传感器综述及电感式位移传感器分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
克服办法主要是提高次级两绕组的对称性(包括结构和匝数等）,另外输出端用相敏检测和采用电路补偿方法,可以减小零点残余电压影响。
二、基本原理
根据磁路的基本知识,线圈的自感可按下式计算
L=N２/Rm
其中N—线圈的匝数,Rm-磁路总磁阻数,在气隙厚度较小的情况下,可以认为磁场是均匀的,其中L为线圈自感,N为各段导磁体的磁导率线圈的电感跟气隙厚度、气隙的面积、导磁体的长度等有关。根据改变空气隙的厚度、空气隙的面积、磁体的长度来实现电感的变化，从而实现测量的作原理，自感式电感传感器可分为气隙型、截面型、螺管型。
2、变面积型是用铁芯与衔铁之间重合面积的变化来反映位移。
３、螺管型是衔铁插入长度的变化导致电感变化的原理。
变压器式传感器:
线圈中感应电动势随着位移的变化而变化。
优点:灵敏度都很高,有时都不用放大器。
缺点：在于质量一般比较大,不应用于高频场合。
电涡流式传感器:
基于电涡流效应，它的感应参数是阻抗的变化，尽量使阻抗是位移的函数,它还与被测物体的形状跟尺寸有关。
解决方案分析
在实际工作中常采用差动形式,这样既可以提高传感器的灵敏度,又可以减小测量误差。两个完全相同的单个线圈的电感式传感器共用一个活动衔铁就构成了差动式电感传感器。采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外,对外界影响,如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以相互抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小,从而减小了测量误差。
电阻平衡臂电桥如图二ａ所示。Ｚ1、Z2为传感器阻抗。高;Ｌ1=Ｌ2＝L;则有Z1=Z2=Z=Ｒ′+jwＬ,另有R1=R2=Ｒ。由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时,Z1=Ｚ+△Z和Z2=Ｚ—△Ｚ,当ZL→∞时，电桥的输出电压为
当ωL>＞R’时,上式可近似为：
由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。
量程一般在０到80毫米。
电阻式传感器：
通过测量变化的电阻值来计算位移的变化。
电位器式：适合测量位移大、精度要求不高的场合。
应变式:利用电阻应变效应，它具有线性度跟分辨率都比较高，失真小的优点。
电感式位移传感器分析
一、硬件组成
电感测微仪的硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器及单片机系统。
正弦波振荡器
为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定的激励电压.
正弦波振荡器输出的信号加到测量头中。
工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。
当衔铁处于两线圈的中间位置时,两线圈的电感量相等,电桥平衡。当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少;若上线圈的电感量减少,下线圈的电感量则增加。交流阻抗相应地变化,电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比,频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。
变压器式电桥如图二b所示,它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组,当负载阻抗无穷大时输出电压为：
由于是双臂工作形式当衔铁下移时,Z1=Z-△Ｚ,Z2＝Z+△Z，则有:
同理，当衔铁上移时,则有：
可见,输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化,由于是交流信号，还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。
三、电感测Fra Baidu bibliotek的结构
此信号经放大，由相敏检波器鉴出极性。
得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号。
A/D转换器输入到单片机。
经过数据处理进行显示。
误差分析
电感式传感器测位移时，由于线圈中的电流不为零,因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起附加误差，而且非线性误差较大；另外,外界的干扰（如电源电压频率的变化，温度的变化)也会使输出产生误差。
交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。
差动式结构可以提高灵敏度，改善线性,所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻,也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图二是交流电桥的几种常用形式如图3所示。
图为螺管型电感式传感器的结构图。
螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。设线圈长度为l、线圈的平均半径为ｒ、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为rａ、铁心的有效磁导率为µm，则线圈的电感量Ｌ与衔铁进入线圈的长度ｌa的关系可表示为
气隙型传感器
优点：灵敏度高，对后续测量电路的放大倍数要求低。
缺点:非线性严重,为了限制非线性，示值范围只能较小，由于衔铁在运动方向上受铁心的限制,故自由行程小。
截面型
优点：较好的线性，自由行程较大，制造装配比较方便。
缺点：灵敏度较低。
螺管型
优点：结构简单，自由行程可任意安排、制造方便。
缺点:由于空气隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大。
目前状况：现在做的最好的电容式位移传感器可以测量０.0０1微米的位移，误差非常小。
电感传感器:
将测量量换作线圈自感或互感的变化的传感器。线位移,角位移都可测。
优点：灵敏度高；输出信号比较大,因此有利于信号的传输
缺点:频率响应较低,不宜于高频动态测量。
常用的：
1、变气隙型中电感的变化与传感器中活动衔铁的位移相对应。
传感器综述
测量两类位移:
线位移,物位移
传感器分类：
电涡流式激光式精密
电阻式、电容式、电感式小位移
变压器式中位移
电位器式大位移
电容传感器：
把位移的变化换作电容的变化进行制作的。适合高频测量。
优点：它具有灵敏度高、能实现非接触量的测量，而且可以在恶劣场合下工作。
缺点：输出特性的非线性，对绝缘电阻要求比较高。对连接线缆有很高的要求，它要有屏蔽性能；而且最好选用高频电源用来供电。
零点残余电压也是反映差动变压器式传感器性能的重要指标。理想情况是在零点时，两个次级线圈感应电压大小相等方向相反，差动输出电压为零实际情况是两组次级线圈的不对称铁心的Ｂ-Ｈ曲线的非线性，以及激励电源存在的高次谐波等因素引起零点处U≠0知。其数值约为零点几毫伏,有时甚至可达几十毫伏,并且无论怎样调节衔铁的位置均无法消除。零点残余电压的存在，使传感器的灵敏度降低,分辨率变差和测量误差增大。
二、基本原理
根据磁路的基本知识,线圈的自感可按下式计算
L=N２/Rm
其中N—线圈的匝数,Rm-磁路总磁阻数,在气隙厚度较小的情况下,可以认为磁场是均匀的,其中L为线圈自感,N为各段导磁体的磁导率线圈的电感跟气隙厚度、气隙的面积、导磁体的长度等有关。根据改变空气隙的厚度、空气隙的面积、磁体的长度来实现电感的变化，从而实现测量的作原理，自感式电感传感器可分为气隙型、截面型、螺管型。
2、变面积型是用铁芯与衔铁之间重合面积的变化来反映位移。
３、螺管型是衔铁插入长度的变化导致电感变化的原理。
变压器式传感器:
线圈中感应电动势随着位移的变化而变化。
优点:灵敏度都很高,有时都不用放大器。
缺点：在于质量一般比较大,不应用于高频场合。
电涡流式传感器:
基于电涡流效应，它的感应参数是阻抗的变化，尽量使阻抗是位移的函数,它还与被测物体的形状跟尺寸有关。
解决方案分析
在实际工作中常采用差动形式,这样既可以提高传感器的灵敏度,又可以减小测量误差。两个完全相同的单个线圈的电感式传感器共用一个活动衔铁就构成了差动式电感传感器。采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外,对外界影响,如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以相互抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小,从而减小了测量误差。
电阻平衡臂电桥如图二ａ所示。Ｚ1、Z2为传感器阻抗。高;Ｌ1=Ｌ2＝L;则有Z1=Z2=Z=Ｒ′+jwＬ,另有R1=R2=Ｒ。由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时,Z1=Ｚ+△Z和Z2=Ｚ—△Ｚ,当ZL→∞时，电桥的输出电压为
当ωL>＞R’时,上式可近似为：
由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。
量程一般在０到80毫米。
电阻式传感器：
通过测量变化的电阻值来计算位移的变化。
电位器式：适合测量位移大、精度要求不高的场合。
应变式:利用电阻应变效应，它具有线性度跟分辨率都比较高，失真小的优点。
电感式位移传感器分析
一、硬件组成
电感测微仪的硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器及单片机系统。
正弦波振荡器
为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定的激励电压.
正弦波振荡器输出的信号加到测量头中。
工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。
当衔铁处于两线圈的中间位置时,两线圈的电感量相等,电桥平衡。当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少;若上线圈的电感量减少,下线圈的电感量则增加。交流阻抗相应地变化,电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比,频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。
变压器式电桥如图二b所示,它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组,当负载阻抗无穷大时输出电压为：
由于是双臂工作形式当衔铁下移时,Z1=Z-△Ｚ,Z2＝Z+△Z，则有:
同理，当衔铁上移时,则有：
可见,输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化,由于是交流信号，还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。
三、电感测Fra Baidu bibliotek的结构
此信号经放大，由相敏检波器鉴出极性。
得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号。
A/D转换器输入到单片机。
经过数据处理进行显示。
误差分析
电感式传感器测位移时，由于线圈中的电流不为零,因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起附加误差，而且非线性误差较大；另外,外界的干扰（如电源电压频率的变化，温度的变化)也会使输出产生误差。
交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。
差动式结构可以提高灵敏度，改善线性,所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻,也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图二是交流电桥的几种常用形式如图3所示。
图为螺管型电感式传感器的结构图。
螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。设线圈长度为l、线圈的平均半径为ｒ、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为rａ、铁心的有效磁导率为µm，则线圈的电感量Ｌ与衔铁进入线圈的长度ｌa的关系可表示为
气隙型传感器
优点：灵敏度高，对后续测量电路的放大倍数要求低。
缺点:非线性严重,为了限制非线性，示值范围只能较小，由于衔铁在运动方向上受铁心的限制,故自由行程小。
截面型
优点：较好的线性，自由行程较大，制造装配比较方便。
缺点：灵敏度较低。
螺管型
优点：结构简单，自由行程可任意安排、制造方便。
缺点:由于空气隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大。
目前状况：现在做的最好的电容式位移传感器可以测量０.0０1微米的位移，误差非常小。
电感传感器:
将测量量换作线圈自感或互感的变化的传感器。线位移,角位移都可测。
优点：灵敏度高；输出信号比较大,因此有利于信号的传输
缺点:频率响应较低,不宜于高频动态测量。
常用的：
1、变气隙型中电感的变化与传感器中活动衔铁的位移相对应。
传感器综述
测量两类位移:
线位移,物位移
传感器分类：
电涡流式激光式精密
电阻式、电容式、电感式小位移
变压器式中位移
电位器式大位移
电容传感器：
把位移的变化换作电容的变化进行制作的。适合高频测量。
优点：它具有灵敏度高、能实现非接触量的测量，而且可以在恶劣场合下工作。
缺点：输出特性的非线性，对绝缘电阻要求比较高。对连接线缆有很高的要求，它要有屏蔽性能；而且最好选用高频电源用来供电。
零点残余电压也是反映差动变压器式传感器性能的重要指标。理想情况是在零点时，两个次级线圈感应电压大小相等方向相反，差动输出电压为零实际情况是两组次级线圈的不对称铁心的Ｂ-Ｈ曲线的非线性，以及激励电源存在的高次谐波等因素引起零点处U≠0知。其数值约为零点几毫伏,有时甚至可达几十毫伏,并且无论怎样调节衔铁的位置均无法消除。零点残余电压的存在，使传感器的灵敏度降低,分辨率变差和测量误差增大。