电感式传感器线位移及尺寸测量.ppt

第4章 电感式传感器·线位移及尺寸测量,4.1 自感式传感器 4.2 差动变压器式传感器 4.3 涡流传感器 4.4 感应同步器 4.5 线位移及尺寸测量基本知识 4.6 电感式位移传感器 4.7 其它线位移及尺寸测量传感器,第4章 电感式传感器.线位移及尺寸测量,本章内容,,绪 论,电感式传感器是利用线圈自感（self-inductance of coils ） 或互感（mutual inductance of coils）的改变来实现测量的一种装置可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数 电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象这类传感器的主要特征是具有电感绕组习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器（变磁阻式reluctance variation sensors），而互感式传感器由于它利用变压器原理，又往往做成差动式，故称作差动变压器（linear variable differential transformers(LVDTs)）此外，利用涡流原理的电涡流式传感器（Eddy current sensors ）、利用材料压磁效应（Piezo-magnetic effect）的压磁式传感器、利用平面绕组互感原理的感应同步器(Inductosyn)等，亦属电感式传感器,Part A 电感式传感器,特 点 （1）工作可靠、寿命长； （2）灵敏度高、分辨率高; 位移:0.01μm;角度0.1”;输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。

（3）精度高、线性好; 在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定非线性误差：0.05%~0.1%； （4）性能稳定、重复性好不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量Part A 电感式传感器,1—线圈coil ； 2—铁芯Magnetic core ；3—衔铁Moving core,self-inductance of coil is: 式中：N----number of turns RM ------- reluctance,Part A 电感式传感器,,,因为气隙较小(0.1～1mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为:,铁芯磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小,线圈自感L为：,分类： 变气隙厚度δ的电感式传感器； 变气隙面积S的电感式传感器； 变铁芯磁导率μ的电感式传感器；,Part A 电感式传感器,自感式电感传感器常见的形式,1—线圈coil ；2—铁芯Magnetic core ；3—衔铁Moving core,变气隙式,变截面式,螺线管式,Part A 电感式传感器,,,,,L=f（S）,L=f（δ）,δ,L,S,L=f(δ)为非线性关系。

当δ＝0时，L为∞，考虑导磁体的磁阻，当δ＝0时，并不等于∞，而具有一定的数值，在δ较小时其特性曲线如图中虚线所示如移动衔铁使面积S改变，从而改变L值时,则L＝f(S)的特性曲线为一直线4.1.2电感计算与输出特性分析,,,Part A 电感式传感器,,,传感器工作时，若衔铁移动使气隙增加Δδ，则电感减小，变化量为ΔL：,,自感的相对变化量为：,,Part A 电感式传感器,,,将上式作线性处理，忽略高次项，可得自感变化与气隙变化成近似线性关系：,变气隙式自感传感器的灵敏度为,可见，灵敏度K随初始气隙的增大而减小,Part A 电感式传感器,非线性误差为:,非线性误差随 的增大而增大,采用图示差动变隙式电感传感器，可以减小非线性，提高灵敏度差动变隙式自感传感器的电感变化量为：,,Part A 电感式传感器,差动式电感传感器的电感相对变化量为：,,忽略高次项，可得:,差动变隙式自感传感器的灵敏度为,非线性误差为,Part A 电感式传感器,①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失真小,如当Δδ/δ=10％时 , 单线圈γ＜10％；而差动式的γ ＜1％ ③采用差动式传感器，还能抵消温度变化、电源波动、外界干扰、电磁吸力等因素对传感器的影响,75,50,25,0,50,75,100,L/mH,δ/mm,,,,,,,,,,,,,,,,,,,100,25,LD,4,,3,,2,,1,,Ⅰ,Ⅱ,,,,,1,2,3,4,,1 线圈Ⅰ自感特性曲线； 2 线圈Ⅱ自感特性曲线； 3 线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性曲线； 4 差动电桥输出电压－位移特性曲线,Part A 电感式传感器,气隙减小或增大同样值时自感变化相同吗？,Part A 电感式传感器,,,,,,,,,,,,,r,x,螺管线圈,铁芯,,,单线圈螺管型传感器结构图,l,2. 螺线管型电感传感器 有单线圈和差动式两种结构形式。

单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈一根圆柱形铁芯及磁性套筒传感器工作时，因铁芯圈中伸入长度的变化，引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈自感发生变化Part A 电感式传感器,,,,,,螺管线圈1,铁芯,,,差动螺管型传感器结构图,,,,,,,,螺管线圈2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁性套筒,,主磁通,,漏磁通,,Part A 电感式传感器,x,螺管线圈内磁场分布曲线,,,,,,,,,,,,,,r,l,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,H（ ）,IN,l,,x（l）,螺管式自感传感器根据其磁路结构，磁通主要由两部分组成：磁通沿轴向贯穿整个线圈后闭合的为 主磁通；另外经铁芯侧面气隙闭合的侧磁通称为漏磁通铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多这说明只有圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性Part A 电感式传感器,设螺管线圈全长为l,内径为r,匝数为N,通电电流强度为I。

沿轴线任意一点P的磁场强度H为：,,则空心螺管线圈的电感为：,Part A 电感式传感器,,当线圈插有铁芯时，由于铁芯是铁磁性材料，使插入部分的磁阻下降，故磁感强度B增大，电感值增加 设铁芯长度与线圈长度相同，铁芯半径为 ，线圈所包围横截面上的磁通量由两部分组成：铁芯所占截面的磁通量和气隙的磁通量，总磁通量为:,,线圈电感增大为：,如果铁芯长度 小于线圈长度l，则线圈电感为,Part A 电感式传感器,当 增加 时，线圈电感增大ΔL，则,电感变化量为,电感的相对变化量为,,可以看出，若被测量与 成正比，则ΔL与被测量也成正比实际中，由于线圈长度有限，线圈磁场强度分布并不均匀，输入量与输出量之间的关系是非线性的Part A 电感式传感器,为了提高灵敏度与线性度,常采用差动螺管式自感传感器图(b)中H=f(x)曲线表明：为了得到较好的线性,铁芯长度取0.6l时,则铁芯工作在H曲线的拐弯处,此时H变化小这种差动螺管式自感传感器的测量范围为(5～50)mm,非线性误差在0.5％左右2lc,,,,Δlc,,,,,,2l,,,线圈Ⅰ,线圈Ⅱ,,,,,,,r,,,,,,,,,,,,,,,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,,,,,,,,,,,,,-0.8,0.8,0.4,1.2,-1.2,-0.4,,x,H（ ）,IN,l,,x(l),(a),(b),Part A 电感式传感器,4.1.3 电感传感器等效电路,（1）铜损电阻Rc,,（2）涡流损耗电阻Rｅ,,,（3）磁滞损耗电阻Rh,,（4）并联寄生电容C,Part A 电感式传感器,4.1.4 自感式传感器的信号调节电路,图中B点的电压为：,图中A点的电压为：,1.变压器电桥,输出电压：,讨论： （1）当铁芯处于中间位置时，Z1=Z2=Z，这时U0=0,电桥平衡； （2）当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加，Z2=Z+ΔZ，上面线圈的阻抗减小，Z1=Z-ΔZ得：,,Part A 电感式传感器,反之，当铁芯向上移动同样大小的距离时，Z2=Z-ΔZ, Z1=Z+ΔZ，得：,,幅值为：,输出电压幅值为:,两种情况的输出电压大小相等，方向相反，由于E是交流电压，所以输出电压U0在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。

Part A 电感式传感器,2.带相敏整流的交流电桥,由于电路结构不完全对称,当输入电压中包含有谐波时，输出端在铁芯位移为零时将出现残余电压，称之为零点残余电压 采用相敏整流电路可以消除零点残余电压、判别衔铁位移的方向 、改善线性度 Part A 电感式传感器,4.1.5 影响传感器精度的因素分析,1.电源电压和频率波动的影响,2.温度变化的影响,3.非线性特性的影响,4.输出电压与电源电压之间的相位差,5.零位误差的影响,Part A 电感式传感器,Part A 电感式传感器,4.2 差动变压器式传感器(LVDTs),,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1,2,3,,,,,基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式Part A 电感式传感器,4.2.1 螺管形差动变压器,,,,,,,,,,,,,3,,,,,2,1,2,,,,1,,2,,1,1,,2,,(a),(b),(c),(d),1,2,1,1,2,,,,,,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、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。

Part A 电感式传感器,副Ⅰ,,,,,,,,,,,0,Es,Es1,Es2,x,副Ⅱ,原线圈,,,,差动变压器输出电势与衔铁位移的关系其中x表示衔铁偏离中心位置的距离～,,,～,,～,,,,,Es,,,Rs1,Rs2,Es1,Es2,Ep,Rp,,,,M1,M2,Ls1,Ls2,Lp,,Ip,Part A 电感式传感器,,,,,～,,,～,,～,,,,,Es,,,Rs1,Rs2,Es1,Es2,Ep,Rp,,,,M1,M2,Ls1,Ls2,Lp,,Ip,,设初级线圈的复数电流值为:,,输出电压：,将电流 写成复指数形式：,,则,,Part A 电感式传感器,,则输出电压为：,,（2）磁芯上升时， M1 = M+ΔM， M2 = M-ΔM，则,,(3)磁芯下降时， M1 = M-ΔM， M2 = M+ΔM，则,Part A 电感式传感器,（1）灵敏度,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：V/mm/V；,如何提高灵敏度？,（2）频率特性,Part A 电感式传感器,4.2.3 差动变压器特性分析,,,应用时激磁频率一般在400Hz到5kHz的范围内选择 。

3)线性范围 一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的1/10~1/45)零位残余电压及其补偿,当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压如图是扩大了的零点残余电压的输出特性零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等0,u0,x,-x,,u00,,,(4)温度特性 差动变压器的使用温度通常为80℃,Part A 电感式传感器,零点残余电压产生原因： ①基波分量由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数。