第三章 电感型传感器与测量电路

null第一节、自感式传感器 第一节、自感式传感器 先看一个实验： 将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。 第三章、电感型传感器与测量电路电感传感器的基本工作原理演示电感传感器的基本工作原理演示F220V准备工作电感传感器的基本工作原理演示电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小。F电感传感器的基本工作原理电感传感器的基本工作原理 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL 较小，所以电流I 较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。 自感式电感传感器常见的形式 自感式电感传感器常见的形式 变隙式 变截面式 螺线管式 第三章、电感型传感器与测量电路第三章、电感型传感器与测量电路 电感型传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，常用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种被测量。电感式传感器的核心是可变自感或互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。 电感型传感器的种类很多，诸如利用自感原理的自感式传感器(通常称电感式传感器)，利用互感原理的差动变压器式传感器和感应同步器，利用涡流效应的涡流式传感器等。 3.1 自感式传感器 3.1 自感式传感器3.1.1 工作原理 自感式传感器是把被测量转换成线圈的自感L变化，通过一定的电路转换成电压或电流输出，图3-1所示为自感式传感器的原理图。 尽管在铁芯与衔铁之间存在一个空气间隙δ，但由于其值不大，所以磁路是封闭的。根据电感的定义，线圈中的自感可由下式确定：式中：N——线圈的匝数； Rm——磁路的总磁阻。nullnull L= (3 - 1） 式中: ——线圈总磁链;  I ——通过线圈的电流;  w——线圈的匝数;  Φ ——穿过线圈的磁通。 由磁路欧姆定律, 得 (3 - 2） null 式中: Rm——磁路总磁阻。对于变隙式传感器, 因为气隙很小, 所以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻为  Rm= (3 - 3) 式中: μ1——铁芯材料的导磁率;  μ2——衔铁材料的导磁率;  L1——磁通通过铁芯的长度;  L2——磁通通过衔铁的长度;  S1——铁芯的截面积;  S2——衔铁的截面积;  μ0——空气的导磁率; null S0——气隙的截面积;  δ——气隙的厚度。 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 即 联立式(3 - 1）#, 式(3- 2）及式(3 - 5）, 可得 则式(3- 3）可近似为  Rm = null  上式表明, 当线圈匝数为常数时, 电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 , 只要改变δ或S0均可导致电感变化, 因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积Ｓ0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。 二、输出特性： 设电感传感器初始气隙为δ0, 初始电感量为L0, 衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ, 从式(3 - 6）可知L与δ之间是非线性关系, 初始电感量为:L=(3 - 6）null由于空气间隙δ较小，可以认为气隙磁场是均匀的，由于衔铁、铁心的磁阻远小于气隙，因而忽略这部分的磁路磁阻，那么总磁阻为式中：δ——空气间隙的长度 (m)； μo——空气磁导率(μo =4π×10-7 H／m) A——截面积 (m2)。 将磁阻Rm代入式(3-1)中可得 由式(3-3)可知，当铁芯的结构和材料确定后，自感L是气隙长度δ和气隙磁通截面积A的函数，即自感L与气隙磁通截面积A成正比，与气隙长度δ成反比。3.1.2、结构类型3.1.2、结构类型1．变气隙式自感传感器 如果保持气隙磁通截面积A不变，则自感L为气隙长度δ的单值函数，可构成变气隙式自感传感器，其特性曲线如图3-2所示。设初始状态气隙长度为δ0，则自感为：若衔铁上移Δδ，气隙减少为δ=δ0－Δδ，则自感变为:null自感变化量为:因为Δδ<<δ0，所以可有:变气隙式自感传感器的灵敏度S为: 为了改善非线性，Δδ/δ0要很小，但Δδ/δ0过小，会降低传感器的灵敏度。可见变气隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相互矛盾的，所以要二者兼顾，统筹考虑。null 变面积式自感传感器的结构如图3-4所示。气隙长度δ保持不变，铁芯与衔铁之间的相对覆盖面积(即磁通截面)随被测量的改变而改变，从而引起线圈的自感量变化。 设初始磁通截面(即铁芯截面)的面积为A=a×b（a、b为铁芯截面的长度和宽度），当衔铁沿铁芯截面长度方向上下移动x时，自感量L为:2．变面积式自感传感器灵敏度S为： 变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，灵敏度为一常数，输出呈线性关系。因此其线性范围和量程较大，制造装配比较方便，但比变气隙式的灵敏度低。null3、螺管式自感传感器 如图所示:当传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化，会引起螺管线圈的自感量变化。若使用恒流源作为激励，则线圈的输出电压与衔铁的位移量有关。 图3-5(b)所示为单个螺管线圈内磁场强度H的分布曲线，衔铁在开始插入(x=0)或刚好离开线圈时的磁场强度，比衔铁插入线圈中段处的磁场强度要小得多。这说明只有在线圈中段才能获得较高的灵敏度和较好的线性特性。单线圈螺管式传感器的自感变化量可近似表示为:null 自感变化量△L与衔铁位移量△lc成正比，但由于螺管线圈内磁场分布并不均匀，所以输出与输入之间并非为线性关系。 为了提高灵敏度与线性度，多采用差动螺管式自感传感器，其结构如图3-5(c)所示，磁场强度分布曲线如图3-5(d)所示。差动电感传感器的特点 差动电感传感器的特点 在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。 1-差动线圈；2-铁心；3-衔铁；4-测杆；5-工件 null 上图所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。由图可知, 测量时, 衔铁通过导杆与被测位移量相连, 当被测体上下移动时, 导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动, 使两个磁回路中磁阻发生大小相等, 方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。当衔铁往上移动Δδ时, 两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2表示, 当差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与ΔL有关,其具体表达式为： ΔL = ΔL1+ΔL22null对上式进行线性处理，忽略高次项得：灵敏度K0为： 比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性, 可以得到如下结论:  ① 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。null 差动螺管式自感传感器的自感变化量△L与衔铁的位移量△lc成正比，其灵敏度比单线圈螺管式提高一倍。它具有以下特点： (1) 线性范围和量程较大，但空气隙大、磁路磁阻大，其灵敏度较低； (2) 磁路大部分为空气，易受外界磁场干扰； (3) 为达到一定的自感量，线圈的匝数较多，线路分布电容大； (4) 线圈的骨架 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 和形状必须稳定，否则会影响其线性和稳定性；null1. 变压器交流电桥测量null (2).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 阻抗。当负载阻抗为无穷大时, 桥路输出电压： 当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z时有=0, 电桥平衡。当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+ΔZ, Z2=Z -ΔZ：null当传感器衔铁下移时,传感器衔铁移动方向相反时： 空载输出电压 两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180 为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后 续电路中配置相敏检波器来解决 上一页返 回下一页null 两种情况的输出电压大小相等、方向相反，即相位相差180。其输出特性曲线如图3-6(b)所示。由于变压器电桥输出为交流电压，用示波器观察波形，当衔铁在中间位置时输出电压u0并不为零，此电压称为零点残余电压。为了消除零点残余电压的影响，并判别衔铁的移动方向，需要在后续电路中使用相敏检波电路。null 为了既能判别衔铁位移的大小，又能判断出衔铁位移的方向，通常在交流测量电桥中引入相敏整流电路，把测量桥的交流输出转换为直流输出，而后用零值居中的直流电压表测量电桥的输出电压。 带相敏整流的交流电桥 ②当衔铁上移时，Z1增大，Z2减小，即Z1=Z+∆Z，Z2=Z-∆Z 。 如果输入交流电压为正半周，电路中二极管VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，电流方向I1和I2，因Z1＞Z2，所以I1＜I2，此时 同理，如果输入交流电压为负半周，U0＜0 。 可见无论电源正半周或负半周，测量电桥的输出状态不变，输出均为U0＜0，此时直流电压表反向偏转，读数为负，表明衔铁上移。null③ 当衔铁下移时，Z1减小，Z2增大，即Z1=Z－∆Z， Z2=Z+∆Z 当输入交流电压为正半周时，因为Z2＞Z1，所以I1＞I2， 此时 当输入交流电压为负半周时，同理可分析出U0＞0。 这说明无论电源正半周或负半周，测量桥的输出状态不变，输出均为U0 ＞0，此时直流电压表正向偏转，读数为正，表明衔铁下移。 可见采用带相敏整流的交流电桥，得到的输出信号既能反映位移大小，也能反映位移的方向，其输出特性如图所示。由图可知，测量电桥引入相敏整流后，输出特性曲线通过零点，输出电压的极性随位移方向而发生变化，同时消除了零点残余电压，还增加了线性度。null2．调频电路 调频电路也是一种常用的信号调理电路，如图3-8(a)所示。把传感器电感线圈L和固定电容C接入振荡回路中，其振荡频率 ，当L发生变化时振荡频率也随之变化，根据ƒ的大小即可测出衔铁的位移量。当自感L发生的微小变化量为△L时，频率变化量△ƒ为振荡频率ƒ和自感L的特性曲线如图3-8(b)所示，非线性很严重，后续电路必须进行线性化处理。3.3.2、差动变压器式传感器3.3.2、差动变压器式传感器 把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的, 并且次级绕组都用差动形式连接, 故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多, 有变隙式、 变面积式和螺线管式等, 但其工作原理基本一样。null3.2.2、差动变压器 null  螺线管式差动变压器结构如图 4 -10 所示, 它由初级线圈, 两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。    null1—初级线圆； 21，22—次级两差动初线圆； 3—线圆绝缘框架； 4—活动衔铁3.2.1、工作原理及特性3.2、差动变压器式传感器3.2、差动变压器式传感器3.2.1、工作原理 差动变压器的结构如图3-11(a)所示，主要由线圈、衔铁和绝缘框架组成，绝缘框架上绕一组初级线圈和两组次级线圈，并在中间圆柱孔中放入衔铁。当初级线圈加入适当频率的激励电压u1时，两个次级线圈中就会产生感应电势，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，输出接成反极性串联，如图3-11(b)所示，则传感器总输出电压u2= e21－e22 。null 活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响, w2a中磁通将大于w2b, 使M1>M2, 因而增加, 而减小。 反之, 增加,  减小。因为 , 所以当、 随着衔铁 位移x变化时, 也必将随x变化。null当衔铁处于中间位置时，由于两个次级线圈完全对称，通过两个次级线圈的磁力线相等，互感M1=M2，感应电势e21=e22，则总输出电压u2= e21－e22 =0。 当衔铁向左移动时，左边次级线圈内所穿过的磁力线增加，互感M1变大，感应电势e21随衔铁偏离中间位置而逐渐增加；而右边次级线圈的互感M2变小，感应电势e22随衔铁偏离中间位置而逐渐减小，则总输出电压u2= e21－e22>0。 当铁芯向右移动时，与上述情况相反，则总输出电压u2= e21－e22<0。两种情况的输出电压大小相等、方向相反(相位差180。)。大小反映衔铁的位移量大小，方向反映衔铁的运动方向，其特性曲线如图所示，为V形特性曲线。null零点残余电压： 前面在讨论桥路输出电压时曾经说过，当两线圈的阻抗相等时，即Z1=Z2，这时电桥平衡输出电压为零。由于传感器阻抗是一个复数阻抗，有感抗也有阻抗，为了达到电桥平衡，就要求两线圈的电阻相等，两线圈的电感相等。实际上，这种情况是难以精确达到的，就是说不易达到电桥的绝对平衡。如图所示，虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压，并用e0表示。3.2.2 信号调理电路 3.2.2 信号调理电路 1．差动整流电路 差动整流电路是对差动变压器两个次级线圈的输出电压分别整流后进行输出，典型电路如图所示，当某瞬间激励电压u1为正半周时，上线圈a端为正，b端为负；下线圈c端为正，d端为负。在上线圈中电流自a点出发，路径为a—1—2—4—3—b，流过电容的电流由2到4，电容上的电压为u24。同理，在下线圈中，电流自c点出发，路径为c—5—6—8—7—d，流过电容的电流由6到8，电容上的电压为u68。null为负半周时，上线圈a为负，b端为正；下线圈c为负，d端为正。同理可得，在上线圈中电流自b点出发r路径为b—3—2—4—1—a，流过电容的电流仍由2到4，电容电压为u24；在下线圈中，电流自d点出发，路径为d—7—6—8—5—c，流过电容的电流仍由6到8，电容电压为u68。 无论激励电压u1为正半周还是负半周，通过电容的电流方向始终不变，因而总输出电压始终为u2= u24－u68。当衔铁在零位时，u2= u24－u68=0；当衔铁从零位向上移动时，u24>u68，u2>0；当衔铁从零位向下移动时，u24