傳感器技術(shù)第三章電感式傳感器

傳感器技術(shù)第三章電感式傳感器第1頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如下圖所示。這時(shí)毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí)，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。

第2頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日電感傳感器的基本工作原理演示F220V準(zhǔn)備工作第3頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F第4頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.1傳感器線圈的電氣參數(shù)分析1、線圈電感LΨ——線圈總磁鏈,單位：韋伯；I——通過(guò)線圈的電流，單位：安培；W——線圈的匝數(shù)；Rm——磁路總磁阻，單位：1/亨。第5頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2、銅損電阻Rc銅損引起的耗散因數(shù)與激勵(lì)頻率成正比。3、渦流損耗電阻Re高電阻率有利于渦流損耗的下降，而高磁導(dǎo)率卻導(dǎo)致渦流損耗的增加。4、磁滯損耗電阻Rh磁滯損耗電阻與激勵(lì)頻率無(wú)關(guān)。在小激勵(lì)電流和弱磁場(chǎng)狀態(tài)，與銅損和渦流損耗相比可忽略。5、總耗散因數(shù)D和品質(zhì)因數(shù)Q6、并聯(lián)寄生電容的影響

并聯(lián)寄生電容由線圈繞組的固有電容和電纜的分布電容組成。它的存在使靈敏度提高。因此，按規(guī)定電纜校正好的儀器，如更換電纜就應(yīng)重新校正或并聯(lián)電容加以調(diào)整。當(dāng)激勵(lì)頻率較低時(shí)(f<10kHz)可忽略其影響.第6頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.2自感式傳感器a)氣隙型b)截面型

c)螺管型自感式傳感器原理圖第7頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日式中，l1，l2——鐵心和銜鐵的磁路長(zhǎng)度ｍ；S1，S2——鐵心和銜鐵的截面積ｍ2；μ1，μ2——鐵心和銜鐵的磁導(dǎo)率ｍ2；S0，δ——?dú)庀洞磐ń孛娣eｍ2和氣隙總長(zhǎng)ｍ。等效磁導(dǎo)率:將上述線圈等效成一封閉鐵心線圈，其磁路等效磁導(dǎo)率為μe，磁通截面積為S，磁路長(zhǎng)度為l，則磁阻：式中μ0——真空磁導(dǎo)率，μ0＝4π×10-7(H/m)第8頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

互感式傳感器(差動(dòng)變壓器)是一種線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器。結(jié)構(gòu)形式變隙式、變面積式、螺線管式（幾納米～1米的機(jī)械位移、精度高、靈敏度高、性能可靠）3.3互感式傳感器(差動(dòng)變壓器)第9頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

互感式傳感器(差動(dòng)變壓器)原理類似于變壓器，因此應(yīng)用變壓器原理對(duì)其電氣參數(shù)進(jìn)行分析。不同之處：變壓器：閉磁路，初、次級(jí)間的互感為常數(shù)；

差動(dòng)變壓器：開磁路，初、次級(jí)間的互感隨銜鐵移動(dòng)而變。次級(jí)繞組采用差動(dòng)形式連接。第10頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.3.1工作原理與類型1、等效電路及輸出特性：（忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻、線圈分布電容等）第11頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日M!、M2分別為兩個(gè)次級(jí)繞組A和B的互感，銜鐵在初始平衡位置：銜鐵移向上端：銜鐵移向下端：被測(cè)體位移銜鐵移動(dòng)第12頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日根據(jù)等效電路，當(dāng)次級(jí)開路時(shí)初級(jí)電流：次級(jí)繞組中的感應(yīng)電勢(shì)為：輸出電壓為：輸出電壓幅值為：(3-54)(3-55)第13頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(3)銜鐵向下端移：若則：輸出與輸入反相輸出與輸入同相當(dāng)有示波器時(shí)，可通過(guò)觀察輸出與輸入之間的相位關(guān)系判斷銜鐵的移動(dòng)方向。當(dāng)用交流電表時(shí)就無(wú)法判斷銜鐵的移動(dòng)方向了。第14頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日當(dāng)激勵(lì)頻率過(guò)低時(shí)，ωL1<<R1,得:當(dāng)ω增加使ωL1>>R1,得:這時(shí)靈敏度隨頻率ω增加而增加，當(dāng)激勵(lì)頻率增加超過(guò)某數(shù)值，由于趨膚效應(yīng)和鉄損等影響，靈敏度將下降。這時(shí)靈敏度與頻率ω?zé)o關(guān)，為一常數(shù)。由上式(3-54)可知，2、靈敏度與激勵(lì)頻率間的關(guān)系第15頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三種類型傳感器的適用范圍：差動(dòng)變壓器的靈敏度一般可達(dá)0.5~5V/mm，行程越小，靈敏度越高。為了提高靈敏度，勵(lì)磁電壓在10V左右為宜。電源頻率以400Hz~10kHz為好。變氣隙式一般用于測(cè)量幾微米到幾百微米的位移;變面積式一般可測(cè)量零點(diǎn)幾角秒以下的微小角位移,線性范圍可達(dá)±10°;螺管式可測(cè)量幾納米到一米的位移,但靈敏度稍低。第16頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3、變隙式差動(dòng)變壓器(1).工作原理兩個(gè)初級(jí)繞組同名端順向串聯(lián)，兩個(gè)次級(jí)繞組同名端反向串聯(lián)。銜鐵在初始平衡位置：被測(cè)體位移銜鐵位移：的大小與極性反映被測(cè)體位移的大小和方向。第17頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(2).輸出特性在忽略鐵損（渦流與磁滯損耗）和漏感且變壓器次級(jí)開路（負(fù)載阻抗足夠大）條件下，得等效電路：由電磁感應(yīng)定律和磁路歐姆定律，當(dāng)R1<<L1，時(shí)，如不考慮鐵芯與銜鐵中的磁阻影響，對(duì)等效電路分析可得：圖中R,L分別是四個(gè)繞組的直流電阻與電感。W1、W2分別為初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的匝數(shù)第18頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日銜鐵在初始平衡位置：被測(cè)體位移銜鐵位移：銜鐵上移(向1):銜鐵下移(向2):(3-64)(3-65)第19頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日變隙式差動(dòng)變壓器靈敏度：分析：穩(wěn)定傳感器具有穩(wěn)定的輸出特性；UiK(當(dāng)變壓器鐵芯不飽和，及在允許溫升條件下)W2/W1(受限于變壓器體積及零點(diǎn)殘余電壓)K,0(0.5mm)K（忽略邊緣磁通）鐵損及線圈中分布電容影響：降低傳感器靈敏度，增加非線性誤差，傳感器性能變差。在工程應(yīng)用中常可忽略。工藝結(jié)構(gòu)：不對(duì)稱零點(diǎn)殘余電壓Uo。變壓器副邊開路，若配接低輸入阻抗電路，要考慮副邊電流對(duì)輸出特性的影響。第20頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4、螺線管式差動(dòng)變壓器（1）.工作原理

結(jié)構(gòu):兩個(gè)次級(jí)線圈反相串聯(lián)。分類：（按線圈繞組排列方式）一節(jié)式：靈敏度高；三節(jié)式：零點(diǎn)殘余電壓較??；常用二節(jié)式、三節(jié)式第21頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期日等效電路：（忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻、線圈分布電容等）螺線管差動(dòng)變壓器線性范圍約為線圈骨架長(zhǎng)度的1/10左右。激勵(lì)頻率采用中頻，配用相敏檢波