P119
19、还列出了三个原因。,零点残余电压一般在几十毫伏以下,在实际使用时,应设法减小 Uo,否则将会影响传感器的测量结果。,5.2 差动变压器式传感器,5.2.3.差动变压器式传感器信号调节电路,差动变压器输出的是交流电压,若用交流电压表测量,只能反映衔铁位移的大小,而不能反映移动方向。另外,其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的,实际测量时,常常采用差动整流电路和相敏检波电路。,5.2 差动变压器式传感器,1.差动整流电路,这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流,然后将整流的电压或电流的差值作为输出。图 5.2.6 给出了几种典型电路形式。图中(a)、
20、(c)适用于交流负载阻抗,(b)、(d)适用于低负载阻抗,电阻R0用于调整零点残余电压。,5.2 差动变压器式传感器,图5.2.6 差动整流电路(a)半波电压输出;(b)半波电流输出;,5.2 差动变压器式传感器,图5.2.6 差动整流电路(c)全波电压输出,图5.2.6 差动整流电路(d)全波电流输出,5.2 差动变压器式传感器,从图5.2.6(c)电路结构可知,不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何,流经电容C1的电流方向总是从2到4,流经电容C2的电流方向总是从6到8,故整流电路的输出电压为,当衔铁在零位时,因为U24=U68,所以U2=0;当衔铁在零位以上时,因为U24U68,则U20
21、;而当衔铁在零位以下时,则有U24U68,则U20。U2的正负表示衔铁位移的方向。,5.2 差动变压器式传感器,2 相敏检波电路,相敏检波电路如图5.2.7所示。图中VD1、VD2、VD3、VD4为四个性能相同的二极管,以同一方向串联接成一个闭合回路,形成环形电桥。,输入信号u2通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上。参考信号us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。输出信号uo从变压器T1与T2的中心抽头引出。,5.2 差动变压器式传感器,5.2.7 相敏检波电路,5.2 差动变压器式传感器,平衡电阻R起限流作用,以避免二极管导通时变 压器T2的次级电流过大。RL为负载电阻。us的幅
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