電感式傳感器

1、1.31.3電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量的。的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量的。因此根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩因此根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。大類。 3.1.1自感式電感傳感器自感式電感傳感器 自感式電感傳感器可分為變間隙型、變面積型和螺管型三自感式電感傳感器可分為變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。種類型。a)氣隙型 b)截面型 c)螺管型自感式傳感器原理圖自感式傳感器

2、原理圖(xLU I位移、流量、振動）（自感）（ ）原理：原理：結(jié)構(gòu)形式：結(jié)構(gòu)形式：變間隙式、變面積式和螺管式。變間隙式、變面積式和螺管式。2202mNANLRL ，AL=f(A)L=f()電感傳感器特性 由公式可以看出，空氣隙由公式可以看出，空氣隙厚度厚度與線圈自感與線圈自感L是非線性是非線性關(guān)系，磁通面積關(guān)系，磁通面積A與與L是線性是線性關(guān)系，見曲線圖。關(guān)系，見曲線圖。線圈自感量為：線圈自感量為： N：電感線圈的匝數(shù)；電感線圈的匝數(shù)；0：空氣的磁導(dǎo)率；空氣的磁導(dǎo)率；：空氣隙厚度；空氣隙厚度； A：和面積。和面積。一、變間隙型電感傳感器一、變間隙型電感傳感器 變間隙型電感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖

3、所示。傳感器由線變間隙型電感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成。工作時銜鐵與被測物體連接，被測物圈、鐵心和銜鐵組成。工作時銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移將引起空氣隙的長度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變體的位移將引起空氣隙的長度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變化，導(dǎo)致了線圈電感量的變化?；瑢?dǎo)致了線圈電感量的變化。線圈線圈鐵心鐵心銜鐵銜鐵 由變氣隙型電感傳感器可知，氣由變氣隙型電感傳感器可知，氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對而言覆蓋面積隨被測量的變化面改而言覆蓋面積隨被測量的變化面改變，從而導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變變，從而導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，這種

4、形式稱之為變面積型電感化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖。傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖。 通過對公式式分析可知，線圈電通過對公式式分析可知，線圈電感量感量L L與氣隙厚度是非線性的，但與與氣隙厚度是非線性的，但與磁通截面積磁通截面積A A卻是成正比，是一種線卻是成正比，是一種線性關(guān)系。性關(guān)系。二、變面積型電感傳感器二、變面積型電感傳感器 三、螺管型電感式傳感器三、螺管型電感式傳感器 圖為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的圖為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生

5、變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。圈的深度有關(guān)。 螺管式電感傳感器螺管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著建立在磁路磁阻隨著銜鐵插入深度不同而銜鐵插入深度不同而變化的基礎(chǔ)上。變化的基礎(chǔ)上。mxRLL(x) 關(guān)系式：關(guān)系式： 2021 (1)crrxL xLrl（ ） 通過以上三種形式的電感式傳感器的分析通過以上三種形式的電感式傳感器的分析, ,可以得出以下可以得出以下幾點結(jié)論幾點結(jié)論: : I. 變間隙型靈敏度較高變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大但非線性誤差較大,且制作裝配比且制作裝配比較困難。較困難。 I

6、I. 變面積型靈敏度較前者小變面積型靈敏度較前者小,但線性較好但線性較好,量程較大量程較大,使用比使用比較廣泛。較廣泛。 III. 螺管型靈敏度較低螺管型靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu)簡單易于制作和批但量程大且結(jié)構(gòu)簡單易于制作和批量生產(chǎn)量生產(chǎn),是使用最廣泛的一種電感式傳感器。是使用最廣泛的一種電感式傳感器。四、差動式電感傳感器四、差動式電感傳感器 在實際使用中在實際使用中, ,常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵, ,構(gòu)構(gòu)成差動式電感傳感器成差動式電感傳感器, ,這樣可以提高傳感器的靈敏度這樣可以提高傳感器的靈敏度, ,減小測量減小測量誤差。圖是變間隙型、變面積

7、型及螺管型三種類型的差動式電誤差。圖是變間隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式電感傳感器。感傳感器。 差動式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩個導(dǎo)磁體的幾何尺寸及材料差動式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩個導(dǎo)磁體的幾何尺寸及材料完全相同，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。完全相同，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。 差動式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、差動式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等影響，也可以進行補償，從而減少了外界影響電源頻率變化等影響，也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差。造成的誤差。 五、測量電路五、測量電路 交流電橋是電感式傳感器的主

8、要測量電路交流電橋是電感式傳感器的主要測量電路，它的作用是將線，它的作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。 前面已提到差動式結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度，改善線性，所以交前面已提到差動式結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。通常將傳感器作為電橋的兩個流電橋也多采用雙臂工作形式。通常將傳感器作為電橋的兩個工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的二次工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的二次側(cè)繞組或緊耦合電感線圈。圖是交流電橋的幾種常用形式。側(cè)繞組或緊耦合電感線圈。圖是交流電橋的幾種常用形式。 1、電

9、阻平衡臂電橋、電阻平衡臂電橋 電阻平衡臂電橋如圖所示。電阻平衡臂電橋如圖所示。Z Z1、Z Z2為傳感器阻抗。為傳感器阻抗。 在電橋平衡時：在電橋平衡時：332244 XXRRRRLLRR；12RRR在進行差動形式測量時：在進行差動形式測量時：靜態(tài)情況下：靜態(tài)情況下：工作時：工作時：2 XZZZZZZ，2XXZZRj L當當 時，輸出電壓可近似為：時，輸出電壓可近似為： XLR02ULUL 由上式可以看出：交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感由上式可以看出：交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對變化量是成正比的。的相對變化量是成正比的。2 2、變壓器式電橋變壓器式電橋 變壓器式電橋如圖所示，它

10、的平衡變壓器式電橋如圖所示，它的平衡臂為變壓器的兩個二次側(cè)繞組，臂為變壓器的兩個二次側(cè)繞組，由于由于是雙臂工作形式當銜鐵下移時，是雙臂工作形式當銜鐵下移時， Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，則有：則有：02UZUZ同理，當銜鐵上移時，則有：同理，當銜鐵上移時，則有：02UZUZ 可見，輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，由于是交流可見，輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，由于是交流信號，還要經(jīng)過適當電路處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。信號，還要經(jīng)過適當電路處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。1.3.2互感式傳感器（互感式傳感器（差動變壓器）差動變壓器） 一、工作原理分析一、工作原理分析 差動變壓器

11、的工作原理類似變壓器差動變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。這種類型的的作用原理。這種類型的傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等。一、二次繞傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以移改變而變化。由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。圖為差動變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。器，通常簡稱差動變壓器

12、。圖為差動變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。 差動變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗差動變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響），它的等效電路如下圖所示。圖中和分布電容等影響），它的等效電路如下圖所示。圖中U1為為一次繞組激勵電壓；一次繞組激勵電壓；M1、M2分別為一次繞組與兩個二次繞分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感：組間的互感：L1、R1分別為一次繞組的電感和有效電阻；分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個二次繞組的電感；分別為兩個二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個分別為兩個二次繞組的有交電阻。二次繞組的有交電阻。 對于差動變壓器，對于差動變

13、壓器，當銜鐵處于中間位置時當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組，兩個二次繞組互相同，因而由一次側(cè)激勵引起的感應(yīng)電動勢相同。由于兩互相同，因而由一次側(cè)激勵引起的感應(yīng)電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，所以個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零差動輸出電動勢為零。 當銜鐵移向二次繞組當銜鐵移向二次繞組L21一邊一邊，這時互感，這時互感M1大，大，M2小，因小，因而二次繞組而二次繞組L21內(nèi)感應(yīng)電動勢大于二次繞組內(nèi)感應(yīng)電動勢大于二次繞組L22內(nèi)感應(yīng)電動勢，內(nèi)感應(yīng)電動勢，這這時差動輸出電動勢不為零時差動輸出電動勢不為零。在傳感器的是量程內(nèi)，。在傳感器的是量程內(nèi)，銜動移銜動移越大，差動輸出電動勢就越

14、大越大，差動輸出電動勢就越大。 同樣道理，當銜鐵向二次繞組同樣道理，當銜鐵向二次繞組L22一邊移動差動輸出電動一邊移動差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向位移量的大小和方向。 1111UIRj L11212212 ; Uj M IUj M I 由上圖可以看出一次繞組的電流：由上圖可以看出一次繞組的電流： 二次繞組的感應(yīng)動勢為：二次繞組的感應(yīng)動勢為： 12211211mMNINNR22 22121

15、2mMNIN N RN1、N2分別為初級線圈和次級線圈匝數(shù)。分別為初級線圈和次級線圈匝數(shù)。1222122111()jMMUUUURj L 由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為：由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為：12212211()()MMUURL其幅其幅值為：值為：二、輸出特性二、輸出特性 差動變壓器的輸出特性曲線如圖所示差動變壓器的輸出特性曲線如圖所示.圖中圖中U21、U22分別為兩分別為兩個二次繞組的輸出感應(yīng)電動勢，個二次繞組的輸出感應(yīng)電動勢，U2 為差動輸出電動勢為差動輸出電動勢X為銜鐵為銜鐵偏離中心位置的距離。其中偏離中心位置的距離。其中U2的實線為理想的輸出特性的實線為理

16、想的輸出特性，而，而虛虛線部分為實際的輸出特性線部分為實際的輸出特性。U0為零點殘余電動勢，這是由于差為零點殘余電動勢，這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所贊成的。動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所贊成的。 零點殘余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近零點殘余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動變壓器性能不靈敏，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。好壞的重要指標。 三、測量電路三、測量電路( (差動整流電路差動整流電路) 根據(jù)半導(dǎo)體二級管單向?qū)Ц鶕?jù)半導(dǎo)體二級管單向?qū)ㄔ磉M行解調(diào)的。如傳感通原理進行解調(diào)的。如傳感器的一個次級線圈的輸出瞬器的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性，在時電壓極性，在f點為點為“”，e點為點