傳感器原理與技術(shù)課件：電感式傳感器的認(rèn)識與原理

Understandingandprincipleofinductivesensor同學(xué)們，今天我們主要來學(xué)習(xí)電感式傳感器的認(rèn)識與原理。電感式傳感器的認(rèn)識與原理電感式傳感器的認(rèn)識與原理項(xiàng)目三、力和壓力的檢測電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測的物理量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，位移壓力流量振動(dòng)自感系數(shù)互感系數(shù)電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。自感系數(shù)互感系數(shù)位移壓力流量振動(dòng)電壓或電流的變化量輸出電感式傳感器具有以下特點(diǎn):（1）結(jié)構(gòu)簡單，傳感器無活動(dòng)觸點(diǎn)，因此工作可靠、壽命長。電感式傳感器的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單工作可靠壽命長（2）靈敏度和分辨率高，能測出0.01μm的位移變化。傳感器的輸出信號強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出。電感式傳感器的特點(diǎn)靈敏度和分辨率高傳感器的輸出信號強(qiáng)（3）線性度和重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍(幾十微米至數(shù)毫米)內(nèi)，傳感器非線性誤差可達(dá)0.05%~0.1%。電感式傳感器的特點(diǎn)線性度和重復(fù)性較好一定范圍內(nèi)非線性誤差可達(dá)0.05%~0.1%同時(shí)，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用。電感式傳感器的特點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制但不足的是，它有頻率響應(yīng)較低、不適合快速動(dòng)態(tài)測控等缺點(diǎn)。電感式傳感器的缺點(diǎn)頻率響應(yīng)較低不適合快速動(dòng)態(tài)測控接下來，我們來學(xué)習(xí)一下電感式傳感器原理。電感式傳感器原理電感式傳感器與磁電式傳感器都是通過磁阻變化將非電量轉(zhuǎn)化成電量的原理制成的，將其分開是根據(jù)改變磁阻方式不同。通過磁阻變化將非電量轉(zhuǎn)化成電量改變磁阻方式不同電感式傳感器是利用線圈自感或互感的改變實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)變的原理制成的。利用線圈自感或互感的改變實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)變電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、輸出功率大、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率較高、穩(wěn)定性好、工作環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單工作可靠輸出功率大抗干擾能力強(qiáng)分辨率較高穩(wěn)定性好工作環(huán)境要求低，但也有其缺點(diǎn)，如頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)量的測量。結(jié)構(gòu)簡單工作可靠輸出功率大抗干擾能力強(qiáng)分辨率較高穩(wěn)定性好工作環(huán)境要求低頻率響應(yīng)低不適用快速動(dòng)態(tài)量測量一般情況下，電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關(guān)，示值范圍大時(shí)分辨力和示值精度都將相應(yīng)降低。電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關(guān)，示值范圍大時(shí)分辨力和示值精度都將相應(yīng)降低。1.自感式傳感器自感式傳感器的工作原理，如圖3-3-2所示。圖3-3-2自感式傳感器的原理圖1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵1.自感式傳感器設(shè)線圈的匝數(shù)為N，通入線圈中的電流為I，每匝線圈產(chǎn)生的磁通為Φ，由電感定義有匝數(shù)電流磁通1.自感式傳感器NIΦ(3-3-1)圖3-3-2自感式傳感器的原理圖1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵設(shè)磁路總磁阻為RM，磁通為匝數(shù)電流磁通1.自感式傳感器NIΦ(3-3-1)總磁阻RM(3-3-2)圖3-3-2自感式傳感器的原理圖1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵由圖3-3-2可知磁路的總磁阻RM是由鐵心磁阻Rf和空氣隙磁阻組成的，即1.自感式傳感器圖3-3-2自感式傳感器的原理圖1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵總磁阻RM=鐵心磁阻+空氣隙磁阻(3-3-3)因?yàn)橐话銓?dǎo)磁體的磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的,計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)1.自感式傳感器一般導(dǎo)磁體的磁阻與空氣隙的磁阻相比很小將式(3-3-2)、(3-3-3）代入式(3-3-1)得(3-3-1)(3-3-2)(3-3-3)1.自感式傳感器(3-3-4)目前常用的自感式傳感器有：變間隙型、變面積型和螺管插鐵型三種。變間隙型傳感器變面積型傳感器螺管插鐵型傳感器（1）變間隙型電感傳感器變間隙型傳感器變面積型傳感器螺管插鐵型傳感器變氣隙型電感傳感器的原理圖如圖3-3-3所示，其電感可由式(3-3-4)得到。當(dāng)S、μ為常數(shù)時(shí)，由式(3-3-4）可知L與δ成反比，如圖3-3-3所示。圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性(3-3-4)當(dāng)S、μ為常數(shù)時(shí)L與δ成反比設(shè)初始情況下，氣隙長度為δ0，電感初值為L0，有圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性(3-3-5)δ0L0當(dāng)銜鐵隨外作用力向上移動(dòng)Δδ時(shí)，氣隙減少為δ=δ0-Δδ，則此時(shí)的電感量變?yōu)?，電感的變化量為，電感的相對變化量圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性(3-3-6)δ0L0δΔ-LΔ+(3-3-7)(3-3-8)當(dāng)Δδ/δ0＜＜1時(shí)，可將上式展開成級數(shù)：圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性(3-3-6)δ0L0δΔ-LΔ+(3-3-7)(3-3-8)當(dāng)Δδ/δ0＜＜1時(shí)(3-3-9)同時(shí)，當(dāng)銜鐵隨外作用力向下移動(dòng)時(shí)，氣隙增大，變?yōu)棣?δ0+Δδ。當(dāng)Δδ/δ0＜＜1時(shí)，電感相對變化量展開成級數(shù)有圖3-3-3變隙式電壓傳感器的L--δ特性δ0L0δΔ+LΔ-當(dāng)Δδ/δ0＜＜1時(shí)(3-3-10)優(yōu)缺點(diǎn)：變間隙型傳感器的靈敏度最高，但隨間隙的增大而降低；但非線性誤差大，解決辦法是限制量程，一般為間隙的1/5以下，這種傳感器的制作裝配比較困難。靈敏度最高，但隨間隙的增大而降低非線性誤差大制作裝配比較困難變間隙型傳感器（2）變面積型電感傳感器變間隙型傳感器變面積型傳感器螺管插鐵型傳感器變面積型電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-3-4所示圖3-3-4變面積型電感傳感器的結(jié)構(gòu)初始磁通截面S=aba：鐵心截面長b：鐵心截面寬當(dāng)銜鐵隨外作用力沿鐵心截面長度方向向下移動(dòng)x時(shí)，電感量為當(dāng)銜鐵沿鐵心截面長度方向向下移動(dòng)x時(shí)(3-3-11）(3-3-12）常數(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：變面積型傳感器的靈敏度沒變間隙型的小，但理論靈敏度為一常數(shù)，因而線性度好、量程較大、使用比較廣泛。靈敏度略小線性度好量程較大變面積型傳感器使用較廣泛（3）螺管插鐵型電感傳感器變間隙型傳感器變面積型傳感器螺管插鐵型傳感器螺旋管型電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-3-5所示。它是在螺旋線圈中放入銜鐵形成的。銜鐵在外力作用下可以前后運(yùn)動(dòng)，使得線圈的電感量發(fā)生變化。圖3-3-5螺管插鐵型電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖設(shè)線圈內(nèi)磁場強(qiáng)度是均勻的，螺管線圈全長為l，半徑為r，匝數(shù)為N，則其電感為圖3-3-5螺管插鐵型電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖..................線圈全長線圈半徑線圈匝數(shù)lrN(3-3-13)....................................當(dāng)鐵心插入線圈內(nèi)時(shí)，使插入部分的磁阻下降，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，從而使電感值增加，圖3-3-5螺管插鐵型電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖插入部分的磁阻下降磁感應(yīng)強(qiáng)度增大電感值增加設(shè)鐵心半徑為rc，鐵心材料導(dǎo)磁率為μm，鐵心插入線圈內(nèi)長度為lc（lc＜l），那么電感為圖3-3-5螺管插鐵型電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖鐵心半徑導(dǎo)磁率插入長度rcμmlc(3-3-14)若lc增加Δlc時(shí)，電感增加ΔL，有l(wèi)c增加Δlc電感增加ΔL(3-3-15)(3-3-16)(3-3-17)當(dāng)線圈參數(shù)和銜鐵尺寸一定時(shí)，電感相對變化量與銜鐵插入長度的相對變化量成正比，但由于線圈內(nèi)磁場強(qiáng)度沿軸向分布并不均勻，因而這種傳感器輸出特性為非線性。當(dāng)線圈參數(shù)和銜鐵尺寸一定時(shí)，電感相對變化量與銜鐵插入長度的相對變化量成正比，但線圈內(nèi)磁場強(qiáng)度沿軸向分布并不均勻。輸出特性為非線性優(yōu)缺點(diǎn)：螺管型的靈敏度比變面積型的還低，但它的量程大、線性度較好，制造裝配方便，與變面積型相比,批量生產(chǎn)的互換性強(qiáng)，應(yīng)用也越來越多。靈敏度更小量程大、線性度較好制造裝配方便螺管插鐵型傳感器批量生產(chǎn)的互換性強(qiáng)2.互感式傳感器互感式傳感器是一種線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器，2.互感式傳感器線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器其工作原理類似于變壓器，也叫做變壓器式傳感器。2.互感式傳感器=變壓器式傳感器不同的是，變壓器是閉合磁路，而差動(dòng)變壓器為開路；變壓器的初、次級間的互感為常數(shù)，而差動(dòng)變壓器初、次級間的互感隨銜鐵移動(dòng)而變化。閉合磁路互感為常數(shù)開放磁路互感隨銜鐵移動(dòng)而變化這種傳感器多采用差動(dòng)形式。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式有變隙式、變面積式和螺線管式等，變隙式差動(dòng)傳感器變面積式差動(dòng)傳感器螺線管式差動(dòng)傳感器如圖3-3-6所示。圖3-3-6差動(dòng)變壓器式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖3-3-6（a）是銜鐵為圓柱型的螺管式差動(dòng)傳感器，在非電量測量中,應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測量1～100mm的機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。螺管式差動(dòng)傳感器非電量測量中應(yīng)用最多可測量1～100mm的機(jī)械位移測量精度高靈敏度高結(jié)構(gòu)簡單性能可靠圖3-3-6（b）銜鐵為平板形，靈敏度較高，但測量范圍較窄，一般用于測量幾微米至幾百微米的機(jī)械位移。此外，還有銜鐵旋轉(zhuǎn)的用來測量幾角秒的微小角位移。平板銜鐵形差動(dòng)傳感器靈敏度較高測量范圍較窄測量幾微米至幾百微米的機(jī)械位移測量幾角秒的微小角位移假設(shè)閉磁路變隙式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)如圖3-3-6(a)所示，在A、B兩個(gè)鐵心上繞有W1a=W1b=W1的兩個(gè)初級繞組和W2a=W2b=W2兩個(gè)次級繞組。兩個(gè)初級繞組的同名端順向串聯(lián),而兩個(gè)次級繞組的同名端則反相串聯(lián)。順向串聯(lián)反向串聯(lián)當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵心的間隙為δao=δb0=δ0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個(gè)次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反相串聯(lián)，因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓。銜鐵與鐵心的間隙：δao=δb0=δ0互感：Ma=Mb次級繞組的互感電勢：e2a=e2bU0=e2a-e2b=0當(dāng)被測體有位移時(shí)，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb，互感Ma≠M(fèi)b，兩次級繞組的互感電勢e2a≠e2b，輸出電壓，銜鐵與鐵心的間隙：δa≠δb互感：Ma≠M(fèi)b次級繞組的互感電勢：e2a≠e2bU0=e2a-e2b≠0即差動(dòng)變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向。差動(dòng)變壓器有電壓輸出電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向當(dāng)r1a＜＜WL1a，r1b＜＜WL1b時(shí)，如果不考慮鐵心與銜鐵中的磁阻影響，對圖3-3-7所示的等效電路進(jìn)行分析，可得變隙式差動(dòng)變壓器輸出電壓U0的表達(dá)式，即圖3-3-7螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖r1a＜＜wL1ar1b＜＜wL1b不考慮鐵心與銜鐵中的磁阻影響(3-3-18)當(dāng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，因δa=δb=δc則U=0。圖3-3-7螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖(3-3-18)δa=δb=δcU=0(3-3-19)如果被測體帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)，例如向上移動(dòng)Δδ（假設(shè)向上移動(dòng)為正)時(shí)，則有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得圖3-3-7螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖(3-3-18)δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ上式表明:變壓器輸出電壓U。與銜鐵位移量Δδ/Δδ0成正比。(3-3-19)圖3-3-7螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖(3-3-18)輸出電壓U0與銜鐵位移量Δδ/Δδ0成正比“-”號的意義：當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，Δδ/Δδ0定義為正，變壓器輸出電壓U0與輸入電壓Ui反相（相位差180°)(3-3-19)圖3-3-7螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖Δδ/Δδ0定義為正輸出電壓U0與輸入電壓Ui反相而當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí),Δδ/Δδ0則為-|

Δδ/Δδ0|，表明U0與Ui同相。(3-3-19)圖3-3-7螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖Δδ/Δδ0定義為負(fù)輸出電