第五章电感式式传感器.ppt

第五章 电感传感器 ; 利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、 振动、重量、力矩、应变等转换成线圈自感量L或互感量M的变化, 再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出, 这种装置称为电感式传感器。 电感式传感器具有结构简单, 工作可靠, 测量精度高, 抗干扰能力强，零点稳定, 输出功率较大等一系列优点。 其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约, 传感器自身频率响应低, 不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制, 在工业自动控制系统中被广泛采用。 　　 此外，利用电涡流原理的电涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器，利用平面绕组互感原理的感应同步器等，亦属此类。 　;5.1.1单组式工作原理;根据磁路定理 ;考虑到一般导磁体的导磁率远大于空气的导磁率(大于千倍乃至数万倍), ??有; 可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即L＝f(A,lδ) 如果A保持不变，则L为lδ的单值函数，构成变气隙式自感传感器；若保持lδ不变，使A随位移变化，则构成变截面式自感传感器。其特性曲线如图。;5.1.1结构类型1.变气隙式自感传感器;当Δδ/δ01时，可将上式用泰勒级数展开成如下的级数形式： ;同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有 ;灵敏度为 ;差动式电感传感器; 当衔铁往上移动Δδ时，差动传感器电感的总变化量ΔL=ΔL1+ΔL2, 具体表达式为 ;灵敏度S为 ;2.变面积式自感传感器;3螺管型自感传感器 有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。; 下图为单个螺管线圈内磁场强度H的分布曲线，铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的磁场强度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的磁场强度要小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。 ; 为了提高灵敏度与线性度,常采用差动螺管式自感传感器。图(b)中H=f(x)曲线表明：为了得到较好的线性,铁芯长度取0.6l时,则铁芯工作在H曲线的拐弯处,此时H变化小。 差动螺管式自感传感器自感变化量与铁芯的位移量成正比，灵敏度比单线圈螺管式提高一倍。 这种差动螺管式自感传感器的测量范围为(5～50)mm,非线性误差在0.5％左右。 ; 综上所述，螺管式自感传感器的特点： ①线性范围和量程大，但由于空气间隙大，磁路的磁阻大，因此灵敏度低； ②由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； ③由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大； ④要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。 ⑤结构简单，制造装配容易，批量生产的互换性强，应用越来越多; 5.1.3信号调理电路 1调幅电路 变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量电路如图所示，电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2。 当负载阻抗为无穷大时，输出空载电压 ;当传感器衔铁上移时，如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ时， ; 由于u是交流电压，如果用示波器观察波形，其结果相同，输出指示无法判断位移方向，并且当衔铁在中间位置时候，输出电压不为零，称为零点残余电压， 零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小，否则将会影响传感器的测量结果。 为了消除零点残余电压的影响，并判断衔铁的移动方向，必须配合相敏检波电路来解决。; 调频电路的基本原理，是传感器电感L的变化将引起输出电压频率的变化。 通常把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中， 其振荡频率 ;5.1.4 自感式传感器的应用 ;变隙式差动电感压力传感器 ;5.2 差动变压器式传感器（互感式传感器 ）;5.2.1 工作原理 当初级线圈加入适当频率的激励电压u1时，两个次级线圈中会产生感应电势，感应电势的大小与线圈之间的互感M成正比，若两个次级线圈的感应电势分别为e21和e22，又因接成差动形式，即输出接成反极性串联，则传感器总输出电压u2= e21- e22。; 两个次级线圈完全相同, 当铁芯处在中间位置时, 通过两个次级线圈的磁力线相等，互感M1=M2，感应电动势e21=e22 ，此时