传感器原理及应用第4章 电感式传感器.ppt

4电感式传感器
传感器原理及应用
2. 传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和 Z2, 另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替, 其 输出电压
U AC Z1 U AC jL U AC L U0 2 Z1 2 R0 j L0 2 L0
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U0 U AC ( / ) 代入 L 2L0 ( / )
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差动变压器结构形式
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有变隙式、变面积式和螺线管式
一、螺线管式差动变压器工作原理 由初级线圈 , 两个次级线圈和铁芯等组成。
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分为一节、二节、三节、四节和五节式
等类型.
一节式灵敏度高,
三节式零点残余电压较小,
常采用的是二节式和三节式两类。
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4
电感式传感器
4.1 变磁阻式传感器
4.2 差动变压器式传感器
4.3 电涡流式传感器
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4.1 电感式传感器
利用电磁感应原理将被测非电量如位移、
压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感
量 M 的变化 , 再由测量电路转换为电压或电流的
变化量输出, 这种装置称为电感式传感器。
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传感器衔铁下移时,
则Z1=Z-ΔZ, Z2=Z+ΔZ, 此时
U Z U L U0 2 Z 2 L



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衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的 大小相等, 但方向相反.
由于 U 是交流电压,输出指示无法判断位 移方向, 配合相敏检波电路来解决。
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变隙式差动电感压力传感器由C形弹簧 管、衔铁、铁芯和线圈等组成。
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图4-10
变隙式差动电感压力传感器
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被测压力进入 C 形弹簧管时 , C 形弹簧管产 生变形 , 其自由端发生位移 , 带动与自由端 连接成一体的衔铁运动 , 使线圈 1 和线圈 2 中的电感发生大小相等、符号相反的变化 , 一个电感量增大,另一个电感量减小。
0
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当 Δδ/δ0<<1时 , 用台劳级数展开成级数形 式为 2 3 L = L0+ΔL = L0 [1 ( ) ( ) ( ) ...] 0 0 0 可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/ L0的表 达式,
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工作原理
由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。
当衔铁移动时, 气隙厚度δ发生改变, 引起磁 路中磁阻变化 , 导致电感线圈的电感值变化 , 测出电感量的变化, 就能确定衔铁位移量的大 小和方向。
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1－线圈；
2－铁芯（定铁芯）；3－衔铁（动铁芯） 图4-1 变磁阻式传感器
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0

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4. 谐振式测量电路 有谐振式调幅电路、谐振式调频电路.
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图4-7
谐振式调幅电路
图4-8
谐振式调频电路
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调幅电路，电感 L与电容C, 变压器原边串联 在一起 , 接入交流电源 , 变压器副边有电压 输出,U 幅值随着电感 L 变化。 0
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输出电压与被测压力之间成比例关系,只 要检测仪表测量出输出电压,即可得知被 测压力的大小。
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4.1.2
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。 次级绕组用差动形式连接
次 级 次 级
衔 铁
初 初 骨架 级 级 次 级 次 级
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图4-2
变隙式电感传感器的L-δ特性
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初始电感量为
0 S0W 2 L0 2 0
当 衔 铁 上 移 Δδ 时 , 传 感 器 气 隙 减 小 Δδ, 即 δ=δ0-Δδ, 输出电感为L = L0+ΔL, 得
W2 0 S0 L0 L L0 L 2( 0 ) 1
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活动衔铁处于初始平衡位置时,两互感系数 M1=M2 。有
E 2 a E2 b


变压器两次级绕组反向

串联, 因而 U 2 E 2 a E 2b 0 差动变压器输出 电压为零。
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图4-14
差动变压器等效电路
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图4-4
电感式传感器的等效电路
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图4-4中,L为线圈的自感,R为折合有功 电阻的总电阻 ,C为并联寄生电容 . 上图的等效线圈阻抗为
Z
(R j L )( j
C j R j L C
)
将上式有理化并应用品质因 数 Q L / R , 可得
μ1——铁芯导磁率;
μ2——衔铁导磁率;
L1——铁芯的长度;
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L2——衔铁的长度; S1——铁芯的截面积; S2——衔铁的截面积; S0——气隙的截面积; δ——气隙的厚度。 μ0 ——空气的导磁率;
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气隙磁阻大于铁芯和衔铁的磁阻,
2 L1 u0 s0 u1s1 2 L2 u0 s0 u2 s2 2 Rm可近似为Rm = u s 0 0
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2 LC 2 j L(1 LC ) 2 R Q Z 2 2 LC LC 2 (1 2LC )2 ( )2 (1 2LC )2 ( ) Q Q
当
Q 2LC
且
2LC 1
时,上式可近似为
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L L0
0
[1 (
0
)(
0
) ...]
2
L 2 [1 ( )( ) ...] L0 0 0 0
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经过作线性处理，忽略高次项, 可得 L L0 0
灵敏度为
L 1 L0 K0 0
自感式、互感式和电涡流式三种传感器
4电感式传感器 概述
传感器原理及应用
电 感 粗 糙 度 仪 接近式传感器
各种电感式传感器
非接触式位移传感器
测厚传感器
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概述 电感式传感器应用
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电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装筛选
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4.1
4.1
变磁阻式传感器
将
得, 电桥输出电压与 有关.
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图4-5 交流电桥测量电路
图4－6 变压器式交流电桥
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3. 变压器式交流电桥 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。 负载阻抗为无穷大时, 桥路输出电压
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电感定义, 线圈中电感量为:
W L I I

——总磁链;
I ——电流;
w ——匝数;
Iw Rm
Φ——磁通。
磁路欧姆定律, 得
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Rm——总磁阻。忽略磁路磁损, 总磁阻为
Rm=
L1 L2 2 1 S1 2 S 2 0 S 0
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图4-3
差动变隙式电感传感器
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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. 表达式为
ΔL = ΔL1+ΔL2 2L0 [1 ( )2 ...]
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图4-11
差动变压器式传感器的结构示意图
（a）、（b）变隙式差动变压器 （c）、（d）螺线 管式差动变压器 （e）、（f）变面积式差动变压器
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1-活动衔铁；2－导磁外壳； 3－骨架；4－匝数为w1的初级 绕组；5－匝数为w2a的次级绕组；6－匝数为w2b的次级绕组 图4-12 螺线管式差动变压器结构
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4.1.3
测量电路
测量电路有交流电桥式、 交流变压器式以及 谐振式等。
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1．电感式传感器的等效电路 线圈电感：有功分量和无功分量. 有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电 阻及磁滞损耗电阻。 无功分量包含：线圈的自感L，绕线间分布电 容 C。
单线圈式变间隙式电感传感器用于测量微小 位移时比较精确。
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差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线
圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成, 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。
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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。
0 0
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进行线性处理，忽略高次项得
L 2 L0 0
灵敏度K0为
L 2 L0 K0 0
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可以得到如下结论:
①
② 差动式的线性度得到明显改善。构成差动
的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、 材
料、电气参数等方面均应完全一致。
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可得
w2 w2 0 s0 L Rm 2
电感 L 是磁阻 Rm 的函数 , 改变δ或 S0 可导致 电感变化 .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Ｓ 0 的传感器。 变气隙厚度δ式电感传感器使用最广泛。
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4.1.2 输出特性 设初始气隙为δ0, 初始电感量为L0, 衔铁 位移引起的气隙变化量为 Δδ, L 与δ之间 是非线性关系.
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R L Z j 2 2 2 2 (1 LC ) (1 LC )
令
R R ; 2 2 (1 LC )
L L (1 2LC )2
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则
Z R j L
并联电容的存在，使有效串联损耗电阻 及有效电感增加，有效Q值减小.
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当压力进入膜盒时, 膜盒的顶端在压力P
的作用下产生与压力P大小成正比的位移。 衔铁也发生移动 , 使气隙发生变化 , 流 过线圈的电流发生相应的变化 , 电流表 指示值反映了被测压力的大小。
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图4-9
变隙电感式传感器结构图
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传感器原理及式；(b)二节式；(c)三节式；(d)四节式；(e)五节式
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差动变压器式传感器中两个次级线圈反向 串联 , 当初级绕组 w1
E 2a

U1

时,
在两个次级绕组w2a和w2b中便会产生感应电
E 2b。

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Z2 Z 2 Z1 U 1 U0 U U Z1 Z 2 2 Z1 Z 2 2
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传感器的衔铁处于中间位置,
即Z1= Z2=Z
U 0 =0,

电桥平衡。
传感器衔铁上移时,
即Z1=Z+ΔZ, Z2=Z-ΔZ,
Z U L U U0 Z 2 L 2
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调频电路的传感器电感L变化引起输出电 压频率的变化。电感L和电容C接入振荡回 路中, 振荡频率
f
1 2 LC
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当L变化时, 振荡频率随之变化, 根据f 的大小可测出被测量的值。
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4.1.4 应用
变隙式电感压力传感器: 由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成.
L L0

0
[1 (

0
)(

0
) ...]
2
L 2 [1 ( ) ( ) ...] L0 0 0 0
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衔铁下移 Δδ 时 , 传感器气隙增大 Δδ, 即 δ=δ0+Δδ, 输出电感为L = L0-ΔL, 这时有: