傳感器原理及應(yīng)用(第3版)王華翔第4章電感式傳感器

1、第4章 電感式傳感器什么是電感式傳感器？什么是電感式傳感器？電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量的裝置。測(cè)量的非電量：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變等轉(zhuǎn)換后的電量：線圈電感、互感等的變化。汽輪機(jī)主軸振動(dòng)測(cè)量自感式接近開(kāi)關(guān)電渦流振動(dòng)傳感器按原理分類自感式互感式（差動(dòng)，電渦流）按結(jié)構(gòu)分類氣隙式螺管型電感式傳感器特點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。主要由線圈、銜鐵組成。2、分辨力高。能夠測(cè)量0.1um的微小位移。3、線性度好。在較小的測(cè)量范圍內(nèi)，有非常好的線性度。第1節(jié) 自感式傳感器一、氣隙型電感傳感器（1）工作原理被測(cè)體的位移引起氣隙磁阻的變化，從而使線圈電感發(fā)生變化。當(dāng)傳感器線圈與測(cè)量電路連接后，可將電

2、感的變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化，完成從非電量到電量的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)定量分析由磁路基本原理：線圈電感為：mmRNRNIININIL2磁路的總磁阻由鐵心、銜鐵和空氣間隙三部分組成：SlSlSlRm0222111線圈電感為SlSlSlNRNLm022211122補(bǔ)充知識(shí)磁阻定義SlRm磁勢(shì)定義NIem磁路的歐姆定律mmmRe非導(dǎo)磁材料（空氣）的相對(duì)磁導(dǎo)率近似為1，而鐵芯（如硅鋼片）磁導(dǎo)率為700010000。結(jié)果：絕大多數(shù)磁力線集中在鐵芯內(nèi)部，并沿鐵芯方向分布。SlSlSlNRNLm022211122lSNlSfL02),(鐵芯的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣間隙的磁導(dǎo)率 021,線圈電感L是氣隙面積和長(zhǎng)度的函

3、數(shù)變化，S不變l變隙式S變化， 不變變截面式l（2）特性分析（靈敏度和線性度）分析思路：設(shè)氣隙變化為 ，求得其引起的電感變化 ，將 展開(kāi)成級(jí)數(shù)，求得l1L1L靈敏度：線性度：lLKL級(jí)數(shù)線性項(xiàng)級(jí)數(shù)第一個(gè)非線性項(xiàng)SlSlSlRm0222111rrrmllSlllSR) 1(1100L磁路總長(zhǎng)，鐵芯和銜鐵為同一導(dǎo)磁材料 rrmllSR011rrrmllKllNSRNL/1/202SNK20測(cè)量時(shí)，銜鐵移動(dòng)使總氣隙長(zhǎng)度減少 ，則電感增加l1LrlllKLL/11rllKL/1rrlllllLLL/)(/1rrllllllllLL/1111)/(11121)/(11)/(111)/(11rrrllll

4、llllllllLLx忽略高次項(xiàng))/(111rllllLL)/(11rLlllLlLK泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)靈敏度線性度rlllL/11)/(111rllllLL靈敏度線性度rlllL/11氣隙變化越小，線性度越好，測(cè)量越準(zhǔn)確，一般2 . 01 . 0/lL氣隙長(zhǎng)度增加 ，l則電感減小2LrlllKLL/1222)/(11)/(111)/(11/rrrrllllllllllllllllLL如何提高自感式傳感器的靈敏度和線性度？差動(dòng)測(cè)量方法21)/(11)/(111)/(11rrrllllllllllllLL22)/(11)/(111)/(11rrrllllllllllllLL221/111/112rrl

5、lllllllLLLLLrLlllLlLK/1122/11rlllL靈敏度提高一倍，線性度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)二、電感線圈的等效電路Rc線圈銅損電阻Re鐵芯渦流損耗電阻C 線圈并聯(lián)寄生電容并聯(lián)寄生電容的影響不考慮并聯(lián)寄生電容C時(shí)：LjRZs考慮C后：PPsPLjRLCLjLCRZ)1 ()1 (222)1 (2LCLLPLdLLCLdLPP)1 (12并聯(lián)C后，靈敏度提高。電纜長(zhǎng)度改變時(shí)，需校準(zhǔn)。ecsRRRCjLjRZsP1/)(三、測(cè)量電路三、測(cè)量電路（1）交流電橋LZ負(fù)載電阻無(wú)窮大，開(kāi)路LjRZZZs21RRR21LLL21采用差動(dòng)電感線圈，銜鐵移動(dòng)時(shí)ZZZ1負(fù)載兩端的電勢(shì)差為：ZZZ2LjR

6、LjREZZEZZZERRRZZZZZZEUssSC22212LjRLjREUssSC2輸出電壓幅值：ELRLELRRLUSSSSC222222222橋路輸出阻抗：222LRRZS2RLjRZSSSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222E同相分量E正交分量E正交分量=0SSRRLLsRLQ/LLEUSC2（2）變壓器電橋工作電流：21ZZEI輸出電壓：211222122ZZZZEEZZZEUSC銜鐵位于正中：LjRZZZs210SCU銜鐵正向偏移：ZZZ1ZZZ2ZZEUSC2與電源電壓同相銜鐵反向偏移：與電源電壓反相ZZZ1ZZZ2ZZEUSC2第2節(jié) 差動(dòng)變壓器互感式傳感器將

7、被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為變壓器的互感系數(shù)變化。初級(jí)線圈輸入交流電壓，次級(jí)線圈互感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。由于變壓器次級(jí)線圈常接成差動(dòng)形式，因此稱為差動(dòng)變壓器。差動(dòng)變壓器測(cè)量壓力一、結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)：銜鐵；初級(jí)線圈；次級(jí)線圈框架初級(jí)線圈：勵(lì)磁，原邊次級(jí)線圈：反相串聯(lián)接成差動(dòng)形式 輸出，副邊銜鐵：隨被測(cè)物體移動(dòng)，改變兩個(gè) 副邊與原邊的互感系數(shù)。定量分析等效電路初級(jí)線圈電流1111LjReI兩個(gè)次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的互感系數(shù)分別為M1, M2。次級(jí)線圈感應(yīng)出的電勢(shì)為：1121IMje1222IMje次級(jí)線圈差動(dòng)輸出：1112122212LjReMMjeee輸出電壓幅值：21211212LReMMe輸出阻抗：)(222

8、12221LLjRRZ1121/mRNNM2122/mRNNM鐵芯位移 ，差動(dòng)變壓器輸出電壓幅值x2e22121xKxKe銜鐵位于正中：MMM2102e 銜鐵向上移動(dòng)：MMM1MMM2與 同相銜鐵向下移動(dòng)：與 同相2121122LRMee21eMMM2MMM12121122LRMee22e當(dāng)鐵芯位移很小時(shí)xKe12具有很好的線性度，又稱LVDT二、誤差因素分析零點(diǎn)殘余電壓：當(dāng)銜鐵處在中間位置，差動(dòng)變壓器輸出電壓不為零，存在微小的電壓值。零點(diǎn)殘余電壓包含了基波同相分量，基波正交分量，二次、三次和高次諧波。勵(lì)磁電壓溫度變化（1）基波分量?jī)蓚€(gè)次級(jí)線圈的繞組參數(shù)（電阻、電感）不完全相同，感應(yīng)出的電勢(shì)幅

9、值相位均不同，矢量相減不為零。產(chǎn)生原因（2）高次諧波由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起，導(dǎo)致勵(lì)磁電流與磁通波形不一致。（勵(lì)磁電流為正弦，而磁通曲線變形，產(chǎn)生高次諧波）怎樣消除零點(diǎn)殘余電壓？（1）從設(shè)計(jì)和制造上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性保證線圈和磁路的對(duì)稱性。（2）采用如相敏檢波電路等合適的測(cè)量線路（3）采用補(bǔ)償線路通過(guò)對(duì)次級(jí)線圈并（串）聯(lián)電容或電阻的方法，改變某一次級(jí)線圈感應(yīng)電壓的相位，從而使兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓相位相差180，從而消除零點(diǎn)殘余電壓。并聯(lián)電阻電容串聯(lián)電阻電容三、測(cè)量電路差動(dòng)變壓器輸出 為交流電壓，為反映銜鐵移動(dòng)的方向和大小，需采用相敏檢波電路。2e （1）差動(dòng)整流電路全波相敏整流電路，根據(jù)半

10、導(dǎo)體二極管單向?qū)ㄔ斫庹{(diào)。+ + +考察次級(jí)線圈1某時(shí)刻f為“+”，e為“-”，電流路徑：f-g-d-cd-c-h-e某時(shí)刻e為“+”，f為“-”，電流路徑：e-h-d-cd-c-g-f流過(guò)電阻R1電流始終為d-cd-c同理同理流過(guò)電阻R2電流a-ba-bdcabcdabSCeeeeU（2）相敏檢波電路er 與e頻率相同，經(jīng)移相器后兩者同相或反相， er e鐵芯位于中間位置時(shí)，e=0, er起作用。er正半周，“A+”，“B-”，D1，D2導(dǎo)通D3，D4截止，流過(guò) R1 R2電流為i1，I2，壓降Ucb,Udb大小相等，方向相反，Ucd=0。er負(fù)半周，“B+”，“A-”，D3，D4導(dǎo)通D1

11、，D2截止，流過(guò) R1 R2電流為i3，i4，壓降Ubc,Ubd大小相等，方向相反，Ucd=0。+2. 鐵芯上移，e與er同相位，er e， 正半周時(shí)，D1，D2導(dǎo)通；D3，D4截止，D1回路總電勢(shì)為 ，D2回路總電勢(shì)為： 。所以電流i1i2，Ucd=R(i1-i2)0+-eer21eer21負(fù)半周時(shí)，D3，D4導(dǎo)通；D1，D2截止，D3回路總電為 ，D4回路總電勢(shì)為： 。所以電流i4i3，Ucd=R(i4-i3)0eer21eer21+四、差動(dòng)變壓器應(yīng)用第3節(jié) 電渦流傳感器電渦流傳感器利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作，能夠進(jìn)行非接觸測(cè)量，用于測(cè)量位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、硬度、無(wú)損探傷等領(lǐng)域。在電廠汽輪

12、機(jī)側(cè)應(yīng)用廣泛。一、工作原理電渦流效應(yīng)：金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合，稱為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。集膚效應(yīng)：當(dāng)金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)頻率很高時(shí)，電流幾乎只集中在導(dǎo)體表面很薄的一層。fhr5030電渦流傳感器工作原理傳感器線圈由高頻信號(hào)激勵(lì)，使它產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場(chǎng)，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，在導(dǎo)體表面產(chǎn)生與磁場(chǎng)相交鏈的電渦流，而此電渦流又產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)阻礙外磁場(chǎng)的變化。因此，在被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在電渦流損耗，使傳感器的品質(zhì)因數(shù)和等效阻抗降低。因此，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體與傳感器間距離d發(fā)生改變時(shí)，傳感器Q, Z和電感L均發(fā)生變化，將非電量轉(zhuǎn)換為電量，完成測(cè)量

13、目的。 二、等效電路線圈和金屬導(dǎo)體之間存在互感系數(shù)M，其隨距離d的減小而增大。02222121111ILjIRMIjEMIjILjIR2222222122222221LRMLLjLRMRRZ22222221)( LRMLLL222212222212011ZMRRZMLLQQ由于有能量損耗品質(zhì)因數(shù)降低互感系數(shù)M是距離x的函數(shù)，因此)(1xFZ )(2xFL )(3xFQ L的變化與被測(cè)金屬的材料有關(guān)。若金屬導(dǎo)體為磁性材料，如鐵心，硅鋼片。當(dāng)導(dǎo)體放置到探頭附近時(shí)，L1增大，從而L增大。若金屬導(dǎo)體為非磁性材料（鋁合金），當(dāng)導(dǎo)體放置到探頭附近時(shí)，L1不變，從而L減小。LCf21三、電渦流傳感器測(cè)量時(shí)需注意的事項(xiàng)1. 線圈外徑大，測(cè)量線性范圍寬，但靈敏度低；線圈外徑 小，則相反。2. 被測(cè)導(dǎo)體為平面時(shí)，被測(cè)體直徑不小于線圈直徑的1.