第5章電感式傳感器

1、第5章 電感式傳感器第五章電感式傳感器第五章電感式傳感器n電感式傳感器利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量的輸出。優(yōu)缺點(diǎn)？n變磁阻式傳感器自感式n差動(dòng)變壓器式傳感器互感式n電渦流式傳感器電渦流式第5章 電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠靈敏度高，能分辨靈敏度高，能分辨0.01m的位移變化的位移變化測(cè)量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定、輸出功率較大測(cè)量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定、輸出功率較大可實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制可實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用在工業(yè)自動(dòng)控制系

2、統(tǒng)中被廣泛采用靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器變磁阻式傳感器工作原理銜鐵移動(dòng)改變磁阻變化電感值變化002221112SSLSLRm)2(00SRm220 02mWsWLR第5章 電感式傳感器根據(jù)式(3-19)可以形成三種類型的自感式傳感器改變氣隙厚度 (a)改變導(dǎo)磁面積 S0 (b)利用鐵芯在螺管線圈中的直線位移改變總的磁阻(c) 也可認(rèn)為是改變有效線圈匝數(shù) N三種傳感器均可用以測(cè)量變換為直線位移的物理參量由公式(3-19)可見(jiàn)，L 與各參

3、數(shù)的變化關(guān)系并不相同 如改變氣隙類型，L 與 不是線性關(guān)系與電容傳感器類似 220 0(55)2mWsWLR第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器變磁阻式傳感器輸出特性020002wsL 初始電感量：初始點(diǎn)銜鐵上移，000000201)(2LswLLL.)()()(1 3020000LLLL.)()(1 20000LL同理，銜鐵下移，0.)()(1 20000LL忽略高價(jià)項(xiàng)： 00LL靈敏度為： 0001LLK（表明？）第5章 電感式傳感器由此可見(jiàn)，變隙式傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度之間存在矛盾，因此，變隙式電感傳感器用于測(cè)量微小位移量的場(chǎng)合。為減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙

4、式自感傳感器。sUL1L2RoRooU122131鐵芯2線圈 3銜鐵圖5-2 差動(dòng)變隙式電感傳感器24121200021()().LLLLLL 002LL0002LLKn差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是 單線圈式的兩倍。n差動(dòng)式變間隙電感傳感器的非線性項(xiàng) 次數(shù)高， 線性度得到明顯改善。第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器交流電橋式測(cè)量電路50n電橋平衡條件：Z1 = Z2 ; Z3 = Z4n平衡狀態(tài)下：U00n銜鐵偏離中心位置后：(假設(shè)Z1=Z+Z1; Z2=Z-Z2 ;還假設(shè)傳感器線圈具有高品質(zhì)因數(shù))又忽略高次項(xiàng)得故（注：此圖中的電橋輸入輸出端口與上一章中的位置剛好

5、相反）)()(22121210LLUZZZZU.)()(1 240200021LLLL002LL0002 LU第5章 電感式傳感器n交流電橋式測(cè)量電路靈敏度分析n靈敏度K0為n兩點(diǎn)結(jié)論：n差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。n差動(dòng)式變間隙電感傳感器的非線性項(xiàng)次數(shù)高，線性度得到明顯改善。002LL0002LLK第5章 電感式傳感器變壓器式交流電橋62221212110UZZZZUZZUZU當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí), 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此時(shí)220ULLUZZU220ULLUZZU當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí), 即Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此時(shí)第5章 電感式傳感器諧振式測(cè)量電路78

6、)2(1LCf第5章 電感式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器n互感式傳感器把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器n差動(dòng)變壓器式傳感器次級(jí)繞組用差動(dòng)形式n結(jié)構(gòu)：變隙式、變面積式、螺線管式n優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠第5章 電感式傳感器螺線管式差動(dòng)變壓器第5章 電感式傳感器螺線管差動(dòng)變壓器工作原理14第5章 電感式傳感器螺線管式差動(dòng)變壓器工作原理16（兩次級(jí)線圈反相串聯(lián)，忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容）n銜鐵在平衡位置時(shí)n活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響, w2a中磁通將大于w2b, 使M1M2 ，n反之n即：當(dāng)銜鐵位移發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓會(huì)隨之發(fā)生變化baEEU220第5

7、章 電感式傳感器螺線管式差動(dòng)變壓器基本特性16（兩次級(jí)線圈反相串聯(lián)，忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容）1111LjrUI112IMjEa122IMjEb11121222)(LjrUMMjEEUba2121211212)()(LrUMMUn銜鐵在中間位置時(shí)，M1=M2=M，故U2=0 n活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí), M1=M+M M2=M-M 與同極性n活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí), M1=M-M M2=M+M 與同極性n輸出特點(diǎn)：輸出（交流電壓）幅值與銜鐵偏移量成正比；銜鐵過(guò)平衡點(diǎn)時(shí)，相位改變180度。 21212112)(/2LrMUUaE221212112)(/2LrMUUbE2第5章 電感式傳感器零點(diǎn)殘

8、余電壓及補(bǔ)償17零點(diǎn)殘余電壓U0零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等問(wèn)題引起的。（基波、高次諧波）rCW1W2輸出圖1 零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償（直接補(bǔ)償）輸出rCW1W2交流輸入圖2 零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償?shù)牧硪环N方法（間接補(bǔ)償）第5章 電感式傳感器差動(dòng)式變壓器測(cè)量電路n兩個(gè)目的：n辨別移動(dòng)方向n消除零點(diǎn)殘余電壓n兩種方法：n差動(dòng)整流電路n相敏檢波電路第5章 電感式傳感器差動(dòng)整流電路18第5章 電感式傳感器 相敏檢波電路19第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感

9、器第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器電渦流式傳感器n工作原理221I1H2I2H傳感器等效阻抗發(fā)生變化電渦流效應(yīng)塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí), 導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流。),(xfrFZ一般用于測(cè)量x，也有用于測(cè)量、第5章 電感式傳感器第5章 電感式傳感器電渦流傳感器基本特性121111UIMjILjIR012222IMjILjIR等效電路模型：線圈的等效阻抗：)()(222222212222221112LLRMLjRLRMRIUZeqeqLjR第5章 電感式傳感器電渦流的徑向形成范圍25n電渦流徑向形成的范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.82.5 倍范圍內(nèi), 且分布不均勻n電渦流密度在短路環(huán)半徑r=0處為零n電渦流的最大值在r=ras附近的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)n可以用一個(gè)平均半徑為ras（ras=（ri+ra）/2）的短路環(huán)來(lái)集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）第5章 電感式傳感器電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系n電渦強(qiáng)度與距離x