傳感器與檢測技術(shù)電感式傳感器課件

第3章電感式傳感器3.1自感式傳感器3.2變壓器式傳感器3.3渦流式傳感器3.4壓磁式傳感器3.5感應同步器本章要點下頁返回電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置。可以用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩、應變等多種物理量。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時。一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有線圈繞組。圖庫3.1自感式傳感器

3.1.1自感式傳感器的工作原理3.1.2靈敏度與非線性3.1.3等效電路3.1.4轉(zhuǎn)換電路3.1.5零點殘余電壓3.1.6自感式傳感器的特點及應用

下頁上頁返回圖庫3.1.1自感式傳感器的工作原理

電感值與以下幾個參數(shù)有關(guān)：與線圈匝數(shù)w平方成正比；與空氣隙有效截面積S0成正比；與空氣隙長度l0所反比。

圖3-l自感式傳感器原理圖圖3-2截面型自感式傳感器B為動鐵芯(通稱銜鐵)A為固定鐵芯圖3-3差動自感式傳感器下頁上頁返回圖庫3.1.1自感式傳感器的工作原理下頁上頁返回圖庫3.1.1自感式傳感器的工作原理

下頁上頁返回圖庫3.1.2靈敏度與非線性氣隙型其靈敏度為：差動式傳感器其靈敏度：

以上結(jié)論在滿足Δl/l0＜＜1時成立。從提高靈敏度的角度看，初始空氣隙l0距離人應盡量小。其結(jié)果是被測量的范圍也變小。同時，靈敏度的非線性也將增加。如采用增大空氣隙等效截面積和增加線圈匝數(shù)的方法來提高靈敏度，則必將增大傳感器的幾何尺寸和重量。這些矛盾在設(shè)計傳感器時應適當考慮。與截面型自感傳感器相比，氣隙型的靈敏度較高。但其非線性嚴重，自由行程小，制造裝配困難。因此近年來這種類型的使用逐漸減少。差動式傳感器其靈敏度與單極式比較。其靈敏度提高一倍，非線性大大減小。下頁上頁返回圖庫3.1.4轉(zhuǎn)換電路

自感式傳感器實現(xiàn)了把被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼辛康淖兓?。為了測出電感量的變化，同時也為了送入下級電路進行放大和處理。就要用轉(zhuǎn)換電路把電感變化轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)變化。把傳感器電感接入不同的轉(zhuǎn)換電路后，原則上可將電感變化轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)的幅值、頻率、相位的變化，它們分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。

下頁上頁返回圖庫3.1.4轉(zhuǎn)換電路一、調(diào)幅電路

調(diào)幅電路的一種主要形式是交流電橋。圖3-5(a)所示為交流電橋的一般形式。橋臂Zi可以是電阻、電抗或阻抗元件。當空載時，其輸出稱為開路輸出電壓，表達式如下。式中U為電源電壓。圖3-5交流電橋的一般形式及等效電路(a)電阻平衡臂電橋(b)變壓器電橋圖3-6交流電橋的兩種實用形式圖3-7諧振式調(diào)幅電路下頁上頁返回圖庫3.1.4轉(zhuǎn)換電路二、調(diào)頻電路調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率f的變化。一般是把傳感器電感L和一個固定電容C接入一個振蕩回路中，如圖3-8(a)所示。當L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)的f大小即可測出被測量值。當L有了微小變化ΔL后，頻率變化Δf為圖3-8調(diào)頻電路下頁上頁返回圖庫3.1.4轉(zhuǎn)換電路在這種情況下，當L有微小變化ΔL后，輸出電壓相位變化Δφ為下頁上頁返回圖庫3.1.5零點殘余電壓

它表現(xiàn)在電橋預平衡時，無法實現(xiàn)平衡，最后總要存在著某個輸出值ΔU0，這稱為零點殘余電壓，如圖3一10所示。圖3-10U0-l特性下頁上頁返回圖庫3.1.6自感式傳感器的特點以及應用自感式傳感器有如下幾個特點：①靈敏度比較好，目前可測0.1μm的直線位移，輸出信號比較大、信噪比較好；②測量范圍比較小，適用于測量較小位移；③存在非線性；④消耗功率較大，尤其是單極式電感傳感器，這是由于它有較大的電磁吸力的緣故；⑤工藝要求不高，加工容易。圖3-11測氣體壓力的電感傳感器圖3-12壓差傳感器下頁上頁返回圖庫3.2.1工作原理

變壓器式傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換為線圈間互感M的一種磁電機構(gòu)，很象變壓器的工作原理，因此常稱變壓器式傳感器。這種傳感器多采用差動形式。圖3-13所示為典型結(jié)構(gòu)原理。其中：A、B為兩個山字形固定鐵芯，在其窗中各繞有兩個線圈，W1a及W1b為一次繞組，W2a及W2b為二次繞組；C為銜鐵。圖3-14所示為改變氣隙有效截面積型差動變壓器式傳感器。圖3-13氣隙型差動變壓器式傳感器圖3-14截面積型差動變壓器式傳感器下頁上頁返回圖庫3.2.2等效電路及特性圖3-15差動變壓器式傳感器等效電路圖3-16輸出信號的幅頻、相頻特性曲線下頁上頁返回圖庫3.2.3差動變壓器式傳感器的測量電路差分變壓器隨銜鐵的位移輸出一個調(diào)幅波，因而用電壓表來測量存在下述問題：①總有零位電壓輸出，因而零位附近的小位移量困難。②交流電壓表無法判別銜鐵移動方向，為此常采用必要的測量電路來解決。一、相敏檢測電路二、差動整流電路

圖3-17差動變壓器動態(tài)測量時的波形圖3-19相敏檢波前后的輸出特性曲線圖3-20差分整流電路(a)全波電流輸出，(b)半波電流輸出(c)全波電壓輸出,(d)半波電壓輸出圖3-21全波整流電壓輸出電路的輸出波形

下頁上頁返回圖庫3.2.4零點殘余電壓的補償

與電感傳感器相似，差分變壓器也存在零點殘余電壓問題。零點殘余電壓的存在使得傳感器的特性曲線不通過原點，并使實際特性不同于理想特性。

圖3-22補償零點殘余電壓的電路下頁上頁返回圖庫3.2.5變壓器式傳感器的應用舉例

與電感傳感器相似，差分變壓器也存在零點殘余電壓問題。零點殘余電壓的存在使得傳感器的特性曲線不通過原點，并使實際特性不同于理想特性。

圖3-23差動變壓器式位移傳感器圖3-24差動變壓器式壓力傳感器圖3-25微壓傳感器圖3-26加速度傳感器

下頁上頁返回圖庫3.3渦流式傳感器3.3.1工作原理3.3.2轉(zhuǎn)換電路3.3.3渦流式傳感器的特性及應用下頁上頁返回圖庫3.3.2轉(zhuǎn)換電路

由渦流式傳感器的工作原理可知，被測量數(shù)變化可以轉(zhuǎn)換成傳感器線圈的品質(zhì)因素Q、等效阻抗Z和等效電感L的變化。轉(zhuǎn)換電路的任務是把這些種參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出?？偟膩碚f，利用Q值的轉(zhuǎn)換電路使用較少，這里不作討論。利用z的轉(zhuǎn)換電路一般用橋路，它屬于調(diào)幅電路。利用L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路，根據(jù)輸出是電壓幅值還是電壓頻率，諧振電路又分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種。下頁上頁返回圖庫3.3.2轉(zhuǎn)換電路一、橋路二、諧振調(diào)幅電路三、諧振調(diào)頻電路

圖3-28渦流式傳感器電橋圖3-29諧振調(diào)幅電路圖3-30諧振調(diào)幅電路特性圖3-31調(diào)頻電路原理圖下頁上頁返回圖庫3.3.3渦流式傳感器的特性及應用

渦流式傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單、易于進行非接觸的連續(xù)測量，靈敏度較高，適用性強，因此得到了廣泛的應用。圖3-32低頻透射渦流測厚儀原理圖3-33不同頻率下的e=f(h)曲線圖3-34軌跡儀原理結(jié)構(gòu)下頁上頁返回圖庫3.4.1工作原理

某些鐵磁物質(zhì)在外界機械力的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機械應力，從而引起磁導率的改變，這種現(xiàn)象稱為“壓磁效應”。相反，某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場的作用下會產(chǎn)生變形，有些伸長，有些則壓縮，這種現(xiàn)象稱為“磁致伸縮”。當某些材料受拉時，在受力方向上的磁導率增高，而在與作用力相垂直的方向上磁導率降低，這種現(xiàn)象稱為正磁致伸縮；與此相反的稱為負磁致伸縮。下頁上頁返回圖庫3.4.1工作原理鐵磁材料的壓磁應變靈敏度表示方法與應變靈敏度系數(shù)表示方法相似。式中εμ=Δμ/μ--磁導率的相對變化；εl=Δl/l--在機械力的作用下鐵磁物質(zhì)的相對變形。壓磁應力靈敏度同樣定義為：單位機械應力б所引起的磁導率相對變化εμ=Δμ/μ，即利用上述介紹的關(guān)系可以做成壓磁傳感器。下頁上頁返回圖庫3.4.2結(jié)構(gòu)形式

一、利用一個方向磁導率的變化二、利用兩個方向上磁導率的改變?nèi)?、維捷曼效應圖3-35壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式之一圖3-36壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式之二圖3-37利用"維捷曼"效應進行測量的原理圖下頁上頁返回圖庫3.5感應同步器3.5.1工作原理3.5.2類型與結(jié)構(gòu)3.5.3輸出信號的測量方法3.5.4誤差分析下頁上頁返回圖庫3.5.1工作原理感應同步器是應用電磁感應原理來測量直線位移或轉(zhuǎn)角位移的一種器件。測量直線位移的稱為直線感應同步器，測量轉(zhuǎn)角位移的稱為圓感應同步器。感應同步器是根據(jù)兩個平面形繞組的互感隨位置而變化的原理制造的。直線感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成，而圓感應同步器由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。在定尺和滑尺、轉(zhuǎn)子和定子上制有印刷電路繞組，其截面結(jié)構(gòu)如圖3-38所示。工作時利用繞組間其相對位置變化而產(chǎn)生的電磁耦合作用發(fā)出相應于位移或轉(zhuǎn)角的信號，從而達到測量目的。

圖3-38定尺和滑尺印刷電路截面結(jié)構(gòu)圖3-39定尺和滑尺繞組分布示意圖下頁上頁返回圖庫3.5.2類型與結(jié)構(gòu)一、長形感應同步器,又稱為直線感應同步器,它可分為標準型及窄型兩種。二、圓形感應同步器，又稱為旋轉(zhuǎn)型感應同步器三、繞組結(jié)構(gòu)圖3-40標準型直線感應同步器的外型尺寸圖3-41窄型直線感應同步器的外型尺寸圖3-42圓形感應同步器的外型尺寸圖3-43定尺、滑尺繞組示意圖下頁上頁返回圖庫3.5.3輸出信號的測量方法

感應同步器的輸出信號是一個能反映其定片與動片相對位移的交變電勢，因而對輸出信號的處理的本質(zhì)是對交變電勢的檢測。就其特性而言，可用其幅值和相位兩個物理參量來描述。對于由感應同步器組成的檢測系統(tǒng)，可以采取不同的勵磁方式。并對輸出信號有不同的處理方法。從勵磁方式來說，可分類兩大類：一類是以滑尺(或定子)勵磁，由定尺(或轉(zhuǎn)子)取出感應電勢信號；另一類以定尺為勵磁，由滑尺取出感應電勢信號。目前用的最多的是第一類勵磁方式。對輸出感應電勢信號可采取不同的處理方法來達到測量目的，一般分為鑒幅型和鑒相型兩種檢測系統(tǒng)。

圖3-44函數(shù)變壓器抽頭方法下頁上頁返回圖庫3.5.4誤差分析

感應同步器的誤差由多種因素造成的，有電磁作用的因素，如繞組自感的存在，繞組端部連線的單匝耦合、各種連線的影響等等，還有器件制造精度、安裝誤差、工作環(huán)境的變化等因素都會引起測量誤差。一、零位誤差二、細分誤差三、環(huán)境溫度的影響下頁上頁返回圖庫第3章本章要點自感式傳感器自感式傳感器的工作原理靈敏度與非線性差動式傳感器其靈敏度等效電路轉(zhuǎn)換電路1.調(diào)幅電路(圖3-7)2.調(diào)頻電路(圖3-8)3.調(diào)相電路(圖3-9)下頁上頁返回圖