5-4 电感式传感器 ppt课件

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① 当衔铁处中间位置
M1 M2 M0
E&2a E&2b jM0I&1 U2 0
② 当衔铁偏离中间位置
M1 M0 M M2 M0M
U2 jr12jM L1U 1
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+
理论特性 曲线
零点 残余电压ΔU0
实际特性 曲线
差动变压器 输出电压特性曲线
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2.
变压器式交流电桥测量 电路如图所示, 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。当负截阻抗为
无穷大时, 桥路输出电压
变压器式电桥 测量电路
U Z1U UZ1Z2U
0 Z1Z2 2 Z1Z2 2
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Z2=Z当传感U 器0=0的, 电衔桥铁平处衡于。中间位置，即：Z1=
当 传 感 器 衔 铁 上 移 时 ， 即 Z1=Z-ΔZ,
Z2=Z+ΔZ,
U0
UZ
U
L
2Z 2L
由于 U 0 是 交流电压, 输出
当传感器衔铁下移时 指示无法判断 位移方向, 必须
U0
UZ
UL
配合相敏检波 电路来解决。
2Z 2L
W
WX ：线圈覆盖匝数
Wx x l
x ： 衔铁插入线圈的长度
∴
L
(r
1)0 Wx2 Sc
x
(r
1)0 W2rc2
l2
•
x
( ) 联系L0和 L表达式得
L L0
r
1
rc2 r2
.
x l
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+ 单一式
线圈沿轴向位置移动
LL0LL01(r1)rrc2 2•x l
rc
差动式
ll
x0
x0
r
第4章 电感式传感器
把被测参量转换为 电感变化的传感器
☆☆☆ 自感式电感传感器
inductance
☆☆ 互感式传感器 ☆ 电涡流式传感器
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第四章 电感式传感器 inductor
原理：利用磁路磁阻变化，引起传感器线圈的
电感（自感L或互感M）的变化。
优点 缺点
➢结构简单可靠 ➢对工作环境要求不高 ➢输出功率大 ➢分辨力较高 ➢输出阻抗小 ➢稳定性好 ➢抗干扰能力强
显改善。
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例题分析
已知变气隙电感传感器的铁心截面积S=1.5cm2， 磁路长度L=20cm，相对磁导率µr=5000，气隙厚 度δ0=0.5cm，Δδ=±0.1mm，真空磁导率 µ0=4π×10-7H/m，线圈匝数w=3000，单一式传感 器的灵敏度ΔL/Δδ，若做成差动结构形式，其灵
)
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★当 u2、u0均为负半周 VD2、VD3截止 VD1、VD4导通
uL
RLu21 R2 RL
RLu2 n1(R2RL
)
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均为正。
f 1/(2 LC)
谐振式调频电路
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今日要点
互感式传感器（差动变压器式） ※ 工作原理 ※ 输出特性 ※ 测量电路
测量电路 ※ 差动整流电路 ※ 相敏检波电路 ☆☆
4.2 互感式传感器(差动变压式) mutual-inductor
被测量使衔铁移动，引起初次级线圈间的 互感变化，形成输出电压的变化。
Uac＝Ubc
Uac> Ubc Uac< Ubc
Uab＝0
Uab> 0 Uab< 0
注意
电流输出型电路，用在低阻抗负载场合 电压输出型电路，用在高阻抗负载场合
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2. 相敏检波电路
输入检测 信号u2
• 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。
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3
令衔铁处于线圈1，2的中间位置
L10W 2r2[1 （ r1 ） (rc)2x1]
l
rl
L20W 2r2[1 （ r1 ） (rc)2x2]
l
rl
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+ 当衔铁处于中间位置时，x1=x2=x0 ,L1=L2 若偏离中心
位置 x时：x 1 x 0 x ,x2 x 0 x
L 1 L 220 W 2r2[1 ( r 1 )(rc)2x0]
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+
差动式
S 1 ( a 0 a ) b ， S 2 ( a 0 a ) b
δ2
1 Δa
L1W 22 0a0b(1 aa 0)L0(1 aa 0) L2W 22 0a0b(1 aa 0)L0(1 aa 0)
差动式变截面积
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+ 三、螺旋型自感传感器
3 2rc
x
l
2 假设线圈的长径比 L/r >>1
W2
n
Rmi
i1
W—线圈的匝数，Rmi—i段的磁阻 RM—磁路总磁阻
δ
Δδ 3 又
1—线圈，2—铁心 3—衔铁
Rmi
li iSi
第i段磁路的平均长度 第i段磁路的横截面积 第i段磁路的导磁率
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磁阻
Rml11S1 l22S2 20S
：气隙的厚度
i ：磁路导磁率
r ：磁路相对导磁率
关系曲线表明, 其中L0为谐振 点的电感值, 此电路灵敏度很
高, 但线性差, 适用于线性要求
不高的场合。
谐振式调幅电路
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调频电路的基本原理 是传感器电感L变化将引起 输出电压频率的变化。
一般是把传感器电感L 和电容C接入一个振荡回路 中。当L变化时, 振荡频率 随之变化, 根据 f 的大小即 可测出被测量的值。特性 曲线表明, 它具有明显的非 线性关系。
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(a,b,c)变气隙式、 (d,e)变面积式、 (f)螺旋式 差动变压器结构
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二、测量电路：
差动变压器输出的是交流电压, 若用交流 电压表测量, 只能反映衔铁位移的大小, 而不能反映移动方向。
测量值中将包含零点残余电压。
为了达到能辨别移动方向和消除零点残 余电压的目的, 实际测量时, 常常采用 差动整流电路和相敏检波电路。
R h( f ) Re
Rc
LC
RC —— 线圈铜耗电阻
Re —— 铁心涡流损耗电阻 Rh —— 磁滞损耗电阻 C —— 线圈的寄生电容
等效电路
更换电缆后必须重新校准或采用并联电容调准
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五、测量电路
1. 交流电桥式测量电路
交流电桥测量电 路,电源电压为UAC、输 出电压为U0 。把传感 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。
参考信号u0
• u0和u2由同一振荡器供电，保证二者同频、同相 或反相。
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★设 位移Δx > 0
u2与u0同频同相 ★若 u2与u0均为正半周
VD1、ＶD4截止 VD2、VD3导通 可得等效电路：
(n1,2是T1,2的变压比)
uL
RLu22 R2 RL
RLu2 n1(R2RL
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+ 1. 差动整流电路
U1
U 21
U 22
U2
反串联接
U
U
R
21
1
R W
R U 22 2
U0
桥路联接
U 2 U 21 U 22
U2
1 2
(U21
U22) U22
1 2 (U21
U22)
结论
桥路的灵敏度是反串联接法的一半， 由于有Rω，则无需调零电路。
09:41
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I1
a
M1
M2
差动变压器等效电路
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一、工作原理
I&1
U&1
r1 j L1
M1
E&2a j M 1I&1
M2
E&2b j M 2 I&1
差动变压器等效电路
输出电压 输出阻抗
U & 2E& 2aE& 2bjr(1M 1j L M 12)U & 1 Zr2ar2bjL2ajL2br2jL2
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3. 谐振式测量电路有谐振式调幅电路、
谐振式调频电路如图所示。
谐振式调幅电路
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谐振式调频电路
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在调幅电路中, 传感器电
感L与电容C、变压器原边串
联在一起, 接入交流电源, 变
压器副边将有电压输出, 输出
电压的频率与电源频率相同,
而电压幅值随着电感L而变化。
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实际上, 当衔铁位于中心位置时, 差动变 压器输出电压并不等于零, 我们把差动变 压器在零位移时的输出电压称为零点残余 电压。
零点残余电压主要是由传感器的两次级绕 组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁 性材料的非线性等问题引起的。
零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实 际使用时，应设法减小。
∴ 要改变 L
δ 气隙厚度 S0 气隙截面积
0 气隙导磁率
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单一变气隙式自感传感器输出特性
（i）当衔铁下移：
0
L 0S0W2 L0 2(0 ) 10
L0 L
LL0[1( 0 )( 0 )2......]
当
<< 1
L
L0 L
L0
0
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灵敏度： k L L0 1
➢频率响应低 ➢不宜于快速动态测量
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分
自感式传感器
类电
感 式
传
➢按磁路几何参数变化
变气隙式、变面积式、螺管式
➢按线圈组成方式
感
单一式，差动式
器
种 互感式传感器
类
电涡流式传感器
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今日要点
自感式传感器 互感式传感器 电涡流式传感器 实际工程应用案例
今日要点
0 ：空气的导磁率
RF 铁芯衔铁磁阻 R 气隙磁阻
当 ll1 l2 S 1S 2S120r 时
所以：
RF
l1
1S1
l2
2S2
l
0rS
RmRFR 0lrS20S
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在
RmRFR 0lrS20S
中
2 一般情况下： 0S
l1
1S
2 l2
0S
2S
2 Rm 0S0
L 0 S0W 2 2
mA b
I2
I1
a
mA
b
I2
全波电流输出
半波电流输出
Iab＝I1－I2
➢当衔铁位于零位
I1＝I2
➢当衔铁位于零位以上 I1> I2
➢当衔铁位于零位以下 I1< I2
Iab＝0
Iab>0 Iab < 0
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a
a
c
cV
b
全波电压输出
b
半波电压输出
Uab＝Uac－Ubc
➢当衔铁位于零位 ➢当衔铁位于零位以上 ➢当衔铁位于零位以下
当：电桥平衡时U0=0
交流电桥测量电路
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1.
对于高Q值（Q=ωL/R）的差动式电感传 感器, 其输出电压：
U 0U 2 AC Z Z 11U 2 ACR 0j jLL0U 2 AC LL 0
将ΔL=2L0（Δδ/δ0）代入，得出 电桥输出电压与Δδ有成正比。
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0
L L0+ΔL
L0 L0-ΔL
δ 0-Δ δ
同理当衔铁上移 0 Fra Baidu bibliotek
L L0
1
0
L0 L
∴ LL0[1( 0 )( 0 )2......]
L
δ0 δ 0+Δ δ
K L0 1
δ
0
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由此可见, 变间隙式电感传感器 的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感传感器用于测量微小 位移时是比较精确的。为了减小非线 性误差, 实际测量中广泛采用差动变 间隙式电感传感器。
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差动变气隙式自感传感器输出特性
L L 1 L 2 2 L 0 [1 ( )2 ( )4 ...]
0
0
0
L 2
L0
0
L
L1
灵敏度：
结论
K0
L0
2
0
L2
① 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。
② 差动式的非线性项等于单线圈非线性
差动式传感器 结构图
项乘以（Δδ/δ0）因子, 线性度得到明
l
rl
L2L1(r1)0W 2rc22x
l
l
三种自感传感器的比较
➢变面积式、螺旋式传感器线性度好，示值范围大
➢变气隙式传感器非线性强，示值范围小
➢变气隙式传感器灵敏度高，螺旋式传感器最低
➢螺旋式比变面积式传感器互换性好
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四、等效电路
上面分析时，将自感
线圈看成理想的纯电感，
实际上存在损耗。
r 线圈内部的磁场认为是均匀的 1 则：空心线圈的电感
1—螺管线圈 2—衔铁 3—磁性套筒
L0
0SW2
l
0r2W2
l0
l0 —线圈的长度， r —线圈的半径 W—线圈的匝数
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+ 插入后其覆盖的那部分线圈局部电感增大,据推导
L (r 1)0 Wx2 Sc
x
式中
SC： 衔铁面积πrc 2
敏度将如何变化？
解： L 0
W2 RM
RmRFR 0lrS20S
L
L0
0
K L
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+ 二、变面积型自感传感器
单一式
初始电感： L0
S W2 00 2
δ
忽 略 RF
1
Δa
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单一式变面积型
S S ±S
0
L
(S 00
±S ) W2
2
L L0 S
L0
S
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自感式传感器 ※ 变气隙式自感传感器 ※ 变面积式自感传感器 ※ 螺 旋 型 自感传感器
测量电路 ※ 交流电桥式测量电路 ※ 变压器式交流电桥 ※ 谐振式测量电路
4.1 自感式传感器 (变磁阻式传感器) self-inductor
一、变气隙式自感传感器
单一式
1 2
线圈自感： L W 2
RM