第三章電感傳感器

傳感與檢測(cè)技術(shù)武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院Copyright?2004WUT.AllRightsReserved.第三章電感傳感器第一節(jié)自感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器第三節(jié)電渦流式傳感器電感傳感器電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型電感式傳感器1.自感型--可變磁阻式a)可變導(dǎo)磁面積型b）差動(dòng)型c）單螺管線圈型d）雙螺管線圈差動(dòng)原理:電磁感應(yīng)電感式傳感器2互感型--差動(dòng)變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.WW1W2Esx-xEwEout電感式傳感器3渦流式原理:渦流效應(yīng)原線圈的等效阻抗Z變化：優(yōu)點(diǎn)：⑴.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量壓力小、壽命長(zhǎng)；⑵.分辨率高（位移變化0.01μm，角度變化0.1O）；⑶.重復(fù)性好，線性度優(yōu)良（非線性誤差可達(dá)0.05%～0.1%）；⑷.輸出信號(hào)強(qiáng)，不經(jīng)放大的輸出電壓可達(dá)幾十到幾百毫伏。缺點(diǎn)：

存在交流零位信號(hào)，不適于高頻動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量。第一節(jié)自感式傳感器一、自感電動(dòng)勢(shì)與電感

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，每匝產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為，當(dāng)線圈為N時(shí)，則整個(gè)線圈的自感電動(dòng)勢(shì)為：磁鏈與電流成正比，其比例常數(shù)稱自感L或稱為電感

因此對(duì)于一個(gè)磁路按歐姆定律可寫成下列形式：

代入式（3-2）得：

第一節(jié)自感式傳感器自感型--可變磁阻式a)可變導(dǎo)磁面積型b）差動(dòng)型c）單螺管線圈型d）雙螺管線圈差動(dòng)原理:電磁感應(yīng)第一節(jié)自感式傳感器二、工作原理因?yàn)閷?dǎo)磁體的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，即氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵心和銜鐵的磁阻，所以線圈的自感為

特性曲線

圖3－2自感傳感器特性曲線自感傳感器一般有三種類型：1.改變空氣隙厚度的自感傳感器；2.改變氣隙截面積的自感傳感器；3.螺管式自感傳感器。

三、電感計(jì)算及特性分析1．氣隙型傳感器設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙棣?，初始電感量為L(zhǎng)0，銜鐵位移引起的氣隙變化量為△δ，則

一般取△δ=（0.1～0.2）δ0

當(dāng)時(shí)，上式用臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開成級(jí)數(shù)形式為：

作線性處理，忽略高次項(xiàng)，可得

氣隙型電感傳感器的靈敏度為：結(jié)論：傳感器的測(cè)量范圍小，K大。非線性誤差

結(jié)論：變氣隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，所以變氣隙式電感傳感器用于測(cè)量微小位移時(shí)是比較精確的。2.差動(dòng)自感傳感器⑴.結(jié)構(gòu)

為了減小非線性，可利用兩只完全對(duì)稱的單個(gè)電感傳感器合用一個(gè)活動(dòng)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器，如差動(dòng)式氣隙電感傳感器、差動(dòng)螺管電感傳感器等。其測(cè)量電路可使用非平衡電橋、相敏整流電路等。

差動(dòng)自感傳感器原理圖

差動(dòng)自感傳感器原理圖

⑵.工作原理①.初態(tài)（平衡態(tài)）：②.動(dòng)鐵芯向上移位時(shí)：設(shè)I1和I2保持初態(tài)值，即：I1=I2所以Uo=IZL=2ΔIZL

⑵.工作原理（續(xù)）③.動(dòng)鐵芯向下移位時(shí)：Uo=IZL=－2ΔIZL

動(dòng)鐵位移時(shí)，輸出電壓的大小和極性將跟隨位移的變化而變化。

結(jié)論：在銜鐵位移時(shí)，兩輸出電流變化量大小相等，極性相反，且大小是2?I關(guān)系。輸出電壓跟隨輸出電流做相應(yīng)變化。＋——上移－——下移銜鐵位移量變化量大小變化極性（方向）（銜鐵位移方向）電感的相對(duì)變化量為

差動(dòng)電感傳感器的輸入輸出特性為靈敏度為：上式用臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開成級(jí)數(shù)形式為

作線性處理，忽略高次項(xiàng)，可得

非線性誤差為：3．螺管型電感傳感器差動(dòng)螺管式電感傳感器的電感相對(duì)變化量為

3.1電感式傳感器雙螺管線圈差動(dòng)型傳感器及測(cè)量電路~交流電橋螺管式電感傳感器的特點(diǎn)：⑴.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易；⑵.因空氣隙大，磁路的磁阻高，故靈敏度低，但線性范圍大；⑶.因磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾；⑷.因磁阻高，為達(dá)到某一電感量，需增加線圈匝數(shù)，故線圈分布電容大；⑸.要求線圈框架幾何尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和確定性。三、差動(dòng)自感傳感器測(cè)量電路1．基本交流測(cè)量電橋主要有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路（1）初態(tài)時(shí)：由于動(dòng)鐵居中，即Z1=Z2=Z，Uo=0，說(shuō)明電橋處于平衡狀態(tài)。

雙螺管線圈差動(dòng)型傳感器及測(cè)量電路~交流電橋（2）動(dòng)鐵上移時(shí)：

δ1↓→L1↑→Z1↑=Z+ΔZ

δ2↑→L2↓→Z2↓=Z－ΔZ

（3）動(dòng)鐵下移時(shí)：同理可得

2．帶相敏整流的交流電橋工作原理：（1）初態(tài)時(shí)：由于動(dòng)鐵居中，即Z1=Z2=Z，由于橋路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，此時(shí)UB=UC，即Uo

=0。（2）動(dòng)鐵上移時(shí)：

Z1↑=Z+ΔZ，Z2↓=Z－ΔZ，即Z1＞Z2→I1＜I2，

此時(shí)

Uo

=UB－UC=UBD+UDC=I1R－I2R=R（I1－I2）＜0

指示表指針左偏，讀數(shù)為負(fù)，表明動(dòng)鐵在上移。（3）動(dòng)鐵下移時(shí)：

Z1↓=Z－ΔZ，Z2↑=Z+ΔZ，即Z2＞Z1→I1＞I2，此時(shí)Uo

=UB－UC=R（I1－I2）＞0

指示表指針右偏，讀數(shù)為正，表明動(dòng)鐵在下移。測(cè)量電橋引入相敏整流后還可以消除殘余電壓

圖3－7基本測(cè)量電橋輸出特性

圖3－8帶相敏整流電橋輸出特性3.調(diào)頻電路4.調(diào)相電路5.傳感器靈敏度自感傳感器的靈敏度指?jìng)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)（測(cè)頭）和轉(zhuǎn)換電路綜合在一起的總靈敏度。

傳感器結(jié)構(gòu)的靈敏度即電感值相對(duì)變化與引起這一變化的銜鐵位移之比

轉(zhuǎn)換電路的靈敏度即空載輸出電壓與電感相對(duì)變化之比傳感器的靈敏度為：在工廠生產(chǎn)中測(cè)定的傳感器的靈敏度是把傳感器接入轉(zhuǎn)換電路后進(jìn)行的，其單位為：

mv/(μm·V)。

四、影響傳感器精度的因素分析1.電源電壓和頻率的波動(dòng)影響

電源電壓的波動(dòng)一般允許為5%～10%。嚴(yán)格對(duì)稱的交流電橋可補(bǔ)償頻率波動(dòng)的影響。2.

溫度變化的影響

為補(bǔ)償溫度變化的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要合理選擇零件的材料（注意各種材料的膨脹系數(shù)之間的配合），在制造和裝配工藝上應(yīng)使差動(dòng)式傳感器的兩只線圈的電氣參數(shù)（電阻、電感、匝數(shù)）和幾何尺寸盡可能一致。上述措施可在對(duì)稱電橋電路中有效地補(bǔ)償溫度的影響。3.非線性特性的影響

除采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)外，還須限制銜鐵的最大位移量

4.輸出電壓與電源電壓之間的相差

采用相敏整流電路，和高Q值傳感器，一般Q值不應(yīng)低于3～4。5.電橋的殘余不平衡電壓——零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因：

⑴.差動(dòng)式兩個(gè)電感線圈的電氣參數(shù)以及導(dǎo)磁體的幾何尺寸不可能完全對(duì)稱；

⑵.傳感器具有鐵損即磁芯磁化曲線的非線性；

⑶.電源電壓中含有高次諧波；

⑷.線圈中有寄生電容，線圈與外殼、鐵芯間有分布電容；

零點(diǎn)殘余電壓的危害很大，會(huì)降低測(cè)量精度，削弱分辨力，易使放大器飽和。

減小零點(diǎn)殘余電壓的措施是減少電源中的諧波成分，減小電感傳感器的激磁電流，使之工作在磁化曲線的線性段。為了消除電橋的零點(diǎn)殘余電壓，在差動(dòng)電感電橋的電路中通常再接入兩只可調(diào)電位器，當(dāng)電壓有零點(diǎn)殘余電壓時(shí)，可以反復(fù)調(diào)節(jié)兩只電位器，使電橋?qū)崿F(xiàn)平衡。六、自感式傳感器的應(yīng)用

思考題：

1.簡(jiǎn)述變隙式自感傳感器的工作原理？寫出單線圈和差動(dòng)線圈自感傳感器的靈敏度計(jì)算公式？輸出特性？

2.帶相敏整流的電橋電路具有哪些優(yōu)點(diǎn)？

檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院Copyright?2003WUT.AllRightsReserved.第三章電感傳感器互感型--差動(dòng)變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.WW1W2Esx-xEwEout第三章電感傳感器互感傳感器——將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為傳感器件的互感變化量的傳感器。第二節(jié)差動(dòng)變壓器（互感傳感器）一、工作原理設(shè)：一、工作原理則：又：故：其有效值為

二、螺管型差動(dòng)變壓器1.結(jié)構(gòu)（a）結(jié)構(gòu) （b）等效電路圖3－14差動(dòng)變壓器原理圖

2.基本特性當(dāng)鐵芯位于線圈中心位置時(shí)，U1=U2，UO=0；

當(dāng)次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)線圈的交流電流為：次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)為：差動(dòng)變壓器的空載輸出電壓為：

其幅值為：輸出阻抗為：

⑴.磁芯處于中間平衡位置時(shí)

M1=M2=MUO=0⑵.磁芯上升時(shí)

M1=M+ΔM,M2=M-ΔM⑶.磁芯下降時(shí)設(shè)M1=M-ΔM,M2=M+ΔM

輸出電壓還可以寫成：3.主要性能

（1）

輸出電壓特性

圖中Uo為動(dòng)鐵4與次線某線圈完全不耦合時(shí)的輸出電壓，稱之為殘余電壓。ΔX表示動(dòng)鐵4與次級(jí)某線圈實(shí)際位移的范圍。

(a)單個(gè)線圈(b)差動(dòng)兩線圈（2）靈敏度

差動(dòng)變壓器在單位電壓激勵(lì)下，鐵芯移動(dòng)單位距離時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓。以mv/mm.V表示。提高差動(dòng)變壓器的靈敏度可采用如下途徑：①在初級(jí)線圈熱容量允許范圍內(nèi)適當(dāng)增加激勵(lì)電壓U1。適當(dāng)增加激勵(lì)頻率，也可以提高靈敏度。

②在低頻段，若R1＞＞ωL1，則由（3－20）式可得③適當(dāng)增加動(dòng)鐵芯截面積，以減小磁路磁阻，同時(shí)減小鐵損。

④適當(dāng)增加次級(jí)線圈的匝數(shù)N2，一般取N2=（1～2）N1。實(shí)際應(yīng)用中提高差動(dòng)變壓器的靈敏度的途徑：提高線圈的Q值，為此可增大差動(dòng)變壓器的尺寸。一般線圈長(zhǎng)度為直徑的1.5-2.0倍為恰當(dāng)。選擇較高的激勵(lì)頻率增大鐵芯直徑，使其接近于線圈架內(nèi)徑，但不觸及線圈架。二節(jié)式差動(dòng)變壓器的鐵芯長(zhǎng)度為全長(zhǎng)的60%-80%。鐵芯采用導(dǎo)磁率高，鐵損小，渦流損耗小的材料在不使線圈過(guò)熱的條件下盡量提高激勵(lì)電壓。三、轉(zhuǎn)換電路1．反串電路2.橋路靈敏度只有反串電路的一半，但可利用RP進(jìn)行電氣調(diào)零，不再需要另外配置調(diào)零電路。

空載輸出電壓3．差動(dòng)整流電路下面結(jié)合（b）全波電壓輸出電路，分析差動(dòng)整流電路的工作原理。

設(shè)某瞬間載波為正半周，此時(shí)差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)線圈的相位關(guān)系為A正B負(fù)，、C正D負(fù)，則由上線圈供電的電流路徑為：

A→1→2→9→11→4→3→B電容C1兩端的電壓為U24，電容C2兩端的電壓位U68。差動(dòng)變壓器的輸出電壓為上述兩電壓的代數(shù)和，即U2=U24-U68

。同理，當(dāng)某瞬間為負(fù)半周時(shí)，即兩次級(jí)線圈的相位關(guān)系為A負(fù)B正、C負(fù)D正，按上述分析，可得差動(dòng)變壓器輸出電壓U2的表達(dá)式仍為U2=U24-U68。

當(dāng)鐵心在中間位置時(shí)，U24=U68，所以U2=0；

當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，因?yàn)閁24>U68，則U2>0；

當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)，因?yàn)閁24<U68，則U2<0。

鐵心在零位以上或以下時(shí)，輸出電壓的極性相反，于是零點(diǎn)殘余電壓會(huì)自動(dòng)抵消。4.相敏檢波電路

電路工作原理為：①當(dāng)差動(dòng)變壓器鐵心在中間位置時(shí)，e=0，只有er起作用，此時(shí)可得電壓降UCB和UDB大小相等，方向相反，故輸出UCD=0 。②若鐵心上移，e≠0，設(shè)e和er同相，由于er>>e，故er正半周時(shí)，D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止，D1回路內(nèi)總電勢(shì)為er+e/2，D2回路內(nèi)總電勢(shì)為er-e/2，故回路電流i1>i2，輸出電壓UCD=R0（i1-i2）>0。

er負(fù)半周時(shí)，D1、D2截止，D3、D4導(dǎo)通，D3回路內(nèi)電勢(shì)為er-e/2，D4路內(nèi)總電勢(shì)為er+e/2，故回路電流i4>i3，輸出電壓UCD=R0（i4-i3）>0，因此鐵心上移時(shí)輸出電壓UCD>0 。③類似，當(dāng)因此鐵心下移時(shí)，e和er反相，輸出電壓UCD<0。

由此可見(jiàn)，該電路能判別鐵心移動(dòng)的方向。

相敏整流放大器單片集成電路LZXI

功能：把輸入交流信號(hào)經(jīng)過(guò)全波整流后變?yōu)橹绷餍盘?hào)，并能鑒別輸入信號(hào)相位等功能。

四、零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的主要原因：兩個(gè)繞組不能絕對(duì)對(duì)稱。

鐵芯的磁化曲線的非線性。消除零點(diǎn)殘余電壓的方法：保證對(duì)稱性

選用合適的測(cè)量線用補(bǔ)償線路補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的電路

五、應(yīng)用舉例加速度計(jì)用傳感器測(cè)振線路方塊圖

3.3電感式傳感器應(yīng)用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;

壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭