传感器：第四章电感式传感器资料教程.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 电感式传感器,电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化实现非电量测量的装置。,与其它传感器相比优点有：,结构简单、可靠，测力小，分辨率高，重复性好，线性度优良。,缺点：,存在交流零位信号，不适宜作高频动态测量。,自感式传感器常用的有气隙型和螺线管型两种结构。,一、气隙型电感传感器,（一）工作原理,结构原理见图。,4.1,自感式传感器,由磁路基本知识可知，线圈电感,考虑气隙中磁场强度均匀，忽略铁损，则总磁阻为,考虑，空气的磁导率远远小于铁芯的磁导率，因此,于是,设衔铁移动使气隙长度减少 ，则电感增加 ，于是得,电感的相对变化,考虑,令,将上式展开为级数形式，得,同样，当气隙长度增加时，有,忽略高次项，则电感变化灵敏度为,其线性度为,由以上分析，知,1.,电感变化与气隙变化非线性；,2.,气隙增大和减小并不对称。,对于差动式电感传感器，其电感的相对变化,电感变换灵敏度可以写为,其线性度,由上分析知：,1.,差动式灵敏度提高一倍；,2.,线性失真减小。,二、螺线管型电感传感器,螺线管型电感传感器分为单线圈和差动式两种结构。单螺线管传感器结构见下图。,2006.9.29 JC204-,参见下图，螺线管线圈在轴向产生的磁场，其磁场强度,上式中,将上式改用轴向的位置 表示，则为,通常 ，忽略螺线管内磁场强度的不均匀性，磁场强度和磁场感应强度可近似为,螺线圈的自感磁通,自感磁链,有电感的定义有,对于插入铁芯的线圈，如果插入长度与线圈长度相等，铁芯半径为 ，则线圈的自感磁通,于是,因此，电感,如果插入铁芯的长度 小于线圈长度 ，可以把线圈看作两个线圈的串联。见下图。,考虑线圈均匀绕制，有,于是,若 增加 ，则,于是相对变化量,由上式可见，输出与铁芯位移量成线性关系。以上分析基于磁场均匀分布，实际磁场强度分布不均匀，因此输出量与输入量之间具有非线性。,为了提高线性度和灵敏度，常采用差动螺线管式电感传感器。结构参见图。,图中沿轴向的磁场强度分布为,上式曲线如下图。,由曲线可看出当铁芯长度取 时，线性最好。对于差动电感，其差动输出为,由上式可见，差动电感灵敏度提高一倍。为了提高灵敏度应使线圈与铁芯在长度和半径上尽量接近。并且选用导磁率大的材料。,螺线管式电感传感器的主要特点有：,1.,结构简单；,2.,灵敏度低、线性范围大；,3.,易受外部磁场干扰；,4.,线圈匝数多，分布电容大；,5.,线圈尺寸形状必须稳定。,三、电感线圈的等效电路,实际电感线圈不可能为纯电感，它包括铜损电阻 、铁芯的涡流损耗电阻 、线圈的寄生电容 。其等效电路见图。,（一）铜损电阻,铜损电阻即电线的铜电阻，,当忽略趋肤效应时，铜损,电阻,（二）涡流损耗电阻,由于铁芯内产生电涡流而导致的能量损耗，称为涡流损耗，将它等效为一电阻消耗电功率，其电阻值定义为涡流损耗电阻。,如果铁芯有磁性材料叠压而成，每片叠片的厚度为 ，涡流穿透深度为 ，则,通常,当涡流穿透深度小于叠片厚度一半时，涡流损耗电阻公式可简化为,将铁芯电感公式代入得,取 得,（三）并联寄生电容,并联寄生电容有线圈的固有电容及电缆的分布电容组成。,没有并联寄生电容时，等效阻抗可以表示为,为总的等效损耗电阻。,考虑并联寄生电容时 ，总的等效阻抗为,上式化简得,式中 ，称为品质因数。当 时，上式简化为,等效品质因数,为,其电感相对变化,前面结果表明，品质因数在并入电容后减小，传感器灵敏度提高了。,因此测量中改变电缆长度后，由于分布电容改变，因此必须重新标定传感器。,2007.9.27 JGLX303,-,四、测量电路,（一）交流电桥,如图，电桥平衡条件为,设电桥平衡时,工作时,考虑 ，得到电桥输出,其输出幅值,输出阻抗,将前面输出，经整理变换后得,当 值很高时，上式简化为,（二）变压器电桥,如图，考虑负载阻抗为,无穷大时，流入工作臂,的电流为,输出电压,初始平衡时有 ，故,双臂工作时,输出,输出幅值,输出阻抗,这种电桥，元件少，输出阻抗小，输出负载趋于无穷大时，输出呈线性。,2006.10.8 JC204-,一、结构原理与等效电路,差动变压器分为气隙式和螺线管式两种。,LVDT,（,Linear Variable Differential Transformer,）,4.2,差动变压器,差动变压器有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈架等组成。差动变压器工作原理与一般变压器基本相同。差动变压器的线圈有多种排列方式。见图。,忽略线圈寄生电容及衔铁损耗，差动变压器的等效电路如图。,有图知，初级线圈电流,初级线圈电流在次级线圈内产生的磁通为,于是次级线圈中的感应电压为,式中,因此空载输出,输出幅度,输出阻抗,阻抗幅值,输出电势与衔铁位移关系如图。,二、变换特性（略）,三、误差分析,（一）激励电压的幅值与频率,差动变压器的激磁频率一般从,50Hz,到,10kHz,较为适当。频率太低时差动变压器的灵敏度显著降低，温度误差和频率误差增加。但频率太高，前述的理想差动变压器的假定条件就不能成立。因为随着频率的增加，铁损和耦合电容等的影响也增加了。因此具体应用时，在,400Hz,到,5kHz,的范围内选择。,激励电压幅值的波动直接影响到差动变压器的输出。可以采用交流稳压技术和测量输出与激励电压比的方式加以解决。采用,数字合成波形,方式可以保证激磁电压频率和幅值的稳定。,（二）温度变化的影响,温度变化引起线圈及导磁体导磁率的变化。从而使线圈磁场发生温度漂移。,（三）零点残余电压,当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其,输出电压为零，但实,际使用中，其输出电,压有一个微小的电压,从零点几毫伏到几十,毫伏不等。,零点残余电压产生的原因有,1.,基波分量,由于次级两个绕组不可能完全一致，因此它的等效参数不可能相同，从而使得两个绕组输出电压的幅值不等。由于线圈的损耗以及分布电容的不同，导致输出电压相位不同。上述两个不同，导致零点残余电压。,下图为两次级绕组相位差不等于,180,度时的差动输出。,2.,高次谐波,高次谐波分量组要由导磁材料磁化曲线的非线性引起的。,导磁材料磁化曲线的非线性引起高次谐波机理参见下图。,消除零点残余电压可以采用以下方法。,1.,从设计和工艺上保证,从结构上和工艺上保证两个次级绕组的对称性。选用磁化曲线线性度好的磁性材料。,2.,选用相敏检波电路,采用相敏检波电路可以,消除因高次谐波引起的,零点残余电压。,3.,采用补偿电路,a.,并联电容调节两次级线圈输出电压的相位。,通过并联电容改变一个次级的相位，可变电阻用于调节相位。,b.,并联电位器调零,电位器的并入，改变两次级线圈的输出电压和相位。电容,C,（,0.02,F,）隔直电容，防止调节电位器时使零点移动。,c.,接入电阻或补偿线圈,接入几百千欧的电阻或补偿线圈，可以避免非纯电阻引起较大的零点残余电压。,四、测量电路,（一）差动整流电路,差动整流电路见图。,（二）相敏检波电路,相敏检波电路见图。,1.,当衔铁处于中间位置时,+,+,-,-,2.,当衔铁上移时,设 和 同相，由于有 ，所以 不影响二极管的导通。,+,+,-,-,+,-,+,-,3.,当衔铁下移时,则 和 反相，由于有 ，所以 不影响二极管的导通。,+,+,-,-,+,-,+,-,（三）专用集成电路,下面介绍,AD,公司的,LVDT,和,HBT,信号调理专用集成电路,AD598,。,AD598,内部框图及与,LVDT,相连如下。,AD598,内部框图及与,HBT,相连如下。,HBT,：,HALF-BRIDGE TRANSDUCER,HBT,该,IC,最有特色的,A-B/A+B,电路原理框图如下。,A,B,d,d,d,d,d,d,d,d,上图中，设初始占空比为 ，则比较器前积分电路的输入平均电流为,由于比较与积分器前面的减法器构成一负反馈，因此积分器输入被钳位到零，即,所以,输出部分滤波器的输入为,经输出部分的积分电路和减法器构成的负反馈电路的转换，输出电压,为,V-I,转换电路的转换比。,与,AD598,类似的,IC,电路还有,AD698,，其功能框图如下。,AD698,内部框图如下。,五、应用,1.,加速度传感器,2.,电子秤,3.,微压力变送器,2007.9.29 JGLX303-,一、结构和工作原理,高频反射式电涡流传感器结构见下图。,4.3,电涡流式传感器,电涡流传感器的原理参见下图。当线圈通以高频电流时产生一交变磁通 ，当线圈靠近导体时在导体中产生电涡流 ，而此电涡流又产生一交变磁场 ，该磁场反过来阻碍外磁场的变化。导致线圈的电感，,Q,值，等效阻抗发生变化，这一变化是距离 的函数。,二、等效电路,电涡流传感器的等效电路见下图。,根据克希荷夫定律和定义的电流方向，有,解上面方程组得,线圈的等效阻抗,等效电感为,线圈的等效,Q,值为,式中,由前面式子可看出 都是互感系数 的平方的函数，从互感系数的公式可知，互感系数是距离的非线性函数，因此,均是非线性函数。,等效电感表达式中 项与静磁效应有关，当金属导体为磁性材料时，随距离减小而增大。若金属导体为非磁性材料，则 不变。,等效电感表达式中第二项为电涡流回路的反射电感，它使传感器的等效电感值减小。,因此，靠近非磁性材料或硬磁材料时，传感器线圈的等效电感减小；靠近软磁材料时，等效电感增大。,通常测量中用一电容与传感器线圈并联，构成并联谐振回路。在无被测导体时，传感器调谐到某频率 ，当靠近被测导体时，回路将失谐。谐振回路的谐振曲线与靠近的导体类型关系参见下图。,在输入频率一定的情况,下，传感器,LC,回路的阻,抗变化既反映电感的变,化，同时又反映,Q,值的,变化。,三、线圈形状、尺寸对性能的影响,单匝圆导线在中心轴上的磁感应强度，为,设 为常数，下图反映了 与 在不同圆导线半径下的关系曲线。,对于多匝线圈，可以认为是多个圆导线磁场的叠加。参见下图，设线圈共 匝，电流为 ，则线圈截面电流密度为,如图在线圈截面上取微元,环形电流其电流为,该微元环形电流产生的磁感应强度，由前面公式得,对上式积分得到整个线圈所产生的磁感应强度为,因为,积分后得,取不同的 的值，绘出上式的曲线，如下。,四、测量电路,根据涡流传感器原理，当距离改变时，传感器的,Q,值，等效阻抗,Z,，等效电感,L,的三个参数都将改变。测量这三个参数中的任意一个即可换算出距离来。,（一）载波频率改变的调幅法和调频法,该电路的核心是一个电容三点式振荡器，传感器线圈作为振荡回路的一个电感元件。电路参见下图。当无被测导体时，回路谐振于 ，此时,Q,值最大，对应输出电压也最大。当被测导体接近时，振荡器的谐振频率改变，谐振曲线中心向两边移动，并且变平坦。参见后图。通过测量幅度或频率可以计算出位移量。,2006.10.9 JC204-,软磁材料,非磁、硬磁材料,（二）调频式测量电路,该电路的测量原理是利用距离的变化导致线圈电感的变化，线圈电感的变化引起振荡频率的变化，通过测量振荡频率，计算出距离。,电路由克拉泼电容三点式振荡器和射极跟随器构成。振荡器的振荡频率,射极跟随器起隔离（防止负载对振荡频率的影响）和阻抗匹配作用。,为了消除分布电容对振荡频率的影响，通常将电容,C,与传感器封装在一起。,钢板,铜板,五、应用,由于涡流式传感器测量范围大、灵敏度高、结构简单，抗干扰能力强，并且是非接触测量等优点，因此大量使用在各个领域。,（一）位移测量,由于非接触测量，因此常用于高速运转工件位移的测量。,（二）振幅测量,由于非接触测量，因此常用于振幅的测量。采用多个传感器探头可以测量出振动形状。,（三）厚度测量,涡流式传感器也可以由于金属板材的厚度和非金属材料金属镀层的厚度。参见下图。板厚度,（四）转速测量,原理参见下图。,（五）涡流探伤,涡流式传感器可以用来检查金属表面的裂纹、热处理裂纹以及焊接部位的探伤。使传感器与被测物体距离不变，如有裂纹将引起金属的电阻率、磁导率的变化，引起传感器输出。,通常探伤时传感器沿被测工件表面移动，在测量线圈上产生调制频率信号，调制频率取决于相对运动速度和导体中物理性质的变化，如缺陷、裂缝等。缺陷、裂缝会产生较高频率的调幅波。为此常常采用带通滤波器，滤除干扰，保留有用信号。,本章重点：,1.,了解气隙型电感传感器原理，掌握螺线管型电感（重点是差动型）传感器的原理及其误差分析；,2.,掌握螺线管式差动变压器的工作原理及其误差分析；,3.,掌握自感式电感传感器处理电桥的工作原理。掌握相敏检波的思想及处理电路；,4.,掌握涡流式传感器的工作原理；理解涡流式传感器处理电路工作原理；,5.,了解电感式传感器的特性及各种应用。,习题：,4-1,，,4-2,，,4-3,，,4-5,，,4-6,，,4-11,，,4-12,