Chapter电感式传感器.pptx

对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为(4-1-2)式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；A为截面积；1为铁心磁导率；2为衔铁磁导率；0为空气磁导率；为空气隙厚度。因此有：（4-1-3）一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为 （4-1-4）由上式可以看出传感器的灵敏度随气隙的增大而减小。为了发送非线性，气隙的相对变化量要很小，但过小又将影响测量范围，所以要兼顾考虑两个方面。4.1.1.2 4.1.1.2 变面积型电感传感器变面积型电感传感器 由变气隙型电感传感器可知，气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图见图4.1.2。通过对式（4-1-4）的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积A却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图4.1.3。4.1.1.3 螺管型电感式传感器螺管型电感式传感器 图4.1.4为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为m，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为（4-1-5）通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论:I.变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难。II.变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛。III.螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器。4.1.1.4 差动式电感传感器差动式电感传感器 在实际使用中,常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度,减小测量误差。图4.1.5是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式电感传感器。差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。4.1.2 测量电路测量电路 交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图4.1.6是交流电桥的几种常用形式。4.1.2.1 电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥 电 阻 平 衡 臂 电 桥 如 图 4.1.6a所 示。Z1、Z2为 传 感 器 阻 抗。高;L1=L2=L;则 有Z1=Z2=Z=R+jwL,另有R1=R2=R。由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时，Z1=Z+Z和Z2=ZZ，当ZL时，电桥的输出电压为（4-1-6）当LR时，上式可近似为：（4-1-7）由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。4.1.2.2 4.1.2.2 变压器式电桥变压器式电桥 变压器式电桥如图4.1.6b所示，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为：（4-1-8）由于是双臂工作形式当衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，则有：（4-1-9）同理，当衔铁上移时，则有：（4-1-10）由式（4-1-9）和式（4-1-10）可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。图4.1.7是一个采用了带相敏整流的交流电桥。差动电感式传感器的两个线圈作为交流电桥相邻的两个工作臂，指示仪表是中心为零刻度的直流电压表或数字电压表。设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z2。当衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，C点电位等于D点地位，电表指示为零。当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+Z，则下部线圈阻抗减少，Z2=Z-Z。如果输入交流电压为正半周，则A点电位为正，B点电位为负，二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。如果输入交流电压为负半周，A点电位为负，B点电位为正，二极管V2、V3导通，V1、V4截止，则在A-F-C-B支中中，C点电位由于Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即B点电位为正，A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Z2减少时，C点电位更负）；而在A-E-D-B支路中，D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位，电压表正向偏转。同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。4.1.2.3 紧耦合电感臂电桥紧耦合电感臂电桥 该电桥如图4.1.6c所示。它以差动电感传感器的两个线圈作电桥工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。4.2 差动变压器差动变压器4.2.1 工作原理分析工作原理分析差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。图4.2.1为差动变压器的结构示意图。差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图4.2.2所示。图U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有交电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L21一边，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的是量程内，衔动移越大，差动输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。由图4.2.2可以看出一次绕组的电流为：二次绕组的感应动势为：；由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：（4-2-1）其有效值为 ：（4-2-2）差动变压器的输出特性曲线如图4.2.3所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势x表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所赞成的。零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。为了减小零点残余电动势可采取以下方法：I.尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。II.选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性，减小零点残余电动势。.采用补偿线路减小零点残余电动势。图4-11是几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。4.2.2 常用测量电路常用测量电路4.2.2.1 差动相敏检波电路差动相敏检波电路 图4.2.5是差动相敏检波电路的一种形式。相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。另外还要求比较电压的幅值尽可能大，一般情况下，其幅值应为信号电压的35倍。4.2.2.2 4.2.2.2 差动整流电路差动整流电路 差动整流电路结构简单，一般不需要调整相位，不考虑零点残余电动势的影响，适于远距离传输。图4.2.6是差动整流的两种典型电路。图a是简单方案的电压输出型。为了克服上述电路中二极管的非线性影响以及二极管正向饱和压降和反向漏电流的不利影响，可以采用图b所示电路。4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器可以实现非接触地测量物体表面为金属导体的多种物理量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器也可用于无损探伤。电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干忧能力强，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。4.3.1 结构原理与特性结构原理与特性当通过金属体的磁通过变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。如图4.3.1所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。一般讲，线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。如其他参数不变，阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属导体间的距离大小变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图4.3.2的等效电路。图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。根据等效电路可列出电路方程组：通过解方程组，可得I1、I2。因此传感器线圈的复阴抗为：（4-3-1）线圈的等效电感为：（4-3-2）由式（4-3-1）和（4-3-2）可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互感平方的函数。而互感是随线圈与金属导体间距离的变化而改变的。4.3.1.1 高频反射式电涡流传传感器高频反射式电涡流传传感器 这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。图4.3.3为某种型号的高频反射式电涡流传感器。电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。因此，被测物体的物理性质，以及它的尺寸和开关都与总的测量装置特性有关。一般来说，被测物的电导率越高，传感器的灵敏度也越高。为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径的1.8倍，否则灵敏度要降低。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线圈直径的3.5倍以上，灵敏度才不受影响。4.3.1.2 低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器 这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。图4.3.4为这种传感器的原理图和输出特性。传感器包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。由振荡器产生的低频电压u1加到发射线圈L1两端，于是在接收线圈L2两端将产生感应电压u2，它的大小与u1的幅值、频率以及两个线圈的匝数、结构和两者的相对位置有关。若两线圈间无金属导体，则L2的磁力能较多穿过L2，在L2上产生的感应电压u2最大。如果在两个线圈之间设置一金属板，由于在金属板内产生电涡流，该电涡流消耗了部分能量，使到达线圈L2的磁力线减小，从而引起u2的下降。金属板厚度越大，电涡流损耗越大，u2就越小。可见。可见u2的大小间接反映了金属板的厚度。线圈L2的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，即：（4-3-3）式中，为被测金属板厚度；t为贯穿深度，它与成正比，其中为金属板的电阻率，f为交变电磁场的频率。为了较好地进行厚度测量，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利进行厚度测量，通常选1kHz左右。一般地说，测薄金属板时，频率应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测量较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量较大的材料，则应选用较高的频率（如2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。4.3.2 4.3.2 测量电路测量电路4.3.2.1 电桥电路电桥电路电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。图4.3.5是电桥法的电原理图，图中线圈A和B为传感器线圈。传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。4.3.2.2 谐振法。谐振法。这种方法是将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压或电流的变化。传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路。并联谐振回路的谐振频率为:；且谐振时回路的等效阻抗最大，等于；式中，R为回路的等效损耗电阻。当电感L发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率都将随L的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接测出传感器的被测值。谐振法主要有调幅式电路和调频式电路两种基本形式。调幅式由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高，而调频式结构简单，便于遥测和数字显示。图4.3.6为调幅式测量电路原理框图。图图4.3.5 电桥法测量电路原理图电桥法测量电路原理图由图中可以看出LC谐振回路由一个频率及幅值稳定的晶体振荡器提供一个高频信号激励谐振回路。LC回路的输出电压为：（4-3-4）式中，i0为高频激励电流；Z为LC回路的阻抗。可以看出，LC回路的阻抗Z越大，回路的输出电压越大。调频式测量电路的原理是被测量变化引起传感器线圈电感的变化，而电感的变化导致振荡频率发生变化。频率变化间接反映了被测量的变化。这里电涡流传感器的线圈是作为一个电感元件接入振荡器中的。图4.3.7是调频式测量电路的原理图，它包括电容三点式振荡器和射极输出器两个部分。为了减小传感器输出电缆的分布电容Cx的影响，通常把传感器线圈L和调整电容C都封装在传感器中，这样电缆分布电容的影响并联到大电容C2、C3上，因而对谐振频率的影响大大减小了。图图4.3.7 调频式测量电路原理框图调频式测量电路原理框图4.4 电感式传感器的典型应用电感式传感器的典型应用 电感式传感器主要用于测量微位移，凡是能转换成位移量变化的参数，如压力、力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感式传感器来进行测量。4.4.1 位移测量位移测量4.4.1.1 induNCDT系列位移传感器系列位移传感器 图4.4.1是induNCDT系列位移传感器的外形图，它主要用于位移，振动，转速测量。传感器的前置放大器被集成安装在传感器壳体里，其输出信号与测量位移成正比。在传感器测量量程内线性精度优于2%。表4-1是induNCDT系列位移传感器的主要技术参数。图图4.4.1 induNCDT系列位系列位移传感器的外形图移传感器的外形图4.4.1.2 AP035系列差动变压器式位移传感器系列差动变压器式位移传感器 AP035差动变压器式位移传感器是由差动差动变压器和基本电路组成。它可对生产过程中位移、形变参数进行快速、准确可靠地测量。并可配用微机和其他装置进行打印或自动控制。本传感器还具有灵敏度高、稳定性好、连续工作时间长等一系列优点，因而它广泛用于冶金、建筑、石化、纺织、电站等各个部门。主要技术参数：I.测量范围：20。II.基本误差：.。III.输出讯号：。IV.传感器工作环境：温 度：-2+相对湿度：RHRH V.灵敏度：0.45v/mm。VI.传感器供电电源为DC15V，外形尺寸22228。4.4.2 振动检测振动检测4.4.2.1 RS9300低频振动速度传感器低频振动速度传感器RS9300低频振动传感器是属于惯性式传感器，其外形如图4.4.2。它是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。在传感器壳体中刚性地固定着磁铁，惯性质量（线圈组件）用弹簧元件悬挂于壳体上。工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压信号正比于被测物体的振动速度值，对该信号进行积分放大处理即可得到位移信号。图图4.4.2 RS9300低频振动传感器低频振动传感器RS9300低频速度位移振动传感器（内部带部分器，输出位移电压信号）适用于水轮发电机组低频转动机械、工程建筑及桥梁的绝对振动测量，测量频响范围0.5HZ-200HZ(-3dB)，抗干扰性能强，能长期稳定可靠地工作于恶劣环境中。1）使用特点：）使用特点：I.传感器有很低的使用频率，可以适用于低转速的转动机器。II.相对于其它类型的振动传感器而言，RS9300传感器有较低的输出阻抗，较好的信噪比。它同一般通用交流电压表或示波器配合就能工作。对输出插头和传输电缆也无特殊要求，使用方便。III.传感器设计中取消了有摩擦的活动元件，因此使用寿命相对很长。传感器有一定抗横向振动能力（不大于10g）。2）技术指标技术指标I.频响范围：0.5Hz200Hz(-3dB)II.灵敏度：8mV/m5%、5mV/m5%、4mV/m5%(或根据用户要求调整)III.量程：1mm（2mm、3mm等）IV.线性度：2%V.最大输出电压：8V（单峰）VI.使用温度范围，-30-80VII.工作方向：H水平型V垂直型VIII.工作电源：12VDC .安装方式：在56的圆周角上用2个M5螺钉固定3）型号说明）型号说明A BC D E RS93-RS：厂标A：93螺纹壳体探头代号选择B：无螺纹长选择公制螺纹探头最小无螺纹长2mm02最大无螺纹长250mm250加长递增量1mm01英制螺纹探头最小无螺纹长0.1inches01最大无螺纹长9.9inches99加长递增量0.1inches01C：壳体长度选择公制壳体长度最小壳体长度20mm02最大壳体长度500mm50加长递增量10mm01英制壳体长度最小壳体长度0.8inches08最大壳体长度20inches200加长递增量0.4inches04D：电缆长度选择0.5m051.0m101.5m152.0m204.0m405.0m506.0m608.0m809.0m9010.0m100E：有无铠装选择无铠装:00；有铠装：01。4.4.3 位置控制位置控制4.4.3.1 JML电感式接近开关电感式接近开关 1)适用范围适用范围JML系列接近开关适用于交流50Hz，额定工作电压90V250V(除LM8L外)，直流额定工作电压10V30V的电路中，具有短路保护电路，起反连接保护电路之用。2)型号及其含义型号及其含义 3)正常使用条件和安装条件正常使用条件和安装条件(1)周围空气温度不超过+70，周围空气温度的下限为-25；(2)安装地点的海拔不超过2000m；(3)大气相对湿度在周围空气温度为+70时不超过50%，在较低的温度下可以允许有较高的相对湿度，例如在20时达90%，对由于温度变化偶尔产生的凝露应采取特殊的措施；(4)污染等级：3级。4)主要技术参数主要技术参数 见表4-2所示。5)安装尺寸安装尺寸 如图4.4.3所示：图图4.4.3 JML系列电感式传感器的安装系列电感式传感器的安装尺寸尺寸 电感式传感器除上述三种用途外还可广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位，如对加速度、振幅、转速及温度等非电量的测量的控制中。思考题思考题1.1.影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？2.2.电涡流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响？它的主要优点是什么？3.3.试说明图4.2.5所示的差动相敏检波电路的工作原理。4.4.如图所示的差动电感式传感器的桥式测量电路，L1、L2为传感器的两差动电感线圈的电感，其初始值均为L0。R1、R2为标准电阻，u为电源电压。试写出输出电压u0与传感器电感变化量L间的关系。5.如图所示为一差动整流电路，试分析电路的工作原理。