第四章電感式傳感器

1、第4章 電感式傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器第二節(jié)第二節(jié) 互感式傳感器互感式傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器一、變隙式自感傳感器一、變隙式自感傳感器1、結(jié)構(gòu)和工作原理、結(jié)構(gòu)和工作原理S1l1L1W23l21線圈；2鐵芯(定鐵芯)；3銜鐵(動鐵芯)S2根據(jù)對電感的定義，線圈中電感量可由下式確定： NLII（4-1） 式中： 線圈總磁鏈； I通過線圈的電流； N線圈的匝數(shù)； 穿過線圈的磁通。由磁路歐姆定律， 得 mINR（4-2） 式中, Rm為磁路總磁阻。 對于變隙式傳感器， 因為氣隙很小，所以可以認為氣隙中的磁場是均

2、勻的。 若忽略磁路磁損， 則磁路總磁阻為 12112202mllRSSS（4-3） 式中： 1鐵芯材料的導磁率； 2銜鐵材料的導磁率； l1磁通通過鐵芯的長度； l2磁通通過銜鐵的長度； S1鐵芯的截面積； S2銜鐵的截面積； 0空氣的導磁率； S氣隙的截面積； 氣隙的厚度。 通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻， 即 1011202222lSSlSS（4-4） 則式（4-3）可寫為 02mRS（4-5） 聯(lián)立式（4-1）、 式（4-2）及式（4-5）， 可得 2202mNSNLR（4-6） 上式表明，當線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變或S均可導致電感變化，因此變磁阻式傳

3、感器又可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積S的傳感器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。 設銜鐵處于起始位置時, 傳感器的初始氣隙為0。 初始電感為20002NSL當銜鐵向上移動時, 傳感器的氣隙長度將減少, 即為=0-, 這時的電感量為2002()NSL相對變化量為000011LL2、輸出特性、輸出特性 當 時, 可將上式展開成級數(shù)0122300000001()()()LL 同理, 如銜鐵向下移動時, 傳感器氣隙將增大, 即為=0+, 電感量的變化量為000LLLL 相對變化量為 230000()()LL 可以看出, 當忽略高次項時, L才與成線性關(guān)系。 當然, /0 越小, 高次項

4、迅速減小, 非線性可得到改善。 然而, 這又會使傳感器的量程變小。 所以, 對輸出特性線性度的要求和對測量范圍的要求是相互矛盾的, 一般對變氣隙長度的傳感器, 取/0=0.10.2。二、變面積自感傳感器二、變面積自感傳感器x xa a鐵心與銜鐵間氣隙厚度忽略。鐵心與銜鐵間氣隙厚度忽略。 xablxAlRM axLlaxabNlxANRNxLM110222三、螺管式自感傳感器三、螺管式自感傳感器 鐵鐵 芯芯位移x02lAxlAxlAxRM000022 0000222112lxLxlANRNxLM 傳感器工作時，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當用恒流源激勵時，則線圈的輸出

5、電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。四、差動自感傳感器四、差動自感傳感器L1L2RoRo122131鐵芯；2線圈；3銜鐵1、變隙式差動自感傳感器、變隙式差動自感傳感器 在起始位置時, 銜鐵處于中間位置, 兩邊的氣隙相等, 兩只線圈的電感量相等, 電橋處于平衡狀態(tài), 電橋的輸出電壓Us=0。 當銜鐵偏離中間位置向上或向下移動時, 兩邊氣隙不等, 兩只電感線圈的電感量一增一減, 電橋失去平衡。 電橋輸出電壓的幅值大小與銜鐵移動量的大小成比例, 其相位則與銜鐵移動方向有關(guān)。 假定向上移動時輸出電壓的相位為正, 而向下移動時相位將反向180為負。 因此, 如果測量出輸出電壓的大小和相位，就可以決定銜鐵位移的大小和

6、方向。銜鐵帶動連動機構(gòu)就可以測量多種非電量，如位移、液面高度、速度等。五、測量電路五、測量電路 電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、 變壓器式交流電橋以及諧振式等。 1 1. . 電感式傳感器的等效電路電感式傳感器的等效電路 從電路角度看，電感式傳感器的線圈并非是純電感，該電感由有功分量和無功分量兩部分組成。有功分量包括：線圈線繞電阻和渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻，這些都可折合成為有功電阻，其總電阻可用R來表示；無功分量包含：線圈的自感L, 繞線間分布電容，為簡便起見可視為集中參數(shù)，用C來表示。 于是可得到電感式傳感器的等效電路如圖4-4所示。 圖4-4 電感式傳感器的等效電路RCLZ 圖4-4

7、中，L為線圈的自感，R為折合有功電阻的總電阻，C為并聯(lián)寄生電容。 上圖的等效線圈阻抗為 CjLjRCjLjRZ )(4-16) 將上式有理化并應用品質(zhì)因數(shù)Q=L/R，可得 22222222222)1 (1)1 (QLCLCQLCLCLjQLCLCRZ(4-17) 當Q2LC且 U U0 0，即二極管的導通與否取決于，即二極管的導通與否取決于U UR R，工作原理：，工作原理： (1)(1)銜鐵在中間位置時，銜鐵在中間位置時，U U0 0= 0= 0，電流表中無讀數(shù)。，電流表中無讀數(shù)。(2)(2)若銜鐵向上移動：若銜鐵向上移動：信號電壓信號電壓U U0 0上正下負為正半周，假定參考電壓上正下負為

8、正半周，假定參考電壓U UR R極性為左正右負，此時極性為左正右負，此時D D1 1、D D2 2截截止，而止，而D D3 3、D D4 4導通，信號電流方向為導通，信號電流方向為 BRmAFE D D3 3G D D4 4C 電流表的極性是上正下負電流表的極性是上正下負 同理負半周結(jié)果相同同理負半周結(jié)果相同(3)(3)當被測量方向變化使銜當被測量方向變化使銜鐵下移時，輸出電壓鐵下移時，輸出電壓UU0 0 的的相位與銜鐵上移時相反相位與銜鐵上移時相反。2 2、相敏檢波電路、相敏檢波電路三、三、 誤差因素分析誤差因素分析1 1、激勵電壓幅值與頻率的影響、激勵電壓幅值與頻率的影響激勵電源電壓幅值的

9、波動，會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。而頻率的波動，只要適當?shù)剡x擇頻率，其影響不大。2 2、溫度變化的影響、溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導磁體磁導率的變化，從而使線圈磁場發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當線圈品質(zhì)因數(shù)較低時，影響更為嚴重，因此，采用恒流源激勵比恒壓源激勵有利。適當提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動電橋可以減少溫度的影響。 3 3、零點殘余電壓、零點殘余電壓 當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，當使用橋式電路時，在零點仍有一個微小的電壓值(從零點幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點殘余電壓零點殘余電壓。如圖是擴大了的零點殘余電壓的輸出

10、特性。零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū)；零點殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。 0e2x-xe20消除零點殘余電壓方法：消除零點殘余電壓方法：1 1從設計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性從設計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性 為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應選高磁導率、低矯頑力、低剩磁感應的導磁材料。并應經(jīng)過熱處理，消除殘余應力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點應選在磁化曲線的線性段。 2 2選用合適的測量線路選用合適的測量線路 采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中

11、間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到2，從而消除了零點殘余電壓。e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器一、基本工作原理一、基本工作原理 1、電渦流效應、電渦流效應： 根據(jù)法拉第定律，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁根據(jù)法拉第定律，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)部將產(chǎn)生漩渦狀的感應電流，場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)部將產(chǎn)生漩渦狀的感應電流，成為電渦流，這種現(xiàn)象稱為成為電渦流，這種現(xiàn)象稱為“電渦流效應電渦流效應”。 特點：能對位移、厚度、表面溫度、速度、應力、

12、材料損特點：能對位移、厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量。傷等進行非接觸式連續(xù)測量。2、工作原理、工作原理 傳感器激勵線圈(a)(b)被測金屬導體傳感器激勵電流 根據(jù)法拉第定律，當傳感器根據(jù)法拉第定律，當傳感器線圈通以正弦交變電流線圈通以正弦交變電流I1時，線時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場場H1，使置于此磁場中的金屬導，使置于此磁場中的金屬導體中感應電渦流體中感應電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的又產(chǎn)生新的交變磁場交變磁場H2。根據(jù)楞次定律，。根據(jù)楞次定律， H2的作用將反抗原磁場的作用將反抗原磁場H1，由于磁，由于磁場場H2的作用，渦流要消耗

13、一部分的作用，渦流要消耗一部分能量，導致傳感器線圈的等效阻能量，導致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。由上可知，抗發(fā)生變化。由上可知， 線圈阻線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應。體的電渦流效應。. .電渦流效應既與被測體的電阻率、磁導率以及幾何形狀有關(guān)， 還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f有關(guān)，同時還與線圈與導體間的距離x有關(guān)。因此，傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為 Z=F(,r,f,x) 式中, r為線圈與被測體的尺寸因子。 如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)， 傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感

14、器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。二、電渦流形成范圍二、電渦流形成范圍 1. 電渦流的徑向形成范圍電渦流的徑向形成范圍1.00.80.60.40.2Jr /J0r/ras32101233r/ras2hxriraras11電 渦 流 線 圈 ； 2等 效 短 路 環(huán) ； 3電 渦 流 密 度 分 布 線圈導體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導體間距離x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向r的函數(shù)。當x一定時，電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線如圖所示。J0為金屬導體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值。Jr為半徑r處的金屬導體表面電渦流密度）。由圖可知： 電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線

15、圈外徑ras的1.82.5倍范圍內(nèi)，且分布不均勻。 電渦流密度在ri=0處為零。 電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)。 可以用一個平均半徑為的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。 2aiasasrrrr 2. 電渦流強度與距離的關(guān)系電渦流強度與距離的關(guān)系 理論分析和實驗都已證明，當x改變時，電渦流密度也發(fā)生變化，即電渦流強度隨距離x的變化而變化。根據(jù)線圈導體系統(tǒng)的電磁作用， 可以得到金屬導體表面的電渦流強度為 22121asrxxII式中： I1線圈激勵電流； I2金屬導體中等效電流； x線圈到金屬導體表面距離； ras線圈外徑。 以上分析表明： 電渦流強度與距離x呈非線

16、性關(guān)系，且隨著x/ras的增加而迅速減小。 當利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。 所謂貫穿深度是指把電渦流強度減小到表面強度的所謂貫穿深度是指把電渦流強度減小到表面強度的1/e處的表處的表面厚度。由于電磁場不能穿過導體的無限厚度，面厚度。由于電磁場不能穿過導體的無限厚度， 僅作用于表面僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)，并且導體中產(chǎn)生的電渦流強度是隨薄層和一定的徑向范圍內(nèi)，并且導體中產(chǎn)生的電渦流強度是隨導體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降的。其按指數(shù)衰減分布規(guī)律可導體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降的。其按指數(shù)衰減分布規(guī)律可用下

17、式表示：用下式表示： hddeJJ/0 3. 電渦流的軸向貫穿深度電渦流的軸向貫穿深度式中：式中：d金屬導體中某一點與表面的距離；金屬導體中某一點與表面的距離； Jd沿沿H1軸向軸向d處的電渦流密度；處的電渦流密度； J0金屬導體表面電渦流密度，金屬導體表面電渦流密度， 即電渦流密度最大值；即電渦流密度最大值； h電渦流軸向貫穿的深度（趨膚深度）。電渦流軸向貫穿的深度（趨膚深度）。三、電渦流傳感器等效電路三、電渦流傳感器等效電路0111111ILjIRIMjUIMjILjIR線圈激磁電流角頻率； R1、L1線圈電阻和電感； M互感系數(shù)。 解得等效阻抗Z的表達式為 eqeqLjRLLRMLjRL

18、RMRIUZ12122122121221221式中：Req線圈受電渦流影響后的等效電阻 12122122RLRMRReqLeq線圈受電渦流影響后的等效電感 12122122LLRMLLeq線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為 eqeqRLQ四、電渦流傳感器測量電路四、電渦流傳感器測量電路1. 調(diào)頻式電路調(diào)頻式電路頻 率 計f-V電 壓 表振蕩器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f圖4-28 調(diào)頻式測量電路 (a) 測量電路框圖； (b) 振蕩電路 傳感器線圈接入LC振蕩回路，當傳感器與被測導體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x), 該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過f-V變換，用數(shù)字電壓表測量對應的電壓。 振蕩器電路如圖(b)所示。它由克拉潑電容三點式振蕩器(C2、C3、L、C和1)以及射極輸出電路兩部分組成