检测与转换技术自学课件 第四章 电感式传感器.pdf

第四章 电感式传感器第四章 电感式传感器学习要求：1.掌握自感式、互感式、涡流式等电感式传感器 的工作原理和工作特性2.熟悉电感式传感器的常用检测电路及特点3.学会电感式传感器的检测应用电感式传感器是将被测量的变化转化为线圈的电 感（自感、互感）的变化的检测装置核心部分是可变自（互）感，将被测量变化转换 成线圈自感或互感的变化，一般利用磁场作为媒介或 利用铁磁体的某些特性主要特征是有线圈绕组2016-4-221测量：位移、振动、压力、流量、重量、力矩、 应力等种类：自感式、互感式、涡流式、压磁式 优点：结构简单可靠，输出功率大，抗干扰能力 强，分辨率高（达 μm 级），误差小，稳定性好， 环境影响小缺点：不适于快速动态测量自感式传感器、互感式传感器、涡流式传感器电感式传感器电感式传感器2016-4-2224.1 变磁阻（自感）式传感器4.1 变磁阻（自感）式传感器4.1.1 工作原理结构:由线圈、铁芯和衔铁三部分组成铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯 和衔铁之间有厚度为 d 气隙，传感器的运动部分与衔铁相连衔铁移动气隙厚度 d 改变磁路中磁阻变化电感线圈L变化2016-4-223线圈中电感量可由下式确定： 线圈中电感量可由下式确定： WLII式中：Ψ——线圈总磁链； I——通过线圈的电流； W——线圈的匝数； φ——穿过线圈的磁通。

由磁路欧姆定律， 得式中：Ψ——线圈总磁链； I——通过线圈的电流； W——线圈的匝数； φ——穿过线圈的磁通由磁路欧姆定律， 得 2mmIWWLRRRm ——磁路总磁阻磁路总磁阻 2016-4-224磁路总磁阻为: 磁路总磁阻为: 121122002mlldRSSS式中：μ式中：μ1——铁芯材料的导磁率；铁芯材料的导磁率；μμ2——衔铁材料的导磁率；衔铁材料的导磁率；l1——磁通通过铁芯的长度；磁通通过铁芯的长度； l2——磁通通过衔铁的长度；磁通通过衔铁的长度； S1——铁芯的截面积；铁芯的截面积； S2——衔铁的截面积；衔铁的截面积；μμ0——空气的导磁率；空气的导磁率； S0——气隙的截面气隙的截面积；积；d ——气隙的厚度气隙的厚度 2016-4-225通常，气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，通常，气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即即 10011200002222 0022 22mmld SSdRldS SSWSWLRd  改变改变d 或或S0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度变气隙厚度d 的传感器的传感器和和变气隙面积变气隙面积S0的传感器的传感器。

目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器 2016-4-2264.1.24.1.2 输出特性输出特性设电感传感器初始电感量为设电感传感器初始电感量为 2 00 0 02WSLd当衔铁上移Δ当衔铁上移Δd时，传感器气隙减小Δ时，传感器气隙减小Δd，即，即d=d0-ΔΔd，， 则此时输出电感为则此时输出电感为L=L0+ΔΔL，， 得得 2 000 0 002()1WSLLLLddd d 变隙式电压传感器的变隙式电压传感器的L-δ特性δ特性2016-4-227当Δ当Δd/d0M2，因而，因而E2a增加，而增加，而E2b减小反之，减小反之，E2b增加，增加，E2a减小因为减小因为Uo=E2a-E2b，所以当，所以当E2a、、E2b 随着衔铁位移随着衔铁位移x变化时，变化时， Uo也必将随也必将随x而变化差动变压器输出电压而变化差动变压器输出电压Uo与活动衔铁位移Δ与活动衔铁位移Δx的关系曲线图中的关系曲线图中实线为理论特性曲线，虚线曲线为实际特性曲线实线为理论特性曲线，虚线曲线为实际特性曲线 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Δ余电压，记作ΔUo，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，，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。

造成实际特性与理论特性不完全一致 ............2016-4-2236零点残余电压：指电桥预平衡时，无法实现平衡，最后 总要存在的某个输出值 产生的主要原因： 一组两个传感器不完全对称 存在寄生参数 供电源中有高次谐波 供电电源很好但磁路本身存在非线性 工频干扰 减少或消除零点残余电压的方法： 1.路上采取措施，如在桥臂上增加调节元件，或在 电桥的某个臂上并联大电阻减少电容，可以减少零点残 余电压 2.采用差动整流或相敏检波电路可消除零点残余电压零点残余电压***2016-4-22372. 基本特性基本特性差动变压器等效电路如图差动变压器等效电路如图 当次级开路时当次级开路时 .1111UUIZrj L式中：式中：U——初级线圈激励电压；初级线圈激励电压； ωω——激励电压激励电压U的角频率；的角频率； I1——初级线圈激励电流；初级线圈激励电流； r1、、 L1——初级线圈直流电阻和电感初级线圈直流电阻和电感 ..2016-4-2238根据电磁感应定律，根据电磁感应定律， 次级绕组中感应电势的表达式分别为次级绕组中感应电势的表达式分别为 121122abEj M IEj M I  式中，式中，M1、、M2为初级绕组与两次级绕组的互感。

为初级绕组与两次级绕组的互感 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 12 22 1()oabjMM UUEEZ 2016-4-2239输出电压有效值为：输出电压有效值为： 2 12 121 )()(LrUMMUo 上式说明，当激磁电压的幅值上式说明，当激磁电压的幅值U和角频率ω、和角频率ω、 初级绕组的直流电阻初级绕组的直流电阻r1及电感及电感L1为定值时，差动变压器为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数2016-4-2240①① 活动衔铁处于中间位置时活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M 故 Uo=0 ②② 活动衔铁向上移动时活动衔铁向上移动时 M1 =M+ΔM， M2 =M-ΔM 故 与电源反极性与电源反极性 12 ojMUUZ ③③ 活动衔铁向下移动时活动衔铁向下移动时 M1 =M-ΔM， M2 =M+ΔM 故 12 ojMUUZ与电源同极性与电源同极性。

2016-4-22413. 差动变压器式传感器测量电路 3. 差动变压器式传感器测量电路差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量， 只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向另外， 其测量值中将包含零点残余电压差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量， 只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向另外， 其测量值中将包含零点残余电压为了达到能辨别移动方为了达到能辨别移动方 向和消除零点残余电压的目的，常常采用差动整流电路和向和消除零点残余电压的目的，常常采用差动整流电路和 相敏检波电路相敏检波电路1) 差动整流电路差动整流电路 把差动变压器的两次级输出电压分别整流，将整流的 电压或电流的差值作为输出，把差动变压器的两次级输出电压分别整流，将整流的 电压或电流的差值作为输出，电压输出适用于高阻抗负载， 电流输出适用于低阻抗负载，电压输出适用于高阻抗负载， 电流输出适用于低阻抗负载， 电阻电阻R0用于调整零点残余电 压具有用于调整零点残余电 压具有结构简单, 不需考虑相位调整和零点残余电压的 影响 , 分布电容影响小和便于远距离传输等优点结构简单, 不需考虑相位调整和零点残余电压的 影响 , 分布电容影响小和便于远距离传输等优点。

2016-4-2242（（a）） 半波电压输出；半波电压输出； （（b）） 半波电流输出半波电流输出（（c）） 全波电压输出；全波电压输出； （（d）） 全波电流输出全波电流输出 2016-4-2243(2) 相敏检波电路(2) 相敏检波电路 输入信号输入信号u2：：传感器输出电压；传感器输出电压；参考信号参考信号us：： us的幅值要远大于输入信号的幅值要远大于输入信号u2的幅值的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且，以便有效控制四个二极管的导通状态，且us和传感器激磁电压和传感器激磁电压u1由同一振荡器供电，由同一振荡器供电， 保证二者同频同相（或反相）保证二者同频同相（或反相） 平衡电阻平衡电阻R：：起限流作用，以避免二极管导通时变压器起限流作用，以避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大的次级电流过大RL为负载电阻为负载电阻2016-4-2244相敏检波电路相敏检波电路us正半波，正半波，VD2、、VD3 导通导通us负半波，负半波，VD1、、VD4 导通导通us—参考电源 >>u2u2差动变输 出电压差动变输 出电压2016-4-2245根据变压器的工作原理，考虑到根据变压器的工作原理，考虑到O、、M分别为变压器分别为变压器T1、、 T2的中心抽头，则的中心抽头，则 12 222122122nuuunuuus ss式中，式中，n1 , n2分别为变压器分别为变压器T1、、T2的变压比。

采用电路分析的基本方法，可求得输出电压的变压比采用电路分析的基本方法，可求得输出电压uo的表达式的表达式: )2( 21222LLLL oRRnuRRRuRu 2016-4-2246)2(12LL oRRnuRu同理当同理当u2与与us均为负半周时，二极管均为负半周时，二极管VD2、、VD3截止，截止，VD1、、VD4导通其等效电路如图（导通其等效电路如图（c）所示输出电压）所示输出电压uo表达式与前式相同说明表达式与前式相同说明只要位移Δ只要位移Δx>0，不论，不论u2与与us是正半周还是负半周，负载电阻是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电压两端得到的电压uo始终为正始终为正当Δ当Δx<0时，时，u2与与us为同频反相采用上述相同的分析方法不难得到当Δ为同频反相采用上述相同的分析方法不难得到当Δx<0时，不论时，不论u2与与us是正半周还是负半周，负载电阻是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压两端得到的输出电压uo表达式总是为表达式总是为 2016-4-22474. 差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器的应用可以直接用于位移测量，及与位移有关的各机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。

可以直接用于位移测量，及与位移有关的各机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等 差动变压器式加速度传感器的原理结构差动变压器式加速度传感器的原理结构 它由悬臂梁和差动变压器构成测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的它由悬臂梁和差动变压器构成测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连，端与被测振动体相连， 此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量当被测体带动衔铁以Δ此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量当被测体带动衔铁以Δx(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化振动时，导致差动变压器的输出电。