第4章电感式传感器课件.ppt

1、4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 第第4 4章章 电感式传感器电感式传感器第第4 4章章 电感式传感器电感式传感器v电感式传感器的工作基础：电感式传感器的工作基础：电磁感应电磁感应v即利用即利用线圈电感或互感的改变线圈电感或互感的改变来实现非电量测量。来实现非电量测量。分为分为自感式、互感式、电涡流式自感式、互感式、电涡流式等等 特点：特点：工作可靠、寿命长工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高灵敏度高，分辨力高精度高、线性好精度高、线性好性能稳定、重复性好性能稳定、重复性好各种电感式传感器各种电感式传感器非接

2、触式位移传感器非接触式位移传感器测厚传感器测厚传感器电电感感粗粗糙糙度度仪仪接近式传感器接近式传感器4.1 4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器一、工作原理一、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。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在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为气隙厚度为,传感器的运动部分传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度气隙厚度发生改变发生改变,引起引起磁路中磁磁路中磁阻

3、变化阻变化,从而导致从而导致电感线圈的电感值变化电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电因此只要能测出这种电感量的变化感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。就能确定衔铁位移量的大小和方向。上式中上式中:LL该元件的自感或电感；该元件的自感或电感；线圈总磁链线圈总磁链;I I 通过线圈的电流通过线圈的电流;W W线圈的匝数线圈的匝数;穿过线圈的磁通。穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律由磁路欧姆定律,得：得：IWILmRIW 根据电感定义根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定线圈中电感量可由下式确定:式中式中:R:Rm m磁路总磁阻。磁路总磁阻。环形线圈如下图，其中媒质是均匀的，磁导率为环形线

4、圈如下图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线试计算线圈内部的磁通圈内部的磁通 。lSlHlIBW IlH d设磁路的平均长度为设磁路的平均长度为l l，则有，则有 环形线圈如下图，其中媒质是均匀的，磁导率为环形线圈如下图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线试计算线圈内部的磁通圈内部的磁通 。mRFSlWImRF SlR mSlIRFWmSlR SlEREI 对于变隙式传感器对于变隙式传感器,因为气隙很小因为气隙很小,所以可以认为气隙中的磁所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损场是均匀的。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为则磁路总磁阻为 式中式中:1 1铁芯材料的导磁率铁芯材料的导磁率

5、;2 2衔铁材料的导磁率衔铁材料的导磁率;L;L1 1磁通通过磁通通过铁芯的长度铁芯的长度;L;L2 2磁通通过衔铁的长度磁通通过衔铁的长度;A;A1 1铁芯的截面积铁芯的截面积;A;A2 2衔铁的衔铁的截面积截面积;0 0空气的导磁率空气的导磁率;002221112AALALRm由磁路欧姆定律由磁路欧姆定律,得：得：mRIW式中式中:R:Rm m磁路总磁阻。磁路总磁阻。A A0 0气隙的截面积气隙的截面积;气隙的厚度。气隙的厚度。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：则上式可近似为：则上式可近似为：又因为：又因为：222001110022AlAAlA0

6、02ARmIWILmRIW所以：所以：20022AWRWLm并且并且 上式表明上式表明,当线圈匝数为常数时当线圈匝数为常数时,电感电感L L仅仅是磁路中磁阻仅仅是磁路中磁阻R Rm m的函数的函数,只要改变只要改变或或A A0 0均可导致电感变化均可导致电感变化,因此自感式传感器又因此自感式传感器又可分为可分为变气隙厚度变气隙厚度的传感器的传感器和和变气隙面积变气隙面积A A0 0的传感器的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。式电感传感器。二、二、输出特性输出特性20022AWRWLm 由上式可知，变气由上式可知，变气隙厚度（变隙）式电感隙厚度（变隙）式电感传

7、感器的传感器的L L与与之间是之间是非线性关系，特性曲线非线性关系，特性曲线如下图所示。如下图所示。设电感传感器初始气隙为设电感传感器初始气隙为0 0,初始电感量为初始电感量为L L0 0,衔铁位移引起衔铁位移引起的气隙变化量为的气隙变化量为,当衔铁处于初始位置时当衔铁处于初始位置时,初始电感量为：初始电感量为：020002WAL 当衔铁上移当衔铁上移时时,传感器气传感器气隙减小隙减小,即即=0 0-,-,则此则此时输出电感为时输出电感为L=LL=L0 0+L,+L,则：则：00000201)(2LAWLLL电感的变化量为：电感的变化量为：000LLLL000LLLL电感的变化量为：电感的变化

8、量为：则：则：000011LL，当，当10时，时，可将上式展开成泰勒级数形式：可将上式展开成泰勒级数形式：3020020000)(.)()(1 LL0同理，当衔铁向下移动同理，当衔铁向下移动时，传感器的气隙将增大，即为：时，传感器的气隙将增大，即为：0同理，当衔铁向下移动同理，当衔铁向下移动时，传感器的气隙将增大，即为：时，传感器的气隙将增大，即为：这时的电感量为：这时的电感量为：00000201)(2LAWLLL电感的变化量为：电感的变化量为：000LLLL则：则：000011LL，当，当10可将上式展开成级数：可将上式展开成级数：3020020000)(.)()(1 LL当衔铁上移当衔铁上

9、移时：时：3020020000)(.)()(1 LL当衔铁向下移动当衔铁向下移动时：时：3020020000)(.)()(1 LL对上两式作线性处理，即忽略高次项后，可得对上两式作线性处理，即忽略高次项后，可得 00LL 则则LL与与近似成比例关系近似成比例关系，因此高次项的存在是造成非线，因此高次项的存在是造成非线性的原因。性的原因。忽略高次项后，可得忽略高次项后，可得 00LL 则则LL与与近似成比例关系近似成比例关系，因此高次项的存在是造成非线性的因此高次项的存在是造成非线性的原因。原因。但是，当气隙相对变化但是，当气隙相对变化/0 0很小时，高次项将迅速很小时，高次项将迅速减小，非线性

10、可以得到改善，然而这又会使传感器的测量范围（即减小，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。测量范围的要求是相互矛盾的。因此因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合，一般对，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=0.1=0.10.20.2，这时，这时L=f()L=f()可近似看作一条直线。可近似看作一条直线。忽略高次

11、项后，可得：忽略高次项后，可得：00LL灵敏度为：灵敏度为：0001LLK 为了减小非线性误差为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用实际测量中广泛采用差动变隙式电感传差动变隙式电感传感器感器。L1L2RoRo122131铁芯；2线圈；3衔铁差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器 由上图可知由上图可知,差动变隙式电感传感器由差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈两个相同的电感线圈1 1、2 2合用一个衔铁和相应的磁路组成合用一个衔铁和相应的磁路组成,测量时测量时,衔铁通过导杆与被测衔铁通过导杆与被测位移量相连。位移量相连。当被测体上下移动时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

12、动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使两个磁回路中磁阻发生大小相等,方向相反的变化方向相反的变化,导致一个线导致一个线圈的电感量增加圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。形成差动形式。L1L2RoRo122131铁芯；2线圈；3衔铁差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器 当衔铁往上移动当衔铁往上移动时时,两个线圈的电感变化量两个线圈的电感变化量LL1 1、LL2 2分分别是：别是：L1L2RoRo122131铁芯；2线圈；3衔铁差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器30200200001)(.)()(1 LL 30200

13、200002)(.)()(1 LL 当差动使用时当差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两另两个桥臂由电阻组成个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与电桥输出电压与LL有关有关,其具体表达式为：其具体表达式为：30200200001)(.)()(1 LL 30200200002)(.)()(1 LL 4020002112LLLL002LL对上式进行线性处理，忽略高次项得：对上式进行线性处理，忽略高次项得：灵敏度灵敏度K K0 0为为:0002LLK对上式进行线性处理，忽略高次项得：对上式进行线性处理，忽略高次项得：002LL灵敏度灵敏度K K0 0为：为：

14、0002LLK 比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到可以得到如下结论如下结论:差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。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（差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（/0 0）因子）因子,因为（因为（/0 0）1,RLR，其输出电压为：，其输出电压为：0000222LLUjwLRLjwUZZUU式中式中:Z:Z0 0衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗；衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗；ZZ衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量；衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量；L L0 0衔铁

15、在中间位置时单个线圈的电感衔铁在中间位置时单个线圈的电感;LL单线圈电感的变化量。单线圈电感的变化量。交流电桥式测量电路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：的介绍可知，忽略高次项后：002 LLUU002LL又又0002ULLUU则则 电桥输出电压与电桥输出电压与成正比关系。成正比关系。3.3.变压器式交流电桥变压器式交流电桥CZ1Z2ABD交流电桥式测量电路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 变压器式交流电桥测量电路如右变压器式交流电桥测量电路如右图所示，电桥两臂图所示，电桥两臂Z Z1 1、Z Z

16、2 2为传感器线圈为传感器线圈阻抗阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级另外两桥臂为交流变压器次级线圈的线圈的1/2 1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷阻抗。当负截阻抗为无穷大时大时,桥路输出电压为：桥路输出电压为：3.3.变压器式交流电桥变压器式交流电桥CZ1Z2ABD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变压器式交流电桥测量电路如右图所示，电桥两臂图所示，电桥两臂Z Z1 1、Z Z2 2为传感器线圈为传感器线圈阻抗阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级另外两桥臂为交流变压器次级线圈的线圈的1/2 1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷阻抗。当负截阻抗为无穷大时大时,桥路输出电压为：桥路输

17、出电压为：2221122120UZZZZUZZUZU 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置,即即Z Z1 1=Z=Z2 2=Z=Z时，有时，有=0,=0,电桥平衡。电桥平衡。当当传感器衔铁上移传感器衔铁上移时时,即即Z Z1 1=Z+Z,Z=Z+Z,Z2 2=Z-Z,=Z-Z,此时此时0ULLUZZUU220CZ1Z2ABD变压器式交流电桥变压器式交流电桥 当当传感器衔铁下移传感器衔铁下移时时,则则 Z Z1 1=Z-Z,Z=Z-Z,Z2 2=Z+Z,=Z+Z,此时此时LLUZZUU220 当当传感器衔铁上移传感器衔铁

18、上移时时,即即 Z Z1 1=Z+Z,Z=Z+Z,Z2 2=Z-Z,=Z-Z,此时：此时：LLUZZUU220 由以上分析可知由以上分析可知,衔铁上下移动相同距离时衔铁上下移动相同距离时,输出电压的大小输出电压的大小相等相等,但方向相反但方向相反,由于由于 是交流电压是交流电压,输出指示无法判断位移输出指示无法判断位移方向方向,因此必须配合相敏检波电路来解决。因此必须配合相敏检波电路来解决。0U 谐振式测量电路有谐振式测量电路有谐振式调幅电路谐振式调幅电路和和谐振式调频电路谐振式调频电路。4.4.谐振式测量电路谐振式测量电路（1 1）谐振式调幅电路谐振式调幅电路 在调幅电路中，传感器电感在调幅

19、电路中，传感器电感L L与电容与电容C C，变压器原边串联在一起，变压器原边串联在一起,接入交流电源接入交流电源 ,变压器副边将有电压变压器副边将有电压 输出输出,输出电压的频率输出电压的频率与电源频率相同。与电源频率相同。U0U谐振式调幅电路谐振式调幅电路 下图（下图（b b）中曲线）中曲线1 1为图（为图（a a）回路的谐振曲线，其中）回路的谐振曲线，其中L L0 0为谐振为谐振点的电感值。若激励源的频率为点的电感值。若激励源的频率为f f，则可确定其工作在，则可确定其工作在A A点。当传感点。当传感器线圈电感量发生变化时，谐振曲线将左右移动，工作点就在一频器线圈电感量发生变化时，谐振曲线

20、将左右移动，工作点就在一频率的纵坐标直线上移动（例如移至率的纵坐标直线上移动（例如移至B B点），于是输出电压的幅值就点），于是输出电压的幅值就发生相应变化。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。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。谐振式调幅电路谐振式调幅电路（2 2）谐振式调频电路谐振式调频电路 调频电路的基本原理是调频电路的基本原理是传感器电感传感器电感L L变化将引起输出电压频率变化将引起输出电压频率的变化的变化。一般是把传感器电感。一般是把传感器电感L L和电容和电容C C接入一个振荡回路中接入一个振荡回路中,其振其振荡频率为荡频率为

21、 。当。当L L变化时变化时,振荡频率随之变化振荡频率随之变化,根据根据f f的的大小即可测出被测量的值。下图表示大小即可测出被测量的值。下图表示f f与与L L的特性的特性,它具有明显的非它具有明显的非线性关系。线性关系。LCf21谐振式调频电路谐振式调频电路四、零点残余电压四、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，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，即即Z Z1 1=Z=Z2 2时，电桥平衡，输出电压为零。由于传感器线圈阻抗是一个时，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

22、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。圈的电感也相等。实际上这种情况是不能精确达到的，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，电桥有一因而在传感器输入量为零时，电桥有一个不平衡输出电压个不平衡输出电压UUO O。零点残余电压波形零点残余电压波形 右图给出了右图给出了桥路输出电压与活动桥路输出电压与活动衔铁位移关系的曲线衔铁位移关系的曲线。图中虚线为理。图中虚线为理论特性曲线，实线为实际特性曲线。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传感器在零位移时的输出电压称为为零点残余电压零点残余电压，记作，记作UUO O。零点残余

23、电压波形零点残余电压波形 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：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。的基波分量。由于传感器导磁材料磁化曲线的非线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，从而形成励

24、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。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，限制器输出特性在零点附近不灵敏，限制了分辨率的提高。了分辨率的提高。零点残余电压波形零点残余电压波形 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。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：为减小电感式传感器的零点残余电压，可采取以下措

25、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圈绕制要均匀，力求做到几何尺寸与电气特性保持一致。气特性保持一致。在电路上进行补偿。在电路上进行补偿。五、自感式电感传感器的应用五、自感式电感传感器的应用 下图是下图是变隙电感式压力传感器变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、的结构图。它由膜盒、铁芯、铁芯、衔衔铁及线圈等组成铁及线圈等组成,衔铁与膜盒的上端连在一起。衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时当压力进入膜盒时,膜

26、盒膜盒的顶端在压力的顶端在压力P P的作用下产生与的作用下产生与压力压力P P大小成正比的位移。于是大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动衔铁也发生移动,从而使气隙从而使气隙发生变化发生变化,流过线圈的电流也流过线圈的电流也发生相应的变化发生相应的变化,电流表指示电流表指示值就反映了被测压力的大小。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。它主要由下图所示为变隙式差动电感压力传感器。它主要由C C形弹簧管、形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。衔铁、铁芯和线圈等组成。当被测压力进入当被测压力进入C C形形弹簧管时，弹簧管时，C C形弹簧管产形弹簧管产生变形，其自由端发生生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动接成一体的衔铁运动,使线圈使线圈1 1和线圈和线圈2 2中的电中的电感发生大小相等、符号感发生大小相等、符号相反的变化相反的变化,即一个电即一个电感量增大，另一个电感感量增大，另一个电感量减小。量减小。电感的这种变化通电感的这种变化通过电桥电路转换成电压过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关被测压力之间成比例关系系,所以只要用检测仪所以只要用检测仪表测量出输出电压表测量出输出电压,即即可得知被测压力的大小。可得知被测压力的大小。