3检测技术-电感式传感器

L2
L2
L20
L0
0
0
2
0
3
差动自感传感器测量电路（转换电路） （1）交流电桥式
两个桥臂为传感器的线圈，另外两个为平衡电阻
交流电桥结构示意图
等效电路
初始状态时：
Z10 r1 jL1, Z20 r2 jL2 , Z3 Z4 R
r1 r2 r0 ,
L1 L2 L0 ,
空载输出电压 U0 (U / 2) (Δ Z / Z )
传感器衔铁移动方向相反时
Z1 Z Δ Z、Z2 Z Δ Z，
空载输出电压 U0 (U / 2) (Δ Z / Z )
衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向 相差180º，要判断衔铁方向就是判断信号相位。
3.1.6 零点残余电压
Z10 Z20 Z0
衔铁上移时：Z1 Z0 Z1,
Z1 jL1
Z2 Z0 Z2 ,
输出电压为：
Z2 jL2
U0
U AC
(Z0 Z1)R (Z0 Z2 )R 2R(Z0 Z1 Z0 Z2 )
U AC 2
Z1 Z2 2Z0 Z1 Z2
U0
U AC 4
Z1 Z2 UAC
• u0的幅值要远 大于输入信号u2 的幅值, 以便有 效控制四个二极
管的导通状态。
• u0和u2由同一振荡器提供，保证二者同频、 同相（或反相）。
当位移Δx = 0时
i3
i1
i2
i4
当位移Δx = 0时，UL=0
当位移Δx > 0时, u2 与u0同频同相, 当位 移Δx< 0时 , u2与u0 同频反相。
布电容。
e
e1
零点残余电压的波形
e20
t
e20
1
(a)残余电压的波形
2 34 5
t
(b)波形分析
1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波 5 电磁干扰
高 次 谐 波
减小零点残余电压的措施
（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对 称。铁芯材料要均匀。两个二次侧线圈窗口要一致， 两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀。
Z0
4
r0
j jL0
(L1
L2 )
L1
L2
2L0
0
0
3
0
5
最终电桥输出为：
U0
U AC 2
(
0
)
输出电压的 相位与Δδ的 关系？
结论： • 比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍； • 差动式非线性项比单线圈多乘了(Δδ/δ)因子；
不存在偶次项，因Δδ/δ <<1，线性度得到改善。 • 差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰
第三章 电感式传感器
电感式传感器是利用电磁感应的原理，将被测物 理量转换成线圈自感或互感的变化来实现测量的 一种装置。 可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、 力矩、应变等多种物理量。
3.1 自感式传感器（变磁阻式）
3.1.1 结构和工作原理
➢ 结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为 ;
实际的特性曲线，在零点上总有一个最小的输出电 压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称 为零点残余电压。
零点残余电压产生的原因：
➢两个传感器线圈不完全对称（导磁体的几何尺 寸、线圈的电气参数等不对称）
➢传感器铁磁材料磁化曲线存在非线性；
➢供电电源存在高次谐波，而电桥只能对基波较 好的预平衡；
➢线圈间存在分布电容等寄生参数
差动变压器输出电压 U 2 e2a e2b 0
当被测体有位移时，δa≠δb 两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压
U 2 e2a e2b 0
２.输出特性
当两绕组的工艺严格对称时，有：
W1a W1b W1,W2a W2b W2
r1a r1b r, L1a0 L1b0 L10
（2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。其 思路是，由于两个二次侧线圈的等效参数不相等， 用拆圈的方法，使两者等效参数相等。
（3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联 电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。
零点残余电压补偿电路
3.2.4 测量电路 1.相敏检波电路
参考信号u0 输入检测信号u2
Es
Es1 jM1I p Es2 jM 2IP
负载电阻足够大时输出电压
LS2 M2
Es Es1 Es2 j(M1 M2 )I p
Es与互感之差 成线性关系
Es
j(M1
Rp
M2)Ep
j Lp
当铁芯在中间位置时，
M1=M2=M, Es=0
当铁芯上移Δx时
Es1 RS1
RP M1
的影响。
（2）变压器式交流电桥
➢ 电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂，另外两个臂 是交流变压器次级线圈各占1∕2，交流供电。
输出空载电压
U0
U Z1 Z2
Z1
U 2
U 2
Z1 Z2 Z1 Z2
初始平衡状态，
Z1=Z2=Z, U0=0
衔铁偏离中间零点时, Z1 Z Δ Z、Z2 Z Δ Z，
eab
衔铁下移
t
ecd
t
USC
t
f *d R c
eab
衔铁在
零位 ecd
t t
e1 ～
*
e
USC
h USC
t
*
R
衔铁上移 eab
t
a
b
ecd
t
USC
t
全波电压输出
a
半波电压输出
a
c
cV
b
Uab＝Uac－Ubc
当衔铁位于零位
Uac＝Ubc
当衔铁位于零位以上 Uac> Ubc
b
Uab＝0
～ Ep LP
LS1 Es2 RS2
Es
M1=M+ΔM，M2=M－ΔM,
Es
2Ep M R2 2 L2
与Ep同相
p
p
LS2 M2
当铁芯下移Δx时：M1=M -ΔM，M2=M+ΔM,
Es
2 E p R2 2 L2
M
与Ep反相
p
p
铁芯向右移， 输出与u2a同极性； 铁芯向左移， 输出与u2b同极性；
L f ()
力F
Δμ
磁导率型
压磁效应 主要用于力测量
单螺线管型
铁芯移动改变磁路气隙
漏磁通变化磁阻变化 导杆
自感L变化
铁芯 线圈
特点
结构简单、易于制造；
非线性严重；
灵敏度低，用于大位移测量
3.1.2 变气隙式传感器（自感式）
L W 20s0 f ( ) 2
初始电感量为
ΔL2
电感量的变化为：
L2
L2
L0
L0
0
电感量的相对变化为：
L2 L0
0
1
1
( )
0
0
0
2
0
3
0
讨 论：
忽略高次项，则有
L1
L0
0
L2
L0
0
灵敏度
S L L0
0
ΔL1、ΔL2与Δδ成线性关系，高次项的存在是造成非 线性误差的主要原因。
当(Δδ/δ0)越小时，高次项迅速衰减，非线性改善，但 又限制了测量范围。一般取(Δδ/δ0)＝0.1～0.2
e1 ～
D1
e21 e R
D4 D3
D2
A er e22
C1 C2 B
i1 i3 C
R1
R2 D
i2 i4
移 相 器
图中调制电压er和e同频，经过移相器使er和e保持同 相或反相，且满足er>>e。调节电位器R可调平衡， 图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为 UCD。
2. 差动整流电路
被测压力经位移、电压两次转换输出
3.2 差动变压器式传感器（互感式）
3.2.1 结构与工作原理
两个初级绕组的同名端顺向串联， 两个次级绕组的同名端则反向串联。
变气隙式差动变压器 螺线管式差动变压器 变面积式差动变压器
1. 工作原理
衔铁处于初始平衡位置时， 间隙δa0 =δb0=δ0 两个次级绕组的互感电势相等，e2a=e2b
相敏检波电路输出电压uL的变化规律充分反映了被测位移 量的变化规律, 即uL的值反映位移Δx的大小, 而uL的极性 则反映了位移Δx的方向。
(a）被测位移变化波形图； (b)差动变压器激励电压波形； (c) 差动变压器输出电压波形； (d)相敏检波解调电压波形； (e)相敏检波输出电压波形
相敏检波电路
L0
W 20S0 20
+ΔL1
当衔铁下移Δδ时，则 0
电感量的变化为：L1
L1
L0
W 20s0 2(0
)
W 20s0 2 0
W 20s0 20
[
20 2(0
)
1]
L0
0
电感量的相对变化为：
2
3
L1 L0 0
1
1
( )
0
0
0
0
0
当衔铁上移Δδ时，则 0
一般情况，气隙厚度δ较小， 可以认为气隙磁场是均匀的， 若忽略磁路铁损，磁路总磁阻
线圈 铁 芯
s1
s
s2
δ
为
衔铁
Δδ
Rm
l1
1 s1
l2
2 s2