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
2 0 s0
通常μi >>μ0
Rm
2 0 s0
线圈自感为：
W W 2 L
I I Rm
Ψ——线圈总磁链 I——通过线圈的电流 W——线圈的匝数 Rm——磁路总磁阻
１ 理想特性； ２ 实际特性
U0
讨 论：
（１）供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以 提高灵敏度K值;
（２）增加W2/W1的比值和减少δ0都能使灵敏度K值提 高;
（3） 略去了铁损及线圈中分布电容的影响； （4） 次级绕组开路。
3.2.2 螺线管型差动变压器
初级线圈Lp,等效电阻Rp 次级线圈Ls1，Ls2 ,Rs 次级线圈反极性串联
➢高频干扰
差动螺线管型
线圈Ⅰ
H 0.8 0.6 0.4
线圈Ⅱ
-1.2 -0.8 -0.4 0.2
x
0.4 0.8 1.2 0.2
0.4
0.6
0.8
差动螺旋管式传感器磁场分布曲线
导杆
线圈
铁 芯
铁芯长＝0.6×线圈长时 磁感应强度有线性段； 测量范围5～50mm 非线性误差<0.5%
3.1.7 自感式传感器的应用 压力测量
L
W2 Rm
W 20s0 2
f
(s0, )
L f ( ) L与δ之间是非线性关系
当匝数确定后，只要改变气隙的面积和厚度均可 导致电感的变化。（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 率的电感传感器）
L f (s0 )
S
截面型
线性特性 低灵敏度 多用于角位移测量
Es1 RS1
RP M1
～ Ep LP
LS1 Es2 RS2
Es
初级接交流电源：
次级产生感应电动势Es1，Es2 感应电动势与互感系数及
LS2 M2
212
初级电源电压有关
工作原理
Es1 RS1
初级电流Ip
I p Ep /(Rp jLp )
次级开路时感应电压
RP M1
～ Ep LP
LS1 Es2 RS2
螺线管型差动变压器输出电压特性曲线
灵敏度
ke
U2 M
2U2 R12 (L1)2
一般工作频率取 2~10kHz
3.2.3 零点残余电压
零点残余电压产生的原因：
▪ (1)差动式两个电感线圈的电气参数及导磁体的 几何尺小不可能完全对称；
▪ (2)传感器具有铁损，即磁芯磁化曲线的非线性； ▪ (3)电源电压中含有高次谐波； ▪ (4)线圈具有寄生电容，线圈与外壳铁心间有分
次级绕组的电感为：
L1a
W12 Rma
L2a
W12 Rmb
Rma
2 a 0S
2(0 ) 0S
Rmb
2b 0S
2(0 ) 0S
绕组之间的互感为：
Ma
W2a2a
Rma
W1aW2a Rma
,Mb
W2b2b
Rmb
W1bW2b Rmb
次级绕组的感应电势：
E2a jM a I1, E2b jMbI1
3.1.3 等效电路
铜电阻(Rc) 涡流损耗电阻(Re) 线圈的寄生电容（C）
3.1.4 测量电路 谐振式（调幅、调频、调相）
➢ 调幅式电路 输出幅值随电感L变化
灵敏度高，线性差
➢ 调频电路 电感L变化时谐振频率变化
要求f较大，且非线性严重
➢ 调相式电路 输出相位随电感L变化
2 tg1(L / R)
激励电流为：
I1
2r1
U1
j(L1a
L1b )
输出电压： U2 E2a E2b
U1W1W2 (Rmb Rma ) W12 (Rmb Rma )
b b
a a
W2 W1
U1
0
W2 W1
U1
如果被测体带 动衔铁移动
U2
U 2
W2 W1
U 1
0
K U 2 W2 U1
W1 0
Δ
2(L / R) 1 (L / R)2
ΔL L
3.1.5 差动式自感传感器
由两个相同的线圈和磁路组成
➢
当衔铁处于初始位置时，L10
L20
L0
0S1
W 20s0 2(0 )
L2
W 20s0 2(0
)
L1
L1
L10
L0
0
0
2
0
3
Δx > 0 ，u2正半 波时，uL>0
Δx > 0 ，u2负半 波时，uL>0
结论：只要位移Δx>0, 不论u2 与 u0 是 正 半 周 还 是 负 半 周 ， 负载RL两端得到的电压uL始 终为正。
同理，当Δx<0时,u2与u0为同频反相。采用上述相同的分析方 法不难得到当Δx<0时, 不论u2与u0是正半周还是负半周, 负载 电阻RL两端得到的输出电压uL表达式总是为负。