《自感式传感器》PPT课件

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1、第 6章 电 感 式 传 感 器 电 感 式 传 感 器 是 建 立 在 电 磁 感 应 基 础 上 ， 利 用线 圈 自 感 或 互 感 的 改 变 来 实 现 测 量 的 一 种 装 置 。 它可 对 直 线 位 移 和 角 位 移 进 行 直 接 测 量 ， 也 可 通 过 一定 的 敏 感 元 件 把 振 动 、 压 力 、 应 变 、 流 量 等 转 换 成位 移 量 而 进 行 测 量 。 通 常 可 由 下 列 方 法 使 线 圈 的 电感 变 化 ： (1)改 变 几 何 形 状 ； (2)改 变 磁 路 的 磁 阻 ； (3)改 变 磁 芯 材 料 的 导 磁 率 ； (4)

2、改 变 一 组 线 圈 的 两 部 分 或 几 部 分 间 的 耦 合 度 。 电 感 式 传 感 器 分 类 :电 感 式 传 感 器 涡 流 式自 感 型互 感 型压 磁 式 传 感 器 可 变 磁 阻 型差 动 变 压 器感 应 同 步 器 电 感 式 传 感 器 的 优 点 ： 1.结 构 简 单 。 工 作 中 没 有 活 动 电 接 触 点 ， 因而 比 电 位 器 工 作 可 靠 ， 寿 命 长 。 2.灵 敏 度 高 ， 分 辨 力 大 。 能 测 出 0.1mm 甚 至更 小 的 机 械 位 移 变 化 ， 能 感 受 小 至 0.1角 秒 的 微小 角 度 变 化 。 传

3、感 器 的 输 出 信 号 强 ， 电 压 灵 敏 度一 般 每 毫 米 可 达 数 百 毫 伏 ， 因 此 有 利 于 信 号 的 传输 与 放 大 。 3.重 复 性 好 ， 线 性 度 优 良 。 在 一 定 位 移 范 围（ 最 小 几 十 微 米 ， 最 大 达 数 十 甚 至 数 百 毫 米 ） 输出 特 性 的 线 性 度 好 ， 并 且 比 较 稳 定 ， 高 精 度 的 变磁 阻 式 传 感 器 ， 非 线 性 误 差 仅 0.1%。 4. 输 出 功 率 大 、 输 出 阻 抗 小 、 抗 干 扰 能 力 强、 对 工 作 环 境 要 求 不 高 。 电 感 式 传 感 器

4、 的 缺 点 ： 频 率 响 应 差 ， 不 宜 于 快 速 动 态 测 量 ， 并 存 在交 流 零 位 信 号 。 6 自 感 式 传 感 器 6.1 工 作 原 理6.2 变 气 隙 式 自 感 传 感 器6.3 变 面 积 式 自 感 传 感 器6.4 螺 线 管 式 自 感 传 感 器6.5 自 感 式 传 感 器 测 量 电 路6.6 自 感 式 传 感 器 应 用 举 例 6.1 工 作 原 理 线 圈 自 感 线 圈 总 磁 链 ,单 位 ： 韦 伯 ；I通 过 线 圈 的 电 流 ， 单 位 ： 安 培 ；W线 圈 的 匝 数 ；Rm磁 路 总 磁 阻 ， 单 位 ： 1/亨

5、 。a)气 隙 型 b)截 面 型 c)螺 管 型自 感 式 传 感 器 原 理 图mRWIWIL 2 SSlNL iii 02 /2/ mm SSlR iiim 0/2/ mm l i 各 段 导 磁 体 的 长 度 ；U i各 段 导 磁 体 的 磁 导 率 ；S i 各 段 导 磁 体 的 截 面 积 ； 空 气 隙 的 厚 度 ；U0 真 空 磁 导 率S 空 气 隙 截 面 积 S,fL SfL 2 1fL 变 气 隙 型 传 感 器变 截 面 型 传 感 器 线 圈 中 放 入 圆 形 衔 铁 可 变 自 感 螺 管 型 传 感 器 。 6 自 感 式 传 感 器 6.1 工 作

6、原 理6.2 变 气 隙 式 自 感 传 感 器6.3 变 面 积 式 自 感 传 感 器6.4 螺 线 管 式 自 感 传 感 器6.5 自 感 式 传 感 器 测 量 电 路6.6 自 感 式 传 感 器 应 用 举 例 6.2 变 气 隙 式 自 感 传 感 器 00222111 2sslslRm m mm 通 常 气 隙 的 磁 阻 远 大 于 铁 芯 和 衔 铁 的 磁 阻 111002 sls mm 222002 sls mm 002sRm mm2 0022 sWRWL m L与 之 间 是 非 线 性 关 系 当 衔 铁 处 于 初 始 位 置 时 ，初 始 电 感 量 为 0

7、0020 2m sWL 当 衔 铁 上 移 时 ， 则 ，代 入 并 整 理 得 000 0020 1)(2 m LsWLLL 0LLL 0m2 0022 sWRWL m 1/ 0 上 式 用 泰 勒 级 数 展 开 成 如 下 的 级 数 形 式 20000 1 LLLL 20000 1 LL 20000 1 LL 3 020000 1 LL 30200000 1 LL同 理 ， 当 衔 铁 随 被 测 物 体 的 初 始 位 置 向 下 移 动 时 ， 有 对 式 作 线 性 处 理 ， 即 忽 略 高 次 项 后 可 得00 LL灵 敏 度 为 000 1/ LLk变 间 隙 式 自 感

8、 传 感 器 的 测 量 范 围 与 灵 敏 度 及 线 性 度 是 相 矛 盾 的 ，因 此 变 隙 式 自 感 式 传 感 器 适 用 于 测 量 微 小 位 移 场 合 。为 了 减 小 非 线 形 误 差 ， 实 际 中 广 泛 采 用 差 动 变 隙 式 电 感 传 感 器 差 动 变 隙 式 电 感 传 感 器 1-铁 芯 ；2-线 圈 ；3-衔 铁 40200021 12 LLLL当 衔 铁 向 上 移 动 时 ， 两 个 线 圈 的 电 感 变 化 量 L1、 L2 对 上 式 进 行 线 性 处 理 ， 即 忽 略 高 次 项 得 00 2 LL灵 敏 度 k0为 000 2

9、/ LLk（ 1） 差 动 变 间 隙 式 自 感 传 感 器 的 灵 敏 度 是 单 线 圈 式 传 感 器 的 两 倍 。（ 2） 单 线 圈 是 忽 略 以 上 高 次 项 ， 差 动 式 是 忽 略 以 上 偶 次 项 ， 因 此 差 动 式 自 感 式 传 感 器 线 性 度 得 到 明 显 改 善 。20 30 *另 一 种 形 式 ： 型 6 自 感 式 传 感 器 6.1 工 作 原 理6.2 变 气 隙 式 自 感 传 感 器6.3 变 面 积 式 自 感 传 感 器6.4 螺 线 管 式 自 感 传 感 器6.5 自 感 式 传 感 器 测 量 电 路6.6 自 感 式 传

10、 感 器 应 用 举 例 6.3 变 面 积 式 自 感 传 感 器 传 感 器 气 隙 长 度 保 持 不 变 ， 令 磁 通 截 面 积 随 被 测 非 电 量而 变 ， 设 铁 芯 材 料 和 衔 铁 材 料 的 磁 导 率 相 同 ， 则 此 变 面积 自 感 传 感 器 自 感 L为 22 00 0 r WWL s K sl l ls s mm m m KdsdLk 0变 面 积 式 自 感 传 感 器 在 忽 略 气 隙 磁 通 边 缘 效 应 的 条 件 下 ，输 入 与 输 出 呈 线 性 关 系 ； 因 此 可 望 得 到 较 大 的 线 性 范 围 。但 是 与 变 气 隙

11、 式 自 感 传 感 器 相 比 ， 其 灵 敏 度 降 低 。 6 自 感 式 传 感 器 6.1 工 作 原 理6.2 变 气 隙 式 自 感 传 感 器6.3 变 面 积 式 自 感 传 感 器6.4 螺 线 管 式 自 感 传 感 器6.5 自 感 式 传 感 器 测 量 电 路6.6 自 感 式 传 感 器 应 用 举 例 单 线 圈 螺 管 型 传 感 器 结 构 图 有 单 线 圈 和 差 动 式 两 种 结 构 形 式 。 单 线 圈 螺 管 型 传 感 器 的 主 要 元 件 为 一 只 螺 管 线 圈 和 一 根圆 柱 形 铁 芯 。 传 感 器 工 作 时 ， 因 铁 芯

12、 在 线 圈 中 伸 入 长 度 的 变化 ， 引 起 螺 管 线 圈 自 感 值 的 变 化 。 当 用 恒 流 源 激 励 时 ， 则 线圈 的 输 出 电 压 与 铁 芯 的 位 移 量 有 关 。6.4 螺 管 型 自 感 传 感 器 r x螺 旋 管铁 心 l 6.4 螺 线 管 式 自 感 传 感 器 1-螺 线 管 线 圈 ；2-螺 线 管 线 圈 ；3-骨 架 ；4-活 动 铁 芯 llrrl WrLLL ccr 220220100 11 mmL10， L20分 别 为 线 圈 、 的 初 始 电 感 值 ；差 动 式 螺 管 型 传 感 器 结 构 图 当 铁 芯 移 动 （

13、 如 右 移 ） 后 ， 使 右 边 电 感 值 增 加 ， 左 边 电 感 值 减 小 l xlrrl WrL ccr 22021 11 mm l xlrrl WrL ccr 22022 11 mm根 据 以 上 两 式 ， 可 以 求 得 每 只 线 圈 的 灵 敏 度 为 2 2202121 1l rWdxdLdxdLkk cr mm两 只 线 圈 的 灵 敏 度 大 小 相 等 ， 符 号 相 反 ， 具 有 差 动 特 征 。 2 22020100 l lrWLLL ccrmm 2 22021 l rWkk crmm1, rr c cl l rm当 且 与 ， 与 均 为 同 数 量

14、 级 的 量 ， 上 式 可 简 化 为 综 上 所 述 ， 螺 管 式 自 感 传 感 器 的 特 点 ： 结 构 简 单 ， 制 造 装 配 容 易 ； 由 于 空 气 间 隙 大 ， 磁 路 的 磁 阻 高 ， 因 此 灵 敏 度 低， 但 线 性 范 围 大 ； 由 于 磁 路 大 部 分 为 空 气 ， 易 受 外 部 磁 场 干 扰 ； 由 于 磁 阻 高 ， 为 了 达 到 某 一 自 感 量 ， 需 要 的 线 圈匝 数 多 ， 因 而 线 圈 分 布 电 容 大 ； 要 求 线 圈 框 架 尺 寸 和 形 状 必 须 稳 定 ， 否 则 影 响 其线 性 和 稳 定 性 。

15、6 自 感 式 传 感 器 6.1 工 作 原 理6.2 变 气 隙 式 自 感 传 感 器6.3 变 面 积 式 自 感 传 感 器6.4 螺 线 管 式 自 感 传 感 器6.5 自 感 式 传 感 器 测 量 电 路6.6 自 感 式 传 感 器 应 用 举 例 等 效 电 路 研 究 其 等 效 电 路 的 目 的 是 为 了 分 析 铁 心 线 圈的 电 气 参 数 及 它 们 对 线 圈 特 性 的 影 响 ， 对 了 解 与分 析 变 磁 阻 式 传 感 器 以 及 选 择 传 感 器 参 数 有 帮 助。 将 传 感 器 线 圈 等 效 成 图 示 电 路 ：Rc 线 圈 的

16、铜 耗 电 阻 。Rv 涡 流 损 耗 电 阻 。Rh 磁 滞 损 耗 电 阻 。C 线 圈 的 匝 间 电 容 和电 缆 分 布 电 容 。 4/ 2c dNlR （ 1） 铜 损 电 阻 Rc 设 导 线 直 径 为 d、 电 阻 率 为 、 线 圈 匝 数 为 N，平 均 匝 长 为 l， 当 忽 略 导 线 趋 肤 效 应 与 邻 近 效 应 时 ，线 圈 电 阻 为 ： （ 2） 涡 流 损 耗 电 阻 涡 流 损 耗 电 阻 Rv是 因 为 频 率 为 f的 交 变 电 流 激励 产 生 的 交 变 磁 场 ， 会 在 线 圈 铁 心 中 造 成 涡 流 损 耗。 根 据 经 典

17、的 涡 流 损 耗 计 算 公 式 知 ， 为 降 低 涡 流 损耗 ， 叠 片 式 铁 心 的 片 厚 应 薄 ； 高 电 阻 率 有 利 于 损 耗的 下 降 ， 而 高 磁 导 率 却 会 使 涡 流 损 耗 增 加 。 （ 3） 磁 滞 损 耗 电 阻 磁 滞 损 耗 电 阻 Rh是 因 为 铁 磁 物 质 在 交 变 磁 化 时， 磁 分 子 来 回 翻 转 需 要 克 服 阻 力 ， 类 似 摩 擦 生 热 的能 量 损 耗 。 （ 4） 并 联 寄 生 电 容 主 要 由 线 圈 绕 组 的 固 有 电 容 与 电 缆 分 布电 容 所 构 成 。 为 便 于 分 析 ， 先 不

18、 考 虑 寄 生 电 容 C， 并 将 等效 电 路 中 的 线 圈 电 感 与 并 联 铁 损 电 阻 (Re=Rh/Rv)等效 为 串 联 铁 损 电 阻 Re与 串 联 电 感 L的 等 效 电 路 ，如 图 所 示 。 等效电路 根 据 ：得 ： 上 式 表 明 ， 铁 损 的 串 联 等 效 电 阻 Re与 L有 关 。因 此 ， 当 被 测 非 电 量 的 变 化 引 起 线 圈 电 感 量 改 变 时， 其 电 阻 值 亦 发 生 不 希 望 有 的 变 化 。 要 减 少 这 种 附加 电 阻 变 化 的 影 响 ， 比 值 Re/(wL)应 尽 量 小 ， 以 使Re1时 ，

19、 1/Q2可 以 忽 略 ， 上 式 可 简 化 为S 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2( j )/(j )j 1/(j ) (1 ) / j(1 ) ( / ) (1 ) ( / )R L CZ R L CR L L C L C QL C L Q L C L Qw ww w w w ww w w w S 2 2 2j(1 ) 1R LZ L C L Cww w 则 RS和 LS相 对 于 R和 L都 增 加 了 。 有 效 品 质 因 数 为 ：写 成 ：下 降 了 。 电 感 的 相 对 变 化 为 ：增 加 了 。 S S SjZ R Lw 2S S S/ (1 )Q L R L

20、 C Qw w S 2Sd 1 d1L LL L C Lw 由 此 可 知 ， 并 联 电 容 C的 存 在 ， 使 有 效 串 联 损耗 电 阻 与 有 效 电 感 均 增 加 ， 有 效 Q值 下 降 并 引 起 电感 的 相 对 变 化 增 加 ， 即 灵 敏 度 提 高 。 因 此 ， 从 原 理而 言 ， 按 规 定 电 缆 校 正 好 的 仪 器 ， 如 更 换 了 电 缆 ，则 应 重 新 校 正 或 采 用 并 联 电 容 对 传 感 器 的 灵 敏 度 重新 加 以 调 整 。 6.5 自 感 式 传 感 器 测 量 电 路1. 交 流 电 桥2. 变 压 器 电 桥3. 自

21、 感 传 感 器 的 灵 敏 度 +-+ -分 析 ： 衔 铁 在 初 始 位 置 时 ， 电 桥 平 衡2 01 2 0 02W SL L L m 若 衔 铁 上 移 ， 则 ：1 0 2 01 2 ,L L （ 一 ） 交 流 电 桥 式 测 量 电 路 *另 一 种 形 式 ： 型 交 流 电 桥 是 电 感 式 传 感 器 、 电 容 式 传 感 器 的 主 要 测 量 电 路 。由 于 交 流 电 桥 的 输 出 可 以 直 接 与 无 零 漂 的 交 流 放 大 器 相 接 ， 因此 在 电 阻 的 测 量 中 也 常 使 用 。 由 交 流 电 源 供 电 ， 电 源 频 率 约

22、 为 传 感 器 位 移 变 化 （ 电 感 变 化） 频 率 的 十 倍 ， 可 满 足 对 传 感 器 动 态 响 应 的 频 率 要 求 。 供 桥 电源 频 率 高 一 些 ， 还 可 以 减 少 温 度 变 化 对 传 感 器 的 影 响 ， 并 可以 提 高 传 感 器 的 输 出 灵 敏 度 。 供 桥 电 源 频 率 高 ， 也 增 加 了 由 于 铁 芯 损 耗 和 寄 生 电 容 带 来 的影 响 。 +-+ -2 01 1 02( )W SZ j L j mw w 2 02 2 02( )W SZ j L j mw w 11 2 000 0 01( )21 11 2 21

23、C iA AD iiZU U UZ Z UU U 衔 铁 上 移 时 两 个 传 感 器 阻 抗 为 ：则 电 桥 输 出 ： 当 0时 ， U0与 Ui同 相 ； 否 则 反相 。 故 本 测 量 电 路可 以 提 供 位 移 大 小和 方 向 的 信 息 。 电 路 结 构 ： 传 感 器 的 两 个 线 圈 Z1、 Z2作 为 相 邻 工 作 臂 ， 另 两个 臂 为 交 流 变 压 器 次 级 线 圈 的 1/2阻 抗 ， 其 每 半 电 压为 Ui/2， 输 出 电 压 取 自 A、 B两 点 ， D点 为 零 电 势 。 1 1Z j Lw2 2Z j Lw （ 二 ） 变 压 器

24、 式 交 流 电 桥 ： 单 相 变 压 器 ： 两 个 线 圈 无 电 的 直 接联 系 ， 只 有 磁 的 耦 合 。原 绕 组 （ 一 次 绕 或 初 级 绕 组 ） ： 两 个 线圈 中 接 交 流 电 源 的 线 圈 ， 其 匝 数 为 N1。副 绕 组 （ 二 次 绕 组 或 次 级 绕 组 ） ： 接 到用 电 设 备 上 的 线 圈 ， 其 匝 数 为 N2。交 变 磁 通 同 时 与 原 、 副 绕 组 交 链 ， 在 原 、 副 绕 组 内 感 应 电 动 势。 dtdNeu dtdNeu 222 111 ; 变 压 器 原 、 副 边 电 势 之 比 即 电 压 之 比

25、， 等于 原 、 副 边 匝 数 之 比 。 变压器的工作原理 （ 2） 若 衔 铁 上 移 ， 则 Z1， Z2 2 01 1 02( )W AZ j L j mw w 2 02 2 02( )W AZ j L j mw w 2 10 2 001 0 00 1 11 1 2( )2 2i iiZ ZU UU Z Z U 若 衔 铁 下 移 ， 则 Z1 ， Z2 0 02iUU 0 02iUU 衔 铁 上 下 移 动 时 ， 输 出 电 压 大 小 相 等 ， 极 性 相 反 ，但 由 于 是 交 流 电 源 ， 输 出 指 示 无 法 判 断 出 位 移 方 向 ， 必须 配 合 相 敏

26、检 波 器 来 解 决 。 3.自 感 传 感 器 的 灵 敏 度 传 感 器 结 构 灵 敏 度 转 换 电 路 灵 敏 度 xLLkt /)/( )/(0 LLukc 总 灵 敏 度 xukkk ctz /0 第 一 项 决 定 于 传 感 器 的 类 型第 二 项 决 定 于 转 换 电 路 的 形 式第 三 项 决 定 于 供 电 电 压 的 大 小 气 隙 型 、 变 压 器 电 桥 传 感 器 2)()(1 22 20 uLR Lk z ww 传 感 器 灵 敏 度 的 单 位 为 m V/(m V)电 源 电 压 为 1V， 衔 铁 偏 移 1m 时 ， 输 出 电 压 为 若

27、干 毫 伏 6 自 感 式 传 感 器 6.1 工 作 原 理6.2 变 气 隙 式 自 感 传 感 器6.3 变 面 积 式 自 感 传 感 器6.4 螺 线 管 式 自 感 传 感 器6.5 自 感 式 传 感 器 测 量 电 路6.6 自 感 式 传 感 器 应 用 举 例 6.6 自 感 式 传 感 器 应 用 举 例 自 感 式 位 移 传 感 器 自 感 式 压 力 传 感 器 1. 自 感 式 位 移 传 感 器1 传 感 器 引 线 2 铁 心 套 筒 3 磁 芯 4 电 感 线 圈 5 弹 簧 6 防 转 件 7 滚 珠 导 轨 8 测 杆 9 密 封 件 10玛 瑙 测 端

28、 2.自 感 式 压 力 传 感 器变 隙 式 自 感 压 力 传 感 器 结 构 图 变 隙 差 动 式 电 感 压 力 传 感 器 （ 1 ） 已 知 变 隙 式 电 感 传 感 器 的 气 隙 横 截 面 积A=1 .5 cm2 ， 气 隙 长 度 0 =0 .5 cm， = 0 .1 mm， 真空 磁 导 率 0 =4 *1 0 -7 H/m， 线 圈 匝 数 W=3 0 0 0 ， 若 忽略 铁 芯 和 衔 铁 的 磁 阻 ， 求 单 端 式 传 感 器 的 灵 敏 度 L/ 。 若 将 其 做 成 差 动 结 构 形 式 ， 灵 敏 度 将 如 何变 化 ？ 其 它 ：（ 1 ） 带 有 两 个 电 感 线 圈 的 可 变 阻 抗 差 压 传 感 器 ，由 于 压 力 作 用 ， 一 个 电 感 变 化 +L， 另 一 个 电 感 变化 -L， 如 图 ， 以 两 种 方 式 接 入 电 桥 ， 电 桥 电 阻R=L。 求 两 种 接 法 的 灵 敏 度 U0 /(L/L)， 并 比 较 之（ 设 LL） 。