传感器原理及其应用_第3章_电感式传感器

null第3章 电感式传感器第3章 电感式传感器Inductive Sensors绪 论绪 论 电感式传感器是利用线圈自感（self-inductance of coils ） 或互感（mutual inductance of coils）的改变来实现测量的一种装置。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。 电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将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电感绕组。 习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器（变磁阻式reluctance variation sensors），而互感式传感器由于它利用变压器原理，又往往做成差动式，故称作差动变压器（linear variable differential transformers(LVDTs)）此外，利用涡流原理的电涡流式传感器（Eddy current sensors ）、利用材料压磁效应（Piezo-magnetic effect）的压磁式传感器、利用平面绕组互感原理的感应同步器(Inductosyn)等，亦属电感式传感器null 特 点 （1）工作可靠、寿命长； （2）灵敏度高、分辨率高; 位移:0.01μm;角度0.1”;输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 （3）精度高、线性好; 在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。非线性误差：0.05%~0.1%； （4）性能稳定、重复性好。不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。nullnull 因为气隙较小(0.1～1mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为:铁芯磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小分类： 变气隙厚度δ的电感式传感器； 变气隙面积S的电感式传感器； 变铁芯磁导率μ的电感式传感器；null自感式电感传感器常见的形式 1—线圈coil ；2—铁芯Magnetic core ；3—衔铁Moving core变气隙式变截面式螺线管式nullL=f（S）L=f（δ）δLSL=f(δ)为非线性关系。当δ＝0时，L为∞，考虑导磁体的磁阻，当δ＝0时，并不等于∞，而具有一定的数值，在δ较小时其特性曲线如图中虚线所示。如移动衔铁使面积S改变，从而改变L值时,则L＝f(S)的特性曲线为一直线。 3.1.2电感计算与输出特性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 nullnull可见，灵敏度K随初始气隙的增大而减小。nullnullnull①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失真小,如当Δδ/δ=10％时 , 单线圈γ＜10％；而差动式的γ ＜1％ ③采用差动式传感器，还能抵消温度变化、电源波动、外界干扰、电磁吸力等因素对传感器的影响 7550 25 05075100L/mHδ/mm10025 LD4 3 2 1 Ⅰ Ⅱ 12341 线圈Ⅰ自感特性曲线； 2 线圈Ⅱ自感特性曲线； 3 线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性曲线； 4 差动电桥输出电压－位移特性曲线null 注意！ ①当气隙δ发生变化时，自感的变化与气隙变化均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化Δδ/δ的增大而增加； ②气隙减少Δδ所引起的自感变化ΔL1与气隙增加同样Δδ所引起的自感变化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值随Δlδ/lδ的增加而增大。nullrx螺管线圈 铁芯 单线圈螺管型传感器结构图l 2. 螺管型电感传感器 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一根圆柱形铁芯及磁性套筒。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈自感发生变化。null螺管线圈1 铁芯 差动螺管型传感器结构图螺管线圈2 磁性套筒主磁通漏磁通nullx螺管线圈内磁场分布曲线rl 1.00.8 0.6 0.40.20.20.40.60.81.0H（ ） IN l x（l） 螺管式自感传感器根据其磁路结构，磁通主要由两部分组成：磁通沿轴向贯穿整个线圈后闭合的为 主磁通；另外经铁芯侧面气隙闭合的侧磁通称为漏磁通。铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。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。 null设螺管线圈全长为l,内径为r,匝数为N,通电电流强度为I。沿轴线任意一点P的磁场强度H为：nullnullnull 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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。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。 2lcΔlc2l线圈Ⅰ线圈Ⅱr0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（ ）INlx(l)(a)(b)null3.1.3传感器的信号调节电路讨论： （1）当铁芯处于中间位置时，Z1=Z2=Z，这时U0=0,电桥平衡； （2）当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加，Z2=Z+ΔZ，上面线圈的阻抗减小，Z1=Z-ΔZ得：null反之，当铁芯向上移动同样大小的距离时，Z2=Z-ΔZ, Z1=Z+ΔZ，得： 两种情况的输出电压大小相等，方向相反，由于E是交流电压，所以输出电压U0在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。 null2.带相敏整流的交流电桥null3.1.4影响传感器精度的因素分析1.电源电压和频率波动的影响2.温度变化的影响3.非线性特性的影响4.输出电压与电源电压之间的相位差5.零位误差的影响null6.2差动变压器式传感器 (linear variable differential transformers(LVDTs))分气隙型和差动变压器两种。目前多采用螺管型差动变压器。1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243123(a)气隙型(b)螺管型基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。null321212112(a)(b)(c)(d)121121 初级线圈；2 次级线圈；3 衔铁3三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。null3.2.1螺管形差动变压器1.工作原理副Ⅰ0EsEs1Es2x副Ⅱ原线圈差动变压器输出电势与衔铁位移的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。 ～～～EsRs1Rs2Es1Es2EpRpM1M2Ls1Ls2LpIpnull2.基本特性分析～～～EsRs1Rs2Es1Es2EpRpM1M2Ls1Ls2LpIp（1）输出特性 nullnull（2）灵敏度定义：差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动单位距离时的输出电压；单位：V/mm/V；如何提高灵敏度？（3）频率和相位特性应用时激磁频率一般在400Hz到5kHz的范围内选择 。null 。null(4)线性度 一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的1/10~1/4。(5)温度特性 差动变压器的使用温度通常为80℃3.2.2差动变压器的测量电路1.差动整流电路根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“＋”，e点为“–”，则电流路径是fgdche（参看图a）。反之，如f点为“–”，e点为“＋”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图（b），其值为USC=eab＋ecd。 nullnullnull3．零位残余电压的补偿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。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。 0u0x-xu00null零点残余电压产生原因： ①基波分量。由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。 ②高次谐波。高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。 null消除零点残余电压方法： 1．从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。null3．采用补偿线路 ①由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图(a)。由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。 调相位式残余电压补偿电路null②并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位，如图所示。电容C(0.02μF)可防止调整电位器时使零点移动。～uiu0CR1R2W电位器调零点残余电压补偿电路nullnull3.3涡流式传感器(Eddy current sensors)根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈漩涡状流动的感应电流，称之为电涡流，这种现象称为电涡流效应。涡流的大小与金属的电阻率ρ、磁导率μ、几何尺寸、产生磁场的线圈与金属的距离x，线圈的激磁电流及其频率等参数有关。若固定其中的若干参数，就能按涡流的大小测量出另外某一参数。电涡流式传感器是一种建立在电涡流效应原理上的传感器，它具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强以及体积较小等一系列优点。电涡流式传感器可以实现振动、位移、尺寸、转速、温度、硬度等参数的非接触测量，并且还可以进行无损探伤。null1.高频反射式电涡流传感器结构和工作原理1234561- 线圈 2 -框架 3- 衬套 4 -支架 5 -电缆 6 -插头null若能控制式中其它参数不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数，从而实现该参数的测量。null2.测量电路 null3.4电感式传感器应用举例1．用于磁力轴承的自感式位置传感器null 2．用于工件直径等尺寸测量的电感式传感器1—引线电缆 2—固定磁筒 3—衔铁 4—线圈 5—测力弹簧 6—防转销 7—钢球导轨（直线轴承） 8—测杆 9—密封套 10—测端 11—被测工件 12—基准面 电感测微头电感测微头null电感测微传感器电路原理图 nullnull电感式不圆度计 该圆度计采用旁向式电感测微头null 电感式不圆度测量系统外形 测量头旋转盘null电感式滚柱直径分选装置 1—气缸 2—活塞 3—推杆 4—被测滚柱 5—落料管 6—电感测微器 7—钨钢测头 8—限位挡板 9—电磁翻板 10—容器（料斗） null变气隙式电感测微仪null 3.自感式压力传感器null变气隙式差动压力传感器null 微压力变送器 将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。～220V1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳V振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路1234567这种变送器可分档测量(–5×105～6×105)N/m2压力，输出信号电压为(0～50)mV，精度为1.5级。 nullnull电感式接近传感器null电感式接近传感器应用举例1、生产中测量产品的长度null2、生产线工件的计数3、机械手的限位nullnull4、生产工件加工定位5、时序控制null 若转轴上开z 个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为 null电动机转速测量null无损探伤原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。