1、8 电感式传感器,第一节 自感式传感器 第二节 互感式传感器 第三节 电涡流式传感器 第四节 压磁式传感器,8 电感式传感器,电感传感器的优点： （1）结构简单、可靠、测量压力小、寿命长； （2）分辨率高(位移变化，0.01m，角度变化0.1O)； （3）重复性好，线性度优良（非线性误差可达0.05%0.1%）； （4）输出信号强，不经放大的输出电压可达几十到几百毫伏。 缺点：存在交流零位信号，不适于高频动态信号测量。,第一节 自感式传感器,一、工作原理,第一节 自感式传感器,二、电感计算及特性分析 1气隙型传感器,第一节 自感式传感器,第一节 自感式传感器,可采用线性特性方程,通过上面的式子
2、，可计算给定的非线性误差下最大的相对量程 实际上，高次项是造成非线性的主要原因。当/0越小时，则高次项迅速减小，非线性得到改善。所以电感式传感器用于测量微小位移量是比较精确的(毫米级以下)。,第一节 自感式传感器,为了减小非线性，可以利用两只完全对称的单个电感传感器合用一个活动衔铁，这样可构成差动式电感传感器，如差动式气隙电感传感器、差动螺管电感传感器等。其测量电路可使用非平衡电桥。,第一节 自感式传感器,2螺管型电感传感器,差动螺管式电感传感器的电感相对变化量为,第一节 自感式传感器,气隙式传感器的灵敏度较大，对电路的放大倍数要求低，但非线性严重，示值范围较小，一般用于微小位移的测量；而螺管
3、型传感器的灵敏度较小，但线性范围较大，可用于较大位移的测量。 螺管式电感传感器的特点： (1) 结构简单，制造装配容易 (2) 由于空气隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大 (3) 由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰 (4) 由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大 (5)要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和确定性。,第一节 自感式传感器,三、转换电路和传感器灵敏度 （一）转换电路 主要有调幅、调频、调相电路 1.交流电桥,第一节 自感式传感器,(1)当Q值很高时，有,对气隙式差动传感器有,对螺管型差动传感器有,第一节 自感式传感器,（2）
4、当Q值很低时电感线圈的电感远小于电阻，电感线圈相当于纯电阻的情况，交流电桥即为电阻电桥。此时输出电压为,这种电桥结构简单，其电阻可用两个电阻和一个电位器组成，调零方便。,第一节 自感式传感器,2.变压器电桥,双臂工作时，若Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，可得,若Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，可得,变压器电桥与电阻平衡臂电桥相比，元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；缺点是变压器副边不接地，容易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。,第一节 自感式传感器,3.调频电路,4.调相电路,具有严重的非线性误差，只有在f较大时才能达到较高的精度,第一节 自感式传感器,（二）传感器灵敏度自感传
5、感器的灵敏度是指传感器结构（测头）和转换电路综合在一起的总灵敏度。传感器结构的灵敏度，即电感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比,转换电路的灵敏度，即空载输出电压与电感相对变化之比,第一节 自感式传感器,传感器的灵敏度为,在工厂生产中测定的传感器的灵敏度是把传感器接入转换电路后进行的，其单位为mv/(mV)。,第一节 自感式传感器,四、影响传感器精度的因素分析 1.电源电压和频率的波动影响电源电压的波动一般允许为5%10%。 严格对称的交流电桥是能够补偿频率波动影响的 2. 温度变化的影响为了补偿温度变化的影响，在结构设计时要合理选择零件的材料（注意各种材料的膨胀系数之间的配合），在制造和装
6、配工艺上应使差动式传感器的两只线圈的电气参数（电阻、电感、匝数）和几何尺寸尽可能取得一致。这样可以在对称电桥电路中能有效地补偿温度的影响。 3. 非线性特性的影响除了采用差动式结构之外，还必须限制衔铁的最大位移量,对于变气隙的电感传感器，一般取=（0.10.2）0,第一节 自感式传感器,4.输出电压与电源电压之间的相差 采用相敏整流电路，以及传感器应有高Q值，一般Q值应不低于34 5.电桥的残余不平衡电压零点残余电压 零点残余电压产生的原因有：(1)差动式两个电感线圈的电气参数以及导磁体的几何尺寸不可能完全对称；(2)传感器具有铁损即磁芯磁化曲线的非线性；(3)电源电压中含有高次谐波；(4)线
7、圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁芯间有分布电容；零点残余电压的危害很大，会降低测量精度，削弱分辨力，易使放大器饱和。,第一节 自感式传感器,减小零点残余电压的措施是减少电源中的谐波成分，减小电感传感器的激磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段。 为了消除电桥的零点残余电压，在差动电感电桥的电路中通常再接入两只可调电位器，当电压有零点残余电压时，可以反复调节两只电位器，使电桥实现平衡。,第一节 自感式传感器,五、自感式传感器的应用,第二节 差动变压器,将被测量转换为传感器的互感变化量的传感器称为互感传感器 一、工作原理,设,则,又,因此,第二节 差动变压器,二、互感计算与特性分析,当铁芯位于线圈中心位
8、置时,U1=U2,UO=0;当次级开路时，初级线圈的交流电流为,次级线圈感应电势为,第二节 差动变压器,差动变压器的空载输出电压为,其幅值为,输出阻抗为,第二节 差动变压器,(1)磁芯处于中间平衡位置时 Ma=Mb=M UO=0 (2)磁芯上升时 Ma=M+M,Mb=M-M,(3)磁芯下降时 Ma=M-M,Mb=M +M,输出电压还可以写成,第二节 差动变压器,螺管型差动变压器,假设：(1)漏磁全部在动铁芯范围内，并忽略铁芯端部效应(2)忽略动铁芯及外层铁磁壳上的磁阻(3) 设动铁芯外径近似为ri(4)铁芯及磁屏蔽的磁导率为无穷大,第二节 差动变压器,如果用恒压流供电，其线性度可以改善，此时有
9、,第二节 差动变压器,提高差动变压器的灵敏度的途径： (1)提高线圈的Q值，为此可增大差动变压器的尺寸。一般线圈长度为直径的1.5-2.0倍为恰当。 (2)选择较高的激励频率 (3)增大铁芯直径，使其接近于线圈架内径，但不触及线圈架。二节式差动变压器的铁芯长度为全长的60%-80%。铁芯采用导磁率高，铁损小，涡流损耗小的材料 (4)在不使线圈过热的条件下尽量提高激励电压。,第二节 差动变压器,三、转换电路 1反串电路,2桥路,灵敏度只有反串电路的一半，但可利用RP进行电调零，不再需要另外配置调零电路。由于差动变压器的输出电压为交流，用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的
10、方向。测量值必定含有零点残余电压。,第二节 差动变压器,3差动整流电路,4相敏检波电路,若铁芯上移，e0,设e和er同相，由于ere，故er正半周时，D1、D2导通，D3、D4截止，D1回路内总电势为er+e/2，而D2回路内的总电势为er-e/2，故回路电流i1i2，输出电压UCD=R0（i1-i2）0。 er负半周时，D1、D2截止，D3、D4导通，D3回路内总电势为er-e/2，而D4回路内的总电势为er+e/2，故回路电流i4i3，输出电压UCD=R0（i4-i3）0。因此铁芯上移时输出电压UCD0。 类似地，当铁芯下移时，e和er反相，同理可得UCD0。 由此可见，该电路能判别铁芯移
11、动的方向。,第二节 差动变压器,四、零点残余电压的补偿 产生零点残余电压的主要原因： （1）两个绕组不能绝对对称。 （2）铁芯的磁化曲线的非线性。 消除零点残余电压的方法： 1保证对称性 2选用合适的测量线 3用补偿线路,第二节 差动变压器,五、应用举例差动变压器式加速度传感器。用于测定振动物体的频率和振幅时其激励频率必须是振动频率的十倍以上，这样可以得到精确的测量结果。可测量的振幅范围为0.1-5mm，振动频率一般为0-150Hz。,第三节 电涡流式传感器,涡流效应 :金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称为电涡流或涡流。这种现象就称为
12、涡流效应。 涡流式传感器的最大特点是能对位移、厚度、表面温度、电解质浓度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响等特点，所以应用极其广泛。,第三节 电涡流式传感器,涡流穿透深度与传感器线圈的激励信号频率有关,电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类 目前高频反射式应用广泛。,第三节 电涡流式传感器,一、工作原理高频反射式电涡流传感器的主要元件是一只固定于框架上的扁平圆形线圈。它一般与一个电容并联，构成一并联谐振回路。当被测导体靠近传感器时 ,就产生了与此磁场相交链的电涡流 ,它们造成交变磁场能量的损失。能量的
13、损耗，使传感器的等效阻抗Z、等效电感L和品质因素Q值变化。因此当被测物与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗z，电感L发生变化，于是将位移量转换成电量。,第三节 电涡流式传感器,二、等效电路,第三节 电涡流式传感器,第三节 电涡流式传感器,三、转换电路现在电涡流传感器常用的测量电路有调幅电路，调频电路，电桥电路和反馈放大电路几种。而调幅电路又可分成恒定频率的载波调幅电路和频率变化载波调幅电路两种。 1.反馈放大电路,第三节 电涡流式传感器的应用,(1) 以位移为基本量的机械参数的测量，如位移、厚度、尺寸、振动、压力、转速等，也可做成接近开关、计数器等 (2) 以被测物体材料的电阻率为
14、基本量的物理量性质参数的测量，如电导率、温度等，可做成测量温度、材质判别等传感器 (3) 以被测物体的导磁率为基本量的测量，如磁导率、硬度、压力等，可以做成测量应力、硬度等传感器 (4) 利用上述三种量的综合影响，可以做成探伤装置。,第三节 电涡流式传感器,四、应用 1、位移测量,2、振幅测量,3、转速测量,4、涡流膜厚测量,第四节 压磁式传感器,一、压磁效应铁磁材料在外力的作用下，材料的磁化强度会发生相应的变化。这种应力使铁磁材料的磁性质变化的现象，称为压磁效应。,第四节 压磁式传感器,二、工作原理铁磁材料在受外力时，内部产生应力，引起磁导率变化。当铁磁材料上绕有线圈时，将引起线圈阻抗的变化
15、。当铁磁材料上同时绕有激励绕组和输出绕组时，磁导率的变化将导致绕组间耦合系数的变化，从而使输出电势变化。这样就把作用力变换成电量输出。,第四节 压磁式传感器,三、结构举例,第四节 压磁式传感器,四、压磁元件 1材料硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。 2冲片形状 （a）适用于测量5105N以下的力，设计应力约为(2.54)103N/cm2。 （b）可测量3106N以下的力，设计应力(710)103N/cm2。 （c）灵敏度高，但零电流也大。设计应力(2.53)103N/cm2。 （d）结构稍复杂，但灵敏度高，线性好。适用于测量5105N以下的力，设计应力(1015)103N/cm2。,第四节 压磁式
16、传感器,3激励安匝数 压磁元件输出电压的灵敏度和线性度在很大程序上决定于铁磁材料的磁场强度，而磁场强度取决于激励安匝数。,第四节 压磁式传感器测量电路,图中U为稳定的交流电源，T1为供给压磁元件B的激励绕组的激励电压的降压变压器。T2为升压变压器，其作用是为了把从压磁元件B输出的电压提高到可作为有效的线性整流用的高度。A部分是补偿电路。它用于补偿零电压，其中RP1用来调整电压幅值，RP2用来调电压相位。从变压器T2输出电压和在R1上的补偿电压叠加后，通过滤波器F1滤去高次谐波，再经V整流，然后用滤波器F2消除纹波，最后以直流输出电压供电表P或负载RL。,第四节 压磁式传感器,六、压磁式传感器的应用压磁元件是力/电变换元件，因此压磁式传感器最直接的应用是做测力传感器，也可测量其它能转换为力的物理量。压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构与电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等优点。尽管它的测量精度不高（误差约为1%），反应速度低，但由于上述优点，尤其是寿命长，对使用条件不高这两条，很适合在重工业、化学工业等部门应用。,
