电感式传感器教学用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第4章 电感式传感器,第4章 电感式传感器,第4章 电感式传感器,电感式传感器的工作基础：,电磁感应,即利用,线圈电感或互感的改变,来实现非电量测量分为,自感式、互感式、电涡流式,等,特点：,工作可靠、寿命长,灵敏度高，分辨力高,精度高、线性好,性能稳定、重复性好,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,4.1 自感式电感传感器,一、工作原理,变磁阻式传感器的结构如下图所示它由线圈、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上式中:,L该元件的自感或电感；,线圈总磁链;,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：,根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定:,式中:R,m,磁路总磁阻引入知识,环形线圈如下图，其中媒质是均匀的，磁导率为,，,试计算线圈内部的磁通,。

根据安培环路定律，有,设磁路的平均长度为l，则有,S,x,H,x,I,W,匝,环形线圈如下图，其中媒质是均匀的，磁导率为,，,试计算线圈内部的磁通,式中：,F=WI磁通势，由其产生磁通；,R,m,磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；,l为磁路的平均长度；,S为磁路的截面积即有：,2.磁路的欧姆定律,若某磁路的磁通为,，,磁通势为F，磁阻为R,m,，则,此即,磁路的欧姆定律,磁路,磁通势F,磁通,磁阻,电路,电动势 E,电流密度 J,电阻,磁场强度H,电流 I,W,I,+,_,E,I,R,对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以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,式中:,1,铁芯材料的导磁率;,2,衔铁材料的导磁率;L,1,磁通通过铁芯的长度;L,2,磁通通过衔铁的长度;A,1,铁芯的截面积;A,2,衔铁的截面积;,0,空气的导磁率;,由磁路欧姆定律,得：,式中:R,m,磁路总磁阻A,0,气隙的截面积;气隙的厚度通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即：,则上式可近似为：,又因为：,所以：,并且,上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻R,m,的函数,只要改变或A,0,均可导致电感变化,因此自感式传感器又可分为,变气隙厚度的传感器,和,变气隙面积A,0,的传感器,。

使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器二、输出特性,由上式可知，变气隙厚度（变隙）式电感传感器的L与之间是非线性关系，特性曲线如下图所示设电感传感器初始气隙为,0,初始电感量为L,0,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=L,0,+L,则：,电感的变化量为：,电感的变化量为：,则：,，当,时，,可将上式展开成泰勒级数形式：,同理，当衔铁向下移动,时，传感器的气隙将增大，即为：,同理，当衔铁向下移动,时，传感器的气隙将增大，即为：,这时的电感量为：,电感的变化量为：,则：,，当,可将上式展开成级数：,当衔铁上移时：,当衔铁向下移动,时：,对上两式作线性处理，即忽略高次项后，可得,则,L与近似成比例关系,，因此高次项的存在是造成非线性的原因忽略高次项后，可得,则,L与近似成比例关系,，因此高次项的存在是造成非线性的原因但是，当气隙相对变化/,0,很小时，高次项将迅速,减小，非线性可以得到改善，然而这又会使传感器的测量范围（即衔铁的允许工作位移）变小，所以，对输出特性线性度的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的。

因此,变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合,，一般对于变气隙长度电感传感器，为了得到较好的线性特性，取/,0,=0.10.2，这时L=f()可近似看作一条直线忽略高次项后，可得：,灵敏度为：,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,差动变隙式电感传感器,由上图可知,差动变隙式电感传感器由,两个相同的电感线圈,1、2合用一个衔铁和相应的磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相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,形成差动形式差动变隙式电感传感器,当衔铁往上移动时,两个线圈的电感变化量L,1,、L,2,分别是：,差动变隙式电感传感器,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：,对上式进行线性处理，忽略高次项得：,灵敏度K,0,为:,对上式进行线性处理，忽略高次项得：,灵敏度K,0,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:,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（/,0,）,2,LC（即2fcR1）且,2,LCR，其输出电压为：,式中:Z,0,衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗；,Z衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量；,L,0,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交流电桥式测量电路,由前面对差动变隙式电感传感器的原理的介绍可知，忽略高次项后：,又,则,电桥输出电压与成正比关系3.变压器式交流电桥,交流电桥式测量电路,变压器式交流电桥,变压器式交流电桥测量电路如右图所示，电桥两臂Z,1,、Z,2,为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2 阻抗当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压为：,3.变压器式交流电桥,变压器式交流电桥,变压器式交流电桥测量电路如右图所示，电桥两臂Z,1,、Z,2,为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2 阻抗当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压为：,测量时被测件与传感器衔铁相连，当传感器的衔铁处于中间位置,即Z,1,=Z,2,=Z时，有=0,电桥平衡当,传感器衔铁上移,时,即Z,1,=Z+Z,Z,2,=Z-Z,此时,变压器式交流电桥,当,传感器衔铁下移,时,则,Z,1,=Z-Z,Z,2,=Z+Z,此时,当,传感器衔铁上移,时,即,Z,1,=Z+Z,Z,2,=Z-Z,此时：,由以上分析可知,衔铁上下移动相同距离时,输出电压的大小相等,但方向相反,由于 是交流电压,输出指示无法判断位移方向,因此必须配合相敏检波电路来解决。

谐振式测量电路有,谐振式调幅电路,和,谐振式调频电路,4.谐振式测量电路,（1）谐振式调幅电路,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 输出,输出电压的频率与电源频率相同谐振式调幅电路,下图（b）中曲线1为图（a）回路的谐振曲线，其中L,0,为谐振点的电感值若激励源的频率为f，则可确定其工作在A点当传感器线圈电感量发生变化时，谐振曲线将左右移动，工作点就在一频率的纵坐标直线上移动（例如移至B点），于是输出电压的幅值就发生相应变化此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合谐振式调幅电路,（2）谐振式调频电路,调频电路的基本原理是,传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化,一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中,其振,荡频率为 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的值下图表示f与L的特性,它具有明显的非线性关系谐振式调频电路,四、零点残余电压,理论上，当传感器的衔铁处于中间位置，即两线圈的阻抗相等，即Z,1,=Z,2,时，电桥平衡，输出电压为零由于传感器线圈阻抗是一个复阻抗，因此为了达到电桥平衡，就要求两线圈的电阻相等，两线圈的电感也相等。

实际上这种情况是不能精确达到的，,因而在传感器输入量为零时，电桥有一个不平衡输出电压U,O,零点残余电压波形,右图给出了,桥路输出电压与活动衔铁位移关系的曲线,图中虚线为理论特性曲线，实线为实际特性曲线传感器在零位移时的输出电压称为,零点残余电压,，记作U,O,零点残余电压波形,零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成产生零点残余的原因大致有如下两点：,由于两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，因此在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成了零点残余电压的基波分量由于传感器导磁材料磁化曲线的非线,性（如铁磁饱和、磁滞损耗）使得激励电流与磁通波形不一致，从而形成了零点残余电压的高次谐波分量零点残余电压的存在，使得传感器输出特性在零点附近不灵敏，限制了分辨率的提高零点残余电压波形,零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化为减小电感式传感器的零点残余电压，可采取以下措施：,在设计和工艺上，力求做到磁路对称，铁芯材料均匀；要经过热处理以除去机械应力和改善磁性；两线,圈绕制要均匀，力求做到几何尺寸与电,气特性保持一致。

在电路上进行补偿五、自感式电感传感器的应用,下图是,变隙电感式压力传感器,的结构图它由膜盒、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,流过线圈的电流也发生相应的变化,电流表指示值就反映了被测压力的大小变隙电感式压力传感器结构图,下图所示为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。