自感式傳感器

關(guān)于自感式傳感器1第1頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1自感式傳感器3.1.1工作原理3.1.2變氣隙式自感傳感器3.1.3變面積式自感傳感器3.1.4螺線管式自感傳感器3.1.5自感式傳感器測量電路3.1.6自感式傳感器應(yīng)用舉例第2頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1工作原理

線圈自感Ψ——線圈總磁鏈,單位：韋伯；I——通過線圈的電流，單位：安培；W——線圈的匝數(shù)；Rm——磁路總磁阻，單位：1/亨。a)氣隙型

b)截面型

c)螺管型自感式傳感器原理圖將被測量的變化轉(zhuǎn)換為自感L的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。空氣隙很小第3頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月li——各段導(dǎo)磁體的長度；μi——各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率；Si

——各段導(dǎo)磁體的截面積；

δ——空氣隙的厚度；μ0

——真空磁導(dǎo)率S——空氣隙磁通的截面積變氣隙型傳感器變截面型傳感器

線圈中放入圓形銜鐵（上圖c)，當(dāng)銜鐵上下移動時，也可改變自感，構(gòu)成螺管型傳感器。代入Rm，得磁路封閉，磁場均勻，若忽略磁路鐵損，則總磁阻為第4頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2變氣隙式自感傳感器

通常氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻

可見，L與δ之間是非線性關(guān)系

對圖（a），磁路總磁阻可寫為：（3.1.6）第5頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)銜鐵處于初始位置時，初始電感量為當(dāng)銜鐵上移Δδ時，則，代入式（3.1.6）式并整理得（3.1.7）第6頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)時，上式用泰勒級數(shù)展開成如下的級數(shù)形式

同理，當(dāng)銜鐵隨被測物體的初始位置向下移動時，有（3.1.11）（3.1.13）（3.1.10）第7頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月對式（3.1.11）（3.1.13）作線性化處理，即忽略高次項后均可得靈敏度為可見，變間隙式自感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，故該類傳感器適用于測量微小位移場合。為減小非線性誤差，實際中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。（3.1.15）第8頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月差動變隙式電感傳感器

1-鐵芯；2-線圈；3-銜鐵（與被測件相連當(dāng)銜鐵上下移動時，使兩個磁回路中的磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，導(dǎo)致一個線圈電感量增加，另一線圈電感量減小，形成差動形式。使用時，兩電感線圈接在交流電橋的相鄰兩橋臂，另兩橋臂接有電阻。兩個完全相同的電感線圈合用一個銜鐵和相應(yīng)磁路第9頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月對上式進行線性處理，即忽略高次項得

靈敏度k0為（1）差動變隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍。（2）單線圈是忽略及以上高次項，差動式是忽略及以上高次項，故差動式自感傳感器的線性度得到明顯改善。當(dāng)銜鐵上移時，設(shè)兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2

差動傳感器電感總變化量（3.1.16）（3.1.18）第10頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.3變面積式自感傳感器對圖3.1.1(b)傳感器氣隙長度lδ保持不變，令磁通截面積隨被測非電量而變化，設(shè)鐵芯材料和銜鐵材料的磁導(dǎo)率相同，則此變面積自感傳感器自感L為對上式微分，得靈敏度變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，輸入與輸出呈線性關(guān)系；因此可望得到較大的線性范圍。但與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度降低。第11頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.4螺線管式自感傳感器該類傳感器有單線圈（圖3.1.1(c))和差動式兩種；單線圈螺管式自感傳感器第12頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.4螺線管式自感傳感器1-螺線管線圈Ⅰ；2-螺線管線圈Ⅱ；3-骨架；4-活動鐵芯

L10，L20——分別為線圈Ⅰ、Ⅱ的初始電感值；μr—活動鐵芯的相對磁導(dǎo)率,rc---活動鐵芯半徑差動螺管式電感傳感器由兩個完全相同的螺管相連，鐵芯初始狀態(tài)處于對稱位置，使兩邊螺管的初始電感值相等，即（3.1.21）第13頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)鐵芯移動（如右移）Δx后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小

根據(jù)以上兩式，可以求得每只線圈的靈敏度為兩只線圈的靈敏度大小相等，符號相反，具有差動特征。

考慮到μr>>1，而lc與l，rc與r均有相同數(shù)量級，則式(3.1.21)和式(3.1.24)可簡化為（3.1.22）（3.1.23）（3.1.24）可見，當(dāng)lc與l為常數(shù)時，增加W，μr，rc都可使L0和k1（k2）提高。第14頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.5自感式傳感器測量電路1.調(diào)幅電路2.調(diào)頻電路3.調(diào)相電路4.自感傳感器的靈敏度為測出電感量的變化，需由轉(zhuǎn)換電路將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓（電流）的變化。第15頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月1.調(diào)幅電路

變壓器電橋電路輸出空載電壓初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z,u0=0當(dāng)銜鐵偏離中間零點時使用元件少，輸出阻抗小,獲得廣泛應(yīng)用傳感器兩線圈阻抗圖3.1.5變壓器電橋(3.1.28)第16頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月同理，當(dāng)傳感器銜鐵移動方向相反時空載輸出電壓兩種情況輸出的電壓大小相等，方向相反，即相位差1800。用示波器無法判別交流電壓的相位，因此為判別銜鐵位移方向，即要判別信號的相位，需在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來解決。交流電壓，無方向性第17頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)相敏檢波電路當(dāng)差動銜鐵居中時，Z1=Z2=Z，輸出電壓V=0。當(dāng)銜鐵偏離中間位置而使Z2=Z+ΔZ增加，則Z1=Z-ΔZ減少。這時當(dāng)電源u上端為正，下端為負時，電阻R2上的壓降大于R1上的壓降；當(dāng)u上端為負，下端為正時，R1上壓降則大于R2上的壓降。則有，此時電壓表V輸出下端為正，上端為負。同理可分析銜鐵偏離中間位置使Z1=Z+ΔZ增加，Z2=Z-ΔZ減少時差動電感傳感器線圈阻抗兩平衡電阻相等相敏整流器交流電源第18頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a)非相敏整流電路；（b）相敏整流電路比較上述兩種情況知，輸出電壓的幅值表示了銜鐵位移的大小，極性則反映了銜鐵移動的方向。由上圖可見，使用相敏整流，輸出電壓U0不僅能反映銜鐵位移的大小和方向，而且還消除零點殘余電壓的影響。

第19頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)諧振式調(diào)幅電路該電路的靈敏度很高，但是線性差，適用于線性要求不高的場合。諧振點的電感值傳感器電感第20頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月2.調(diào)頻電路原理：傳感器自感L變化將引起輸出電壓頻率f的變化GCLfL變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f大小即可測出被測量的值。當(dāng)L微小變化ΔL后，頻率變化Δf為：靈敏度很高，但線性差，適用于線性要求不高的場合。Lf0振蕩電路第21頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.調(diào)相電路傳感器電感變化將引起輸出電壓相位變化。設(shè)計時使電感線圈具有較高的品質(zhì)因數(shù)。忽略其損耗電阻，則電感線圈與固定電阻上的壓降UL和UR兩個相量垂直。相位電橋L變化時，輸出電壓U0幅值不變，相位角隨之變化。第22頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月4.自感傳感器的靈敏度

傳感器結(jié)構(gòu)靈敏度轉(zhuǎn)換電路靈敏度總靈敏度指傳感器結(jié)構(gòu)（測頭）和轉(zhuǎn)換電路綜合在一起的總靈敏度。以調(diào)幅電路為例來討論。空載輸出電壓第23頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月第一項決定于傳感器的類型第二項決定于轉(zhuǎn)換電路的形式第三項決定于供電電壓的大小如對氣隙型傳感器、采用圖3.1.5的變壓器電橋，可得生產(chǎn)中測定傳感器的靈敏度是在把傳感器接入轉(zhuǎn)換電路后進行的。規(guī)定傳感器靈敏度的單位為mV/(μm·V)，即當(dāng)電源電壓為1V，銜鐵偏移1μm時，輸出電壓為若干毫伏。第24頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.6自感式傳感器應(yīng)用舉例自感式位移傳感器自感式壓力傳感器第25頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月1.自感式位移傳感器1傳感器引線2鐵心套筒3磁芯