电感式传感器教学用省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 第第4 4章章 电感式传感器电感式传感器第1页第第4 4章章 电感式传感器电感式传感器v电感式传感器工作基础：电感式传感器工作基础：电磁感应电磁感应v即利用即利用线圈电感或互感改变线圈电感或互感改变来实现非电量测量。来实现非电量测量。分为分为自感式、互感式、电涡流式自感式、互感式、电涡流式等等特点：特点：工作可靠、寿命长工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高灵敏度高，分辨力高精度高、线性好精度高、线性好性能稳定、重复性好性能稳定、重复性好第2页各种电感式传感器各种电感式传感器非接触式位移传感器非接触式位移传感器测厚传感器测厚传感器电电感感粗粗糙糙度度仪仪靠近式传感器靠近式传感器第3页4.1 4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器一、工作原理一、工作原理 变变磁磁阻阻式式传传感感器器结结构构以以下下列列图图所所表表示示。它它由由线线圈圈、铁铁芯芯和和衔衔铁铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。第4页 在铁芯和衔铁之间有气隙在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为气隙厚度为,传感器运动部分与传感器运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度气隙厚度发生改变发生改变,引发引发磁路中磁阻磁路中磁阻改变改变,从而造成从而造成电感线圈电感值改变电感线圈电感值改变,所以只要能测出这种电感量所以只要能测出这种电感量改变改变,就能确定衔铁位移量大小和方向。就能确定衔铁位移量大小和方向。第5页上式中上式中:LL该元件自感或电感；该元件自感或电感；线圈总磁链线圈总磁链;I I 经过线圈电流经过线圈电流;W W线圈匝数线圈匝数;穿过线圈磁通。穿过线圈磁通。由磁路欧姆定律由磁路欧姆定律,得：得：依据电感定义依据电感定义,线圈中电感量可由下式确定线圈中电感量可由下式确定:式中式中:R:Rm m磁路总磁阻。磁路总磁阻。引入知识引入知识 环形线圈以下列图，其中媒质是均匀，磁导率为环形线圈以下列图，其中媒质是均匀，磁导率为，试计算线试计算线圈内部磁通圈内部磁通 。第6页依据安培环路定律，有依据安培环路定律，有依据安培环路定律，有依据安培环路定律，有设磁路平均长度为设磁路平均长度为l l，则有，则有S Sx x HHx xI IWW匝匝匝匝 环形线圈以下列图，其中媒质是均匀，磁导率为环形线圈以下列图，其中媒质是均匀，磁导率为，试计算线试计算线圈内部磁通圈内部磁通 。式中：式中：式中：式中：F=WIF=WIF=WIF=WI磁通势，由其产生磁通；磁通势，由其产生磁通；磁通势，由其产生磁通；磁通势，由其产生磁通；R R R Rm m m m 磁阻，表示磁路对磁通妨碍作用；磁阻，表示磁路对磁通妨碍作用；磁阻，表示磁路对磁通妨碍作用；磁阻，表示磁路对磁通妨碍作用；llll为磁路平均长度；为磁路平均长度；为磁路平均长度；为磁路平均长度；SSSS为磁路截面积。为磁路截面积。为磁路截面积。为磁路截面积。即有：即有：即有：即有：第7页2.2.磁路欧姆定律磁路欧姆定律 若某磁路磁通为若某磁路磁通为若某磁路磁通为若某磁路磁通为 ，磁通势为磁通势为磁通势为磁通势为F F F F，磁阻为，磁阻为，磁阻为，磁阻为R R R Rm m m m，则，则，则，则此即此即此即此即磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律。磁路磁路磁路磁路磁通势磁通势磁通势磁通势F F F F磁通磁通磁通磁通 磁阻磁阻磁阻磁阻电路电路电路电路电动势电动势电动势电动势 E E E E电流密度电流密度电流密度电流密度 J J J J 电阻电阻电阻电阻磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度H H H H电流电流电流电流 I I I I WWI I+_ _E EI IR R第8页 对对于于变变隙隙式式传传感感器器,因因为为气气隙隙很很小小,所所以以能能够够认认为为气气隙隙中中磁磁场场是均匀。若忽略磁路磁损是均匀。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为则磁路总磁阻为 式式中中:1 1铁铁芯芯材材料料导导磁磁率率;2 2衔衔铁铁材材料料导导磁磁率率;L L1 1磁磁通通经经过过铁铁芯芯长长度度;L L2 2磁磁通通经经过过衔衔铁铁长长度度;A A1 1铁铁芯芯截截面面积积;A A2 2衔衔铁铁截截面面积积;0 0空气导磁率空气导磁率;由磁路欧姆定律由磁路欧姆定律,得：得：式中式中:R:Rm m磁路总磁阻。磁路总磁阻。A A0 0气隙截面积气隙截面积;气隙厚度。气隙厚度。第9页 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁磁阻通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁磁阻,即：即：则上式可近似为：则上式可近似为：又因为：又因为：所以：所以：而且而且第10页 上上式式表表明明,当当线线圈圈匝匝数数为为常常数数时时,电电感感L L仅仅仅仅是是磁磁路路中中磁磁阻阻R Rm m函函数数,只只要要改改变变或或A A0 0均均可可造造成成电电感感改改变变,所所以以自自感感式式传传感感器器又又可可分分为为变气隙厚度变气隙厚度传感器传感器和和变气隙面积变气隙面积A A0 0传感器传感器。使用最广泛是变气隙厚度使用最广泛是变气隙厚度式电感传感器。式电感传感器。二、二、输出特征输出特征 由上式可知，变气由上式可知，变气隙厚度（变隙）式电感隙厚度（变隙）式电感传感器传感器L L与与之间是非之间是非线性关系，特征曲线以线性关系，特征曲线以下列图所表示。下列图所表示。第11页 设电感传感器初始气隙为设电感传感器初始气隙为0 0,初始电感量为初始电感量为L L0 0,衔铁位移引发衔铁位移引发气隙改变量为气隙改变量为,当衔铁处于初始位置时当衔铁处于初始位置时,初始电感量为：初始电感量为：当当衔衔铁铁上上移移时时,传传感感器器气气隙隙减减小小,即即=0 0-,-,则则此此时输出电感为时输出电感为L=LL=L0 0+L,+L,则：则：电感改变量为：电感改变量为：第12页电感改变量为：电感改变量为：则：则：，当，当时，时，可将上式展开成泰勒级数形式：可将上式展开成泰勒级数形式：同理，当衔铁向下移动同理，当衔铁向下移动时，传感器气隙将增大，即为：时，传感器气隙将增大，即为：第13页同理，当衔铁向下移动同理，当衔铁向下移动时，传感器气隙将增大，即为：时，传感器气隙将增大，即为：这时电感量为：这时电感量为：电感改变量为：电感改变量为：则：则：，当，当可将上式展开成级数：可将上式展开成级数：第14页当衔铁上移当衔铁上移时：时：当衔铁向下移动当衔铁向下移动时：时：对上两式作线性处理，即忽略高次项后，可得对上两式作线性处理，即忽略高次项后，可得 则则LL与与近似成百分比关系近似成百分比关系，所以高次项存在是造成非线，所以高次项存在是造成非线性原因。性原因。第15页忽略高次项后，可得忽略高次项后，可得 则则LL与与近似成百分比关近似成百分比关系系，所以高次项存在是造成非线性，所以高次项存在是造成非线性原因。原因。不过，当气隙相对改变不过，当气隙相对改变/0 0很小时，高次项将快速很小时，高次项将快速减小，非线性能够得到改进，然而这又会使传感器测量范围（即衔减小，非线性能够得到改进，然而这又会使传感器测量范围（即衔铁允许工作位移）变小，所以，对输出特征线性度要求和对测量范铁允许工作位移）变小，所以，对输出特征线性度要求和对测量范围要求是相互矛盾。围要求是相互矛盾。所以所以变隙式电感式传感器适合用于测量微小位移场所变隙式电感式传感器适合用于测量微小位移场所，普通对，普通对于变气隙长度电感传感器，为了得到很好线性特征，取于变气隙长度电感传感器，为了得到很好线性特征，取/0 0=0.1=0.10.20.2，这时，这时L=f()L=f()可近似看作一条直线。可近似看作一条直线。第16页忽略高次项后，可得：忽略高次项后，可得：灵敏度为：灵敏度为：第17页 为为了了减减小小非非线线性性误误差差,实实际际测测量量中中广广泛泛采采取取差差动动变变隙隙式式电电感感传传感器感器。差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器 由上图可知由上图可知,差动变隙式电感传感器由差动变隙式电感传感器由两个相同电感线圈两个相同电感线圈1 1、2 2适用一个衔铁和对应磁路组成适用一个衔铁和对应磁路组成,测量时测量时,衔铁经过导杆与被测位移衔铁经过导杆与被测位移量相连。量相连。第18页 当被测体上下移动时当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同位移上下移动导杆带动衔铁也以相同位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等使两个磁回路中磁阻发生大小相等,方向相反改变方向相反改变,造成一个线圈造成一个线圈电感量增加电感量增加,另一个线圈电感量减小另一个线圈电感量减小,形成差动形式。形成差动形式。差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器第19页 当当衔衔铁铁往往上上移移动动时时,两两个个线线圈圈电电感感改改变变量量LL1 1、LL2 2分分别别是：是：差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器第20页 当当差差动动使使用用时时,两两个个电电感感线线圈圈接接成成交交流流电电桥桥相相邻邻桥桥臂臂,另另两两个个桥臂由电阻组成桥臂由电阻组成,电桥输出电压与电桥输出电压与LL相关相关,其详细表示式为：其详细表示式为：对上式进行线性处理，忽略高次项得：对上式进行线性处理，忽略高次项得：灵敏度灵敏度K K0 0为为:第21页对上式进行线性处理，忽略高次项得：对上式进行线性处理，忽略高次项得：灵敏度灵敏度K K0 0为：为：比比较较单单线线圈圈和和差差动动两两种种变变间间隙隙式式电电感感传传感感器器特特征征,能能够够得得到到以以下结论下结论:差动式比单线圈式灵敏度高一倍。差动式比单线圈式灵敏度高一倍。差动式非线性项等于单线圈非线性项乘以（差动式非线性项等于单线圈非线性项乘以（/0 0）因子）因子,因因为（为（/0 0）1,QQQ2 2 2 2LCLCLCLC（即（即（即（即2fcR12fcR12fcR12fcR1）且）且）且）且2 2 2 2LC1LC1LC1LCRLR，其输出电压为：，其输出电压为：式中式中:Z:Z0 0衔铁在中间位置时单个线圈复阻抗；衔铁在中间位置时单个线圈复阻抗；ZZ衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗改变量；衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗改变量；L L0 0衔铁在中间位置时单个线圈电感衔铁在中间位置时单个线圈电感;LL单线圈电感改变量。单线圈电感改变量。交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路第31页 由前面对差动变隙式电感传感器原理介由前面对差动变隙式电感传感器原理介绍可知，忽略高次项后：绍可知，忽略高次项后：又又则则 电桥输出电压与电桥输出电压与成正比关系。成正比关系。3.3.变压器式交流电桥变压器式交流电桥 交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路变压器式交流电桥变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量电路如右变压器式交流电桥测量电路如右图所表示，电桥两臂图所表示，电桥两臂Z Z1 1、Z Z2 2为传感器线为传感器线圈阻抗圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次另外两桥臂为交流变压器次级线圈级线圈1/2 1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷阻抗。当负截阻抗为无穷大时大时,桥路输出电压为：桥路输出电压为：第32页3.3.变压器式交流电桥变压器式交流电桥 变压器式交流电桥变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量电路如右变压器式交流电桥测量电路如右图所表示，电桥两臂图所表示，电桥两臂Z Z1 1、Z Z2 2为传感器线为传感器线圈阻抗圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次另外两桥臂为交流变压器次级线圈级线圈1/2 1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷阻抗。当负截阻抗为无穷大时大时,桥路输出电压为：桥路输出电压为：测量时被测件与传感器衔铁相连，当传感器衔铁处于中间位置测量时被测件与传感器衔铁相连，当传感器衔铁处于中间位置,即即Z Z1 1=Z=Z2 2=Z=Z时，有时，有=0,=0,电桥平衡。电桥平衡。当当传感器衔铁上移传感器衔铁上移时时,即即Z Z1 1=Z+Z,Z=Z+Z,Z2 2=Z-Z,=Z-Z,此时此时第33页变压器式交流电桥变压器式交流电桥 当当传感器衔铁下移传感器衔铁下移时时,则则 Z Z1 1=Z-Z,Z=Z-Z,Z2 2=Z+Z,=Z+Z,此时此时 当当传感器衔铁上移传感器衔铁上移时时,即即 Z Z1 1=Z+Z,Z=Z+Z,Z2 2=Z-Z,=Z-Z,此时：此时：由以上分析可知由以上分析可知,衔铁上下移动相同距离时衔铁上下移动相同距离时,输出电压大小相输出电压大小相等等,但方向相反但方向相反,因为因为 是交流电压是交流电压,输出指示无法判断位移方输出指示无法判断位移方向向,所以必须配合相敏检波电路来处理。所以必须配合相敏检波电路来处理。第34页 谐振式测量电路有谐振式调幅电路友好振式调频电路。4.4.谐振式测量电路谐振式测量电路（1 1）谐振式调幅电路谐振式调幅电路 在调幅电路中，传感器电感在调幅电路中，传感器电感L L与电容与电容C C，变压器原边串联在一起，变压器原边串联在一起,接入交流电源接入交流电源 ,变压器副边将有电压变压器副边将有电压 输出输出,输出电压频率与输出电压频率与电源频率相同。电源频率相同。谐振式调幅电路谐振式调幅电路第35页 下列图（下列图（b b）中曲线）中曲线1 1为图（为图（a a）回路谐振曲线，其中）回路谐振曲线，其中L L0 0为谐振点为谐振点电感值。若激励源频率为电感值。若激励源频率为f f，则可确定其工作在，则可确定其工作在A A点。当传感器线圈点。当传感器线圈电感量发生改变时，谐振曲线将左右移动，工作点就在一频率纵坐电感量发生改变时，谐振曲线将左右移动，工作点就在一频率纵坐标直线上移动（比如移至标直线上移动（比如移至B B点），于是输出电压幅值就发生对应改点），于是输出电压幅值就发生对应改变。变。此电路灵敏度很高，但线性差，适合用于线性度要求不高场所。此电路灵敏度很高，但线性差，适合用于线性度要求不高场所。谐振式调幅电路谐振式调幅电路第36页（2 2）谐振式调频电路谐振式调频电路 调频电路基本原理是调频电路基本原理是传感器电感传感器电感L L改变将引发输出电压频率改改变将引发输出电压频率改变变。普通是把传感器电感。普通是把传感器电感L L和电容和电容C C接入一个振荡回路中接入一个振荡回路中,其振其振荡频率为荡频率为 。当。当L L改变时改变时,振荡频率随之改变振荡频率随之改变,依据依据f f大小即可测出被测量值。下列图表示大小即可测出被测量值。下列图表示f f与与L L特征特征,它含有显著非线性它含有显著非线性关系。关系。谐振式调频电路谐振式调频电路第37页四、零点残余电压四、零点残余电压 理论上，当传感器衔铁处于中间位置，即两线圈阻抗相等，即理论上，当传感器衔铁处于中间位置，即两线圈阻抗相等，即Z Z1 1=Z=Z2 2时，电桥平衡，输出电压为零。因为传感器线圈阻抗是一个复时，电桥平衡，输出电压为零。因为传感器线圈阻抗是一个复阻抗，所以为了到达电桥平衡，就要求两线圈电阻相等，两线圈电阻抗，所以为了到达电桥平衡，就要求两线圈电阻相等，两线圈电感也相等。感也相等。实际上这种情况是不能准确到达，实际上这种情况是不能准确到达，因而在传感器输入量为零时，电桥有一因而在传感器输入量为零时，电桥有一个不平衡输出电压个不平衡输出电压UUO O。零点残余电压波形零点残余电压波形 右图给出了右图给出了桥路输出电压与活动衔桥路输出电压与活动衔铁位移关系曲线铁位移关系曲线。图中虚线为理论特征。图中虚线为理论特征曲线，实线为实际特征曲线。曲线，实线为实际特征曲线。传感器在零位移时输出电压称为传感器在零位移时输出电压称为零零点残余电压点残余电压，记作，记作UUO O。第38页零点残余电压波形零点残余电压波形 零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。产生零点零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。产生零点残余原因大致有以下两点：残余原因大致有以下两点：因为两电感线圈电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，所以在因为两电感线圈电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，所以在两电感线圈上电压幅值和相位不一样，从而形成了零点残余电压基两电感线圈上电压幅值和相位不一样，从而形成了零点残余电压基波分量。波分量。因为传感器导磁材料磁化曲线非线因为传感器导磁材料磁化曲线非线性（如铁磁饱和、磁滞损耗）使得激励性（如铁磁饱和、磁滞损耗）使得激励电流与磁通波形不一致，从而形成了零电流与磁通波形不一致，从而形成了零点残余电压高次谐波分量。点残余电压高次谐波分量。零点残余电压存在，使得传感器输零点残余电压存在，使得传感器输出特征在零点附近不灵敏，限制了分辨出特征在零点附近不灵敏，限制了分辨率提升。率提升。第39页零点残余电压波形零点残余电压波形 零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号经过，致使仪器不再反应被测量改变。放大器饱和，堵塞有用信号经过，致使仪器不再反应被测量改变。为减小电感式传感器零点残余电压，可采取以下办法：为减小电感式传感器零点残余电压，可采取以下办法：在设计和工艺上，力争做到磁路对称，铁芯材料均匀；要经过热在设计和工艺上，力争做到磁路对称，铁芯材料均匀；要经过热处理以除去机械应力和改进磁性；两线处理以除去机械应力和改进磁性；两线圈绕制要均匀，力争做到几何尺寸与电圈绕制要均匀，力争做到几何尺寸与电气特征保持一致。气特征保持一致。在电路上进行赔偿。在电路上进行赔偿。第40页五、自感式电感传感器应用五、自感式电感传感器应用 下列图是下列图是变隙电感式压力传感器变隙电感式压力传感器结构图。它由膜盒、结构图。它由膜盒、铁芯、铁芯、衔衔铁及线圈等组成铁及线圈等组成,衔铁与膜盒上端连在一起。衔铁与膜盒上端连在一起。当压力进入膜盒时当压力进入膜盒时,膜盒膜盒顶端在压力顶端在压力P P作用下产生与压力作用下产生与压力P P大小成正比位移。于是衔铁也大小成正比位移。于是衔铁也发生移动发生移动,从而使气隙发生改从而使气隙发生改变变,流过线圈电流也发生对应流过线圈电流也发生对应改变改变,电流表指示值就反应了电流表指示值就反应了被测压力大小。被测压力大小。变隙电感式压力传感器结构图变隙电感式压力传感器结构图第41页 下下列列图图所所表表示示为为变变隙隙式式差差动动电电感感压压力力传传感感器器。它它主主要要由由C C形形弹弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。当当被被测测压压力力进进入入C C形形弹弹簧簧管管时时，C C形形弹弹簧簧管管产产生生变变形形，其其自自由由端端发发生生位位移移，带带动动与与自自由由端端连连接接成成一一体体衔衔铁铁运运动动,使使线线圈圈1 1和和线线圈圈2 2中中电电感感发发生生大大小小相相等等、符符号号相相反反改改变变,即即一一个个电电感感量量增增大，另一个电感量减小。大，另一个电感量减小。第42页 电电感感这这种种改改变变经经过过电电桥桥电电路路转转换换成成电电压压输输出出。因因为为输输出出电电压压与与被被测测压压力力之之间间成成百百分分比比关关系系,所所以以只只要要用用检检测测仪仪表表测测量量出出输输出出电电压压,即即可得知被测压力大小。可得知被测压力大小。第43页